Química Orgânica - Vol.2 - tradução da 7a edição norte-americana by Cengage Brasil

Tradução da 7ª edição norte-americana

Este livro, editado em dois volumes e em uma versão combo, escrito de forma clara e legível, tem como preocupação básica mostrar a beleza e a lógica da química orgânica, tornando um assunto considerado complexo algo simples de ser entendido pelos leitores. Para tanto, o autor privilegia, entre outras, as seguintes características: • Organização e estratégia de ensino, aliando a abordagem tradicional dos grupos funcionais com uma abordagem de mecanismo.

• Apresentação modular, o que facilita a coesão dos tópicos e permite ao professor a flexibilidade de ensinar em uma ordem diferente. • Reforço dos principais conceitos por meio de diversos problemas; alguns incluem estratégias e soluções, outros oferecem aos alunos a oportunidade de estudar química de uma maneira diferente, observando as moléculas em vez de simplesmente interpretar as fórmulas estruturais.

John McMurry

• Reação de abertura: adição de HBr aos alcenos, por considerar que os alunos dão grande importância à primeira reação que veem e a discutem de modo mais detalhado.

Química Orgânica

Química Orgânica – Vol. 2

• Resumo, palavras-chave e um pequeno glossário fecham a parte teórica de cada capítulo, oferecendo rápida revisão do conteúdo estudado.

ISBN 13 – 978-85-221-1016-2 ISBN 10 – 85-221-1016-6

9 7 8 8 5 2 2 11 0 1 6 2

Vol. 2

Indicado a disciplinas na área de química orgânica dos cursos de Química, Farmácia e Engenharia Química.

Tradução da 7ª edição norte-americana

Aplicações

Outras obras Fundamentos da Química Analítica – tradução da 8ª edição norte-americana Skoog, West, Holler, Crouch

Bioquímica – Combo

Mary K. Campbell e Shawn O. Farrell

Química Geral Aplicada à Engenharia Lawrence S. Brown e Thomas A. Holme

Química Tecnológica

Química Orgânica John McMurry

Jorge Wilson Hilsdorf, Newton Deleo de Barros, Celso Aurélio Tassinari e Isolda Costa

Energia e Meio Ambiente –

tradução da 4ª edição norte-americana Roger A. Hinrichs, Merlin Kleinbach e Lineu Belico dos Reis

Vol. 2 Tradução da 7ª edição norte-americana

Dinâmica

Arthur P. Boresi e Richard J. Schmidt

Mecânica dos Materiais –

tradução da 7ª edição norte-americana James M. Gere e Barry J. Goodno

Química Orgânica Volume 2 Tradução da 7a edição norte-americana

John McMurry Cornell University

Tradução All Tasks

Revisão Técnica Robson Mendes Matos Professor Associado 3 da Universidade Federal do Rio de Janeiro (Campus Macaé) D. Phil. em Química pela University of Sussex at Brighton (Inglaterra)

Austrália Brasil

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Reino Unido

Conteúdo Geral Volume 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Estrutura e Ligação 1 Ligações Covalentes Polares; Ácidos e Bases 32 Compostos Orgânicos: Alcanos e sua Estereoquímica 68 Compostos Orgânicos: Cicloalcanos e sua Estereoquímica 100 Uma Visão Geral de Reações Orgânicas 129 Alcenos: Estrutura e Reatividade 164 Alcenos: Reações e Síntese 202 Alcinos: uma Introdução à Síntese Orgânica 243 Estereoquímica 270 Organoaletos 310 Reações dos Haletos de Alquila: Substituições Nucleofílicas e Eliminações 336 Determinação de Estruturas: Espectrometria de Massas e Espectroscopia no Infravermelho 384 Determinação Estrutural: Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear 415 Dienos Conjugados e a Espectroscopia no Ultravioleta 455 Benzeno e Aromaticidade 487 Química do Benzeno: Substituição Aromática Eletrofílica 517 Álcoois e Fenóis 566 A-1 Apêndices Índice Remissivo I-1

Volume 2 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

Éteres e Epóxidos; Tióis e Sulfetos 615 Aldeídos e Cetonas: Reações de Adição Nucleofílica 655 Ácidos Carboxílicos e Nitrilas 705 Derivados dos Ácidos Carboxílicos: Reações de Substituição Nucleofílica de Acila Reações de Substituição Alfa à Carbonila 789 Reações de Condensação de Carbonila 820 Aminas e Heterocíclicos 855 Biomoléculas: Carboidratos 908 Biomoléculas: Aminoácidos, Peptídeos e Proteínas 948 Biomoléculas: Lipídeos 989 Biomoléculas: Ácidos Nucleicos 1026 A Química Orgânica das Rotas Metabólicas 1049 Orbitais e Química Orgânica: Reações Pericíclicas 1099 Polímeros sintéticos 1124 Apêndices A-1 Índice Remissivo I-1

737

Sumário Volume 2 18

Éteres e Epóxidos; Tióis e Sulfetos

615

18.1

Nomes e propriedades dos éteres ................................................................................................. 616

18.2

Síntese de éteres ........................................................................................................................... 617

18.3

Reações de éteres: quebra ácida ................................................................................................... 620

18.4

Reações de éteres: rearranjo de Claisen ........................................................................................ 622

18.5

Éteres cíclicos: epóxidos ................................................................................................................ 623

18.6

Reações de epóxidos: abertura do anel ......................................................................................... 624

18.7

Éteres de coroa .............................................................................................................................. 628

18.8

Tióis e sulfetos ............................................................................................................................... 629

18.9

Espectroscopia de éteres ............................................................................................................... 633

Em Foco... Resinas de epóxi e adesivos

635

Resumo e palavras-chave 636  Resumo das reações 637 Visualizando a química 638  Problemas adicionais 639

Uma Prévia dos Compostos de Carbonila

646

Tipos de compostos de carbonila ................................................................................................... 647

II.

Natureza do grupo carbonila ........................................................................................................... 648

III.

Reações gerais de compostos de carbonila ................................................................................... 649

IV.

Resumo .......................................................................................................................................... 654

Aldeídos e Cetonas: Reações de Adição Nucleofílica 655 19.1 Nomenclatura de aldeídos e cetonas ............................................................................................. 656 19.2 Preparação de aldeídos e cetonas .................................................................................................. 658 19.3 Oxidação de aldeídos e cetonas ..................................................................................................... 660 19.4 Reações de adição nucleofílica de aldeídos e cetonas ................................................................... 661 19.5 Adição nucleofílica de H2O: hidratação ........................................................................................... 664 19.6 Adição nucleofílica de HCN: formação de cianoidrina .................................................................... 666 19.7 Adição nucleofílica de reagentes de Grignard e reagentes de hidreto: formação de álcool ........... 667 19.8 Adição nucleofílica de aminas: formação de iminas e enaminas ...................................................... 668 19.9 Adição nucleofílica de hidrazina: reação de Wolff-Kishner ............................................................... 672 19.10 Adição nucleofílica de álcoois: formação de acetais ....................................................................... 674 19.11 Adição nucleofílica de iletos de fósforo: reação de Wittig .............................................................. 677 19.12 Reduções biológicas....................................................................................................................... 680

viii Química Orgânica 19.13 Adição nucleofílica conjugada a aldeídos e cetonas a,b-insaturados.............................................. 682 19.14 Espectroscopia de aldeídos e cetonas............................................................................................ 686

Em Foco... Síntese enantiosseletiva 690 Resumo e palavras-chave 692  Resumo das reações 692 Visualizando a química 694  Problemas adicionais 695

Ácidos Carboxílicos e Nitrilas 705 20.1

Nomenclatura de ácidos carboxílicos e nitrilas................................................................................ 706

20.2

Estrutura e propriedades dos ácidos carboxílicos........................................................................... 708

20.3

Ácidos biológicos e da equação de Henderson-Hasselbalch........................................................... 712

20.4

Efeitos do substituinte sobre a acidez............................................................................................. 713

20.5

Preparação de ácidos carboxílicos................................................................................................... 715

20.6

Reações de ácidos carboxílicos: um resumo.................................................................................. 718

20.7

Química das nitrilas......................................................................................................................... 719

20.8

Espectroscopia de ácidos carboxílicos e nitrilas.............................................................................. 723

Em Foco... Vitamina C 725 Resumo e palavras-chave 726  Resumo das reações 727 Visualizando a química 728  Problemas adicionais 729

Derivados dos Ácidos Carboxílicos: Reações de Substituição Nucleofílica de Acila 737 21.1 Nomenclatura de derivados de ácidos carboxílicos......................................................................... 738 21.2 Reações de substituição nucleofílica em grupamentos acila.......................................................... 741 21.3 Reações de substituição nucleofílica de acila de ácidos carboxílicos.............................................. 746 21.4 Química de haletos de ácidos......................................................................................................... 753 21.5 Química dos anidridos ácidos.......................................................................................................... 757 21.6 Química dos ésteres....................................................................................................................... 759 21.7 Química das amidas........................................................................................................................ 764 21.8 A química de tioésteres e fosfatos de acila: derivados biológicos de ácidos carboxílicos.............. 767 21.9 Poliamidas e poliésteres: etapa de crescimento de polímeros....................................................... 769 21.10 Espectroscopia de derivados de ácidos carboxílicos....................................................................... 773

Em Foco... Antibióticos de b-lactama 774 Resumo e palavras-chave 776  Resumo das reações 776 Visualizando a química 779  Problemas adicionais 780

Reações de Substituição Alfa à Carbonila 789 22.1

Tautomerismo ceto-enólico............................................................................................................. 790

22.2

Reatividade de enóis: o mecanismo das reações de substituição alfa............................................ 793

22.3

Halogenação alfa de aldeídos e cetonas......................................................................................... 794

22.4

Bromação alfa de ácidos carboxílicos: a reação de Hell-Volhard-Zelinskii........................................ 796

22.5

Acidez dos átomos de hidrogênio alfa: formação de íons enolato.................................................. 797

22.6

Reatividade dos íons enolatos......................................................................................................... 800

22.7

Alquilação de íons enolatos............................................................................................................. 802

Sumário ix Em Foco... Cristalografia de Raios X 810 Resumo e palavras-chave 811  Resumo das reações 811 Visualizando a química 813  Problemas adicionais 813

Reações de Condensação de Carbonila 820 23.1 Condensação de carbonila: a reação aldólica.................................................................................. 821 23.2 Condensação de carbonila versus substituições alfa...................................................................... 823 23.3 Desidratação dos produtos aldólicos: síntese de enonas................................................................ 824 23.4 Utilizando reações aldólicas na síntese........................................................................................... 826 23.5 Reações aldólicas cruzadas............................................................................................................. 827 23.6 Reações aldólicas intramoleculares................................................................................................. 829 23.7 A reação de condensação de Claisen.............................................................................................. 830 23.8 Condensações cruzadas de Claisen................................................................................................ 832 23.9 Condensações de Claisen intramoleculares: a ciclização de Dieckmann........................................ 834 23.10 Adições de carbonila conjugadas: a reação de Michael.................................................................. 835 23.11 Condensações de carbonila com enaminas: a reação de Stork...................................................... 838 23.12 A reação de anelação de Robinson................................................................................................. 840 23.13 Algumas reações biológicas de condensação de carbonila............................................................. 842

Em Foco... Um prólogo para o metabolismo 843 Resumo e palavras-chave 844  Resumo das reações 845 Visualizando a química 847  Problemas adicionais 848

Aminas e Heterocíclicos 855 24.1 Nomenclaturade aminas.................................................................................................................. 856 24.2 Propriedades das aminas................................................................................................................ 858 24.3 Basicidade das aminas.................................................................................................................... 860 24.4 Basicidade das arilaminas substituídas........................................................................................... 863 24.5 Aminas biológicas e a equação de Henderson-Hasselbalch............................................................ 865 24.6 Síntese de aminas........................................................................................................................... 866 24.7 Reações de aminas......................................................................................................................... 874 24.8 Reações de arilaminas..................................................................................................................... 877 24.9 Heterociclos.................................................................................................................................... 883 24.10 Espectroscopia de aminas............................................................................................................... 889

Em Foco... Química verde II: líquidos iônicos 892 Resumo e palavras-chave 894  Resumo das reações 895 Visualizando a química 897  Problemas adicionais 898

Biomoléculas: Carboidratos 908 25.1

Classificação dos carboidratos........................................................................................................ 909

25.2

Representando a estereoquímica do carboidrato: projeções de Fischer......................................... 910

25.3

Açúcares d,l.................................................................................................................................... 914

25.4

Configuração das aldoses................................................................................................................ 915

25.5

Estruturas cíclicas de monossacarídeos: anômeros........................................................................ 918

25.6

Reações de monossacarídeos......................................................................................................... 921

25.7

Os oito monossacarídeos essenciais.............................................................................................. 929

x Química Orgânica 25.8

Dissacarídeos.................................................................................................................................. 930

25.9

Polissacarídeos e suas sínteses...................................................................................................... 933

25.10 Outros carboidratos importantes..................................................................................................... 935 25.11 Carboidratos da superfície das células e vacinas de carboidrato..................................................... 936

Em Foco... Adoçantes 938 Resumo e palavras-chave 939  Resumo das reações 940 Visualizando a química 940  Problemas adicionais 941

Biomoléculas: Aminoácidos, Peptídeos e Proteínas 948 26.1 Estruturas dos aminoácidos............................................................................................................ 949 26.2 Aminoácidos, a equação de Henderson-Hasselbalch e pontos isoelétricos.................................... 954 26.3 Síntese de aminoácidos.................................................................................................................. 957 26.4 Peptídeos e proteínas...................................................................................................................... 959 26.5 Análise de aminoácidos de peptídeos............................................................................................. 961 26.6 Sequenciamento de peptídeo: a degradação de Edman................................................................. 962 26.7 Síntese de peptídeos....................................................................................................................... 964 26.8 Síntese automatizada de peptídeo: o método de fase sólida de Merrifield.................................... 967 26.9 Estrutura de proteína....................................................................................................................... 969 26.10 Enzimas e coenzimas...................................................................................................................... 971 26.11 Como as enzimas funcionam? Citrato sintase................................................................................ 975

Em Foco... O banco de dados de proteína 978 Resumo e palavras-chave 979  Resumo das reações 980 Visualizando a química 982  Problemas adicionais 983

Biomoléculas: Lipídeos 989 27.1

Ceras, gorduras e óleos................................................................................................................... 990

27.2

Sabão............................................................................................................................................... 993

27.3

Fosfolipídeos................................................................................................................................... 994

27.4

Prostaglandinas e outros eicosanoides........................................................................................... 996

27.5

Terpenoides..................................................................................................................................... 999

27.6

Esteroides..................................................................................................................................... 1007

27.7

Biossíntese de esteroides............................................................................................................. 1011

Em Foco... Gorduras saturadas, colesterol e doenças cardíacas 1017 Resumo e palavras-chave 1018  Visualizando a química 1019 Problemas adicionais 1019

Biomoléculas: Ácidos Nucleicos 1026 28.1

Nucleotídeos e ácidos nucleicos................................................................................................... 1026

28.2

Pares de bases no DNA: o modelo Watson-Crick......................................................................... 1029

28.3

Replicação do DNA........................................................................................................................ 1031

28.4

Transcrição do DNA....................................................................................................................... 1033

28.5

Tradução do RNA: biossíntese da proteína.................................................................................... 1034

28.6

Sequenciamento do DNA.............................................................................................................. 1037

28.7

A síntese de DNA.......................................................................................................................... 1039

28.8

A reação em cadeia de polimerase............................................................................................... 1041

Sumário xi Em Foco... Impressão digital do DNA 1043 Resumo e palavras-chave 1044  Visualizando a química 1045 Problemas adicionais 1046

A Química Orgânica das Rotas Metabólicas 1049 29.1 Uma visão geral do metabolismo e da energia bioquímica........................................................... 1050 29.2 Catabolismo de triacilgliceróis: o desaparecimento do glicerol..................................................... 1053 29.3 Catabolismo de triacilgliceróis: b-oxidação.................................................................................... 1056 29.4 Biossíntese dos ácidos graxos...................................................................................................... 1061 29.5 Catabolismo de carboidratos; glicólise.......................................................................................... 1066 29.6 Conversão do piruvato em acetil CoA........................................................................................... 1073 29.7 O ciclo do ácido cítrico.................................................................................................................. 1077 29.8 Biossíntese de carboidrato: a gliconeogênese.............................................................................. 1081 29.9 Catabolismo de proteínas: transaminação..................................................................................... 1087 29.10 Algumas conclusões sobre a química biológica............................................................................ 1091

Em Foco... Metabolismo basal 1091 Resumo e palavras-chave 1092  Visualizando a química 1093 Problemas adicionais 1094

Orbitais e Química Orgânica: Reações Pericíclicas 1099 30.1

Orbitais moleculares e reações pericíclicas em sistemas conjugados pi ............................................................................................................................... 1100

30.2

Reações eletrocíclicas................................................................................................................... 1102

30.3

Estereoquímica das reações eletrocíclicas térmicas..................................................................... 1104

30.4

Reações fotoquímicas eletrocíclicas............................................................................................. 1106

30.5

Reações de cicloadição................................................................................................................. 1107

30.6

A estereoquímica das cicloadições............................................................................................... 1108

30.7

Rearranjos sigmatrópicos.............................................................................................................. 1111

30.8

Alguns exemplos de rearranjos sigmatrópicos.............................................................................. 1112

30.9

Um resumo das regras para reações pericíclicas.......................................................................... 1115

Em Foco... Vitamina D, a vitamina do Sol 1116 Resumo e palavras-chave 1117  Visualizando a química 1117 Problemas adicionais 1118

Polímeros Sintéticos 1124 31.1

Polímeros de crescimento em cadeia........................................................................................... 1125

31.2

Estereoquímica da polimerização: catalisadores Ziegler-Natta...................................................... 1127

31.3

Copolímeros.................................................................................................................................. 1128

31.4

Polímeros de crescimento por etapas........................................................................................... 1130

31.5

Propriedades físicas e estrutura do polímero................................................................................ 1132

Em Foco... Polímeros biodegradáveis 1136 Resumo e palavras-chave 1138  Visualizando a química 1138 Problemas adicionais 1139

xii Química Orgânica

Apêndice A Nomenclatura de compostos orgânicos polifuncionais...................................A-1 Apêndice B Constantes de acidez para alguns compostos orgânicos................................A-7 Apêndice C Glossário..........................................................................................................A-9 Apêndice D Respostas dos problemas do texto...............................................................A-27 Índice Remissivo. ........................................................................................................................ I-1

Prefácio

Eu adoro escrever. Sinto um prazer enorme quando tenho em mãos um tema difícil, em que necessite entendê-lo para poder traduzi-lo em palavras mais simples. Hoje, escrevo para explicar a química aos estudantes da maneira como gostaria de que tivessem feito para mim há alguns anos. O retorno obtido nas seis edições anteriores tem sido muito gratificante e é bastante útil aos estudantes. Espero que você perceba que esta sétima edição de Química Orgânica acumula todas as forças das seis edições anteriores e atende mais às necessidades dos alunos. Fiz todo o esforço necessário para tornar esta nova edição mais eficaz, clara e legível, com a finalidade de mostrar a beleza e a lógica da química orgânica, tornando-a agradável de ser aprendida. Organização e estratégia de ensino Esta sétima edição, como as outras, constitui um misto da abordagem tradicional dos grupos funcionais com uma abordagem de mecanismo. A organização principal é pelo grupo funcional, começando com os mais simples (alcanos) e progredindo até chegar aos compostos mais complexos. A maior parte do corpo docente vai concordar com que os estudantes iniciantes e não familiarizados com as sutilezas dos mecanismos se saiam melhor dessa maneira. Em outras palavras, para a maioria dos estudantes o quê da química é geralmente mais fácil de perceber do que o porquê. Entretanto, nessa organização principal, procurei enfatizar a explicação sobre as similaridades dos mecanismos fundamentais entre as reações. Essa ênfase é clara nos capítulos sobre a química do grupo carbonílico (capítulos 19 a 23), em que as reações relacionadas com mecanismos, como as condensações aldólicas e as de Claisen, são mostradas juntas. Quando os estudantes atingem esse estágio, é porque eles já viram todos os mecanismos comuns, por isso o valor dos mecanismos como um princípio de organização se torna mais evidente. A primeira reação: adição de hBr aos alcenos Os alunos normalmente atribuem grande importância à primeira reação, pois é a primeira que veem e a mais discutida. Utilizei a reação de adição de HBr a um alceno como a primeira reação para ilustrar os princípios gerais da química orgânica por várias razões: a reação vai relativamente direto ao ponto, envolve um grupo funcional comum, porém importante, não exige um conhecimento prévio sobre estereoquímica ou cinética para compreendê-la e o mais importante: é uma reação polar. Como tal, acredito que as reações de adição eletrofílica representam uma introdução mais realística e útil à química dos grupos funcionais do que a primeira reação, como a cloração radicalar de um alcano. Mecanismos de reação Na primeira edição, introduzi um formato inovador para explicar os mecanismos de uma reação em que os passos são impressos verticalmente, com as mudanças que ocorrem em cada etapa descrita ao lado da seta de reação. Esse formato permite ao leitor visualizar bem o que está ocorrendo em cada etapa sem ter de ficar no vaivém entre a estrutura e o texto. Cada edição sucessiva tem sido um aumento na quantidade e na qualidade desses mecanismos, que ainda permanecem novos e úteis. Síntese orgânica A síntese é abordada como um dispositivo de ensino para auxiliar os estudantes a organizar e a lidar com um corpo enorme de informações reais — a mesma habilida-

xiv Química Orgânica

de tão crítica em medicina. Duas seções, a primeira no Capítulo 8 (“Alcinos”) e a segunda no Capítulo 16 (“Química do benzeno”), explicam os processos envolvidos nos problemas de síntese no trabalho e enfatizam o valor de começar aquilo que é conhecido e logicamente trabalhado logo no início. Além disso, as seções "Em foco…", incluindo "A arte da síntese orgânica", “Química combinatória” e “Síntese enantiosseletiva”, enfatizam ainda mais essa importância. Apresentação modular Os tópicos são dispostos de uma maneira aproximadamente modular. Consequentemente, determinados capítulos estão agrupados em: hidrocarbonetos simples (Capítulos 3 a 8); espectroscopia (Capítulos 12 a 14), química do grupo carbonila (Capítulos 19 a 23) e biomoléculas (Capítulos 25 a 29). Acredito que essa organização facilita a coesão dos tópicos e permite ao professor a flexibilidade de ensinar em uma ordem diferente. Auxílios básicos para o aprendizado Ao escrever e revisar este texto, buscava transmitir explicações elucidativas com transições suaves entre os parágrafos e os tópicos. Conceitos novos são introduzidos somente quando necessários e são ilustrados com exemplos concretos. Referências cruzadas em relação ao material anterior são dadas frequentemente e numerosos resumos também são fornecidos para juntar todas as informações, ambos ao longo e ao final dos capítulos. Além do mais, no fim do livro, há muitos dados para ajudar no aprendizado da química orgânica, incluindo um grande glossário, uma explicação de como dar nomes aos compostos orgânicos polifuncionais e respostas a todos os problemas apresentados no decorrer do texto.

Mudanças e acréscimos nesta nova edição A razão principal de se preparar outra edição é manter o livro atualizado, tanto em sua cobertura cientíﬁca quanto em sua forma pedagógica. Meu principal objetivo sempre foi aperfeiçoar os tópicos já existentes nas edições anteriores, acrescentando alguns novos. ❚❚ O texto foi mais uma vez revisado na questão gramatical, modernizando a apresentação, melhorando as explicações e atualizando milhares de detalhes. Várias reações pouco usadas foram excluídas (a fusão de bases dos ácidos arenossulfônicos para produzir os fenóis, por exemplo) e algumas novas, adicionadas (como a epoxidação enantiosseletiva de alcenos de Sharpless). ❚❚ Outras mudanças dignas de nota estão em: Capítulo 2. Ligações covalentes polares; ácidos e bases – Uma nova seção, a 2.13, sobre as interações não covalentes, foi acrescida. Capítulo 3. Compostos orgânicos: alcanos e sua estereoquímica – O capítulo foi revisado para enfocar exclusivamente os alcanos de cadeia aberta. Capítulo 4. Compostos orgânicos: cicloalcanos e sua estereoquímica – O capítulo foi revisado para enfocar exclusivamente os cicloalcanos. Capítulo 5. Uma visão geral de reações orgânicas – Uma nova seção, a 5.11, que compara as reações biológicas e as realizadas em laboratório, foi acrescida. Capítulo 7. Alcenos: reações e síntese – a epoxidação dos alcenos foi transferida para a seção 7.8, e a seção 7.11, sobre a adição biológica de radicais nos alcenos, vem com novas informações. Capítulo 9. Estereoquímica – Uma discussão sobre a quiralidade no fósforo e no enxofre foi acrescida na seção 9.12, e uma discussão sobre os ambientes quirais, na seção 9.14. Capítulo 11. Reações dos haletos de alquila: substituições nucleofílicas e eliminações – Uma discussão sobre a reação E1cB foi acrescida na seção 11.10, e uma nova seção, a 11.11, discute as reações biológicas de eliminação. Capítulo 12. Determinação de estruturas: espectrometria de massas e espectroscopia no infravermelho – Uma nova seção, a 12.4, discute espectrometrias de massas das moléculas biológicas, com foco nos instrumentos de tempo de percurso e nos métodos de ionização suave, tais como MALDI.

Prefácio xv

Capítulo 20. Ácidos carboxílicos e nitrilas – Uma nova seção, a 20.3, aborda os ácidos carboxílicos biológicos e a equação de Henderson-Hasselbalch. Capítulo 24. Aminas e heterociclos – Este capítulo agora inclui uma discussão sobre os heterociclos, e uma nova seção, a 24.5, sobre as aminas biológicas e a equação de Henderson-Hasselbalch foi adicionada. Capítulo 25. Biomoléculas: carboidratos – Uma nova seção, a 25.7, sobre os oito carboidratos essenciais, foi acrescida e foram realizadas numerosas revisões de conteúdo. Capítulo 26. Biomoléculas: aminoácidos, peptídeos e proteínas – O capítulo foi atualizado, principalmente na questão da síntese de peptídeos na fase sólida. Capítulo 27. Biomoléculas: lipídeos – O capítulo foi amplamente revisado, mais detalhadamente sobre as prostaglandinas (seção 27.4), a biossíntese dos terpenoides (seção 27.5) e a biossíntese dos esteroides (seção 27.7). Capítulo 28. Biomoléculas: ácidos nucleicos – O tema da química heterocíclica foi transferido para o Capítulo 24. Capítulo 29. A química orgânica das rotas metabólicas – O capítulo foi reorganizado e amplamente revisado, mais detalhadamente nas rotas metabólicas importantes. Capítulo 30. Orbitais e química orgânica: reações pericíclicas – Toda a parte ilustrativa deste capítulo foi reelaborada. ❚❚ A ordem dos tópicos, quase sempre a mesma, foi alterada no Capítulo 3, para dedicá-lo inteiramente aos alcanos, e o Capítulo 4, aos cicloalcanos. Além disso, os epóxidos são agora introduzidos no Capítulo 7 sobre os alcenos, e o tema da química dos heterociclos foi transferido para o Capítulo 24. ❚❚ Os problemas ao longo e ao ﬁnal de cada capítulo foram revistos e, aproximadamente, cem novos problemas foram adicionados, muitos dos quais enfocam a química biológica. ❚❚ As seções “Em foco…”, no final de cada capítulo, apresentam aplicações interessantes da química orgânica pertinentes ao tema principal do capítulo. Incluindo tópicos da Biologia, da indústria e da vida cotidiana, essas aplicações são vivenciadas e reforçam o material apresentado no capítulo. As seções, como já dito, foram atualizadas, e outras novas, acrescentadas, entre elas: “De onde vêm os medicamentos?” (Capítulo 5), “Química verde” (Capítulo 11), “Cristalografia de raios X” (Capítulo 22) e “Química Verde II: líquidos iônicos” (Capítulo 24). ❚❚ Moléculas e mecanismos biologicamente importantes receberam atenção especial nesta edição. Diversas reações agora mostram os equivalentes biológicos dos exemplos em laboratório, muitos novos problemas exemplificam as reações e os mecanismos que ocorrem em organismos vivos, e foi dado bastante destaque às rotas metabólicas principais.

Mais Tópicos Novo!

Novo!

❚❚ Por que aprendemos isto? Os alunos me fizeram essa pergunta tantas vezes que eu pensei que seria conveniente iniciar cada capítulo com a resposta. A seção “Qual a razão deste capítulo?” é constituída de um parágrafo curto que aparece no fim da introdução de todos os capítulos e revela aos alunos o porquê de o assunto abordado ser tão importante. ❚❚ Treze ideias-chave são destacadas no livro. Essas incluem tópicos indispensáveis para o desenvolvimento dos alunos na química orgânica, tais como “Setas curvas nos mecanismos de reações” (Capítulo 5) e a “Regra de Markovnikov” (Capítulo 6). As ideias-chave são mais tarde reforçadas nos problemas ao final dos capítulos. ❚❚ Os “Problemas para praticar” estão agora separados com esse título para dar aos alunos um quadro de referência. Cada “Problema para praticar” inclui uma Estratégia e uma Solução explicada, e depois é seguida por problemas que os alunos devem tentar resolver sozinhos. Este livro tem mais de 1.800 problemas no decorrer e no final dos capítulos.

xvi Química Orgânica

❚❚ Um capítulo para uma visão geral – “Uma prévia dos compostos de carbonila” está inserida depois do Capítulo 18 e destaca a crença do autor de que estudar química orgânica requer tanto a habilidade de resumir quanto a de olhar para o futuro. ❚❚ Os problemas da seção “Visualizando a química”, que iniciam a série de exercícios no final de cada capítulo, oferecem aos estudantes a oportunidade de estudar a química de uma maneira diferente, observando as moléculas em vez de simplesmente interpretar as fórmulas estruturais. ❚❚ As seções “Resumo” e “Palavras-chave” ajudam os alunos a traçar os conceitos-chave do capítulo. ❚❚ As seções "Resumos das reações", no final de determinados capítulos, resumem as reações-chave do capítulo em uma lista completa. EM ^ INGLES

OWL (Online Web-based Learning) A Cengage Learning, alinhada com as mais atuais tecnologias educacionais, apresenta o LMS (learning management system) OWL, desenvolvido na Universidade de Massachusetts. Testado em sala por milhares de alunos e usado por mais de 50 mil estudantes, OWL (Online Web-based Learning) oferece conteúdo digital em um formato de fácil utilização, fornecendo aos alunos análise instantânea de seus exercícios e feedback sobre as tarefas realizadas. OWL possui mais de 6 mil questões, bem como um aplicativo Java para visualizar e desenhar estruturas químicas. Este poderoso sistema maximiza a experiência de aprendizagem dos alunos e, ao mesmo tempo, reduz a carga de trabalho do corpo docente. OWL também utiliza o aplicativo Chime, da MDL, para auxiliar os estudantes a visualizar as estruturas dos compostos orgânicos. Todo o conteúdo, bem como a plataforma, encontra-se em língua inglesa. O acesso à plataforma é gratuito para professores que comprovadamente adotam a obra. Os alunos somente poderão utilizá-la com o código de acesso que pode ser adquirido em http:// www.cengage.com/owl. Para mais informações sobre este produto, envie e-mail para brasil.solucoesdigitais @cengage.com

Agradecimentos Agradeço a todos os que ajudaram a configurar este livro e as mensagens recebidas. Da Brooks/ Cole, estão incluídos: David Harris, editor; Sandra Kiselica, editora de desenvolvimento sênior; Amee Mosley, gerente executiva de marketing; Teresa Trego, gerente de projeto; Lisa Weber, gerente de projeto de tecnologia; Sylvia Krick, editora assistente; Suzanne Kastner e Gwen Gilbert, da Graphic World. Sou grato aos colegas que revisaram o original e participaram da pesquisa de abordagem. Entre eles:

Revisores do original Arthur W. Bull, Oakland University Robert Coleman, Ohio State University Nicholas Drapela, Oregon State University Christopher Hadad, Ohio State University Eric J. Kantorowski, California Polytechnic State University

James J. Kiddle, Western Michigan University Joseph B. Lambert, Northwestern University Dominic McGrath, University of Arizona Thomas A. Newton, University of Southern Maine Michael Rathke, Michigan State University Laren M. Tolbert, Georgia Institute of Technology

18 Éteres e Epóxidos; Tióis e Sulfetos Assim como os álcoois vistos no capítulo anterior, os éteres também são derivados orgânicos da água, mas possuem dois grupos orgânicos ligados ao mesmo átomo de oxigênio em vez de um só. Os grupos orgânicos podem ser alquila, arila ou vinila e o átomo de oxigênio pode fazer parte de uma cadeia linear ou de um anel. Talvez o éter mais conhecido seja o éter dietílico, uma substância familiar que possui um longo histórico e é muito utilizada como anestésico e, também, como solvente na indústria. Outros éteres muito utilizados incluem o anisol, um éter aromático com um odor muito agradável usado em perfumes, e o tetraidrofurano (THF), um éter cíclico muito utilizado como solvente.

CH3CH2

CH2CH3

Éter dietílico

CH3

Anisol (Éter fenílico e metílico)

Tetraidrofurano (um éter cíclico)

Os tióis (RSH) e os sulfetos (RSR) são os análogos de enxofre dos álcoois e éteres, respectivamente. Ambos os grupos funcionais são encontrados em várias biomoléculas, embora isso não aconteça na mesma proporção que seus análogos que contêm oxigênio.

616 Química Orgânica

qual a razão deste capítulo? Este capítulo encerra a cobertura dos grupos funcionais com ligações simples CO e CS que se iniciou no Capítulo 17. Vamos nos concentrar principalmente nos éteres e dar apenas uma breve olhada nos tióis e sulfetos antes de fazermos uma cobertura ampla dos compostos com ligações CO nos Capítulos 19 a 23.

18.1 Nomes e propriedades dos éteres

Os éteres simples sem a presença de outros grupos funcionais são nomeados da seguinte forma:

H3C

C H

CH3

CH2CH3

CH3

Éter tert-butílico e metílico

Éter etílico e fenílico

Se outros grupos funcionais estiverem presentes, a parte de éter é considerada um substituinte alcóxido. Por exemplo: 3

CH3O

OCH3 p-Dimetoxibenzeno

O H3C

CH3 CH3

4-tert-Butóxi-1-cicloexeno

Assim como os álcoois, os éteres têm a mesma geometria da água. As ligações ROR apresentam um ângulo de ligação próximo ao tetraédrico (112° no éter dimetílico) e o oxigênio possui hibridização sp3.

O H3C

CH3 112°

O átomo eletronegativo de oxigênio é responsável pelo pequeno momento de dipolo dos éteres. As temperaturas de ebulição geralmente são um pouco maiores que a dos alcanos semelhantes. A Tabela 18.1 compara as temperaturas de ebulição de alguns éteres comuns com os hidrocarbonetos correspondentes. Os éteres são relativamente estáveis e não reativos em diversos aspectos, mas, às vezes, reage lentamente com o oxigênio no ar e forma os peróxidos, compostos que contêm uma ligação OO. Os peróxidos de éteres com baixa massa molecular, como o éter diisopropílico e o tetraidrofurano, são explosivos e extremamente perigosos, mesmo em pequenas quantidades. Os éteres são muito úteis como solventes no laboratório, mas sempre precisam ser utilizados com cuidado e não se pode armazená-los por muito tempo.

Cap. 18 Éteres e Epóxidos; Tióis e Sulfetos 617 TABELA 18.1 Comparação das temperaturas de ebulição de éteres e hidrocarbonetos Ponto de ebulição (o C) Hidrocarboneto

Éter

CH3OCH3

CH3CH2CH3

225

CH3CH2OCH2CH3

Ponto de ebulição (o C)

245

CH3CH2CH2CH2CH3

34,6

49 CH2CH3

OCH3

158

PROBLEMA 18.1

136

Escreva o nome dos seguintes éteres: (a)

(b)

CH3 CH3

OCH2CH2CH3

CH3CHOCHCH3

(c)

(d)

OCH3

(e)

(f) H2C CHCH2OCH CH2

CH3 CH3CHCH2OCH2CH3

18.2 Síntese de éteres

O éter dietílico e outros éteres simétricos simples são preparados industrialmente pela reação de desidratação de álcoois catalisada por ácido sulfúrico. A reação ocorre através de um deslocamento SN2 de água de uma molécula protonada de etanol pelo átomo de oxigênio de um segundo etanol. Infelizmente, esse método é limitado à utilização de álcoois primários, pois os álcoois secundários e terciários desidratam por um mecanismo E1 para produzir alcenos (Seção 17.6). H CH3CH2

A CH3CH2

+ OH2

H HO

CH2CH3 SN2

OH2

CH3CH2

O +

CH2CH3

CH3CH2

CH2CH3

Alexander W. Williamson Alexander W. Williamson (1824-1904) nasceu em Londres, Inglaterra. Recebeu o título de doutor pela Universidade de Giessen, em 1846. Sua habilidade em trabalhar no laboratório foi dificultada por uma lesão na infância que causou a perda de seu braço. De 1849 até 1887, Williamson foi professor de química na University College, em Londres.

H3O+

A Síntese de Éteres de Williamson O método geralmente mais conveniente para a preparação de éteres é por meio da síntese de éteres de Williamson, na qual um íon alcóxido reage com um haleto de alquila primário ou tosilato em uma reação SN2. Como vimos anteriormente na Seção 17.2, o íon alcóxido, em geral, é preparado pela reação de um álcool com uma base forte como o hidreto de sódio, NaH.

618 Química Orgânica

– O Na+

NaH

CH3

THF

Ciclopentanol

Íon ciclopentóxido

Éter ciclopentílico e metílico (74%)

Uma variação útil da síntese de Williamson envolve o óxido de prata, Ag2O, como uma base mais suave em vez de NaH. Nessas condições, o álcool livre reage diretamente com o haleto de alquila, dessa forma não havendo a necessidade do alcóxido metálico intermediário. Os açúcares reagem particularmente bem. Por exemplo, a glicose reage com excesso de iodometano na presença de Ag2O para formar o pentaéter com rendimento de 85%. CH2OH

CH3O

CH3I Ag2O

HO OH

CH2OCH3 O

CH3O

-D-Glicose

AgI

OCH3

-D-Glicose éter plentametílico (85%)

Como a síntese de Williamson é uma reação SN2, ela está sujeita a todas as restrições discutidas na Seção 11.2. Os haletos de alquila primários e os tosilatos funcionam melhor porque pode ocorrer a competição com a reação de eliminação E2 em substratos mais impedidos. Os éteres assimétricos podem então ser preparados pela reação entre um íon alcóxido mais impedido e um haleto menos impedido em vez de vice-versa. Por exemplo, o éter tert-butílico e metílico, uma substância usada na década de 1990 como um detonador de octano na gasolina, é mais bem preparada pela reação do íon tert-butóxido com o iodometano em vez da reação do íon metóxido com o 2-cloro-2-metilpropano. H 3C H3C

H3C

CH3 C

O–

Íon tert-butóxido

CH3O

CH3

H3C

Iodometano

CH3 C

CH3

I–

Éter tert-butílico e metílico

– H H H

CH3 CH3

2-Cloro-2-metilpropano

PROBLEMA 18.2

CH3 C

CH3OH

Cl–

CH3

2-Metilpropeno

Por que supostamente apenas éteres simétricos podem ser preparados pela desidratação catalisada por ácido sulfúrico? Qual(ais) produto(s) você esperaria se o etanol e o 1-propanol fossem deixados reagir juntos? Em qual proporção os produtos seriam formados se dois álcoois possuíssem reatividades iguais?

Cap. 18 Éteres e Epóxidos; Tióis e Sulfetos 619

Como você prepararia os seguintes éteres a partir da síntese de Williamson?

PROBLEMA 18.3

(a) Éter metílico e propílico

(b) (Anisol) éter fenílico e metílico

(d) Éter 2,2-etílico e dimetilpropílico

Alcoximercuriação de Alcenos Vimos na Seção 7.4 que os alcenos reagem com a água na presença de acetato mercúrico para formar um produto de hidroximercuriação. O tratamento posterior com o NaBH4 rompe a ligação CHg e leva à formação de álcool. Uma reação de alcoximercuriação similar ocorre quando um alceno é tratado com um álcool na presença de acetato mercúrico ou, ainda melhor, trifluoroacetato mercúrico (CF3CO2)2Hg. A desmercuriação por meio da reação com o NaBH4 então dá origem a um éter. O resultado líquido é uma adição de Markovnikov do álcool a um alceno. H C

H C H

OCH3 C

CH3OH

HgO2CCF3

(CF3CO2)2Hg

H C

NaBH4

Estireno

OCH3

1-Metóxi-1-feniletano (97%)

1. (CF3CO2)2Hg, CH3CH2OH

OCH2CH3

2. NaBH4

Cicloexeno

Éter cicloexílico e etílico (100%)

O mecanismo da reação de alcoximercuriação é semelhante àquele descrito na Seção 7.4 para a hidroximercuriação. A reação se inicia pela adição eletrofílica de Hg21 ao alceno, seguida pela reação do cátion intermediário com o álcool e a redução da ligação CHg com o NaBH4. Uma variedade de álcoois e alcenos pode ser usada na reação de alcoximercuriação. Os álcoois primários, secundários e até os terciários reagem bem, mas os éteres diterciários não podem ser preparados em virtude do impedimento estérico para a reação.

Problemas para praticar 18.1 Sintetizando um éter

Como você prepararia o éter etílico e fenílico? Utilize o método que você achar mais apropriado, a síntese de Williamson ou a reação de alcoximercuriação. Estratégia

Desenhe o éter-alvo, identifique os dois grupos ligados ao oxigênio, e lembre-se das limitações dos dois métodos para preparar éteres. A síntese de Williamson é uma reação SN2 e necessita que um dos dois grupos ligados ao oxigênio seja um éter secundário ou (preferencialmente) primário. A reação de alcoximercuriação necessita que um dos dois grupos seja proveniente de um precursor alceno. O éter etílico e fenílico poderia ser preparado por ambos os métodos.

620 Química Orgânica Carbono primário; compatível com o método de Williamson

Solução O Éter etílico e fenílico

CH2CH3 Derivado do alceno; compatível com a reação de alcoximercuriação

1. NaOH

2. CH3CH2Br

CH2CH3

1. (CF3CO2)2Hg, H2C CH2 2. NaBH4

Fenol

Éter etílico e fenílico

PROBLEMA 18.4

Reveja o mecanismo de oximercuriação mostrado na Figura 7.4, e então escreva o mecanismo da reação de alcoximercuriação do 1-metilciclopenteno com o etanol. Use as setas curvas para mostrar o fluxo de elétrons em cada etapa.

