Química universitária — 1.º ano · Bachelor Year 1

22Álcoois: ativar o grupo OH

Os álcoois estão por toda parte: produzidos às toneladas a partir dos alcenos e da fermentação, fornecidos por toda adição de Grignard do capítulo anterior. No entanto, um álcool não sofre substituição como um haloalcano: o grupo OH teria de sair como íon hidróxido, uma base forte e um péssimo grupo de saída (Capítulo 19). Os químicos têm três respostas. Retirar o próton do OH, e o alcóxido se torna um nucleófilo poderoso. Adicionar um próton, e o grupo de saída passa a ser a água. Ou substituir o hidrogênio por um grupo que faz do oxigênio parte de um excelente grupo de saída, sem tocar no carbono. Este capítulo segue os três caminhos, e as escolhas de mecanismo e de estereoquímica que vêm com eles.

O que você já sabe

SN1, SN2 e sua estereoquímica (Capítulo 19); E1, E2 e a regra de Zaitsev (Capítulo 20); constantes de acidez e o método da reação predominante (Capítulo 10); o efeito dos grupos alquila sobre a acidez dos álcoois (Exercício 18.11).

22.1 Os álcoois como ácidos: os alcóxidos

Definição 22.1 (Alcóxido)

Um alcóxido é a base conjugada $\ce{RO-}$ de um álcool $\ce{ROH}$ : metóxido $\ce{CH3O-}$ , etóxido $\ce{CH3CH2O-}$ , terc-butóxido $\ce{(CH3)3CO-}$ . Os alcóxidos são bases fortes e bons nucleófilos.

Proposição 22.2 (Acidez dos álcoois)

Os álcoois são ácidos mais fracos que a água, ou quase tão fracos quanto ela: $\mathrm{p}K_a$ 15.5 (metanol), 15.9 (etanol), 17.1 (propan-2-ol), 19.2 (2-metilpropan-2-ol), contra 14.0 para o par $\ce{H2O}$ / $\ce{OH-}$ . O hidróxido, portanto, só os desprotona em parte; uma conversão completa em alcóxido exige uma base mais forte ou um metal alcalino.

Demonstração. A reação $\ce{ROH + OH- <=> RO- + H2O}$ tem $K = 10^{14.0 - \mathrm{p}K_a(\ce{ROH})}$ , entre $10^{-1.5}$ e $10^{-5}$ : desfavorável. O sódio metálico reduz o próton, $\ce{2ROH + 2Na -> 2RO- + 2Na+ + H2}$ , e o íon hidreto do hidreto de sódio o captura de modo irreversível, $\ce{ROH + H- -> RO- + H2}$ : o hidrogênio escapa, e a reação é completa qualquer que seja sua constante de equilíbrio. ∎

No laboratório — Hidreto de sódio

O hidreto de sódio é vendido como um pó cinzento disperso em óleo mineral, que o protege da umidade do ar. Ele reage violentamente com a água, liberando hidrogênio inflamável; é pesado rapidamente, adicionado em porções ao álcool seco sob gás inerte, e o borbulhamento do hidrogênio mostra o avanço da desprotonação. O excesso de hidreto é destruído no fim pela adição lenta de um álcool, nunca de água.

22.2 A síntese de Williamson de éteres

Definição 22.3 (Síntese de Williamson de éteres)

A síntese de Williamson de éteres prepara um éter $\mathrm{R{-}O{-}R'}$ por uma reação SN2 de um alcóxido $\ce{RO-}$ com um haloalcano (ou um éster sulfonato) $\mathrm{R'{-}X}$ .

Síntese de Williamson do metoxietano: o etóxido ataca o carbono do iodometano pelo lado oposto ao iodo (SN2).

Método 22.4 (Escolher os dois parceiros)

Um éter $\mathrm{R{-}O{-}R'}$ pode ser cortado de um lado ou do outro do oxigênio.

Escreva os dois pares possíveis: $\ce{RO-}$ com $\mathrm{R'X}$ , e $\mathrm{R'O^-}$ com $\ce{RX}$ .
Fique com o par em que o haleto é metílico ou primário: a SN2 precisa de um carbono pouco impedido.
Rejeite um par com haleto terciário: o alcóxido, uma base forte, provocaria eliminação (E2).
Com um haleto secundário, espere uma mistura de éter e alceno.

Exemplo 22.5 (Um éter assimétrico)

2-Metoxi-2-metilpropano (éter metil-terc-butílico): o terc-butóxido de sódio com o iodometano o forma de modo limpo; o metóxido de sódio com o brometo terciário, o 2-bromo-2-metilpropano, dá 2-metilpropeno por E2. Volumoso do lado do alcóxido, pequeno do lado do haleto.

22.3 Ativar o grupo OH

Definição 22.6 (Ésteres sulfonatos)

Um éster sulfonato $\mathrm{R{-}O{-}SO_2{-}R'}$ forma-se a partir de um álcool e de um cloreto de sulfonila $\mathrm{R'SO_2Cl}$ na presença de uma base (piridina). O tosilato, $\ce{R-OTs}$ , vem do cloreto de 4-metilbenzenossulfonila (cloreto de tosila); o mesilato, $\ce{R-OMs}$ , do cloreto de metanossulfonila. O ânion sulfonato $\mathrm{R'SO_3^-}$ , base conjugada de um ácido forte e estabilizado por ressonância sobre três oxigênios, é um excelente grupo de saída.

Tosilação de um álcool. A ligação O–H é substituída por O–S; a ligação C–O do álcool não é tocada. A piridina captura o HCl formado.

Proposição 22.7 (A configuração na tosilação e na substituição)

A tosilação de um álcool em um carbono estereogênico conserva sua configuração (retenção); uma substituição SN2 posterior do tosilato a inverte. As duas etapas juntas substituem OH por um nucleófilo com inversão.

Demonstração. Na tosilação, as ligações que mudam são O–H e S–Cl: o oxigênio do álcool ataca o enxofre e seu hidrogênio vai para a base. Nenhuma ligação do carbono estereogênico é rompida, de modo que o arranjo em torno dele permanece o mesmo. Na etapa SN2, a ligação C–O se rompe enquanto o nucleófilo se liga pelo lado oposto (Proposição 19.4). ∎

Do (S)-butan-2-ol à 2-metilbutanonitrila: a tosilação conserva a configuração, a etapa SN2 com o cianeto a inverte. No total: OH substituído por CN com inversão.

O mesmo objetivo pode ser atingido em meio ácido: o grupo OH, protonado, sai como água, $\ce{R-OH2+ -> R+ + H2O}$ (SN1, E1) ou sob ataque (SN2). O ácido, porém, limita o nucleófilo aos que sobrevivem a ele — íons haleto, água, álcoois — e abre a porta aos carbocátions e às suas reações secundárias.

22.4 Conversão em haloalcanos

Proposição 22.8 (Álcoois e haletos de hidrogênio)

Os álcoois terciários dão o haloalcano com ácido clorídrico concentrado à temperatura ambiente (SN1); os álcoois primários precisam de ácido bromídrico ou iodídrico e de aquecimento (SN2 sobre o álcool protonado); os álcoois secundários reagem com velocidades intermediárias, muitas vezes pelos dois mecanismos.

Demonstração. A protonação transforma OH em $\ce{-OH2+}$ . Para um álcool terciário, a água sai facilmente, dando um carbocátion estável capturado pelo haleto (SN1): até o modesto nucleófilo $\ce{Cl-}$ basta. Um carbocátion primário é instável demais; o haleto precisa empurrar a água para fora por trás (SN2), o que exige um bom nucleófilo ( $\ce{Br-}$ , $\ce{I-}$ , melhores que $\ce{Cl-}$ em meio prótico, Proposição 18.12) e calor. ∎

Exemplo 22.9 (Um teste de classificação)

Uma mistura de ácido clorídrico concentrado e cloreto de zinco (um ácido de Lewis que ajuda o OH a sair) turva um álcool terciário de imediato — o cloreto insolúvel se separa —, um álcool secundário em alguns minutos, e um álcool primário quase nada à temperatura ambiente: a ordem de estabilidade dos carbocátions tornada visível em um tubo de ensaio.

22.5 Desidratação e formação de éteres em meio ácido

Definição 22.10 (Desidratação de um álcool)

A desidratação de um álcool é a eliminação de água, catalisada por um ácido forte (ácido sulfúrico ou fosfórico) e pelo calor, que dá um alceno: $\mathrm{R_2CH{-}CR'_2OH} \to \mathrm{R_2C{=}CR'_2} + \ce{H2O}$ .

Desidratação do 2-metilbutan-2-ol catalisada por ácido (E1): protonação, perda de água até o carbocátion terciário, perda de um próton. Retirar o próton do CH2 dá o 2-metilbut-2-eno trissubstituído (Zaitsev, majoritário); retirá-lo de um grupo metila, o 2-metilbut-1-eno (minoritário). — Desidratação do 2-metilbutan-2-ol catalisada por ácido (E1): protonação, perda de água até o carbocátion terciário, perda de um próton. Retirar o próton do $\ce{CH2}$ dá o 2-metilbut-2-eno trissubstituído (Zaitsev, majoritário); retirá-lo de um grupo metila, o 2-metilbut-1-eno (minoritário).

Proposição 22.11 (Éter ou alceno)

Um álcool primário aquecido com ácido sulfúrico dá principalmente um éter simétrico a temperatura moderada (uma molécula substituindo outra por SN2) e principalmente um alceno a temperatura mais alta; os álcoois secundários e terciários dão alcenos.

Demonstração. Para um álcool primário, o álcool protonado pode ser atacado no carbono por uma segunda molécula de álcool (SN2, dando $\ce{R-O-R}$ após a perda de um próton) ou em um hidrogênio $\beta$ (E2). A eliminação produz mais moléculas do que consome e é favorecida à medida que a temperatura sobe (Proposição 20.10); a substituição domina quando ela é mais baixa. Os álcoois secundários e terciários se ionizam em carbocátions, que perdem um próton mais facilmente do que são capturados por um nucleófilo fraco, tanto mais quanto mais se aquece; a água formada também é removida pela destilação do alceno volátil. ∎

22.6 Exercícios

Exercício 22.1 ★

Escreva as reações do etanol com o sódio, com o hidreto de sódio e com o hidróxido de sódio; calcule a constante da última ( $\mathrm{p}K_a$ do etanol 15.9).

Solução

Solução de Exercício 22.1.

$\ce{2CH3CH2OH + 2Na -> 2CH3CH2O- + 2Na+ + H2}$ ; $\ce{CH3CH2OH + NaH -> CH3CH2O- + Na+ + H2}$ ; $\ce{CH3CH2OH + OH- <=> CH3CH2O- + H2O}$ , $K = 10^{14.0 - 15.9} = 10^{-1.9}$ : parcial.

Exercício 22.2 ★

Dê os produtos de: metóxido de sódio com 1-bromopropano; etóxido de sódio com iodometano; fenóxido de sódio com bromoetano.

Solução

Solução de Exercício 22.2.

1-Metoxipropano; metoxietano; etoxibenzeno (o fenóxido, base mais fraca que um alcóxido, continua sendo um bom nucleófilo).

Exercício 22.3 ★

Escreva a tosilação do propan-1-ol e a reação do tosilato com o iodeto de sódio. Qual é a vantagem sobre a reação direta do álcool com o iodeto de sódio?

Solução

Solução de Exercício 22.3.

A tosilação em piridina dá $\ce{CH3CH2CH2OTs}$ ; depois

\ce{CH3CH2CH2OTs + I- -> CH3CH2CH2I + TsO-}.

Diretamente, o iodeto teria de expulsar $\ce{OH-}$ : nenhuma reação. O tosilato tem um excelente grupo de saída, e as condições não são nem ácidas nem fortemente básicas.

Exercício 22.4 ★

Dê os alcenos formados pela desidratação ácida do butan-2-ol e do 2-metilpentan-2-ol, e o majoritário.

Solução

Solução de Exercício 22.4.

Butan-2-ol: but-1-eno, (Z)- e (E)-but-2-eno; majoritário: (E)-but-2-eno. 2-Metilpentan-2-ol: 2-metilpent-2-eno (majoritário, trissubstituído) e 2-metilpent-1-eno.

Exercício 22.5 ★★

Proponha uma síntese de Williamson do 1-etoxi-2-metilpropano e explique sua escolha de parceiros. Por que a outra escolha daria um alceno?

Solução

Solução de Exercício 22.5.

$\ce{(CH3)2CHCH2-O-CH2CH3}$ : 2-metilpropan-1-olato de sódio com bromoetano, ou etóxido de sódio com 1-bromo-2-metilpropano. Os dois haletos são primários, mas o 1-bromo-2-metilpropano é ramificado ao lado do carbono que reage, o que torna a SN2 mais lenta e deixa a base forte eliminar (2-metilpropeno). A primeira escolha é melhor.

Exercício 22.6 ★★

O (R)-octan-2-ol é convertido em seu tosilato e depois tratado com etóxido de sódio em etanol. Dê a configuração do éter. O que se obteria aquecendo o mesmo álcool com ácido sulfúrico?

Solução

Solução de Exercício 22.6.

