Química II UNIVERSIDADE NOVA DE LISBOA Faculdade de Ciências e Tecnologia MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA DO AMBIENTE 2º Semestre - 2011/ 2012 Doutor João Paulo Noronha [email protected] (XVI - XVIII)
Química II
UNIVERSIDADE NOVA DE LISBOA
Faculdade de Ciências e Tecnologia
MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA DO AMBIENTE
2º Semestre - 2011/2012
Doutor João Paulo Noronha
(XVI - XVIII)
Química II 2
1. Considere os seguintes hidrocarbonetos quando submetidos a bromação fotoquímica? (Br2/hn)
CH3
a. Para cada composto quantos derivados monobromados espera obter? I - ……....; II - ……....; III - ……....; IV - ……....; V - ……....;
b. Considerando que a reactividade dos hidrogénios primários é 1, secundários é 80 e terciários é 1700, diga qual a composição percentual dos derivados monobromados formados a partir do composto IV. c. Qual a estrutura do produto maioritário formado na referida reacção:
1 2 5 2 4
0.4% 99.6%
a 12 1 12 12/3412 0.4%
b 2 1700 3400 3400/3412 99.6%
14 3412
Química II 3
•Considere os seguintes compostos?
•Quais são os compostos quirais?
•Atribua a configuração absoluta (R/S) ao composto II.
•Se uma mistura em partes iguais dos 4 compostos for submetida a uma separação por destilação fraccionada quantas fracções espera obter?
•Qual a composição de cada fracção?
•Alguma das fracções apresenta actividade óptica?
•Existe algum composto meso?
•A que composto corresponde o (2R,3R)-butano-2,3-diol?
•Se a rotação observada da solução de um dos compostos (30,0g/100 mL de solução) for +15º num tubo de 2 dm, qual será a sua rotação específica?
Todos (I a IV)
(2S,3S)-butano-2,3-diol
3 Fracções
Fracções = (I) , (II+III), (IV)
Apenas a fracção I, II+III racémica, IV meso
IV
III
[α] = α /l.d = +15º/(30/100).2 = +25º
Química II 4
Mecanismos de Reacções
Reacções iónicas:
Formação de ligação:
Quebra de ligação:
Pares não compartilhados:
Química II 6
Mecanismos de Reacções Setas:
Reacção (em um passo)
Reacção (em vários passos)
Equilíbrio
Equilíbrio (deslocado no sentido dos produtos)
Transformação em ambas as direcções (não equilíbrio)
Ressonância
Movimento de 2 electrões
Movimento de 1 electrão
ou
Bromometano - Fumigante (insecticida) – elevada toxicidade (ADN) => anormalidades, cancro
Guanina base do ADN Tóxico
Substituição Nucleofílica de Halogenetos de Alquilo
Química II 7
Haloalcanos
Nomes: Halo-, como um substituinte
1-Clorobutano
(1S,2R)-1-Bromo-2-fluorociclo-hexano
2-Iodo-2-metilbutano
C + -
X
Cl 4
3 2
1 F
Br R S
I CH3
Química II 8
Pontos de Ebulição de Haloalcanos (R-X)
Electronegatividade
As tendências são função das forças dipolo-dipolo e London
R - X
Química II 12
Ponto de Ebulição (ºC)
Substituição Nucleofílica
Esquema de Cores : Nu, E, L, e setas curvas: Fluxo e-
C X Nu + C X Nu -
+
Nucleófilo (Nu)
Leaving group (L)
Electrófilo (E)
-
Química II 13
Relembrar: reacções Ácido-base
B + H A B H + A - -
Ácido-base conjugado
- B = Nu
-
Quando o H é atacado, chamamos-lhe base B
Quando C (ou outro núcleo) é atacado, chamamos-lhe nucleófilo Nu
Química II 14
SUBSTITUIÇÃO NUCLEÓFILA ALIFÁTICA
C sp3Nucleófilo (Nu) Grupo rejeitado (X)
Nu + R - X Nu - R + X
Nu + + X
Na OH + CH3 - Cl
XC CNu
Nucleófilo Substrato Produto
HO-CH3 + Na+Cl-
Nü- + R – X → Nu – R + X- CN- + CH3I → CH3CN + I-
Nü + R – X → Nu+ – R + X- NH3 + CH3Br → CH3+NH3 + Br-
Nü- + R – X+ → Nu – R + X Cl- + CH3+OH2 → CH3Cl + H2O
Nü + R – X+ → Nu+ – R + X (CH3)3N + (CH3)3S+ → (CH3)4N
+ + (CH3)2S
_
_
_
_
Química II 16
Química II 21
Representação de vários Tipos de Mecanismos
com o uso de Setas Curvas
Dissociação
Substituição
Nucleofílica
Adição
Nucleofílica
Adição
Electrofílica
Comparar com a Reacção
Ácido-Base Bronsted
Reverso da Reacção
Ácido-Base Lewis
Apenas é quebrada uma
das duas ligações C e O
A ligação duplas C=C actua
como base de Lewis
Afectados por: carga, basicidade, solvente, polarizabilidade, estereoquímicos.
1. Carga (para o mesmo átomo):
Quanto mais carregado, mais nucleofílico
HO > H2O ; H2N > H3N ; SO4 > ROSO3
- - 2- -
Nucleofilia “Nü” (parâmetros cinéticos)
Química II 26
2. Basicidade: Decresce para a direita na TP, tal como Nu:
H3N > H2O ; H2N > HO ; HO > F - - - -
Comparação da carga neutra e carregada Nu: (ver tabela de pKa)
H2N > HO > H3N > F > H2O - - -
Como esperado: Tendência oposta capacidade L
Química II 27
Solventes próticos possuem acídicos H ;ex., RO H ou N H. Rodeiam Nu carregados, usando as
Pontes-H:
+ +
- +
-
- R
Para baixo na TP: A Basicidade segue para baixo, a Nu deveria também descer (oposto L). Mas não é verdade: Nu aumenta!
A razão: Efeitos solvente e polarizabilidade (deformabilidade da orbital do
) possui uma grande influência.
Para Nu- carregados:
Nu
Nu H OR Química II
28
Nucleofilia e Basicidade
Reacção ácido-base B: H Ka Ka = e –(DGº/RT) DGº
Reacção nucleófilo-electrófilo Nü C k Ka = A.e –(DG/RT) DG
(1) (2) (3) (4)
HO- > H2O RO- > ROH RS- > RSH Nucleofilia 1, 2
I- > Br- > Cl- > F- Basicidade Nucleofilia 2
RO- > HO- > ArO- > RCOO- > ROH > H2O Nucleofilia
R3C- > R2N
- > RO- > F- Basicidade
Nucleofilia = f (carga eléctrica, basicidade, polarizabilidade, volume)
Química II 29
Nucleófilos - Grupos Rejeitados
(3)
(4)
Nucleofilia Basicidade
Mais nucleófilos
(menos básicos)
Menos nucleófilos
(mais básicos)
Química II 30
Química II 31
Força de Bases e Grupos Rejeitados
Ácidos
conjugados Ácidos
conjugados
Grupos
Rejeitados
Grupos
Rejeitados
Forte Bom Fraco Pobre
Mecanismos das Reacções de Substituição Nucleófila
1. Reacção em 2 passos:
a – quebra da ligação antiga b – formação da nova ligação 2. Reacção em 2 passos:
a – formação da nova ligação b – quebra da ligação antiga 3. Reacção em um passo (concertada):
quebra e formação simultânea das ligações
Mec.1 1. R – X → R+ + X-
2. R+ + Nü- → Nu - R
lento
rápido
Mec.3 Nü- + R - X → [Nu ... R ... X]- → Nu – R + X-
estado de transição
d- d+ d-
Química II 36
Hipóteses:
Mecanismo 3 (1 passo)
[Nu ... R ... X]-
estado de transição
d- d+ d-
SN2
mecanismo concertado
Inversão
de Configuração
Química II 37
Cinética das Reacções SN
Mecanismo 1 (2 passos)
Mecanismo 3 (1 passo)
NaOH + (CH3)3C – Cl → (CH3)3C – OH + NaCl
r t -BuOH = k [(CH3)3CCl] r = k [R - X]
H2O
EtOH
Reacção de Substituição Nucleófila Unimolecular
NaOH + CH3CH2Cl → CH3CH2OH + NaCl
r EtOH = k [CH3CH2Cl].[NaOH] r = k [R - X].[Nu]
Reacção de Substituição Nucleófila Bimolecular
H2O
SN1
SN2 Química II
40
Estereoquímica das Reacções SN
Nu + CH
C2H5
X
H3C
Nu C
CH3
H
C2H5
+ X
inversão de configuração
Nu + CH
C2H5
X
H3C
+ X
retenção de configuração
Nu + CH
C2H5
X
H3C
Nu C
CH3
H
C2H5
+ X
racemização
CH
C2H5
Nu
H3C
CH
C2H5
Nu
H3C
+
Química II 41
Reacções SN2
C
H
ClC2H5
H3COH- OH-
1 2
cloreto de sec-butilo (S)
C
H
HO C2H5CH3 C
H
OHC2H5H3C
(2R) - butanol (2S) - butanol
inversão de configuração
1 2
Não seObserva !
Br
H
H3C
H
cis
+ -CN
H
CN
H3C
H
trans
+ Br-
C
c
Xa
bNu- C
c
a
Nu X
bd- d-
d+
inversão de Walden
C
c
Nu ab
+ X-
Química II 42
Reacções SN1
C
ClHH3C H2O
( - H+)HO C
CH3
H
+ OHCH3C
H
51% 49%
C
HH3C
Nu Nu
- Cl-
98% de racemização(2% de inversão)
Química II 43
Substituição Nucleófila Bimolecular - SN2
Cinética
Estereoquímica
Sensibilidade à natureza do nucleófilo
Sensibilidade a efeitos estereoquímicos (substrato)
r = k.[RX].[NaI]
CH3CH2Br + Na+I- CH3CH2I + NaBr acetona
r = k.[CH3CH2Br].[I-]
Inversão de configuração em substratos quirais
CH3Br CH3OH r1
H2O
CH3Br CH3OH r2
-OH r2 = 5000.r1
Química II 44
1. Retenção: Por dupla inversão
C
CH3
R
H
Br C
CH3
R
H
SH C I
CH3
R
H I
-
Br -
I -
H S -
+
- -
+
2. Inversão necessariamente não significa: R S
CH3CH2O + C
CH3S
H
H3C
Br C Br
CH3CH2O - +
SCH3
H
CH3
S
c
b
a b
c
a - S
Consequências Químicas da Inversão
Química II 45
SN2
3. Diastereoisomerização
CH3
Br
H
CH3
CH3CH2
H
CH3
H
H
CH3
CH3CH2
I I
- Br R
R
R
S -
-
Br H
H3C H
S S
H CN
H3C H
R S CN
- Br -
-
CH3
Br
R
S I -
CH3
R
R
I
cis trans - Br -
Química II 46
SN2
Substituição Nucleófila Bimolecular – SN2
Sensibilidade ao grupo rejeitado
grupo rejeitado ≡ basicidade
Nu + R - F Nu – R + F- pKa (HF) = 3,17 SN2
r1
Nu + R - I Nu – R + I- pKa (HI) = - 10 SN2
r2
r1 < r2
Nu- + R - OH Nu – R + OH- muito lenta (ou não ocorre)
Nu- + R - OH2 Nu – R + H2O rápida !!!
rrel. 3 10-4
I- > Br- > Cl- > F-
facilidade de rejeição
Química II 51
+
L = Grupo rejeitado => capacidade de abandonar o substrato de
modo relativamente estável, molécula fracamente básica ou ião Química II
52
Substituição Nucleófila Bimolecular - SN2
Sensibilidade ao meio reaccional
r polaridade do solvente
Em geral baixa. Na maioria dos casos a reacção é dificultada
pelo aumento de polaridade do solvente
HO- + CH3-Br C
H
H
HO Br
Hd- d-
d+
dispersão de carga
CH3OH + Br-
E
c.r.
Solvente apolar
Solvente polar
Química II 54
Pontes de Hidrogénio
d-
d-
d-
d-
d-
d+
d+
d+ d+
O Solvente aumenta “tamanho” do Nu , logo o Nu aumenta descendo na TP.
-
Em Solventes Próticos: O Fluoreto é um
Nucleófilo pior que o Iodeto
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Para Nü não carregado, mesma tendência, mas devido polarizabilidade
H2O < H2S < H2Se (CH3)3N < (CH3)3P
Polarizabilidade também para Nü carregados, que beneficiam de menor solvatação: mecanismo especialmente rápido.
Química II 56
Mais polarizável
Menos polarizável
Polarizabilidade => Nucleofilia
Polarizabilidade Crescente Aumenta Nucleofilia
Química II 57
A história altera-se com Solventes Polares Apróticos, que
• dissolvam sais • não formem pontes-H • incapazes de formar aniões “naked”
- Causam enormes incrementos de velocidade com todos os Nü - seguem sequência da basicidade
• carga
• basicidade
• polarizabilidade
• Pontes-H
Depende:
Revisão: Gama de Nucleofilicidade
Química II 60
L
Nu-
Aniões “naked”, Solventes apróticos
ou
Solvente Prótico, polarizabilidade
e-Negatividade > DHº e tamanho orbital
e-Negatividade < DHº e tamanho orbital
Resumo - Regras na Tabela Periódica
Química II 61
Estereoquímicos para L: Maior = melhor
Estereoquímicos para Nü: Maior = pior
ex., CH3O > (CH3)3CO - -
Os efeitos estereoquímicos à volta de E são os mais importantes.
Efeitos Estereoquímicos
Química II 62
Efeitos estereoquímicos à volta do C electrofílico
C L
R Br + I R I + Br velocidades . relativas
CH3 CH3CH2 (CH3)2CH (CH3)3C
145 1 0.078 0 O mecanismo muda
CH3CH2 CH3CH2CH2 (CH3)2CHCH2 (CH3)3CCH2
1 0.8 0.03 lenta! 10-5
- -
α :
β :
Ramificação alfa versus beta :
Química II 63
Substituição Nucleófila Bimolecular – SN2
Ramificação
metilo > primário > secundário >> terciário ou neopentilo
Reactividade em SN2
H3C C
CH3
CH3
X
H3C C
CH3
CH3
H2C
X
Nu C X
R
R3 R2
Reactividade
R - X + Nu
R vel. relativa
CH3- 30
CH3CH2- 1
(CH3)2CH- 0,025
neopentilo 10-5
III~0
Química II 64