Haletos de alquilo: substituição nucleofílica e eliminação

Classes de haletos Alquil: Halogénio, X, está ligado directamente ao carbono

sp3.

Vinil: X está ligado ao carbono sp2 do alceno.

Aril: X está ligado ao carbono sp2 do anel benzénico.

Exemplos:

C

H

H

H

C

H

H

Br

alkyl halide

C CH

H

H

Clvinyl halide

I

aryl halide

Polaridade e Reactividade Halogénios são mais electronegativos que o carbono.

Ligação carbono-halogénio é polar, portanto o carbono tem

carga parcial positiva.

Carbono pode ser atacado por um nucleófilo.

Halogénio pode ficar com o par de electrões.

CH

HH

Br+ -

Classes de haletos de alquilo

Haletos de metilo: só com um C, CH3X

Primário: o C ao qual o X está ligado tem só uma ligação

C-C.

Secundário: o C ao qual o X está ligado tem duas

ligações C-C.

Terciário: o C ao qual o X está ligado tem três ligações

C-C.

Dihaletos Dihaletos geminais: dois átomos de halogénio estão ligados ao

mesmo carbono

Dihaletos vicinais: dois átomos de halogénio estão ligados a

carbonos adjacentes.

C

H

H

H

C

H

Br

Br

geminal dihalide

C

H

H

Br

C

H

H

Br

vicinal dihalide

Nomenclatura IUPAC

Chamados haloalcanos.

Escolha a cadeia de carbono mais longa, mesmo que o halogénio

não esteja ligado a essa cadeia.

Use a posição com o número mais baixo.

CH3 CH CH2CH3

Cl CH3(CH2)2CH(CH2)2CH3

CH2CH2Br

2-chlorobutane 4-(2-bromoethyl)heptane

Nomes Sistemáticos Comuns Localizar o alcano parente.

Numerar a cadeia hidrocarbonada de modo a dar o número ao

substituinte o número mais baixo.

Mostrar os substituintes de halogénio pelos prefixos fluor-, cloro-,

bromo-, e iodo- e listá-los por ordem alfabética juntamente com os

outros substituintes.

Localizar cada halogénio na cadeia hidrocarbonada.

3-Bromo-2-methyl-pentane

12

34

5Br

4-Bromocyclohexene

1

23

4

56Br

OH

Cltrans-2-Chloro-cyclohexanol

4

56

123

Nomes “Triviais”

CH2X2 chama-se haleto de metileno.

CHX3 é o halofórmio.

CX4 tetrahaleto.

Exemplos:

CH2Cl2 é cloreto de metileno ou diclorometano

CHCl3 é clorofórmio

CCl4 é tetracloreto de carbono.

Usos dos Haletos de Alquilo

Solventes – desengordurantes e líquidos de limpeza a seco

Reagentes para sínteses de outros compostos

Anestésicos: Haloetano é CF3CHClBr

CHCl3 usado originalmente (tóxico e carcinogénico)

Freons, clorofluorocarbonos ou CFC’s

Freon 12, CF2Cl2, agora substituído por Freon 22, CF2CHCl,

não é tão tóxico para a camada de ozono.

Pesticidas - DDT banido nos USA

Momentos Dipolares m = 4.8 x x d, onde é a carga (proporcional a DEN) e d

é a distância (comprimento da ligação) em Angstroms.

Electronegatividades: F > Cl > Br > I

Comprimentos da ligação: C-F < C-Cl < C-Br < C-I

Dípolos da Ligação: C-Cl > C-F > C-Br > C-I

1.56 D 1.51 D 1.48 D 1.29 D

Dípolos moleculares dependem da forma, também!

Pontos de Ebulição Forças intermoleculares fortes, p.e. elevados

Forças de atracção dípolo-dípolo significativamente diferentes

para haletos diferentes

Forças de London elevadas para moléculas maiores

Massa elevada, p.e. maior

Forma esférica diminui o p.e.

(CH3)3CBr CH3(CH2)3Br

73C 102C

Densidades

Fluoretos e cloretos de alquilo menos densos que a água.

Dicloretos, brometos e iodetos são mais densos que a água.

Substituição e Eliminação Neste capítulo nós, concentramo-nos em dois tipos de reacção:

Substituição nucleofilica

b-eliminação

Br

HEtO-Na+

OEt

EtOH

Na+Br-

Na+Br-

ethanol

ethanol

+

+

+

as a nucleophile,ethoxide ion attacksthis carbon

a nucleophile and a base

as a base, ethoxide ionattacks this hydrogen

+

nucleophilicsubstitution

b-elimination

Substituição Nucleofílica

SN1 ou SN2

Substituição Nucleofílica

Em termos gerais, a substituição tem lugar no carbono

tetraédrico portanto com hibridação sp3.

nucleophilicsubstitution

Nucleophile++ C NuC XNu - X-

leavinggroup

Substituição Nucleofilica Algumas substituições nucleofílicas

Mecanismo Existem dois mecanismos para a substituição nucleofilica.

A diferença fundamental entre eles é o “timing” do passo em que se

quebra a ligação e a que se forma a ligação.

Num extremo, os dois processos ocorrem simultaneâmente;

designando-se por SN2.

S = substituição

N = nucleofilico

2 = bimolecular (duas especies estão envolvidas no passo

determinante da reacção)

velocidade = k[haloalcano][nucleófilo]

SN2 Ambos os reagentes estão envolvidos no estado de transição do

passo determinante da velocidade da reacção.

Nucleófilo ataca o centro reactivo do lado oposto ao grupo

abandonante.

SN2 Diagrama de energia para a reacção SN2.

Há um estado de transição e um intermediário não reactivo.

SN1 Neste mecanismo, existe a quebra da ligação entre o carbono e o grupo

abandonante é completa antes da formação da ligação com o nucleófilo

começar.

O mecanismo é designado por SN1 onde

S = substituição

N = nucleófilo

1 = unimolecular (sómente uma espécie está envolvida no passo

determinante da velocidade)

velocidade = k[haloalcano]

SN1 SN1 é ilustrada pela solvólise do brometo de terc-butilo.

Passo 1: Ionização da ligação C-X forma um carbocatião

intermediário.

C

CH3

CH3H3C

+C

H3C

H3CBr

H3C

slow, ratedetermining

A carbocation intermediate; carbon is trigonal planar

+ Br

SN1 Passo 2: Reacção do carbocatião (electrófilo) com metanol

(nucleófilo) dá o ião oxonium.

Passo 3: Transferência do protão para o metanol completa a reacção.

CH3OH H3C

C

CH3

CH3

OCH3

H

CCH3

CH3

CH3O

H3C

H H3CH3C

CH3C

OCH3

H

fast ++ ++

++++ fastC

H3CH3C

OH3C

OCH3

HOHO

CH3CH3

H

H

CH3

H3CCH3C

H3C

SN1 Diagrama de energia da reacção SN1.

SN1 Reacção SN1 com um estereocenter, o produto é uma

mistura racémica.

(R)-EnantiomerPlanar carbocation (achiral)

CH

Cl

C6H5

Cl

C+

C6H5

H

Cl

CH3OH-Cl-

-H+

SN1 O nucleófilo ataca com igual probabilidade de cada

lado do carbocatião intermediário.

+

A racemic mixture

Cl

C6H5 C6H5

C OCH3H

CH3O CH

Cl(R)-Enantiomer(S)-EnantiomerPlanar carbocation

(achiral)

C+

C6H5

H

Cl

CH3OH-H+

Evidência para reacções SN Qual o efeito da estrutura do nucleófilo na

velocidade da reacção?

Qual o efeito da estrutura do haloalcano na velocidade da reacção?

Qual o efeito da estrutura do grupo abandonante na velocidade da reacção?

Qual o papel do solvente?

Nucleofilidade Alguns nucleófilos comuns e sua efectividade relativa

Estrutura de Haloalcanos Reacçõs SN1

Governados por factores electrónicos, nomeadamente por

estabilidade relativa de carbocatiões intermediários.

Velocidades relativas: 3° > 2° > 1° > metil

Reacções SN2

Governados por factores estericos, nomeadamente a aproximação

relativamente fácil do nucleófilo ao sitio da reacção.

Velocidade relativa: metil > 1° > 2° > 3°

Estrutura do haloalcano Factores estericos

Compare o acesso do centro da reacção no bromoetano e

no 2-bromo-2-metilpropano (terc-butil cloreto).

Estrutura do Haloalcano Efeito electrónico e factores estericos em competição entre

as reacções SN1 e SN2 dos haloalcanos.

O grupo abandonante Os melhores grupos abandonantes são os halogénios I-, Br- e Cl-.

OH-, RO-,e NH2- são maus grupos abandonantes pelo que muito

raramente se é que alguma vez são deslocados em reacções de

substituição nucleofílica.

I- > Br- > Cl- >> F- > CH3CO- > HO- > CH3O- > NH2-

Greater ability as leaving group

Greater stability of anion; greater strength of conjugate acid

Rarely act as leaving groups in nucleophilic substitution and b-elimination reactions

O

O solvente Solvente prótico: o solvente que contém grupo -

OH.

O solvente Solvente aprótico : não contêm grupo -OH.

Solventes apróticos favorece as reacções SN2. Contudo os solventes

do topo da tabela são polares, a formação de carbocatiões são mais

dificeis de formar em solventes próticos.

Sumário da SN1 e SN2

Substituição Nucleofilica Exemplos: Indique o produto de cada reacção, o

mecanismo e a estereoquímica do produto.

Br Na+I- DMSO+2.

Br

Na+SH-+ acetone4.

ClCH3OH

CH3OH+1.

BrCH3S- Na++ acetone

3.

b-Eliminação b-Eliminação: Remoção de átomos ou grupo de átomos dos carbonos

adjacentes para formar a dupla ligação carbono-carbono.

Estudamos a b-eliminação chamada dehidrohalogenação (a

eliminação do HX).

C CH X

CH3CH2O-Na+

C C

CH3CH2OH

CH3CH2OH Na+X -+

+b

+

An alkyl halide

Base

An alkene

b-Eliminação Regra Zaitsev: O maior produto da b-eliminação é mais

estável: o alceno mais substituido.

Br CH3CH2O-Na+

CH3CH2OH2-Methyl-2-butene (major product)

2-Bromo-2-methylbutane

2-Methyl-1-butene

+

Br CH3O-Na+

CH3OH +

1-Methyl-cyclopentene

(major product)

1-Bromo-1-methyl-cyclopentane

Methylene-cyclopentane

b-Eliminação Existem dois mecanismos para reacções de

b-eliminação.

Mecanismo E1 : quebra da ligação C-X é completa antes

que a base quebre a ligação C-H.

Sómente a ligação R-X é envolvida no passo determinante.

Mecanismo E2 : quebra das ligações C-X e C-H é

concertada.

Ambos, a ligação R-X e a base são envolvidas no passo

determinante da reacção.

Mecanismo E1 Passo 1: a velocidade é determinada pela ionização da ligação C-X

para formar o carbocatião intermediário.

Passo 2: a transferência de protão do carbocatião intermediário para

a base (neste caso, o solvente) forma-se o alceno.

CH2-C-CH3

Br

CH3CH3-C-CH3

CH3

Br –slow, rate

determining+

(A carbocation intermediate)

+

HO

H3CH-CH2-C-CH3

CH3HO

H

H3CCH2=C-CH3

CH3fast+

+ ++

Mecanismo E2 O mecanismo de um passo; todos os passos de

formação de ligação e quebra de ligação são

concertados.

CH3CH2OCH3

H-CH-CH2-Br

CH3CH2O-H CH3CH=CH2 Br

+

+ +

Reacções de eliminação Summário de reacções E1 versus E2 para haloalcanos

Substituição versus Eliminação

Porque muitos nucleófilos são também bases fortes (OH- e

RO-), reacções SN e E normalmente competem.

The ratio of SN/E products depends on the relative rates of the two

reactions.

nucleophilicsubstitution

b-eliminationC CH X + Nu-

C CH Nu +

C C H-Nu+ +

X-

X-

SN1 versus E1 Reacções de haloalcanos 2° e 3° em solventes próticos dão

uma mistura de produtos de substituição e eliminação. A

razão entre os produtos são dificeis de prever.

CH3

CH3

ICCH3 -I-

CH3 CCH3 SN1

CH3-Cl-H2O

CH3OHSN1

ClCH3CH3

CH3C

CH2

CH3

CH3

C

C

CH3

CH3

CH3CCH3

CH3

CH3

OH

OCH3

H+

H+

H+

E1

+

+

+

+

SN2 versus E2 É consideralmente mais fácil prever a razão entre os

produtos SN2 e E2.

b

leaving groupCC

R R

HRR

Attack of base on a b-hydrogen by E2 is only slightly affected by branching at the -carbon; alkene formation is accelerated

SN2 attack of a nucleophile isimpeded by branching at the- and b-carbons

Sumário de S versus E para haloalcanos Para metil e haloalcanos 1°.

RCH2X

CH3X

SN1 and E1 reactions of primary halides are never observed.

SN2SN1 reactions of methyl halides are never observed.The methyl cation is so unstable that it is never formed in solution.

SN2

E2 The main reaction with strong, bulky bases, such as potassium tert-butoxide.

Primary cations are never formed in solution; therefore,

Methyl

Primary

SN1/E1

SN1The only substitution reactions observed

The main reaction with strong bases such as OH- andEtO-. Also, the main reaction with good nucleophiles/weak bases, such as I- and CH3COO-.

Sumário de S versus E para haloalcanos Para haloalcanos 2° e 3°.

The main reaction with strong bases/good nucleophiles

R3CX

such as I- and CH3COO-.R2CHX

Main reaction with strong bases, such as HO- and RO-.Main reactions with poor nucleophiles/weak bases.

The main reaction with weak bases/good nucleophiles,

E2

SN2

E2

SN2 reactions of tertiary halides are never observed

SN1/ E1

Secondary

Tertiarybecause of the extreme crowding around the 3° carbon.

SN1/ E1 Common in reactions with weak nucleophiles in polarprotic solvents, such as water, methanol, and ethanol.

such as OH- and CH3CH2O-.

SN2

Sumário de S versus E para haloalcanos Exemplos: Preveja o produto maioritário e o mecanismo de cada

reacção.

ClNaOH 80°C

H2O+1.

Br (C2H5)3N 30°CCH2Cl2

+2.

BrCH3O- Na+

methanol3. +

ClNa+ I-4. + acetone

FIM