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Guia de estudo de Química Orgânica 1
Regras, tendências, tabelas de reações e exemplos resolvidos para um curso de química orgânica do primeiro semestre da universidade.
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Abreviações: Nu = nucleófilo · LG = grupo abandonador · R = alquila · X = halogênio · Δ = calor · hν = luz · equiv = equivalentes · cat. = catalítico · Ts/Ms/Tf = tosila/mesila/trifila (GAs sulfonato) · DMS = (CH₃)₂S · NMO = N-óxido de N-metilmorfolina (reoxidante) · NBS = N-bromossuccinimida · DBU/DBN = bases amidina volumosas.
≈ indica valores aproximados de livro-texto; os livros variam um pouco, então use os números do seu professor nas provas.
1 Estrutura e ligação
Estruturas de Lewis e carga formal
- Carga formal = elétrons de valência − elétrons não ligantes − ligações. As cargas formais somam a carga total.
- C, N, O e F nunca ultrapassam um octeto. Nas estruturas de esqueleto, cada carbono carrega H implícitos até completar 4 ligações; os pares isolados muitas vezes são omitidos.
| Átomo | +1 | 0 | −1 |
|---|---|---|---|
| C | 3 ligações, sem par isolado (carbocátion) | 4 ligações | 3 ligações + 1 par isolado (carbânion) |
| N | 4 ligações | 3 ligações + 1 par isolado | 2 ligações + 2 pares isolados |
| O | 3 ligações + 1 par isolado | 2 ligações + 2 pares isolados | 1 ligação + 3 pares isolados |
| Cl, Br, I | 2 ligações + 2 pares isolados | 1 ligação + 3 pares isolados | 4 pares isolados (haleto) |
Hibridização e geometria
Número estérico = ligações σ + pares isolados. Ligação simples = 1 σ; dupla = 1 σ + 1 π; tripla = 1 σ + 2 π.
| Nº estérico | Híbrido, geometria | Exemplos |
|---|---|---|
| 4 | sp³, tetraédrica, 109,5° | CH₄; NH₃ piramidal (≈107°); H₂O angular (≈104,5°) |
| 3 | sp², trigonal plana, 120° | C=C, C=O, C⁺ de carbocátion |
| 2 | sp, linear, 180° | C≡C, C≡N, o C do CO₂ |
Um par isolado ao lado de uma ligação π costuma estar deslocalizado em um orbital p, de modo que esse átomo é sp² (por exemplo, o N de uma amida).
Ressonância
- Mova apenas elétrons π e pares isolados. Nunca mova átomos, quebre uma ligação σ, ultrapasse o octeto em C/N/O ou altere a carga total.
- Padrões: par isolado adjacente a uma ligação π; carga + adjacente a uma ligação π (cátion alílico; alílico = no carbono sp³ adjacente a um C=C, benzílico = adjacente a um anel benzênico); par isolado adjacente a uma carga +; ligação π polar (C=O ↔ C⁺–O⁻); ligações π alternadas em um anel.
- Os contribuintes são ligados por ↔ (não por ⇌); a molécula real é o híbrido. Contribuintes equivalentes conferem estabilidade extra (as duas ligações C–O de um carboxilato têm o mesmo comprimento).
Contribuinte principal (critérios em ordem):
- Máximo de átomos com octeto completo.
- Menor número de cargas formais.
- Carga negativa no átomo mais eletronegativo (positiva no menos).
Exemplo: em CH₃–O–CH₂⁺ ↔ CH₃–O⁺=CH₂, a segunda forma é a principal: todo átomo tem octeto (regra 1), mesmo com + no O.
Forças intermoleculares (da mais forte para a mais fraca)
- Íon–dipolo: íon + molécula polar (Na⁺ em água).
- Ligação de hidrogênio: H em N, O ou F (doador) e um par isolado em N, O ou F (aceptor).
- Dipolo–dipolo: dipolos permanentes (acetona, CH₃Cl).
- Dispersão de London: todas as moléculas; aumenta com a área superficial e a polarizabilidade.
Etanol (doador de ligação de hidrogênio, PE ≈78 °C) vs. éter dimetílico (mesma fórmula, PE ≈−24 °C). Cadeias mais longas elevam o PE; ramificações o diminuem. Semelhante dissolve semelhante: a solubilidade em água dos álcoois cai conforme a cadeia carbônica cresce.
1°, 2°, 3° (primário, secundário, terciário): um carbono ligado a um, dois ou três outros carbonos. Um haleto de alquila ou álcool recebe o grau do carbono que carrega o –X ou o –OH; no caso das aminas, o grau conta os carbonos ligados ao N.
2 Ácidos e bases
- Ácido de Brønsted doa H⁺, base aceita H⁺. Ácido de Lewis aceita um par de elétrons, base doa um.
- pKa menor = ácido mais forte = base conjugada mais fraca. Cada unidade de pKa corresponde a um fator de 10 em Ka.
| Ácido → base conjugada | pKa ≈ |
|---|---|
| HI → I⁻ | −10 |
| HBr → Br⁻ | −9 |
| HCl → Cl⁻ | −7 |
| H₂SO₄ → HSO₄⁻ | −3 (algumas tabelas −9) |
| ROH₂⁺ → ROH (álcool protonado) | −2 |
| H₃O⁺ → H₂O | −1.7 |
| RCOOH → RCOO⁻ (ácido acético) | 4.8 |
| NH₄⁺ → NH₃ | 9.2 |
| PhOH → PhO⁻ (fenol) | 10 |
| R₃NH⁺ → R₃N (alquilamônio) | 10–11 |
| H₂O → HO⁻ | 15.7 |
| ROH → RO⁻ (etanol; t-BuOH) | 16; 18 |
| C–H α de cetona → enolato | 19–20 |
| RC≡CH → RC≡C⁻ (acetileto) | 25 |
| H₂ → H⁻ (NaH); (i-Pr)₂NH → LDA; NH₃ → NH₂⁻ | 35; 36; 38 |
| C–H de alceno; C–H de alcano | 44; 50 |
ARIO: o que estabiliza a base conjugada
A⁻ mais estável = ácido mais forte. Ordem de importância usual (quando os fatores discordam, confie nos valores de pKa medidos):
- Átomo. Ao longo de um período, a eletronegatividade: CH₄ < NH₃ < H₂O < HF. Ao descer em um grupo, o tamanho vence a eletronegatividade: HF < HCl < HBr < HI (o I⁻ grande e polarizável espalha a carga); do mesmo modo, os tióis RSH (≈10) são mais ácidos que os álcoois.
- Ressonância. Carga deslocalizada: ácido acético (≈4,8) vs etanol (≈16).
- Efeito indutivo. Grupos retiradores de elétrons próximos, com efeito que diminui com a distância: ClCH₂COOH (≈2,9) vs CH₃COOH (≈4,8).
- Orbital. Maior caráter s mantém o par isolado mais próximo: sp C–H (≈25) > sp² (≈44) > sp³ (≈50) em acidez.
Direção do equilíbrio
O equilíbrio favorece o lado com o ácido mais fraco (maior pKa), que também é o lado da base mais fraca. log K ≈ pKa(ácido formado) − pKa(ácido consumido).
Exemplo: HC≡CH + NH₂⁻ ⇌ HC≡C⁻ + NH₃. O ácido consumido HC≡CH (≈25), o ácido formado NH₃ (≈38): log K ≈ 38 − 25 = 13, então o equilíbrio está deslocado para a direita. Com HO⁻ o ácido formado é H₂O (≈15,7): log K ≈ −9, então NaOH não consegue desprotonar um alcino.
Setas curvas para transferência de próton
Duas setas: (1) par isolado da base → H; (2) ligação H–A → A. Para CH₃COOH + HO⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O: par isolado do HO⁻ → H ácido, e ligação O–H → O do carboxilato. Nunca comece uma seta no H⁺ (ele não tem elétrons).
3 Grupos funcionais e nomenclatura IUPAC
| Grupo | Sufixo | Prefixo |
|---|---|---|
| Ácido carboxílico RCOOH | -oic acid | carbóxi- |
| Éster RCOOR′ | alquil -oato | — |
| Amida RCONH₂ | -amide | — |
| Nitrila RC≡N | -nitrile | ciano- |
| Aldeído RCHO | -al | oxo-, formil- |
| Cetona RCOR′ | -one | oxo- |
| Álcool ROH | -ol | hidróxi- |
| Amina RNH₂ | -amine | amino- |
| Alceno, alcino | -ene, -yne | (no nome da cadeia principal) |
| Haleto, éter, nitro | — | halo- (cloro- …), alcóxi-, nitro- |
Etapas da nomenclatura
- O grupo de maior prioridade dá o sufixo.
- Cadeia principal: a cadeia mais longa que contém esse grupo. A maioria dos livros de Ochem 1 também exige que ela inclua o C=C/C≡C; as regras da IUPAC de 2013 preferem o comprimento da cadeia, então siga o seu curso.
- Numere para obter os menores localizadores, nesta ordem: (a) o grupo do sufixo; (b) C=C/C≡C (em caso de empate entre eno/ino, a ligação dupla recebe o menor número); (c) todos os substituintes no primeiro ponto de diferença; (d) ordem alfabética.
- Coloque os substituintes em ordem alfabética, ignorando di-, tri-, sec- e tert-, mas não iso (isopropil entra em “i”).
- Monte: estereodescritores (na ordem dos locantes, entre parênteses) + substituintes + cadeia principal + sufixo: (2E,4R)-4-cloropent-2-eno; (R)-butan-2-ol, no estilo antigo (R)-2-butanol.
Anéis: o carbono que contém o grupo do sufixo é o C1 (3-metilcicloexan-1-ol); em um cicloalceno, os carbonos da ligação C=C são C1 e C2. Radicais C1–C10: met, et, prop, but, pent, hex, hept, oct, non, dec.
4 Conformações
Projeções de Newman
- Olhando ao longo de uma ligação C–C: o carbono da frente = onde três ligações se encontram, o carbono de trás = círculo. A conformação alternada (60°) tem energia menor que a eclipsada (0°).
- A tensão torsional vem das ligações eclipsadas; a tensão estérica, dos grupos aglomerados (gauche, eclipsados).
- Etano: a conformação eclipsada fica ≈12 kJ/mol (≈2,9 kcal/mol) acima da alternada, ≈4 kJ/mol por cada eclipse H/H.
| Conformação (diedro CH₃/CH₃) | Energia ≈ |
|---|---|
| Anti, escalonada (180°) | 0, o menor |
| Gauche, escalonada (60°) | 3,8 kJ/mol (0,9 kcal/mol) |
| Eclipsada, CH₃ sobre H (120°) | 16 kJ/mol (3,8 kcal/mol) |
| Totalmente eclipsada, CH₃ sobre CH₃ (0°) | 19 kJ/mol (4,5 kcal/mol), o mais alto |
Tensão de anel: ciclopropano > ciclobutano > ciclopentano > cicloexano (≈0 na conformação cadeira).
Cadeiras do ciclo-hexano
- Cada carbono tem uma ligação axial (paralela ao eixo do anel, alternando para cima/para baixo) e uma ligação equatorial (apontando para fora).
- Inversão do anel: axial ↔ equatorial para cada grupo, mas o que está para cima continua para cima (um grupo em cunha permanece na face superior).
- Os grupos preferem a posição equatorial para evitar interações 1,3-diaxiais (metilcicloexano ≈95% equatorial a 25 °C). A melhor conformação cadeira coloca os maiores grupos em posição equatorial; os valores A são aproximadamente aditivos, e o t-Bu praticamente trava o anel.
| Grupo | kJ/mol ≈ | kcal/mol ≈ |
|---|---|---|
| –Cl, –Br | 2 | 0.4–0.5 |
| –OH (depende do solvente) | 2.5–4 | 0.6–0.9 |
| –CH₃ | 7.1 | 1.7 |
| –CH(CH₃)₂ | 9.2 | 2.2 |
| –C(CH₃)₃ | ≈20 | ≈4.9 |
cis/trans em anéis
cis = mesma face (ambas em cunha ou ambas tracejadas); trans = faces opostas. Uma inversão do anel nunca converte cis em trans: eles são diastereoisômeros.
| Padrão | cis | trans | Mais estável |
|---|---|---|---|
| 1,2- | a,e ↔ e,a | e,e ↔ a,a | trans |
| 1,3- | e,e ↔ a,a | a,e ↔ e,a | cis |
| 1,4- | a,e ↔ e,a | e,e ↔ a,a | trans |
5 Estereoquímica
Regras de prioridade CIP
- Vence o maior número atômico do átomo ligado: I > Br > Cl > S > F > O > N > C > H. Isótopos: vence o de maior massa (D > H).
- Empate: liste os três átomos de cada átomo empatado (do maior para o menor) e compare par a par; o primeiro ponto de diferença decide. Avance uma esfera por vez.
- Ligações múltiplas contam como átomos duplicados: C=O conta como C ligado a (O, O); C≡C como C ligado a (C, C, C).
Exemplo: –CH₂OH (O, H, H) tem prioridade sobre –C(CH₃)₃ (C, C, C): O vence C na primeira comparação.
Atribuição de R/S
- Ordene os grupos de 1 a 4 e aponte o grupo 4 para longe de você (traço).
- Percorra 1 → 2 → 3: sentido horário = R, anti-horário = S.
- Grupo 4 em uma cunha: leia a direção e depois inverta-a.
- Truque da troca: qualquer troca de dois grupos inverte a configuração. Troque o grupo 4 para o tracejado, atribua e depois inverta. Duas trocas devolvem a configuração original.
- R/S não prevê o sinal da rotação (+/−).
E/Z em alcenos
- Ordene os dois grupos de cada carbono do alceno. Grupos de maior prioridade do mesmo lado = Z; lados opostos = E.
- cis/trans pode discordar de Z/E: o 2-bromobut-2-eno com seus dois grupos CH₃ em trans é Z, porque Br tem prioridade sobre CH₃.
- Um C=C em um anel com menos de oito átomos tem de ser cis.
Relações entre isômeros
- Conectividade diferente → isômeros constitucionais. Mesma conectividade, arranjo tridimensional diferente → estereoisômeros: imagens especulares → enantiômeros; não são imagens especulares → diastereoisômeros (inclui cis/trans, E/Z).
- Comparando descritores: todos os centros invertidos → enantiômeros (a menos que seja meso: então é o mesmo composto); alguns invertidos → diastereoisômeros; nenhum → mesmo composto.
- Quiral = não sobreponível à sua imagem especular. Um plano de espelho interno torna a molécula aquiral.
- Meso = tem estereocentros, mas é aquiral (plano de simetria interno): (2R,3S)-butano-2,3-diol, cis-1,2-dimetilciclopentano.
- Regra do 2ⁿ: n estereocentros (conte também os C=C estereogênicos) dão no máximo 2ⁿ estereoisômeros, menos quando há formas meso. Ácido tartárico: 2 centros, 3 estereoisômeros (um par de enantiômeros + meso).
Atividade óptica
- Enantiômeros: mesmo pf, pe e solubilidade; rotação da luz plano-polarizada igual em módulo, mas de sentido oposto. Diastereoisômeros diferem em todas as propriedades físicas.
- [α] = α ⁄ (c · l), c em g/mL, l em dm. Misturas racêmicas (50:50) e compostos meso: [α] = 0.
- ee = % majoritário − % minoritário = [α] observado ⁄ [α] do enantiômero puro × 100%. 75% R + 25% S = 50% ee.
Projeções de Fischer
- Cada cruzamento é um estereocentro. As ligações horizontais apontam para você (cunhas), as verticais para longe (traços); a cadeia carbônica corre na vertical.
- Uma rotação de 180° no plano mantém a molécula; uma rotação de 90° fornece o enantiômero. Uma troca de dois grupos inverte apenas aquele estereocentro (enantiômero no caso de um único centro, diastereoisômero se houver outros centros); duas trocas restauram a configuração original.
- R/S: grupo 4 na vertical → leia 1 → 2 → 3 diretamente; grupo 4 na horizontal → leia e depois inverta.
- Uma linha de espelho horizontal passando pelo meio revela um composto meso.
6 Movimento de elétrons
- As setas movem elétrons. A cauda fica sobre um par isolado ou uma ligação; a ponta fica sobre um átomo (novo par isolado) ou entre átomos (nova ligação). Ponta cheia = 2 elétrons; seta de meia ponta = 1 elétron.
- Os elétrons fluem do Nu/base (par isolado, ligação π) para o eletrófilo/ácido (C⁺, C δ+ portando um LG, carbono de C=O, H ácido).
- Uma nova ligação a um átomo que já tem octeto significa que outra ligação a ele tem de se quebrar. Nunca comece em H⁺ nem em uma carga +. Cada etapa conserva a carga total.
| Padrão | Setas | Exemplo |
|---|---|---|
| Ataque nucleofílico | 1: Nu → átomo eletrofílico | Br⁻ + (CH₃)₃C⁺ → (CH₃)₃CBr |
| Perda de GA | 1: ligação C–LG → LG | (CH₃)₃C–OH₂⁺ → (CH₃)₃C⁺ + H₂O |
| Transferência de próton | 2: base → H; ligação H–A → A | ROH + H₃O⁺ → ROH₂⁺ + H₂O |
| Rearranjo | 1: ligação C–H ou C–C vizinha de C⁺ → C⁺ | deslocamento 1,2 de hidreto ou 1,2 de metila |
As etapas concertadas combinam padrões: SN2 = ataque + saída do GA (2 setas); E2 = transferência de próton + saída do GA (3 setas).
Estabilidade de carbocátion e deslocamentos 1,2
- 3° > 2° > 1° > metila (doação de alquila: hiperconjugação, indução). A ressonância (alílica, benzílica ou ao lado de um par isolado de O ou N) acrescenta forte estabilização. Cátions vinílicos e arílicos são instáveis demais para se formarem aqui, então não há SN1/E1 em carbonos sp².
- Ocorre um deslocamento de hidreto 1,2 ou de alquila 1,2 quando isso leva a um cátion mais estável (2° → 3°, ou → estabilizado por ressonância). Um anel tensionado ao lado de C⁺ pode expandir por um deslocamento de alquila 1,2 (de 4 para 5 ou de 5 para 6 membros) quando isso alivia a tensão ou dá um cátion mais estável.
- Espere deslocamentos sempre que se formar um C⁺ livre: SN1, E1, adição de HX, hidratação catalisada por ácido, ROH 2°/3° + HX. Nenhum em SN2, E2, oximercuriação, hidroboração ou adição de X₂.
Exemplo: 3-metilbutan-2-ol + HBr: protona o OH, perde H₂O (C⁺ 2°), deslocamento de hidreto 1,2 (C⁺ 3°), adiciona Br⁻. Produto principal: 2-bromo-2-metilbutano.
Diagramas de energia
- Estado de transição (‡) = máximo de energia com ligações parciais, nunca isolável; intermediário = um vale entre etapas (C⁺, radical). SN2/E2 mostram uma única barreira; SN1/E1 mostram duas ou mais (uma pequena barreira extra quando um Nu neutro como H₂O precisa perder H⁺), e a primeira (formação do C⁺) tem a maior barreira: é a etapa determinante da velocidade, por isso apenas [RX] aparece na lei de velocidade.
- A velocidade depende da barreira ΔG‡, não de ΔG; um catalisador apenas diminui ΔG‡. ΔG = ΔH − TΔS; ΔG < 0 significa que os produtos são favorecidos (K > 1). A eliminação gera mais moléculas (ΔS > 0), então o calor (TΔS maior) favorece E em vez de S.
- Postulado de Hammond: um estado de transição se parece com a espécie mais próxima dele em energia, de modo que etapas endotérmicas têm estados de transição tardios, semelhantes ao produto. É por isso que a estabilidade do carbocátion controla as velocidades de SN1/E1.
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7 Substituição e eliminação
| Recurso | SN2 | SN1 | E2 | E1 |
|---|---|---|---|---|
| Etapas | 1, ataque pelo lado oposto concertado | 2: forma-se o C⁺, depois o Nu se adiciona | 1, concertado (o β-H e o LG saem juntos) | 2: forma-se o C⁺, depois perde-se o β-H |
| Lei de velocidade | k[RX][Nu] | k[RX] | k[RX][base] | k[RX] |
| Substrato | metila > 1° > 2°; nunca 3° | 3° > 2°; alílico, benzílico | 3° > 2° > 1° (precisa de β-H) | 3° > 2° |
| Reagente | Nu bom, geralmente aniônico | Nu fraco (H₂O, ROH) | base forte | base fraca; ou ácido + Δ |
| Solvente | polar aprótico (DMSO, DMF) | polar prótico (H₂O, ROH) | menos decisivo | polar prótico |
| Estereo | inversão | principalmente racemização | anti-periplanar; estereoespecífico | alceno (E) mais estável favorecido |
| Regio | — | — | Zaitsev (alceno mais substituído); Hofmann (menos substituído) se a base for volumosa | Zaitsev |
| Rearranjo | não | possível | não | possível |
Fluxo de decisão
- Grupo abandonador em um carbono sp³? –OH e –OR precisam primeiro ser protonados ou convertidos; haletos de vinila e de arila não fazem SN1 nem SN2.
- Classifique o reagente: só Nu (Nu forte, base fraca): I⁻, Br⁻, Cl⁻, HS⁻, RS⁻, H₂S, RSH, N₃⁻, CN⁻. só base (base forte, Nu fraco): t-BuOK, DBU, DBN, LDA, NaH. base forte + Nu forte: HO⁻, CH₃O⁻, EtO⁻, acetiletos. Nu fraco + base fraca: H₂O, ROH.
- Classifique o substrato e consulte a tabela abaixo.
- Ajuste: aquecimento favorece a eliminação; solvente polar aprótico favorece SN2; solvente polar prótico sustenta SN1/E1; ramificação próxima ao carbono reativo (por exemplo, neopentila) desacelera a SN2.
| Substrato | somente Nu | Base/Nu forte (HO⁻, RO⁻) | Base volumosa (t-BuOK) | Fraco (H₂O, ROH) |
|---|---|---|---|---|
| Metila | SN2 | SN2 | SN2 (no β-H) | sem reação |
| 1° | SN2 | SN2 majoritária, E2 minoritária | E2 | sem reação (alílico/benzílico: SN1) |
| 2° | SN2 | E2 majoritária, SN2 minoritária | E2 | SN1 + E1 (lenta) |
| 3° | SN1 (prótico) | E2 | E2 (Hofmann) | SN1 + E1 (Δ favorece E1) |
Grupos abandonadores e nucleófilos
- Bons GAs são bases fracas: sulfonatos (TsO⁻, MsO⁻, TfO⁻), I⁻ > Br⁻ > Cl⁻, e H₂O de um álcool protonado. Ruins: F⁻, HO⁻, RO⁻, NH₂⁻, H⁻. Transforme –OH em GA protonando-o ou convertendo-o em OTs, Br ou Cl (seção 11).
- Nucleofilicidade: um ânion supera seu ácido conjugado (HO⁻ > H₂O). Solventes próticos (O–H ou N–H: H₂O, ROH) formam ligações de hidrogênio e aprisionam ânions pequenos, de modo que neles a nucleofilicidade aumenta ao descer um grupo (I⁻ > Br⁻ > Cl⁻ > F⁻; RS⁻ > RO⁻). Solventes polares apróticos (DMSO, DMF, acetona, CH₃CN: sem O–H) deixam os ânions livres, então a ordem segue a basicidade (F⁻ > Cl⁻ > Br⁻ > I⁻) e a SN2 é muito mais rápida. O volume reduz a nucleofilicidade muito mais do que a basicidade.
- A E2 exige H e LG anti-periplanares (180°). Em um cicloexano, ambos precisam estar axiais (trans-diaxial): use a cadeira com o LG axial. Se o único H β anti-periplanar estiver no carbono menos substituído, esse alceno se forma mesmo com uma base pequena.
- A E2 é estereoespecífica: quando o carbono β tem apenas um H, a geometria anti-periplanar decide entre E e Z.
Exemplo: cis-1-cloro-2-metilcicloexano (Cl axial, CH₃ equatorial) tem um H axial no C2, então NaOEt fornece 1-metilcicloexeno (Zaitsev). No isômero trans, colocar o Cl axial também coloca o CH₃ axial e o H do C2 equatorial; só o C6 tem H axial, então fornece 3-metilcicloexeno e reage mais lentamente.
8 Reações de alcenos
- Markovnikov: o eletrófilo (H⁺, Br⁺, ⁺HgOAc) se adiciona primeiro, e o nucleófilo acaba no carbono que melhor suporta carga positiva, o mais substituído, porque isso gera o carbocátion mais estável (ou a extremidade mais δ⁺ de um íon em ponte). O anti-Markovnikov ocorre quando a primeira espécie a se adicionar não é H⁺: Br• (HBr radicalar) ou boro (hidroboração) vai para o carbono menos substituído.
- Syn = mesma face, anti = faces opostas (visível apenas quando ambos os carbonos se tornam estereocentros). Alceno aquiral + reagentes aquirais → produtos opticamente inativos (aquirais, racêmicos ou meso).
- Estereoespecífica = cada estereoisômero do material de partida fornece um estereoisômero diferente de produto (cis-but-2-eno + Br₂ → racêmico; trans → meso). Estereosseletiva = um estereoisômero é simplesmente preferido (E em vez de Z na E1).
- Estabilidade de alcenos (a partir dos calores de hidrogenação): tetrassubstituído > trissubstituído > dissubstituído (trans > cis) > monossubstituído. Mais grupos alquila significam mais hiperconjugação; é por isso que Zaitsev e E1 favorecem o alceno mais substituído, E.
| Reação | Reagentes | Regioquímica | Estereoquímica | Intermediário, observações |
|---|---|---|---|---|
| Hidro-halogenação | HCl, HBr, HI | Markovnikov | mistura syn + anti | carbocátion; deslocamentos possíveis |
| Adição radicalar de HBr | HBr, ROOR (hν ou Δ) | anti-Markovnikov | mistura syn + anti | Br• se adiciona → C• mais estável; apenas HBr |
| Hidratação catalisada por ácido | H₂O, H₂SO₄ cat. | Markovnikov | mistura syn + anti | carbocátion; deslocamentos possíveis |
| Oxidromercuração | 1) Hg(OAc)₂, H₂O; 2) NaBH₄ | Markovnikov | etapa 1 anti; a etapa com NaBH₄ é radicalar, então a estereoquímica global se perde | íon mercurínio; sem deslocamentos; ROH dá éter |
| Hidroboração | 1) BH₃·THF; 2) H₂O₂, NaOH | anti-Markovnikov | syn (H e OH) | concertado; sem deslocamentos; H₂O₂/NaOH troca B por OH com retenção, de modo que H e OH ficam syn |
| Halogenação | Br₂ or Cl₂ (CH₂Cl₂) | — | anti | íon halônio em ponte |
| Haloidrina | Br₂ or Cl₂, H₂O | OH no C mais substituído | anti | íon halônio; a H₂O ataca a extremidade mais δ⁺, como na abertura ácida de epóxidos |
| Epoxidação | mCPBA (RCO₃H) | — | syn; cis → epóxido cis | concertado |
| Di-hidroxilação anti | 1) mCPBA; 2) H₃O⁺ | — | anti (diol trans) | epóxido aberto por H₂O |
| Di-hidroxilação syn | OsO₄ (cat.), NMO; ou KMnO₄ a frio, NaOH | — | syn (diol cis) | éster cíclico de osmato/manganato |
| Hidrogenação | H₂; Pt, Pd/C or Ni | — | syn | superfície metálica → alcano |
| Ciclopropanação (em alguns cursos) | CH₂I₂, Zn(Cu) (Simmons–Smith); ou CHCl₃, KOH (→ diclorociclopropano) | — | syn, estereoespecífica (cis → cis) | carbenoide ou carbeno se adiciona em uma única etapa |
| Ozonólise | 1) O₃; 2) DMS ou Zn/H₂O | C=C → dois C=O | — | R₂C= → cetona; RCH= → aldeído. KMnO₄ ácido a quente também cliva, mas oxida em excesso: RCH= → RCOOH, =CH₂ → CO₂ |
| Reagentes | Produto principal |
|---|---|
| HBr | 1-bromo-1-methylcyclohexane |
| HBr, ROOR | 1-bromo-2-metilcicloexano (cis + trans) |
| H₃O⁺; ou 1) Hg(OAc)₂, H₂O; 2) NaBH₄ | 1-methylcyclohexan-1-ol |
| 1) BH₃·THF; 2) H₂O₂, NaOH | trans-2-metilcicloexan-1-ol (racêmico) |
| Br₂ | trans-1,2-dibromo-1-metilcicloexano (racêmico) |
| Br₂, H₂O | trans-2-bromo-1-metilcicloexan-1-ol (racêmico) |
| OsO₄, NMO | cis-1-metilciclo-hexano-1,2-diol (racêmico) |
| 1) O₃; 2) DMS | 6-oxo-heptanal (o anel se abre formando uma única cadeia) |
Pares estereoespecíficos: Br₂ (anti) + trans-but-2-eno → meso-2,3-dibromobutano; + cis-but-2-eno → racêmico (2R,3R) + (2S,3S). OsO₄ (syn) é o inverso: cis → diol meso, trans → diol racêmico.
9 Reações de alcinos
| Reagentes | Produto, seletividade |
|---|---|
| H₂ (excesso), Pt, Pd/C ou Ni | alcano |
| H₂, catalisador de Lindlar (Pd envenenado) | alceno cis (Z) (adição syn; para no alceno) |
| Na or Li, NH₃(l) | alceno trans (E) a partir de um alcino interno (metal dissolvente; os alcinos terminais são desprotonados e reduzem lentamente) |
| H₂O, H₂SO₄, HgSO₄ | Enol de Markovnikov → cetona (alcino terminal → metilcetona) |
| 1) R₂BH (disiamilborano ou 9-BBN); 2) H₂O₂, NaOH | enol anti-Markovnikov → aldeído a partir de um alcino terminal (borano volumoso se adiciona uma única vez) |
| HX: 1 equiv; 2 equiv | haleto de vinila de Markovnikov; depois um di-haleto geminal (ambos os X no mesmo C) |
| HBr, ROOR (terminal) | brometo de vinila anti-Markovnikov (mistura E/Z) |
| X₂: 1 equiv; 2 equiv | principalmente (E)-dihaloalceno (anti); depois tetrahaleto |
- Tautomerização: o enol se converte (catálise ácida ou básica) na forma C=O mais estável. Alcinos internos assimétricos dão misturas de cetonas.
- Acidez do alcino terminal (pKa ≈25): desprotona com NaNH₂ (NH₃ ≈38) ou NaH, não com NaOH nem NaOEt.
- Alquilação: RC≡C⁻ + CH₃X ou RX 1° → RC≡CR′ por SN2 (nova ligação C–C). Com haletos 2°/3°, o acetileto atua como base (E2).
- Obtenção de alcinos: dihaleto vicinal ou geminal + NaNH₂ em excesso (E2 dupla; 3 equivalentes para um alcino terminal), depois H₂O.
Exemplo: acetileno → (Z)-hex-3-eno: 1) NaNH₂; 2) CH₃CH₂Br; 3) NaNH₂; 4) CH₃CH₂Br; 5) H₂, Lindlar. Na, NH₃(l) na etapa 5 fornece (E)-hex-3-eno.
10 Reações de radicais
Os radicais se formam por clivagem homolítica e são representados com setas de meia ponta. Estabilidade: alílico/benzílico > 3° > 2° > 1° > metila.
Mecanismo de halogenação (CH₄ + Cl₂, hν)
- Iniciação (forma radicais): Cl₂ → 2 Cl• (luz ou calor).
- Propagação (cadeia; número de radicais inalterado): Cl• + CH₄ → HCl + •CH₃; em seguida •CH₃ + Cl₂ → CH₃Cl + Cl•.
- Terminação (consome radicais): dois quaisquer se combinam, por exemplo Cl• + •CH₃ → CH₃Cl; 2 •CH₃ → etano.
Seletividade: Cl₂ vs Br₂
- Cloração: abstração de H exotérmica (≈termoneutra para o CH₄), estado de transição precoce, pouco seletiva: ≈1 : 4 : 5 por H (1° : 2° : 3°, 25 °C). Propano → ≈45% 1-cloro + ≈55% 2-cloropropano.
- Bromação: a abstração de H é endotérmica, então o estado de transição é tardio e parecido com um radical (postulado de Hammond, seção 6) e toda a diferença de estabilidade dos radicais 3° > 2° > 1° aparece nas velocidades: altamente seletiva, ≈1 : 80 : 1600. Propano → ≈97% de 2-bromopropano. Use Br₂, hν para atingir o C–H mais substituído.
- F₂ é violento demais, I₂ reativo de menos. Um novo estereocentro formado em um carbono radicalar plano sai como mistura racêmica.
Bromação alílica com NBS
NBS, hν (ou ROOR), CCl₄ troca um H alílico por Br. O NBS mantém a [Br₂] baixa, então o Br₂ não se adiciona ao C=C. O radical alílico é deslocalizado, então o Br pode acabar em qualquer das duas extremidades: cicloexeno → 3-bromocicloexeno; but-1-eno → 3-bromobut-1-eno + 1-bromobut-2-eno (E/Z).
11 Álcoois, éteres e epóxidos
| Reagente → produto | Mecanismo, estereoquímica (substratos) |
|---|---|
| HBr, HCl (+ ZnCl₂), HI → R–X | 3°/2°: SN1 (racemização, rearranjos possíveis); 1°: SN2 |
| PBr₃ → R–Br | SN2: inversão, sem deslocamentos (1°, 2°) |
| SOCl₂, piridina → R–Cl | SN2: inversão, sem deslocamentos (1°, 2°) |
| TsCl (ou MsCl), piridina → R–OTs | Ligação C–O intacta: retenção; uma SN2 posterior sobre R–OTs inverte (1°, 2°) |
- Desidratação: H₂SO₄ conc. ou H₃PO₄, Δ → alceno. Facilidade 3° > 2° > 1°; 2°/3° por E1 (Zaitsev, rearranjos possíveis). Para controlar: TsCl, piridina; depois t-BuOK (E2).
- Alcóxidos: ROH + NaH (ou Na) → RO⁻ Na⁺ + H₂ (irreversível).
| Álcool | PCC, CH₂Cl₂ (também DMP, Swern) | Ácido crômico ou Jones (Na₂Cr₂O₇ ou CrO₃, H₂SO₄, H₂O) |
|---|---|---|
| 1° | aldeído | ácido carboxílico |
| 2° | cetona | cetona |
| 3° | sem reação | sem reação |
| Reagentes | Resultado |
|---|---|
| NaBH₄, CH₃OH | aldeído → álcool 1°; cetona → álcool 2° (ésteres e ácidos não são afetados) |
| 1) LiAlH₄, éter seco; 2) H₃O⁺ | o mesmo, e também reduz ésteres e ácidos carboxílicos a álcoois 1° |
| 1) RMgBr ou RLi; 2) H₃O⁺ | nova ligação C–C: formaldeído → 1°; outros aldeídos → 2°; cetona → 3°; éster (adição de 2 R) → álcool 3° |
| 1) RMgBr + epóxido; 2) H₃O⁺ | O R ataca o C menos substituído (do tipo SN2); o óxido de etileno adiciona uma unidade –CH₂CH₂OH |
Reagentes de Grignard (RBr + Mg, éter seco) e RLi são bases fortes: nada de O–H, N–H ou COOH no substrato ou no solvente (eles protonariam R⁻ a R–H). RMgBr + CO₂, depois H₃O⁺ → RCOOH.
Éteres
- Williamson: RO⁻ + R′X → ROR′ por SN2, então R′X deve ser metila ou 1°; coloque a parte volumosa no alcóxido. (CH₃)₃CO⁻ K⁺ + CH₃I → t-BuOCH₃ funciona; CH₃O⁻ + (CH₃)₃CBr dá E2 (2-metilpropeno).
- Clivagem: excesso de HBr ou HI, Δ → dois R–X (SN2 em metila/1°, SN1 em 3°); um éter aril-alquila fornece fenol + RX.
Epóxidos
- Obtido a partir de alceno + mCPBA (syn, estereoespecífico), ou de haloidrina + NaOH (SN2 intramolecular; O⁻ e X devem estar anti).
- Base ou Nu forte (HO⁻, RO⁻, RS⁻, CN⁻, N₃⁻, acetileto; em seguida, uma fonte de prótons): SN2 no carbono menos substituído.
- Ácido (H₃O⁺, ROH/H⁺, HX): protona o O e, em seguida, o Nu ataca o carbono mais substituído (maior δ+, estado de transição do tipo SN1). Bem definido quando esse carbono é 3°.
- Os dois modos atacam pelo lado oposto (inversão aí): abertura anti, de modo que epóxidos cíclicos dão produtos trans-1,2.
Exemplo: 2,2-dimetiloxirano + CH₃O⁻/CH₃OH → 1-metóxi-2-metilpropan-2-ol. Com CH₃OH, H₂SO₄ cat. → 2-metóxi-2-metilpropan-1-ol.
12 Noções básicas de espectroscopia
Graus de insaturação = (2C + 2 + N − H − X) ⁄ 2 (ignore O, S). Cada anel ou ligação π = 1; C≡C = 2; anel benzênico = 4. C₆H₁₂ → (12 + 2 − 12)/2 = 1: um anel ou uma C=C.
- Sinais de RMN de ¹H = conjuntos de H quimicamente distintos (use a simetria). Integração = número relativo de H.
- Regra n + 1: n H vizinhos equivalentes dividem um sinal em n + 1 picos (triângulo de Pascal). H equivalentes não se dividem entre si; O–H em geral não divide (troca rápida).
- Etila = tripleto (3H) + quarteto (2H); isopropila = dubleto (6H) + septeto (1H); terc-butila = singleto (9H). J ≈ 7 Hz em cadeias alquílicas; vinílico trans (≈12–18 Hz) > cis (≈6–12 Hz).
- ¹³C (uma linha por C distinto; as alturas não são quantitativas): C sp³ 0–50; C–O 50–90; C≡C 65–90; C=C e aromático 100–160; C≡N 115–125; C=O 160–220.
- Espectrometria de massas: M⁺ = massa molecular (um M⁺ ímpar significa número ímpar de N). Um pico M+2 aproximadamente igual ao M⁺ → um Br; cerca de ⅓ do M⁺ → um Cl. Perdas comuns: 15 (CH₃), 29 (C₂H₅), 18 (H₂O de álcoois).
| Ligação | cm⁻¹ ≈ | Aparência |
|---|---|---|
| álcool O–H | 3200–3600 | forte e larga |
| ácido O–H | 2500–3300 | muito larga |
| N–H | 3300–3500 | amina 1° 2 picos, 2° um |
| C–H: sp; sp²; sp³ | ≈3300; 3000–3100; 2850–3000 | sp forte e estreita; sp² logo acima de 3000, sp³ logo abaixo |
| C–H de aldeído | ≈2720, 2820 | dois picos fracos |
| C≡N; C≡C | ≈2250; 2100–2260 | C≡C fraco ou ausente se simétrico |
| C=O | 1650–1750 | forte (cetona ≈1715, éster ≈1740) |
| C=C | 1600–1680 | média a fraca |
| C–O | 1000–1300 | forte |
| Tipo de próton | δ ≈ (ppm) |
|---|---|
| C–H de alquila (CH₃ < CH₂ < CH) | 0.9–1.8 |
| Alílico, benzílico, α ao C=O | 1.7–2.6 |
| Alcino ≡C–H | 2–3 |
| H–C–O, H–C–X | 3–4.5 |
| Vinila =C–H | 4.5–6.5 |
| Ar–H aromático | 6.5–8.5 |
| Aldeído –CHO | 9–10 |
| Ácido carboxílico –COOH | 10–13, ampla |
| O–H, N–H | 1–5, variável |
13 Estratégia de síntese
| De → para | Reagentes (notas) |
|---|---|
| Alcano → brometo de alquila | Br₂, hν (C mais substituído) |
| Haleto de alquila → alceno | NaOEt (Zaitsev) ou t-BuOK (Hofmann), E2 |
| Haleto de alquila → produtos de SN2 | NaOH, NaOR, NaCN, NaN₃, NaSR, RC≡C⁻ Na⁺ (haleto de metila ou 1° é o melhor); RX 3° + H₂O → álcool (SN1) |
| Alceno → haleto de alquila | HX (Markovnikov); HBr, ROOR (anti-Markovnikov) |
| Alceno → álcool | H₃O⁺, ou Hg(OAc)₂/H₂O e depois NaBH₄ (Markovnikov); BH₃ e depois H₂O₂/NaOH (anti-Markovnikov, syn) |
| Alceno → alcano; adutos de X₂ | H₂, Pd/C; X₂ (di-haleto); X₂/H₂O (haloidrina) |
| Alceno → epóxido; diol; carbonilas | mCPBA; OsO₄/NMO (syn) ou mCPBA e depois H₃O⁺ (anti); O₃ e depois DMS |
| Alceno → brometo alílico; alcino | NBS, hν; 1) Br₂, 2) NaNH₂ em excesso, 3) H₂O |
| Alcino → alceno cis/trans; alcano | H₂, Lindlar (cis); Na, NH₃(l) (trans); H₂, Pd/C (alcano) |
| Alcino → cetona; aldeído | HgSO₄, H₂SO₄, H₂O; R₂BH e depois H₂O₂/NaOH (alcino terminal) |
| Álcool → haleto de alquila; tosilato | PBr₃, SOCl₂/piridina ou HX; TsCl/piridina |
| Álcool → alceno | H₂SO₄, Δ (E1, Zaitsev); ou TsCl/piridina e depois t-BuOK (E2) |
| Álcool → aldeído; cetona; ácido | PCC (1°); PCC ou ácido crômico (2°); ácido crômico (1°) |
| Álcool → éter | NaH, depois CH₃X ou RX 1° (Williamson) |
| Epóxido → álcool | Nu⁻ e depois H₂O (C menos substituído); H₃O⁺ ou ROH/H⁺ (C mais substituído) |
| Aldeído, cetona, éster → álcool | NaBH₄ (não reduz ésteres), ou LiAlH₄ e depois H₃O⁺; RMgBr ou RLi, e depois H₃O⁺ (nova ligação C–C) |
Dicas de retrossíntese
- Trabalhe de trás para frente (⇒) e compare o número de carbonos. Novas ligações C–C: acetileto + haleto de metila ou 1°, ou reagente de Grignard (RMgBr/RLi) + C=O ou epóxido.
- Mover um grupo funcional: elimine e depois adicione com a regioquímica oposta. Propan-2-ol → (TsCl, piridina; t-BuOK) → propeno → (BH₃; H₂O₂/NaOH) → propan-1-ol.
Armadilhas comuns em provas
- SN2 ou Williamson em C 3°, vinílico ou arílico (E2 ou sem reação).
- Sem deslocamentos de C⁺ (SN1, E1, HX, H₃O⁺); nenhum na oximercuriação ou hidroboração.
- Ácido crômico sobre um álcool 1° quando você quer o aldeído (use PCC).
- E2 em anel sem H e LG trans-diaxiais.
- Grignard com um O–H ou N–H em outra parte da molécula.
- Omitir a estereoquímica; setas a partir de H⁺ ou de uma carga +; C com cinco ligações.
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