Adição e Substituição de Carbonila

O grupo carbonila polarizado é o centro reativo mais versátil em química orgânica, sofrendo adição nucleofílica em aldeídos e cetonas e substituição nucleofílica de acila em derivados de ácidos carboxílicos.

Definition

Adição e substituição de carbonila compreendem as reações do grupo C=O com nucleófilos: adição direta através da ligação dupla em aldeídos e cetonas, e adição-eliminação através de um intermediário tetraédrico em derivados de ácidos carboxílicos.

Scope

Este tópico abrange a adição nucleofílica a aldeídos e cetonas (formando álcoois, hidratos, acetais, iminas e cianoidrinas), o mecanismo de intermediário tetraédrico da substituição nucleofílica de acila, a reatividade relativa dos derivados de ácidos e a química de enolatos no carbono alfa.

Core questions

• Por que o carbono carbonílico é eletrofílico e o oxigênio é básico?
• O que determina se um nucleófilo simplesmente adiciona ou adiciona e depois expele um grupo de saída?
• Como a estabilidade relativa dos grupos de saída ordena a reatividade dos derivados de ácidos?

Key theories

Mecanismo de intermediário tetraédrico

O ataque nucleofílico ao carbono carbonílico gera um alcóxido tetraédrico; se ele colapsa expelindo um grupo de saída (substituição) ou é protonado (adição) depende do substrato.

Ordenação da reatividade de derivados de acila

Cloretos de ácido > anidridos > ésteres > amidas em reatividade, refletindo tanto a capacidade do grupo de saída quanto a doação de elétrons que estabiliza a carbonila no estado fundamental.

Mechanisms

Nucleófilos atacam o carbono carbonílico ao longo da trajetória de Bürgi–Dunitz. Em aldeídos e cetonas, o alcóxido tetraédrico resultante é simplesmente protonado, dando um álcool ou um produto derivado. Em derivados de ácidos, o intermediário tetraédrico colapsa, expelindo o grupo de saída para regenerar uma carbonila e efetuar a substituição líquida. A catálise ácida ou básica modula tanto a eletrofilicidade quanto a força do nucleófilo.

Clinical relevance

A química da carbonila é fundamental para a bioquímica e a química medicinal: a formação de ligações amida constrói peptídeos e muitos fármacos, a hidrólise de ésteres governa a ativação de pró-fármacos, e as condensações de carbonila constroem a complexidade molecular na síntese.

History

O estudo sistemático da reatividade da carbonila abrange desde a química de condensação do século XIX até a análise cristalográfica de Bürgi–Dunitz dos ângulos de ataque nucleofílico na década de 1970, que forneceu uma base estrutural para a geometria da adição de carbonila.

Key figures

• Hans Heinrich Bürgi
• Jack D. Dunitz
• Adolf von Baeyer

Seminal works

• careysundberg2007b

Frequently asked questions

Por que as amidas são muito menos reativas que os cloretos de ácido?

O nitrogênio doa seu par de elétrons não ligantes para a carbonila, estabilizando o estado fundamental e tornando o carbono menos eletrofílico; além disso, o ânion amida é um grupo de saída ruim, então a substituição é lenta.

O que é o ângulo de Bürgi–Dunitz?

É a trajetória de aproximadamente 107 graus ao longo da qual um nucleófilo se aproxima de um carbono carbonílico, maximizando a sobreposição com o orbital pi* C=O enquanto minimiza a repulsão dos pares de elétrons não ligantes do oxigênio.