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Química Orgânica Avançada. Prof. Aloir Antonio Merlo

Mecanismo de reação, em química, é uma seqüência passo-a-passo de reações elementares através dos quais a transformação química total acontece. De outro modo, a reação global acontece é através de um conjunto de processos químicos descritos através de etapas ou reações elementares. Um mecanismo é uma proposta acadêmica da qual se pode escrever uma lei de velocidade que está de acordo com a lei de velocidade observada. O fato de que o mecanismo explica os resultados experimentais não é uma prova de que aquele mecanismo é correto. A descrição mecanística nada mais é do que uma atividade artística do químico em imaginar de que modo a reação no seu todo acontece. A proposta de um mecanismo de reação é uma excelente atividade acadêmica de exercício mental.

Na sua grande maioria, as mudanças químicas observadas relacionam-se com o fenômeno global; porém, experimentos podem ser utilizados que fornecem ou sugerem possíveis informações das seqüenciais das etapas, num determinado mecanismo de reação.

Uma reação elementar expressa de que modo as moléculas ou íons reagem entre si. A equação em um processo elementar representa a reação no seu nível molecular, não a reação global. De acordo com o número de moléculas envolvidas na etapa elementar, três tipos de passos elementares são propostos: unimolecular, bimolecular e trimolecular. Em cada um desses processos, pode-se escrever uma lei de velocidade, a qual deve ser escrita sempre de acordo com a equação proposta. A derivação da lei de velocidade final pode ser bem diferente da equação de velocidade dessas etapas elementares.

O3 O2 + O, Velocidade = k [O3] - PROCESSO UNIMOLECULAR Cl + CH4 HCl + CH3, Rate = k [Cl] [CH4] - PROCESSO BIMOLECULAR O + NO + N2 NO2 + N2, Rate = k [O] [NO] [N2] - PROCESSO TRIMOLECULAR

Os processos elementares são escritos para mostrar o avanço de uma reação química até a sua finalização. A coleção desses processos elementares forma o mecanismo de reação. Processos elementares apresentam diferentes velocidades. A etapa lenta é a determinante na velocidade de reação. A ordem dessa etapa é a ordem de uma reação; a concentração das espécies que reagem naquela etapa deve ser expressa em termos da concentração dos reagentes.

Importante – um mecanismo descreve em detalhes exatamente o que acontece em cada estagio de uma transformação química (ver conceito de coordenada de reação). O mecanismo descreve quais ligações são quebradas, em que ordem elas são transformadas, qual é a natureza do estado de transição (ET) e qual é a velocidade relativa de cada etapa. Uma descrição completa do mecanismo deve considerar todos os reagentes e substratos utilizados, a função do catalisador, a estereoquímica, todos os produtos formados e a quantidade de cada um. Um mecanismo de reação deve também considerar a ordem na

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qual as moléculas reagem. Pode acontecer que uma transformação que parece ser em uma única etapa é na verdade uma transformação em múltiplas etapas. Considere o exemplo: CO + NO2 → CO2 + NO Essa reação parece que acontece em uma única etapa! Experimentalmente, verifica-se que ela obedece a lei de velocidade = k[NO2]

2. Portanto, um possível mecanismo formado por dois processos elementares pode ser proposto seguindo a lei de velocidade observada no experimento. 2 NO2 → NO3 + NO (lenta) NO3 + CO → NO2 + CO2 (rápida) PROPOSIÇÃO DE MECANISMO DE REAÇÃO. Como que se determina um mecanismo de reação? De que modo o conhecimento sobre o mecanismo é estabelecido? A resposta mais simples é que nós não temos a certeza absoluta. A proposição de um mecanismo de reação deve conter todos os fatos disponíveis; está sujeito a modificações, à medida que novas evidências são adicionadas. O mecanismo é completamente confirmado, quando especificamos

• a posição de todos os átomos (reagentes, catalisadores, substrato, solvente, etc), e • a energia do sistema em todos os pontos do processo.

Análise Inicialdos dados"grosseira"

O mecanismo éestabelecido

Dados são agregados

Quebra-cabeça Análise Fina

Cronologia Mecanística

Fator tempo - o mecanismo pode ser confirmadoou completamente descartado.

Muitas reações ocorrem por diferentes mecanismos sob diferentes condições – muitas variáveis envolvidas e algumas reações (processo global ou elementar) não apresentam um padrão mecanístico completamente claro. A resistência aos fatos é uma forte evidência do acerto da proposição mecanística. Muitas vezes, não temos condições de prova em definitivo se um determinado mecanismo é ou não verdadeiro – o que vale é o princípio da exclusão, isto é, a proposta resiste aos fatos (dados) que são adicionadas ao longo do tempo.

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Qualquer proposta mecanística deve explicar como os PRODUTOS são formados. Parece óbvio essa frase, não? E fornecer informações sobre os intermediários. Se afirmativo, como detectá-los, isolá-los... Deve explicar a estereoquímica quando aplicada e os aspectos cinéticos. Ao escrever um mecanismo de reação, supondo uma reação aparentemente nova, nós imaginamos, com base no conhecimento adquirido em química, um hipotético mecanismo com os movimentos de elétrons, o reconhecimento de bons grupos de saídas, intermediários prováveis, e a estrutura do produto. Dessa forma, estamos respondendo preliminarmente a questão: Qual é o mecanismo da reação? Num segundo momento, é necessário aprofundar a discussão, na busca de qual é o mecanismo verdadeiro, o verificado e observado experimentalmente. Como exemplo, vamos usar a reação de Cannizzaro para ilustrar a diferentes técnicas usadas na elucidação mecanística, com o propósito de apresentar as diferentes informações que cada técnica pode fornecer como evidências para a montagem do quebra-cabeça do mecanismo. A reação de Cannizzaro é uma reação de desproporcionamento, em que um mol de um aldeído sem Hα, sob condições básicas, transforma-se no álcool e no ácido corresponde. Isto é, metade da amostra é reduzida e a outra metade é oxidada. Por se tratar de uma reação oxidação-redução, ela foi usada em síntese como uma alternativa de redução de aldeídos (em 1946, o LiAlH4 foi incorporado na área de síntese).

Possíveis mecanismos – Radicalar e adição Radicalar – Iniciador – informação inicial e disponível para os químicos orgânicos. Hipótese – A velocidade da reação é influenciada pela presença do iniciador – a rx deve ser mais rápida se iniciadores são adicionados. Na prática nenhum efeito é observado. A velocidade sem e com a adição não mostra alterações que assegurem a participação de radicais livres. A construção do mecanismo.

• A primeira evidência – estudo cinético – estudar a velocidades de reações e fatores;

• Variável é o tempo – de que maneira a reação evolui até o equilíbrio • Termodinâmica – Informações sobre o equilíbrio – posição (Keq) • Numa dada reação, mede-se o desaparecimento de um reagente ou a formação de

um produto • A extensão da reação pode ser medida espectroscopicamente – monitor o

consumo ou a formação - avaliar as mudanças na concentração o pH – ácido-base o condutância – reações iônicas

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o polarimétricas – substâncias opticamente ativas

“Medir alguma propriedade físico-quimica e relacioná-la com a concentração de reagentes ou produtos”

O estudo cinético tem por objetivo estabelecer as relações quantitativas entre a

concentração dos reagentes, catalisadores e a velocidade de reação.

A medida da concentração dos reagentes permite o conhecimento da ordem cinética e da Lei de Velocidade.

A Lei de Velocidade é uma expressão algébrica que descreve a ordem cinética da reação. Através dessa lei, pode-se ter o acesso a constante de velocidade, a concentração das espécies na etapa determinante da velocidade, bem como, as etapas anteriores a etapa determinante. Considere o exemplo a seguir

A + B C D E + Fk1 k3

k-1

k2

Suposição: Etapa 2 é muito lenta em relação à etapa 3. Qual é equação de velocidade? A questão cinética da reação de Cannizzaro.

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AS RELAÇÕES DE HAMMETT - O PAI DA FÍSICO-QUÍMICA ORGÂNICA (Loius P. Hammett, 1894-1987, Coumbia University, 1935)

• As relações de Hammett é um meio de quantificar os efeitos que grupos doadores

e retiradores de elétrons impõem no estado de transição ou intermediários durante o curso da reação. A partir dessa quantificação pode-se ter uma idéia de como o estado de transição se organiza, como ele é.

o Hammett se preocupou em definir a eficiência de grupos com relação a

sua capacidade de doação ou retirada de elétrons. Inicialmente Hammett optou pelo uso do pKa como elemento guia. Por exemplo, a reação de hidrolise de ésteres aromáticos pode ser um modelo a ser estudado, e correlacionando com os valores das constantes de ionização dos respectivos ácidos.

Os estudos de Hammett mostrou que as velocidades das reações de hidrolise de ésteres (log k, desde que pKa é uma escala log) quando graficada contra pKa não apresentaram

boa correlação. Os dados não foram nada encorajadouros.

Os pontos do gráfico referem-se a diferentes ácidos – acético e benzóico (orto-, meta- e

para-).

O que fez Hammett – foi removendo os ácidos em grupos:

- remover derivados do ácido acético; - remover orto- substituídos dos meta- e

para-.

A remoção desses compostos elimina alguns efeitos que podem dificultar a análise mecanística. Por exemplo, ácidos alifáticos adotam diferentes conformações e os substituintes podem apresentam efeitos derivados dessas conformações. Os compostos aromáticos com substituinte na posição orto exercem um efeito estérico muito importante devido à proximidade do sítio reacional.

Substituinte X em R a ser avaliado

Reação sob investigaçao

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Substratos meta e para são aqueles que se apresentam como modelos devido a comunicação direta com o centro reativo da reação.

O gráfico ao lado é uma invenção da mente humana. A correlação obtida é entre coisas que não estão diretamente correlacionadas.

Devido a dificuldade de obtenção de gráficos com boa correlação, Hammett optou pelo uso de um novo parâmetro σ. Esse parâmetro mostra o quanto o substituinte é doador ou retirador de elétrons relativo ao hidrogênio. O valor de σ obtido da razão entre as constantes de ionização dos respectivos ácidos.

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Qual é o significado do valor de σ? Se σ = 0 o substituinte não tem efeito – eletronicamente comporta-se igual ao hidrogênio. Se o valor de σ é positive o substituinte é retirador de elétrons. σ positivo significa um ácido fortes de modo que o substituinte é retirador de elétrons. Quanto mais positiva é a carga induzida no anel pelo substituinte maior é o valor de σ. Valores negativos de σ significa ácidos fracos e consequentemente, subsituinte doadores de elétrons. Efeitos indutivos são mais importantes nos valores de σm do que σp devido a proximidade do substituinte do sítio reativo. Conjugação em para, por outro lado, é mais intensa - σp> σm

Discussão com amino e metoxila – Ressonância versus eletronegatividade.

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A constante de reaçao de Hammett - ρρρρ - Reação de hidrolise de benzoatos com substituintes em meta- e –para. - Constante de velocidade de segunda ordem é comparada com a do H na forma de log (kX/kH) versus σ, em que kX é a constante de reação dos benzoatos substituidos e kH é para o éster não substituído. - Uma boa correlação entre o quanto a reação é rápida e o valor de sigma é observada. - A inclinação da reta nos fornece outra constante que Hammett chamou de Rô - ρρρρ - O novo parâmetro simboliza a sensibilidade da reação com relação ao efeito do substituinte em comparação com a ionização dos ácidos respectivos. - Uma inclinação de ρ = +2,6 indica a reação de hidrólise responde ao efeito do substituinte do mesmo modo (pois o seu valor é positivo) do que a reação de ionização do ácido benzóico, porém muito mais rápido (101.6 vezes mais) – devido ao fato de que o valor encontrado foi de 2.6 e não 1.0.

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Perturbação Eletrônica do Estado de Transição

O

OEt OH

δ-

δ-

PerturbaçãoEletrônica

Comparar acidez com a hidrólise – mesmo comportamento.

Gráficos típicos de Hammett

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Inserção de unidades metilênicas entre o sítio reativo e o anel.

Re-estabelecimento da comunicação eletrônica.

Parâmetro de Hammett em fenóis (10,0) e aminas (4.6)

Valores elevados da constante de Hammett –

Um exemplo – reação clássica de SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA AROMÁTICA.

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Substituição Vinílica – Valores elevados de ρ +9.0. Sem a presença de grupos nitros!

- SN2 – Valores menores - SN1 – Valores negativos

- Mecanismo de adição-eliminação de ânions benzílicos deslocalizados através dos anéis.

Reações com valores negativos de ρ.ρ.ρ.ρ.

Valores negativos da constante de Hammett indicam que a densidade de elétrons decresce na passagem do estado inicial para o estado de transição. Um exemplo é a reação de SN2

entre o iodeto de etila e ânions fenóxidos. O valor de ρ –1.0. sugere que, embora o ET tenha uma carga negative, essa carga diminui a medida que o reagente se aproxima do ET.

Uma reaçao SN1 com o sítio proximo ao anel apresenta um grande valor de ρ. Na solvólise de cátions terciários, a etapa determinante é a formação do carbocátion. Assim, espera-se um valor bastante elevado para o valor da constante de Hammett.

O mesmo comportamento é observado para as reações de substiuiçao eletrofílica aromática.

Casos intermediários – são casos intermediários!!!!

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Descobrindo mecanismos – atenção aos valores – sinalizam densidade de carga

Proposta do mecanismo – cátion cíclico ou aberto!

ArX

Ar

X+

+

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RELAÇÕES NÃO LINEARES

Qual é o significado da quebra da linearidade?

Para o mecanismo 2: