Reações de Adição á Ligação Reações de Adição á Ligação Mútipla Carbono-CarbonoMútipla Carbono-Carbono

QUÍMICA ORGÂNICA FUNDAMENTAL

2005/2

Orbitais moleculares spOrbitais moleculares sp22 - Molécula de eteno - Molécula de eteno

electrostatic potential map

Orbitais moleculares sp – Molécula de etinoOrbitais moleculares sp – Molécula de etino

Adições sin e antiAdições sin e anti

C C + X Y C C

X Y

A syn addition

C C + X Y C C

X

Y

A anti addition

C C A B A C C Baddition

+

Reações de Adição: Hidrogenação CatalíticaReações de Adição: Hidrogenação Catalítica

C C H H C CH H

+ + calorcat.

C C

C C

H H

catalisadorH2

H H C CH H

hidrogênioadsorvidono cat.

Complexoalqueno-cat.

HC C

Hcatalisadorregenerado

+

O papel do catalisadorO papel do catalisador

Mecanismo da hidrogenação catalíticaMecanismo da hidrogenação catalítica

Alguns aspectos especiais da hidrogenaçãoAlguns aspectos especiais da hidrogenação

cis-2-ButenoPd/CaCO3/Pb

H2, Pd

HHH3C CH3

(adição sin)

CH3H3C

CH3

CH3 H2+Pt, 1 atm

25oC

CH3

CH3

HH

CH3C CCH3 H2+Pd, 1 atm

(Lindlar)C C

CH3

HH

CH3

(Z)-3-Hexeno

CH3CH2C CCH2CH3

C CCH2CH3

HH

CH3CH2H2/Ni2B

OCCH3

O

NiNaBH4

C2H5OHNi2BP-22

CH3

CH3H3C

H

CH3H3C CH3

H

HCH3

CH3H3C

H H

H

não se forma

H2

Pd/C

Adição anti de hidrogênio: síntese de alquenos Adição anti de hidrogênio: síntese de alquenos transtrans

C C (CH2)2CH3CH3(CH2)2

1. Li, C2H5NH2, 78oC

2. NH4ClC C

(CH2)2CH3

H

H

CH3(CH2)2

4-Octyne (E)-4-Octyne(trans-4-Octyne)

(52%)

C C C C

R

R

RRLi + C C

R

RH NHEt

H

Radical anion Vinylic radicalA lithium atom donates an electron to the bond of the alkyne. An electron

pair shifts to one carbon as thehybridization states change to sp2.

The radical anion acts as a base and removes a

proton from a molecule of the ethylamine.

C C

R

R H

LiC C

R

R H

C C

R

R

H NHEt

H

H

Vinylic radical trans-Vinylic anion trans-AlkeneA second lithium atom donates an electron to

the vinylic radical.

The anion acts as a base and removes a proton from a second

molecule of ethylamine.

Hidrogenação catalítica de Hidrogenação catalítica de outros grupos funcionaisoutros grupos funcionaisH2

Pd/C

O

CO2Me CO2Me

O

etanol

H2

Pd/Cetanol

H2, cat.

altas temperaturas e pressões

Br

H2, Pt

25oC + HBr

S

Ni-Raney

H2CH3CH2CH2CH3 + H2S

O

SH

SH

BF3

S

S

Ni-Raney

H2

BrH2, Pd/CaCO3

KOH alcóolico+ HBr

Hidrogenação na indústria alimentícia e em sistemas biológicos

H2Pd/C

O

O

O

O

Ác. linoleico(const. do óleo vegetal)

Ác. esteárico(gordura saturada - margarina)

C C CO2HHO2C

H H

H H

C=C

CO2H

HHO2C

H

Ác. fumárico + Enzima-H2

Ác. succínico + Enzima

Enzima = Desidrogenase succínica

Hidrog.

Desidrog.

Calor de hidrogenaçãoCalor de hidrogenação

H H C C

HH

+ PtC C H° ≈ – 120 kJ mol–1

H2 CH3CH2CH2CH3+ PtHo = 127 kJ mol-1

Butane1-Butene (C4H8)

CH3CH2CH CH2

H2 CH3CH2CH2CH3+ Pt Ho = 120 kJ mol-1

Butane

C C

H

CH3

H

H3C

cis-2-Butene (C4H8)

H2 CH3CH2CH2CH3+ Pt Ho = 115 kJ mol-1

Butane

C C

CH3

H

H

H3C

trans-2-Butene (C4H8)

Padrão de estabilidade relativa dos alquenos, Padrão de estabilidade relativa dos alquenos, com base no calor de hidrogenação com base no calor de hidrogenação 

trans-2-butene > cis-2-butene > 1-butene.

C=C

CH3H3C

H HC=C

CH3H

H3C H

H = - 28,6 Kcal/mol H = - 27,6 Kcal/mol

(mais energético) (menos energético)

Curso da reação

E.P.

cistrans

H transH cis

R

R

R

R

R

H

R

R

H

H

R

R

H

R

R

H

R

H

R

H

H

H

R

H

H

H

H

H

Tetrasubstituted Trisubstituted Monosubstituted Unsubstituted

> > > > >>

Disubstituted

Índice de Deficiência de Hidrogênio (IDH)Índice de Deficiência de Hidrogênio (IDH)

Alcano: CnH2n + 2

Alquenos e cicloalcanos: CnH2n

 Alquinos e alcadienos: CnH2n - 2

 IDH = Número de pares de hidrogênio que devem ser subtraídos da fórmula molecular do alcano correspodente, afim de se obter a fórmula molecular do hidrocarboneto considerado. Hexano – C6H14

Hexeno – C6H12

H2 ( 1 par) IDH = 1

  

Considerações Importantes na Utilização dessa MetodologiaConsiderações Importantes na Utilização dessa Metodologia

I. Presença de elementos do Grupo VI (O, S, Se, Te) - Ignorar o heteroátomo e comparar a fórmula resultante com o alcano correspondente:

C7H14O2 → C7H14 C7H16 (≠ 2 H, IDH = 1) CnH2n + 2

Acetato de isopentila

II. Presença de elementos do Grupo VII (F, Cl, Br, I) - Substituir o halogênio por hidrogênio (na prática acrescentar um H por cada halogênio) e comparar a fórmula resultante com o alcano correspondente:

C2H3Cl3O2 → C2H6 C2H6 IDH = 0 CnH2n + 2

Cloral

III. Presença de elementos do Grupo V (N, P, As, Sb, Bi) - Subtrair um hidrogênio para cada heteroátomo e comparar a fórmula resultante com o alcano correspondente:

C10H14N2 → C10H12 C10H22 (≠ 10 H, IDH=5)

CnH2n + 2

NicotinaN

N

CCl3C

OH

OH

H

O

O

IDH = 1 + [(no átomos do elemento particular) (NL – 2)]

2 Considerando uma substância contendo C, H, N, O e Cl; e as

correspondentes número de ligações (NL) → O = 2, C = 4, N = 3, Cl = 1, temos:

IDH = 1 + [nC x 2 + nH x (-1) + nN x 1 + nCl x (-1)] 2

IDH = 1 + nC - nH + nN - nCl 2 2 2

Exercício: Calcular o IDH dos exemplos acima (acetato de isopentila, cloral e nicotina), sabendo-se que as fórmulas moleculares são: C7H14O2, C2H3Cl3O2, C10H14N2 , respectivamente.

Alternativamente o IDH pode ser calculado por:Alternativamente o IDH pode ser calculado por:

ExercícioExercício

• O cariofileno, composto encontrado no óleo de cravo, tem a fórmula molecular C15H24 e não tem ligação dupla. A reação do cariofileno com excesso de hidrogênio, na presença de catalisador de platina, leva ao composto com a fórmula C15H28 . (a) Quantas duplas ligações tem o cariofileno? (b) quantos anéis tem a molécula?

CariofilenoEugenol: R = HAcetato de eugenila: R = Ac

CH3O

RO

Adição de X-Y a alquenosAdição de X-Y a alquenos

C C + X Y C C

YX

bond 2 bonds

Bonds broken Bond formed

bond

Mecanismo geral da adição de HX (X = F, Cl, Br ou I)Mecanismo geral da adição de HX (X = F, Cl, Br ou I)

Ordem de reatividade: HI > HBr > HCl > HF

1a Etapa

2a Etapa

C C H X C C

H

+ slow +

The electron of the alkene form a bond with a protonfrom HX to form a carboncation and a halide ion.

+ X

+ C C

H+ fast

C C

H

X

The halide ion reacts with the carboncation by donating an electron pair; the result is an alkyl halide.

X

Parâmetros cinéticos e termodinâmicosParâmetros cinéticos e termodinâmicos

X H + C C C C

H

+ X

NucleophileElectrophile

+

C C

H

+ C C

H X

NucleophileElectrophile

+X

v = k[alqueno][HX]2

Diagrama de energia livre para adição de HX à alquenos.

Regioquímica da adição de HXRegioquímica da adição de HX

H3CCH2BrH2C=CH2 + HBr

C

H

H

C

H

HH Br

C C

HH

HH

H

Br-

C C

H

Br

H

HH

H

H2C CHCH3 + HBr CH3CHCH3

Br

(little BrCH2CH2CH3)

2-Bromopropane 1-Bromopropane

C CH2

H3C

H3C

+ HBr H3C C CH3

Br

CH3

(little H3C CH CH2 Br

CH3

2-Methylpropene(isobutylene)

tert-Butyl bromide Isobutyl bromide

)

Regiosseletivdade - Regra de Regiosseletivdade - Regra de MarkovnikovMarkovnikov

1870: Vladimir Markovnikov (químico russo) propôs a seguinte regra: “If an unsymmetrical alkene combines with a hydrogen halide, the halide ion adds to the carbon atom with fewer hydrogen atoms” (The addition of HX to an alkene, the hydrogen atom adds to the carbon atom of the double that already has the greater number of hydrogen atoms).

Carbon atom with the greater number of hydrogen atoms

CH2 CHCH3 CH2 CHCH3

BrHBrH

X H CH3CH CH2+ CH3CH

H

CH2 ++

1o CarbocationX

(less stable)

CH3CH CH2 + +CH3CH CH2 H+

H X X

2o Carbocation(more stable)

CH3CH CH2

X

HBr

slow

CH3CH2CH2

1o

Br+CH3CH2CH2Br

1-Bromopropane(little formed)

CH3CHCH3Br CH3CHCH3+

2oBr

Step 1 Step 2

2-Bromopropane(main product)

Diagrama de energia livre para adição de HBr ao propeno G‡(2°) é menor que G‡(1°).

Postulado moderno para a regra de Postulado moderno para a regra de MarkovnikovMarkovnikov

• In the ionic addition of an unsymmetrical reagent to a double bond, the positive portion of the adding reagent attaches itself to a carbon atom of the double bond so as to yield the more stable carbocation as an intermediate.

C CH2

H3C

H3C

I Cl+

+ C CH2

H3C

H3C

I+ CH3C

CH3

CH2

Cl

I

Cl

2-Chloro-1-iodo-2-methylpropane2-methylpropene

CH3CH CH2 + HBrROOR CH3CH2CH2Br

Exceção à regra de Markovnikov – Adição de HX na presença de peróxidos

Estereoquímica da adição de HXEstereoquímica da adição de HX

C2H5 CH CH2

H X

C2H5 C

CH2

H

++

(a)

(b)

Achiral,trigonal planar carbocation

C2H5 C

X

CH3

H

(S)-2-Halobutane (50%)

(a)

(b)C2H5 C

X

HCH3

(R)-2-Halobutane (50%)1-Butene accepts a proton from

HX to form an achiral carbocation.The carbocation reacts with the halideion at equal rates by path (a) or (b) to form the enantiomers as a racemate.

X

H

CH3CH2CH CH2 + HX CH3CH2CHCH3

X

*

Adição de ácido sulfúrico a alquenosAdição de ácido sulfúrico a alquenos

C C H O S OH

O

O

+ CC

H

+ + O S OH

O

O

CC

HHO3SO

Carbocation Hydrogen sulfate ion Alkyl hydrogen sulfateAlkene Sulfuric acid

Soluble in sulfuric acid

C CH2

H3C

H

H OSO3H

C CH2

H3C

H

H

OSO3H

+

CH3C

H

CH3

OSO3H

2o Carbocaion Isopropyl hydrogen sulfate(more stable carbocation)

Isopropyl alcohol

H2O, heat

Adição de HAdição de H22O catalisada por ácido - HidrataçãoO catalisada por ácido - Hidratação

C C + HOHH3O+

C

H

C

OH

H2C CH2 + HOHH3PO4

300oCCH3CH2OH

H3O+

OH

Mecanismo da hidrataçãoMecanismo da hidratação

CCH2

CH3

H3CH O

H

H+

slowH3C C

H2C

CH3

H H

O H+ +

C

CH3

H3C CH3

+H

O H+fast

H3C C

CH3

CH3

H

O H+

H

O H+fast

H

O HH+

+H3C C

CH3

CH3

H

O H+

H3C C

CH3

CH3

O H

1a Etapa

2a Etapa

3a Etapa

Regioquímica e rearranjosRegioquímica e rearranjos

H3C C

CH3

CH3

CH CH2

H2SO4

H2O H3C C

OH

CH3

CH CH3

CH3

2,3-Dimethyl-2-butanol(major product)

3,3-Dimethyl-1-butene

C CH2

H3C

H3C

+ HOHH3O+

25oCH3C C

CH3

OH

CH2 H

tert-Butyl alcohol2-Methylpropene(isobutylene)

very

slowH3C C

CH3

CH2+

H +

H

O HCCH2

CH3

H3CH O

H

H+

Praticamente não ocorre

Adição de XAdição de X22 a alquenos a alquenos

CH3CH CHCH3 + Cl2 9oCCH3CH CHCH3

Cl Cl

(100%)

CH3CH2CH CH2 + Cl2 9oC(97%)CH3CH2CH CH2

ClCl

+ Br2 5oCCCl4

Br

HH

Br

+ enantiomer (95%)

trans-1,2-Dibromocyclohexane(as a racemic form)

Utilização clássica – Caracterização de Utilização clássica – Caracterização de alquenos e alquinosalquenos e alquinos

C C + Br2room temperature

in the dark, CCl4C C

Br Brvic-Dibromide

Rapid decolorization of Br2/CCl4 is a test for alkenes and alkynes.An alkene

(colorless)(colorless)Bromine

(red brown)

R H + Br2room temperature

in the dark, CCl4no appreciable reaction

Alkane Bromine(red brown)(colorless)

Mecanismo da adição de XMecanismo da adição de X22

C C C C

Br

Br +

Br

Br

Bromonium ion Bromide ion+

C C

Br

Br

vic-Dibromide

C C

Br

Br +

Bromonium ion Bromide ion+

1a Etapa

2a Etapa

C C Br Br+

C

Br

+ Br

++C C

Br+

Br

Bromonium ion

Estereoquímica da adição de XEstereoquímica da adição de X22

trans-1,2-Dibromocyclopentane

(not formed)

Topattack

cis-1,2-Dibromocyclopentane

Bottomattack

CyclopenteneCarbocationintermediate

HH

HBr

H Br

+BrBr

H H

BrBr

H

H

Br

Br

Br

Br+

H H

Br2

CCl4+ enantiomer

trans-1,2-Dibromocyclopentane

HHHBr

H Br

(a)(b)

trans-1,2-Dibromocyclopentane enantiomers

Bromonium ionBr+

H H

Br

HBr

H Br

H Br

HBr(a)(b)

Br2

1 2

3

6

Br

inversionat C1

Cyclohexene Bromonium ion

BrBr

Diaxial conformation

Diequatorial conformationtrans-1,2-Dibromocyclohexane

Br+

6 1 23

Br

Br

trans-1,2-Dibromo-

cyclohexaneinversion at C2

Br

Br

BrBr

Reações estereoespecíficasReações estereoespecíficas

C

C

H3C H

H CH3

Br2

CCl4

C

C

Br H

Br H

CH3

CH3

(2R,3S)-2,3-Dibromobutanetrans-2-Butene(a meso compound)

C C HMe

Me

H

HC

Br

MeC

H

Br

Me

Br

C C

Br

MeH

HMe

MeC

Br

H

CMe

Br

HC C

Br

MeH

HMe

anti-addition

+

trans-2-butene

+

Br Br

C

C

H3C H

H3C H

C

C

Br H

H Br

CH3

CH3

+C

C

H Br

Br H

CH3

CH3

(2S,3R) (2S,3S)cis-2-Butene

Br2

CCl4

cis-2-butene

C C HMe

H

Me

HC

Br

MeC

Me

Br

H

Br

C C

Br

HMe

HMe

HC

Br

Me

CMe

Br

HC C

Br

HMe

HMe

anti-addition

+

+

+

Br Br

Br (a) (b)

C C

Br

HH3C

HCH3

Br

C C

Br

H3CH

CH3H

Br

(2R,3R-)2,3-Dibromobutane

(2S,3S)-2,3-Dibromobutane

(a)

(b)Bromonium ion

cis-2-butene reacts with bromine to yield an achiral bromonium ion and

a bromide ion. [Reaction at the other face of the alkene (top) would

yield the same bromonium ion.]

The bromonium ion reacts with the bromide ions at equal rates by paths (a) and (b) to yield the two enantiomers in

equal amounts (i.e., as the racemic form).

C C

HCH3

HH3C

BrBr

Br

+

C C HCH3

HH3C

(achiral)

(chiral)

(chiral)

Br (a) (b)

C C

Br

HH3C

CH3H

Br

C C

Br

H3CH

HCH3

Br

(R,S-)2,3-Dibromobutane

(R,S)-2,3-Dibromobutane

(a)

(b)Bromonium ion

C CCH3H

HH3C

BrBr

Br

+

C C CH3H

HH3C

(chiral)

(meso)

(meso)

trans-2-Butene reacts with bromineyo yield chiral bromonium ions and bromide ions. [Reaction at the other

face (top) would yield the enantiomerof the bromonium ion as shown here.]

When the bromonium ions react byeither path (a) or path (b), they yiled

the same achiral meso compound.[Reaction of the enantiomer of the intermediate bromonium ion would

produce the same result.]

Adição de XAdição de X22/H/H22O – Formação de halohidrinasO – Formação de halohidrinas

C C + X2 + H2O C C

OHX

C C

XX

+ + HX

X = Cl or Br Halohydrin vic-Dihalide(major) (minor)

This step is the same as for halogen addition to an alkene

X

Halonium ion

C C

XX

X

+

C C +

O H

H

+ C C

X

O

H

HO

H

H+

C C

X

O

H

+ O H

H

H +

Protonatedhalohydrin

Halohydrin

Here, however, a water molecule acts as the nuclephile and attacks a

carbon of the ring, causing the formation of a protonated halohydrin.

The protonated hallohydrin loses a proton (it is transferred to a molecule

of water). This step produces the halohydrin and hydronium ion.

Halonium ion

C C

X+

1a Etapa

2a e 3a Etapa

RegiosseletividadeRegiosseletividade

C CH2

H3C

H3C

H3C C

CH3

CH2

Br

H3C C CH2Br

OH2

CH3

H3C C CH2Br

OH

CH3

+Br2 OH2

H

(73%)Mapa de contorno – vermelho indica área relativamente negativa e azul indica áreas

relativamente positiva (ou nemos negativa).

The Sea: A Treasury of Biologically Active The Sea: A Treasury of Biologically Active Natural ProductsNatural Products

Br

ClCl

Cl

Br

Halomon: in preclinical evaluation as a cytotoxic agent against certain tumor cell types

(3R)- and (3S)-Cyclocymopol monomethyl ether: show agonistic or antagonistic effects on the human progesterone receptor, depending on which enantiomer is used

Br

OCH3

OH

Br3

Cl Cl

ClCl

Tetrachloromertensene

Dactylyne: an inhibitor of pentobarbital metabolism

O

Br

Br Cl

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

O

OHO

H

H

H

H

HHO

H

HH

H

H

H

H HH

Cl

Br

Kumepaloxane: a fish antifeedant synthesized by the Guam bubble snail Haminoea cymbalum, presumably as a defense mechanism for the snail.

O

OBr

Br

(3E)-Laureatin:

Brevetoxin B: associated with deadly “red tides”.