Química universitária — 2.º ano · Bachelor Year 2
27Wittig e outras reações que formam C=C
A fêmea da mosca doméstica atrai os machos com um hidrocarboneto de 23 carbonos que leva uma única ligação dupla, entre os carbonos 9 e 10, de geometria (Z). Para prepará-lo em quantidade, o químico precisa colocar essa ligação dupla exatamente ali, e com essa geometria: uma eliminação a espalharia por várias posições e daria as duas geometrias. Este capítulo constrói as ligações duplas pelo outro caminho, unindo dois pedaços em um grupo carbonila, de modo que a ligação dupla aparece onde estava a .
O que você já sabe
Capítulo 25: a condensação aldólica. Capítulo 21: a hidrogenação de um alcino a alceno (Z) sobre um catalisador envenenado. O volume do 1.º ano: E1, E2 e a regra de Zaitsev, a substituição bimolecular, os reagentes de Grignard e a inversão de polaridade, os descritores (Z)/(E). O volume escolar: a economia atômica.
27.1 Sais de fosfônio e ilídeos
Definição 27.1 (Ilídeos de fosfônio)
Um sal de fosfônio é preparado por substituição bimolecular de um haloalcano por uma fosfina, em geral a trifenilfosfina . Retirar um hidrogênio do carbono ligado ao fósforo dá um ilídeo de fosfônio, uma molécula neutra com cargas opostas adjacentes, , também escrita . Um ilídeo estabilizado leva nesse carbono um grupo retirador de elétrons (um éster, uma cetona, uma nitrila) que deslocaliza a carga negativa.
Proposição 27.2 (Preparar o ilídeo)
Um sal de fosfônio é muito mais ácido no carbono vizinho do fósforo que um alcano. Um sal de alquilfosfônio simples ainda exige uma base muito forte (butil-lítio, hidreto de sódio, amideto de sódio) em condições anidras e inertes; um sal cujo leva também um grupo carbonila é desprotonado por uma base fraca (carbonato de sódio, hidróxido de sódio), e o ilídeo estabilizado formado pode ser isolado e armazenado.
Raciocínio. O fósforo positivo vizinho do carbânion o estabiliza por sua carga e pela polarizabilidade do grande átomo de fósforo: um ilídeo simples é um carbânion estabilizado, mas menos que um enolato, daí a base forte. Uma carbonila adjacente espalha a carga negativa sobre o oxigênio, como em um enolato (Proposição 25.4), além do fósforo: o ácido conjugado torna-se ácido o bastante para uma base fraca, e o ilídeo, muito menos básico, já não reage com a água nem com o ar. ∎
27.2 A reação de Wittig
Definição 27.3 (Reação de Wittig)
A reação de Wittig de um ilídeo de fosfônio com um aldeído ou uma cetona dá um alceno e o óxido de trifenilfosfina:
Ela passa por um oxafosfetano, um anel de quatro membros formado pelo fósforo, dois carbonos e o oxigênio, criado quando o carbono do ilídeo se liga ao carbono carbonílico enquanto o oxigênio carbonílico se liga ao fósforo.
Proposição 27.4 (Uma ligação dupla exatamente no lugar)
Em uma reação de Wittig, a nova ligação une o antigo carbono carbonílico ao antigo carbono do ilídeo, e em nenhum outro lugar.
Raciocínio. As únicas ligações formadas e rompidas são as do anel de quatro membros: o carbono do ilídeo com o carbono carbonílico, depois as ligações e . Nenhum hidrogênio se desloca e nenhum carbocátion ou carbânion se forma ao longo da cadeia, de modo que a ligação dupla não pode migrar. Uma eliminação, ao contrário, escolhe entre os hidrogênios de vários carbonos vizinhos (regra de Zaitsev), e uma reação E1 pode sofrer rearranjo. ∎
Proposição 27.5 (Força motriz)
A formação da ligação do óxido de trifenilfosfina torna a reação de Wittig fortemente favorável e irreversível.
Raciocínio. A reação troca uma ligação e uma ligação (no ilídeo, a é sobretudo uma ligação simples ) por uma ligação e uma ligação . A ligação de um óxido de fosfina é muito forte, muito mais forte que a ligação perdida, e a perdida é compensada em parte pela formada: o balanço é claramente descendente. O fósforo é o sorvedouro de oxigênio da reação. ∎
27.3 Estereosseletividade
Proposição 27.6 (Geometria do alceno)
Com um aldeído, um ilídeo não estabilizado (, R um grupo alquila) dá sobretudo o alceno (Z), em condições isentas de sais. Um ilídeo estabilizado (, ) dá sobretudo o alceno (E). Um ilídeo estabilizado apenas por um grupo arila dá misturas.
Demonstração. Admitido neste nível. ∎
São observações. Sua explicação habitual lê a reação de Wittig como uma competição entre velocidades e estabilidades. Com um ilídeo reativo, não estabilizado, o oxafosfetano se forma de modo rápido e irreversível, pelo estado de transição menos congestionado, no qual os dois substituintes acabam do mesmo lado do anel; ele depois se desfaz conservando esse arranjo: o controle cinético dá o alceno (Z). Com um ilídeo estabilizado, a primeira etapa é mais lenta e reversível; os oxafosfetanos se interconvertem passando pelos reagentes de partida, e aquele que tem os substituintes em lados opostos, menos tensionado, vence: o alceno (E), sob controle termodinâmico.
27.4 A reação de Horner–Wadsworth–Emmons
Definição 27.7 (Fosfonatos e a reação HWE)
Um fosfonato é um éster de um ácido fosfônico, , com uma ligação . Ele é preparado pela reação de Michaelis–Arbuzov de um fosfito de trialquila com um haloalcano, . Na reação de Horner–Wadsworth–Emmons (HWE), o ânion de um fosfonato que leva um grupo retirador de elétrons em seu se adiciona a um aldeído e dá um alceno e um ânion fosfato de dialquila.
Proposição 27.8 (Por que os químicos gostam da reação HWE)
A reação HWE dá sobretudo o alceno (E), e seu subproduto fosforado, um sal solúvel em água, é eliminado por uma simples lavagem aquosa; o ânion fosfonato é também mais nucleofílico que o ilídeo estabilizado correspondente e reage também com as cetonas.
Raciocínio. O ânion fosfonato é um carbânion estabilizado, de modo que sua adição é reversível e a reação ocorre sob controle termodinâmico: (E), como com os ilídeos estabilizados. Ao contrário de um ilídeo de fosfônio, ele leva uma carga negativa inteira, não compensada por um cátion vizinho: ele é mais reativo. O subproduto, , é um sal iônico, enquanto o óxido de trifenilfosfina é um sólido orgânico neutro que precisa ser separado do produto por cromatografia ou cristalização. ∎
27.5 Escolher um método
Método 27.9 (Desconexão de Wittig)
- Corte a ligação do alvo; um carbono torna-se um carbono carbonílico, o outro o carbono do ilídeo (um sal de fosfônio, a partir de um haleto).
- Das duas maneiras de fazê-lo, prefira aquela cujo haleto é primário (substituição bimolecular pela ) e cujo composto carbonílico é um aldeído.
- Escolha o reagente pela geometria desejada: um ilídeo não estabilizado para (Z), um ilídeo estabilizado ou um fosfonato (HWE) para (E).
- Verifique que nada mais na molécula reage com a base usada.
Método 27.10 (Escolher uma reação que forma C=C)
| Método | Posição da | Geometria |
|---|---|---|
| Eliminação E2 ou E1 | regra de Zaitsev, misturas | sobretudo (E), misturas |
| Condensação aldólica | conjugada com | (E) |
| Wittig, ilídeo não estabilizado | na antiga | (Z) |
| Wittig, ilídeo estabilizado; HWE | na antiga | (E) |
| Alcino, depois catalisador envenenado | na antiga ligação tripla | (Z) |
Para unir dois pedaços de tamanho semelhante em uma , a reação de Wittig e suas parentes são em geral a primeira escolha; a metátese de olefinas, que troca as extremidades de dois alcenos, vem no volume do 3.º ano.
História — O ilídeo que se tornou reagente
Georg Wittig, estudando os ilídeos de fósforo no início dos anos 1950, descobriu que o metilidenotrifenilfosforano converte a benzofenona em 1,1-difenileteno e óxido de trifenilfosfina; com seu aluno Ulrich Schöllkopf, ele transformou a observação em método geral em 1954. A indústria a adotou depressa, entre outras para a vitamina A, e Wittig dividiu o Prêmio Nobel de Química de 1979.
Segurança
As soluções de butil-lítio são inflamáveis e corrosivas e reagem violentamente com a água; o hidreto de sódio libera hidrogênio com a água. A trifenilfosfina é nociva e corrosiva para os olhos, o fosfito de trietila inflamável e nocivo; o óxido de trifenilfosfina é nocivo.
27.6 Exercícios
Exercício 27.1 ★
Escreva a preparação do ilídeo a partir da trifenilfosfina e de um haloalcano.
Solução
Solução de Exercício 27.1.
(substituição bimolecular, aquecimento em um solvente), depois butil-lítio em éter anidro ou THF sob gás inerte: .
Exercício 27.2 ★
Dê os produtos da reação de Wittig do benzaldeído com o ilídeo preparado a partir do iodometano.
Solução
Solução de Exercício 27.2.
O ilídeo e o benzaldeído dão o fenileteno (estireno), , e o óxido de trifenilfosfina.
Exercício 27.3 ★
Classifique como estabilizado, não estabilizado ou estabilizado por arila: , , , . Qual deles exige butil-lítio?
Solução
Solução de Exercício 27.3.
e : estabilizados. : não estabilizado, o que exige butil-lítio (ou hidreto de sódio, amideto de sódio). : estabilizado por arila, preparado na prática com um alcóxido ou hidróxido, e que dá misturas de geometrias.
Exercício 27.4 ★
Dê o produto do fosfonoacetato de trietila, do hidreto de sódio e do propanal, com sua geometria.
Solução
Solução de Exercício 27.4.
(E)-pent-2-enoato de etila, , com fosfato de dietila e sódio.
Exercício 27.5 ★★
Deseja-se o metilidenociclo-hexano. Compare uma via de Wittig a partir da ciclo-hexanona com a desidratação, catalisada por ácido, do 1-metilciclo-hexan-1-ol.
Solução
Solução de Exercício 27.5.
Wittig: o ilídeo , preparado a partir do iodeto de metiltrifenilfosfônio e do butil-lítio, dá com a ciclo-hexanona apenas o metilidenociclo-hexano, com a ligação dupla fora do anel. A desidratação do 1-metilciclo-hexan-1-ol passa por um carbocátion terciário e perde o hidrogênio que dá o alceno mais substituído (Zaitsev): sobretudo 1-metilciclo-hexeno, o isômero errado.
Exercício 27.6 ★★
Desconecte o (E)-1,2-difenileteno (estilbeno) pela reação de Wittig. Por que a via de Wittig é uma má escolha para o (E)-estilbeno puro, e o que você usaria em seu lugar?
Solução
Solução de Exercício 27.6.
Os dois cortes são iguais: benzaldeído e o ilídeo benzilideno . Esse ilídeo é apenas estabilizado por arila e dá uma mistura (E)/(Z). Para o (E) puro, use a reação HWE do benzilfosfonato de dietila com o benzaldeído.
Exercício 27.7 ★★
O propanal reage com de um lado e com do outro. Dê os produtos e sua geometria principal.
Solução
Solução de Exercício 27.7.
Com : (Z)-pent-2-eno, , sobretudo (Z). Com : (E)-pent-2-enoato de etila, sobretudo (E).
Exercício 27.8 ★★
Calcule a economia atômica da metilenação da ciclo-hexanona por .
Solução
Solução de Exercício 27.8.
. Massas: metilidenociclo-hexano , óxido de trifenilfosfina ; economia atômica . Três quartos da massa dos reagentes saem como óxido de fosfina.
Exercício 27.9 ★★
Escreva a reação de Michaelis–Arbuzov do fosfito de trietila com o bromoetanoato de etila, em duas etapas: substituição pelo fósforo, depois desalquilação pelo brometo.
Solução
Solução de Exercício 27.9.
O fósforo, nucleofílico, desloca o brometo:
O brometo ataca então um carbono de um grupo etila do íon fosfônio (substituição bimolecular), liberando o bromoetano e formando a ligação :
Exercício 27.10 ★★★
Proponha uma síntese do 1,6-difenil-hexa-1,3,5-trieno a partir do (E)-but-2-enodial por duas reações de Wittig, e diga que ilídeo e em que quantidade.
Solução
Solução de Exercício 27.10.
: dois equivalentes do ilídeo benzilideno (a partir do cloreto de benziltrifenilfosfônio e de uma base), um para cada grupo aldeído. As novas ligações duplas se formam como misturas de geometrias; o isômero todo-(E), o mais estável, é isolado por cristalização, ou a mistura é isomerizada.
Exercício 27.11 ★★★
A (E)-4-fenilbut-3-en-2-ona pode ser preparada por uma condensação aldólica ou por uma reação de Wittig. Escreva as duas vias e compare-as.
Solução
Solução de Exercício 27.11.
Aldólica: benzaldeído com propanona em excesso e hidróxido de sódio (Capítulo 25); reagentes baratos, água como subproduto, produto (E), mas a condensação pode ocorrer duas vezes (dibenzalacetona) se a propanona não estiver em excesso. Wittig: benzaldeído com o ilídeo estabilizado ; (E), um só produto, sem dupla condensação, mas o ilídeo é caro e o óxido de trifenilfosfina precisa ser removido. A aldólica é aqui a melhor via.
Exercício 27.12 ★★★
Proponha duas vias para o (Z)-oct-4-eno, uma pela reação de Wittig e outra por meio de um alcino, e diga que subprodutos cada uma deixa.
Solução
Solução de Exercício 27.12.
Wittig: butanal com (a partir do 1-bromobutano, depois butil-lítio), sem sais: sobretudo (Z); subproduto, o óxido de trifenilfosfina, e um pouco de isômero (E). Alcino: oct-4-ino (a partir do etino por duas alquilações com 1-bromopropano e amideto de sódio) hidrogenado sobre um catalisador de paládio envenenado (Proposição 21.2): só (Z); os subprodutos são o brometo de sódio e a amônia das alquilações.
27.7 Problema: Um feromônio por Wittig
Problema 27.1
Problema de fim de semana — a retrossíntese de um alceno (Z), o ilídeo não estabilizado e sua seletividade, o custo em óxido de trifenilfosfina, e a alternativa do alcino
Alvo: o (Z)-tricos-9-eno, , o feromônio da mosca doméstica da introdução. Massas molares (): C 12.011, H 1.008, O 15.999, P 30.974, Br 79.904.
Parte I — Retrossíntese.
- Escreva a fórmula molecular do alvo e verifique que é um alceno.
- Que ligação uma desconexão de Wittig corta?
- Dê os dois pares possíveis (composto carbonílico, sal de fosfônio).
- Para o par nonanal + ilídeo, que haloalcano fornece o sal de fosfônio?
- Por que um haloalcano primário convém para esta etapa?
- Escreva a formação do sal de fosfônio.
Parte II — O ilídeo e a geometria.
- Que base desprotona esse sal? Por que o hidróxido de sódio não serviria?
- O ilídeo é estabilizado? Que geometria isso prevê?
- Escreva o oxafosfetano formado com o nonanal.
- Por que a reação deve ser conduzida em meio anidro e sob gás inerte?
- Por que a ligação dupla termina exatamente entre os carbonos 9 e 10?
- O que daria em vez disso a desidratação, catalisada por ácido, do tricosan-9-ol?
Parte III — O óxido de trifenilfosfina.
- Escreva a equação global a partir do ilídeo e do nonanal.
- Calcule as massas molares do alvo, do nonanal, do sal de fosfônio e do óxido de trifenilfosfina.
- Calcule a economia atômica da etapa de Wittig (ilídeo + aldeído).
- Como se separa o óxido de trifenilfosfina de um hidrocarboneto?
- Por que a formação do óxido de trifenilfosfina é a força motriz?
- Por que a reação HWE não conviria a este alvo?
Parte IV — A via do alcino.
- Que alcino, hidrogenado, dá o alvo, e com que catalisador?
- Construa esse alcino a partir do dec-1-ino e de um haloalcano: que haleto, que base?
- Por que a hidrogenação deve parar no alceno, e como o catalisador o garante?
- Compare as duas vias: número de etapas, controle da geometria, subprodutos.
- Qual é a economia atômica da etapa de hidrogenação?
- Dê a massa de óxido de trifenilfosfina coproduzida por grama de feromônio pela via de Wittig.
Solução
Solução de Problema 27.1.
1. , isto é, com : uma ligação dupla (ou um anel), aqui uma . 2. A ligação dupla . 3. O nonanal com o ilídeo de um 1-halotetradecano; ou o tetradecanal com o ilídeo de um 1-halononano. 4. O 1-bromotetradecano, . 5. A substituição bimolecular pela volumosa trifenilfosfina é rápida em um carbono primário desimpedido e não compete com a eliminação. 6. , brometo de tetradeciltrifenilfosfônio. 7. Butil-lítio (ou hidreto de sódio, amideto de sódio); o hidróxido é uma base fraca demais para um ilídeo não estabilizado, e a água que ele traz protonaria o ilídeo. 8. Não, ele leva apenas um grupo alquila: sobretudo (Z) (Proposição 27.6). 9. Um anel de quatro membros : o fósforo ligado ao carbono que leva a cadeia , esse carbono ao que leva a cadeia , e este ao oxigênio, ligado ao fósforo. 10. O butil-lítio e o ilídeo reagem com a água e o oxigênio. 11. A ligação dupla une o antigo carbono carbonílico do nonanal (C9 do produto) ao antigo carbono do ilídeo (C10), e nenhuma outra ligação se desloca (Proposição 27.4). 12. Um carbocátion em C9, que pode perder um hidrogênio de C8 ou de C10 e pode migrar: uma mistura de tricos-8-eno e tricos-9-eno, cada um como (E) e (Z), sobretudo (E). 13. . 14. Alvo : ; nonanal : ; sal : ; , : . 15. O ilídeo pesa ; com o nonanal, de reagentes para de produto: . 16. Pela polaridade: o hidrocarboneto apolar atravessa uma coluna curta de sílica com um eluente apolar enquanto o óxido fica retido; ou o óxido cristaliza em um solvente apolar frio. 17. A ligação muito forte formada supera a ligação rompida (Proposição 27.5). 18. Ela exige um fosfonato com um grupo retirador de elétrons no carbono que reage, ausente de uma simples cadeia alquila, e dá o alceno (E). 19. O tricos-9-ino, , com hidrogênio sobre um catalisador de paládio envenenado (paládio sobre carbonato de cálcio com um sal de chumbo e quinolina). 20. O dec-1-ino, , desprotonado pelo amideto de sódio, depois o 1-bromotridecano : carbonos, a ligação tripla entre C9 e C10. 21. Uma hidrogenação adicional daria o tricosano, sem ligação dupla; o catalisador envenenado liga o alcino muito mais fortemente que o alceno, que deixa a superfície antes de uma segunda adição. 22. Ambas levam duas etapas a partir de peças disponíveis. A via do alcino dá o isômero (Z) de modo limpo e deixa apenas sais; a via de Wittig dá um pouco de isômero (E) e uma massa de óxido de trifenilfosfina. 23. 100 %: , todos os átomos terminam no produto. 24. de óxido de trifenilfosfina por grama de feromônio.