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QUMICA ORGNICA AVANADA
Propriedades e Reaes de Halogeno-alcanos: Substituio Nucleoflica
Bimolecular
PROPRIEDADES FSICAS DOS HALOGENO-ALCANOS
As propriedades fsico-qumicas dos halogeno-alcanos so bem
diferentes das
propriedades fsicas doa alcanos correspondentes. Para entender
esta diferena, necessrio
levar em considerao o tamanho do substituinte e a polaridade da
ligao carbono-halognio.
A fora da ligao C-X diminui com o tamanho de X. A ligao entre o
carbono e um
halognio consequncia do entrosamento de um orbital hibridizado
sp3 do carbono com um
orbital p do halognio. A medida que raio atmico do halognio
correspondente aumenta, o
tamanho do orbital p tambm aumenta, e, portanto, sua nuvem
eletrnica se torna mais difusa.
Isso faz com que o entrosamento do orbital p com o do carbono
diminua, isto , com que a
energia da ligao C-X diminua. Quanto maior o raio de um
halognio, maior ser o orbital p
correspondente, mais difusa ser a sua nuvem eletrnica, menor ser
a energia da ligao, e,
portanto, maior ser o seu comprimento de ligao.
A ligao C-X polarizada. Uma caracterstica dos halogeno-alcanos a
polaridade da
ligao C-X. Os halognios so mais eletronegativos que o carbono,
por isso a densidade
eletrnica ao longo da ligao C-X se desloca na direo de X, o que
d ao halognio carga parcial
negativa (-) e ao carbono, carga parcial positiva (+). A
consequncia dessa polarizao no
comportamento qumico dos halogeno-alcanos que o tomo de carbono
eletroflico est
sujeito ao ataque de nions ou outras espcies ricas em eltrons,
isto , nucleoflicas. Os ctions
e as outras espcies deficientes de eltrons atacam o
halognio.
Os halogeno-alcanos tem ponto de ebulio maior do que os dos
alcanos
correspondentes. A polaridade da ligao C-X afeta as propriedades
fsicas dos halogeno-alcanos
de maneira previsvel. O ponto de ebulio geralmente maior do que
o dos alcanos
correspondentes. O fator que mais contribui para esse efeito a
atrao coulombiana entre as
extremidades + e - do dipolo da ligao C-X de molculas diferentes
o estado lquido (interao
dipolo-dipolo).
O ponto de ebulio tambm aumenta com o aumento de X, como
resultado da maior
interao de London. Esse efeito maior porque os eltrons mais
distantes so pouco afetados
por seus ncleos. Para medir esse efeito, define-se a
polarizabilidade de um tomo como grau
de deformao que a nuvem eletrnica do tomo sofre sob a influncia
de um campo eltrico
externo.
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SUBSTITUIO NUCLEOFLICA
Os halogeno-alcanos tem um tomo de carbono eletroflico que pode
reagir com
nuclefilos, substncias que tem um par de eltrons no ligantes. O
nuclefilo pode ser um
niom, como o on hidrxido (OH-), ou uma espcie neutra, como a
amnia (:NH3). Neste
processo, chamado de substituio nucleoflica, o reagente ataca o
halogeno-alcano e substitui
o halognio.
Os nuclefilos atacam o centro eletroflico. A substituio
nucleoflica dos halogeno-
alcanos descrita por uma de duas equaes gerais. No primeiro
caso, um nuclefilo com carga
negativa reage com o halogeeno-alcano para formar um produto de
substituio neutro. No
segundo, o nuclefilo neutro reage para formar um produto com
carga positiva. Nos dois casos,
o grupo que se desloca o on halogeneto, X-.
A substituio nucleoflica uma reao muito flexvel. A substituio
nucleoflica altera
o grupo funcional da molcula. Muitos nuclefilos so capazes de
participar deste tipo de
processo, e por isso, muitos tipos de molculas diferentes podem
ser obtidos por substituio.
Substratos tercirios se comportam de forma diferente com relao a
reao com nuclefilos e
que os halogenetos secundrios as vezes tambm podem levar a
outros produtos. Os
halogenetos de metila e outros halogenetos primrios levam a
substituies limpas, isto ,
relativamente livres de produtos laterais.
Os halogenetos so bons grupos de sada. So interessantes porque
podem servir como
grupos de sada e como nuclefilos.
UMA VISO MAIS DETALHADA DO MECANISMO DE SUBSTITUIO NUCLEOFLICA:
CINTICA
Uma das tcnicas mais poderosas empregadas pelos qumicos a medida
da cintica
das reaes. A comparao das velocidades de formao dos produtos em
vrias concentraes
dos reagentes permite estabelecer a equao de velocidade, ou lei
de velocidade, dos processos
qumicos. As reaes SN2 obedecem a uma cintica de segunda
ordem.
Processos em que dois reagentes interagem em uma nica etapa so
chamados de
bimoleculares. O termo geral aplicado as reaes de substituio
nucleoflica deste tipo
substituio nucleoflica bimolecular, abreviada como SN2.
A substituio nucleoflica bimolecular um processo em uma etapa: O
nuclefilo ataca
o halogeno-alcano, com expulso simultnea do grupo de sada. A
formao da nova ligao e a
quebra da ligao existente ocorrem ao mesmo tempo. Como os dois
eventos ocorrem em
concerto, chamamos o processo de reao concertada.
Pode-se imaginar duas alternativas estereoquimicamente
diferentes para o
deslocamento concertado. Na primeira o nuclefilo se aproxima do
substrato pelo mesmo lado
do grupo de sada, isto , a troca se d do mesmo lado. Essa
possibilidade chamada de
deslocamento pelo mesmo lado. Na segunda, o nuclefilo se
aproxima do substrato pelo lado
oposto ao do grupo de sada, isto , a troca ocorre em lados
diferentes. Essa possibilidade
chamada de deslocamento pelo lado oposto.
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O ATAQUE DO NUCLEFILO OCORRE PELO MESMO LADO OU PELO LADO OPOSTO
AO GRUPO
DE SADA? A ESTEREOQUMICA DAS REAES SN2
A reao SN2 estereoespecfica. Vejamos a reao do
(S)-2-bromo-butano com iodeto.
O deslocamento pelo mesmo lado do grupo de sada formaria o
2-iodo-butano com a
configurao original do reagente, e o deslocamento pelo lado
oposto do grupo de sada levaria
a configurao oposta. Na prtica, o que se observa que o
(S)-2-bromo-butanob tratado com
iodeto forma o (R)-iodo-butano. Essa reao e as demais do tipo
SN2 levam a inverso de
configurao. Um processo cujo mecanismo requer que cada
estereoismero do reagente se
transforme em um determinado estereoismero do produto denominado
estereoespecfico.
A reao SN2 portanto, estereoespecfica e ocorre por um mecanismo
de
deslocamento em que o nuclefilo ataca o substrato pelo lado
oposto ao grupo de sada para
formar um produto com inverso de configurao.
O estado de transio de uma reao SN2 pode ser descrito por
orbitais. Quando o
nuclefilo se aproxima do lobo menor do orbital hibridizado sp3
usado pelo carbono na ligao
com o tomo de halognio, o resto da estrutura molecular se torna
planar no estado de
transio, com mudana da hibridizao do carbono para sp2. Quando a
reao continua na
direo dos produtos, o movimento de inverso se completa e o
carbono retorna a configurao
tetradrica sp3.
CONSEQUNCIAS DA INVERSO NAS REAES SN2
Uma das principais consequncias da inverso da estereoqumica nas
reaes SN2 que
devido a estereoespecificidade da reao, pode-se desenhar
esquemas de sntese que usem
reaes de deslocamento para obter o estereoismero desejado.
possvel sintetizar um determinado enantimero com reaes SN2. Para
reter uma
configurao, uma tcnica possvel usar duas reaes SN2 em sequncia.
A sequncia de suas
inverses SN2, d o resultado desejado; o produto com reteno de
configurao. Substratos
opticamente ativos, levam a produtos opticamente ativos.
Quando os substratos tm mais de um centro quiral, a inverso
ocorre somente no
carbono que reage com o nuclefilo. A substituio nucleoflica em
halogeno-ciclo-alcanos
tambm pode alterar a relao estereoqumica entre os
substituintes.
ESTRUTURA E REATIVIDADE FRENTE A REAES SN2: O GRUPO DE SADA
A facilidade relativa das reaes SN2 depende de diversos fatores,
incluindo a natureza
do grupo de sada, a reatividade do nuclefilo e a estrutura da
poro alquila do substrato.
A qualidade do grupo de sada uma medida da facilidade do
deslocamento. A
substituio nucleoflica s ocorre quando o grupo a ser deslocado,
X, pode sair, levando com
ele o par de eltrons da ligao C-X. A qualidade do grupo de sada
pode ser correlacionada com
sua capacidade de acomodar carga negativa. Deve-se lembrar que a
carga negativa transferida
para o grupo de sada no estado de transio. No caso dos
halognios, a qualidade do grupo de
sada melhora a medida que o tamanho do tomo aumenta.
As bases fracas so bons grupos de sada. A qualidade do grupo de
sada inversamente
relacionada a basicidade. As bases mais fracas acomodam melhor a
carga negativa e por isso so
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melhores grupos de sada. Para reconhecer facilmente uma base
fraca, preciso lembrar que
quanto mais fraca for a base, X-, mais forte ser o cido
conjugado, HX. Assim, os bons grupos
de sada so bases conjugadas de cidos fortes.
ESTRUTURA E REATIVIDADE FRENTE A REAES SN2: O NUCLEFILO
A nucleofilicidade depende de vrios fatores: A carga, a natureza
do solvente, a
polarizabilidade e a natureza dos substituintes.
O aumento da carga negativa aumenta a nucleofilicidade. Quando
um tomo reativo de
um par de nuclefilos o mesmo, a espcie com maior carga negativa
o nuclefilo mais
poderoso. Em outras palavras, uma base sempre mais nucleoflica
do que o seu cido
conjugado.
A nucleofilicidade decresce a medida que o tomo diminui em uma
mesma linha da
tabela peridica. Mais uma vez, a nucleofilicidade se
correlaciona com a basicidade. A espcie
mais bsica a mais reativa como nuclefilo.
A nucleofilicidade aumenta de cima para baixo da tabela
peridica. Como explicar esse
comportamento? A solvatao afeta a nucleofilicidade. Quando um
slido se dissolve, as foras
intermoleculares que o mantinham unido, so substitudas por
interaes entre as molculas e
o solvente. Em soluo, as molculas ou os ons esto envoltos por
molculas de solvente, isto
, esto solvatados. Em geral, a solvatao enfraquece o nuclefilo
pela formao de uma
camada de molculas de solvente em torno do nuclefilo e impede o
ataque do eletrfilo. Alm
disso, os nions menores so mais bem solvatados do que os nions
maiores porque a densidade
de carga maior.
Em muitos solventes polares, um hidrognio est ligado a um tomo
eletronegativo, Y.
Estes solventes tm ligaes H-Y muito polarizadas, nas quais o
hidrognio tem caractersticas
de prton e interage fortemente com nuclefilos aninicos. Esses
solventes, chamados de
solventes prticos, so muito usados nas substituies nucleoflicas.
Outros solventes usados
em reaes SN2 so muito polares, porm aprticos. Eles no tm
hidrognios com polarizao
positiva. Como os solventes polares aprticos no podem doar
prtons para formar ligaes
hidrognio, eles solvatam fracamente os nions nucleoflicos. O
resultado o aumento da
reatividade do nuclefilo.
Os anions nucleoflicos pequenos so fortemente solvatados por
solventes prticos, o
que explica porque a nucleofilicidade dos halogenetos aumenta de
cima para baixo na tabela
peridica em solventes prticos. Em solventes aprticos, a solvatao
menos eficiente e a
reatividade de todos os nions aumenta, porm, o efeito maior nos
nions nucleoflicos
pequenos.
O aumento da polarizabilidade tambm aumenta a nucleofilicidade.
Os efeitos de
solvatao s deveriam ser importantes no caso de nuclefilos com
carga; no entanto, a
nucleofilicidade aumenta de cima para baixo na tabela peridica
mesmo para nuclefilos
neutros, nos quais os efeitos do solvente deveriam ser mais
fracos.
A explicao para esse comportamento o efeito da polarizabilidade
do nuclefilo. Os
tomos maiores tm nuvens de eltrons maiores, mais difusas e mais
polarizveis. O resultado
o entrosamento mais efetivo dos orbitais no estado de transio
SN2, o que reduz a energia
do estado de transio e acelera a substituio nucleoflica.
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Os nuclefilos estericamente impedidos so reagentes menos
eficientes, portanto,
nucleflos estericamente impedidos reagem mais lentamente.
ESTRUTURA E REATIVIDADE FRENTE A REAES SN2: O SUBSTRATO
Ramificaes no carbono reativo diminuem a velocidade das reaes
SN2. A substituio
sucessiva dos hidrognios por grupos metila (ou grupos alquilas,
em geral), nos halogenos-
alcanos reduz a reatividade frente a reao SN2. Ramificaes
prximas do carbono reativo
tambm retardam a substituio.
Outras reaes de halogeno-alcanos: Substituio Unimolecular e
Mecanismos de Reao de
Eliminao
SOLVLISE DE HALOGENO-ALCANOS SECUNDRIOS E TERCIRIOS
A velocidade da reao SN2 diminui muito quando o centro da reao
passa de primrio
para secundrio e para tercirio. Entretanto, isso s vale para a
substituio bimolecular. Os
halogeno-alcanos secundrios e tercirios tambm sofrem substituio,
porm seguem um
outro mecanismo.
Uma reao em que o substrato sofre substituio por molculas do
solvente chamada
de solvlise. Quando o solvente a gua, usa-se o termo
hidrlise.
A ordem de reatividade nas reaes SN1 o inverso da observada nas
reaes SN2
tpicas, isto , os halogeno-alcanos primrios reagem muito
lentamente com a gua, os
secundrios so mais reativos e os tercirios, muito mais reativos.
Essas observaes sugerem
que o mecanismo da solvlise dos halogeno-alcanos secundrios e
tercirios, tem de ser
diferente do mecanismo de substituio bimolecular.
SUBSTITUIO NUCLEOFLICA UNIMOLECULAR
As reaes SN2 obedecem a uma cintica de segunda ordem, so
estereoespecficas e
so mais rpidas com os halogenetos de metila, so sucessivamente
mais lentas com os
halogeno-alcanos primrios e secundrios e no acontecem com os
halogeno-alcanos tercirios.
As reaes de solvlise, ao contrrio seguem uma cintica de primeira
ordem, no so
estereoespecficas e caracterizam-se pela ordem de reatividade
oposta.
A solvlise segue uma cintica de primeira ordem. Nas reaes SN1, a
velocidade no
proporcional a concentrao dos reagentes, e sim, somente do
halogeno-alcano.
Em primeiro lugar, claro que o halogeno-alcano tem de sofrer
alguma transformao
antes que a reao prossiga. Em segundo, como o produto final
contm o grupo hidrxido
(tratado de uma hidrlise), a gua (ou, em geral, qualquer outro
nuclefilo) tem de participar da
reao em um estgio posterior que no afete a expresso cintica. O
nico modo de explicar
este comportamento postular que as etapas posteriores a reao
inicial do halogeno-alcano
so relativamente rpidas. Em outras palavras, a velocidade
observada refere-se a etapa mais
lenta da sequncia, isto , a etapa controladora da velocidade da
reao. Como consequncia,
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somente as espcies que participam do estado de transio desta
etapa entram na expresso
cintica, neste caso, somente o halogeno-alcano.
O mecanismo de solvlise inclui a formao de carboctions. Nas
reaes de
substituio nucleoflica unimolecular, ou SN1, o nmero 1 indica
que somente uma molcula,
o halogeno-alcano participa da etapa controladora da velocidade
da reao, isto , a velocidade
da reao no depende da concentrao do nuclefilo. O mecanismo
inclui trs etapas.
Etapa 1: a etapa controladora da velocidade da reao a dissociao
do halogeno-alcano para
formar um ction alquila e o on correspondente. Essa converso um
exemplo de quebra
heteroltica. O produto tem um tomo de carbono com carga
positiva. Estruturas deste tipo so
chamadas de carboctions ou ons carbnio.
Etapa 2: o ction formado na etapa 1 um eletrfilo poderoso que
reage imediatamente com o
nuclefilo. Este processo pode ser visto como um ataque
nucleoflico do solvente ao carbono
deficiente de eltrons. No caso de uma hidrlise, a espcie
resultante um exemplo de on
alquil-oxnio, o cido conjugado de um lcool.
Etapa 3: como o on hidrnio (tratando de uma solvato), H3O+, o
primeiro membro da srio
dos ons oxnio, todos os ons alquil-oxnio so cidos fortes,
facilmente desprotonados pela
gua para dar o produto final.
As trs etapas do mecanismo de solvlise so reversveis. O
equilbrio entre elas pode
ser deslocado nos dois sentidos pela escolha adequada das
condies de reao. Deste modo,
um grande excesso do solvente nucleoflico garante a solvlise
completa.
CONSEQUNCIAS ESTEREOQUMICAS DAS REAES SN1
O mecanismo proposto para a substituio nucleoflica unimolecular
tem consequncias
estereoqumicas previsveis por causa da estrutura do carboction
intermedirio. Para
minimizar a repulso eletrnica, o carbono que tem a carga
positiva assume, como resultado da
hibridao sp2, a geometria planar trigonal. Este intermedirio ,
portanto, aquiral. Assim, a
reao com um algeno-alcano secundrio ou tercirio quiral cujo
grupo de sada est no centro
quiral, leva sob condies favorveis para a reao SN1, a produtos
racmicos. Em geral, a
formao de produtos racmicos a partir de substratos quirais uma
forte evidncia de
intermedirios aquirais, simtricos como os carboctions.
EFEITOS DO SOLVENTE, DO GRUPO DE SIDA E DO NUCLEFILO NA
SUBSTITUIO
UNIMOLECULAR
Solventes polares aceleram a reao SN1. A quebra heteroltica da
ligao C-X na etapa
que controla a velocidadedas reaes SN1 produz um estado de
transio muito polarizado, que
pode eventualmente levar a dois ons separados. No estado de
transio SN2 tpico, no h
criao de cargas, o que ocorre a disperso de cargas. Devido a
esse estado de transio polar,
a velocidade das reaes SN1 cresce com o aumento da polaridade do
solvente. O efeito
impressionante quando o solvente muda de aprtico para prtico. O
solvente prtico acelera a
reao SN1 porque ela estabiliza o estado de transio pela formao
de ligao hidrognio com
o grupo de sada. As reaes SN2 so aceleradas em solventes polares
aprticos, principalmente
por causa do efeito do solvente na reatividade do nuclefilo.
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A reao SN1 acelerada por melhores grupos de sada. Como o grupo
de sada se perde
na etapa que controla a velocidade da reao SN1, no surpreende o
fato da velocidade da
reao crescer quando a eliminao do grupo de sada fica mais fcil.
Quanto maior tomo de
halognio do halogeno-alcano, mais facilmente este sofrer
solvlise.
A nucleofilicidade afeta a distribuio dos produtos, mas no a
velocidade de reao.
Diferentemente do processo SN2, em que a velocidade da reao
cresce significativamente
quando a nucleofilicidade da espcie que est atacando aumenta, no
processo SN1, como a
etapa que controla a velocidade da substituio unimolecular no
inclui o nuclefilo, a mudana
de sua estrutura ou concentrao no deve alterar a velocidade de
desaparecimento do
halogeno-alcano. Entretanto, quando dois ou mais nuclefilos
competem pela reao com o
carboction intermedirio, as nucleofilicidades relativas e as
concentraes podem afetar a
distribuio dos produtos. A constante de velocidade de
desaparecimento do halogeno-alcano
a mesma, independente do produto final formado, embora o
rendimento relativo dos
produtos dependa das reatividades relativas e das concentraes
dos nuclefilos em
competio.
O EFEITO DO GRUPO ALQUILA NA REAO SN1: ESTABILIDADE DO
CARBOCTION
De alguma forma, o nmero de substituintes do carbono que sofre a
reao, controla o
mecanismo de reao dos halogeno-alcanos com os nuclefilos.
Somente os sistemas
secundrios e tercirios forma carboctions; por isso, os
halogeno-alcanos tercirios, cujo
impedimento estrico impede as reaes SN2, reagem unicamente por
meio do mecanismo
SN1, os halogeno-alcanos primrios somente por SN2 e os
halogeno-alcanos secundrios, por
qualquer um dos mecanismos, dependendo das condies de reao.
A estabilidade dos carboctions cresce na ordem primrio,
secundrio, tercirio. As
razes para isso so duas. Em primeiro lugar, o impedimento
estrico cresce ao longo da srie,
tornando o caminho SN2 mais lento. Em segundo, o aumento do
nmero de substituintes
estabiliza os carboctions, fazendo com que somente os secundrios
e tercirios sejam
energeticamente viveis nas condies da reao SN1.
A hiperconjugao estabiliza a carga positiva. Hiperconjugao o
resultado da
sobreposio de um orbital p a um orbital molecular ligante
vizinho, como o de uma ligao C-
H ou C-C. Em um radical, o orbital p ocupado por um nico eltron,
e em um carboction, ele
est vazio. Em ambos, o grupo alquila doa densidade eletrnica
para o centro deficiente de
eltrons, tornando-o mais estvel.
Sistemas secundrios sofrem reaes SN1 e SN2. Nos sistemas
secundrios, os efeitos
estercos desaceleram, mas no impendem o ataque nucleoflico
bimolecular. Ao mesmo
tempo, a dissociao unimolecular torna-se competitiva devido a
estabilidade relativa dos
carboctions secundrios. O caminho escolhido depende das condies
de reao, do solvente,
do grupo de sada e do nuclefilo.
Se usarmos um substrato com um grupo de sada muito bom, um
nuclefilo muito fraco
e um solvente polar prtico (condies SN1), a substituio
unimolecular ser favorecida. Se
empregarmos alta concentrao de um bom nuclefilo, um solvente
polar aprtico e um
halogeno-alcano que tenha um grupo de sada razovel (condies SN2)
a substituio
bimolecular predominar.
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ELIMINAO UNIMOLECULAR: E1
Os carboctions reagem facilmente com nucleofilos no tomo de
carbono com carga
positiva. Todavia, essa no a nica reao possvel. Uma alternativa
a perda de prton para
dar outra classe de compostos, os alquenos. A reao se inicia com
um halogeno-alcano
ramificado que sofre remoo de H-X, com gerao simultnea de uma
ligao dupla.
A velocidade de formao do alqueno depende apenas da concentrao
do halogeno-
alcano de alquila inicial, logo de primeira ordem. Como as reaes
deste tipo so
unimoleculares, so chamadas de E1. A etapa que controla a
velocidade de reao E1 a mesma
das reaes SN1: a dissociao para um carboction. Alm da captura
por um nuclefilo, o
intermedirio pode seguir um outro caminho de reao, a perda de um
prton de um dos
tomos de carbono adjacentes ao que tem a carga positiva.
Qualquer hidrognio de qualquer um dos carbonos vizinhos do
centro ligado ao grupo
de sada pode participar da reao E1.
A natureza do grupo de sada no deveria alterar a razo
substituio/eliminao,
porque o carboction que se forma o mesmo em ambos os casos.
A ELIMINAO BIMOLECULAR: E2
Uma quarta possibilidade de reao dos halogeno-alcanos com
nuclefilos que tambm
so bases fortes a eliminao pelo mecanismo bimolecular.
As bases fortes provocam a eliminao bimolecular. A eliminao
unimolecular pode
competir com a substituio. No entanto, observa-se, uma mudana da
cintica em
concentraes elevadas de bases fortes. A velocidade de formao de
alquenos torna-se
proporcional as concentraes do halogeno-alcano inicial e da
base. A cintica de eliminao
de segunda ordem e o processo chamado de eliminao bimolecular,
E1.
A explicao para esta mudana que as bases fortes, como os ons
hidrxidos e
alcxidos podem atacar os halogeno-alcanos antes da formao do
carboction. O alvo um
dos hidrognios do carbono vizinho ao grupo de sada. Este caminho
de reao no restrito a
halogeno-alcanos tercirios, mas nos halogeno-alcanos primrios e
secundrios, ele tem de
competir com a reao SN2.
As reaes E2 ocorrem em uma nica etapa. Neste mecanismo trs
mudanas ocorrem:
1. Desprotonao pela base;
2. Eliminao do grupo de sada;
3. Reibridizao dos tomos de carbono envolvidos, se sp3 para sp2,
para formar os dois
orbitais p da ligao dupla.
Todas ocorrem simultaneamente, isto , a reao E2 um processo em
uma etapa ou
concertado.
Os mecanismos E1 e E2 so semelhantes, diferindo apenas na
sequncia de eventos. Na
reao bimolecular, a abstrao de prtons e a eliminao do grupo de
sada ocorre ao mesmo
tempo. No processo E1, o halogeneto eliminado em primeiro lugar,
seguindo-se o ataque pela
base. Pode-se imaginar que a base forte que participa da reao E2
mais agressiva e no espera
pela dissociao do halogeno-alcano tercirio ou secundrio,
tacando-o diretamente.
Alguns experimentos elucidam os detalhes da estrutura do estado
de transio E2. Em
primeiro lugar, a equao de velocidade da reao de segunda ordem
requer que o halogeno-
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alcano e a base forte participem da etapa que controla a
velocidade. Em segundo, os melhores
grupos de sada levam a eliminaes mais rpidas, o que significa
que a eliminao do grupo de
sada j deve estar parcialmente quebrada no estado de transio. A
terceira observao
apresenta fortes indcios de que as ligaes C-H e C-X esto sendo
quebradas no estado de
transio e descreve sua orientao relativa no espao.
Para que a reao E2 ocorra o substrato deve estar na conformao em
que as ligaes
C-H e C-X esto na relao anti.
COMPETIO ENTRE A SUBSTITUIO E A ELIMINAO: A ESTRUTURA DETERMINA
A FUNO
Podemos a grosso modo, decidir se a eliminao ou a substituio
predominam atravs
da fora da base e do volume das espcies que reagem.
Os nuclefilos fracamente bsicos resultam em substituio. Bons
nuclefilos que so
bases mais fracas que o on hidrxido, tem bons rendimentos na
reao SN2 com halogeno-
alcanos primrios e secundrios e na reao SN1 com halogeno-alcanos
tercirios. Os nuclefilos
fracos, s reagem em velocidades apreciveis com os
halogeno-alcanos secundrios e tercirios,
substratos capazes de reaes SN1. A eliminao unimolecular , em
geral, apenas uma reao
secundaria.
Os nuclefilos bsicos fortes favorecem a eliminao quando o
impedimento estrico
do substrato aumenta. As reaes de halogeno-alcanos primrios
simples com nuclefilos
bsicos fortes do produtos SN2. Quando o impedimento estrico
aumenta no tomo ligado ao
grupo de sada, a substituio mais lenta em relao a eliminao
porque o ataque ao carbono
mais bloqueado do que o ataque ao hidrognio. Isso faz com que os
substratos primrios
ramificados deem aproximadamente as mesmas quantidades de
produtos E2 e SN2 e com que
E2 seja o mecanismo principal no caso de substratos
secundrios.
O mecanismo SN2 no uma opo vlida para os halogeno-alcanos
tercirios. Os
mecanismos SN1 e E1 competem em condies neutras ou fracamente
bsicas. Entretanto, altas
concentraes de base forte, levam exclusivamente a reao E2,
Os nuclefilos bsicos com impedimento estrico favorecem a
eliminao. Quando o
impedimento estrico no nuclefilo bloqueia o ataque ao carbono
eletroflico, a eliminao
predomina, mesmo em sistemas primrios, porque ocorre a
desprotonao na posio menos
bloqueada da molcula.
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SLIDES
Reaes de Substituio Nucleoflica
Em reaes de substituio nucleoflica de haletos de alquila R-X, o
halognio
substitudo por um nuclefilo. Portanto, o halognio atua como o
grupo abandonador e
perdido com um nion. Os nuclefilos mais frequentemente
encontrados em transformaes
de grupos funcionais so nions, os quais so usados na forma de
sais com seus contra-ons mais
comuns. A poro aninica dos sais substitui o halognio nos haletos
de alquila. A base de Lewis
que atua como nuclefilo em reaes de substituio nucleoflica
frequentemente, mas no
exclusivamente, um nion. Tambm so comuns as reaes onde o prprio
solvente atua
como nuclefilo. Nestes casos dizemos que houve uma solvlise.
Nucleofilicidade x Reatividade: Na srie da tabela peridica,
podemos afirmar que
tomos que estejam num mesmo perodo, quanto mais eletronegativo
ele for, ou seja, quanto
menor ele for, menos bsico e menos nucleoflico ele ser. Bases de
Lewis neutras geralmente
so nuclefilos muito fracos. Comparando-se tomos que estejam num
mesmo grupo da tabela
peridica, quando mais eletronegativo este tomo for, mais bsico
ele ser e, portanto, menos
nucleoflico (Nucleofilicidade o inverso da basicidade).
Nucleofilicidade x Basicidade dos X-: O fator que aparenta ser o
mais responsvel pela
relao inversa entre basicidade e nucleofilicidade entre os ons
haleto o grau de solvatao.
Quanto menor o on, mais solvatado ele ser e, portanto, menos
nucleoflico.
Nucleofilicidade x Polarizabilidade dos X-: Quanto mais
polarizvel, maior ser sua
facilidade de formar ligao parcial com o carbono no estado de
transio. A ligao parcial se
dar estando o haleto a uma distncia maior do carbono e de seus
substituintes, tendo uma
menor repulso, menor energia do estado de transio e maior
velocidade de reao. tomos
maiores so mais polarizvel que tomos menores.
Grupos abandonadores: A base conjugada de um cido forte,
geralmente ser um bom
grupo abandonador. Quanto mais fraca for a ligao C-X, mais
facilmente ser quebrada, e mais
facilmente a reao ocorrer. A habilidade do grupo abandonador
tambm est relacionada
com a sua basicidade. Um nion fortemente bsico (nion pequeno)
usualmente um fraco
grupo abandonador, pois nions maiores estabilizam melhor a carga
negativa, sendo estes,
portanto grupos abandonadores fortes.
Mecanismo de reao SN2: Segue a lei de velocidade de reao de
segunda ordem,
onde a velocidade da reao depende tanto do halogeno-alcano como
do nuclefilo. Neste caso,
a etapa determinante da velocidade da reao bimolecular, no qual
ambos os reagentes esto
envolvidos no estado de transio. Duas possibilidades de
estrutura so condizentes com a
cintica de segunda ordem das reaes SN2:
1. Nuclefilo ataca do mesmo lado que sai o grupo
abandonador.
2. Nuclefilo ataca do lado oposto que sai o grupo
abandonador.
Os dados cinticos so incapazes de definir o mecanismo correto,
tendo sido necessrios
dados estereoqumicos para tal definio. Nas reaes SN2 sempre
ocorre inverso de
estereoqumica do carbono que sofre a substituio. Tratam-se de
reaes estereoespeficas
(reaes nas quais cada um dos enantimeros leva a um enantimero
especfico com
configurao invertida). Este resultado estereoqumico muitas vezes
chamado de inverso de
Walden. A observao da inverso implica na aproximao do nuclefilo
pelo lado oposto ao da
sada do grupo abandonador. Os pares de eltrons livres do grupo
abandonador criam uma
-
regio de alta densidade eletrnica que efetivamente bloqueia o
lado da frente do substrato. O
ataque pelo lado de trs permite a sobreposio eficiente entre o
HOMO do nuclefilo e o LUMO
do eletrfilo.
Reatividade dos haletos de alquila: Diferentes haletos de
alquila demonstram
diferentes reatividades. Reaes mais rpidas envolvem estados de
transio de menores
energias. Sabendo que no estado de transio a ligao C-X est
parcialmente quebrada,
razovel considerar que necessrio menos energia para quebrar uma
ligao mais fraca (longa)
do que quebrar ligaes mais fortes. Conclui-se, portanto, que
ligaes mais fracas entre o grupo
abandonador e o carbono resultaro em reaes mais rpidas.
Efeitos estricos em reaes SN2: o aumento do nmero de
substituintes no carbono
(ao qual est ligado o grupo abandonador) diminui a velocidade da
reao.
Efeitos da ramificao da cadeia: Apesar dos haletos de alquila
primrios serem os mais
reativos em reaes SN2, diferentes RX primrios tambm apresentam
diferentes reatividades.
A explicao baseada nas diferentes energias dos estados de
transio ocasionados por
maiores ou menores repulses entre os ligantes no estado de
transio.
Mecanismo SN1: so reaes de cintica de primeira ordem, dependente
apenas da
velocidade do haleto de alquila. O aumento da concentrao e/ou
fora do nuclefilo no
alteram a velocidade das reaes. O estado de transio, portanto,
envolve apenas o haleto de
alquila, e o nuclefilo atua em uma etapa que no a determinante
da velocidade da reao.
Os haletos de alquila tercirios so estericamente impedidos para
favorecerem o mecanismo
SN2. Todavia, por levarem a formao de carboctions estveis na
etapa determinante da
reao, favorecem a ocorrncia da reao via mecanismo SN1. O
mecanismo via SN1 deveria,
primeira vista levar a uma mistura racmica, uma vez que o
carboction que sofrer o ataque
do nuclefilo aquiral. Toda via, a reao via mecanismo SN1 procede
com uma predominncia
do ismero com configurao invertida ao substrato de partida.
Rearranjo em SN1: Todo processo envolvendo carboction deve
considerar a
possibilidade de ocorrncia de rearranjos, mudanas estruturais de
carboctions menos estveis
para se tornarem carboctions mais estveis. Rearranjos quando
ocorrem, so evidncias de
que o mecanismo envolveu um intermedirio carboction (mecanismo
SN1).
Escolha do Solvente: As reaes de substituio nucleoflica ocorrem
em solues
homogneas a partir de solventes capazes de solubilizar tanto o
haleto de alquila como o sal do
nuclefilo. A velocidade de uma reao altamente dependente da
escolha do solvente. Quanto
maior for a polaridade do solvente, maior ser a velocidade de
reao atravs do mecanismo
SN1. Solventes polares so requeridos em reaes SN2 porque
substncias inicas no so
suficientemente solveis em solventes apolares para dar um a alta
concentrao dos nuclefilos
para permitir que a reao ocorra com uma velocidade rpida.
Todavia, o efeito da polaridade
pequeno em reaes SN2. Em reaes SN2, o mais importante o fato do
solvente ser prtico
ou aprtico. Os prticos tem grupos OH que permitem a formao de
ligaes de hidrognio aos
nuclefilos negativos.
Reaes de Eliminao
Este tipo de reao importante por permitir a sntese de alcenos
que, por sua vez
podem levar a uma diversidade de outros grupos funcionais atravs
de reaes de dio
-
eletroflica. A formao de um alceno requer que tomos ou grupos de
tomos sejam abstrados
de carbonos vizinhos.
Desidroalogenao E2: estas reaes exibem uma cintica de segunda
ordem, onde a
velocidade depende das concentraes da base e do haleto de
alquila. Substratos tercirios
sofrem reaes E2 muito rapidamente. No estado de transio, uma
ligao dupla C=C est se
formando; para um substrato tercirio, o estado de transio exibe
uma ligao dupla parcial
que mais altamente substituda e, portanto, o estado de transio
ser menor em energia.
Regiosseletividade em E2: Em muitos casos, uma reao de eliminao
pode produzir
mais de um produto. Geralmente, o alceno mais substitudo o mais
observado (produto
majoritrio), a reao dita de regeosseletividade. Estudos
mostraram que os alcenos
formandos em maior quantidade eram sempre aqueles formados a
partir da remoo dos
hidrognios dos carbonos menos hidrogenados, em outras palavras,
os alcenos formados em
maior quantidade eram sempre os mais substitudos (Regra de
Zaitsev). Quando tanto o
substrato quanto a base so estericamente impedidas, o alceno
menos substitudo o produto
principal. O alceno menos substitudo chamado frequentemente de
produto de Hofmann.
Esterosseletividade em E2: Compostos que tem duas posies
idnticas no tem a
regioqumica como um problema. A desprotonao de qualquer posio
produz o mesmo
resultado. Todavia, neste caso, a esteroqumica que deve ser
observada, porque dois alcenos
estereoisomricos so possveis e podem ser obtidos. Haletos de
alquila normalmente forma o
alceno mais estvel como o produto majoritrio em tratamento com
base.
Esteroespecificidade em E2: No anterior a posio tinha dois
diferentes prtons.
Quando a posio tem apenas 1 hidrognio, tem-se que explorar o
alinhamento dos orbitais
no estado de transio (anti-coplanar ou ayn-coplanar).
Geralmente, quando o prton e o grupo
de sada se encontram anti-periplanar o substrato em questo mais
estvel. O requisito para
um arranjo anti-periplanar determinar o estereoisomerismo do
produto. Em outras palavras, o
produto de um processo estereoisomrico E2 depende da configurao
do haleto de alquila
correspondente.
Mecanismo E1: Apresenta uma cintica de reao de primeira ordem.
Para reaes SN1,
a velocidade muito sensvel a natureza do haleto de alquila de
partida. Haletos tercirios
reagem mais prontamente. O mecanismo envolve a formao de um
intermedirio carboction,
e a velocidade da reao dependente da estabilidade do carboction.
O primeiro passo de um
processo SN1 idntico ao do primeiro passo de um processo SN1. Em
cada processo, o primeiro
passo envolve a perda do grupo de sada para formar um
intermedirio carboction. O grupo
OH um pssimo grupo abandonador e uma reao SN1 e E1 apenas
ocorrem se o grupo OH
for protonado antes para gerar um melhor grupo de sada.
Mecanismo E1 Regiosseletividade: Mecanismos E1 exibem uma
preferncia para o
produto regioqumico de Zaitsev, como foi observado para reaes
E2. O alceno mais substitudo
o produto principal (Zaitsev). No entanto, existe uma diferena
crtica entre os resultados
regioqumicos entre as reaes E1 e E2. O resultado regioqumico
muitas vezes pode ser
controlado escolhendo a base (estericamente impedida ou no). Em
contraste, o resultado
regioqumico de um processo E1 no pode ser controlado. O produto
Zaitsev geralmente
obtido.
Mecanismo E1 Estereosseletividade: Reaes E1 no so
estereoespecficas, isto ,
elas no necessitam de anti-periplanaridade para que ocorram. No
entanto, elas so
-
estereosseletivas. Quando os produtos cis e trans so possveis,
geralmente verifica-se uma
certa preferncia para a formao do estereoismero trans.
Mecanismo E1 Rearranjo: O mecanismo E1 envolve a formao de um
intermedirio
de carboctions, os quais so susceptveis a rearranjos, que atravs
de transferncia de hidreto
ou de metila.
Mecanismo de desidratao de lcoois primrios: lcoois primrios no
forma
carboctions (mecanismo E1) pois os mesmos seriam muito instveis.
Todavia, eles sofrem
reaes de desidratao. Porm, o mecanismo proposto diferente.
Acredita-se que um prton
abstrado a partir do on alquiloxnio na mesma etapa em que
acontece a clivagem sem a
formao de carboction.
Nucleofilicidade x Eliminao: Uma reao de substituio ocorre
quando o reagente
atua como um nuclefilo, enquanto uma reao de eliminao ocorre
quando o reagente atua
como uma base. Consequentemente, o primeiro passo em qualquer
caso especfico
determinar se o reagente um nuclefilo forte ou fraco ou se trata
de uma base forte ou uma
base fraca. Nucleofilicidade basicidade no tem os mesmos
conceitos. Nucleofilicidade um
fenmeno cintico e refere-se velocidade da reao. A basicidade um
fenmeno
termodinmico e refere-se posio de equilbrio. A nucleofilicidade
refere-se velocidade com
que um nuclefilo particular ir atacar um eletrfilo. H muitos
fatores que contribuem para a
nucleofilicidade. Um desses fatores a carga; outro fator que
impacta a nucleofilicidade a
polarizabilidade. A polarizabilidade descreve a capacidade de um
tomo distribuir a sua
densidade eletrnica de forma irregular, como resultado de
influncias externas; ela est
diretamente relacionada ao tamanho do tomo e ao nmero de eltrons
que se encontram
distantes do ncleo. Com relao a basicidade, em um processo de
transferncia de prton, o
equilbrio favorece a base mais fraca que altamente estabilizada,
pois acomoda melhor uma
carga negativa (tomos mais eletronegativos acomodam melhor a
carga negativa).