QOII-aula1

1 1 1 Bibliografia:

Química Orgânica – Vollhardt & Schore – 4 ed. - Cap. 6 e 7 Química Orgânica – Solomons & Fryhle – 8 ed. - v. 1 - Cap. 6 Química Orgânica – M. G. Constantino – v. 2 – Cap. 3.3, 3.5, 3.6

Química Orgânica II

Aula 1

Substituição Nucleofílica Alifática e

Reações de Eliminação-b

1. Substituição Nucleofílica Unimolecular – S

1

Exemplo:

Etapa determinante da velocidade

No mecanismo S_N1 a reação ocorre em duas etapas. Primeiro ocorre a saída do grupo de partida formando um carbocátion. Depois o nucleófilo ataca o carbocátion fornecendo o produto de substituição nucleofílica.

3

Exemplo:

2. Substituição Nucleofílica Bimolecular – S

2

a) Mecanismo. No mecanismo S_N2 o nucleófilo ataca o carbono sp3 _{pelo lado oposto ao grupo de partida.}

A ligação C-Nu é formada ao mesmo tempo em que a ligação C-X é quebrada. A reação é um processo de uma única etapa, sem intermediários. É uma reação concertada.

v

b) Cinética da reação.A cinética de reação é de segunda-ordem (proporcional às duas concentrações), e por isso, o mecanismo é chamado de Substituição Nucleofílica Bimolecular (S_N2).

S - Substituição N - Nucleofílica 2 - bimolecular

O diagrama de energia potencial mostra o estado de transição com quebra da ligação carbono-halogênio e formação simultânea da ligação carbono-oxigênio.

Como o substrato e o nucleófilo estão envolvidos no estado de transição, o processo é bimolecular.

c) Estereoquímica. Se o carbono onde ocorre a substituição for um carbono estereogênico, observa-se

inversão de configuração durante a S_N2. O ataque do nucleófilo na face oposta a que se encontra o grupo de partida promove a inversão da configuração do carbono estereogênico.

Portanto, a reação de S_N2 é estereoespecífica !

Em uma reação estereoespecífica a estereoquímica do material de partida determina a esteroquímica do produto.

Exemplo 1:

Exemplo 2:

A substituição nucleofílica ocorre quando o grupo de partida é capaz de levar consigo o par de elétrons da ligação C-X. A eficiência do grupo de partida (se ele é um grupo de partida “bom” ou “ruim”) está correlacionado com a capacidade de acomodar a carga negativa, e é inversamente relacionado com a basicidade.

Dentre os halogênios, o iodeto é o melhor grupo de partida (e também a base mais fraca). O

fluoreto é um péssimo grupo de partida e

reações S_N2 com fluoroalcanos são raras.

2.1. Estrutura e Reatividade da S

2 - O grupo de partida

Ordem de eficiência do grupo de partida:

Bons grupos de partida são bases conjugadas de ácidos fortes

a) Halogênios como grupos de partida

Além dos halogênios, os derivados de enxofre (como os sulfatos e sulfonatos de alquila) são exemplos de grupos de partida bons e muito utilizados nas reações de S_N2.

b) Derivados de enxofre como grupos de partida

íon p-toluenossulfonato (íon tosilato)

Os sulfonatos de alquila são os grupos de partida mais importantes, pois sofrem reações de substituição nucleofílica com facilidade. Dentre estes, os tosilatos são muito utilizados e preparados a partir de álcoois.

Preparação de Tosilatos

Exemplo de Reações com Tosilatos

pKa

9 O íon hidróxido é um grupo de partida ruim, pois é uma base forte (pKa H₂O =15,7). Portanto álcoois não sofrem substituição nucleofílica !!!

Entretanto, quando um álcool é protonado com um ácido forte, ele pode sofrer reação de substituição nucleofílica, pois o grupo de partida neste caso é a H₂O, que é uma base fraca (pKa H₃O+ _{= -1,7) .}

c) Substituição Nucleofílica em álcoois

Uma outra alternativa envolve o uso de Sulfonatos de alquila, que representam um método indireto de realizar reações de substituição nucleofílica com o os álcoois:

11 A força relativa de um nucleófilo (nucleofilicidade) depende de vários fatores: carga, basicidade, solvente, polarizabilidade.

a) Um nucleófilo carregado negativamente é sempre um nucleófilo mais forte do que o seu ácido conjugado, pois ele é uma base mais forte.

11

2.2. Estrutura e Reatividade da S

2 - O nucleófilo

Os átomos nucleofílicos são os mesmos e o nucleófilo carregado

negativamente é o nucleófilo mais forte.

13

CH

CH

Br + NH

CH

CH

Br + H

O

CH

CH

NH

+ Br

-CH

CH

OH

+ Br

-Rápida

Muito lenta

b) Quando comparam-se nucleófilos que diferem pelo átomo que ataca o carbono, a nucleofilicidade também está correlacionada com a basicidade, e aumenta da direita para esquerda em um período da tabela periódica).

Conclusão geral: Bases fortes normalmente são nucleófilos bons ! Nucleofilicidade:

Existe uma diferença fundamental entre as propriedades de basicidade e nucleofilicidade:

A força relativa de Ácidos e Bases é resultado da comparação de estados de equilíbrio. Neste caso estamos avaliando aspectos termodinâmicos da reação:

A força de nucleófilos (Nucleofilicidade) é resultado da comparação de velocidades de reação. Neste caso estamos avaliando aspectos cinéticos da reação:

A

+ H

O

K

HA

+ HO

K = constante de

equilíbrio

Nu

-

+ R-X

k = constante

de velocidade

k

Nu-R + X

15

c) Se os átomos que atacam o carbono estão na mesma coluna, a nucleofilicidade varia na ordem inversa da basicidade. De cima para baixo da coluna, a basicidade diminui e a nucleofilicidade aumenta.

15

Nucleofilicidade:

Um dos principais fatores que explicam a nucleofilicidade destes nucleófilos é a interação do nucleófilo carregado negativamente com o solvente prótico !

Para promover uma reação de S_N2 em solução é necessário encontrar um solvente que dissolva o sal (que possui com o ânion nucleofílico de interesse).

Utilizando um solvente prótico (MeOH ou EtOH por exemplo) são formadas ligações de hidrogênio entre as moléculas do solvente e os ânions nucleofílicos. Os ânions menores (e mais básicos) formarão ligações de hidrogênio mais fortes com o solvente, e por isso serão mais fortemente solvatados do que os íons maiores.

Diante dessa situação, haverá uma energia livre de ativação maior para a reação de S_N2 com o íon mais fortemente solvatado (ex.: fluoreto) do que para o íon menos solvatado (p. ex.: iodeto). Como resultado, a reação com o íon fluoreto será mais lenta.

A camada composta por moléculas de solvente é maior em

volta dos ânions menores, o que diminui sua nucleofilicidade nas

Efeito do solvente nas Reações de S

2

17

Solventes próticos  aqueles que possuem hidrogênio ligado a átomo eletronegativo. Ex: H₂O, MeOH, EtOH, etc

Solventes próticos solvatam tanto os ânions como os cátions.

Os ânions são solvatados através da formação de ligações de hidrogênio. A solvatação do nucleófilo dificulta sua ação

em reações de substituição nucleofílica

Recordando... “Quanto maior for o átomo, menor será sua solvatação, e mais livre o nucleófilo estará para reagir; assim, em solventes próticos, a reação de S_N2 acontece mais facilmente com nucleófilos maiores (menos solvatados)”.

Solventes apróticos  solventes polares que não têm um átomo de hidrogênio ligado a um átomo eletronegativo. Exemplos desses solventes que são muito utilizados nas reações de S_N2 são o DMSO, acetona, DMF, HMPA.

Os solventes apróticos destacados acima solvatam os cátions, deixando

os ânions livres e assim mais nucleofílicos.

19 A reação do iodometano com o íon cloreto acontece mais rapidamente em solventes

apróticos (como a N,N-dimetilformamida).

Em solventes próticos (metanol, formamida ou N-metilformamida) a reação é mais lenta devida a solvatação do nucleófilo.

As velocidades das reações de S

2 geralmente são enormemente

aumentadas quando são realizadas em solventes apróticos polares !

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Polarizabilidade

Além do efeito de solvatação, a polarizabilidade do nucleófilo deve ser considerada para a avaliação da nucleofilicidade. Para nucleófilos neutros, os efeitos promovidos pelo solvente são menos expressivos e a nucleofilicidade é explicada pela polarizabilidade no nucleófilo.

Nucleófilos mais “moles”, que possuem nuvens eletrônicas maiores e mais polarizáveis, apresentam uma interação mais efetiva entre o HOMO do nucleófilo e o LUMO do eletrófilo.

Exemplo: Os pares de elétrons do enxofre (3sp3_{) se sobrepõem melhor com o orbital σ* da ligação C-X, do}

que o orbital de menor energia do oxigênio (2sp3_).

Nucleofilicidade de moléculas neutras:

CH

I + CH

O

CH

OCH

+ I

-CH

I +

C

+ I

-CH

H

C

CH

O

C

CH

H

C

CH

O CH

Rápido

Lento

Nucleófilo não impedido Nucleófilo impedido

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Exercício. Qual espécie em cada par seria o nucleófilo mais forte: (a) CH₃CO₂- _{ou CH}

3O- ?

(b) Et₂NH ou H₂O ? (c) (CH₃)₃P ou (CH₃)₃N?

Exercício. Preveja o efeito das mudanças listadas abaixo na velocidade da reação:

a) Troque o substrato de CH₃Cl por CH₃I. b) Troque o nucleófilo de CH₃O- _{por CH}

3S-

2.3. Estrutura e Reatividade da S

2 - O Substrato

Os compostos de alquila metílicos e primários sempre reagem pelo mecanismo de S_N2, e nunca por S_N1, pois os carbocátions são instáveis e porque o nucleófilo encontra um impedimento estérico menor.

Velocidades relativas de reações de vários brometos de alquila com Cl- _{sob condições de S} N2

25 A troca de um hidrogênio por uma metila no carbono ligado ao grupo de partida aumenta a repulsão estérica com o nucléofilo e prejudica a aproximação do mesmo. Esse impedimento estérico aumenta a energia do estado de transição.

Na figura abaixo observa-se que a aproximação do nucleófilo no haleto de alquila terciário está totalmente bloqueada. O estado de transição não é alcançado, e por isso a reação não acontece pelo mecanismo de S_N2.

Estados de transição para cloretos de alquila primários

O aumento da ramificação próximo ao carbono que sofre a substituição S_N2 diminui a reatividade (aumento do impedimento estérico).

Haletos de neopentila são inertes frente a

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Exercício 3. Coloque as moléculas de cada grupo em ordem crescente de reatividade em relação a substituição nucleofílica via mecanismo S_N2.