SÍNTESE ORGÂNICA VERDE

1 SÍNTESE ORGÂNICA VERDE Prof. Silvio do Desterro Cunha silviodc@ufba.br UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA INSTITUTO DE QUÍMICA GRUPO DE PESQUISA EM SÍNTESE QUÍMICA E BIOATIVIDADE MOLECULAR INCT ENERGIA & AM BIENTE TEXTOS E ARTIGOS DO CURSO

2 Síntese Orgânica Verde: Prof Dr. Silvio do Desterro Cunha (UFBA) OBJETIVOS APRESENTAÇÃO E EXECUÇÃO DE TÉCNICAS E METODOLOGIAS QUE REDUZAM OU ELIMINEM A GERAÇÃO DE POLUENTES E UTILIZEM RECURSOS NATURAIS E ENERGÉTICOS DE FORMA MAIS SEGURA E EFICINTE. ABORDA A IMPORTÂNCIA DA QUÍMICA VERDE EM TODOS OS SETORES, DA ACADEMIA AO SEU EMPREGO NA INDÚSTRIA QUÍMICA. Programa do curso QUÍMICA VERDE: EXEMPLOS HISTÓRICOS E CONCEPÇÃO. PRINCÍPIOS DA QUÍMICA VERDE: 1. PREVENÇÃO. 2. ECONOMIA DE ÁTOMOS. 3. SÍNTESE DE PRODUTOS MENOS PERIGOSOS. 4. DESENHO DE PRODUTOS SEGUROS. 5. SOLVENTES E AUXILIARES MAIS SEGUROS. 6. BUSCA PELA EFICIÊNCIA DE ENERGIA. 7. USO DE FONTES RENOVÁVEIS DE MATÉRIA-PRIMA. 8. EVITAR A FORMAÇÃO DE DERIVADOS. 9. CATÁLISE. 10. DESENHO PARA A DEGRADAÇÃO. 11. ANÁLISE EM TEMPO REAL PARA A PREVENÇÃO DA POLUIÇÃO. 12. QUÍMICA INTRINSECAMENTE SEGURA PARA A PREVENÇÃO DE ACIDENTES. FATORES DE AVALIAÇÃO DE PROCEDIMENTO E PROCESSO EM QUÍMICA VERDE: CÁLCULO DO FATOR E. REMEDIAÇÃO VERSUS PREVENÇÃO. MEDIDAS DE SUSTENTABILIDADE DE PROCESSOS E PROCEDIMENTOS. ESTUDOS DE CASO: REAÇÕES MULTIOMPONENTES, RAÇÕES DOMINÓ, REAÇÕES DE INTERCONVERSÃO DE GRUPOS FUNCIONAIS ORGÂNICOS, REAÇÕES DE OXIDAÇÃO E REDUÇÃO, SÍNTESE ORGÂNICA PREPARATIVA EMPREGANDO MICROONDAS, SOLVENTES RENOVÁVEIS, CATÁLISE, ULTRASSOM E BIOCATÁLISE. MINIATURIZAÇÃO DE EXPERIMENTOS TRADICIONAIS DE QUÍMICA ORGÂNICA. QUÍMICA VERDE NAS INDÚSTRIAS: ASPECTOS INDUSTRIAIS DA QUÍMICA VERDE, TENDÊNCIAS RECENTES, MATÉRIAS PRIMAS RENOVÁVEIS, FONTES DE ENERGIA ALTERNATIVAS. ESTUDOS DE CASO. BIBLIOGRAFIA 1. Corrêa, A. G.; Zuin, V. G. Química Verde: Fundamentos e Aplicações, Série de Textos da Escola de Verão em Química V, EDUFSCAR, São Carlos, 2009. 2. American Chemical Society. Química Verde: Experimentos de Laboratorio para un Curso Universitario de Química. M. Kirchoff e M.A. Ryan (Eds), 2003. 3. Roesky; H. W.; Kennepohl D. K. (Eds). Experiments in Green and Sustainable Chemistry, Germany: Wiley- VCH, 2009. 4. Lenardão, E. J.; Freitag, R. A.; Dabdoub, M. J.; Batista, A. C. F.; Silveira, C. C.; Quim. Nova 2003, 26, 123. 5. Artigos científicos da literatura atual.

3 Síntese Orgânica: Uma Introdução A Síntese Orgânica, ou a Química Orgânica Sintética, é a ciência de construir moléculas a partir de átomos e de outras moléculas, usualmente mais simples. A molécula a ser construída é designada molécula alvo, alvo sintético ou simplesmente alvo, e é normalmente constituída por átomos dos elementos C, H, O, N, S, P, Cl, Br, I e B. A primeira substância orgânica obtida em laboratório foi a uréia, por Wöhler na Alemanha, em 1828. Até então, se acreditava que não era possível preparar substâncias orgânicas em laboratório, pois o termo "orgânico" era reservado para compostos produzidos por organismos vivos. Dessa forma, uma "força vital" era responsável pela formação das substâncias orgânicas. Após a Segunda Grande Guerra Mundial, a Síntese Orgânica ganhou impulso espetacular e várias vitórias sintéticas foram alcançadas. Moléculas de complexidade estrutural sem precedentes foram sendo produzidas, e os avanços nas táticas de construção, na metodologia e nos reagentes empregados permitiram a criação de sólidas bases para o desenvolvimento desta arte de se fazer Síntese Orgânica. Estratégia em Síntese Orgânica O plano sintético ou estratégia sintética deve atender aos seguintes requerimentos: Reações químicas eficientes; Brevidade; Materiais de partida baratos ou de fácil obtenção; Condições reacionais práticas e convenientes; Flexibilidade para permitir modificações em caso de insucesso; Ser adaptável para a síntese de outros membros da mesma família estrutural, quer seja alvo sintético um produto natural ou uma molécula não natural; Novidade, elegância e senso artístico. Por outro lado, a pessoa que se dedica à ciência e arte da Síntese orgânica deve possuir e cultivar as seguintes virtudes: engenhosidade, sensibilidade artística, habilidade experimental e caráter. Análise retrossintética: é a técnica de resolução de problema para transformar a estrutura do alvo sintético em uma seqüência de estruturas progressivamente mais simples e que leve à materiais de partida simples ou comercialmente disponíveis. Tipicamente, o químico orgânico sintético, quando confrontado com um novo desafio (molécula a ser sintetizada) pondera e analisa seu alvo, identificando ligações químicas estratégicas que podem ser vantajosamente desconectadas, produzindo estruturas menores. Muitas destas desconexões podem transformar uma estrutura complexa em moléculas menores, simplificando o objetivo de criação e construção. Paralela e mentalmente, o cientista precisa se questionar como reconstruir, de modo quimicamente viável, cada ligação química rompida, e como, se possível, converter os intermediários mais simples e gerar as estruturas mais complexas necessárias à construção de sua molécula alvo. Molécula alvo ou alvo sintético: é a molécula cuja síntese está sob exame por meio da análise retrossintética. Características ideais de um grupo de proteção: Quando uma reação química está para ser realizada seletivamente em apenas um grupo funcional de uma molécula polifuncionalizada, os sítios reativos restantes precisam ser temporariamente bloqueados. Muitas estruturas têm sido e estão sendo desenvolvidas com este intuito, e são chamadas de grupos protetores ou grupos de proteção. Estes grupos de proteção precisam preencher vários requisitos:

4 Devem ser baratos e facilmente disponíveis; Devem ser facilmente e eficientemente introduzidos; Devem ser facilmente caracterizados; Devem ser estáveis a uma diversidade de reações e de procedimentos de isolamento; Devem ser estáveis a uma diversidade de procedimentos de separação e purificação; Devem ser facilmente removidos, de forma seletiva e em condições bem específicas; Devem ser simples para evitar adição de funcionalidades extras e reações laterais; O produto resultante de uma desproteção deve ser facilmente separado do produto principal. Estratégia sintética: síntese linear versus síntese convergente. Empregar o menor número possível de etapas. Sequência Linear Rendimento Total 48% A B C D E F G Sequência Convergente Rendimento Total 65,6% A B C D E F G H A abordagem convergente tem outras vantagens além do rendimento: Permite introduzir modificações mais facilmente na rota sintética proposta; A perda de um intermediário avançado não compromete tanto quanto na síntese linear. Síntese Orgânica Complexidade e variedade Desafio beirando a impossibilidade Exigência por rigor mental e manipulativo Dedicação, persistência e trabalho duro Interminável fronteira para descobertas e sofisticações Trabalho multidisciplinar (Medicina, Biologia, Farmácia) Relevância, buscando o bem-estar, saúde e educação Síntese Orgânica: Por que fazê-la? prova final da estrutura molecular de um produto natural fonte de compostos úteis e não disponíveis preparação de novos compostos Etapas de Construção de uma Síntese 1) considerações iniciais 2) análise retrossintética 3) materiais de partida 4) rendimento total e especificidade Nas estratégias e reações para construir moléculas orgânicas complexas nós precisamos de métodos que: realizem a desejada transformação estrutural e nenhuma outra - QUIMIOSSELETIVIDADE orientem os reagentes e o substrato de modo correto - REGIOSSELETIVIDADE criem a correta orientação das várias partes da molécula com respeito às outras - DIASTEREOSSELETIVIDADE

5 permitam a formação de uma molécula em detrimento de sua imagem especular ENANTIOSSELETIVIDADE Reações químicas eficientes Brevidade Materiais de partida baratos ou de fácil obtenção Condições reacionais práticas e convenientes Flexibilidade para permitir modificações em caso de insucesso Ser adaptável para a síntese de outros membros da mesma família estrutural, quer seja alvo sintético um produto natural ou uma molécula não natural Novidade, elegância e senso artístico Bibliografia comentada de Síntese Orgânica Ireland, R. E.; Síntese Orgânica; Editora Edgard Blüchner Ltda; São Paulo: 1971. É um livro com 140 páginas, disponível na Biblioteca do IQ-UFBA, muito apropriado para o aluno de graduação, apesar de antigo. Souza, M. V. N. de; Estudo da Síntese Orgânica Baseado em Substâncias Bioativas; Editora Átomo; Campinas: 2010. É um livro com 318 páginas apropriado para o aluno de graduação. É o primeiro livro brasileiro dedicado ao tema. Correia, C. R. D.; Síntese Estereosseletiva de Alcalóides e N-Heterociclos; Editora da UFSCar; São Carlos: 2001. Disponível para compra (~25,00 reais) no endereço www.ufscar.br/~editora. É um dos raros livros escrito por um professor brasileiro devotado ao tema da Síntese Orgânica, apresenta uma abordagem moderna da mesma. Leitura obrigatória para quem quer se aprofundar na área. Hoffmann, R. W.; Elements of Synthetic Planning; Springer; Berlin: 2009. É um livro com 226 páginas que dedicado ao ensino da análise retrossintética. Nicolaou, K. C.; Sorensen, E. J.; Classics in Total Synthesis: Targets, Strategies, Methods; VCH Plublischers; New York: 1996. Trata-se de um excelente livro com exemplos didáticos de síntese de produtos naturais. Leitura obrigatória para quem quer se aprofundar na área. Nicolaou, K. C.; Snyder, S. A.; Classics in Total Synthesis II: More Targets, Strategies, Methods; VCH Plublischers; New York: 2003. Continuação da primeira obra. Possui mesmo estilo, didática e importância. Nicolaou, K. C.; Chen, J. S. ; Classics in Total Synthesis III: Further Targets, Strategies, Methods; Wiley-VCH; New York: 2011. Continuação da primeira obra. Possui mesmo estilo, didádica e importância. Corey, E. J.; Cheng, X.-M.; The Logic of Chemical Synthesis; John Wiley & Sons; New York: 1998. Este livro, escrito pelo Nobel EJ Corey, descreve a sua contribuição à Síntese Orgânica, notadamente a filosofia e a prática planejada de síntese de produtos naturais. Disponível na Biblioteca do IQ-UFBA.

6 Smith, M. B.; Organic Synthesis; McGraw-Hill; Singapura: 1994. Excelente livro com mais de 1500 páginas, discute inúmeras reações e aplicações em síntese. Disponível na Biblioteca do IQ-UFBA. Smith, M. B.; Organic Synthesis ; 2 ed.; McGraw-Hill; Singapura: 2002 Segunda edição do livro. Permanece como uma Bíblia da área. Warren, S.; Organic Synthesis: the Disconection Approach; John Wiley & Sons; New York: 1982. É um livro de auto-estudo; nele o aluno de graduação aprende o emprego da análise retrossintética. Disponível na Biblioteca do IQ-UFBA. Warren, S.; Wyatt, P.; Organic Synthesis: the Disconection Approach; 2 ed.; John Wiley & Sons; New York: 2008. Edição atualizada do livro anterior, muito bom. Smith, W. A.; Bochkov, A. F.; Caple, R.; Organic Synthesis: the Science behind the Art; The Royal Chemical Society of Chemistry; London: 1998. É um livro excelente que qualifica a atividade da síntese. Leitura obrigatória para quem quer se aprofundar na área. Greene, T. W.; Wutz, P. G. M.; Protecting Groups in Organic Synthesis; 3 ed.; John Wiley & Sons; New York, 1999. Coletânea de grupos protetores para as principais funções químicas. Mostra diferentes metodologias de inserção e remoção dos grupos de proteção, além de exemplos de proteção seletiva para uma mesma função química. Costa, P. R. R.; Pilli, R. A.; Pinheiro, S.; Vasconcelos, M. L. A. A.; Substâncias Carboniladas e seus Derivados; Bookman, Porto Alegre, 2003. Livro da série Química Orgânica, um esforço da Sociedade Brasileira de Química em editar bons livros textos em português. Este volume dedica-se aos compostos carbonilados, mostrando seus aspectos estruturais e reativos. Costa, P. R. R.; Ferreira, V. F.; Esteves, P. M.; Vasconcelos, M. L. A. A.; Ácidos e Bases em Química Orgânica; Bookman, 2005. Mais um livro da série Química Orgânica. Apresenta aspectos químicos e cinéticos da acidez em compostos orgânicos. Estudo de sínteses orgânicas publicadas em Química Nova e no Journal of Brazilian Chemical Society Neste curso estudaremos algumas sínteses publicadas nas revistas editadas pela Sociedade Brasileira de Química. O JBCS, acronismo para o Journal of Brazilian Chemical Society, é a revista científica de maior impacto do hemisfério sul. Os exemplos selecionados tiveram como critério sínteses realizadas por químicos orgânicos sintéticos brasileiros, bem como rotas sintéticas que empregassem reações estudadas em cursos de graduação. Fator de impacto: quantas vezes um artigo científico publicado na revista é citado em outros artigos científicos nos próximos 2 anos.

7 Ultra-som Microondas Reações dominó Reações multicomponentes Reações sem solvente Líquidos iônicos Fase sólida Biotransformação Fotoquímica Biomassa Reação Dominó: Reação na qual a formação das ligações químicas para a molécula alvo são obtidas em um único passo, sem que ocorra isolamento de intermediários ou adição de reagentes Tietze, L. F. Chem. Rev. 1996, 96, 115.

8 Y PBF = Rendimento por ligações formadas Y = Rendimento global b = número de ligações formadas