5.6 Nucleófilos de N

 

Quando aprendemos pela primeira vez a formação de acetal, dissemos que o mecanismo serviria de base para outras reações neste capítulo. Agora, veremos o poder dos mecanismos para nos ajudar a entender as semelhanças entre reações.

Compare os produtos das três reações vistas a seguir:

 

Nucleófilo Reação

Os produtos não são semelhantes. Quando se utiliza o ROH como nucleófilo, obtém-se um acetal. Quando se utiliza uma amina primária como nucleófilo, obtém-se uma imina. Quando se usa uma amina secundária como nucleófilo, obtém-se uma enamina. Os produtos destas reações parecem muito diferentes, mas, quando analisarmos os mecanismos, veremos que elas todas são muito semelhantes até o final do mecanismo. É a última etapa de cada mecanismo que os torna diferentes uns dos outros. Examinemos mais atentamente. Vamos começar com as aminas primárias.

Quando uma cetona é tratada com uma amina em condições catalisadas por

ácido, o mecanismo começa exatamente como o mecanismo da formação do acetal. Apresentamos a seguir um mecanismo incompleto (apenas os primeiros dois terços do mecanismo) mostrando o que acontece quando o ROH ataca uma cetona. E diretamente abaixo dele, você verá um mecanismo incompleto de RNH2 atacando uma cetona. Compare ambos os mecanismos etapa por etapa:

No primeiro processo do mecanismo, a natureza do HA+ (a fonte de prótons)

é mais provável que seja um álcool protonado, que recebeu seu próton do catalisador ácido. De maneira semelhante, no segundo processo, a natureza do HA+ é mais provável que seja uma amina protonada (chamada de íon amônio), que recebeu seu próton do catalisador ácido. Além desta pequena diferença (e da diferença descrita na observação abaixo do segundo processo), ambos os mecanismos são os mesmos. Ambos envolvem uma transferência de próton e um ataque nucleofílico, seguidos de mais etapas de transferência de próton e, então, de perda de água. Porém, as conclusões destes mecanismos afastam-se verdadeiramente uma da outra. Tentemos entender por quê.

No primeiro mecanismo (formação de acetal), outra molécula de ROH ataca,

porque não há nenhuma outra maneira de remover a carga positiva:

 

Porém, na reação com uma amina primária, a carga positiva é facilmente removida. Não é necessário o ataque por outra molécula de amina, porque a carga pode ser removida com uma etapa de transferência de próton:

 

E este é o nosso produto. Chama-se imina, porque possui uma ligação C═N. Assim, o mecanismo desta reação é quase idêntico ao mecanismo da formação do acetal, exceto pelo final. E a diferença ao final faz sentido quando você realmente pensa sobre ela.

Ao realizar esta reação, precisamos apenas ter atenção especial quanto a se a

cetona de partida é simétrica ou não:

Se a cetona de partida é assimética, então, deveremos esperar duas iminas diastereoméricas:

 

Até este ponto, vimos o que acontece quando uma amina primária ataca uma

cetona. Agora, vejamos o que acontece quando uma cetona é tratada com uma amina secundária em condições catalisadas por ácido. Vamos comparar este tratamento com os mecanismos que vimos até aqui:

Nenhum destes mecanismos é completo. Em todos os três faltam as etapas finais. Porém, compare as etapas apresentadas anteriormente. Observe que, outra vez, estes mecanismos são idênticos até o final de cada mecanismo. E é justamente ao final onde vemos diferenças nos produtos finais. No primeiro mecanismo (o ROH como nucleófilo), vimos que outra molécula de ROH ataca. No segundo mecanismo, vimos que a desprotonação levou à formação de uma imina. Porém, na terceira reação, não podemos apenas perder um próton da maneira que fizemos no mecanismo de formação da imina. Então, poderíamos ficar tentados a repetir o que fizemos no primeiro mecanismo (formação de acetal). Poderíamos ficar tentados a dizer que outra molécula de amina deveria atacar. Mas, em vez disso, algo acontece:

 

Outra molécula da amina secundária funciona como uma base, e não como um nucleófilo, de modo que, de fato, é removido um próton. Isto dá um produto chamado de enamina (“en” porque existe uma ligação dupla, e “amina” porque há um grupo NH2).

Uma vez mais, precisamos ter cuidado para verificar se a cetona é

assimétrica. Se ela for, então, serão duas as maneiras de formar a ligação dupla na última etapa do mecanismo. Isto dará dois produtos enamina diferentes. A seguir vem um exemplo:

 

Em uma situação como esta (em que começamos com uma cetona assimétrica), o produto principal geralmente será a enamina com a ligação dupla menos substituída.

Até este momento vimos duas novas reações (com aminas primárias e com

aminas secundárias), e vimos as semelhanças nos mecanismos. Agora, vamos voltar à primeira reação (a reação entre uma cetona e uma amina primária):

 

Normalmente, pensamos em R (no RNH2) como um grupo alquila (é o que R geralmente significa). Mas podemos também pensar em R como algo diferente de um grupo alquila. Por exemplo, digamos que definimos R como OH. Em outras palavras, estamos iniciando com a amina vista a seguir:

 

Este composto é chamado de hidroxilamina, e o produto que ele forma (quando reage com uma cetona) não causa nenhuma surpresa:

 

É a mesma reação como se fosse uma amina primária reagindo com a cetona. Porém, em lugar de obtermos uma imina, obtemos algo que chamamos de oxima. Lembre-se de sempre verificar se a cetona de partida é assimétrica. Se for, deveremos esperar formar duas oximas diastereoméricas:

Quando você encontra este tipo de reação, há várias maneiras de se indicar a presença de hidroxilamina:

 

Todas estas representações são somente formas diferentes de mostrar o mesmo reagente.

Agora que vimos um nucleófilo de N especial (RNH2, em que R é OH),

vamos examinar atentamente mais um nucleófilo de N especial. Vejamos um caso em que R é NH2. Em outras palavras, estamos utilizando o nucleófilo visto a seguir:

 

Este composto é chamado de hidrazina, e o produto que ele forma (quando reage com uma cetona) não causa nenhuma surpresa:

Trata-se da mesma reação como se fosse uma amina primária reagindo com a cetona. Porém, em vez de obtermos uma imina ou uma oxima, obtemos um produto chamado de hidrazona.

 

Tal como com todas as outras reações que vimos nesta seção, precisamos ter atenção especial se a cetona de partida é simétrica. Se a cetona de partida for assimétrica, então, deveremos esperar formar duas hidrazonas diastereoméricas:

 

As hidrazonas são úteis por muitas razões. No passado, os químicos formavam as hdirazonas como uma maneira de identificar as cetonas, mas, hoje em dia, com o advento das técnicas de RMN, ninguém usa as hidrazonas desta maneira. Porém, ainda existe um uso prático na química orgânica dos dias modernos. Uma hidrazona pode ser reduzida a um alcano em condições básicas:

 

O que é visto a seguir é um mecanismo para este processo:

A formação de um carbânion (em destaque da segunda à última etapa) é bastante difícil (em termos de energia), então, poderíamos esperar que se forme muito produto. No entanto, observe que a formação do carbânion é acompanhada de perda de N2 gasoso (também em destaque no mecanismo anterior). Isto explica por que a reação chega ao término. A pequena quantidade de nitrogênio gasoso (produzido pelo equilíbrio) borbulhará para fora da solução e escapará na atmosfera. Isto força o equilíbrio a produzir um pouco mais de nitrogênio gasoso, que, então, também escapa para a atmosfera. E o processo continua até a reação terminar. Essencialmente, um reagente está sendo removido à medida que é formado e isto é o que desloca o equilíbrio por cima da barreira de alta energia criada pela instabilidade do carbânion. Se você pensar nisso, este conceito não é tão diferente das seções anteriores, nas quais removemos água de uma reação à medida que era formada (como maneira de forçar o equilíbrio na direção da formação do acetal).

 

Agora temos um método de duas etapas para reduzir uma cetona a um

alcano:

 

Já vimos outras duas maneiras de fazer este tipo de transformação (a redução de Clemmensen e a dessulfuração com níquel de Raney). Esta é a nossa terceira maneira de reduzir uma cetona a um alcano, e é chamada de redução de Wolff-Kishner.

Nesta seção, vimos somente algumas reações envolvendo nucleófilos de

nitrogênio. Aqui está um pequeno resumo. Primeiro, vimos como uma cetona pode reagir com uma amina primária formando uma imina (e percebemos que o mecanismo era muito similar à formação de acetal, exceto pelo final). Em seguida, vimos como uma cetona pode reagir com uma amina secundária formando uma enamina (uma vez mais, o mecanismo era muito similar até o final). Também vimos dois nucleófilos de N especiais (NH2OH e NH2NH2), ambos dando os produtos que teríamos esperado. A reação com NH NH foi de 2 2 especial interesse, pois ofereceu um novo método de reduzir cetonas a alcanos.

Agora vamos resolver alguns problemas para certificar que você se

familiarizou com os reagentes e os mecanismos das reações que vimos nesta seção. Iniciemos com mecanismos.

 

EXERCÍCIO 5.47 Proponha um mecanismo plausível para a transformação

vista a seguir:

 

Resposta Começamos observando o material de partida. Ele tem dois

grupos funcionais. Este composto é uma amina primária e é uma cetona. Isto

quer dizer que teoricamente ele poderia atacar a si mesmo, em uma reação

intramolecular. Em seguida observamos os reagentes (catalisadores ácidos e

condições de Dean-Stark), e notamos que nos falta um nucleófilo. Isto apoia

ainda mais a ideia de que ocorrerá uma reação intramolecular. O material de

partida pode funcionar como nucleófilo e eletrófilo. Finalmente, observamos o

produto e vemos que se trata de uma imina, que é o tipo de produto que é

obtido na reação entre uma amina primária e uma cetona. Com todas as

informações, concluímos que, de fato, é um processo intramolecular.

O mecanismo terá a mesma ordem de etapas que qualquer outro

mecanismo envolvendo uma amina primária atacando uma cetona

(protonação, ataque, desprotonação, protonação, perda de água e, então,

desprotonação):

 

PROBLEMAS Proponha um mecanismo plausível para cada uma das reações vistas a seguir. Você vai precisar de uma folha de papel separada para registrar sua resposta em cada caso:

Agora, vamos adquirir um pouco de prática em prever produtos.

 

 

EXERCÍCIO 5.54 Preveja os produtos da reação vista a seguir:

 

Resposta O material de partida é uma cetona e o reagente é a

hidroxilamina. Assim, conforme vimos nesta seção, o produto desta reação

deve ser uma oxima. Como a cetona de partida é assimétrica, esperamos duas

oximas diastereoméricas:

 

Vimos diversas reações neste capítulo. Você deve ser capaz de reconhecer os

reagentes para estas reações, de modo a poder prever os produtos. Se você não

conseguiu reconhecer que o reagente em questão é a hidroxilamina, então, não

teria condições de prever os produtos neste caso.

 

PROBLEMAS Preveja os produtos de cada uma das transformações vistas a seguir: