G- Recommandations actuelles
4- Quand le dosage doit-il être pratiqué ?
Em meados de 1980, um debate caloroso emergiu sobre a natureza do mecanismo das reações pericíclicas. O foco deste debate esteve em uma das suposições de Woodward-Hoffmann, a saber: reações que ocorrem via TS pericíclico e simétrico são aquelas em que a quebra ou formação de ligações ocorrem de forma sincronizada.
Figura 3.3: Reação do 1,1,4,4-tetradeutério-1,3-butadieno com o cis- ou trans-1,2- dideutério-eteno (MCPBA, do inglês m-chloroperoxybenzoic acid).
42 Dois trabalhos resumem bem este debate: (i) (DEWAR, 1984) “Multibond Reactions Cannot Normally Be Synchronous” e (ii) (BORDEN, LONCHARICH e HOUK, 1988) “Synchronicity in Multibond Reactions”. E, logicamente, a reação de D-A é tema importante neste embate.
Em (i), Dewar sugeriu uma “nova” lei que regularia o curso das reações, definindo: “synchronous multibond reactions are normally
prohibited”. Para o autor, o mecanismo da reação de D-A como a CHN é
concertada, porém assíncrona, ou seja, em dois estágios. A base da argumentação de Dewar, para que reações com quebra ou formação de duas ou mais ligações não poderia ser ordinariamente sincronizada, foi em três tipos de evidências:
1. Argumentação teórica. Baseado nas interpretações das curvas de Bell-Evans-Polanyi, os autores supõem que certas reações, as quais são denominadas como síncronas pela formulação de
Woodward-Hoffmann, poderiam ser assíncronas pelo princípio
de Evans. A formulação de Woodward-Hoffmann é baseada na simetria dos orbitais moleculares, ou seja, no principio da sobreposição efetiva máxima entre os orbitais moleculares. Diferentemente, o principio de Evans é baseado na suposição da relação linear entre a energia de ativação e entalpia de reação. Assim, os autores concluíram que: “These arguments show that
no qualitative theory can on its own lead to reliable conclusions concerning the mechanism of any multiband pericyclic reaction”;
2. Resultados de cálculos. A aplicação dos métodos semi-empíricos MINDO/3 e MNDO para reações específicas com formação e quebra de múltiplas ligações geralmente encontra TS assimétricos. Por exemplo, este é o caso da reação CHN (DEWAR, OLIVELLA e RZEPA, 1978);
3. Comparação com experimentos. Interpretando resultados experimentais disponíveis na época em favor do mecanismo em dois estágios obtidos a partir dos cálculos semi-empíricos.
43 Contestando as interpretações de Dewar, em (ii) os autores justificaram o conceito de sincronismo nas reações com múltiplas ligações sendo rompidas e/ou formadas a partir de duas argumentações principais:
1. Resultados de Cálculos. Para os autores a evidência principal de
Dewar estava nos cálculos semi-empíricos. Naquela época, a
aplicação de métodos ab initio começava a se torna corriqueira ao estudo de mecanismos de reação. Diferentemente aos resultados semi-empíricos, os métodos ab initio fornecem para a reação CHN um TS simétrico (CARAMELLA, HOUK e DOMELSMITH, 1977);
2. Dados experimentais. Os resultados experimentais disponíveis na época foram reexaminados e, justificativas em favor do mecanismo síncrono foram consideradas. Por exemplo, os valores dos KIE secundários (GAJEWSKI, PETERSON, et al., 1989).
As conjecturas atuais sobre este tema é baseado em estudos computacionais convencionais, ou seja, por métodos estáticos. O consenso que emerge na literatura é que o caráter da geometria do TS e a forma da PES definem como ocorrerá a formação das novas ligações σ. Tal interpretação é suportada por cálculos da IRC. Além disso, tal suposição tem sido argumentada como sendo favorável devido ao TS simétrico possuir algum caráter aromático (HERGES, JIAO e SCHLEYER, 1994). A caracterização do mecanismo de reação de D-A pelo caráter geométrico do TS já está bem aceita e difundida na físico-química orgânica. Por exemplo, o livro “Advanced Organic Chemistry. Parte A: Structure and Mechanisms” tem seção destacada para esta interpretação (CAREY e SUNDBERG, 2007). Neste sentido, as reações de D-A que apresentam um TS simétrico (quase sempre formado por dienos e dienófilos simetricamente substituídos, porém existem exceções (CHEN, HOUK e FOOTE, 1998; SINGLETON, E, et al., 2001)) implicará em um processo sincronizado de formação das duas novas ligações. Já para um TS assimétrico, quase sempre por consequência de grupos substituintes – associados a efeitos estéricos, mesoméricos, indutivos e de polarizabilidade (ROBIETTE, MARCHAND-BRYNAERT e PEETERS,
44 2002) – no dieno/dienófilo, o mecanismo de formação será assíncrono. Além disso, as adições assíncronas podem ser classificadas de acordo com o grau de assimetria do TS (isto é, pela diferença entre as duas ligações parcialmente formadas), podendo ser pequena, moderada ou grande.
Experimentalmente, as questões da dicotomia do mecanismo concertado ser síncrono ou assíncrono ainda não estão bem resolvidas. Em 1996, Beno, Houk e Singleton reportaram, no trabalho “Synchronous or
Asynchronous? “Experimental” Transition State from a Direct Comparison of Experimental and Theoretical Kinetic Isotope Effects for a Diels-Alder Reaction”, ter evidências “experimentais” da sincronicidade, o que suportava
a interpretação baseada no caráter geométrico do TS (BENO, HOUK e SINGLETON, 1996). O método do KIE baseia-se no efeito sobre a cinética da reação devido à substituição isotópica. Utilizando a termodinâmica estatística molecular, esta substituição leva a uma função de partição diferente para cada espécie marcada isotopicamente. Quando as funções de partição são incorporadas na TST, a razão entre as constantes de velocidade das espécies (leve e pesada) é o KIE. No entanto, em 2001, o mesmo
Singleton com outros colaboradores contestaram seriamente esta
interpretação baseada na comparação dos KIE (SINGLETON, E, et al., 2001), pois os autores observaram ambiguidades nos resultados experimentais e computacionais dos KIE de 2H e 13C na distinção de estruturas do TS
síncrono e com grande assimetria na reação de butadieno com ácido maléico. O estudo computacional realizado da reação do 1,3-butadieno com o ácido maléico fornece um TS altamente assíncrono, com as duas novas ligações parciais σ diferindo em 0,512 Å. No entanto, os autores encontraram também que impondo a simetria Cs durante o procedimento de determinação
do TS, o mesmo leva a um ponto de sela de segunda ordem, uma estrutura que está somente 1,6 kcal mol-1 acima do TS. Quando uma comparação dos
KIE obtidos computacionalmente destas duas estruturas com o experimental é realizada percebe-se que não pode ser feita uma distinção clara entre o mecanismo concertado síncrono e assíncrono.
Por fim, recentemente, um estudo computacional de dinâmica com o método de BOMD, aplicado à reação CHN tem mostrado resultados que
45 contrastam com esta interpretação baseada apenas nos aspectos geométricos do TS (DOS SANTOS, TEIXEIRA e LONGO, 2009). Neste trabalho, o objetivo dos autores foi mostrar a dependência que os resultados obtidos pela dinâmica podem apresentar quando são levadas em consideração formas diferentes de: distribuir a energia térmica (modos normais ou velocidades aleatórias) e propagar a dinâmica (conservando ou não a energia total e o momento angular total). As simulações da reação CHN foram iniciadas partindo-se do TS simétrico (a função de onda AM1 restrita foi utilizada). Contudo, mesmo partindo de uma geometria com simetria e função de onda restrita, a dinâmica forneceu um número significativo de trajetórias que seguiram caminhos assíncronos em direção ao produto.
Contudo, para a obtenção de mais detalhes sobre o papel da dinâmica na sincronicidade do mecanismo da reação de D-A são necessários mais estudos. Sendo, portanto, esta a motivação principal deste capítulo.