Reaes de Substituio Nucleoflica e de Eliminao em Haletos de Alquila1 Propriedades Fsicas dos Haletos: Carbono hibridizado sp3, tetradrico

CX lig. Polarizada: Tamanho do tomo de halognio; O comprimento da ligao carbono-halognio aumenta e a fora da ligao CX diminui a medida que descemos na tabela peridica. 1

2

Comprimento da ligao CX e fora da ligaoHalognio metano Comprimento da ligao ()

Energia de Ligao (Kcal/mol)

CH3F CH3Cl CH3Br CH3I

1.39 1.78 1.93 2.14

109 84 70 563

Halogeno-alcanos tem ponto de ebulio maior que dos alcanos correspondentes

Polarizabilidade de um tomo grau de deformao que a nuvem eletrnica do tomo sofre sob a influncia de um campo eltrico externo. EFEITO NAS REAES: 1-a energia da ligao CX diminui; 2-o tamanho da lig. CX ; 3-para o mesmo R, o ponto de ebulio ; 4-a polarizabilidade de X e 5-as interaes de London 4

1.2 Reaes de Substituio Nucleoflica Reao Geral:Nu + R X R Nu + Xon haleto Halide ion

Nuclefilo Nucleophile Haleto de alquila Alkyl halide (Substrato) (substrate)

Produto Product

Nuclefilo: uma espcie com 1 par de eltrons no-compartilhado,procura um centro positivo. Exemplo:

5

SN a ligao C-X do substrato sofre heterliseGrupo abandonador Leaving group

Nu Nuclefilo

+

R

X

Nu R

+

X

Nucleophile Heterolysis occurs hereHeterlise aqui

Nuclefilo: qualquer on negativo, ou molcula neutra que tem no mnimo 1 par de eltrons no-compratilhado, inclusive ligaes pi.

This is thepositivo center Centro postive que o nuclefilo procura. that the nuceophile seeks.

C > X

+

The electronegative halogen Halognio eletronegativo polariza the CX CX. polarizes a ligao bond.6

Substituio Nucleoflica de um Haleto de Alquila pelo on Hidrxido:

H

ONu

+

R

X

H

O

R

+

X Leaving group

Nucleophile

Haleto de alquila

Alkyl halide

lcool

Alcohol

Grupo abandonador

Substituio Nuceloflica de um Haleto de Alquila pela gua:

Etapa de desprotonao necessria, quando Nu neutro.

7

1.3 Mecanismo de SN2 e Cintica Reao do cloro-metano com o hidrxido de sdio

Tabela do estudo da reao do cloro-metano com NaOH a 60C

Experimental Number1 2

Initial [CH3Cl]0.0010 0.0020

Initial [OH]1.0 1.0

Initial (mol L1 s1)4.9 107 9.8 107

34

0.00100.0020

2.02.0

9.8 10719.6 107

Velocidade= k [CH3Cl] [HO-] mol.L-1.s-1 Cintica de 2 ordem

8

1.3 Mecanismo de SN2 e Cintica Orbitais envolvidos em uma SN2 (Edward D. Hughes e Sir Cristopher Ingold 1937):Antibonding orbital Nu

C

L Bonding orbital

Nu

C

+

L

HOMO - orbital ocupado de maior energia e LUMO orbital desocupado de mais baixa energia. Estado de transio; A substituio nucleoflica um processo concertado em uma etapa9

1.3 Mecanismo de SN2 e Cintica Reao:HO + CH 3Cl CH 3OH + Cl

Mecanismo

H

O

H H+ C Cl H

H C HH

H

O

Cl

H H O C

H +

Cl

H

Transtion state Estado de transio Inverso de configurao The negative hydroxide ion In the transition state, a Now the bond pushes a pair of electrons bond between oxygen and between the oxygen into the S 2 estereoespecfica e ocorre Reao partially positive carbon is partially formed por and carbon has um mecanismo de N carbon from the back side. and the bond between formed and the deslocamentobegins to o Nu ataca o Substrato pelo lado oposto ao grupo em que The chlorine carbon and chlorine is chloride has de sada para the pair of partially broken. The CONFIGURAO move away withformar um produto com INVERSO DE departed. The electrons that have bonded configuration of the configuration of the it to the carbon. carbon begins to invert. carbon has inverted. 10

Estereoqumica de Uma reao SN2A reao SN2 ocorre com inverso completa de configurao:An inversion of configuration H3C H

HO

C

+

Br

CH3 C

HO

Br

CH3 HO C H C6H13 +

Br

C6H13

HC H 6 13

(R)-()-2-Bromooctano 25 = 34.25 D Pureza enantiomrica = 100%

(S)-(+)-2-Octanol 25 = +9.90 D Pureza enantiomrica = 100%

11

1.4 Teoria do Estado de Transio

12

1.4 Teoria do Estado de Transio

13

1.5 Reatividade frente a SN2

Metila > primrio > secundrio >> tercirio (- inerte)14

Impedimento Estrico SN2

15

1.5.1Grupo de sada Reaes SN2 Bons Grupos de sada?

Basicidade dos ons haleto:

I < Br < Cl Br > Cl >>Melhor grupo de sada

F16

Grupo de sada ruim

1.5.1Grupo de sada Reaes SN2Leaving group Relative reactivity TosO 60,000 I 30,000 Br 10,000 Cl 200 F 1 HO, H2N, RO ~0

Outros grupos de sada bons:O

O

OO R

O

S O

R

O

S O

O

S O

CH3

on alcanossulfonato

on alquil sulfato

on p-toluenossulfonato

Um super grupo abandonador(on trifluorometanossulfonato) - on triflato: CF3SO317

1.5.2 Nuclefilo: Reaes SN2 Nucleofilicidade e basicidade

Fora relativa do cido:cido forte

NH3 < H2O < HF

Fora relativa da base e nucleofilicidade:Base forte -NH2 > HO > F Melhor nuclefilo

18

Nucleofilicidade e basicidade Nucleofilia assemelhando-se basicidade:

RO > HO >> RCO2 > ROH > H2O

H2N- > HO-> NH3> F- > H2O

19

Efeito do Solvente nas Reaes SN2: Solventes Prticos e Aprticos Solvatao interao do solvente com os diferentes nions, onde os ons ou molculas esto envoltos por molculas de solvente.

A solvatao enfraquece o Nu, impedindo o ataque no eletrfilo; nions menores so mais bem solvatados que os nions maiores, devido a densidade de carga ser maior.20

Solvente Prtico: hidrognio com caractersticas de prton e interage com nuclefilos aninicos, ex. gua e lcool;

Nucleofilia dos Haletos em Solventes Prticos: I > Br > Cl > F Nucleofilia Relativa em Solventes Prticos:

SH > CN > I > OH > N3 > Br > CH3CO > Cl > F > H2O

21

Solvente Aprtico Polar: no possuem hidrognio com polarizao positiva, solvatam fracamente os nions nucleoflicos. So mais utilizados nas reaes SN2 (velocidades aumentadas), exemplo:O H C N CH3N,N-Dimetilformamida (DMF)

CH3

O H 3C S CH3

O CH3C N

CH3

Dimetil sulfxido (DMSO)

CH3 Dimetilacetamida (DMA)

O (H3C)2N P N(CH3)2Hexametilfosforamida (HMPA)

N(CH3)2

Nucleofilia dos Haletos em Solventes Aprticos: F > Cl > Br > I22

Reversibilidade da reao SN2

Reao reversvel basicidade dos semelhante

quando grupos

23

a

Reao SN1: Cloreto de Tert-Butila com on Hidrxido(CH3)3C Cl + OH

acetone H2O

(CH3)3C

OH

+

Cl

Rate [(CH3)3CCl] Rate = k [(CH3)3CCl] No depende da Concentrao do on Hidrxido

Os ons hidrxido no participam do estado de transio da etapa que controla a velocidade da reao, apenas as molculas de cloreto de tertbutila esto envolvidas Reao Unimolecular, de primeira ordem

k1 R C+ R o 3 > (most stable) R R C+ H o 2 > > H R C+ H o 1 > > H H C+ H Methyl (least stable)

Disperso ou deslocalizao da carga

Estabilizao pela Hiperconjugao interao de 1 orbital Ligante com 1 orbital p

27

H3C

+

is + more H C C + stable 3 +CH3 than

+CH3

+CH3

C + H

is + more H C 3 stable than

is C + more H stable H than

H

H C + H

Ction tert-Butil (3) (mais estvel)

Ction isopropila (2)

Ction etila (1)

Ction metila (menos estvel)

Mapa de potencial eletrosttico para carboctions:

28

Estereoqumica e RacemizaoSame product+

CH3 C CH3 CH3

CH3 back side attack H2O C+ H3C CH3

H2O

OH2

front side attack

H3C H3C H3C C

OH2

+

RacemizaoH3CH2CH2C H3C H3CH2C C H2O H3CH2CH2C C Br H3C acetone H3CH2C CH2CH2CH3 + HBr C CH3 CH2CH3

O H

+ H

O

(S)-3-bromo-3metilexano ( oticamente ativo)

(S)-3-metil(R)-3-methyl-3-hexanol 3-hexanol (oticamente inativo, forma racmica) 29

Estereoqumica na reao SN1H3CH2CH2C H3C H3CH2C C Br Br slow CH2CH2CH3 C+ H3C CH CH 2 3OH2 H H3CH2CH2C H fast H 3C H3CH2C C O + H3O+ H

The carbocation has a trigonal planar structure and is achiral.

H3CH2CH2C H H C Back side O Front side H 3C attack Pr-n attack H3CH2C C+ fast Enantiomers

O

+

A racemic mixture CH2CH2CH3 C CH3 CH2CH3 + H3O+

H3C CH CH H CH2CH2CH3 2 3 + O C O Front side and back aside CH3 attack take place at equal H H CH2CH3 rates, and the product is OH2 formed as a racemic mixture.

Formao de Carboction aquiral

30

Solvlise Substituio Nucleoflica do Nu com a molcula do solvente (quebra pelo solvente):

Quando o solvente a gua hidrlise, com lcool alcolise, ou metanlise(H3C)3C Br + H2O (H3C)3C OH + HBr

(H3C)3C

Cl

+ CH3OH

(H3C)3C

OCH3 +

HCl

O (H3C)3C Cl + HCOH (H3C)3C

O OCH + HCl

31

A solvlise envolve a formao inicial de um Carboction e subseqente reao do ction com a molcula do solvente Etapa 1

(H3C)3C Etapa 2

Cl

slow

(CH3)3C+ +

Cl

O (CH3)3C + H Etapa 3+

O fast H O CH

+

C(CH3)3 H O+

O CH

C(CH3)3

O

CH

O Cl

H

O

+

CH

C(CH3)3 fast

O C(CH3)3 O O CH HC O C(CH3)3 + H Cl32

13- Fatores que Afetam as Velocidades das Reaes SN1 Estrutura do substrato Efeito do solvente Natureza do grupo de sada

O fator primrio que determina a reatividade de substratos orgnicos em uma reao SN1 a estabilidade relativa do carboction formado.

33

Efeito da Estrutura do SubstratoReaes de Haleto de alquila em gua

Alkyl halide CH3Br CH3CH2Br (CH3)2CHBr(CH3)3CBr

Type Methyl 1 23

Product CH3OH CH3CH2OH (CH3)2CHOH(CH3)3COH

Relative rate of reaction1.0 1.0 121,200,000

34

Reaes de alquil tosilato com etanol a 25CAlquil Tosilato CH3CH2OTos (CH3)2CHOTos H2C=CHCH2OTos C6H5CH2OTos (C6H5)2CHOTos (C6H5)3COTos Produto CH3CH2OCH2CH3 (CH3)2CHOCH2CH3 H2C=CHCH2OCH2CH3 C6H5CH2OCH2CH3 (C6H5)2CHOCH2CH3 (C6H5)3COCH2CH3 Vel. Relativa 1 3 35 400 105 1010

Ordem de estabilidade do Carboction:3 > 2 Allyl Benzyl >> 1 > Methyl35

R3C+ > R2CH+ H2C=CHCH2+ C6H5CH2 >> RCH2+ > CH3+

Postulado de Hammond-Leffler

Diagramas de energia para as etapas altamente exergnica e altamente 36 endergnica das reaes.

Etapa 1- (lenta)

CH3 H3C C CH3Reagente

CH3 Cl H2O H3C C

CH3 Cl H2O H3C C+ + Cl CH3Produto da etapa Estabilizado pelos 3 grupos doadores de eltrons

CH3Estado de Transio Assemelha-se ao produto da etapa porque G positivo

37

Efeito do Solvente na Reao SN1 Solvente aprtico polar aumentar a velocidade de ionizao de um haleto de alquila em uma reao SN1 capacidade de solvatar ctions e nions. (CH3)3C+ + Cl

(H3C)3CReagente

Cl

(H3C)3C

Cl

Estado de Transio separao de cargas

Produtos

Constante dieltrica medida da habilidade do solvente isolar cargas opostas entre si. Solventes com constantes dieltricas maiores promovem repulses eletrostticas menores entre ons.38

atraes e

39

Natureza do grupo abandonador O grupo abandonador comea a adquirir uma carga negativa medida que o estado de transio atingido: Reao SN1 etapa limitante da velocidade+ C+ + X

C

X

C

X

Estado de Transio

Reao SN2

Nu

C

X

Nu

C

X

Nu

C

+ X

Estado de Transio40

ons fortemente bsicos raramente agem como grupo abandonadoresX OH

R

OH

R

X

+

No ocorre esta reao

Nu + Nu +

CH3CH2 H3C

H

CH3CH2 H3C Nu

Nu + H + CH3

These are not leaving groups

CH3

X

R

OH H

+

R X + H2O This reaction take place cause the leaving group is a weak base.41

Resumo: SN1 x SN2 Reaes de haletos de alquila por um mecanismo SN1 so favorecidos pelo uso de: 1) substratos que podem formar carboction relativamente estvel. 2) nuclefilos fracos. 3) solvente altamente ionizante. Reaes de haletos de alquila por um mecanismo SN2 so favorecidos pelo uso de: 1) haletos de alquila relativamente desimpedidos. 2) nuclefilos fortes. 3) solventes aprticos polares. 4) alta concentrao de nuclefilos Efeito do grupo de sada na SN1 e SN2 RI > RBr > RCl

42

Fatores que favorecem a SN1 e a SN2Fator Substrato SN1 3 (requer formao de carboction relativamente estvel) Base de Lewis fraca, molcula neutra, o nuclefilo pode ser o solvente (solvlise) Polar prtico (e.g. lcoois, gua) SN2 Metil > 1 > 2 (necessita de substrato desimpedido) Base de Lewis forte, a velocidade favorecida pela alta concentrao de nuclefilo Polar aprtico (e.g. DMF, DMSO)

Nuclefilo

Solvente Grupo de sada

I > Br > Cl > F tanto para SN1 quanto SN2 (quanto mais fraca a base depois que o grupo sai, melhor o grupo abandonador)43