Autor: Gabriel Renato
Compostos carbonílicos são aqueles que contém uma carbonila (-CO), ou seja, que contém um de seus carbonos ligados a um oxigênio por meio de uma ligação dupla. Os principais compostos pertencentes à essa classificação são os aldeídos, as cetonas, os ácidos carboxílicos e seus derivados. As reações de compostos carbonílicos se concentram em 4 tipos: adições nucleofílicas, substituições nucleofílicas, substituição alfa, condensação.
Aldeídos e Cetonas
Aldeídos são compostos com um radical ligado a um hidrogênio e a um grupo carbonila (RCHO). Enquanto as cetonas são um carbono ligado a dois radicais e a um grupo carbonila (R2CO). Dentre suas reações estão: oxidação e adições nucleofílicas como a hidratação, formação de cianoidrina, formação de álcool, reação de Wolff-Kishner, formação de acetais e reação de Wittig.
Oxidação
Aldeídos são oxidados em ácidos carboxílicos, por meio da adição de um oxigênio entre o carbono e o hidrogênio. Os agentes oxidantes mais comuns são KMnO4 e HNO3 a quente, CrO3 em ácido aquoso e Ag2O. Em contrapartida, cetonas não são oxidadas por não possuírem esse hidrogênio em sua estrutura.
O mecanismo consiste na formação de um hidrato a partir do aldeído com adição de água. Ocorre a quebra da ligação dupla com o oxigênio e adição de um Hidrogênio neste e de um grupo hidroxila ao carbono. Então, com o agente oxidante há a quebra de uma ligação OH e CH, restaurando a ligação dupla CO.
Ácidos Carboxílicos
Ácidos carboxílicos pertencem ao grupo funcional carboxila, constituindo-se da união de uma carbonila e uma hidroxila. A remoção da hidroxila gera o chamado grupo acila. Dentre suas reações estão semelhantes aos álcoois e as cetonas, com adições nucleofílicas ao grupo carbonila, discutidas até então neste material. Ademais, podem sofrer reações de desprotonação, redução, substituição alfa e substituição nucleofílica da acila.
Os derivados de ácidos carboxílicos mais comuns estão representados na figura a seguir.
Adição Nucleofílica
A adição nucleofílica ocorre por meio do ataque de um nucleófilo ao carbono eletrofílico da ligação C=O. Esse ataque desloca um para de elétrons da ligação dupla para o oxigênio, formando um ânion alcóxido intermediário em meio a re-hibridização do sp2 para sp3. Posteriormente, a protonação permite a adição de um hidrogênio ao ânion, o que resulta em um álcool. No segundo caso, a hidroxila é liberada junto do hidrogênio do nucleófilo, formando uma ligação dupla entre o carbono e o nucleófilo (C=Nu).
O nucleófilo pode possuir carga negativa ou neutra, nesse caso, possui um hidrogênio que pode ser eliminado. A seguir, serão apresentados os mecanismos de algumas das reações de adição nucleofílica mais comuns.
Hidratação (H2O): a reação entre aldeídos e cetonas forma 1,1-dióis, também chamados como dióis geminais (gem). O equilíbrio frequentemente favorece a estrutura carbonílica, mas em casos como o formaldeído, há uma inversão de concentrações.
Pode ser catalisada por bases ou ácidos. No primeiro caso, a hidroxila (OH–) ataca o carbono, quebrando a ligação dupla da carbonila, que cede o par de elétrons para o oxigênio do grupo funcional. Com a formação de um alcóxido intermediário que atrai um hidrogênio de H2O para o ânion, deslocando o par de elétrons da ligação OH da água para seu oxigênio na formação de uma nova hidroxila. No segundo caso, a carbonila atrai um H+ de H3O+. Há a formação de uma ligação C=OH e de uma molécula de H2O. Esta se liga ao carbono central, quebrando a ligação C=O para deslocamento do par de elétrons para a hidroxila. Por fim, uma nova molécula de água desprotona a molécula, formando um novo H3O+ e uma hidroxila ligada ao carbono. As imagens a seguir ilustram os dois mecanismos.
Formação de Cianoidrina (HCN): cianoidrinas possuem fórmula geral RCH(OH)CN. O mecanismo funciona com o ataque nucleofílico de CN– à carbonila, deslocando o par de elétrons da ligação dupla para o oxigênio, com a formação de um ânion em um intermediário tetraédrico. Posteriormente, ocorre a protonação com HCN, formando uma hidroxila no ânion e regenerando o CN–.
Formação de Álcool (RMgX): a adição de reagentes de grignard (RMgX) gera álcoois. O ácido de Lewis forma complexo com o oxigênio da carbonila. Há então a adição nucleofílica de uma alquila ao carbono, deslocando um par de elétrons da ligação dupla para o carbânion. Forma-se um intermediário tetraédrico que sofre hidrólise com adição de água, liberando o MgX em Mg(OH)X e formando uma hidroxila no local.
Formação de Iminas e Enaminas (aminas): a adição de aminas primárias (RNH2) forma iminas (R2C=NR), enquanto as secundárias (R2NH) forma enaminas (R2N-CR=CR2). Abaixo a estrutura de uma imina e enamina, respectivamente.
O mecanismo para formação da imina se inicia com o ataque da amina ao carbono, deslocando o par de elétrons da ligação dupla para o carbono. Um próton é transferido do grupo amina para o carbânion. Há mais uma protonação por meio do catalisador ácido. O par de elétrons não ligantes do nitrogênio formam uma ligação dupla com o carbono, que elimina a água da molécula. Por fim, o hidrogênio da amina se desprende, regenerando o hidrônio e transferindo os pares de elétrons para o nitrogênio.
Para a enamina, a amina se liga ao carbono da carbonila, enquanto seu hidrogênio desloca a ligação dupla do oxigênio. Há uma nova protonação pelo meio ácido, gerando uma ligação dupla C=N e eliminando a água. Esta desloca um hidrogênio, regenerando o hidrônio, e deslocando um par de elétrons para formação de C=C, enquanto que o C=N se desfaz devolvendo o par de elétrons ao nitrogênio. Os mecanismos das duas reações estão nas imagens da sequência, respectivamente.
Reação de Wolff-Kishner (hidrazina): produção de alcano por meio de variante da formação de imina, onde se adiciona hidrazina (H2NNH2) em presença de KOH. O mecanismo se inicia com a remoção do oxigênio, formando água com dois hidrogênios da hidrazina, que se liga ao carbono em ligação C=N. O meio básico remove um hidrogênio da hidrazina, formando água e deslocando os elétrons para o nitrogênio. Este cede para a formação de uma ligação N=N, enquanto o par da ligação C=N se desloca para o carbono, que, posteriormente, usa estes para se ligar com um hidrogênio da água, regenerando a hidroxila. Esta desloca o hidrogênio do NH, formando uma ligação tripla entre os nitrogênios. A ligação CN se desloca para o carbono, liberando N2. Por fim, a água cede um hidrogênio para se ligar ao par de elétrons não ligantes do carbono, e a hidroxila é regenerada.
Formação de acetais (álcoois): a adição de álcoois na presença de meio ácido gera acetais ou cetais, de fórmula R2C(OR’)2. O mecanismo se inicia com a protonação do oxigênio da carbonila. O ataque nucleofílico do álcool ao carbono desloca o par de elétrons da ligação C=O para o oxigênio. Uma molécula de água desprotona o álcool, deslocando o par de elétrons para o oxigênio. Este par forma uma ligação dupla C=O instável, responsável por eliminar a água da molécula. Um segundo álcool é então adicionado, deslocando o par de elétrons da ligação dupla para o carbânion. Um próton é perdido deste, regenerando o hidrônio.
Reação de Wittig (iletos de fósforo): produção de alcenos pela adição de um ileto de fósforo ou fosforano.
O mecanismo se inicia com a ligação do carbono nucleofílico do ileto à carbonila. Nesse processo o par de elétrons da ligação C=O se desloca para o oxigênio e um íon alcóxido intermediário é formado. A ligação OP é formada gerando um anel intermediário. Este se decompõe em um alceno e um óxido de trifenilfosfina.
