Instituto de Química – USP Reatividade de Compostos Orgânicos QFL-0342 (2016) Adição Eletrofílica Massuo Jorge Kato (massuojorge@gmail.com) http://www2.iq.usp.br/docente/majokato/index.dhtml?pagina=699&chave=z2L

QFL-0343 Reatividade em química orgânica (MJK, 2016) Reações de adição eletrofílica em compostos insaturados.   Nomenclatura, hibridização e estruturas (E/Z) de alcenos; Estabilidade relativa de alcenos; calores de hidrogenação catalítica; Estruturas, estabilidade relativa e rearranjos de carbocátions (Q8); Regiosseletividade (regioquímica) das adições HY (HX; H2O; H2SO4) (Q2 – Q5, Q7, Q8); reações de HY em presença de peróxidos (vide estabilidade de radicais) (Q3, Q6, Q7); Orientações Markovnikov e Anti-Markovnikov; Métodos alternativos importantes para a obtenção de álcoois: oximercuração/desmercuração (Q11) e hidroboração/oxidação/hidrólise (Q-3) Adições de X2 e competições com outros nucleófilos; (Q1) Oxidações parciais de olefinas [epoxidação (Q10); hidroxilações] e clivagens oxidativas (Q12 – Q16).

Tópicos correlacionados: Reações de eliminação (E1 e E2) formando alcenos; Reações de substituição nucleofílica (SN1 e SN2) Propriedades espectrofotométricas e espectroscópicas de compostos insaturados;

Sugestões de estudo: O ideal dar uma olhada antes das aulas e observar qual é a essência dos tópicos; Escreva as reações envolvidas pois isso é essencial para o estudo da química orgânica; Jamais deixe a matéria acumular, pois cada tópico serve de base para o seguinte; Os exercícios servem como guia para os estudos; tente descobrir qual é a essência do problema; Discuta a matéria dentro dos grupos tentando deixar claro o princípio envolvido em cada tópico.

Instituto de Química – USP Reatividade de Compostos Orgânicos QFL-0342 (2016) Adição Eletrofílica

Hidrogenação catalítica de alcenos

BOTH HYDROGENS ADD TO THE SAME SIDE OF THE DOUBLE BOND CH3 H not observed anti addition X syn addition

Reações de adição eletrofílica versus reação radicalar Compare os resultados em A e B e pense a respeito dos mecanismos envolvidos A B

Em A ocorre uma adição ao H+ (eletrófilo) formando as duas alternativas de carbocátions O que rege a estabilidade de carbocátions?

Estabilidades Relativas de Carbocátions Somente para lembrar

Estabilidade de Carbocátions: Mecanismos de Deslocalização de Elétrons: Hiperconjugação

Three main structural factors that help to stabilize carbocations: Neighboring carbon atoms. Neighboring carbon-carbon multiple bonds Neighboring atoms with lone pairs.

This phenomenon is common in Mass spectrometry (in amines, alcohols, aldehydes and wherever Are atoms adjacente with lone electrons)

Regioquímica da Adição Qual produto é formado preferencialmente?

A regioquímica é definida pelo mecanismo e pela estabilidade do intermediário carbocátion mais estável

QFL-2342 - Reatividade de Compostos Orgânicos I 5. Reações de Adição Eletrofílica Etapa Determinante da Velocidade: Formação do Carbocátion Prof. Luiz F. Silva Jr - IQ-USP - 2013

Regra de Markovnikov Enunciado preliminar: O eletrófilo se adiciona preferencialmente ao carbono sp2 da ligação C=C o qual possui maior número de hidrogênios. Em uma reação regiosseletiva, há a formação de um isômero constitucional como produto majoritário ou único produto da reação.

Reações de adição eletrofílica versus reação radicalar Compare os resultados em A e B e pense a respeito dos mecanismos envolvidos A B

No caso B, o mecanismo envolve a formação de radicais

Formação de Radicais Radicais são formados pela quebra homolítica de reações relativamente fracas. Peróxidos: Halogênios:

Reatividade de Compostos Orgânicos Mecanismo de Adição de HBr a Alquenos na Presença de Peróxido: Etapas de Iniciação 8. Reações Radicalares Volhardt, p. 511: The driving force for the second (exothermic) step is the formation of the strong O-H bond. IQ-USP 2014

Reatividade de Compostos Orgânicos Mecanismo de Adição de HBr a Alquenos na Presença de Peróxido: Etapas de Propagação 8. Reações Radicalares IQ-USP 2014

Mecanismo de Adição de HBr a Alquenos na Presença de Peróxido: Etapas de Terminação

Estabilidade Relativa de Radicais e carbocátions

Adição anti-Markovnikov Adição de HBr a Alquenos: O Efeito de Peróxidos Adição Markovnikov Adição anti-Markovnikov (regioquímica comparada com a Obtida pela reação iônica)

O que as orientações Markovnikov e anti-Markovnikov têm em comum? Produto Markovnikov Produto Anti-Markovnikov

Adição de Água à Alquenos Mecanismo da adição de água catalisada por ácido:

QFL-2342 - Reatividade de Compostos Orgânicos I 5. Reações de Adição Eletrofílica Formação de carbocátions é a etapa determinante na velocidade das reações Alceno + HCl Hidratação do Propeno Prof. Luiz F. Silva Jr - IQ-USP - 2013

Adição de álcool catalisada por ácido Mecanismo da adição de álcool catalisada por ácido:

Porém, quando carbocátions mais estáveis podem ser formados as reações de adição eletrofilica. Migração 1,2 de hidreto: carbocátion mais estável

Migração 1,2 de metila: carbocátion mais estável

E nesse caso?

Como se explica essa conversão?

QFL-2342 - Reatividade de Compostos Orgânicos I 5. Reações de Adição Eletrofílica Os rearranjos de carbocátions limitam a aplicação das hidratações de alcenos catalisadas por ácidos. Solução: Oximercuriação/Demercuriação Prof. Luiz F. Silva Jr - IQ-USP - 2013

Adição de Água por Oximercuriação Mecanismo da oximercuriação ? H20

Adição de Água por Oximercuriação Mecanismo da oximercuriação Adição Markovnikov Adição Markovnikov adição anti

Adição de Água por Oximercuriação Mecanismo da oximercuriação Adição Markovnikov Adição Markovnikov adição anti

Desmercuriação por Redução O mecanismo da reação é complicado envolvendo hidretos de mercúrio e espécies radicalares. Por isso, o passo de redução não é estereospecífico. Com isso o processo total de mercuriação / desmercuriação é uma transformação não estereospecífica, mas altamente regiosseletiva.

QFL-2342 - Reatividade de Compostos Orgânicos I 5. Reações de Adição Eletrofílica Adição de Água por Hidroboração – Oxidação Comparação entre hidratação ácida e hidroboração: Produto Markovnikov Produto anti-Markovnikov Características da hidroboração: A adição é “anti-Markovnikov”; Hidroboração/oxidação é um método importante para a preparação de alcoóis. H. C. Brown; Prêmio Nobel de Química em 1979 Prof. Luiz F. Silva Jr - IQ-USP - 2013

QFL-2342 - Reatividade de Compostos Orgânicos I 5. Reações de Adição Eletrofílica Mecanismo da Hidroboração centro eletrofílico hidrogênio entra como hidreto Adição SIN concertada com regioquímica Prof. Luiz F. Silva Jr - IQ-USP - 2013

Estados de Transição para Adição de BH3 e HBr “Anti-Markovnikov” Adição Markovnikov reação pericíclica

Mecanismo da Hidroboração: Formação de Dialquil e Trialquil Boranas

Mecanismo da Oxidação: Substituição do Boro por OH rearranjo hidrólise

Estereoquímica da Hidroboração-Oxidação adição sin

Reações de Adição com Br2 Íon Bromônio como Intermediário (Adição anti)

Adição de halogênios à alcenos

QFL-2342 - Reatividade de Compostos Orgânicos I 5. Reações de Adição Eletrofílica Evidência Experimental para o Íon Bromônio X The extremely large alkyl groups prevent the bromide from attacking into the C-Br sigma*, thus inhibiting the formation of the dibromide compound and allowing the bromonium ion to be isolated. Br- Prof. Luiz F. Silva Jr - IQ-USP - 2013

A bromação ocorre por uma adição anti: Mecanismo:

Íon Bromônio versus Carbocátion “aberto” Por que a estrutura íon bromônio é mais estável que a do carbocátion? Quais as consequências para a estereoquímica da reação?

Instituto de Química - USP QFL 2342 5. Reações de Adição Eletrofílica Evidência Experimental para o Íon Bromônio Estereoquímica da Adição de Bromo produto trans O produto cis não é formado Prof. Luiz F. Silva Jr - IQ-USP - 2013

QFL-2340 - Estrutura e Propriedades de Compostos Orgânicos 8. Introdução a Reações Orgânicas Reação de Hidratação Reação de hidratação: Na presença de um catalisador ácido, água é adicionada a alquenos fornecendo alcoóis. As reações acima são equilíbrios: para favorecer a desidratação de um álcool é melhor usar ácido concentrado para que a concentração de água seja baixa. Na hidratação de um alceno é melhor usar ácido diluído para que a concentração de água seja alta. As reações acima são equilíbrios. Como o equilíbrio pode ser deslocado para favorecer o alqueno? E para favorecer o álcool? Prof. Luiz F. Silva Jr - IQ-USP - 2014

QFL-2342 - Reatividade de Compostos Orgânicos I 5. Reações de Adição Eletrofílica Adição de Bromo ao cis- e trans-2-Buteno Estereoquímica dos produtos: produtos treo, eritro, racêmicos, meso Stereospecific Reaction: A reaction in which the stereochemistry of the reactant completely determines the stereochemistry of the product without any other option.  Stereoselective Reaction: A reaction in which there is a choice of pathway, but the product stereoisomer is formed due to its reaction pathway being more favourable than the others available. Prof. Luiz F. Silva Jr - IQ-USP - 2013

Quais produtos são formados, quais as configurações e as relações entre os produtos?

Estereoquímica da Adição de Bromo Adição Anti Qual a relação estereoquímica entre os dois isômeros em a) e b)

Adição de Br2 na presença de água Mecanismo para formação de Haloidrina: Porque se forma este regioisômero e não o outro possível?

QFL-2342 - Reatividade de Compostos Orgânicos I 5. Reações de Adição Eletrofílica Adição de Br2 na presença de MeOH Como a regiosseletividade da reação abaixo pode ser interpretada? Notar que a unidade eletrofílica fica no carbono menos substituído da ligação dupla Prof. Luiz F. Silva Jr - IQ-USP - 2013

Estados de Transição quando da Adição Nucleofílica de Água ao Íon Bromônio O que importa é a maior ou menor estabilização do caráter de carbocátion!

QFL-2342 - Reatividade de Compostos Orgânicos I 5. Reações de Adição Eletrofílica Velocidade Relativa da Reação de Alquenos Velocidades relativas da bromação: Como seria esperado para uma reação de adição eletrofílica, a velocidade da reação aumenta conforme a ligação dupla tem mais grupos alquila ligados a ela. Os grupos alquila doadores de elétrons tornam o alceno mais nucleofílico. O efeito doador de elétrons da grupo alquila aumenta a energia do HOMO da ligação dupla, tornando-a mais nucleofílica. Cada ligação C-C ou C-H que possuem um orbital sigma em condições de interagir com o orbital pi do alceno irá aumentar o HOMO do alceno um pouco. Assim, quanto mais substituintes, mais a energia é aumentada. Clayden, p. 507: Not only are more substituted double bonds more stable, but they are more nucleophilic. Alkyl groups are electron-donating because they stabilize carbocations. This same electron-donating effect raises the energy of the HOMO of a double bond, and makes it more nucleophilic. You can think of it this way: every C-C or C-H bond that can allow its sigma orbital to interact with the pi orbital of the alkene will raise the HOMO of the alkene slightly, as shown by the energy level diagram. Compatível com íon bromônio ou carbocátion? Prof. Luiz F. Silva Jr - IQ-USP - 2013

Hidroboração – Oxidação de Alquinos Hidroboração de Alquinos Terminais cetona aldeído

Hidroxilação de Alquenos Adição estereospecífica sin

Clivagem da Ligação C=C com KMnO4 Sob aquecimento em meio básico ou em meio ácido a frio, o KMnO4 cliva a ligação dupla C=C.

Clivagem Oxidativa de Alquenos por Ozonólise (um pouco) mais estável muito instável

Clivagem dos Ozonetos condições redutivas condições oxidativas

Ozonólise de Alquenos: Exemplos

QFL-2342 - Reatividade de Compostos Orgânicos I 5. Reações de Adição Eletrofílica Epoxidação (Formação de Oxaciclopropanos) i) A partir de haloidrinas Estrutura? ii) Reações de epoxidação são normalmente realizadas com perácidos. O mais usado é o m-CPBA. Prof. Luiz F. Silva Jr - IQ-USP - 2013

QFL-2342 - Reatividade de Compostos Orgânicos I 5. Reações de Adição Eletrofílica Oxidação de Alquenos com Perácidos Mecanismo da Epoxidação: Mecanismo Geral: Transferência de “oxigênio eletrofílico” Prof. Luiz F. Silva Jr - IQ-USP - 2013

Estereospecificidade da Reação de Epoxidação

QFL-2342 - Reatividade de Compostos Orgânicos I 5. Reações de Adição Eletrofílica Reações dos Epóxidos Hidrólise de epóxidos: Como pode ser explicada a formação do produto nas reações abaixo? Prof. Luiz F. Silva Jr - IQ-USP - 2013