Haletos de AlquilasReações de

Substituição Nucleofílica

Aula 11

QO-427 Prof. José Augusto

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� Introdução�A polaridade de uma ligação carbono-halogênio leva ao carbono ter uma

carga parcial positiva� Em haletos de alquila esta polaridade torna o carbono ativado para reações de

substituições com nucleófilos

�Ligações carbono-halogênio tornam-se menos polares, maiores e mais fracas indo do fluor para o iodo

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� Reações de Substituição Nucleofílica�Nesta reação um nucleófilo é uma espécie com um par não-compartilhado

de elétrons que reage com um carbono deficiente em elétrons

�Um grupo abandonador é substituido pelo nucleófilo

�Exemplos de reações nucleofílicas

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� Nucleófilo�O nucleófilo reage no carbono deficiente de elétrons

�Um nucleófilo pode ser qualquer molécula com um par de elétrons não compatilhado; É uma base de Lewis.

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� Grupo Abandonador�Um grupo abandonador é um substituinte que pode deixar o

carbono como uma entidade estável

�Ele pode abandonar como um ânion ou uma espécie neutra

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� Cinética de uma Reação de Substituição Nucleofílica: Uma Reação SN2

�A velocidade (taxa) inicial da seguinte reação é medida

�A velocidade é diretamente proporcional às concentrações iniciais de ambos cloreto de metila e íon hidróxido

�A equação de velocidade reflete esta dependência

�Reação SN2: substituição, nucleofílica, 2a. ordem (bimolecular)

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� Um Mecanismo para a Reação SN2

�Um estado de transição é o estado de energia mais alto da reação

� Ele é uma entidade instável (não pode ser isolada) com existência muito

breve (10-12 s)

�No estado de transição desta reação ligações são parcialmente formadas e quebradas

� Ambos clorometano e hidróxido estão envolvidos no estado de transição e

isto explica porque a reação é de segunda ordem

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� Teoria do Estado de Transição: Diagramas de Energia Livre

�Reação exotérmica: ∆∆∆∆Go negativo (produto favorecido)

�Reação endotérmica: ∆∆∆∆Go positivo (produto não favorecido)

�A reação do diclorometano com hidróxido é altamente exotérmica

�A constante de equilíbrio é muito grande

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�Um diagrama de energia de uma típica reação SN2 � Uma barreira de energia é evidente, pois uma ligação está quebrando indo para o

estado de transição (que é o topo da barreira de energia)

� A diferença em energia entre o material de partida e o estado de transição é a energia livre de ativação (∆∆∆∆G‡ )

� A diferença em energia entre moléculas iniciais e produtos é a troca de energia da reação, ∆∆∆∆Go

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�Em uma reação altamente endotérmica tem barreira de energia bem elevada (∆∆∆∆G‡ é muito grande)

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�Existe um relacionamento direto entre ∆∆∆∆G‡ e a temperatura da reação

� Maior a temperatura, mais rápida é a velocidade

� Próximo da temperatura ambiente, um aumento de 10oC dobra a velocidade

� Maior temperatura provoca maior colisão entre as moléculas com energia suficiente para atingir o estado de transição e reagir

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�O diagrama de energia para a reação de diclorometano com hidróxido :

� Uma reação com ∆∆∆∆G‡ acima de 100 kJ mol-1 vai requerer aquecimento para prosseguir com velocidade razoável

� Esta reação tem ∆∆∆∆G‡ = 103 kJ mol-1 de modo que vai requerer aquecimento

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� A Estereoquímica de Reações SN2�Ataque do nucleófilo pela retaguarda resulta na inversão da configuração

�Em sistemas cíclicos um composto cis pode reagir e tornar-se produto trans

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� A Reação do Cloreto de terc-Butila com Íon Hidróxido: Uma Reação SN1

�Cloreto de terc-Butila sofre substituição por íon hidróxido

�A velocidade é independente da concentração do hidróxido e depende apenas da concentração do cloreto de terc-butla

�Reação SN1 : Substituição nucleofílica de 1a ordem (unimolecular)

� A velocidade depende apenas da concentração do haleto de alquila

� Apenas o haleto de alquila (e não o nucleófilo) está envolvido no estado de transição na etapa que controla a velocidade (etapa determinante da velocidade de reação, a etapa mais lenta)

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� Reações de Múltiplas-etapas e Etapa Determinante da Velocidade

�Nas reações de múltiplas-etapas, a velocidade da etapa mais lenta será a velocidade de toda a reação

�Esta é chamada velocidade da etapa determinante

�No caso abaixo k1<< k2 or k3, e a primeira etapa é a etapa determinante da velocidade

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� Um Mecanismo para Reação SN1 (próximo slide)

�A etapa 1 é determinante de velocidade (etapa lenta) pois ela requer a formação de produtos iônicos instáveis

�Na etapa 1 a água (é polar, elevada constante dielétrica) ajuda estabilizar os produtos iônicos

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� Carbocátions�Um carbocátion tem apenas 6 elétrons, é hibridizado sp2 e tem um orbital

p vazio

�Quanto mais altamente substituido um carbocátion, mais estável é

� Quanto mais estável um carbocátion, mais fácil ele se forma

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�Hiperconjugação estabiliza o carbocátion pela doação de elétrons de uma ligação σσσσ adjacente a uma ligação carbono-hidrogêmio ou carbono-carbono para um orbital vazio p

� Maior substituição fornece maior oportunidade para hiperconjugação

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� A Estereoquímica de Reações SN1 �Quando o grupo abandonador deixa um centro esterogênico de

um composto oticamente ativo em uma reação SN1, ocorrerá racemização (perda de atividade ótica)

� Isto acontece porque é formado um intermediário aquiral, sp2

que é planar (ou trigonal), ângulo de ligação de 120o

�Racemização: transformação de um composto oticamente ativo para uma mistura racêmica (sem atividade ótica)

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� Solvólise�Um molécula do solvente é o nucleófilo na reação de substituição

� Se o solvente for água a reação é de hidrólise

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� Fatores que Afetam a Velocidade de Reações SN1 e SN2 � Os Efeitos da Estrutura do Substrato

� Reações SN2

�Nas reações SN2 haletos de alquilas mostram a seguinte ordem geral de reatividade

�Impedimento estérico: o arranjo espacial de átomos ou grupos no local ou proximidades do sítio reagente impede ou retarda a reação

� Nos haletos terciários e neopentílicos, o carbono reagente é muito

impedido estericamente para reagir

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� Reações SN1

�Geralmente haletos terciários sofrem reações SN1 devido poderem formar carbocátions estabilizados

� O Postulado Hammond-Leffler

�O estado de transição para uma reação exergônica (exotérmica) se assemelha muito ao material de partida

�O estado de transição para uma reação endergônica (endotérmica) se assemelha muito aos produtos

�Geralmente o estado de transição se assemelha mais das espécies próximas a ele em energia

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�Na primeira etapa da reação SN1 o estado de transição se parece muito com carbocátion

�O estado de transição parecido com carbocátion é estabilizado pelos mesmos fatores que estabilizam carbocátions

�O estado de transição levando a carbocátions terciários é muito mais estável e menor em energia do que estados de transição que levam a outros carbocátions

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� Os Efeitos de Concentração e Poder do Nucleófilo

� Reação SN1

�Velocidade não depende da identidade e concentração do nucleófilo

� Reação SN2

�Velocidade é diretamente proporcional à concentração do nucleófilo

�Nucleófilos fortes também reagem rápido� Um nucleófilo carregado negativamente é sempre mais reativo do que seu

ácido conjugado neutro

� Quando comparando nucleófilos com o mesmo átomo nucleofílico: nucleofilicidades seguem a basicidade

�Metóxido é muito melhor nucleófilo do que metanol

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� Efeitos de Solventes nas Reações SN2: Solventes Polar Prótico e Aprótico�Solventes Polar Prótico

� Solventes polares próticos possuem átomo de hidrogênio ligado a átomos fortemente eletronegativos

� Eles solvatam nucleófilos e o tornam menos reativo

� Átomo nucleofílicos grandes (volumosos) são menos solvatados e em decorrência mais reativos em solventes polar e prótico

� Nucleófilos volumosos são também mais polarizáveis e podem doar mais densidade eletrônica

� Nucleofilicade relativa em solventes polares:

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�Solventes Polares Apróticos� Solventes polares apróticos não possuem um átomo de hidrogênio ligado ao

átomo eletronegativo

� Eles solvatam bem cátions mas deixam os ânions não-solvatados pois o centro positivo no solvente é estericamente impedido

� Solventes polares apróticos levam a geração de nucleófilos “nus” e muito reativo

� Tendências para a nucleofilicidade são as mesmas da basicidade

� Eles são excelentes solventes para reações SN2

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� Efeitos de Solventes em Reações SN1: A Habilidade Ionizante do Solvente

�Solventes polares próticos são excelentes solventes para reações SN1

�Solventes polares próticos estabilizam o estado de transição parecido com carbocátion que levam ao carbocátion e então diminuindo o ∆∆∆∆G‡

�Mistura de água-etanol e água-metanol são as mais comuns

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� A Natureza do Grupo Abandonador�Os melhores grupos abandonadores são bases fracas

� O grupo abandonador pode ser um ânion ou uma molécula neutra

�A habilidade de haletos como grupos abandonadores

�Esta tendência é oposta a da basicidade:

�Outras bases muito fracas que são bons grupos abandonadores

�O pobre grupo abandonador hidróxido pode ser trocado para um bom grupo abandonador como a água pela sua protonação

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� Sumário SN1 vs. SN2

�Em ambos tipos de reações iodetos de alquilas reagem rápido devido a sua habilidade superior como grupo abandonador

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� Síntese Orgânica: Transformações de Grupo Funcional Usando Reações SN2

�Estereoquímica pode ser controlada em reações SN2

Inversão da

configuraçãoCN-, íon

cianeto

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� Reações de Eliminação de Haletos de Alquilas� Desidro-halogenação

�Usada para síntese de alquenos � Eliminação compete com reação de substituição

� Bases fortes tais como alcóxidos favorecem eliminação

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�As bases alcóxidos são feitas a partir dos alcoóis correspondentes

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� A Reação E2 �Reação E2 envolve a remoção concertada (sincronizada) de próton,

formação de ligação dupla, e saída do grupo abandonador

�Ambos, haleto de alquila e concentração da base afetam a velocidade da reação e portanto, a reação é de 2a. ordem

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� A Reação E1�A reação E1 compete com a reação SN1 e da mesma maneira

passa pelo intermediário carbocátion

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� Substituição versus Eliminação� SN2 versus E2

�Substrato primário� Se a base for pequena, SN2 compete fortemente pois deve se aproximar de

crbono fortmente impedido

�Substrato secundário� Aproximação ao carbono é estericamente impedido e a eliminação E2 é

favorecida

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�Substrato terciário� Aproximação ao carbono é extremamente impedida e predomina a eliminação, especialmente

em temperaturas elevadas

�Temperatura� Aumentando a temperatura favorece a eliminação sobre a substituição

�Tamanho da Base/Nucleófilo� Bases volumosas estericamente impedidas favorecem eliminação pois elas não

podem se aproximar diretamente do carbono para reagir em uma substituição

� Terc-butóxido de potássio é uma base extremamente volumosa e rotineiramente é empregada para favorecer reação E2

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� Sumário Global