O tosilato conserva a configuração (R); a SN2 com o etóxido a inverte: (S)-2-etoxioctano (OEt é o primeiro na ordem, como era OTs). Com ácido sulfúrico e calor: eliminação em octenos (principalmente o (E)-oct-2-eno), via um carbocátion secundário, com perda da estereoquímica.

Exercício 22.7 ★★

Escreva o mecanismo da reação do 2-metilpropan-2-ol com ácido clorídrico concentrado e explique por que a reação é rápida à temperatura ambiente.

Solução

Solução de Exercício 22.7.

Protonação do OH; perda de água até o carbocátion terciário (lenta); captura por $\ce{Cl-}$ : 2-cloro-2-metilpropano. Rápida porque o carbocátion terciário é estável e o cloreto, insolúvel no ácido, se separa.

Exercício 22.8 ★★

Escreva o mecanismo da formação do etoxietano a partir do etanol em ácido sulfúrico, e o da eliminação concorrente.

Solução

Solução de Exercício 22.8.

$\ce{CH3CH2OH + H+ -> CH3CH2OH2+}$ ; um segundo etanol ataca o carbono por trás enquanto a água sai (SN2): $\ce{(CH3CH2)2OH+}$ , que perde um próton: etoxietano. Concorrente: uma base (etanol, $\ce{HSO4-}$ ) retira um próton $\beta$ de $\ce{CH3CH2OH2+}$ enquanto a água sai (E2): eteno.

Exercício 22.9 ★★

No teste de classificação deste capítulo, qual álcool, entre o butan-1-ol, o butan-2-ol e o 2-metilpropan-2-ol, turva primeiro? Escreva o produto.

Solução

Solução de Exercício 22.9.

2-Metilpropan-2-ol (terciário), dando 2-cloro-2-metilpropano, insolúvel.

Exercício 22.10 ★★★

O 3,3-dimetilbutan-2-ol, aquecido em meio ácido, dá principalmente o 2,3-dimetilbut-2-eno, cujo esqueleto carbônico difere do do álcool. Proponha um mecanismo com um deslocamento 1,2 de um grupo metila no carbocátion, e justifique esse deslocamento.

Solução

Solução de Exercício 22.10.

A protonação e a perda de água dão um carbocátion secundário vizinho de um carbono quaternário. Um grupo metila desse carbono migra com seu par ligante para o carbono catiônico: a carga positiva fica agora em um carbono terciário, mais estável. A perda de um próton de um carbono vizinho dá o 2,3-dimetilbut-2-eno tetrassubstituído, o alceno mais estável.

Exercício 22.11 ★★★

Planeje uma síntese do (S)-2-metoxibutano a partir do (R)-butan-2-ol, e outra a partir do (S)-butan-2-ol, mantendo em cada uma a configuração sob controle.

Solução

Solução de Exercício 22.11.

A partir do (R)-butan-2-ol: tosilato ((R)), depois metóxido de sódio (SN2, inversão): (S)-2-metoxibutano. A partir do (S)-butan-2-ol: prepare o alcóxido (NaH) e adicione iodometano: a ligação C–O estereogênica não é tocada, e de novo se obtém o (S)-2-metoxibutano.

Exercício 22.12 ★★★

Mostre que o equilíbrio $\ce{2CH3CH2OH <=> (CH3CH2)2O + H2O}$ pode ser deslocado para o éter removendo a água continuamente, usando o quociente de reação (Capítulo 7).

Solução

Solução de Exercício 22.12.

$Q = [\text{éter}][\ce{H2O}]/[\ce{EtOH}]^2$ . Remover a água à medida que ela se forma mantém $[\ce{H2O}]$ e $Q$ pequenos: $Q < K$ e a reação continua formando éter até o álcool ser consumido.

22.7 Problema: dois caminhos para um éter

Problema 22.1

Problema de fim de semana — as duas rotas de Williamson para o éter metil-terc-butílico, um éter de estereoquímica controlada a partir de um álcool opticamente ativo, a desidratação de um álcool terciário e a massa de éter obtida

O 2-metoxi-2-metilpropano (éter metil-terc-butílico, MTBE) foi produzido em grande escala como aditivo de combustível. Massas molares ( $\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ): $\ce{C4H10O}$ 74.0, $\ce{C5H12O}$ 88.0, $\ce{CH3I}$ 141.9.

Parte I — O MTBE pela síntese de Williamson.

Escreva os dois pares de parceiros (alcóxido e haleto) que poderiam dar o MTBE.
Qual par fracassa? Escreva a reação que ocorre em seu lugar.
Escreva a reação bem-sucedida e seu mecanismo.
Como se prepara o terc-butóxido de sódio a partir do 2-metilpropan-2-ol? Por que não com hidróxido de sódio?
Por que a reação é feita no álcool seco ou em um solvente aprótico?
O produto é quiral?

Parte II — Um éter opticamente ativo.

O (R)-butan-2-ol é convertido em seu tosilato. Escreva a reação e dê a configuração do tosilato.
O tosilato reage com o metóxido de sódio. Escreva o produto e sua configuração.
Qual configuração do álcool dá o (R)-2-metoxibutano pelo mesmo caminho?
Outro caminho: o alcóxido do (R)-butan-2-ol com o iodometano. Configuração do produto? Por quê?
Que reação secundária concorre na questão 8, e por que ela é limitada aqui?
Por que aquecer o (R)-butan-2-ol com metanol em ácido sulfúrico daria um éter quase racêmico, se é que daria algum?

Parte III — Desidratação de um álcool terciário.

Escreva o mecanismo da desidratação ácida do 2-metilbutan-2-ol.
Dê os dois alcenos e preveja o majoritário.
Por que nenhum éter se forma a partir deste álcool?
Por que o 2-metilbut-2-eno é destilado à medida que se forma?
Desenhe o perfil de energia da etapa E1 e indique a etapa determinante da velocidade.
Um álcool primário poderia ser desidratado pelo mesmo mecanismo?

Parte IV — Massas.

$10.0\,\mathrm{g}$ de 2-metilpropan-2-ol são convertidos no alcóxido. Calcule a quantidade de matéria.
Que massa de iodometano é necessária para um excesso de $10\,\%$ ?
Calcule a massa teórica de MTBE.
Calcule a massa obtida para um rendimento de $75\,\%$ .

Solução

Solução de Problema 22.1.

1. Terc-butóxido de sódio com um haleto de metila; metóxido de sódio com um haleto de terc-butila. 2. O segundo: o metóxido, uma base forte, provoca eliminação no haleto terciário, $\ce{(CH3)3CBr + CH3O- -> (CH3)2C=CH2 + CH3OH + Br-}$ . 3. $\ce{(CH3)3CO- + CH3I -> (CH3)3COCH3 + I-}$ : o oxigênio do alcóxido ataca o carbono do metila por trás enquanto o iodeto sai (SN2). 4. Com sódio (ou hidreto de sódio): $\ce{2(CH3)3COH + 2Na -> 2(CH3)3CO- + 2Na+ + H2}$ . O hidróxido é uma base fraca demais: $K = 10^{14.0 - 19.2} = 10^{-5.2}$ . 5. A água protonaria o alcóxido e atacaria o haleto. 6. Não: nenhum centro estereogênico. 7. (R)-butan-2-ol + TsCl (piridina) $\to$ tosilato de (R)-butan-2-ila: retenção. 8. (S)-2-metoxibutano, por inversão SN2. 9. (S)-butan-2-ol. 10. (R)-2-metoxibutano: a ligação C–O do carbono estereogênico é conservada; só a ligação O–C(metila) se forma. 11. A E2 (o metóxido é uma base forte e o carbono é secundário), que dá butenos; limitada pela base pequena, por um excelente grupo de saída e por uma temperatura moderada. 12. O álcool protonado se ioniza em um carbocátion secundário plano, capturado pelas duas faces pelo metanol: éter racêmico, acompanhado de butenos. 13. Protonação do OH, perda de água (lenta) até o carbocátion terciário, perda de um próton $\beta$ . 14. 2-Metilbut-2-eno (majoritário, trissubstituído) e 2-metilbut-1-eno. 15. Um carbocátion terciário é impedido e perde um próton muito mais facilmente do que outra molécula de álcool consegue atacá-lo. 16. Para remover um produto: com $Q$ mantido pequeno a reação continua, e o alceno não fica em contato com o ácido. 17. Uma primeira barreira alta (perda de água, determinante) até o carbocátion, depois uma barreira pequena até o alceno. 18. Não: um carbocátion primário é instável demais; os álcoois primários eliminam por E2 sobre o álcool protonado, a temperatura mais alta. 19. $10.0/74.0 = 0.135\,\mathrm{mol}$ . 20. $1.10 \times 0.135 \times 141.9 = 21.1\,\mathrm{g}$ . 21. $0.135 \times 88.0 = 11.9\,\mathrm{g}$ . 22. $0.75 \times 11.9 =$ $8.9\,\mathrm{g}$ de MTBE.

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