1 Mecanismo: Caminho reacional que descreve: As ligações que se quebram e em qual seqüência; O...
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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.
QFL-2345 – Mecanismos de Reações Orgânicas
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
Nu:-
Nucleófilo+ R X: R Nu + :X:-..
..
..
..
Eletrófilo
Grupo Abandonador
.
Nu:Nucleófilo
+ R X: R Nu + :X:-......
..
Eletrófilo
Grupo Abandonador
+
TIPOS DE MECANISMOS
Quebra Heterolítica:
Reações nucleofílicas: SN , SNAr
NO2
NO2
Cl
Na2CO3, HOH, 100oC
NO2
NO2
OH
+ NaCl
1-Cloro-2,4-dinitrobenzeno 2,4-dinitrofenol
90%
3
Reações eletrofílicas: SEAr
+ O N O
H
+: :....
+ H
NO2
OSO3H: ....
NO2+ HOSO3H
-
Quebra Homolítica:
Reações radicalares: X2 + alcano
Cl2 + CH3 C CH 2 CH 3
CH3
H
A
C B
h
-HCl
CLORAÇÃO DE 2-METILBUTANO
ClCH2 C CH2 CH3+CH3 C CH 2 CH2Cl+CH3 C C CH 3+CH3 C CH 2 CH3
CH 3
H
CH3 CH3
HH
H
Cl
CH3
Cl
27% 14% 36% 23%
4
Reações pericíclicas: Reações de uma etapa, sem
intermediários (iônicos ou radicalares) com estado de
transição (E.T.) cíclico.
Exemplo: Reação de Diels-Alder
.
Y
X
Y
X
+
E.T.
X
Y
Sendo reações com E.Ts não polares, são catalisadas
termicamente ou fotoquimicamente.
+
H
O
COCH3
COCH3
O
150o-160oC, 20hCO2CH3
CO2CH3
H
H
68%
Maleato de Metila Produto Cis
H
5
Ex.: A reação de Diels-Alder é catalisada termicamente, mas
a seguinte reação é catalisada fotoquimicamente.
Ph
Ph
Ph
Ph
+
h
Ph Ph
Ph Ph
+H
O
COCH3
O
200o-205o C, 3,5h
CO2CH
CO2CHHH
H3COC H
COCH3
O
Produto Endo, 91%
H+ COCH3
O
80oC
95%Fumarato de Metila Produto Trans
6
1 - Reações de Substituição
Nucleofílica:
XA + Y- + -XA Y
Eletrofílica:
XA + Y +A Y X
Radicalar:
XA + Y +A Y X. .
TIPOS DE REAÇÕES
7
2 - Reação de Adição à Duplas e Triplas Ligações
A d i ç ã o N u c l e o f í l i c a
A d i ç ã o E l e t r o f í l i c a
B + Y WA
+W-
A B
Y
A B
YW
B + Y WA
+W A B
Y
A B
YW-
A d i ç ã o R a d i c a l a r
A d i ç ã o P e r i c í c l i c a
B + YA
+ A B
YW
Y W A B
Y..
A B
Y..
Y+
A B
YWY W
BA
3 - Reações de Eliminação em posição
A B WA B
Y
W
+ +Y-
8
4 - Rearranjos Moleculares
Rearranjo Nucleofílico: migração de par de elétrons
A B
Y
A B
Y
Rearranjo Radicalar: migração de um elétron
A B
Y
A B
Y. . Rearranjo Eletrofilico: sem elétrons (raro)
A B
Y
A B
Y- -
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+
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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 - TS
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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.
A + B AB P K k
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;
Teoria Do Estado De Transição: Ligação Entre a Cinética e a Termodinâmica.
k = A exp (-Ea / RT); ln k = ln A - Ea / RT •gráfico ln k versus 1/T para determinar Ea
11
Por semelhança a equação de Gibbs de energia livre: G = H - TS
G = H - TS
k2 = ( B T / h) x exp (- G / RT)
•A velocidade de uma reação é determinada pela Energia livre
de ativação (G)
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)
com: G = - RT ln K;
K = exp (- G / RT)
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onde:
H = E - RT RT a 25C 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.
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).
Calcular H e S para a hidrólise de um éster benzoato,
catalisada pelo tampão fosfato:
T, C : 25 35 45 55
104 k M-1s-1 : 86,8 225,1 423,0 886,0
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Reações essencialmente irreversíveis:
Controle cinético: P1/P2 pela k1/k2
Controle termodinâmico,
P1/P2 pela Ke
GReagenteET1 <<G Produto 1ET1
GReagenteET2 <<G Produto 2ET2
G Reagente ET1 >>G Produto P1 ET2 eG Produto P2 ET2
Produtos 1 e 2 em equilíbrio
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N O 2
C l
O 2N C l
C l
N O 2
H N O 3C lkm
kp
ko
Assim, a relação entre as velocidades pode ser
determinada, a qualquer momento, pela reação entre as
concentrações dos produtos.
Qual o método experimental?
dodt
= ko (O Cl)
dmdt
= km (O Cl)
dpdt
= kp (O Cl)
Temos: - dPh/dt=k [PhCl][HNO3], onde k = ko + km + kp
[o] : [m] : [p] = ko : km ; kp
O produto que se forma mais rapidamente está
presente em maior quantidade:
Reação Controlada Cinéticamente
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o , m, ou p mesma mistura de produtosGaBr3
tempo,s %o %m %p
0.0110
4023
2146
3931
Me Me
CH2 om
pCH2Br+
GaBr3
Nesta reação, a estabilidade termodinâminca dos
produtos é mais importante.
Reação controlada Termodinamicamente
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Exemplo: Síntese usando cetonas não simétricas
-O
H2C
H
CH3CH3
O
CH2
H
CH3CH3
O-
CH2
CH3
CH3
HH
Base Forte Impedida
SolventeAprótico
BaseMais Fraca
Solvente Prótico
.
ProdutoCinético
ProdutoTermodinâmico
Postulado de Hammond
A geometria do Estado de Transição, é parecida com a geometria das espécies mais próximas na escala de energia livre
Importância das condições: equilíbrio / não equilíbrio;Ordem de adição dos reagentes.
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Exemplo: A nitração de anisol tem controle cinético, onde o E.T.
é parecido com o intermediário (complexo ), originando os
seguintes produtos:
30% orto 2% meta 68% 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 0,5 1 1,2 1,4
krel Cl 0,004 1 4 5
krel Br 0,002 1 80 1700Seletividade relacionada com a endotermicidade / exotermicidade da abstração de hidrogênio
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Princípio de Curtin-Hammett
É possível que a posição do equilíbrio conformacional controla a composição dos produtos?
Gb - G
a
Ga
Gb
G
c
G0c
Ga e G
b >> G0c
com:
b
ca
B
A
B
A
k
Kk
dtdP
dtdP
P
P
/
/
RTGr e
h
TBk /
RTGc
ceK /0e
RTGGG
B
A cbaeP
P /)( 0
abcab GGGGG 0
Relação de produtos formados de isômeros conformacionais não é determinada pela população conformacional
(Princípio de Curtin-Hammett)
a partir do gráfico acima
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Regra de Cram
Na adição de nucleófilo a composto carbonílico contendo
centro assimétrico em , 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 !!!
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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.
Questão: A razão eritro/treo é > 1 ou < 1?
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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:
2MnO4 + 10Fe2+ + 16H+ 2Mn2+ + 10Fe3+ + 8H2O
É possível elaborar um mecanismo que envolva a colisão de
28 espécies?
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2 - Análise dos Produtos da Reação
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?
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?
EtO O
O
NO2 + H2O + RNH3+
O Et
O
- produtos
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Hidrólise: EtOH + CO2 + HO NO2
Aminólise: EtO
O
NHR NO2+ HO
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Qual é a importância de estudar Int1 e Int2?
A maioria das reações orgânicas não são elementares.
Estudar a participação de intermediários no caminho reacional
fornece informações mecanísticas.
3- Estudar os Intermediários de Reativos da Reação
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Os Intermediários reativos mais comuns envolvem:
.. ....R3 C R+ ,
+R2CR3 C R- ,- R N..R3C+, , , , ,.
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
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1- Isolamento de Intermediários:
Exemplo1: degradação de amidas de Hofmann
O
NH2R
Br2
OH- R NH2 CO3
-2+
Mecanismo:
ISOLADO
.. OR
N
H
BrO
NBr
R
..-
BrO- OH-OR
N
H
H..
ISOLADO
Br-O
NR.-. +
.-. O
R
Br N +
+.
-... ONR N C OR
..
ISOLADO
OHO
O-..N
H
RH
..N C OR
OH-
+H2O
O
NHO
H
R
..