PROBLEMA 18.5

Como você prepararia os seguintes éteres? Utilize o método que julgar mais apropriado, a síntese de Williamson ou a reação de alcoximercuriação. (a) Éter butílico e cicloexílico

(b) Éter benzílico e etílico

(C6H5CH2OCH2CH3) (d) Tetraidrofurano

Classifique os haletos a seguir de acordo com a ordem de sua reatividade na síntese de Williamson: (a) Bromoetano, 2-bromopropano, bromobenzeno (b) Cloroetano, bromoetano, 1-iodopropeno

18.3 Reações de éteres: quebra ácida

Os éteres não reagem com a maioria dos reagentes utilizados na química orgânica, uma propriedade que justifica seu amplo uso como solvente em muitas reações. Os halogênios, os ácidos diluídos, as bases e os nucleófilos não têm efeito sobre a maioria dos éteres. Na realidade, os éteres sofrem apenas uma reação de uso geral – a quebra com ácidos fortes. Tanto HBr quanto HI aquosos funcionam bem, mas o HCl não quebra éteres. O

CH2CH3

Éter elítico e fenílico

OH HBr, H2O Refluxo

+ Fenol

CH3CH2Br Bromoetano

Clivagens ácida de éteres são típicas reações de substituição nucleo fílica SN1 ou SN2, dependendo da estrutura do substrato. Os éteres com apenas grupos alquila primário e secundário reagem por um mecanismo SN2, no qual o I– ou o Br– ataca o éter protonado no local menos impedido. Isso geralmente resulta em uma quebra seletiva em um único álcool e também um único haleto de alquila. Por exemplo, o éter etílico e isopropílico

Cap. 18 Éteres e Epóxidos; Tióis e Sulfetos 621

forma exclusivamente o álcool isopropílico e o iodoetano na quebra com o HI, uma vez que o ataque nucleofílico pelo iodeto ocorre no sítio primário menos impedido em vez do secundário mais impedido. Mais impedido H CH3CH

Menos impedido

H + CH3CH O

CH2CH3

CH3

SN2

CH2CH3

Éter etílico e isopropílico

CH3CH

CH2CH3

CH3

–

Álcool isopropílico

Iodoetano

Os éteres com um grupo terciário, benzílico ou alílico, sofrem quebra por meio de um mecanismo SN1 ou E1, uma vez que esses substratos podem produzir carbocátions intermediários estáveis. Essas reações são normalmente rápidas e ocorrem à temperatura moderada. Os éteres tert-butílicos, por exemplo, reagem por um mecanismo E1 sob o tratamento com o ácido trifluoroacético a 0 °C. Veremos na Seção 26.7 que a reação geralmente é utilizada na síntese de peptídeos no laboratório. O

CH3

H3C

OH CF3CO2H 0 °C

CH3

H3C

CH2

H3C

Éter tert-butílico e cicloexílico

Cicloexanol (90%)

2-Metilpropeno

Problemas para praticar 18.2 Prevendo os produtos de uma reação de clivagem de éter

Prever os produtos da seguinte reação: CH3 CH3C

CH2CH2CH3

HBr

CH3

Estratégia

Solução

Identifique o padrão de substituição dos dois grupos ligados ao átomo de oxigênio – nesse caso, um grupo alquila terciário e um grupo alquila primário. Então recorde-se das diretrizes para a quebra de éteres. Um éter com apenas grupos alquila primário e secundário geralmente sofre quebra por meio de um ataque SN2 de um nucleófilo sobre o grupo alquila menos impedido. Porém, um éter contendo um grupo alquila terciário normalmente sofre quebra por um mecanismo SN1. Nesse caso, vai ocorrer uma quebra SN1 de uma ligação CO, levando à formação do 1-propanol e de um brometo de alquila terciário. CH3 CH3C

CH3 CH2CH2CH3

CH3 éter tert-butílico e propílico

HBr

CH3C

HOCH2CH2CH3

CH3 2-Bromo-2-metilpropano

1-Propanol

622 Química Orgânica PROBLEMA 18.7

Preveja os produtos das seguintes reações: (a)

(b) O

CH3

HBr

CH3 CH3CH2CH

HBr

CH2CH2CH3

PROBLEMA 18.8

Escreva o mecanismo da quebra catalisada por ácido do éter tert-butílico e cicloexílico para dar origem ao cicloexanol e ao 2-metilpropeno.

PROBLEMA 18.9

Por que o HI e o HBr são mais eficazes que o HCl na quebra de éteres? (Veja a Seção 11.3.)

18.4 Reações de éteres: rearranjo de Claisen Ludwig Claisen Ludwig Claisen (1851-1930) nasceu em Colônia, Alemanha. Recebeu o título de doutor pela Universidade de Bonn, sob a supervisão de August Kekulé. Claisen nunca se casou, mas devotou toda a sua vida ao estudo da química orgânica. Entre suas atividades, foi professor na Universidade de Bonn; Owens College (em Manchester); e nas Universidades de Munique, Aachen, Kiel e Berlim.

Diferente da reação de quebra ácida de éteres discutida na seção anterior, que é geral para todos os éteres, o rearranjo de Claisen é específico para os éteres alílicos e arílicos, ArOCH2CHCH2. O tratamento de um íon fenóxido com o 3-bromopropeno (brometo de alila) resulta em uma síntese de éter de Williamson e na formação de um éter alílico e arílico. Aquecendo esse composto a uma temperatura entre 200 °C e 250 °C, ocorre o rearranjo de Claisen, levando à formação de o-alilfenol. O resultado líquido é a alqui lação de um fenol na posição orto. O– Na+

BrCH2CH

THF solução

NaH

Fenol

OCH2CH CH2

Fenóxido de sódio O

CH2 CH

CH2

Éter alílico e fenílico OH

CH2

CH2CH

CH2

Rearranjo de Claisen 250 °C

o-Alilfenol

Éter alílico e fenílico

De maneira semelhante à reação de Diels-Alder abordada nas Seções 14.4 e 14.5, o rearranjo de Claisen acontece por um mecanismo pericíclico no qual ocorre uma reorganização combinada dos elétrons ligantes por meio de um estado de transição cíclico de seis membros. O intermediário 6-alil-2,4cicloexadienona então se isomeriza para formar o o-alilfenol (Figura 18.1).

CH2 CH CH2

‡

H2C CH O

CH2

Éter alílico e fenílico

Estado de transição

Intermediário (6-alil-2,4-cicloexadienona)

o-Alilfenol

FIGURA 18.1 O mecanismo do rearranjo de Claisen. A quebra da ligação CO e a formação da ligação CC ocorrem simultaneamente.

Cap. 18 Éteres e Epóxidos; Tióis e Sulfetos 623

Evidências para esse mecanismo decorrem da observação de que o rearranjo ocorre com uma inversão do grupo alila. Ou seja, o éter alílico e fenílico que têm uma marcação de 14C no átomo de carbono do éter alílico dá origem ao o-alilfenol no qual a marcação está localizada no átomo de carbono vinílico terminal (o átomo de carbono circundado na Figura 18.1). Seria muito difícil explicar esse mecanismo por qualquer outro mecanismo que não fosse o pericíclico. Abordaremos a reação mais detalhadamente na Seção 30.8. PROBLEMA 18.10

Qual o produto você esperaria obter do rearranjo de Claisen do éter 2-butenílico e fenílico? O 250 °C

éter 2-butenílico e fenílico

18.5 Éteres cíclicos: epóxidos

A maioria dos éteres cíclicos comporta-se como os éteres de cadeia linear. A química desse grupo funcional é a mesma, independentemente se a reação ocorre em um éter de cadeia linear ou em um éter cíclico. Os éteres cíclicos comuns, como o tetraidrofurano e o dioxano, por exemplo, são frequentemente usados como solventes em razão de sua inércia, ainda que possam sofrer quebra pelo tratamento com ácidos fortes. H2C H2C

CH2

H2C

CH2

H2C

1,4-Dioxano

CH2 CH2

Tetraidrofurano

O único grupo de éteres cíclicos que se comporta de maneira diferente dos éteres de cadeia linear contém os compostos com anel de três membros denominados epóxidos ou oxiranos que vimos na Seção 7.8. A tensão do anel de três membros é responsável pela reatividade química única dos epóxidos. O óxido de etileno, o epóxido mais simples, é um intermediário na fabricação tanto do etileno glicol, utilizado como agente anticongelante em auto móveis, quanto na de polímeros de poliéster. Mais de 4 milhões de toneladas de óxido de etileno são produzidas a cada ano nos Estados Unidos pela oxidação ao ar do etileno sobre um catalisador de óxido de prata a 300 °C. Entretanto, esse processo não é muito útil para outros epóxidos, e de pouco valor no laboratório. Observe que o nome óxido de etileno não é um nome sistemático porque a terminação -eno implica a presença de uma ligação dupla na molécula. Entretanto, esse nome é muito utilizado porque o óxido de etileno é derivado do etileno pela adição de um átomo de oxigênio. Outros epóxidos simples são nomeados de maneira semelhante. O nome sistemático do óxido de etileno é 1,2-epoxietano.

H2C

CH2

Etileno

O2 Ag2O, 300 °C

O H2C

CH2

Óxido de etileno

624 Química Orgânica

No laboratório, como vimos na Seção 7.8, os epóxidos são preparados pelo tratamento de um alceno com um peroxiácido (RCO3H), normalmente o ácido m-cloroperoxibenzoico. O C

H O

CH2Cl2 solvente

H Cicloepteno

Ácido meta-Cloroperoxibenzoico

1,2-epoxicicloeptano (78%)

Ácido meta-clorobenzoico

Um outro método para a síntese de epóxidos é por meio das haloidrinas, preparadas pela adição eletrofílica de HOX aos alcenos (Seção 7.3). Quando as haloidrinas são tratadas com base, o HX é eliminado e o epóxido é produzido por uma síntese intramolecular de éter de Williamson. Isso é, o íon alcóxido nucleofílico e o haleto de alquila eletrofílico estão na mesma molécula. H

Cl2

NaOH

H2O

–

O Cl

trans-2-Clorocicloexanol

Cicloexeno

1,2-epoxicicloexano

A reação do cis-2-buteno com o ácido m-cloroperoxibenzoico leva à formação de um epóxido diferente daquele obtido pela reação com o isômero trans. Explique.

PROBLEMA 18.11

18.6 Reações de epóxidos: abertura do anel

Abertura de Epóxido Catalisada por Ácidos Os epóxidos são quebrados pelo tratamento com ácido da mesma maneira que os outros éteres, mas sob condições muito mais brandas por causa da tensão no anel. Como vimos na Seção 7.8, o ácido aquoso diluído à temperatura ambiente é suficiente para causar a hidrólise de epóxidos em 1,2-dióis, também chamados de glicóis vicinais (a palavra vicinal significa “adjacente”, e um glicol é um diol). A quebra de um epóxido acontece por meio de um ataque na parte de trás semelhante a SN2 de um nucleófilo no epóxido protonado, fornecendo um trans-1,2-diol como produto.

H O

H H3O+

+ O H

OH2

H H

1,2 Epoxicicloexano

H H

H Br2

Br+

trans-1,2-Cicloexanodiol (86%)

Lembre-se do seguinte esquema:

OH2

H3O+

H O

H H3O+

+ O H

OH2 OH2

+ OH

H3O+

Cap. 18 Éteres e Epóxidos; Tióis e Sulfetos 625 trans-1,2-Cicloexanodiol

1,2 Epoxicicloexano

(86%) Lembre-se do seguinte esquema: H

H Br2

Br+

Cicloexano

trans-1,2-Dibromocicloexano

Os epóxidos também podem ser abertos pela reação com outros ácidos além do H3O1. Se um ácido HX anidro for utilizado, por exemplo, um epóxido será convertido em uma haloidrina trans: H O

HX Éter

trans 2-halocicloexanol em que X = F, Br, Cl, ou I

A regioquímica de abertura do anel catalisada por ácido depende da estrutura do epóxido, e geralmente uma mistura de produtos é formada. Quando ambos os átomos de carbono do epóxido são primários ou secundários, o ataque nucleofílico ocorre principalmente no local menos substituído, um resultado semelhante ao de uma reação SN2. Entretanto, quando um dos átomos de carbono do epóxido é terciário, o ataque nucleofílico acontece principalmente no local mais substituído, um resultado semelhante a uma reação SN1. Assim, o 1,2-epoxipropano reage com o HCl para formar principalmente o 1-cloro-2-propanol, porém o 2-metil-1,2-epoxipropano leva à formação do 2-cloro-2-metil-1-propanol como produto majoritário. Secundário

Primário

O HCl

H3C H

H C Éter H

H3C

2-Cloro-1-propanol (10%)

Primário O

H3C H 3C

H3C

1-Cloro-2-propanol (90%)

1,2-Epoxipropano

Terciário

HCl

H C Éter H

2-Metil-1,2-epoxipropano

Cl H3C H3C

2-Cloro-2-metil-1-propanol (60%)

H3C H 3C

1-Cloro-2-metil-2-propanol (40%)

Os mecanismos dessas aberturas de epóxido catalisadas por ácido são mais complexos do que aparentam à primeira vista. Eles não aparentam ser nem puramente SN1 nem SN2, ao contrário, parecem ser um intermediário

626 Química Orgânica

entre esses dois extremos apresentando características de ambos. Tome como exemplo a reação do 1,2-epoxi-1-metilcicloexano com o HBr apresentada na Figura 18.2. A reação produz um único estereoisômero do 2-bromo-2-metilcicloexanol no qual os grupos Br e OH são trans, um resultado parecido com SN2 provocado pelo deslocamento por trás do oxigênio do epóxido. Porém o fato de o Br2 atacar o lado terciário mais impedido em vez do secundário menos impedido é um resultado parecido com SN1 no qual está envolvido um carbocátion terciário mais estável. Evidentemente, o estado de transição para a abertura de epóxido catalisada por ácido apresenta uma geometria do tipo SN2, porém também expressa um forte caráter de carbocátion do tipo SN1. Uma vez que a carga positiva no epóxido protonado é compartilhada pelo átomo de carbono mais substituído, o ataque por trás do Br2 ocorre no sítio altamente substituído. FIGURA 18.2 Abertura de anel induzida por ácido no composto 1,2-epóxi-1-metilcicloexano com HBr. Existe um forte caráter de carbocátion semelhante a SN1 no estado de transição, que conduz a um ataque por trás do nucleófilo no centro terciário e formação do isômero 2-bromo-2-metilcicloexanol, que tem os grupos Br e OH em trans (A nomenclatura dos cicloexanos trissubstituídos foi explicada na Seção 7.8).

Br– Br

+ CH3

CH3

CH3 O H

Carbocátion 3o (mais estável)

t-2-Bromo-c-2-metil-r-1-cicloexanol

HBr

CH3 OH

CH3 OH +

H Br–

Carbocátion 2o (NÃO formado)

t-2-Bromo-1-metil-r-1-cicloexanol

Problemas para praticar 18.3 Prevendo o produto de abertura do anel de epóxido

Preveja o produto majoritário da seguinte reação: O HCl Éter

Estratégia

Identifique o padrão de substituição dos dois átomos de carbono do epóxido. Nesse caso, um átomo de carbono é primário e o outro, secundário. Então, recorde-se das diretrizes sobre quebra de epóxidos. Um epóxido que contém apenas átomos de carbono secundários e terciários geralmente sofre quebra por um ataque nucleófilo do tipo SN2 no átomo de carbono menos impedido. Porém, um epóxido com um átomo de carbono terciário normalmente sofre quebra por um mecanismo do tipo SN1. Nesse caso, deve ocorrer uma quebra do tipo SN2 da ligação primária CO do epóxido.

Cap. 18 Éteres e Epóxidos; Tióis e Sulfetos 627 Solução

Secundário

Cl HCl Éter

Primário (a reação ocorre aqui)

PROBLEMA 18.12

Preveja o produto majoritário de cada uma das seguintes reações: (a)

(b)

O CH3 CH3

PROBLEMA 18.13

HCl Éter

O HCl Éter

Como você prepararia os seguintes dióis? (a)

(b)

Abertura de Epóxidos Catalisada por Base Diferente dos outros éteres, os anéis de epóxidos podem sofrer quebra por base bem como por ácido. Embora um oxigênio de éter seja normalmente um grupo abandonador ruim em uma reação SN2 (Seção 11.3), a tensão do anel de três membros faz com que os epóxidos reajam com o íon hidróxido a temperaturas elevadas. O–

O CH2

CH2OH

OH H2O

CH2OH

–OH

H2O, 100 °C

Óxido de metilenocicloexano

1-Hidroximetilcicloexanol (70%)

Uma abertura de anel nucleofílica similar ocorre quando os epóxidos são tratados com regentes de Grignard. O óxido de etileno é frequentemente utilizado, o que permite a conversão de um reagente de Grignard em um álcool primário tendo dois carbonos a mais que o haleto de alquila de partida. O 1-bromobutano, por exemplo, é convertido no 1-hexanol pela reação de seu reagente de Grignard com o óxido de etileno.

628 Química Orgânica O

CH3CH2CH2CH2MgBr

Brometo de butilmagnésio

H2C

CH2

1. Éter como solvente 2. H O+ 3

CH3CH2CH2CH2CH2CH2OH

Óxido de etileno

1-Hexanol (62%)

A abertura de epóxidos catalisada por base é uma típica reação SN2 na qual o ataque nucleofílico ocorre no carbono menos impedido do epóxido. Por exemplo, o 1,2-epoxipropano reage com o íon etóxido exclusivamente no carbono primário, menos substituído, para fornecer o 1-etoxi-2-propanol. O H3C

OH CH CH OH C H C – 3 2 CH3CHCH2OCH2CH3 OCH2CH3 H H 1-Etoxi-2-propanol (83%)

Não ocorre ataque aqui (2o)

PROBLEMA 18.14

Preveja o produto majoritário das seguintes reações: (a)

O 2C

CH2CH3 H CH3

NaOH H2O18

(b)

(c)

O 2C

CH2CH3 H CH3

+ H3O18

MgBr

O H3C H

CH2CH3 C C CH3

1. 2. H3O+

18.7 Éteres de coroa Charles John Pedersen Charles John Pedersen (1904-1989) nasceu em Pusan, Coreia do Sul, filho de mãe coreana e pai norueguês. Como cidadão norte-americano, mudou-se para os Estados Unidos por volta de 1920 e recebeu o título de mestre pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts, em 1927. Passou toda a sua vida acadêmica na empresa DuPont (1927-1969) e recebeu o Prêmio Nobel de Química em 1987. Pedersen está entre os poucos ganhadores desse prêmio que nunca receberam um título formal de doutorado.

Descobertos no início dos anos 1960 por Charles Pedersen da empresa DuPont, os éteres de coroa constituem uma relativamente recente aquisição para a família dos éteres. Os éteres de coroa nomeados de acordo com o formato geral x-coroa-y, onde x é o número total de átomos do anel e y é o número de átomos de oxigênio. Assim, o éter 18-coroa-6 é constituído por um anel de 18 membros contendo seis átomos de oxigênio de éter. Observe o tamanho e o caráter negativo (vermelho) da cavidade do éter de coroa no seguinte mapa de potencial eletrostático.

O O

Éter 18-coroa-6

Cap. 18 Éteres e Epóxidos; Tióis e Sulfetos 629

A importância dos éteres de coroa é decorrente da sua extraordinária capacidade de solvatar os cátions metálicos, mantendo o íon metálico no centro da cavidade do poliéter. Por exemplo, o éter 18-coroa-6 complexa fortemente com o íon potássio. Os complexos entre os éteres de coroa e os sais iônicos são solúveis em solventes orgânicos apolares, permitindo assim que muitas reações possam ocorrer em condições apróticas que de outra forma teriam que ser realizadas em solução aquosa. Por exemplo, o permanganato de potássio, KMnO4, se dissolve em tolueno na presença do 18-coroa-6 e a solução resultante é um reagente muito valioso para oxidar alcenos. Muitos outros sais inorgânicos, incluindo KF, KCN e NaN3, também se dissolvem em solventes orgânicos com a ajuda dos éteres de coroa. O efeito de utilizar um éter de coroa na dissolução de um sal em um hidrocarboneto ou éter como solvente é semelhante ao efeito de dissolver um sal em um solvente aprótico como DMSO, DMF ou HMPA (Seção 11.3). Em ambos os casos, o cátion metálico é fortemente solvatado deixando o ânion descoberto. Assim, a reatividade SN2 de um ânion é extremamente aumentada na presença de um éter de coroa. PROBLEMA 18.15

Os éteres 15-coroa-5 e 12-coroa-4 complexam-se com Na1 e Li1 respectivamente. Construa modelos desses éteres de coroa e compare os tamanhos das cavidades.

18.8 Tióis e sulfetos

Tióis Os tióis, algumas vezes chamados mercaptanas, são os análogos de enxofre dos álcoois. Eles são nomeados pelo mesmo sistema de nomenclatura dos álcoois, com o sufixo -tiol no lugar do sufixo -ol. O grupo SH em si é denominado grupo mercapto. SH

CO2H

CH3CH2SH SH Etanotiol

Cicloexanotiol

Ácido m-Mercapto

A característica mais marcante dos tióis é seu odor terrível. O odor do gambá, por exemplo, é decorrente principalmente de tióis simples, como o 3-metil-1-butanotiol e o 2-buteno-1-tiol. Tióis voláteis como o etanotiol também são adicionados ao gás natural e ao propano liquefeito para servir como uma alerta facilmente detectável em caso de vazamentos. Os tióis são geralmente preparados a partir dos haletos de alquila por um deslocamento SN2 por um nucleófilo de enxofre, como, por exemplo, o ânion hidrossulfeto, 2SH.

CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2 1-Bromo-octano

–

CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2 1-Octanetiol (83%)

Br–

630 Química Orgânica

A reação geralmente funciona insuficientemente a menos que seja usado um excesso de nucleófilo, uma vez que o produto tiol pode sofrer uma nova reação SN2 com o haleto de alquila para fornecer um sulfeto como produto lateral. Para superar esse problema, a tioureia, (NH2)2CS, é, em geral, utilizada como nucleófilo na preparação de um tiol a partir de um haleto de alquila. A reação ocorre por meio de um deslocamento do íon haleto para formar o sal intermediário alquilisotioureia, que é hidrolisado por subsequente reação com base aquosa. Br–

S CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2

H2N

1-Bromo-octano

+ S

CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2

NH2

Tioureia

NH2 C

NH2

H2O, NaOH

O CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2

H2N

1-Octanotiol (83%)

NH2

Ureia

Os tióis podem ser oxidados por Br2 ou I2 para produzir dissulfetos (RSSR’). A reação é facilmente revertida, e um dissulfeto pode ser reduzido novamente a um tiol pelo tratamento com ácido e zinco. 2R

I2 Zn, H+

Um tiol

2 HI

Um dissulfeto

Essa interconversão de tiol-dissulfeto é a parte principal de diversos processos biológicos. Veremos no Capítulo 26, por exemplo, que a formação de um dissulfeto está envolvida na definição da estrutura e das conformações tridimensionais das proteínas, onde as “pontes” de dissulfetos frequentemente formam ligações cruzadas entre as unidades do aminoácido cisteína nas cadeias proteicas. A formação do dissulfeto também está envolvida no processo no qual as células se protegem da degradação oxidativa. Um componente celular chamado de glutationa remove os oxidantes perigosos em potencial e se oxida em dissulfeto de glutationa no processo. A redução de volta ao tiol necessita da coenzima adenina flavina dionucleotídeo (reduzido), abreviado como FADH2. + H3N

–O C 2

N H

+ H3N

O CO2–

H3N +

N O

Glutationa (GSH)

H S

O CO2–

CO2–

FADH2

N H

H2O2

HS –O C 2

–O C 2

HS O

–O C 2 H3N +

N H

CO2–

Dissulfeto de glutationa (GSSG)

Cap. 18 Éteres e Epóxidos; Tióis e Sulfetos 631

Sulfetos Os sulfetos são análogos de enxofre dos éteres da mesma forma que os tióis são análogos dos álcoois. Os sulfetos recebem seus nomes seguindo as mesmas regras dos éteres, com sulfeto utilizado no lugar de éter para os compostos simples, e alquiltio utilizado no lugar de alcoxi em compostos mais complexos. H3C

CH3

2 1

Sulfeto dimetílico

Sulfeto fenílico e metílico

3-(Metiltio)cicloexeno

O tratamento de um tiol com uma base, como o NaH, leva à formação do íon tiolato (RS2) correspondente, que sofre reação com um haleto de alquila primário ou secundário para dar origem ao sulfeto. A reação ocorre por um mecanismo SN2 semelhante à síntese de Williamson de éteres (Seção 18.2). Os ânions tiolatos estão dentre os melhores nucleófilos conhecidos e os rendimentos dessas reações SN2 são geralmente elevados.

S – Na+

CH3

Benzenotiolato de sódio

CH3

NaI

Metilfenilsulfeto (96%)

Talvez surpreendentemente à luz da grande similaridade estrutural deles, os dissulfetos e os éteres difiram substancialmente em relação aos seus comportamentos químicos. Uma vez que os elétrons de valência no enxofre estão mais afastados do núcleo e menos fortemente atraídos que os elétrons do oxigênio (elétrons 3p versus elétrons 2p), os compostos de enxofre são mais nucleofílicos que seus compostos análogos de oxigênio. Diferentemente dos éteres dialquílicos, os sulfetos são excelentes nucleófilos e reagem rapidamente com os haletos de alquila primários por um mecanismo SN2 para fornecer os sais de trialquilsulfônio (R3S1).

CH3

Dimetilsulfeto

CH3

Iodometano

THF

CH3

CH3 + S CH3 I –

Iodeto de trimetilsulfônio

O exemplo mais comum desse processo nos seres vivos é a reação do aminoácido metionina com o trifosfato de adenosina (ATP; Seção 5.8) para formar a S-adenosilmetionina. A reação é de alguma forma anormal em relação ao grupo abandonador biológico neste processo SN2 ser o íon trifosfato e não o íon difosfato, como se vê com mais frequência (Seção 11.6)

632 Química Orgânica CH3 –O C 2

O O O –OPOPOPO–

S H

O– O– O–

+ NH3

Íon trifosfato

Metionina

NH2 N

O O O –OPOPOPO

CH2

O– O– O–

NH2

S+

–O C 2

CH3

N SN2

+ NH3

CH2

S-adenosilmetionina

Trifosfato de adenosina (ATP)

Os íons sulfônio são agentes alquilantes úteis porque um nucleófilo pode atacar um dos grupos ligados a um enxofre carregado positivamente, deslocando um sulfeto neutro como grupo abandonador. Vimos em um exemplo da Seção 11.6 (Figura 11.16) no qual a S-adenosilmetionina transferiu um grupo metila para a norepinefrina para formar a adrenalina. Uma outra diferença entre os sulfetos e os éteres é que os sulfetos são facilmente oxidados. O tratamento de um sulfeto com o peróxido de hidrogênio, H2O2, à temperatura ambiente leva à formação do sulfóxido (R2SO) correspondente, e oxidação adicional do sulfóxido com um peroxiácido dá origem a uma sulfona (R2SO2). O S

CH3

S H2O2 H2O, 25 °C

Sulfeto fenílico e metílico

O CH3

O S

CH3CO3H

Sulfóxido fenílico e metílico

CH3

Sulfona fenílica e metílica

O dimetilsulfóxido (DMSO) é um sulfóxido particularmente bem conhecido que é muito utilizado como solvente polar aprótico. Entretanto, o DMSO deve ser manuseado com cuidado, pois tem uma habilidade extraordinária para penetrar na pele, carregando consigo qualquer coisa que se dissolva nele. O H3C

PROBLEMA 18.16

CH3

Dimetilsulfóxido (um solvente aprótico polar)

Dê nome aos seguintes compostos: (a)

CH3

(b)

CH3CH2CHSH

CH3 SH

CH3

(c)

CH3CCH2CHCH2CHCH3 CH3

(d)

CH3

(e)

SCH3

(f)

CH3CHSCH2CH3 SCH3 SCH2CH3

Cap. 18 Éteres e Epóxidos; Tióis e Sulfetos 633 PROBLEMA 18.17

O 2-buteno-1-tiol é um dos componentes do jato do gambá. Como você sintetizaria essa substância a partir do 2-butenoato de metila? E a partir do 1,3-butadieno? O CH3CH

CHCOCH3

CH3CH

Metil-2-butenoato

CHCH2SH

2-Buteno-1-tiol

18.9 Espectroscopia de éteres

Espectroscopia na Região do Infravermelho

Transmitância (%)

100 80 60 40 C–O estiramento

20 0 4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

Número de onda (cm–1)

Reproduzido com permissão de Aldrich Chemical Co., Inc.

Os éteres são difíceis de identificar pela espectroscopia na região do infravermelho (IV). Embora apresentem uma absorção característica devido ao estiramento da ligação simples CO na faixa de 1 050 a 1 150 cm21, muitos outros tipos de absorções também ocorrem na mesma faixa. A Figura 18.3 exibe o espectro de IV do éter dietílico, identificando o estiramento CO.

FIGURA 18.3 Espectro de infravermelho do éter dietílico,CH3CH2OCH2CH3.

Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear

Intensidade

Os hidrogênios no carbono próximo ao oxigênio do éter são deslocados para um campo magnético mais baixo em relação à ressonância de um alcano normal, exibindo absorções no espectro de RMN de 1H na região de d 3,4 a 4,5. Esse deslocamento para campo mais baixo pode ser visto claramente no espectro do éter dipropílico apresentado na Figura 18.4.

CH3CH2CH2OCH2CH2CH3

TMS 6

5 4 3 Deslocamento químico ( )

FIGURA 18.4 Espectro de RMN de 1H do éter dipropílico. Os hidrogênios no carbono próximo ao oxigênio estão deslocados para um campo mais baixo em d 3,4.

0 ppm

634 Química Orgânica

Os epóxidos absorvem em um campo magnético ligeiramente mais alto que os outros éteres, exibindo ressonâncias características de d 2,5 a 3,5 nos espectros de RMN de 1H, como indicado para o 1,2-epoxipropano na Figura 18.5.

Intensidade

TMS O CH3CH CH2

6 5 4 3 Deslocamento químico ( )

0 ppm

FIGURA 18.5 Espectro de RMN de 1H do 1,2-epoxipropano.

Os átomos de carbono dos éteres também exibem um deslocamento para uma região de campo mais baixo no espectro de RMN de 13C, absorvendo geralmente na região de d 50 a d 80. Por exemplo, os átomos de carbono próximos ao oxigênio no éter metílico e propílico absorvem em d 58,5 e d 74,8. De maneira semelhante, o carbono da metila no anisol absorve em d 54,8. 159,9 58,5

CH3

74,8

CH2

54,8

O CH2

120,7 23,3

CH3

CH3 114,1

10,7 129,5

PROBLEMA 18.18

O espectro de RMN de 1H apresentado a seguir é de um éter com a fórmula C4H8O. Proponha uma estrutura.

Intensidade

TMS

6 5 4 Deslocamento químico ( )

0 ppm

Cap. 18

Éteres e Epóxidos; Tióis e Sulfetos

635

Em foco... Resinas de epóxi e adesivos

Poucas pessoas leigas em química sabem exatamente o significado de um epóxido, porém praticamente todas utilizam uma “cola epóxi” para reparos caseiros ou uma resina epóxi como cobertura protetora. As resinas epóxi e os adesivos geralmente consistem em dois componentes que devem ser misturados pouco antes de serem aplicados no local. Um dos componentes é um “pré-polímero” líquido e o segundo, um “agente de cura”, que reage com esse pré-polímero causando sua solidificação. As resinas epóxi e os adesivos mais largamente utilizados são baseados em um pré-polímero feito do bisfenol A e da epicloroidrina. No tratamento com base em condições cuidadosamente controladas, o bisfenol A é convertido em seu ânion, que age como um nucleófilo em uma reação SN2 com a epicloroidrina. Cada molécula de epicloroidrina pode reagir com duas moléculas do bisfenol A, uma vez por deslocamento SN2 do íon cloreto e uma vez pela abertura do anel de epóxido. Ao mesmo tempo, cada bisfenol A pode reagir com duas epicloroidrinas, levando a uma cadeia polimérica longa. Cada extremidade de uma cadeia de pré-polímero tem um grupo epóxi não reativo, e cada cadeia tem numerosos grupos de álcoois secundários separados regularmente ao longo de sua parte do meio.

Os caiaques muitas vezes são feitos de um polímero de alta resistência, revestidos com resina epóxi.

CH3 HO

H 2C

CHCH2Cl

CH3 Epicloroidrina

Bisfenol A

CH3

O H2C

CHCH2

C CH3

CH3

CH2CHCH2

O n

O CH2CH CH2

CH3

“Pré-polímero”

Quando o epóxido está para ser usado, um agente de cura básico como uma amina terciária, R3N, é adicionado fazendo com que as cadeias do prepolímero se liguem umas às outras. Essa “união cruzada” das cadeias é simplesmente uma reação de abertura de anel do epóxido catalisada por base de um grupo OH situado no meio de uma cadeia com um grupo epóxido da extremidade de outra cadeia. O resultado dessa união cruzada é a formação de um vasto entrelaçamento tridimensional que possui altíssima resistência à deformação e resistência química. (continua)

636

Química Orgânica

(continuação) CH2 CH

CH2

O OH

CH2

H 2C

CHCH2 Final da cadeia 2

Meio da cadeia 1

Agente de curta

OH O

CH2CHCH2

CH2 Cadeia “reticuldas”

Resumo e palavras-chave alcoximercuriação, 619 dissulfetos (RSSR’), 630 éteres (ROR’), 615 éteres de coroa, 628 grupo mercapto (SH), 629 íon tiolato (RS), 631 rearranjo de Claisen, 622 sais de trialquilsulfônio (R3S1), 631 sulfetos (R–S–R’), 615 sulfona (R2SO2), 632 sulfóxido (R2SO), 632 tióis (RS–H), 615

Éteres são compostos que têm dois grupos orgânicos ligados ao mesmo átomo de oxigênio, ROR’. Esses grupos podem ser alquila, vinila ou arila, e o átomo de oxigênio pode fazer parte de uma cadeia linear ou de um anel. Os éteres são preparados pela síntese de Williamson, a qual envolve uma reação SN2 de um íon alcóxido com um haleto de alquila primário, ou pela reação de alcoximercuriação/desmercuriação, a qual envolve a adição de Markovnikov de um álcool a um alceno. Os éteres são inertes à maioria dos reagentes, mas podem sofrer quebra no tratamento com ácidos fortes. Normalmente o HI e o HBr são os ácidos mais empregados. A reação de quebra ocorre por um mecanismo SN2 no sítio menos substituído quando somente grupos alquila primários e secundários estão ligados ao átomo de oxigênio do éter. Porém, essa reação pode ocorrer por um mecanismo SN1 ou E1 se um dos grupos alquila ligados ao átomo de oxigênio for um grupo terciário. Os éteres alílicos e arílicos sofrem rearranjo de Claisen dando origem a o-alilfenóis. Os epóxidos são éteres cíclicos nos quais o átomo de oxigênio faz parte de um anel de três membros. Em virtude da tensão no anel, os epóxidos sofrem reação de quebra no tratamento tanto com ácidos quanto com bases. A abertura do anel induzida por ácido ocorre com uma regioquímica que depende da estrutura do epóxido. A quebra da ligação CO no sítio menos substituído acontece se ambos os átomos de carbono do epóxido forem primários ou secundários, mas a quebra da ligação CO no sítio mais substituído ocorre se um dos carbonos do epóxido for terciário. A abertura do anel catalisada por base ocorre por reação SN2 de um nucleóﬁlo no carbono do epóxido menos impedido. Tióis, os análogos de enxofre dos álcoois, são geralmente preparados por uma reação SN2 de um haleto de alquila com tioureia. A oxidação branda de tióis produz um dissulfeto, e a redução branda de um dissulfeto leva de volta ao tiol. Sulfetos, os análogos de enxofre dos éteres, são preparados por uma reação SN2, entre um ânion tiolato e um haleto de alquila primário ou secundário. Os sulfetos são nucleóﬁlos mais fortes que os éteres e podem ser oxidados a sulfóxidos e sulfonas. Os sulfetos também podem sofrer alquilação com um haleto de alquila primário dando origem aos íons sulfônio.

Cap. 18 Éteres e Epóxidos; Tióis e Sulfetos 637

Resumo das reações 1. Preparação de éteres (Seção 18.2) (a) Síntese de éter de Williamson RO–

R CH2X

X–

ROCH2R

(b) Alcoximercuriação/desmercuriação

1. ROH, (CF3CO2)2Hg

OR C

2. NaBH4

2. Reação de éteres (a) Quebra por HBr ou HI (Seção 18.3) R

HX H2O

R OH

(b) Rearranjo de Claisen (Seção 18.4) OCH2CH

CH2

OH 250 °C

CH2CH

CH2

H3O+

O C

HBr

(d) Abertura de epóxido catalisada por base (Seção 18.6) O C

RO–, ROH

C OR

O RMgX

H2C

CH2

1. Éter como solvente RCH2CH2OH 2. H O+ 3

3. Síntese de tióis (Seção 18.8) RCH2Br

1. (H2N)2C

2. H2O, NaOH

RCH2SH

638 Química Orgânica

4. Oxidação de tióis a dissulfetos (Seção 18.8) 2 RSH

I2, H2O

5. Síntese de sulfetos (Seção 18.8) RS–

R CH2Br

RSCH2R

Br–

6. Oxidação de sulfetos em sulfóxidos e sulfonas (Seção 18.8)

O R

H2O2

RCO3H

O S

Exercícios

Visualizando a química (Os Problemas 18.1 a 18.18 aparecem no decorrer do capítulo.) 18.19 Escreva os nomes IUPAC para os seguintes compostos: (a)

(b)

(c)

18.20 Mostre o produto, incluindo a estereoquímica, que resultaria da reação do seguinte epóxido com o HBr:

Cap. 18 Éteres e Epóxidos; Tióis e Sulfetos 639 18.21 Mostre o produto, incluindo a estereoquímica, da seguinte reação:

1. CH3MgBr, éter 2. H3O+

18.22 O tratamento do seguinte alcano com um peroxiácido produz um epóxido diferente daquele obtido pela

reação com o Br2 aquoso seguido de tratamento com uma base. Proponha as estruturas dos dois epóxidos e explique o resultado.

Problemas adicionais 18.23 Desenhe as estruturas correspondentes aos seguintes nomes IUPAC: (a) Éter etílico e 1-etilpropílico

(b) Éter di(p-clorofenílico)

(d) Ciclopentiloxicicloexano

(e) 4-Alil-2-metoxifenol (eugenol; do óleo de cravo) 18.24 Escreva os nomes IUPAC para as seguintes estruturas: (a)

(b)

OCH3

(d) 5 4

(g)

(e)

CH3

CH3 CH3CH

(f)

O NO2

(h)

CH3 CH3 CH3CH2CHCHCHSCHCH3 CH3

CH3

OCH3 CH3CCH3 OCH3

(i)

SCH3 SCH3

640 Química Orgânica 18.25 Preveja os produtos obtidos das seguintes reações de quebra de éter: (a)

CH2CH3

(b)

H2O

(c)

H2C

CH2CH3

O H3C

(d)

H2O

CH3 CF3CO2H

CH3 CH3CCH2

CH3

CH2CH3

H2O

CH3

18.26 Como você prepararia os seguintes éteres? (a)

(b)

CH2CH3

(c)

CHCH3 CH3

(d)

(e)

CH3

H3C

O C

(f)

CH3 H OCH3

OCH3

CH3 CH3

H OCH3

18.27 Como você prepararia os seguintes compostos a partir do 1-feniletanol? (a) Éter metílico e 1-feniletílico (b) Fenilepoxietano (c) Éter tert-butílico e 1-feniletílico (d) 1-Feniletanotiol 18.28 Preveja os produtos das seguintes reações: (a)

(b)

CH3 OCH2CHCH3 HBr

(c)

Br2

CH3 CH3CHCH2CH2CH2Br

(d)

SCH2CH3

1. (NH2)2C

2. NaOH, H2O

H2O2, H2O

18.29 Como você realizaria as seguintes transformações? Pode ser necessária mais de uma etapa. (a)

(b)

OCH2CH3

Br OCH3

H3C

H3C H

(c)

H3C H3C

CH3

H3C

C H3C H

CH3

(d) CH3CH2CH2CH2C

H OH H

(e) CH3CH2CH2CH2C

OCH3 CH3CH2CH2CH2CHCH3

? H

CH3CH2CH2CH2CH2CH2OCH3

Cap. 18 Éteres e Epóxidos; Tióis e Sulfetos 641 18.30 Qual produto você esperaria da quebra do tetraidrofurano com o HI? 18.31 Como você prepararia o éter benzílico e fenílico a partir do benzeno e do fenol? Pode ser necessária mais

de uma etapa.

18.32 Quando o 2-metilpentano-2,5-diol é tratado com o ácido sulfúrico, ocorre a desidratação e o 2,2-dimetil-

tetraidrofurano é formado. Sugira um mecanismo para essa reação. Quais dos dois átomos de oxigênio é o mais provável de ser eliminado e por quê? O

CH3

2,2-Dimetiltetraidrofurano

CH3

18.33 Escreva o mecanismo da hidrólise do cis-5,6-epoxidecano pela reação com ácido aquoso. Qual é a este-

reoquímica do produto, supondo que ocorra um ataque normal SN2 pela parte de trás?

18.34 Qual é a estereoquímica do produto formado da hidrólise catalisada por ácido do trans-5,6-epoxidecano?

Como o produto difere daquele formado no Problema 18.33?

18.35 Os éteres arílicos e metílicos, como o anisol, são quebrados em iodometano e íon fenóxido pelo tratamen-

to com o LiI em DMF a quente. Proponha um mecanismo para a reação.

18.36 Os éteres tert-butílicos podem ser preparados pela reação de um álcool com o 2-metilpropeno na presen-

ça de um catalisador ácido. Proponha um mecanismo para essa reação.

18.37 O reagente de Meerwein, tetrafluoroborato de trietiloxônio, é um poderoso agente etilante que converte álcoois

em éteres etílicos em pH neutro. Mostre a reação do reagente de Meerwein com o cicloexanol, e explique por que os sais de trialquiloxônio são reagentes alquilantes muito mais reativos que os iodetos de alquila. Reagente de Meerwein

(CH3CH2)3O BF4

18.38 O safrol, uma substância isolada do óleo do sassafrás, é usado como uma agente de perfumaria. Propo-

nha a síntese do sofrol a partir do catecol (1,2-benzenodiol). CH2CH

CH2 Safrol

18.39 Os epóxidos são reduzidos pelo tratamento com o hidreto de alumínio e o lítio para formar os álcoois.

Proponha um mecanismo para essa reação. H O

OH 1. LiAlH4, éter 2. H O+ 3

18.40 Mostre a estrutura e a estereoquímica do álcool que seria formado se o 1,2-epoxicicloexano (Problema

18.39) for reduzido com o hidreto de alumínio e lítio deuterado, LiAlD4.

18.41 A hidrólise catalisada por ácido do 1,2-epoxicicloexano produz um trans-diaxial 1,2-diol. Qual produto

você esperaria obter a partir da hidrólise ácida do cis-3-tert-butil-1,2-epoxicicloexano? (Lembre-se de que o grupo volumoso tertbutila trava o anel de cicloexano em uma conformação específica.)

18.42 Os reagentes de Grignard reagem com o oxetano, um éter cíclico de quatro membros, para formar álcoois

primários. Porém, essa reação é muito mais lenta que a reação correspondente com o óxido de etileno. Sugira uma razão para a diferença na reatividade entre o oxetano e o óxido de etileno.

Tradução da 7ª edição norte-americana

John McMurry

• Reação de abertura: adição de HBr aos alcenos, por considerar que os alunos dão grande importância à primeira reação que veem e a discutem de modo mais detalhado.

Química Orgânica

Química Orgânica – Vol. 2

• Resumo, palavras-chave e um pequeno glossário fecham a parte teórica de cada capítulo, oferecendo rápida revisão do conteúdo estudado.

Vol. 2

Indicado a disciplinas na área de química orgânica dos cursos de Química, Farmácia e Engenharia Química.

Tradução da 7ª edição norte-americana

Aplicações

Outras obras Fundamentos da Química Analítica – tradução da 8ª edição norte-americana Skoog, West, Holler, Crouch

Bioquímica – Combo

Mary K. Campbell e Shawn O. Farrell

Química Geral Aplicada à Engenharia Lawrence S. Brown e Thomas A. Holme

Química Tecnológica

Química Orgânica John McMurry

Jorge Wilson Hilsdorf, Newton Deleo de Barros, Celso Aurélio Tassinari e Isolda Costa

Energia e Meio Ambiente –

tradução da 4ª edição norte-americana Roger A. Hinrichs, Merlin Kleinbach e Lineu Belico dos Reis

Vol. 2 Tradução da 7ª edição norte-americana

Dinâmica

Arthur P. Boresi e Richard J. Schmidt

Mecânica dos Materiais –

tradução da 7ª edição norte-americana James M. Gere e Barry J. Goodno