Aula 7 - Haletos e Substituição Nucleofílica (1)

OSOS HALETOSHALETOS ORGÂNICOSORGÂNICOS

• São compostos resultantes da substituição de um ou mais átomos de hidrogênio

de um hidrocarboneto por um ou mais átomos de halogênios. Além disso,

acreditava-se que substâncias como clorofórmio e haletos aromáticos eram

consequência da poluição humana.

Ex: CH2Cl2 CHCl3 CH3I CF2Cl2

OcorrênciaOcorrência naturalnatural dosdos haletoshaletos orgânicosorgânicos

• Até a década de 80, poucos compostos halogenados haviam sido obtidos a partir

de organismos vivos.

• Atualmente, com o crescente estudo da química de organismos marinhos, as

estruturas de mais de 3.200 compostos halogenados obtidos desta fonte já foram

determinadas.

OcorrênciaOcorrência naturalnatural dosdos haletoshaletos orgânicosorgânicos

• O ambiente marinho é a maior fonte de biótica de compostos halogenados,

principalmente pelo ambiente rico em íons cloreto e brometo. Isto explica o “cheiro

de mar” exalado de algumas substâncias organo-halogenadas voláteis.

• A alga Asparagopsis taxiformis (“limi kohu”), encontrada no Havaí e muito• A alga Asparagopsis taxiformis (“limi kohu”), encontrada no Havaí e muito

apreciada pelos “gourmets” pelo seu aroma, fornece vários compostos

halogenados:

Br Br

Br

O

Br

CBr3CO2CH2CH3

CHCl3

CH3Cl CCl4

CH3Br

CBr4{ }

ImportânciaImportância ee aplicaçõesaplicações dosdos haletoshaletos orgânicosorgânicos

SolventesSolventes

- São solventes relativamente pouco polares

- Tetracloreto de carbono, clorofórmio, 1,1,1-tricloroetano

• São importantes não apenas como intermediários em síntese orgânica, mas

também em diversas aplicações industriais e caseiras.

ReagentesReagentes

- Materiais de partida para a síntese de uma série de compostos

- Reações de substituição nucleofílica, de eliminação e formação de

organometálicos, etc

SistemasSistemas dede RefrigeraçãoRefrigeração ee PropelentePropelente emem aerossóisaerossóis

- CloroFluorCarbonetos (CFCs) - Diclorodifluorometano (Freon 12)

AplicaçõesAplicações dosdos haletoshaletos orgânicosorgânicos

PlásticosPlásticos dede usouso domésticodoméstico

SangueSangue artificialartificialSangueSangue artificialartificial

Cl

C

O

CH2

GásGás lacrimogêniolacrimogênio

Perfluorodecalina

(agente hemostático)


AtividadeAtividade EcológicaEcológica

OH

Cl Cl

OH

Cl

Cl

• Acredita-se que os organismos vivos utilizem estas substâncias como função de

atração sexual (feromônio), como ação antimicrobiana, repelentes para predadores

e herbívoros, etc.

Cl

2,6-diclorofenol

(Feromônio do inseto Dermacentor Variabilis)

2,4-diclorofenol

(Herbicida – agente laranja)

• O composto clorado Plocameno B, isolado da alga Plocamiun violaceum, possui

atividade inseticida contra larvas e mosquitos, semelhante ao DDT.

Cl

Cl Cl


PesticidasPesticidas (( DDTDDTss == DDicloroicloro –– DDifenilifenil –– TTricloroetanoricloroetano ))

AspectosAspectos EstruturaisEstruturais dosdos haletoshaletos orgânicosorgânicos

- A reatividade dos haletos de alquila deve-se ao fato da ligação C-X ser bastante

polarizada, com o carbono apresentando uma carga parcial positiva.

- Os haletos orgânicos também podem ser vinílicos ou arílicos

AlgumasAlgumas propriedadespropriedades físicasfísicas dosdos haletoshaletos orgânicosorgânicos

- Os haletos de alquila e arila apresentam baixa solubilidade em água e alta

solubilidade em solventes pouco polares.

- Compostos monoclorados e monofluorados possuem densidades menores que

1g.cm-3, enquanto que os monobromados e monoiodados tem densidade > 1g.cm-3.

- São normalmente líquidos, e o PE aumenta com a massa atômica do halogênio.

REAÇÕESREAÇÕES DEDE SUBSTITUIÇÃOSUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICANUCLEOFÍLICA

- Substituição : troca de um grupo por outro

- Nucleófilo : base se Lewis (doador do par de elétrons)

- Substrato : haleto de alquila (R-X)

- Grupo abandonador (retirante): íon halogênio (X-)


- A reação de haletos orgânicos com nucleófilos é de grande importância em

síntese orgânica, pois permite o preparo de compostos de diversas classes

orgânicas.

- Exemplos:


SubstratoSubstrato

NucleófiloNucleófiloNucleófiloNucleófilo

-- Ex : R-O-, OH-, etc

Grupos retirantesGrupos retirantes

-- Fica estável após a separação:

- Ex: bases fracas, haletos (I->Br->Cl->>F-)


-- Reação geral para SN de um haleto de alquila pelo íon hidróxido

-- Reação geral para SN de um haleto de alquila pela água

H2O

+


Exercícios: Escrever as reações como reações iônicas líquidas e indicar os

produtos, o substrato, nucleófilo e o grupo retirante para cada uma:

ReaçõesReações (em(em carbonocarbono saturado)saturado) dosdos haletoshaletos orgânicosorgânicos

- Como bases são nucleófilos e nucleófilos são bases, as reações de substituição

competem com as reações de eliminação

H C

C X�u −−−−

(a)

(b)

(a)

eliminaçãoE2

(b)

C

C

CH(b)(b)

substitutição

S�2

CH

C�uX −−−−+

MasMas comocomo saber saber qualqual reaçãoreação é é maismais favorávelfavorável????

Em altas temperaturas, as reações de eliminação são mais favoráveis!

* Eliminação leva a um maior número de produtos


Haletos secundários ⇒ Eliminação é favorecida

Haletos primários ⇒ Substituição é favorecida

CH3CH2O−−−−Na

++ CH3CH2Br

C2H5OH

55oC

(−−−−NaBr)

CH3CH2OCH2CH3 + H2C CH2

SN2 = 90% E2 = 10%

CH3CHCH3

Br

+ NaBrC2H5ONa

C2H5OH, 55oC

H2C CH CH3

(79%)

C2H5OH+

C

CH3

H3C Br

CH3

C CH2

CH3

H3C + NaBr C2H5OH+

(91%)

C2H5ONa

C2H5OH, 55oC

Haletos secundários ⇒ Eliminação é favorecida

Haletos terciários ⇒ Eliminação é altamente favorecida

E2 = 79%

E2 = 100%


H3CC Cl

CH3

CH3

80% C2H5OH

20% H2O25 oC

H3CC OH

CH3

CH3

+ H3CC OCH2CH3

CH3

CH3

álcool tert-butílico tert-butil etil ether

CH

(83%)

• Substituição x eliminação

SN1

x

C

CH3

CH3

H2C 2-Metilpropeno (17%) E1

+ Cl −−−−H3CC Cl −−−−

CH3

CH3

H3CC

CH3

CH3(solvatado) (solvatado)

+etapa lenta

A etapa inicial (determinante) é a mesma para ambos os mecanismos (SN1 ou E1).

MECANISMOSMECANISMOS DASDAS REAÇÕESREAÇÕES DEDE SUBSTITUIÇÃOSUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICANUCLEOFÍLICA

- Dependendo das condições de reação, ela pode seguir o mecanismo SN1 ou SN2.

ReaçõesReações dede substituiçãosubstituição nucleofílicanucleofílica bimolecularbimolecular (SN(SN22))

�� Ocorre em apenas uma etapaOcorre em apenas uma etapa

�� Reação de segunda Ordem: Proporcional as duas concentraçõesReação de segunda Ordem: Proporcional as duas concentrações

�� Etapa determinanteEtapa determinante

Velocidade da reação = KVelocidade da reação = K22[[nn--BuBrBuBr][OH][OH--]]

ReaçõesReações dede substituiçãosubstituição nucleofílicanucleofílica bimolecularbimolecular (SN(SN22))

•• O estado de transiçãoO estado de transição

MecanismoMecanismo dada reaçãoreação SNSN22

1) O nucleófilo (Nu:-) ataca por trás o átomo de carbono ligado diretamente ao

retirante

2) Ocorre a superposição do par de elétrons do Nu:- com o orbital vazio do

carbono contendo o grupo retirante

3) A ligação Nu-C é fortalecida e a ligação C-X enfraquece

4) Ocorre a inversão de configuração* e o retirante é “puxado para fora”

EstereoquímicaEstereoquímica dada reaçãoreação SNSN22

* ataque por trás provoca mudança na configuração : sombrinha vira do avesso!

•• Impedimento Impedimento estéricoestérico: : CH3-X (SN2 rápida); R-X (SN2 rápida); R2CH2-X (SN2 lenta)


• Reações SN2 sempre ocorrem com inversão de configuração

(R)-(-)-2-Bromooctano

Br H H OHHO-

(S)-(-)-2-Octanol

[αααα]D25 = -34,25o [αααα]D25 = +9,90o

100 % de pureza 100 % de pureza

enantioméricaenantiomérica

ReaçõesReações dede substituiçãosubstituição nucleofílicanucleofílica unimolecularunimolecular (SN(SN11))

�� Ocorre em duas etapas: formação do intermediário e formação do produtoOcorre em duas etapas: formação do intermediário e formação do produto

�� Reação de primeira ordem: Proporcional a concentração de um reagenteReação de primeira ordem: Proporcional a concentração de um reagente

�� Formação do intermediário (Formação do intermediário (carbocátioncarbocátion) é a etapa determinante) é a etapa determinante

�� 1ª etapa (lenta)1ª etapa (lenta)CH3

+

CH3-

lenta�� 1ª etapa (lenta)1ª etapa (lenta)

Etapa determinanteEtapa determinante

�� 2ª etapa (rápida) 2ª etapa (rápida)

Velocidade da reação = KVelocidade da reação = K11[([(CHCH33))33--CC--BrBr]]

C

CH3

H3C Br C+

CH3

H3C + Br-

C

CH3

CH3

H3C OHC+

CH3

CH3

H3C + H2O

-OH

H2O

ReaçõesReações dede substituiçãosubstituição nucleofílicanucleofílica unimolecularunimolecular (SN(SN11))

•• O estado de transiçãoO estado de transição

CR

R

R

CR

R

R

CR

R

R

MecanismoMecanismo dada reaçãoreação SNSN11

C

CH3

CH3

H3C Cl C+

CH3

CH3

H3C + Cl-

lenta

C+

CH3

CH3

H3C + O

H

H.. rápida

C

CH3

CH3

H3C O

H

H..+

1) Ajudado por um

solvente polar o cloro sai

e produz um C+

CH3 H CH3 H

+..O

H

HC

CH3

CH3

H3C..O

H

H+

rápida ..O

H

C

CH3

CH3

H3C +

+..O

H

HH

2) Uma molécula de água atua como base de Lewis e doa o par de elétrons para

formar um íon terc-butiloxônio

3) Uma molécula de água atua como base de B-L e abstrai um próton, formando um

álcool terc-butílico


• Possibilidades :

C

X

AB Nu

-

C

Nu

AB

+ X- Retenção da configuração

X-

+Nu

-

C

X

AB

Nu

C

AB

Inversão da configuração

X-

+Nu

-

C

X

AB

Nu

C

AB22 2+

C

Nu

AB

Racemização


C

CH3CH2CH2

H3CCH2

H3CBr

lenta

-BrC+

H3C CH2CH3

CH2CH2CH3

..HOH

Carbocátion tem estrutura

trigonal plana e é aquiral

C+

CH3CH2CH2

H3C CH2CH3

HOH....

ataque pela frente

ataque por trás

rápida

C

CH3CH2CH2

H3CCH2

H3CO

H

H+

+C

CH3CH2CH2

H3CCH2

CH3O

H

H

Enantiômerosrápida

..

..HOH

..

..HOH

..

..

..C

CH3CH2CH2

H3CCH2

H3CO

H

..C

CH3CH2CH2

H3CCH2

CH3O

H

Mistura racêmica

H3O+

+

+ H3O+

..

..

Retenção + inversão = racemização

EfeitoEfeito dodo solventesolvente nasnas reaçõesreações dede substituiçãosubstituição nucleofílicanucleofílica

EfeitoEfeito dodo solventesolvente nasnas reaçõesreações dede substituiçãosubstituição nucleofílicanucleofílica

� SolvóliseSolvólise == reações de SN onde o nucleófilo é uma molécula do solvente

água => hidróliseágua => hidrólise

etanol => etanol => etanóliseetanólise

FatoresFatores queque afetamafetam asas velocidadesvelocidades dasdas reaçõesreações SNSN11 EE SNSN22

Efeito da estrutura do substrato

• SNSN22:: - ordem de reatividade de haletos de alquila:

metila > primário > secundário >> terciário (não reage)

- haletos terciários, p.ex., tem bloqueio estérico de grupos volumosos que- haletos terciários, p.ex., tem bloqueio estérico de grupos volumosos que

dificultam o ataque.

• SNSN11:: - ordem obedece à estabilidade relativa do carbocátion:

terciário > secundário > primário > metila (não reage)

- praticamente só carbocátion terciário reage

- carbocátions primários e secundários não competem com SN2

Efeito da concentração e da força do nucleófilo

- influencia somente em SN2 (segunda ordem)

- bons nucleófilos são também bases fortes e reagem rápido com substrato:

RO- > HO- >> RCO2- > ROH > H2O

Efeito do solvente sobre SN2: solventes polares e apróticos

- água e alcoóis (solventes polares próticos) solvatam o íon haleto pela- água e alcoóis (solventes polares próticos) solvatam o íon haleto pela

formação de ligação H (desfavorável)

- nucleofilicidade relativa em solventes próticos:

SH- > CN- > I- > OH- > Br- > Cl- > H2O

- DMF e DMSO são solventes polares apróticos: dissolvem compostos

iônicos e não formam ligações de hidrogênio (favorável)

- ordem de nucleofilicidade relativa em DMSO, por exemplo:

F- > Cl- > Br- > I-

Efeito do solvente sobre SN1: capacidade de ionização do solvente

- uso de solventes polares e próticos: solvatam cátions e ânions, e elevam a

velocidade de ionização de haletos de alquila (favorável)velocidade de ionização de haletos de alquila (favorável)

- água é o melhor solvente, mas muitos compostos orgânicos não dissolvem

em água, por isso usam-se solventes mistos polares

Mecanismo SN1 x SN2

Fator SN1 SN2

Substrato3° (necessita a formação de um

carbocátion estável)

Metil > 1° > 2° (necessita de

substratos desbloqueados)

Base de Lewis fraca, molécula Base de Lewis forte, onde a

Nucleófilo

Base de Lewis fraca, molécula

neutra, o nucleófilo pode ser o

solvente (solvólise)

Base de Lewis forte, onde a

velocidade depende da

concentração do nucleófilo

Solvente Prótico polar (Ex: álcoois, água) Aprótico polar (Ex: DMF, DMSO)

Grupo

abandonador

I > Br > Cl > F para ambos o SN1 e SN2

(Quanto mais fraca a base, depois da partida do grupo, melhor

será o grupo abandonador/retirante)

Exercícios

1) Justifique as porcentagens dos produtos formados nas seguintes reações:

(3%)(97%)

b) + CH2(CH3)2CHOC2H5 CH3CH

55oC

C2H5OHCH3CHBrCH3

CH3CHBrCH3C2H5OH

55oC

(CH3)2CHOC2H5 CH3CH CH2+a)

(79%)(21%)

C2H5O-Na

+ /

2) Preveja e justifique a ordem de reatividade do iodeto de sódio em acetona

(condição que favorece a reação SN2) com os seguintes haletos de alquila :

CH3

Cl Cl

H3C Cl

( I ) ( II ) ( III )

3) Determine o produto principal (majoritário) e escreva o mecanismo completo

das reações de SN abaixo, esboçando para cada reação um gráfico

detalhado de energia versus coordenada de reação:

a) Cloropentano + CH3CH2O- 50

oC

CH3CH2OH

b) (R)-2-bromobutano + -OH

25oC

25oC

c) (S)-3-bromo-3metilhexano

CH3OH

CH3CO2H

50oC

CH3CO2-

d) 3-clorohexano +

e) brometo de ter-butila

CH3OH

25oC

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