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As vezes, o isolamento exige o emprego de condições
especiais, por exemplo:
i- Uso de temperaturas baixas:
- 15 C
H3C CH3
CH3
H3C CH3
CH3
Et
BF4-
EtF / BF3
- 80oC
sólido laranja, P.F. o
H3C CH3
CH3
HEt
+
ii- Uso de compostos de estruturas adequadas:
Exemplos são as reações de SEAr e SNuAr
+
EH
+ +
E H
+HE+
IntermediárioComplexo
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CH3
CH3
CH3
CH3
H3C
H3C
+ +
CH3 CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
Complexo
AlCl4-
AlCl3
CH3Cl
AMARELO, dectado por RMN
H3CO- -NO2
NO2
H3CO OCH3OCH3
NO2
NO2
+Mesmo grupo de saída
+
OCH3
NO2
NO2
Nu
NO2
NO2
Nu-NO2
NO2
Nu OCH3
- + H3CO-
precipitado coloridoIntermediário
Grupo queNão Sai
-NO2
NO2
O
HNuNO2
NO2
OH
+ Nu-
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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
HO + NH2OH [?] N
H
R OH
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
OR
EtO
-OMe
OR
MeO+ EtO
-
Ou de duas etapas com intermediário tetraédrico ?
EtO-+O
F3C
MeO
-OMe
OF3C
EtO
O-
EtO
OMe
F3C
dado: C=O do éster reagente desaparece completamente
antes de aparecer C=O do produto.
Exemplo 2: Adição de Nu a compostos carbonílicos
a) A reação de transesterificação é de uma etapa, ou seja,
concertada, sem intermediário?
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Exemplo 3: Bromação de Alcenos
a) A reação de alcenos com Br2 procede via íon cíclico, ou
acíclico?
dado:
BrMe
MeMe
Me
Br
SbF5SO2 líquido
- 80oC
íon com sinal de RMN em = 2.7
Qual a estrutura do íon acima?
Br
MeMe
MeMeBr
Me
MeMe
Br+
+ +
Br
MeMe
Me
cíclico acíclico
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Qual é a natureza de catálise na hidrólise de ésteres
pelo tampão fosfato, básica geral, ou nucleofilica?
CO
O YXHPO4
=H
OH+ +
+
H2PO4-
CX
O
OH
O Y
-
+
CO
OHX O Y-
=+ HPO4
OCX
OHk3
H2OOCX
OPO3H-
Int2Int1
+ -O-OPO3HX C
O
YO
k1
k-1
k2
k-2-OPO3H
O Y
O-
CX=+ HPO4
OCX
Y
33
30
40
50
60
70
80
90
1800 1750 1700
30
40
50
60
70
80
90
A
ester
intermediate
products
Tra
nsm
ittan
ce, %
B
Wavenumbers, cm-1
Reaction Time
10 min
6 h
18 h
34
b) Ativante do HNO3 via protonação
2H2SO4 + HO-NO2 2HSO4- + NO2
+ + 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).
Qual é o papel do ácido sulfúrico na mistura nitrante?
a) Desidratante:
H2SO4 + HO-NO2 HSO4- + NO2
+ (duas partículas)
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RCOOR' + IBA -k1
k-1RCO-IBA + R'OH
RCO-IBA H2O/OH-
k2RCOO- + IBA -
R C O R' +
I
O
O
O-
ka
kbO
O
I
O C O R'
O-
R
O
k-1
k1
O
O C R
I
O
O + R'OHk2
H2O/OH-
O-
O
O
I
O
R-C-O
Éster-IBA
Aciloxi - IBA
+ -
36
37
38
3- “Desvio” de Intermediários :
A B Int P+
DI
Pv
vD
Produtoda Reação
REAGENTES
Produto dedesvio do Int
AGENTE DE DESVIO
D
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?
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O
H+ R-O
.R-OH + .
O
O.+ Fe3+
H
OFe2+ + H+ +
ou
.O2 ar
O-O
OO
O-O.
O
O-OH.
O
H
O
+
+O-OH
O
H
O2
OH
O
O.
Mecanismo Radicalar para a Oxidação de Benzaldeído:
40
Efeito de um seqüestrador:
.
.
+ O
.
.
+
OH
H
O.O
HO HO
O
O
HO
.O
O
+
+O
H
O
O.
.O
O
O
.
.O
OO
.O
O
O
OO
ISOLADO
41
Exemplo 2: Síntese de salisaldeído pela reação de
Reimer-Tiemann.
OH
OH-/HCCl3
O- H
O
Dado complementar:
O
OH
OH- /HCCl 3
O-
H
OH3C CH3
H3C CHCl2
+pouco solúvelno meio
Exemplo 3: Reação de Haletos Aromáticos com bases.
a) 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.