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Reações de Substituição Nucleofílica e de Eliminação em Haletos de Alquila
1 Propriedades Físicas dos Haletos:
• Carbono hibridizado sp3, tetraédrico
• C─X → lig. Polarizada:
• Tamanho do átomo de halogênio;
• O comprimento da ligação carbono-halogênio aumenta e a força da ligação C─X diminui a medida que descemos na tabela periódica.
C X+
>
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Comprimento da ligação C─X e força da ligação
Halogênio - metano
Comprimento da ligação (Å)
Energia de Ligação (Kcal/mol)
CH3–F 1.39 109
CH3–Cl 1.78 84
CH3–Br 1.93 70
CH3–I 2.14 56
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Halogeno-alcanos tem ponto de ebulição maior que dos alcanos correspondentes
Polarizabilidade de um átomo – grau de deformação que a nuvem eletrônica do átomo sofre sob a influência de um campo elétrico externo.
EFEITO NAS REAÇÔES: 1-a energia da ligação C─X diminui; 2-o tamanho da lig. C─X ; 3-para o mesmo R, o ponto de ebulição ; 4-a polarizabilidade de X e 5-as interações de London
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1.2 Reações de Substituição Nucleofílica
• Reação Geral:
Nucleófilo Haleto de alquila Produto Íon haleto (Substrato)
• Nucleófilo: uma espécie com 1 par de elétrons não-compartilhado,
procura um centro positivo.
• Exemplo: HO CH3 Cl CH3 OH+ + Cl
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• SN a ligação C-X do substrato sofre heterólise
Grupo abandonador
Nucleófilo Heterólise aqui
• Nucleófilo: é qualquer íon negativo, ou molécula neutra que tem no mínimo 1 par de elétrons não-compratilhado, inclusive ligações pi.
Centro positivo que o nucleófilo procura.
Halogênio eletronegativo polariza a ligação C─X.
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• Substituição Nucleofílica de um Haleto de Alquila pelo ìon Hidróxido:
Nu Haleto de alquila Álcool Grupo abandonador
• Substituição Nucelofílica de um Haleto de Alquila pela água:
H O H O R+ +
Nucleophile Alkyl halide Alkyloxonium ionH H
H O R
H2O
+ H3O+ +
X +
X
R X
Etapa de desprotonação necessária, quando Nu é neutro.
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1.3 Mecanismo de SN2 e Cinética
• Reação do cloro-metano com o hidróxido de sódio
• Tabela do estudo da reação do cloro-metano com NaOH a 60°C
• Velocidade= k [CH3Cl] [HO-] mol.L-1.s-1
• Cinética de 2ª ordem
ExperimentalNumber
Initial[CH3Cl]
Initial[OH–]
Initial(mol L–1 s–1)
1 0.0010 1.0 4.9 × 10–7
2 0.0020 1.0 9.8 × 10–7
3 0.0010 2.0 9.8 × 10–7
4 0.0020 2.0 19.6 × 10–7
60oCH2O
HO CH3 Cl CH3 OH+ + Cl
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1.3 Mecanismo de SN2 e Cinética
• Orbitais envolvidos em uma SN2 (Edward D. Hughes e Sir Cristopher Ingold – 1937):
• HOMO - orbital ocupado de maior energia e LUMO orbital
desocupado de mais baixa energia.
• Estado de transição;
• A substituição nucleofílica é um processo concertado em uma etapa
CNu
L Nu C + L
Antibonding orbital
Bonding orbital
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1.3 Mecanismo de SN2 e Cinética
• Reação:
• Mecanismo
Estado de transição Inversão de configuração
Reação SN2 é estereoespecífica e ocorre por um mecanismo de deslocamento
em que o Nu ataca o Substrato pelo lado oposto ao grupo de saída para
formar um produto com INVERSÃO DE CONFIGURAÇÃO
HO CH3Cl CH3OH Cl+ +
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Estereoquímica de Uma reação SN2
HO C BrHO
HC6H13
CH3+
CHO HC6H13
CH3Br+
An inversion of configuration
C Br
H3C
C6H13
H
A reação SN2 ocorre com inversão completa de configuração:
(R)-(–)-2-Bromooctano
= –34.25°
Pureza enantiomérica = 100%
25D
(S)-(+)-2-Octanol
= +9.90°
Pureza enantiomérica = 100%
25D
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1.4 Teoria do Estado de Transição
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1.4 Teoria do Estado de Transição
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1.5 Reatividade frente a SN2
Metila > primário > secundário >> terciário (- inerte)
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Impedimento Estérico – SN2
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1.5.1Grupo de saída Reações SN2
• Bons Grupos de saída?
Basicidade dos íons haleto:
I− < Br− < Cl− << F−
Base fraca Base forte + estável - estável
Habilidade do grupo de saída, íons Haleto:
I− > Br− > Cl− >> F−
Melhor grupo de saída Grupo de saída ruim
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1.5.1Grupo de saída Reações SN2
Leaving group TosO– I– Br– Cl– F– HO–, H2N–, RO–
Relative reactivity 60,000 30,000 10,000 200 1 ~0
S O
O
O
R S O
O
O
O R
Outros grupos de saída bons:
S O
O
O
CH3
Íon alcanossulfonato Íon alquil sulfato Íon p-toluenossulfonato
Um “super” grupo abandonador
(íon trifluorometanossulfonato) - Íon triflato: CF3SO3–
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1.5.2 Nucleófilo: Reações SN2
• Nucleofilicidade e basicidade
Força relativa do ácido:
Ácido forte NH3 < H2O < HF
Força relativa da base e nucleofilicidade:
Base forte -–NH2 > HO− > F− Melhor nucleófilo
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Nucleofilicidade e basicidade
Nucleofilia assemelhando-se à basicidade:
RO– > HO– >> RCO2– > ROH > H2O
H2N- > HO-> NH3> F- > H2O
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Efeito do Solvente nas Reações SN2: Solventes Próticos e Apróticos
Solvatação – interação do solvente com os diferentes ânions, onde os íons ou moléculas estão envoltos por moléculas de solvente.
A solvatação enfraquece o Nu, impedindo o ataque no eletrófilo; Ânions menores são mais bem solvatados que os ânions maiores,
devido a densidade de carga ser maior.
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Solvente Prótico: hidrogênio com características de próton e
interage com nucleófilos aniônicos, ex. água e álcool;
Nucleofilia dos Haletos em Solventes Próticos:
I− > Br− > Cl− > F−
Nucleofilia Relativa em Solventes Próticos:
SH− > CN− > I− > OH− > N3− > Br− > CH3CO
− > Cl− > F− > H2O
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Solvente Aprótico Polar: não possuem hidrogênio com polarização
positiva, solvatam fracamente os ânions nucleofílicos. São mais
utilizados nas reações SN2 (velocidades aumentadas), exemplo:
C
O
H NCH3
CH3S
O
H3C CH3CH3C
O
NCH3
CH3
P
O
(H3C)2N N(CH3)2
N(CH3)2
N,N-Dimetilformamida(DMF)
Dimetil sulfóxido(DMSO)
Dimetilacetamida(DMA)
Hexametilfosforamida(HMPA)
Nucleofilia dos Haletos em Solventes Apróticos:
F− > Cl− > Br− > I−
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Reversibilidade da reação SN2
Reação reversível quando a basicidade dos grupos é semelhante
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Reação SN1: Cloreto de Tert-Butila com Íon Hidróxido
(CH3)3C + OH + ClH2O
acetoneCl (CH3)3C OH
Rate [(CH3)3CCl] Rate = k [(CH3)3CCl] Não depende da Concentração do íon Hidróxido
Os íons hidróxido não participam do estado de transição da etapa que controla a velocidade da reação, apenas as moléculas de cloreto de tert-butila estão envolvidas – Reação Unimolecular, de primeira ordem
Reagente k1
(lenta)Intermediário 1 Intermediário 2 Produtok2
(rápida)
k3
(rápida)
Etapa 1 Etapa 2 Etapa 3
k1 << k2 ou k3
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Mecanismo para Reação SN1
• Reação:
Mecanismo:• Etapa 1
• Etapa 2
• Etapa 3
(CH3)3CCl + 2 H2O (CH3)3COH + Clacetone
+ H3O+
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Diagrama de energia livre para Reação SN1 do cloreto de
tert-butila com água
C
CH3
CH3
CH3 Cl+
Estado de transição da etapa determinante
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Estrutura e Estabilidade dos Carbocátions
• Estabilização pela Hiperconjugação – interação de 1 orbital Ligante com 1 orbital p
CR
R
R
+ CR
R
H
CR
H
H
CH
H
H
> > >
3o 2o 1o Methyl
+ + +
> > >(least stable)(most stable)
Dispersão ou deslocalização da carga
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• Mapa de potencial eletrostático para carbocátions:
CH3C
CH3
CH3
is more stable than
CH3C
CH3
H
CH3C
H
H
CH
H
H
+ + + ++
++
+ +
+
is more stable than
is more stable than
Cátion tert-Butil Cátion isopropila Cátion etila Cátion metila(3°) (mais estável) (2°) (1°) (menos estável)
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Estereoquímica e Racemização
• Racemização
CH2O
H3C CH3
CH3
CH2O
CH3
CH3
CH3
+C OH2
H3C
H3CH3C
+OH2
back side
attack
front side
attack
Same product
+
C OH3CH2CH2C
H3CH3CH2C H
COCH2CH2CH3
CH3CH2CH3H
+C BrH3CH2CH2C
H3CH3CH2C
+ HBrH2O
acetone
(S)-3-bromo-3- (S)-3-metil- (R)-3-methyl-3-hexanol metilexano 3-hexanol( oticamente ativo) (oticamente inativo, forma racêmica)
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Estereoquímica na reação SN1
• Formação de Carbocátion aquiral
C
H3C CH2CH3
CH2CH2CH3
C BrH3CH2CH2C
H3CH3CH2C
+ Br
slow
The carbocation has a trigonal planar structure and is achiral.
C
H3C CH2CH3
Pr-n
+
Front side and back aside attack take place at equal rates, and the product is formed as a racemic mixture.
H3O++C OH3CH2CH2C
H3CH3CH2C H
H
COCH2CH2CH3
CH3CH2CH3H
C OH3CH2CH2C
H3CH3CH2C H
COCH2CH2CH3
CH3CH2CH3H
H
+
+
fast fast
H3O++
Enantiomers A racemic mixture
HO
HFront side
attackBack side
attack
OH2
OH2
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Solvólise
• Substituição Nucleofílica do Nu com a molécula do solvente
(quebra pelo solvente):
• Quando o solvente é a água é hidrólise, com álcool alcóolise, ou
metanólise
(H3C)3C Br + H2O (H3C)3C OH + HBr
(H3C)3C Cl + CH3OH (H3C)3C OCH3 + HCl
(H3C)3C Cl + (H3C)3C OCH + HCl
O
HCOH
O
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A solvólise envolve a formação inicial de um Carbocátion e subseqüente reação do cátion com a molécula do solvente
• Etapa 1
• Etapa 2
• Etapa 3
(H3C)3C Cl (CH3)3C+ Cl +slow
(CH3)3C+ + H O CH
O
O CH
O+
fast +H
C(CH3)3
O CH
O
H
C(CH3)3
O CH
O C(CH3)3
+ H Cl+O CH
O
H
C(CH3)3
Cl fast
C(CH3)3OHC
O
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13- Fatores que Afetam as Velocidades das Reações SN1
• Estrutura do substrato
• Efeito do solvente
• Natureza do grupo de saída
O fator primário que determina a reatividade de substratos orgânicos em uma reação SN1 é a estabilidade relativa do carbocátion formado.
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Efeito da Estrutura do Substrato
Alkyl halide Type ProductRelative rate of
reaction
CH3Br Methyl CH3OH 1.0
CH3CH2Br 1° CH3CH2OH 1.0
(CH3)2CHBr 2° (CH3)2CHOH 12
(CH3)3CBr 3° (CH3)3COH 1,200,000
Reações de Haleto de alquila em água
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Reações de alquil tosilato com etanol a 25°C
Alquil Tosilato Produto Vel. Relativa
CH3CH2OTos CH3CH2OCH2CH3 1
(CH3)2CHOTos (CH3)2CHOCH2CH3 3
H2C=CHCH2OTos H2C=CHCH2OCH2CH3 35
C6H5CH2OTos C6H5CH2OCH2CH3 400
(C6H5)2CHOTos (C6H5)2CHOCH2CH3 105
(C6H5)3COTos (C6H5)3COCH2CH3 1010
Ordem de estabilidade do Carbocátion:
3° > 2° ≈ Allyl ≈ Benzyl >> 1° > Methyl
R3C+ > R2CH+≈ H2C=CH–CH2+ ≈ C6H5–CH2 >> RCH2
+ > CH3+
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Postulado de Hammond-Leffler
Diagramas de energia para as etapas altamente exergônica e altamente endergônica das reações.
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• Etapa 1- (lenta)
CH3C
CH3
Cl
CH3
H2OCH3C
CH3
Cl
CH3
H2OCH3C
CH3
CH3
+ Cl+
Reagente Estado de TransiçãoAssemelha-se ao produto da etapa porque ∆G° é positivo
Produto da etapaEstabilizado pelos 3 grupos doadores
de elétrons
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Efeito do Solvente na Reação SN1
Solvente aprótico polar aumentará a velocidade de ionização de
um haleto de alquila em uma reação SN1 – capacidade de solvatar
cátions e ânions.
(H3C)3C Cl (H3C)3C Cl
Cl(CH3)3C+ +
Reagente Estado de Transição Produtos separação de cargas
Constante dielétrica – medida da habilidade do solvente isolar cargas
opostas entre si.
Solventes com constantes dielétricas maiores promovem atrações e
repulsões eletrostáticas menores entre íons.
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Natureza do grupo abandonador
• O grupo abandonador começa a adquirir uma carga negativa á
medida que o estado de transição é atingido:
• Reação SN1 – etapa limitante da velocidade
Estado de Transição
• Reação SN2
Estado de Transição
C X C X+
C+ X+
C X C X
Nu Nu
CNu X+
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Íons fortemente básicos raramente agem como grupo abandonadores
X R OH R X OH+ Não ocorre esta reação
Nu CH3CH2 H+ CH3CH2 Nu H +
Nu H3C CH3+ H3C Nu CH3 +
These are not leaving groups
X R OH
H
+R X H2O+
This reaction take place cause the leaving group is a weak base.
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Resumo: SN1 x SN2
• Reações de haletos de alquila por um mecanismo SN1 são
favorecidos pelo uso de:
1) substratos que podem formar carbocátion relativamente estável.
2) nucleófilos fracos.
3) solvente altamente ionizante.
• Reações de haletos de alquila por um mecanismo SN2 são
favorecidos pelo uso de:
1) haletos de alquila relativamente desimpedidos.
2) nucleófilos fortes.
3) solventes apróticos polares.
4) alta concentração de nucleófilos
Efeito do grupo de saída na SN1 e SN2
R–I > R–Br > R–Cl
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Fatores que favorecem a SN1 e a SN2
Fator SN1 SN2
Substrato3° (requer formação de
carbocátion relativamente estável)
Metil > 1° > 2° (necessita de substrato desimpedido)
Nucleófilo
Base de Lewis fraca, molécula neutra, o nucleófilo pode ser o solvente (solvólise)
Base de Lewis forte, a velocidade é favorecida pela alta concentração de nucleófilo
SolventePolar prótico (e.g. álcoois,
água)Polar aprótico (e.g. DMF,
DMSO)
Grupo de saída
I > Br > Cl > F tanto para SN1 quanto SN2
(quanto mais fraca a base depois que o grupo sai, melhor o grupo abandonador)
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