Substituição Nucleofílica da Acila
A adição de um nucleófilo a derivados de ácidos carboxílicos vai eliminar um dos dois ligantes originais, constituindo deste modo uma substituição nucleofílica. O mecanismo constitui-se na adição de um nucleófilo, com carga negativa ou neutra ligado a um hidrogênio, deslocando o par de elétrons de C=O para o oxigênio. Este par retorna, com uma nova ligação dupla, que elimina um grupo de saída (-OR, -NR2 ou Cl).
Na sequência, está uma imagem que resume as reações dos derivados de ácidos carboxílicos. Cujos mecanismos de substituição nucleofílica serão detalhados na sequência.
Síntese de cloretos de acila: cloretos de acila são produzidos a partir de ácidos carboxílicos com a adição de cloreto de tionila (SOCl2). O mecanismo se inicia com o deslocamento de um par de elétrons não ligantes da hidroxila para a formação de uma ligação dupla C=O, um segundo deslocamento do C=O original para o enxofre do cloreto de tionila e um terceiro deslocamento da ligação S=O para a formação de um carbânion. Assim o cloreto de tionila se junta ao ácido carboxílico. O carbânion sede par de elétrons para uma ligação dupla S=O, eliminando o Cl no processo junto do H da hidroxila. O cloro ataca o carbono, deslocando o par de C=O para o oxigênio. Por fim, o par retorna à ligação dupla, deslocando o par de C-O par O=S e quebrando S-Cl.
Síntese de anidridos: em altas temperaturas pode ocorrer a remoção da água, formando um anidrido.
Esterificação: a conversão de ácidos carboxílicos em ésteres pode ocorrer por desidratação ou pela esterificação de Fischer, uma substituição nucleofílica da acila. No último, há a protonação do oxigênio da carbonila. Seguido do ataque nucleofílico de um álcool que desloca um par de elétrons de C=O para o carbocátion. O hidrogênio é deslocado para a regeneração do hidrônio, restaurando também a ligação dupla.
Reações de Derivados de Ácidos Carboxílicos
A figura a seguir contém as principais reações dos haletos de acila, as quais serão detalhadas a seguir. Tem-se que os anidridos reagem do mesmo modo, com mais utilização na esterificação e aminólise.
Hidrólise: a conversão em ácidos carboxílicos ocorre com o ataque nucleofílico da água ao carbono em uma substituição nucleofílica. O intermediário perde um hidrogênio e o cloro.
Conversão em anidridos: a reação de substituição nucleofílica com um ânion carboxilato gera um anidrido.
Alcoólise: reação de haletos com álcoois para gerar ésteres.
Aminólise: conversão de haletos em amidas por meio da reação com amônia ou aminas.
Redução: conversão em álcoois primários por meio da redução com LiAlH4.
Reações com reagentes organometálicos: conversão em álcoois terciários por meio da reação com compostos de Grignard.
Ésteres podem sofrer hidrólise em ácidos carboxílicos, aminólise para produção de amidas, redução em álcoois e reação de Grignard. Por sua vez, as amidas sofrem hidrólise em ácidos carboxílicos e redução em aminas
Substituição Alfa à Carbonila
A substituição alfa é feita nos enóis, tautômeros das carbonilas. Neles, um hidrogênio do carbono ligado à carbonila se desprende e se une ao oxigênio, formando uma ligação dupla entre os dois carbonos.
O mecanismo da substituição alfa se inicia com a formação de um enol, com um catalisador ácido. Um par de elétrons do oxigênio ataca um eletrófilo com a formação de uma nova ligação. Há a estabilização de um cátion intermediário por ressonância em duas formas. Por fim, ocorre a desprotonação do oxigênio, formando a ligação dupla CO.
A seguir, serão apresentados os mecanismos de algumas das reações de substituição alfa mais comuns.
Halogenação: ocorre em aldeídos e cetonas que reagem com Cl2, Br2 ou I2 em meio ácido. Como exemplo, a bromação da acetona ocorre com a protonação da carbonila pelo catalisador ácido. O carbono alfa perde um próton, gerando um enol intermediário. O par de elétrons ataca o bromo, gerando intermediário em ressonância entre duas formas. Por fim, a hidroxila é desprotonada, regenerando o ácido.
Reação de Hell-Volhard-Zelinsky: a reação de bromação alfa de ácidos carboxílicos ocorre com uma mistura de Br2 e PBr3. O mecanismo se inicia com a reação do PBr3 com ácido carboxílico. Esse processo forma brometo de ácido e HBr. O segundo catalisa a enolização do brometo de ácido. Então, o enol reage com Br2 para a substituição alfa. Por fim, a hidrólise com água reage em substituição nucleofílica da acila.
Alquilação de íons enolatos: enolatos são ânions formados pela remoção de um próton do carbono alfa, reagindo, majoritariamente, em alquilações. Nesta, um enolato reage com um haleto de alquila eletrofílico em uma substituição nucleofílica, deslocando o grupo abandonador.
As principais alquilações de carbonila são a síntese do éster malônico e a síntese do éster acetoacético, além de outras alquilações de cetonas, ésteres e nitrilas.
Condensação de Carbonila
Reações de condensação de carbonila envolvem duas carbonilas como reagentes, uma agindo como eletrófilo e outra como nucleófilo. Ocorre por meio de etapas da adição nucleofílica e da substituição alfa. O mecanismo se inicia com a transformação de um composto carbonílico em seu íon enolato. Este se adiciona ao segundo composto carbonílico. O íon alcóxido é protonado regenerando o catalisador básico.
Reação Aldólica: quando ocorre em aldeídos ou cetonas. No seu mecanismo, há a formação de um íon enolato pela desprotonação feita por uma base. Na sequência, este ataca um outro composto carbonílico, formando intermediário com carbânion. No fim, há a protonação do ânion, regenerando a base.
Síntese de Enonas: ocorrem por meio da desidratação de produtos aldólicos, em que aldeídos ou cetonas β-hidroxi são desidratadas em enonas conjugados ou produtos 𝛼,β-insaturadas.
Reação Aldólica Cruzada: anteriormente, os exemplos de reações aldólicas envolviam dois compostos carbonílicos idênticos. Porém, reações aldólicas podem ocorrer entre compostos diferentes, mas semelhantes. Estas são nomeadas como reações aldólicas cruzadas. Gerando uma mistura de quatro produtos possíveis, mistos ou simétricos. Entretanto, pode haver a formação de um único produto se: 1) um dos compostos não tem hidrogênio 𝛼, mas sim uma carbonila desimpedida ou 2) a acidez de um deles for muito maior que a do outro.
Reação Aldólica Intramolecular: reações de um composto dicarbonílico que gera um composto cíclico, de mecanismo semelhante aos intermoleculares discutidos anteriormente.
Reação de Condensação de Claisen: ésteres contendo átomo de hidrogênio alfa podem ser tratados como base, em reação que origina um β-cetoéster. A reação ocorre entre dois ésteres, em que uma base desprotona um éster, originando um íon enolato. Ele se adiciona em adição nucleofílica ao segundo éster, com a formação de um alcoóxido intermediário. O íon etóxido é expulso, e, pela basicidade, converte o produto no seu enolato. Por fim, a protonação do enolato pela adição de um ácido gera o produto final.
Reações de Condensações Cruzadas de Claisen: as reações cruzadas entre dois ésteres são semelhantes às aldólicas cruzadas, produzindo um único produto em caso de um dos ésteres não possuírem um hidrogênio alfa, impossibilitando a formação do íon enolato.
Ciclização de Dieckmann: condensações intramoleculares com diésteres. O mecanismo também é semelhante ao aldólico. Se inicia com a formação de um íon enolato que se adiciona nucleofílicamente e forma um intermediário tetraédrico. Este perde um íon alcóxido, formando um β-cetoéster cíclico. Sua desprotonação gera um enolato, então protonado por ácido para gerar o produto neutro.
Reação de Michael: adição conjugada entre íon enolato nucleofílico com composto carbonílico 𝛼,β-insaturado. Seu mecanismo ocorre pela remoção de um próton ácido do β-cetoéster, gerando um enolato. Este se adiciona a uma cetona 𝛼,β-insaturada, o que forma uma novo enolato. Este retira um próton, gerando o produto final.
Reação de Stork: enaminas se adicionam aos receptores 𝛼,β-insaturados em um mecanismo semelhante à reação de Michael.
Anelação de Robinson: combinação de reação de Michael e reação aldólica intramolecular. Seu mecanismo está ilustrado na sequência.
