Resumo das aulas 1 - uff.br das aulas 1.pdf · Rosângela de A. Epifanio, IQ-UFF Resumo das aulas de Química Orgânica II Reações de Substituição Nucleofílica e de Eliminação

Rosângela de A. Epifanio, IQ-UFF

Resumo das aulas de Química Orgânica II

Reações de Substituição Nucleofílicae de Eliminação

Haletos de alquila, álcoois, éteres, e etc.

Parte 1


Substituição nucleofílicaao carbono saturado

- Mecanismos (SN1 e SN2)- Estereoquímica- Grupo de saída e estrutura do substrato- Nucleofilicidade- Intermediários e estabilidade- Influência do solvente


Substituição nucleofílicaao carbono saturado

C GS C + GS:

C + Nu: C Nu

R-GS + Nu:- R-Nu + GS:-Reação geral

Possíveis mecanismos

A) Em duas etapas

Etapa 1:

Etapa 2:

B) Em uma etapaC GSNu: + C Nu + GS:


Mecanismo SN1

Cl + H2Oacetona

OH + HCl

Experimentos cinéticos: a velocidade da reação não depende do nucleófilomas somente da concentração do cloreto de terc-butila

Veloc. = k1[Me3CCl] ; logo: reação de 1a. ordem

Substituição Nucleofílica Monomolecular = SN1


Mecanismo SN1

Cl

+ H2O

Etapa lenta

carbocátionintermediário

+ Cl

OH2 OH + H

Clδ δ

δ

δ

1

OH2

2

R

I

PH P

estado de transição daetapa lenta

estado de transiçãoda 2a. etapa

Substituição Nucleofílica Monomolecular


Mecanismo SN1Substituição Nucleofílica Monomolecular

1

R

2

I

PH+ P

E

CR

Perguntas:

1) Porque nas reações de haletos de alquila que ocorrem pelo mecanismo mostrado,a adição de sais do haleto diminui a velocidade ?2) Para a reação mostrada no slide anterior, que mudanças na velocidade são esperadasquando: a) dobra-se a quantidade de água; b) dobra-se a quantidade de haleto de alquila;c) usa-se metade da quantidade de haleto de alquila ?3) Dada a reação abaixo responda porque a velocidade não aumenta com o uso de um nucleófilomelhor como o etóxido de sódio.

Me3CBr + [C2H5OH ou C2H5O-Na+] Me3COC2H5


Mecanismo SN2

Cl + H2O OH + HClnão reage

Veloc. = k1[EtCl][HO-] ; logo: reação de 2ª. ordem

Substituição Nucleofílica Bimolecular = SN2

Ao contrário da reação anterior,o cloreto de etila não reage

rapidamente com água

Por outro lado, a adição de hidróxido de sódio à solução fornece o produto de hidrólise

Cl OH + HClH2O

+ HO

Experimentos demonstraram que a velocidade depende da concentração dohaloalcano e do hidróxido (de 1ª. ordem para cada reagente):


Mecanismo SN2

O mecanismo proposto para esta reação é um mecanismo em queno estado de transição o carbono está parcialmente

ligado ao grupo de saída e ao nucleófilo. A ligação C-GS é rompida ao mesmo tempo em que a

ligação C-Nu é formada.

ClOH + ClHO +

H3C H

H

HO Clδ

δ


Mecanismo SN2

ClHO +

H3C H

H

HO Clδ

δDiagrama de energia

OH + Cl

Ene

rgia

Coordenada de reação


Mecanismo SN2

Algumas perguntas:

4) A reação do brometo de benzila com azida de sódio ocorre via SN2

a) Escreva a reação e sua equação de velocidadeb) Que mudanças na velocidade de reação são esperadas: dobrando a quantidade de azida de sódio; dobrando a quantidade de brometo de benzila;dobrando a quantidade de ambos; dimuinuindo à metade a quantidade de ambos; com metade da concentração de brometo de benzila e com o dobro da quantidade de azida de sódio ?


SN - EstereoquímicaO que ocorre se o substrato (R-GS) for oticamente ativo – se o carbono

que sofre substituição for assimétrico (aquiral)?

Z

GSY

W

Z

NuY

WNu

+ GS RETENÇÃO DE CONFIGURAÇÃO

Z

GSY

W Nu

Z

GSY

W 2Nu

Nu

Z

YW

+ GS INVERSÃO DE CONFIGURAÇÃO

Z

NuY

W

Nu

Z

YW

+ 2GS2 + RACEMIZAÇÃO

Possibilidades


SN - Estereoquímica

Z

GSY

X 2Nu

Z

NuY

X

Nu

Z

YX

+ 2GS2 + RACEMIZAÇÃO

retenção inversão

OBS (veremos detalhes/exemplos no decorrer do curso) :

Na racemização teríamos igual quantidade de retenção e de inversãoNem sempre isso ocorreNa maioria das reações tem-se, normalmente,racemização e inversão em diferentes graus (raramente o produto é“verdadeiramente” racêmico; [α]D = 00)


SN2 - EstereoquímicaNas reações de SN de 2a. ordem não temos intermediário. Temos um estado de transição em que a ligação C-GS é rompida ao mesmo tempo (ou quase) em que a ligação C-Nu é formada. Normalmente estas reações apresentam um alto grau de estereosseletividadecom INVERSÃO DE CONFIGURAÇÃO.

Z

GSY

W

Nu Nu

Z

YW

+ GSNu GS

YW

Z

δδ=

O nucleófilo se aproxima pela face oposta a do grupo de saída de modo aminimizar interações espaciais desfavoráveis


SN2 - EstereoquímicaExemplos de experimentos que demonstram a

existência do mecanismo SN2

Reação: 2-iodooctano + íon iodeto em acetona (solvente)

1) Substrato oticamente ativo Perda da atividade ótica durante a reação

2) Condições idênticas usando iodeto radioativo como Nu (128I-)

A perda da atividade ótica é uma reação de segunda ordem (1a. ordem no iodo-alcano e 1a. ordem no iodeto)

com constante de velocidade Ka

Neste experimento pode-se determinar a velocidade de troca entreo iodo “normal” e o iodo radioativo com constante

de velocidade Kr

Constatou-se que a velocidade da reação Kr é metade da velocidadede perda da atividade ótica (racemização): Ka/Kr = 2


SN2 – Estereoquímica –experimentos mecanismo

Constatou-se que a velocidade da reação Kr é metade da velocidadede perda da atividade ótica (racemização): Ka/Kr = 2

Quando uma molécula de 2-bromo-octano reage forma, via SN2, o seu enantiômero

I

H3C H

(R)-2-iodooctano

I

H CH3

128

(S)-2-iodooctano

I128

A rotação ótica de uma molécula do produto “cancela” a rotação ótica de uma molécula do reagente.

Pergunta: 5) Qual seria a relação Ka/Kr se a reação ocorresse através do mecanismo SN1 (inversão de configuração)?


SN2 – Estereoquímica –experimentos mecanismo

OH

Bz

H3CH

Bz = Benzil

+ SCl

O

O

Piridina, 250C

SO

O

= Ts = Tosilato (-OTS é bom grupo de saída)

OTs

Bz

H3CH

cloreto de p-toluenosulfonilaNH

+

Cl(S)-1-fenil-2-propanol

α = + 33,00

(S)

α = + 31,10

OTs

Bz

H3CH

O

O

K

acetato de potássio

Acetona

SN2

AcO

Bz

HCH3

(R)α = - 7,060

+ K OTs

O

Bz

HCH3

O

K OH

reação de substituiçãoà carbonila

(últimos topicos da Org II)

H2O, ∆ CH3COO K + HO

Bz

HCH3

(R)-1-fenil-2-propanol

α = -33,00

(R)


SN2 – Estereoquímica

Algumas perguntas:

6) Para a seqüência de reações abaixo e baseando-se no mecanismo dasubstittuição nucleofílica, dê uma explicação para a esteroquímica dos produtos.

Cl

H3CH

NaN3

acetona NC6H5

H3CH

N

N

1) LiAlH4/Et2O

2)H3O+ H2N

C6H5

H3CH


SN2 – Estereoquímica

7) Desenhe as estruturas tridimensionais de todas as substâncias envolvidasna conversão do (R)-1-deuteroetanol ao (S)-1-deuteroetanol.Dê a nomenclatura (R/S) para as substâncias A e B

CH3CHDOH A B

(R) (S)

C6H5SO2Cl CH3CO2-Na+ NaOH/H2O CH 3 CHDOH


Reações SN1

• Estas reações ocorrem em duas etapas com a formação de um carbocátion intermediário na etapa lenta.

• O carbocátion possui hibridação sp2-planar e o nucleófilo pode se ligar ao orbital p vazio em uma de suas faces (alfa ou beta - ver desenho) com (à princípio) igual probabilidade

O resultado esperado seria o produto “racêmico” no carbono que sofre a substituição (se este for assimétrico)

R1R3

R2

GS

R1R3

R2

GSδ−

δ+ R1

R3

R2

GS−+

1

Nu-R1

Nu

R1

Nu

R3

R3R2

R2

Retenção

+

Inversão

= Racemização


Reações SN1

• A racemização nem sempre é completa e pode ocorrer com diferentes graus de inversão e retenção de configuração

• Dependerá da estabilidade do carbocátion, do solvente e do nucleófilo

Exemplos

Br

Oticamente ativo

*MeOH

(metanólise)1-metoxi-1-feniletano

(27% de inversão e 73 % de racemização)

2-bromo-heptanoóticamente ativo

EtOH/H2O 2-etoxi-heptano(87 % de inv. e 14 % de retenção)

+ 2-heptanol(84% de inv. e 16% de retenção)

8) Qual o excesso enantiomérico em cada uma das misturas acima?% Pureza óptica = 100 [α]mistura / [α]amostra pura

% e.e. = 100 ([R]-[S]) / ([R]+[S])


Reações SN1

- Produto racêmico: igual probabilidade do nucleófilo se ligar nas duas faces do carbocátion

- Estabilidade do carbocátion, solvatação do carbocátion e do grupo de saída

H3C

Br

HC6H5 + MeOH

C6H5 H

CH3

H

O

H3C

O

H

CH3

+ Br-

C6H5 H

CH3

H

O

H3C

+ Br-

Resultado: racemização - inversão


Variáveis na SN em carbono sp3

• Grupos de saída• Nucleófilos• Carbono a sofrer a

substituição• Solvente• SN1 X SN2• Reações competitivas• Participação de grupos

vizinhos• SN X Eliminação


SN - Grupo de Saída Estabilidade - bases conjugadas de ácidos fortes

Péssimos3649

NH2-

CH3-

Ruins15,715

HO-

MeO-

Razoáveis

9,19,21010 10,6

CN-

NH3

C6H5O-

RNH2, R3NEtS-

0,223,24,8

CF3CO2-

H2PO4-

F-

CH3CO2-

Bons grupos de saída< 0

p-MeC6H4SO3-

I-, Br-

H2OMe2SCl-

Pka do ácido conjugado

Grupo de saída


SN - Grupo de Saída

Perguntas:

9) Coloque as espécies abaixo em ordem crescente de melhor grupo de saída

a)

b)

c)

10) Dê uma explicação para os seguintes resultados:

H2O, H3C SO3- , O- O-, O2N

CH3OH, CF3O-, CH3O-, CF3CO2-, CH3CO2-

H-, Cl-, Br-, CH3CO2-, HO-

(CH3)3COH + NaCl não ocorre reação

(CH3)3COH + NaCl (CH3)3CCl

H2O

H2O/HCl


SN - NucleófiloImportante somente em SN2

- Bons nucleófilos = bons doadores de elétrons = bases de Lewis (nem sempre)

Nucleofilicidade vs Basicidade:mesmo átomo doador

ou átomos da mesma linha da TP

N vs OO-nucleófilosN-nucleófilosH2N-

HO-

H3NH2O

C2H5O-

HO-

C6H5O-

CH3CO2-

H2O

H2N-

C2H5NH2

H3NC6H5NH2

p-NO2C6H4NH2

Nucleofilicidade Basicidade


SN - NucleófiloImportante somente em SN2

Nucleofilicidade vs Basicidade

Velocidade de reação com um átomo de carbono

vsFenômeno de equilíbrio com H+ (H2O)

I-

Br-

Cl-

F-

RS-

RO-

R3PR3N

Grupo VIIGrupo VIGrupo V Basicidade

Nucleofilicidade


SN - NucleófiloNucleofilicidade vs Basicidade

RS-

RO-

Grupo VI

HO S

O

O

HO S

O

O

HO S

O

OH

H+

RCOH

HO S

O

O

CH

O

R


SN - NucleófiloVelocidades relativas de substituição nucleofílica em SN2

Exemplos para a reação

Nu: + CH3I Nu-CH3MeOH

5,6x105

6x105

6x105

2x106

5x106

1x107

1x107

2x107

8x107

C6H5O-

N3-

Br-

MeO-

CN-

Et2NH(C6H5)3PI-

C6H5S-

15x102

2x104

2,3x104

1,6x105

1,7x105

3,2x105

3,5x105

5x105

5x105

MeOHF-

CH3CO2-

Cl-

(MeO)3PC5H5NNH3

Me2SC6H5NH2

C6H5SH

Κ2(rel.)Nu:Κ2(rel.)Nu:


SN - Nucleófilo –impedimento espacial

H3C O C O

CH3

H3C

CH3

Nucleofilicidade vs Basicidade


11) Muitos nucleófilos são ânions mas alguns ânions não são nucleofílicos. Explique porque BF4- (tetrafluoreto de boro) não é um nucleófilo.

12) Para os pares abaixo indique qual o melhor nucleófilo para a reação com brometo de metila em metanol

a) Me3B ou Me3P; b) CH3OH ou CH3SH; c) C6H5OH ou C6H5O-; d) n-C4H9O- ou t-C4H9O-;

e) MeNH2 ou Me2NH; f) H3N ou H4N+; g) p-NO2C6H4O- ou p-MeC6H4O-

h) Et3N ouN

Mais perguntas:

Continua......


13) Dê uma explicação para a ordem de reatividade mostrada abaixo

14) A velocidade da reação do álcool terc-butílico com HBr ou HCl é a mesma. No entanto, ao reagir o álcool com quantidades iguais de HBr e HCl tem-se o brometo de terc-butila como produto principal. Explique.

N

R

N

R

I

N

Me

N N Me N MeMe N CMe3

Me

2,3 1,0 0,5 0,04 0,0002

+ CH3I

velocidade relativa:

Mais perguntas:


Substituição nucleofílicaEstrutura do substrato

11

121,2 x 106

CH3-CH3CH2-(CH3)2CH-(CH3)3C-

Κ1(rel.)R

R-Br + H2O ROH

SN1 SN2

R-X + Nu: R-Nu

301

0,40,0020,001

0,00001

CH3-CH3CH2-RCH2CH2-(CH3)2CH-(CH3)3C-CH3)3CCH2-

Κ2(rel.)R



1,2 x 10-4

0,040,08

11

3003 x 106

> 109

CH3CH2-CH2=CHCH2-C6H5CH2-C6H5CH(CH3)-(CH3)3C-(C6H5)2CH-(C6H5)3C-CH3CH2OCH2-

Κ1(rel.)R

R-Cl + C2H2OH ROC2H5

SN1

EtOH CH3CH2OCH2-Cl

CH3CH2O-CH2+ + Cl-

..

..

CH3CH2O=CH2..+



SN2 – pouco efeito de estabilização do ET CNu GS

δ- δ-δ+

SN2 – impedimento espacial

Nu: Nu:

140100120400

CH3CH2-CH2=CHCH2-CH3CO2CH2

C6H5CH2-CH3OCH2-

Κ2(rel.)R

terc-butil-GS neopentil-GS

XX


Exercícios

15) a) Proponha um mecanismo que explique porque a hidrólise da clorometildimetilamina é muito rápidab) Porque alfa-cloroaminas hidrolisam mais rapidamente do que os correspondentes alfa-cloroéteres?

16) Haletos de propila primários sofrem SN2 cerca de 40 vezes mais rápido do que haletos de etila primários. Explique através de desenhos tridimensionais.

17) Coloque as substâncias seguintes em ordem crescente de reatividade.A) na solvólise via SN1: (p-CH3OC6H5)3CCl; 2-cloro-2,3-dimetilbutano; 2-cloropropano; 3-cloro-2-metilpropeno; clorodifenilmetanoB) na substituição por iodeto em acetona (SN2): 2-cloropropano; clorofenilmetano; 1-cloro-2,2-dimetilpropano; clorometano; clorometil metil éter.

18) A solvólise da substância abaixo ocorre cerca de 600 vezes mais rápido do que a solvólise do cloreto de terc-butila. Explique.

Cl


Substituição nucleofílicaEfeito do solvente

Me2SO (DMSO)MeCN

HCONMe2 (DMF)

(Me2N)3PO (HMPT)

Me2CO

THF

Et2On-C5H12, C6H6, CCl4

81594538373330242318117642

H2OHCO2H

MeOH

EtOH

Me2CHOHMe3COH

CH3CO2H

Solventes apróticos

Constante dielétrica (25oC)

Solventes próticos

apolar

polar

Pod

er io

niza

nte



Solvólise do brometo de terc-butila

EtOHH2O0506080100

12006029101

1005040200

Velocidade relativa

Solvente

R+ + GS:-

R-Nu + GS:-

R-Nu+ + GS:-

R-Nu + GS:

Produtosgrande aumento

pequena diminuiçãogrande aumento

grande diminuição

R-LNu:- + R-GSNu: + R-GS

Nu:- + R-GS+

SN1

SN2

SN2

SN2

Efeito na velocidadeReagentesMecanismo

Efeito do aumento do poder ionizante do solvente

SN1: estabilização do intermediário, diminuição da energia do ET da EL

SN2: depende do substrato e do Nu- dispersão de carga no ET- formação de carga no ET- destruição de carga no ET



M..

RO:H

:ORH

..+

HOR....

Solvatação de cátions e ânion por álcoois

MeI + NaN3 MeN3 + NaIk2

DMF = 3 x 103

MeOH = 3 x 10-2

Nu:- H-OR

H-ORH-ORRemoção da camada de solvatação∆G’

3ROH + Nu:-

RX∆G”

Nu.......R......Xδ- δ-

∆G = ∆G’ + ∆G”



Solvatação de cátions e ânion por álcoois

Cl- Br- I-DMSO, DMF

Polar-H

carga localizada = pte-H mais forte

velocidade

velocidade

Complexação de cátions (contra-íon do Nu:-): ex. éteres em coroa O

OO

O

OO

K+


Resumo SN1 x SN2

EliminaçãoEliminação e rearranjoReações competitivas

Normalmente básicasNormalmente ácidasCondições reacionais

InversãoRecemização a inversãoEstereoquímica

Efeito pequeno; pte de H desfavorece

Solventes polares favorecemSolvente

Impedimento espacial desfavorece

CH3 > prim > sec >> terc

Estabilização por ressonância favorece

terc >> sec > prim

Estrutura do substrato

Controla a velocidadeNão é importanteNucleofilicidadedo reagente

Segunda ordemPrimeira ordemCinética

Uma etapa

RGS + Nu:- R-Nu + GS:-

Duas etapas

R-GS R+ R-NuMecanismo

SN2SN1

Nu:-


19) O solvente afeta a velocidade de reação/energia de ativação através da modificação dos níveis de energia relativos entre os reagentes e os estados de transição. Considerando a hidrólise do brometo de terc-butilaem EtOH-H2O, desenhe um diagrama de energia vs coordenada de reação comparativo para esta reação em 3:7 e 7:3 de EtOH:H2O, respectivamente.

20) a) A solvólise do 1-bromo-1-feniletano oticamente ativo em MeOHocorre com 27 % de inversão de configuração. Já a solvólise em água resulta em aproximadamente 17 % de inversão. Explique.

b) a mesma reação quando feita em metóxido de sódio em MeOHfornece somente o produto de inversão de configuração. Explique.

21) Os resultados das reações de solvólise abaixo foram divididos entre os componentes SN1 e SN2 de cada reação conforme o solvente usado. Explique os resultados através do efeito do solvente e efeitos estruturais.

0,21,7

EtOHMeOH

C6H5CH(CH3)Cl

0,0020,1

EtOH:H2O, 4:1EtOH:H2O, 3:2

Me2CHBr

SN1/SN2SolventeSubstrato


SN – Grupos de saída mais comuns

R-Cl, R-Br, R-ICl-, Br-, I-

H2O R-OH2+

ROH R-OR

H

+

-O

O

R' O

O

R'R

HO

O

R' O

O

R'R

H

+

-OSO3H OSO3HR

OSO2R'R-OSO2R'

OSOClR-OSOCl

-OPCl2 OPCl2R

OPBr2R-OPBr2

N N N NR+

SR'2 R SR'2

R NR'3

+

+NR'3

GS Substrato GS Substrato


R-Cl, R-Br, R-ICl-, Br-, I-

H2O, OH-R-OH

ROH, RO- R-OR

-O

O

R' O

O

R'RHO

O

R'

SR'2 R SR'2

R NR'3

+

+NR'3

Nucleófilo Produto Nucleófilo Produto

H2S, SH- R-SH

RSH, RS- R-SR

NH3, R'NH2, R'2NH RNH2, RNHR', RNR'2

NH2NH2 RNHNH2

NO2- RNO2

N3- R N N N

+ -

PR'3R PR'2

+

O

C-O

C R

R'3C- R'3C R

R'C C RR'C C-

CN- CNR

LiAlH4 HR

SN – Nucleófilos e Produtos


SN - Reações competitivas

SN1 : Eliminação e rearranjo

+C C

Nu:-

H

C

Nu

C

H

+C C

R

C

R

+C


SN - Reações competitivasSN1 : Eliminação e rearranjo

Br EtOH+

OEt

19 %

81 %

OH

+ HBr

+

Br

+

Br


SN - Reações competitivasSN2 : Eliminação

C C

GS

Nu:-

H

C

Nu

C

H

Br + EtO-Na+OEt

+

21 % 79 %


SN – Participação de grupos vizinhos - SNi

HOCl

Ca(OH)2 -OCl

O

ClNH2

KOH/H2OHN

Anéis de 5 ou 6 membros: entropia favorável (10000 a 1000000 mais rápido do que intermolecular)3 membros: 100 a 1000 vezes mais rápido


SN – Participação de grupos vizinhos - SNi

SCl + H2O

kS

OH

Cl + H2Ok' OH

k/k' = 3 x 103

Br

O

OH

H

NaOH dil./ H2OHO

O

OH

H

Explique os resultados acima


22) Explique o resultado através do mecanismo

OH

OH

ou

HCl, ∆

Cl

produto principal

23) Diga quais devem ser os produtos e explique

Cl Cl

ou

NaOH/H2Omistura de dois produtos

24) Explique (use desenhos em perspectiva)

eritro-3-cloro-2-butanol + NaOH aq. meso-2,3-butanodioltreo-3-cloro-2-butanol + NaOH aq. dl-2,3-butanodiol

25) Dê o mecanismo: Et2NCH2CHCH2CH3 + H2O Et2NCHCH2CH3

Cl CH2OH


Bibliografia utilizada:

- Sites já citados na home-page do curso;- S.H. Pine, J.B.Hendrickson, D.J. Cram, G.S. Hammond, Em: OrganicChemistry, 4a. Ed., McGraw-Hill;- K.P.C. Vollhardt, N.E. Schore, Em Organic Chemistry, 2a. Ed., W.H. Freemanand Company;- T.W.G. Solomons, Em: Organic Chemistry, 5a. Ed., John Wiley and Sons, Inc.;- R.T. Morrison, R.N. Boyd, Em: Organic Chemistry, 6a. Ed., Prentice Hall, Inc.

Documents

Resumo das aulas 1 - uff.br das aulas 1.pdf · Rosângela de A. Epifanio, IQ-UFF Resumo das aulas de Química Orgânica II Reações de Substituição Nucleofílica e de Eliminação