5.7 Nucleófilos de C

 

Neste capítulo, vimos muitos tipos diferentes de nucleófilos que podem atacar cetonas e aldeídos. Começamos com os nucleófilos de hidrogênio. Em seguida, passamos para os nucleófilos de oxigênio e nucleófilos de enxofre. Na seção anterior, tratamos dos nucleófilos de nitrogênio. Aqui, discutiremos os nucleófilos de carbono. Veremos três tipos de nucleófilos de carbono.

Nosso primeiro nucleófilo de carbono é o reagente de Grignard. Você já

pode ter sido exposto a este reagente no volume 1 deste livro. Se não o foi, vamos fazer uma revisão rápida:

Os haletos de alquila reagem com o magnésio da maneira vista a seguir:

 

Essencialmente, um átomo de magnésio insere-se entre a ligação C—Cl (esta reação funciona com outros haletos também, como o Br ou o I). Este átomo de magnésio tem um efeito eletrônico significativo no átomo de carbono ao qual está ligado. Para entender esse efeito, considere o haleto de alquila (antes de o Mg entrar em ação):

 

O átomo de carbono (ligado ao halogênio) é deficiente em densidade eletrônica, ou d+, devido aos efeitos indutivos do halogênio. Porém, depois que o magnésio é inserido entre C e Cl, a história muda drasticamente:

 

O carbono é muito mais eletronegativo do que o magnésio. Portanto, o efeito indutivo é agora invertido, colocando muita densidade eletrônica no átomo de carbono, tornando-o muito d–. A ligação C—Mg tem caráter iônico significativo, assim, para simplificar, vamos tratá-la apenas como uma ligação iônica:

O carbono não é muito bom para estabilizar uma carga negativa, então, este reagente (chamado de reagente de Grignard) é altamente reativo. Trata-se de um nucleófilo muito forte e uma base muito forte. Agora, vejamos o que acontece quando um reagente de Grignard ataca uma cetona ou um aldeído.

Na seção anterior, sempre começamos cada mecanismo pela protonação da

cetona (tornando-a um nucleófilo melhor). Aqui não é necessário, porque o reagente de Grignard é um nucleófilo tão forte que ele não tem nenhum problema em atacar um grupo carbonila diretamente. De fato, não poderíamos usar a catálise com ácido aqui (mesmo que quiséssemos), porque os prótons destroem os reagentes de Grignard. Por exemplo, considere o que acontece quando um reagente de Grignard é exposto a um ácido, mesmo que seja muito brando como a água:

 

O reagente de Grignard age como base e remove um próton da água formando um íon hidróxido mais estável. A carga negativa é MUITO mais estável em um átomo eletronegativo (oxigênio) e, como resultado, a reação essencialmente chega à conclusão. Isto quer dizer que você nunca pode utilizar um reagente de Grignard para atacar um composto que tenha prótons ácidos. Por exemplo, a reação a seguir não funciona:

 

porque ocorre o que é visto a seguir:

 

Em geral, as transferências de próton são mais rápidas do que o ataque nucleofílico. E, quando o reagente de Grignard remove um próton, ele destrói irreversivelmente o reagente de Grignard. De modo semelhante, você nunca poderia preparar os tipos de reagentes de Grignard vistos a seguir:

 

Estes reagentes não podem ser formados, pois cada um deles pode reagir consigo mesmo removendo a carga negativa no átomo de carbono, por exemplo:

 

Tudo isto foi uma rápida revisão dos reagentes de Grignard. Agora vejamos como os reagentes de Grignard podem atacar uma cetona ou um aldeído. Na primeira etapa, o reagente de Grignard ataca o átomo de carbono do grupo carbonila:

 

Este intermediário, então, tentará, se puder, formar novamente o grupo carbonila. Porém, vejamos se ele pode. Lembre-se de nossas regras do início deste capítulo: forme novamente a carbonila, se puder, mas nunca expulse H– ou C–. Este intermediário NÃO pode formar novamente o grupo carbonila, porque não há grupos de saída para expulsar. Isto é verdade se o reagente ataca uma cetona ou um aldeído:

Assim, em qualquer dos casos, a reação é completa, e devemos agora dar ao intermediário um próton para obtermos o produto final, que é um álcool:

 

Esta reação não é tão diferente das reações que vimos anteriormente neste capítulo, quando exploramos os nucleófilos de hidrogênio (NaBH4 e HAL). Vimos lá um cenário semelhante: o nucleófilo atacou e, então, o grupo carbonila NÃO pôde se formar novamente porque não havia nenhum grupo de saída. Compare uma daquelas reações com a que é vista a seguir:

 

Observe que os mecanismos são idênticos. E vale a pena um minuto para pensar por que estas reações são tão semelhantes (enquanto as outras reações neste capítulo eram diferentes destas duas reações). O que há de especial com estas duas reações que as tornam tão semelhantes? Lembre-se da nossa regra de ouro: nunca expulse H– ou C–. Dessa forma, se nós atacarmos uma cetona (ou um aldeído) com H– ou C–, então, o grupo carbonila será incapaz de se formar novamente. E isto é o que estas duas reações têm em comum.

Quando você escreve os reagentes de uma reação de Grignard (em um

problema de síntese), tenha certeza de mostrar a fonte de prótons como uma etapa separada:

 

Vimos esta importante sutileza quando aprendemos sobre o HAL, em que também tínhamos que mostrar a fonte de prótons em uma etapa separada. A mesma sutileza existe aqui porque (conforme vimos muito recentemente) um reagente de Grignard não sobrevive na presença de uma fonte de prótons. A fonte de prótons tem que vir APÓS a reação se completar (depois que o reagente de Grignard tiver sido consumido pela reação).

Para adicionar esta reação à sua caixa de ferramentas de transformações

sintéticas, vamos compará-la mais uma vez à reação com o HAL. Porém, desta vez, vamos nos concentrar na comparação dos produtos, em vez da comparação dos mecanismos:

 

Observe que, em ambas as reações, estamos reduzindo a cetona a um álcool. Porém, no caso de uma reação de Grignard, a redução é acompanhada da inserção de um grupo alquila:

Isto será útil quando explorarmos problemas de síntese ao final deste capítulo.

 

EXERCÍCIO 5.61 Preveja o produto principal da reação vista a seguir:

 

Resposta O material de partida é um aldeído e ele vai reagir com um

reagente de Grignard. Primeiramente, o Grignard ataca:

 

Não podemos formar novamente o grupo carbonila porque não podemos

expulsar H– ou C–, e não há nada mais para expulsar neste caso. Nosso

produto (um álcool) é obtido quando é introduzida uma fonte de prótons,

como H2O:

 

Lembre-se de que as representações de estruturas em bastão não têm que

mostrar os átomos de hidrogênio, então, podemos redesenhar o produto:

 

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

Há mais dois nucleófilos de carbono que temos que explorar. Ambos são

 

diferentes do reagente de Grignard. E certamente vamos ter que adicionar estas duas novas reações à sua caixa de ferramentas. Ambas as reações envolvem “ilídios”. Examinemos atentamente o primeiro ilídio, explorando como ele é preparado.

Começamos com um composto chamado trifenilfosfina:

 

e o tratamos com um haleto de alquila (resultando em uma reação SN2):

Em seguida, empregamos uma base muito forte, como o butil lítio (BuLi) para remover um próton e formar o ilídio:

 

Um ilídio é um composto com dois átomos adjacentes de carga oposta (neste caso, P+ e C–). Observe que este ilídio tem uma região de alta densidade eletrônica em um átomo de carbono. Como resultado, este ilídio pode se comportar como um nucleófilo de carbono. Brevemente, veremos outro tipo de ilídio (que utiliza enxofre em lugar do fósforo). O ilídio anterior (baseado no fósforo) tem um nome especial. Ele é chamado de reagente de Wittig. E quando uma cetona ou um aldeído é tratado com um reagente de Wittig, a reação observada é chamada de reação de Wittig. Assim, observemos atentamente o mecanismo da reação de Wittig.

O reagente de Wittig ataca o grupo carbonila de maneira muito semelhante à

que qualquer nucleófilo atacaria um grupo carbonila:

 

Já discutimos sobre como as ligações C═O são termodinamicamente muito estáveis e, portanto, a formação de um grupo carbonila é uma força motriz. Bem, nesta reação, o grupo carbonila não pode ser formado novamente, pois H– ou C– não pode ser expulso. Porém, algo pode acontecer.

Existe outro tipo de ligação que também é muito estável e sua formação

também pode servir de força motriz. Especificamente, as ligações P—O e P ═O são muito fortes. Os químicos normalmente dizem que “o fósforo é oxofílico”, querendo dizer que o fósforo demonstra tendência a formar ligações com o oxigênio, se puder. E nosso intermediário agora está perfeitamente ajustado para isso ocorrer:

 

De fato, uma ligação P═O agora pode se formar, como é visto a seguir:

 

E o produto obtido é um alqueno.

Esta reação é incrivelmente útil em sínteses. Já vimos como converter um

alqueno em uma cetona, usando uma reação de ozonólise. Agora, com uma reação de Wittig, podemos ir por outro caminho:

 

Você deve ter atenção especial sempre que aprender como interconverter dois grupos funcionais (indo em qualquer direção), como anteriormente. Até este momento vimos diversos casos semelhantes a este.

 

EXERCÍCIO 5.66 Preveja o produto da reação vista a seguir:

Resposta Reconhecemos que o reagente é um reagente de Wittig. Mas este

reagente é ligeiramente diferente daquele que vimos antes. Compare este

reagente com aquele que vimos. Este reagente tem um grupo metila extra:

 

A maneira de formar um reagente semelhante a este é utilizar o Et-I em vez do

Me-I quando você estiver preparando o reagente de Wittig, como se segue.

 

O grupo metila extra (em destaque na figura anterior) junta-se ao processo

e o produto final é semelhante ao que é visto a seguir:

 

Você deve tentar representar um mecanismo para esta reação para se certificar

de que pode “ver” o átomo de carbono extra ser incluído no processo.

 

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

Agora exploraremos outro tipo de ilídio. Desta vez é um ilídio de enxofre, em lugar de um ilídio de fósforo. Muitos professores (e livros-texto) não abordam ilídios de enxofre, assim, você pode desejar rever suas anotações de aula e livro-texto para descobrir se você precisa saber a reação vista a seguir.

 

O mecanismo da formação de um ilídio de enxofre é muito semelhante ao

mecanismo da formação de um ilídio de fósforo. Vamos compará-los:

 

Para formar um ilídio de fósforo, começamos com o dimetil sulfeto (DMS). Deste ponto em diante, tudo é igual: atacamos um haleto de alquila e, em seguida, desprotonamos com uma base muito forte formando o ilídio.

Porém, quando um ilídio de enxofre ataca uma cetona (ou um aldeído),

observamos um produto muito diferente. Não obtemos um alqueno como produto (conforme obtivemos na reação de Wittig). Em vez disso, obtemos um epóxido:

 

Vejamos como este produto é formado. O ilídio de enxofre ataca o grupo carbonila, exatamente como qualquer outro nucleófilo ataca um grupo carbonila:

 

Porém, é neste ponto que a reação é diferente de uma reação de Wittig, porque o enxofre e o oxigênio não formam uma ligação da maneira que o fósforo e o oxigênio formaram. Em vez disso, o átomo de oxigênio ataca em uma reação intramolecular SN2, expulsando o DMS como grupo de saída:

 

Esta reação é muito útil, porque oferece um método para produzir epóxidos a partir de cetonas. Você deve lembrar-se do volume 1 deste livro no qual aprendeu como converter um alqueno em um epóxido. Porém, agora, vemos que também podemos produzir um epóxido a partir de uma cetona:

Em resumo, exploramos três nucleófilos de carbono nesta seção.

 

Começamos com reagentes de Grignard e, em seguida, passamos para os ilídios (ilídios de fósforo e ilídios de enxofre). Vimos que os ilídios de fósforo e os ilídios de enxofre formam produtos muito diferentes:

 

Os produtos são muito diferentes um do outro. Porém, os mecanismos são realmente idênticos até a última etapa. Se você não vir isto, então, volte aos mecanismos de cada uma destas reações e compare-as. Somente a última etapa é diferente.

Observamos então a mesma ideia comum diversas vezes neste capítulo.

Vimos que você frequentemente pode ter duas reações que geram produtos muito diferentes, mas, quando examina cuidadosamente os mecanismos, percebe que, na verdade, eles são muito semelhantes.

 

EXERCÍCIO 5.70 Preveja o produto principal da reação vista a seguir: