UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
INSTITUTO DE QUÍMICAPROPOSTA DE ATIVIDADES DIDÁTICAS
DISCIPLINA DE QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL
ORIENTADORA: Profa. Dra. Vera Pardini MONITOR: Márcio Santos da Silva
1. PROPOSTAS DE TÉCNICAS EXPERIMENTAIS NO LABORATÓRIO DE QUÍMICA ORGÂNICA PARA O CURSO DE QUÍMICA.
PROPOSTA 1: Utilização de Forno de Microondas Doméstico em Laboratório de aula de Química Orgânica
O desenvolvimento da tecnologia de microondas (M.O.) ocorreu principalmente durante a II Guerra Mundial. A utilização do forno de microondas no aquecimento de alimentos começou na década de 50, no entanto em química os fornos de M.O. são utilizados desde os anos 80 em diversas finalidades. Contudo, o emprego da irradiação com M.O. em síntese orgânica ganhou grande destaque,1 em conjunto com as novas tendências na química, surgidas no início da década de 90, devido, principalmente, aos problemas ambientais gerados por reações e processos químicos, na qual esta nova linha de pesquisa foi denominada “química verde”.2
Dessa forma, a irradiação de microondas vem sendo empregada em diversos tipos de reações em síntese orgânica, e assim torna-se relevante discutir este tópico em aulas teóricas e práticas de química. Os princípios envolvidos no aquecimento por M.O. englobam conceitos químicos e físicos, tais como: temperatura, ligação química, estrutura molecular, momento dipolo, polarização, capacidade calorífica e constante dielétrica.3 Além do discernimento referente a proposta de síntese.
Este trabalho propõe experimentos utilizando um forno de microondas doméstico para aplicações em laboratório. Assim, apresentamos reações de obtenção de heterocíclicos como o benzimidazol, uma útil substância antimicrobiana,4 o anidrido succínico, um versátil reagente em síntese orgânica e a Fitalimida, um potente antiinflamatório5 (Esquema 1).
1 Microwaves in Organic Synthesis, Loupy A., 2º Ed., vol. 1-2, Eds. Wiley-VCH Verlag Gmbh and Co. KgaA:
Weinheim , 2006.
2 (a) Benign by Design: Alternative Synthetic Design for Pollution Prevention, Anastas, P. T.; Farris, C. A., Ed.
ACS Symp. Ser. n. 577; American Chemical Sociedty: Washington, 1994; (b) Green Chemistry: Frontiers in
Benign Chemical Synthesis and Processes: Anastas, P. T.; Williamson, T. C., Ed. Oxford University Press:
Oxford, 1998.
3
Watkins, K. W. J. Chem. Educ. 1983, 60, 1043. 4
Benvenuti, S.; Severi, F.; Sacchatti, A.; Melegari, M.; Vampa, G.; Zani, F.; Mazza, P.; Antolini, L. Farmaco 1997,
52, 231. 5
Groutas, W. C.; Lee, L.; Chong, S.; Venkataraman, R.; Kuang, R.; Epp, J. B.; Houser-Archield, N.; Huang, H.; Hoidal, J. R. Arch Biochem. Biophys. 1996, 332, 335.
Esquema 1 NH2 NH2 + H O OH Al2O3 N N OH O OH O + Ac2O O O O O O O + H2N O NH2 N O O 60 %/ 3x1 min. 95 %/ 3x1 min. 98 %/ 4 min.
Podemos observar que, em todas as reações o tempo é baixo, o que diminui a demanda de energia, e com altos rendimentos que é importante em termos de experimento de classe. As reações são realizadas em meio livre de solvente, e depois de transcorrido a reação, o meio é filtrado e purificado por recristalização em todos os casos.
PROPOSTA 2: Reações em meio Aquoso
A utilização de água como solvente costumava ser descartada dos estudos de reações orgânicas por diversas razões como, entre elas, a insolubilidade dos reagentes, a incompatibilidade dos reagentes com a água e a competição das reações desejadas com processos de hidrólises dos reagentes.6 A substituição de solventes orgânicos como meio reacional por água é de grande interesse no que diz respeito a síntese orgânica, visto que minimiza o impacto ambiental, além de ter mais baixo custo e apresentar menor periculosidade ambiental.
Assim, observamos também a relação existente entre a utilização de água como solvente orgânico e a química verde. Nesta atividade de classe, propõe-se a utilização de água como solvente em reações de síntese orgânica, na reação de obtenção do meso-dietil-2,2’-dipirrometano em água (Esquema 2), e para a
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(a) Lubineau, A.; Augé, J.; Queneau, Y. Synthesis 1994, 741; (b) King, J. F.; Rathore, R.; Lam, J.; Guo, Z. R.; Klassen, D. F. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 3028.
purificação é utilizado o método de recristalização. O mesmo é um composto bastante conhecido no meio científico, devido as suas distintas aplicações como preparação de materiais ópticos,7 e sendo um bloco sintético útil na obtenção de diversos heterocíclicos.8 Esquema 2 N H + O H2O HCl NH 80 %/ 50 min. NH
As reações realizadas em água apresentam um grande atrativo para a química orgânica sintética, pois além de ser um solvente “verde”, o mesmo proporciona mudança de reatividade e seletividade em diversos tipos de reações.9 Dessa maneira, apresentamos também a reação de adição de Michael a nitroalquenos (Esquema 3).10 Além da importância da reação de Michael, a presença do grupo nitro torna o produto mais versátil devido as fáceis transformação do grupo nitro.
Esquema 3 Nucleófilo + R NO2 H2O R NO2 Nu Nu = NH2 NH2 Cl NH2 NH2 NHCH3 Rend.: 74-100% Tempo: 2-4h.
7 Okura, I. J. Porphyrins Phthalocyanines 2002, 6, 268.
8 Okada, K.; Saburi, K.; Nomura, K.; Tanino, H. Tetrahedron 2001, 57, 2127. 9
Li, C, -J. Chem. Rev. 2005, 105, 3095.
PROPOSTA 3: Síntese do 4,6-difenil[2,2’]-bipiridina via Reações de condensação aldólica e adição de Michael em meio livre de solvente
Nesta proposta de síntese do 4,6-difenil[2,2’]-bipiridina (Esquema 4),11 apresentamos uma técnica na qual minimiza a utilização de solventes orgânicos voláteis, em um tempo reduzido de 3 horas, na obtenção de um derivado da piridina. Existem diversos trabalhos na literatura na preparação desta classe de composto, no entanto, a partir deste procedimento pode-se inserir, em uma aula de classe experimental, técnicas baseadas na química verde, além dos conhecimentos teóricos fundamentos nas reações de condensação aldólica e adição de Michael.
Esquema 4 O O + NaOH(s) O Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3 N O O O N [NH4][AcO] AcOH N N
Primeiramente, observamos a reação de condensação aldólica cruzada na etapa 1, na reação da acetofenona com o benzaldeído em presença de base, formando o composto carbonílico α,β insaturado. Esta reação é possível, pois além deste aldeído não tem hidrogênio ácido, com a utilização de 1 equivalente de cetona ocorre a reação denominada Condensão Claisen-Schmidt. Posteriormente, na segunda etapa, ocorre uma adição de Michael obtenção o composto 1,5-dicetona. E por fim, na terceira etapa, com a utilização do sal de acetato de amônio há a obtenção do 4,6-difenil[2,2’]-bipiridina, com rendimentos, para alunos, variando de
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60 – 90 %. As reações podem ser acompanhadas por cromatografia em camada delgada (hexano/metanos 9:1), além da fácil extração.
Este experimento de classe proporciona aos estudantes um discernimento a respeito de reações em meio livre de solvente e suas vantagens. Esta técnica também permite a discussão sobre os mecanismos envolvidos nas reações em todas as etapas. Além de que, pode-se fornecer dados de RMN (1H e 13C) e infravermelho, na ampliação das discussões.
2. ESCOLHA E REALIZAÇÃO DA TÉCNICA EXPERIMENTAL.
Após expor as três possibilidades de técnicas experimentais, para a realização do mesmo, no intuito de testar a eficiência do experimento, de acordo com os professores Josef Wihelm Baader, Paulo Roberto Olivato e Vera Lúcia Pardini, representantes da disciplina de Química Orgânica Experimental – QFL2343, em que perante as condições e práticas realizadas no laboratório, concluiu-se que a técnica que apresenta melhores vantagens para a utilização na aula experimental é a proposta 3: Síntese do 4,6-difenil[2,2’]-bipiridina via Reações de condensação aldólica e adição de Michael em meio livre de solvente. Assim, foi realizado o procedimento de acordo com a referência,11 em que será discutido neste momento.
Em um balão de 50 mL sob agitação magnética, foi adicionado a benzofenona (1,10 mL, 9,42 mmol) e após foi colocado hidróxido de sódio moido (5 g). Depois de transcorrido 5 min. foi adicionado o benzaldeido (0.96 mL, 9,42 mmol), em que o meio reacional permanece com uma cor amarela. Após adicionado o benzaldeido, o procedimento coloca que deve-se deixar reagir por 15 min.. Na próxima etapa, foi posto mais um equivalente de benzofenona e deixado por 15 min.. Na próxima etapa, foi adicionado 15 g de acetato de amônio e 100 mL de ácido acético, e foi deixado sob refluxo durante 2 h. Por seguinte, foi adicionado 20 mL de água destilada, onde houve a formação de um precipitado branco, no qual, foi filtrado com a utilização de um funil de Büchner.
Depois de efetuado a técnica experimental, foi observado alguns pontos negativos em relação à eficiência da técnica, na qual, fez com que obtivesse um rendimento baixo (20 %). A primeira questão refere-se à difícil homogeneização do meio reacional, pois como a reação é realizada em meio livre de solvente, e os produtos intermediários apresentam alta viscosidade, teve-se que se utililzar de
espátula e também foi deixado um tempo reacional maior (45 min. – 1h, após adicionado o benzaldeido e após adicionado o segundo equivalente de benzofenona). Pela difícil homogeneização do meio, também fez com que sobrasse material de partida. Também foi necessário usufruir mais do que 20 mL de água destilada, para a formação de todo o precipitado e depois de adicionado a água foi deixado sob agitação por mais 30 min..
Ao realizar esta técnica experimental, observou-se que a mesma apresenta algumas desvantagens que realizada em uma aula experimental poderá causar inúmeras perdas e conseqüentemente a diminuição do rendimento. Assim, concluo que para melhor realização da técnica é necessário algumas modificações. Primeiramente, para as etapas da reação aldol e adição de Michael, a técnica poderia ser realizada na presença de solvente, como tetraidrofurano ou éter etílico. Esta mudança diminuiria as perdas, devido a não necessidade de auxiliar na homogeneização, faria com que consumisse todo o material de partida e não afetaria no tempo da reação, pois utilizaria uma quantidade pequena de solvente. Assim, depois de realizado a etapa de adição de Michael, evaporaria o solvente em um rotaevaporador e por seguinte trataria o meio com o acetato de amônio e ácido acético de acordo com o procedimento.
Esta técnica é bastante útil em um meio acadêmico, pois além do discernimento a respeito dos mecanismos e tipos de reações aldol e adição de Michael, também se pode utilizar de técnicas espectroscópicas para a análise do produto final e dos intermediários, como a ressonância magnética nuclear de hidrogênio e carbono. Assim, concluo que esta técnica pode ser utilizada em uma aula experimental, devido às inúmeras possibilidades de aprendizagem, no entanto, com as devidas modificações no experimento, ressaltadas neste relatório.
