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Aula 8 Cicloadições
Artigos de revisão: A) Nicolaou, K. C.; Snider, S. A.; Montagnon, T.; Visilligiakonnakis, G.; Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 1668. B) Corey, E. J.; Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 1650. C) Stocking, E. M.; Williams, R. M.; Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 3078. E) Deslongchamps, P.; Tetrahedron 2001, 57, 4243.
Livros: A) Jean, Y.; Volatron, F.; (traduzido e editado por Burdett, J.) "An Introduction to Molecular Orbitals" Oxford University Press: New York, 1993. B) Ahn, N. T.; "Frontier Orbitals: A practical Manual" John Wiley & Sons: Chichester, 2007. C) Leforestier, C.; "Introduction à la Chimie Quantique" Dunod: Paris, 2005. D) Anslyn, E. V.; Dougherty, D. A.; "Modern Physical Organic Chemistry" University Science Books: Herndon, 2006.
Química Orgânica Avançada (QP-021), Unicamp Igor D. Jurberg
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Reações de Cicloadição
Exemplos e definições:
Balanço da reação: 2 ligações s se formam, 2 ligações p
desaparecem C1
Ci
C1
Cj
[i + j]i + j
+
a) Diels-Alder:
[4+2]+ O h O
b) Paterno-Büchi:
[2+2]3
[2+2+2]
M M
via:c) Pseudo-periciclica
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Exemplos e definições:
Reações de Cicloadição
ataque endo
ataque exo
C1
Cj
C1
CkPA PB
suprafacial
suprafacial
A
B
C1
Cj Cj
C1
suprafacial (mesma face
do plano)
antarafacial (faces opostas do plano)
C1
Cj
PA
PB
C1
Ck
suprafacial
A
Bantarafacial
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Reações de Cicloadição
HOMO 1
LUMO 1
LUMO 2
HOMO 2
reagente 1 reagente 2
Regras de seleção: as interações entre os OF são determinantes pois fornecem duas iterações estabilizantes
Somente interações a 1, 2 e a 3 elétrons são estabilizantes. Interações à 4 elétrons são repulsivas e interações à 0 elétrons não conduzem à nada. Portanto, estas interações não estabilizantes podem ser negligenciadas.
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Reações de Cicloadição Regras de seleção:
LUMO A
LUMO B
HOMO B
polieno A (4p + 2)e p
polieno B (4q)e p
(2p + 1)-ésimo OM
(2p + 2)-ésimo OM
(2q)-ésimo OM
(2q + 1)-ésimo OM
Reação térmica à 4n+2 elétrons p: SS ou AA
(Simétrico)
(Anti-simétrico) (Simétrico)HOMO A
(Anti-simétrico)
(Simétrico)
(Anti-simétrico)
LUMO A
LUMO B
HOMO B
polieno A (4p)e p
polieno B (4q)e p
(2p)-ésimo OM
(2p + 1)-ésimo OM
(2q)-ésimo OM
(2q + 1)-ésimo OM
Reação térmica à 4n elétrons p: AS ou SA
HOMO A
(Anti-simétrico)
(Simétrico)
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Reações de Cicloadição Regras de seleção:
(Simétrico)
(Anti-simétrico) (Anti-simétrico)
(Simétrico)
(LUMO A)0 = HOMO
LUMO B
HOMO B
polieno A (4p)e p
polieno B (4q)e p
(2p)-ésimo OM
(2p + 1)-ésimo OM
(2q)-ésimo OM
(2q + 1)-ésimo OM
Reação fotoquímica à 4n elétrons p: SS ou AA
(HOMO A)0 = HOMO-1
(Anti-simétrico)
(Simétrico) (Anti-simétrico)
(Simétrico)
(LUMO A)0 = HOMO
LUMO B
HOMO B
polieno A (4p+2)e p
polieno B (4q)e p
(2p)-ésimo OM
(2p + 1)-ésimo OM
(2q)-ésimo OM
(2q + 1)-ésimo OM
Reação fotoquímica à 4n+2 elétrons p: SA ou AS
(HOMO A)0 = HOMO-1
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Reações de Cicloadição
N° elétrons\ processo Térmico Fotoquimico
4n SA SS
4n+2 SS SA
Regras de seleção:
S = supra; A = antara
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Reações de Cicloadição
Regras de seleção: diagramas de correlação de OMs
+
[4+2]SS
p
p
s1* + s2
*
s1* - s2
*
s1 + s2
s1 - s2
Processo térmico: permitido
Processo fotoquimico: proibido
Processo supra-supra:
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Reações de Cicloadição
(simétrico)
(anti-simétrico)
(anti-simétrico)
s sssp
s sssss
p
s ssspp
(anti-simétrico)
(anti-simétrico)
(simétrico)
Regras de seleção: diagrama de correlação de estados
F = 1
2
1
M2 = 122
212 > 2123
21 = M1
LUMOetileno = a b
LUMObutadieno = a 0.68b
Processo fotoquímico excitando-se o dieno é proibido (elevada barreira energética). Processo fotoquímico excitando-se o etileno é permitido.
p
s1* + s2*
s1* - s2*
s1 + s2
s1 - s2
p
Processo supra-supra:
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Reações de Cicloadição
p p
(anti-simétrico/
anti-simétrico)
p p (simétrico/ simétrico)
p p (simétrico/ anti-simétrico)
p p
(anti-simétrico/
simétrico)
s s (simétrico/
simétrico)
s s (anti-simétrico/
simétrico)
s s
(simétrico/
anti-simétrico)
s s
(anti-simétrico/
anti-simétrico)
Regras de seleção: diagramas de correlação de OMs Processo térmico: proibido
Processo fotoquimico: permitido
+
P2
P1
[2+2]SS
Processo supra-supra:
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Reações de Cicloadição
Térmico Fotoquímico excitando 1 olefina
Fotoquímico excitando as 2 olefinas
SS
SA
AS
AA
AA
SA
AS
SS
SS
SA
AS
AA
AA
SA
AS
SS
SS
SA
AS
AA
AA
SA
AS
SS
+[2+2]
Supra-Supra
condições
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Reações de Cicloadição
Seletividade endo/ exo:
As interações HOMO-LUMO podem explicar igualmente a seletividade endo/exo
No caso da dimerização do butadieno: ataque endo preferencial
2' 2'
1'
4'
1
23
LUMO
HOMO
HOMO
LUMO
1'
4'
1
23
L. Salem, J. Am. Chem. Soc. 1968, 90, 543.
Salem:
2' 2'
1'
4'
1
23
LUMO
HOMO
HOMO
LUMO
1'
4'
1
23
Ataque endo:
2'
1'
4'
Ataque exo:
LUMO
1'
1
2
3HOMO
2'HOMO
1'
4'
1
2
3 LUMO
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Seletividade endo/ exo:
Reações de Cicloadição
endo
exo
E
coordenadade reação
H. Kwart, I. Burchuk, J. Am. Chem. Soc. 1952, 74, 3094.
+[6+4]
(SS)
interações primárias atrativas
interações secundárias repulsivas
HOMO
LUMO
2
5LUMO
2
5
HOMO
2'
3'
2'
3'
O+
HNO
O
O
HN
O
O
O
NH
O
O
90 °C
25 °Cendo
exo
90 °C
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Reações de Cicloadição
Regioseletividade: +
CO2MeCO2Me +
CO2Me
72% 28%
Fatores estéricos são importantes, mas não explicam muitas vezes a regioseletividade observada
Efeitos eletrônicos frequentemente superam em importância os efeitos estéricos
+
s1
s2
interações entre os OF
primeira ligação, s
é orientadasegunda ligação, s
é orientada
Formação de ligações dessincronizada
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Reações de Cicloadição
Regioseletividade:
MeO
CO2Et+
1
4
1'
2'
MeO
CO2Et
MeO
MeO
LUMO
HOMO
0.55
0.62
0.67
-0.52
CO2Et
CO2Et
0.58
0.58
0.67
-0.29LUMO
HOMOa b
a 0.b
a 0.6b
a 0.6b
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Reações de Cicloadição
Regioseletividade:
Para se convencer numericamente:
LUMO 1
HOMO 1
LUMO 2
HOMO 2
E HOMO 2E HOMO 1
DIENO DIENÓFILO
MeO
CO2Me+
1
4
1'
2'
MeO
CO2Me
11'
4
2'
MeO
CO2Me
0.55
0.62
0.67
-0.29
MeO0.67
-0.52
a + 0.545b
a - 0.652b
a - 0.436b
a + b CO2Me
0.58
0.58
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Reações de Cicloadição
Regioseletividade:
Em geral, existe sempre uma interação HOMO-LUMO favorecida com relação a outra. Uma vez que se determina qual é, deve-se encontrar a ligação que é formada primeiro ligando os atomos que possuem os coeficientes mais importantes. Em princípio, nenhum cálculo de estabilização é necessário, se as diferenças de níveis energéticos são suficientemente grandes. Na maior parte dos casos, a interação mais favorável é a que envolve a HOMO do dieno e a LUMO do dinófilo, que é chamada de Diels-Alder à demanda normal de elétrons. Se a interação mais favorável ocorre entre a LUMO do dieno e a HOMO do dienofilo, a cicloadição é dita à demanda inversa.
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Reações de Cicloadição
Regioseletividade: generalização
LUMO 1
HOMO 1
LUMO 2
HOMO 2
E HOMO 2
E HOMO 1
DIENO DIENÓFILO
Diels-Alder à demanda normal
LUMO 1
HOMO 1
LUMO 2
HOMO 2
E HOMO 2
E HOMO 1
DIENO DIENÓFILO
Diels-Alder à demanda inversa
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Reações de Cicloadição
As velocidades das reações
K. Alder estabeleceu que a velocidade de uma cicloadição cresce quando o dieno é rico e o dienófilo é pobre em elétrons (demanda normal). Mas da mesma forma, o inverso, um dieno pobre e um dienófilo rico também aumenta a velocidade de reação (demanda inversa).
A aproximação HOMO A - LUMO B é mais importante que o afastamento LUMO A - HOMO B
HOMO A
LUMO A
LUMO B
HOMO B
HOMO A
LUMO A
LUMO B
HOMO B
molécula A molécula B molécula A molécula B
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Reações de Cicloadição
Catálise com ácidos de Lewis
O
O
O
AlCl3 (cat)+
O O
O1960:
O
aO = a + bCC
bCO = bCC
AlCl3
aO = a + 1.5bCC
bCO = 0.7bCC
O AlCl3
O O AlCl3
LUMO
HOMOLUMO
HOMO
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Reações de Cicloadição
Estereoquímica relativa:
R1
R1
R2
R2
[4s + 2s]
exo R1
R1
R2R2
HH R2
R2
R1
R1
R1
R1 [4s + 2s]
endo R1
R1
HH R2
R2
R1
R1
R2
R2
R2R2
(meso)
(meso)
HH
H
H
R1
R1 R2 [4s + 2s]
exo ou endo R1
R1R2
HH R2
R2
R1
R1
(+ enantiômero)
R2
R2H
H
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Reações de Cicloadição
Estereoquímica relativa:
R1
R1 [4s + 2a]
h
exo R1
R1
H
R2
HH R2
R2
R1
R1
(+ enantiômero)
HR2R2
R2
a)
R1
R1 [4s + 2a]
h
endo R1
R1
R2H
HH R2
R2
R1
R1
(+ enantiômero)
R2
HR2
R2
b)enantiômeros
R1
R1 [4s + 2a]
R1
R1
HH R2
R2
R1
R1R2R2
(meso)
R1
R1 [4s + 2a]
R1
R1R2
HH R2
R2
R1
R1
(meso)
H
H
H
HR2
R2
R2
R2
R2
h
h
endo ou exo
endo ou exo
c)
d)
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Reações de Cicloadição
Como saber qual é o produto endo/exo?
Uma regra mnemônica:
EWGB
A
+EWG
B A[4+2],
endo
BA
EWG
Pense em:
EWG
B A
exo
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Reações de Cicloadição
Sistemas heteronucleares
A substituição de um átomo de carbono por um heteroelemento mais eletronegativo conduz ao abaixamento dos níveis de energia dos OF.
a a a
a b
a b
a 0.b
a 0.8b
a .8b
a
a .68b
a 0.68b
H
HH
H
N
H
H
HO
H
H
a b
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Reações de Cicloadição
Sistemas heteronucleares, heterodienófilos:
Exemplos: MeO+
O
CO2MeH
O
MeO CO2Me
N CO2Me
RMe2SiO
O
NCO2Me
RMe2SiO
O
H
S
N
HN N
Se P
N O
N S
OExemplos de heterodienófilos:
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Reações de Cicloadição Sistemas heteronucleares, heterodienófilos:
O+
OMe O OMe
LUMO HOMOdemandainversa
Exemplos:
N
+X N X
HOMO LUMOdemandanormal
NMe2
Me
NMe2
Me
X = CN, COMe
EDG
S
N
O
N
N
Exemplos de heterodienos:
N +OEt N OEt
LUMO HOMOdemandainversa
SO2R SO2REWG
EtO2C EtO2C
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Reações de Cicloadição
Dipolos 1,3: A
BC A
BC A
BC
CN
O CN
O CN
O
R R
Espécies à 4e p
AB
C
isoeletrônicos
Dipolos 1,3 podem ser estáveis ou gerados in situ. Reagem com sistemas a 2e p
em cicloadições de [3+2] para formar os heterociclos correspondentes.
BA
C+
E
D
ECB
A D
[3+2]O
O
O+
[3+2] OO
O
OO
O
O O
OMe2S ou PPh3, etcO O
+
[3+2]
retro-[3+2]
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Reações de Cicloadição
Carbenos e a ciclopropanação: a reação de carbenos com olefinasdando origem a ciclopropanos é igualmente uma reação de cicloadição
Carbenos podem existir em dois estados singlete e triplete.
CRR
RR
RRReação estereoespecifica:
Em condições térmicas, essa adição deveria ser proibida
Entretanto: Aproximação não-linear é possivel!
RR
HOMOHOMOLUMO LUMO
RR
R
R
HOMOHOMOLUMO LUMO
R
R
Carbeno singlete
R
R
R
R LUMO
HOMO
CRR
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Reações de Cicloadição
Teoria dos OFs e Caminho reacional:
Como no caso das reações eletrocíclicas, nós podemos nos perguntar sobre o limite de validade da teoria de OFs para prever o caminho reacional mais favorável. Nós nos colocamos mais uma vez no caso do postulado de Hammond: mais a geometria dos produtos de partida é próxima do ET, mais a teoria dos OFs poderá ser considerada como válida. Entretanto, encontraremos alguns casos onde o processo é endotérmico e a estrutura do ET é mais próxima dos produtos de chegada. Assim, devemos ser cautelosos.
R
P
ET1
ET2
Bem raro!
E
caminhoreacional
R
P
ET1
ET2
A maior parte dos casos
E
caminhoreacional
Igualmente: