5.3 Nucleófilos de H

Depois que um grupo carbonila for atacado, ele tentará se reformar, caso

• possível.

 

5.3 NUCLEÓFILOS DE H

 

Vamos agora explorar os vários nucleófilos que podem atacar cetonas e aldeídos. Nesta seção, vamos dividir todos os nucleófilos em categorias e, então, nos concentrar nos nucleófilos de hidrogênio. Eu os chamo de nucleófilos “de hidrogênio” porque são fontes de um átomo de hidrogênio negativamente carregado (que chamaremos de íon “hidreto”) que pode atacar uma cetona ou um aldeído. A maneira mais simples de obter um íon hidreto é a partir do hidreto de sódio (NaH). Este composto é iônico e, portanto, constituído de íons Na+ e H– (da mesma forma que o NaCl é constituído de íons Na+ e Cl–). Assim, o NaH certamente é uma boa fonte de íons hidreto.

No entanto, você não verá nenhuma reação em que utilizamos o NaH como

fonte de nucleófilos de hidreto. Como se sabe, o NaH é uma base muito forte, mas não é um nucleófilo forte. Trata-se de um excelente exemplo de como basicidade e nucleofilicidade NÃO são paralelas uma à outra. A razão disto nos remete ao volume 1 deste livro. Tente lembrar-se da diferença entre basicidade e nucleofilicidade. Vamos rever este ponto bem rapidamente.

A força de uma base é determinada pela estabilidade da carga negativa. Uma

carga negativa instável corresponde a uma base forte, enquanto uma carga negativa estabilizada corresponde a uma base fraca. Contudo, a nucleofilicidade NÃO é baseada na estabilidade. A nucleofilicidade é baseada na polarizabilidade. A polarizabilidade descreve a capacidade de um átomo ou uma molécula distribuir sua densidade eletrônica desigualmente em resposta a influências externas. Átomos maiores são mais polarizáveis e, dessa maneira, são nucleófilos fortes, enquanto átomos menores são menos polarizáveis e, assim, são nucleófilos fracos.

Com isto em mente, podemos entender por que o H– é uma base forte, mas

não um nucleófilo forte. Ele é uma base forte, porque o hidrogênio não estabiliza bem a carga. Mas, quando consideramos a nucleofilicidade do H–, temos que observar a polarizabilidade do átomo de hidrogênio. O hidrogênio é o menor dos átomos e, portanto, o menos polarizável. Assim, não se observa geralmente o H– se comportando como nucleófilo.

Agora podemos entender por que não utilizamos o NaH como uma fonte de

um nucleófilo de hidrogênio. É verdade que ele é uma base excelente, e você verá o NaH ser utilizado diversas vezes neste livro. Mas ele sempre será usado como uma base forte; nunca como um nucleófilo. Assim, como formamos um nucleófilo de hidrogênio?

Embora o H– em si não possa ser utilizado como nucleófilo, há muitos

reagentes que podem servir de “agente de liberação” de H–. Por exemplo, considere a estrutura do boroidreto de sódio (NaBH ): 4

 

Se observarmos a tabela periódica, veremos que o boro está na Coluna 3A e, portanto, tem três elétrons de valência. Dessa maneira, ele pode formar três ligações. Mas no boroidreto de sódio (visto na figura anterior), o átomo de boro central tem quatro ligações. Então, ele tem que estar usando um elétron extra e, dessa forma, tem uma carga negativa formal (você pode ignorar o íon sódio, Na+, porque ele é apenas o contraíon). Este reagente pode servir de agente de liberação de H–, conforme pode ser visto no exemplo a seguir:

 

Observe que, na realidade, o H– nunca existe por si só nesta reação. Ao contrário, o H– é “liberado” de um lugar para outro. Trata-se de uma boa coisa, pois o H– por si só não serviria de nucleófilo (conforme vimos anteriormente). Porém, o boroidreto de sódio pode servir como fonte de um nucleófilo de hidrogênio, porque o átomo de boro central é algo polarizável. A polarizabilidade do átomo de boro permite que todo o composto sirva como um nucleófilo e libere um íon hidreto para atacar a cetona. Agora, é verdade que o boro não é tão grande e, portanto, não é muito polarizável. Como resultado, o NaBH4 é um nucleófilo um tanto fraco. De fato, logo veremos que o NaBH4 é seletivo com quem ele vai reagir. Ele não reage com todos os grupos carbonila (por exemplo, ele não reage com um éster). Mas ele reage com cetonas e com aldeídos (e eis o nosso foco neste capítulo).

Há outro reagente comum muito semelhante ao boroidreto de sódio, mas

muito mais reativo. Este reagente é chamado de hidreto de alumínio e lítio (LiAlH ou simplesmente HAL): 4

 

Este reagente é muito semelhante ao NaBH4, porque o alumínio também está na Coluna 3A da tabela periódica (diretamente abaixo do boro). Então, ele também tem três elétrons de valência. Na estrutura vista na figura anterior, o átomo de alumínio tem quatro ligações, razão pela qual ele tem uma carga negativa. Exatamente como vimos com o NaBH , o HAL também é uma fonte de 4 nucleófilo de H–. Mas compare estes dois reagentes — o alumínio é maior que o boro. Isto significa que ele é mais polarizável e, dessa forma, o HAL é um nucleófilo muito melhor que o NaBH4. O HAL reagirá com quase todo grupo carbonila (não apenas com cetonas e aldeídos).

Mais adiante será muito importante que o HAL seja mais reativo que o

NaBH . Mas, por ora, estamos falando sobre o ataque nucleofílico a cetonas e 4

aldeídos; e tanto o NaBH4 quanto o HAL reagem com cetonas e aldeídos.

Além do NaBH e do HAL, existem outras fontes de nucleófilos de 4

hidrogênio, mas estes dois são os reagentes mais comuns. Você deverá procurar em seu livro-texto e anotações de aula para ver se tem que se familiarizar com quaisquer outros nucleófilos de hidrogênio.

Agora vamos examinar mais atentamente o que pode acontecer depois que

um nucleófilo de hidrogênio atacar um grupo carbonila. Conforme vimos, o reagente (NaBH4 ou HAL) pode liberar um íon hidreto para o grupo carbonila da seguinte maneira:

 

No início deste capítulo, consideramos duas regras importantes que regem o comportamento de um grupo carbonila:

 

• ele é facilmente atacado por nucleófilos (conforme vimos na etapa

anterior) e

• depois de um grupo carbonila ser atacado, ele tentará se reformar, se

possível. Agora, precisamos entender o que significa quando dizemos “se possível”.

 

Na tentativa de reformar o grupo carbonila, entendemos que o átomo de carbono central não pode formar uma quinta ligação:

 

Isto seria impossível, porque o carbono só tem quatro orbitais para usar. Desse modo, para o grupo carbonila se reformar, tem que ser expulso de um grupo de saída, como é visto a seguir:

 

Assim, apenas precisamos saber que grupos podem se comportar como grupos de saída. Felizmente, há uma regra simples que pode guiar você: NUNCA expulse o H– ou o C– (há algumas exceções a esta regra, que veremos mais tarde, mas, a menos que você reconheça que está lidando com uma das raras exceções, NÃO expulse o H– ou o C–). Por exemplo, nunca faça o que é visto a seguir:

 

E nunca faça isto:

 

Acabamos de aprender uma regra geral simples. Agora tentemos aplicar esta regra para determinar o resultado que se espera quando uma cetona ou um aldeído é tratado com um nucleófilo de hidrogênio. Uma vez mais, a primeira etapa foi para o nucleófilo de hidrogênio atacar o grupo carbonila:

 

Agora consideremos o que possivelmente pode acontecer em seguida. Para o grupo carbonila ser refeito, tem que ser expulso um grupo de saída. Mas não há grupos de saída neste caso. A carbonila não pode ser refeita expulsando o C–:

 

E ela não pode ser refeita expulsando o H–:

 

E ela não pode ser refeita expulsando o C–:

Assim, ficamos presos. Uma vez que o nucleófilo de hidrogênio libera o H– para o grupo carbonila, então, não será possível o grupo carbonila ser refeito. Logo, a reação está completa, e ela apenas aguarda que introduzamos uma fonte de prótons para extinguir a reação (para protonar o íon alcóxido). Para realizar essa protonação, podemos introduzir água ou H3O+ como fonte de prótons:

 

 

Independentemente da natureza da fonte de prótons que adicionarmos ao balão de reação depois de a reação ser concluída, o produto desta reação será um álcool.

Sempre que você estiver utilizando esta transformação em uma síntese, tem

que mostrar claramente que a fonte de prótons é adicionada DEPOIS de a reação ter ocorrido:

 

Em outras palavras, é importante mostrar que o HAL e a água são duas etapas separadas. Não mostre da maneira vista a seguir:

 

Isto significaria que o HAL e a H O estão presentes ao mesmo tempo, e isto não 2

é possível. O HAL reagiria violentamente com a água formando H gasoso 2 (porque o H+ e o H– reagiriam entre si).

Como se sabe, o NaBH4 é uma fonte mais suave de hidreto e, portanto, o

NaBH pode estar presente ao mesmo tempo que a fonte de prótons: 4

Fontes comuns de prótons incluem o MeOH e a água (às vezes, você pode ver o EtOH). Observe que não mostramos o processo como duas etapas separadas. Quando você está lidando com o HAL, tem que mostrar duas etapas (uma etapa para o HAL e outra etapa para a fonte de prótons), mas, quando você está lidando com o NaBH4, deverá mostrar a fonte de prótons na mesma etapa do NaBH4.

HAL e NaBH são reagentes muito úteis. Eles permitem que reduzamos uma 4

cetona ou um aldeído, o que é importante quando você entende que já aprendemos o processo inverso:

 

Estas duas transformações serão tremendamente úteis quando você estiver tentando resolver problemas de síntese posteriormente. Você ficaria surpreso com o número de problemas de síntese que envolvem a conversão entre álcoois e cetonas. Você precisa ter estas duas transformações na palma da mão.

 

EXERCÍCIO 5.13 Preveja o produto principal da reação vista a seguir:

 

Resposta O composto de partida é um aldeído e está sendo tratado com

boroidreto de sódio. Este nucleófilo de hidrogênio libera H– para o aldeído, e

o grupo carbonila não pode ser refeito, porque não existe um grupo de saída.

Neste caso, o metanol serve de fonte de prótons, e será obtido um álcool:

 

PROBLEMAS Preveja o produto principal de cada uma das reações vistas a seguir:

 

EXERCÍCIO 5.19 Represente o mecanismo da transformação vista a seguir: