QFL-2345 – Mecanismos de Reações Orgânicas

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1 QFL-2345 – Mecanismos de Reações Orgânicas
Mecanismo: Caminho reacional que descreve: · As ligações que se quebram e em qual seqüência; ·    O número e a ordem das etapas envolvidas; ·    A etapa lenta da reação. É importante notar que o mecanismo de uma reação nunca pode ser comprovado absolutamen-te. Evidências podem sugerir um mecanismo particular, mas é sempre possível que resultados mais recentes mostrem a necessidade de mudanças, por exemplo, da etapa lenta (formação para decomposição do intermediário), ou mesmo do mecanismo (por etapas para contínuo “concerted”) para explicar as informações adicionais.

2 TIPOS DE MECANISMOS Quebra Heterolítica:
Reações nucleofílicas: SN , SNAr Nu: - Nucleófilo + R X: Nu :X: .. Eletrófilo Grupo Abandonador d . NO 2 Cl Na CO 3 , H OH , 100 o C + Na 1-Cloro-2,4- dinitrobenzeno 2,4-dinitrofenol 90%

3 CLORAÇÃO DE 2-METILBUTANO
Reações eletrofílicas: SEAr + O N O H + : .. NO 2 OSO 3 - Quebra Homolítica: Reações radicalares: X2 + alcano CLORAÇÃO DE 2-METILBUTANO A CH 3 C B h u Cl 2 + C H 3 C CH 2 CH 3 -HCl H CH 3 CH CH 3 CH 3 H 3 ClCH 2 C CH 2 CH 3 +CH 3 C CH 2 CH 2 Cl+CH 3 C C CH 3 +CH 3 C CH 2 CH 3 H H H Cl Cl 27% % % %

4 Exemplo: Reação de Diels-Alder
Reações pericíclicas: Reações de uma etapa, sem intermediários (iônicos ou radicalares) com estado de transição (E.T.) cíclico. Exemplo: Reação de Diels-Alder Sendo reações com E.Ts não polares, são catalisadas termicamente ou fotoquimicamente. . + H O COCH 3 150 o -160 C, 20h CO 2 CH 68% Maleato de Metila Produto Cis

5 Produto Endo, 91% h + 80 o C + COCH 3 H O COCH 3 O
2 CH + 200 o -205 o C, 3,5h H H H 3 COC H CO 2 CH 95% Fumarato de Metila Produto Trans O 80 o C + COCH 3 H O COCH 3 O Produto Endo, 91% Ex.: A reação de Diels-Alder é catalisada termicamente, mas a seguinte reação é catalisada fotoquimicamente. Ph + h

6 . . + + Nucleofílica: Eletrofílica: Radicalar: A X Y A Y X
TIPOS DE REAÇÕES 1 - Reações de Substituição Nucleofílica: Eletrofílica: Radicalar: . . + + A X Y A Y X

7 2 - Reação de Adição à Duplas e Triplas Ligações
3 - Reações de Eliminação em posição 

8 Rearranjo Nucleofílico: migração de par de elétrons
4 - Rearranjos Moleculares Rearranjo Nucleofílico: migração de par de elétrons Rearranjo Radicalar: migração de um elétron Rearranjo Eletrofilico: sem elétrons (raro) 5 - Combinação dos Mecanismos 1 A 5 Escrever os mecanismos e classificar as etapas principais das reações a seguir: a) Ciclo-hexeno + HBr, na presença de ROOR  b) CH3O-C6H4-CH(CH3)Br + H2O/  c)1,2-dimetil-ciclopenteno+(BH3)2 produto+ H2O2/OH- d) 2,3-di-hidropirano + CH3OH/H+ 

9 TERMODINÂMICA E CINÉTICA QUÍMICA
O grau de conversão de reagentes em produtos (rendimento) não está necessariamente relacionado com a velocidade desta conversão, mesmo para reações espontâneas, para as quais G < 0 (Exemplo: a oxidação da celulose pelo ar). Pela 2a lei de termodinâmica, os sistemas tendem aos estados correspondentes ao mínimo de energia (entalpia, H) e ao máximo de desordem (entropia, S). Energia livre de Gibbs G = H - TS

10 Todos os estados de transição decompõe-se com a mesma
Se a espontaneidade de uma reação não está necessariamente relacionada com sua velocidade, quais são os fatores que controlam a reatividade ? Teoria De Arrenhius: Relação Empírica entre Velocidade e Energia de Ativação. k = A exp (-Ea / RT); ln k = ln A - Ea / RT gráfico ln k versus 1/T para determinar Ea Teoria Do Estado De Transição: Ligação Entre a Cinética e a Termodinâmica. K k A + B AB P dP / dt = k [AB] , com: K = [AB] / [A] [B] dP / dt = k K [A] [B], definindo k2 = k K dP / dt = -dA / dt = k2 [A][B], da teoria, k =  BT / h k2 = K ( B T / h) Todos os estados de transição decompõe-se com a mesma velocidade ( BT / h). : coeficiente de transmissão; B: constante de Boltzmann; h: constante de Planck;

11 k2 = ( B T / h) x exp (- G / RT)
com: G = - RT ln K; K = exp (- G / RT) k2 = ( B T / h) x exp (- G / RT) A velocidade de uma reação é determinada pela Energia livre de ativação (G) Por semelhança a equação de Gibbs de energia livre: G = H - TS G = H - TS k2/T = ( B T/h) x exp (S/R) x exp (- H/RT) ln k2/T = ln ( B /h) + S/R - H/RT) gráfico ln k/T versus 1/T para determinar H H = - 4,576 x inclinação S = R x ln (k2/T) + (H/T) - R x ln ( B /h)

12 S = 2,303 R [ log k - (log 5,664 x 1010 T ] + E/ T
onde: H = E - RT RT a 25C  0,6 kcal M-1 e, a 25 C: S = 2,303 R [ log k - (log 5,664 x 1010 T ] + E/ T unidades: k em s-1 , ou M-1s-1 etc, e E em cal.mol-1; S em cal grau-1M-1, u.e. Calcular H e S para a hidrólise de um éster benzoato, catalisada pelo tampão fosfato: T, C : 104 k M-1s-1 : , , , ,0 Controle Cinético Versus Controle Termodinânico A composição dos produtos da reação poderia ser controlada por dois fatores: 1- Suas velocidades de formação (controle cinético) e, 2- Estabilidades termodinâmicas (controle termodinâ-mico).

13 Reações essencialmente irreversíveis:
GReagenteET1 << G Produto 1ET1 GReagenteET2 << G Produto 2ET2 G Reagente  ET1 >> G Produto P1 ET2 e G Produto P2 ET2 Produtos 1 e 2 em equilíbrio Reações essencialmente irreversíveis: Controle cinético: P1/P2 pela k1/k2 Controle termodinâmico, P1/P2 pela Ke

14 Reação Controlada Cinéticamente
ko do dt C l = ko (O Cl) N O 2 C l H N O km 3 C l dm dt = km (O Cl) N O 2 kp dp dt O N C l = kp (O Cl) 2 Temos: - dPh/dt=k [PhCl][HNO3], onde k = ko + km + kp [o] : [m] : [p] = ko : km ; kp Assim, a relação entre as velocidades pode ser determinada, a qualquer momento, pela reação entre as concentrações dos produtos. Qual o método experimental? O produto que se forma mais rapidamente está presente em maior quantidade: Reação Controlada Cinéticamente

15 o , m, ou p mesma mistura de produtos
tempo,s %o %m %p 0.01 10 40 23 21 46 39 31 o , m, ou p mesma mistura de produtos G a B r 3 Nesta reação, a estabilidade termodinâminca dos produtos é mais importante. Reação controlada Termodinamicamente

16 Postulado de Hammond Exemplo: Síntese usando cetonas não simétricas
Produto Cinético Produto Termodinâmico Importância das condições: equilíbrio / não equilíbrio; Ordem de adição dos reagentes. Postulado de Hammond A geometria do Estado de Transição, é parecida com a geometria das espécies mais próximas na escala de energia livre

17 krel F 0,5 1 1,2 1,4 krel Cl 0,004 1 4 5 krel Br 0,002 1 80 1700
Exemplo: A nitração de anisol tem controle cinético, onde o E.T. é parecido com o intermediário (complexo s), originando os seguintes produtos: 30% orto % meta % para É possível explicar a composição dos produtos pelo postulado de Hammond? O postulado de Hammond é também relacionado à questão de reatividade versus seletividade. Comentar os seguintes dados de halogenação de alcanos: CH3-H H-1a H-2a H-3a krel F , , ,4 krel Cl , krel Br , Seletividade relacionada com a endotermicidade / exotermicidade da abstração de hidrogênio

18 Princípio de Curtin-Hammett
É possível que a posição do equilíbrio conformacional controla a composição dos produtos? Gb - Ga Gb Ga G0c Gc Ga e Gb >> G0c com: e a partir do gráfico acima Relação de produtos formados de isômeros conformacionais não é determinada pela população conformacional (Princípio de Curtin-Hammett)

19 (ii) Ataque do Nuc pelo lado menos impedido da carbonila
Regra de Cram Na adição de nucleófilo a composto carbonílico contendo centro assimétrico em a, o diastereoisômero predominante é aquele produzido pelo ataque do lado menos impedido da carbonila. Exemplo: adição de CH3Mgl sobre 2-fenilpropanal Regra de Cram: (i) alinhar o substituinte maior do carbono anti-periplanar ao oxigênio carbonílico (complexação do O com metal) (ii) Ataque do Nuc pelo lado menos impedido da carbonila Explica corretamente formação majoritária do diaestereo- isômero em alguns casos. Entretanto: existem outro modelos !!!

20 Princípio da Reversibilidade Microscópica
Questão: A razão eritro/treo é > 1 ou < 1? Princípio da Reversibilidade Microscópica Numa reação, os átomos assumem as posições de menor energia. Assim, as reações principais e reversas procedem pelo mesmo mecanismo, ou seja, passam pelo mesmo E.T e pelos mesmos intermediários.

21 I - MÉTODOS NÃO CINÉTICOS
MÉTODOS DE DETERMINAÇÃO DOS MECANISMOS Métodos Não-Cinéticos Métodos Cinéticos I - MÉTODOS NÃO CINÉTICOS 1- Determinar a Estequiometria de Reação. A estequiometria traz muitas informações mecanísticas? Exemplo: RBr + OH-  ROH + Br- O consumo de RBr e OH- necessariamente indica reação de uma etapa? Explicar: embora o halogênio seja gasto na reação de halogenação de acetona catalisada por ácido, a equação cinética é dada por: v = k [acetona][ácido]. Considere a reação: 2MnO Fe H Mn Fe H2O É possível elaborar um mecanismo que envolva a colisão de 28 espécies?

22 Cl + R-H  Cl- R + H  H + Cl2  H-Cl + Cl Cl + R-H  H-Cl + R 
2 - Análise dos Produtos da Reação O mecanismo deve explicar a formação de todos os produtos (principais e secundários) bem como as concentrações relativas dos mesmos. É possível tirar alguma conclusão sobre o mecanismo da reação: CH4 + Cl2, a partir da análise dos produtos? Cl + R-H  Cl- R + H  H + Cl2  H-Cl + Cl Cl + R-H  H-Cl + R  R + Cl2  Cl- R + Cl Entre os produtos de cloração do metano foi detectado C2H6 . A reação a seguir é somente hidrólise; somente aminólise; ou hidrólise e aminólise?

23 Hidrólise: EtOH + CO 2 + HO NO Aminólise: EtO O NHR

24 3- Estudar os Intermediários de Reativos da Reação
A maioria das reações orgânicas não são elementares. Estudar a participação de intermediários no caminho reacional fornece informações mecanísticas. Qual é a importância de estudar Int1 e Int2?

25 Os Intermediários reativos mais comuns envolvem:
. . . . . R 3 C R+ , + 2 C C R- , - N . C+ , Os Intermediários correspondem a mínimos de energia (entre máximos, E.T.), possuem tempo de vida que pode permitir seu isolamento, detecção ou “desvio” em forma de produtos estáveis. O isolamento, detecção ou não de um suposto “intermediário” significa, necessariamente que este está no caminho reacional? um verdadeiro intermediário (isolado ou detectado) tem que se transformar, sob as mesmas condições da reação, nos mesmos produtos, com velocidade maior ou igual (?) à velocidade global da reação

26 . - ISOLADO O R N H B r 1- Isolamento de Intermediários:
Exemplo1: degradação de amidas de Hofmann Mecanismo: ISOLADO . O R N H B r -

27 As vezes, o isolamento exige o emprego de condições especiais, por exemplo:
i- Uso de temperaturas baixas: H 3 C E t B F 4 - / - 80 o sólido laranja, P.F. + - 15 C ii- Uso de compostos de estruturas adequadas: Exemplos são as reações de SEAr e SNuAr

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29 R OH R O + NH 2 OH N H H 2- Detecção de Intermediários: [?]
Em muitos casos, o Intermediário não é razoavelmente estável para ser isolado, embora seu tempo de vida permita a detecção (espectroscópica). Exemplo 1: Adição de Nu a compostos carbonílicos [?] R OH R O + NH 2 OH N H H a) A conversão do reagente no produto é direta, ou há algum intermediário? dado: C=O do éster reagente desaparece completamente antes de aparecer C=N do produto. a) Qual seria a estrutura do intermediário? Dado complementar: A reação de cloral (Cl3CCHO) com NH2OH produz CI3CH(OH)-NHOH como composto estável.

30 Exemplo 2: Adição de Nu a compostos carbonílicos
a) A reação de transesterificação é de uma etapa, ou seja, concertada, sem intermediário? Ou de duas etapas com intermediário tetraédrico ? dado: C=O do éster reagente desaparece completamente antes de aparecer C=O do produto.

31 Br Br Br Me Me + Me + + Me Me Me Br Me Me Me Me cíclico acíclico
Exemplo 3: Bromação de Alcenos a) A reação de alcenos com Br2 procede via íon cíclico, ou acíclico? dado: Me Br SbF 5 íon com sinal de RMN em Me Me SO 2 líquido d = 2.7 Me Br o - 80 C Qual a estrutura do íon acima? Br Br Br Me Me + Me + + Me Me Me Br Me Me Me Me cíclico acíclico

32 Qual é a natureza de catálise na hidrólise de ésteres pelo tampão fosfato, básica geral, ou nucleofilica? O O - O X k C 1 k + HPO = X 2 C O Y X 4 C + - O Y Y k O -1 k -2 - OPO H - OPO H 3 3 Int1 Int2 O H O O 2 X C X = C + HPO - k 4 OPO H 3 3 OH

33 A B Transmittance, % Wavenumbers, cm-1 ester intermediate products
30 40 50 60 70 80 90 1800 1750 1700 A ester intermediate products Transmittance, % B Wavenumbers, cm-1 Reaction Time 10 min 6 h 18 h

34 H2SO4 + HO-NO2 HSO4- + NO2+ (duas partículas)
Qual é o papel do ácido sulfúrico na mistura nitrante? a) Desidratante: H2SO4 + HO-NO2 HSO NO2+ (duas partículas) b) Ativante do HNO3 via protonação 2H2SO4 + HO-NO HSO NO H3O+ Dado complementar: Raman de solução de HNO3 em H2SO4 mostrou pico em 1400 cm-1 (espécie triatômica linear). A mesma absorção foi observada para mistura de HNO3 / HClO4 e para os sais NO2+ ClO4- e NO2+ BF4- (O= N+=O).

35 - + O O O k a R C O R' + O O k b O - I I O - O C O R' Éster-IBA R O O
1 k 2 + O + R'OH O R-C-O k H O/OH - -1 O 2 I I O C R O - Aciloxi - IBA

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38 + v Int P D I A B 3- “Desvio” de Intermediários : Produto da Reação
REAGENTES Produto de desvio do Int AGENTE DE DESVIO O agente de desvio: i- Não deve perturbar o sistema além da sua reação com o intermediário Int ii- vD > vP (?) Exemplo 1: Como provar que a oxidação de benzaldeído a ácido benzóico ocorre por mecanismo radicalar?

39 . . . . . . . Mecanismo Radicalar para a Oxidação de Benzaldeído: O2 O
+ R-O . R-OH + H ou O O + Fe 3+ . Fe 2+ + H + + H O2 O O ar . . O-O O O H O O . + . O-O O-OH O O O + 2 O-OH H OH

40 . . . . . . . . . OH O O O + + H HO HO O O O O + + H HO O O O O O . O
Efeito de um seqüestrador: . OH O O O . + + H HO . HO . O O O O . + + H . . HO O O O O O O . . . O O O O O . O ISOLADO O O

41 Exemplo 2: Síntese de salisaldeído pela reação de Reimer-Tiemann.
OH - /HCCl 3 O H Dado complementar: O OH - /HCCl 3 H C CH CHCl 2 + pouco solúvel no meio Exemplo 3: Reação de Haletos Aromáticos com bases. Porque a reação de clorobenzeno com NaOH é bastante dificil ( 350o, 300 atm!) mas a com NH2-/NH3 é fácil? Escrever o mecanismo e mostrar como comprovar a formação dos intermediários. Exemplo 4: Troca de deutério com o solvente. Como explicar a fácil troca de H pelo D quando (Ph)3CH é agitado com solução alcalina de acetonitrila/D2O.