Iniciando por qualquer haleto de alquila apropriado, e usando quaisquer outros reagentes necessários, indique como podem ser feitas as sínteses para cada um dos seguintes produtos apresentados. Quando houver mais de uma alternativa, aponte aquela em que dará maior rendimento. (R)-\mathrm{CH}_{3} \mathrm{CH}(\mathrm{CN}) \mathrm{CH}_{2} \mathrm{CH}_{3}
Passo 1
O que o enunciado pede: sintetizar o composto quiral (R)-\mathrm{CH_{3}CH(CN)CH_{2}CH_{3}} a partir de “qualquer haleto de alquila apropriado” e outros reagentes necessários.
Informações relevantes dadas (explicitadas):
O produto alvo é o nitrilo secundário com centro quiral: (R)-\mathrm{CH_{3}CH(CN)CH_{2}CH_{3}}.
Posso começar por qualquer haleto de alquila apropriado.
O enunciado espera uma rota de síntese e, quando houver alternativas, indicar a que dá maior rendimento.
Passo 2
Escolha da estratégia (explicada passo a passo, sem pular etapas):
Vou escolher uma rota em duas etapas prática e com bom rendimento global: (i) partir de um haleto secundário para formar o alceno correspondente por eliminação E2; (ii) fazer uma hidrocianetação assimétrica do alceno para introduzir o grupo \mathrm{CN} no carbono secundário formando o centro quiral. Racional: a adição de \mathrm{H\!-\!CN} a um alceno interno gera directamente o nitrilo no carbono secundário desejado; usando um catalisador metálico quirais conhecidos, a inserção pode ser altamente enantiomérica (alto \%ee), portanto dá bom rendimento e boa pureza óptica. Outras opções (ex.: substituição nucleofílica em haleto secundário por \mathrm{CN^-} ou sínteses tipo Strecker a partir de aldeídos/imine) tendem a dar racematos ou exigem etapas adicionais de resolução ou proteção e, em geral, rendimento/enantioselectividade piores na prática.
Passo 3
Escolha do haleto de partida e primeira etapa (formação do alceno): reagente inicial prático: o haleto secundário \mathrm{CH_3CHBrCH_2CH_3} (2‑bromobutano). Reação 1 — eliminação E2 para obter o alceno \mathrm{CH_3CH=CHCH_3} (2‑buteno):
Reagentes e condições sugeridas: base volumosa forte, por exemplo t-BuOK em t-BuOH, aquecimento moderado (ou t-BuOK/THF, temperatura ambiente a moderada).
Explicação didática da E2: na reação E2 uma base retira um hidrogénio β enquanto a ligação C–X (X = Br) sai ao mesmo tempo, num único passo concertado. Para haletos secundários com base volumosa temos preferência pela formação do alceno mais substituído (Zaitsev), aqui \mathrm{CH_3CH=CHCH_3}. Mecanismo resumido: a base abstrói um H β que é anti‑coplanar ao grupo saída; as ligações se reorganizam e forma‑se a dupla ligação. Produtos: mistura de E e Z de 2‑buteno (isso não impede a etapa seguinte).
Passo 4
Segunda etapa (hidrocianetação assimétrica do alceno): transformar \mathrm{CH_3CH=CHCH_3} em (R)-\mathrm{CH_3CH(CN)CH_2CH_3} por adição de \mathrm{H\!-\!CN} em presença de catalisador metálico quiral. Esquema geral (resumido antes do detalhe):
Reagentes e condições típicos (práticos e com bom rendimento/enantioselectividade):
Fonte de cianeto: \mathrm{HCN} (atenção: muito tóxico; manipular em câmara de fluxo) ou fontes in situ controladas.
Catalisador: complexo de níquel \mathrm{Ni^0} (ex.: \mathrm{Ni(cod)_2} ou sistema redutor a partir de \mathrm{NiCl_2} + agente redutor) combinado com um ligante fosfina quiral do tipo (R)-BINAP ou outro ligand quiral bidentado.
Solvente apolar (tolueno, heptano), baixa a moderada temperatura, atmosfera inerte.
Por que isto funciona (mecanismo simplificado e controlando estereoquímica):
O catalisador \mathrm{Ni^0} reage com \mathrm{H\!-\!CN} (passo de ativação) gerando espécies do tipo \mathrm{Ni\!-\!H} e \mathrm{Ni\!-\!CN} ligadas ao metal.
O alceno coordena ao níquel e sofre inserção no ligante hidreto \mathrm{Ni\!-\!H} (inserção alqueno → alcóxido metálico), formando um intermediário alquil‑Ni que contém o grupo cianeto ligado ao metal.
Redutiva eliminação do par gera o nitrilo no carbono apropriado e regenera o \mathrm{Ni^0}.
O ligante quiral organiza a superfície de coordenação do metal e controla de que “face” do alceno ocorre a inserção do \mathrm{Ni\!-\!H}, assim dando preferência à formação do enantiômero (R). Em processos conhecidos na literatura, usando ligantes fosfina quirais (ex.: (R)-BINAP) atingem‑se enantioselektividades elevadas (muitas vezes \mathrm{>90\%}ee) e bons rendimentos. Portanto, esta é a alternativa que costuma dar maior rendimento combinado com alta pureza óptica.
Passo 5
Observações sobre mistura E/Z do alceno e rendimento:
Mesmo partindo de mistura E/Z de \mathrm{CH_3CH=CHCH_3}, o catalisador quiral normalmente promove a adição assimétrica com boa seletividade porque o complexo metálico seleciona uma geometria de coordenação preferida; no entanto, se quiser maximizar rendimento/ee, pode isolar ou preparar preferencialmente um isómero geométrico do alceno (por exemplo, isomerizar controladamente para um dos isômeros ou usar condições de eliminação que favoreçam um isómero).
Em termos práticos, a rota eliminação → hidrocianetação assimétrica é industrialmente e academicamente bem estabelecida para formar nitrilos quirais a partir de alcenos e costuma ser mais direta e com melhor controle do que tentar uma substituição direta em haletos secundários com \mathrm{CN^-} (que dá racemato por via SN1/SN2 complicada).
Passo 6
Cuidados práticos, rendimento e purificação:
\mathrm{HCN} é extremamente tóxico; na prática muitas rotas usam fontes de cianeto geradas in situ ou equipamentos fechados e capturas de gás; considerar alternativas de fonte de CN que o catalisador aceite.
Após a hidrocianetação, faz‑se trabalho de rotina: filtração para remover catalisador metálico, lavagem em solução aquosa apropriada, secagem e destilação/coluna para isolar (R)-\mathrm{CH_3CH(CN)CH_2CH_3}.
Espera‑se rendimento global bom porque são apenas duas etapas curtas; a etapa determinante de rendimento e quiralidade é a hidrocianetação assimétrica. Com catalisadores e ligantes otimizados obtém‑se alto rendimento e alta ee.