15 Reação de eliminação bimolecular

Base forte Haloalcano

Olefina

+ HB+ X

-15 Reação de eliminação bimolecular

As reações de eliminação promovem a eliminação de átomos do substrato levando a formação de um alceno ou olefina. Este processo pode ocorrer em uma única etapa, e recebe a denominação de eliminação bimolecular ou em mais de uma etapa sucessiva de reação, neste caso recebe a denominação de eliminação unimolecular.

15.1 Processo bimolecular

Neste processo de transformação ocorre a captura do hidrogênio beta por uma base forte. No mesmo instante, o par de elétrons que se acomodaria no carbono é deslocado para formar a ligação pi, que ao se formar, retira o halogênio da estrutura. A captura do hidrogênio beta é o inicio do processo de formação do alceno ou olefina. Vamos observar o processo bimolecular de formação da olefina que envolve três movimentos sincronizados de elétrons. CH₃CH₂Br carbono alfa carbono beta com três hidrogênios beta

Base captura hidrogênio beta anticoplanar ao bromo

β α

Estrutura com três hidrogênios beta. Carbono alfa é o portador de halogênio.

Base1 o 2o 3o Eteno + HBase + Br Bromo é despedido.

No primeiro movimento, a base forte captura um hidrogênio beta anticoplanar ao bromo. O segundo movimento eletrônico refere-se a deslocalização dos elétrons que foram deixados pelo hidrogênio beta na ocasião de sua partida com a base, para a

ligação Cβ - Cα, que recebe este par de elétrons para a formação da ligação pi. Em um terceiro movimento eletrônico, o halogênio é despedido do substrato na forma de íon haleto.

OCH₃

β

β α

1O

1- Primeiro movimento: hidrogênio beta segue com a base deixando o carbono beta com excesso de elétrons.

2o

2-Segundo movimento: o par de elétrons que formava a ligação C_beta-H_beta é deslocado sobre a ligaçãoC_beta-C_alfa, formando a ligação pi.

3o

3-Terceiro movimento: enquanto a ligação pi esta se formando, o bromo é despedido do substrato na forma de ânion brometo.

Propeno + metanol + ânion brometo

O modelo que será mostrado a seguir tem o objetivo de mostrar a dificuldade que será encontrada pela base para a captura do hidrogênio beta localizado em posição sincoplanar ao iodo. O movimento eletrônico será permitido para a captura do hidrogênio beta anticoplanar, pois esta região se encontra livre de tensão estérica (tensão ocasionada pelo tamanho do iodo).

CH₃CHICH₃ -_OCH 3 CH₃CH = CH₂ + CH3OH + I -1O 2O 3O

Observe o deslocamento de elétrons na formação de eteno.

CH₂ CH₂ I H β α OCH₃ 1O 3O 2O CH₂ CH₂

Três movimentos sincronizados de elétrons

Olefina Eteno

HOCH₃ I

Como o processo de eliminação bimolecular ocorre em uma única etapa, a velocidade da reação vai depender da concentração do substrato e da concentração de

base forte utilizada no sistema reacional. Desta forma a equação da lei de velocidade para este mecanismo mostra uma reação de segunda ordem.

V = K.[ SUBSTRATO] . [ BASE]

A figura 15.01 mostra o desenvolvimento de uma reação de eliminação bimolecular através dos orbitais.

Substrato

Base forte

Base captura H_beta Formação da

ligação pi

Saída do cloro

Figura 15.01 Reação E₂ através de orbitais (Vollhardt, 2004).

15.2 Produtos estereosseletivos e regiosseletivos

Quando o haloalcano contiver carbonos betas primários e secundários, teremos a formação de mais de uma olefina, nesta situação ocorrerá à formação de isômeros constitucionais, pelo fato de uma olefina conter ligação pi em carbono primário enquanto que a outra mostrará a ligação pi em carbono secundário.

CH₃ - CH₂ - CH - CH₃ β β α CH₃CHβ ₂CH CHβ ₂ α H Br OH

1o movimento: base captura Hbeta primário 2o 3o CH₃CH₂CH CH₂ 1- Buteno H₂O Br Br C_β secundário C_β primário

2o movimento: deslocamento do par de elétrons 3o movimento: saída do bromo

As olefinas formadas 1-Buteno (pela eliminação inicial de Hbeta primário) e 2-Buteno (pela eliminação inicial de Hbeta secundário) são isômeros constitucionais obtidos em quantidades diferentes, por este motivo, são denominados de produtos

regiosseletivos. O 2-Buteno pode formar dois estereoisômeros, o Cis e o Trans, que se

formam em quantidades diferentes devido o Trans possuir maior estabilidade que o Cis.

CH₃CH H CHCH₃ Br β β α OH 1o

Captura de H_beta secundário 2o

3o

CH₃CH CHCH₃

2-Buteno isômeos Cis e Trans H₂O

Br

Os estereoisomeros Cis e Trans obtidos em quantidades diferentes são denominados de produtos estereosseletivos. Veja novamente a reação, observando a disposição espacial dos estereoisômeros Cis e Trans.

CH₃CH₂CHBrCH₃ NaOH β β β β α α OH a CH3CH2CH CH2 1-Buteno OH b a b + H2O + NaBr CH3 H CH3 H CH3 H CH3 H Cis-2-buteno _{Trans-2-buteno} + H2O + NaBr

Para os mecanismos a seguir, são utilizados haloalcanos primários, secundários e terciários. Vamos analisar a transformação química permitida para cada haloalcano.

CH₂-CH₂-Br H α β B CH₃CH-CH₂-Br Haloalcano primário com carbono beta secundário α β H B CH₃C-CH₂-Br CH₃ H B Haloalcano primário

com carbono beta primário

Haloalcano primário com carbono beta terciário

Haloalcanos primários sempre formarão olefinas terminais (ligação pi no carbono-1), não sendo possível à formação de estereoisômeros Cis-Trans.

C(CH₃)₃

H

H X

I - Haloalcano primário.Ausência de H_beta não ocorre eliminação pois o carbono beta é quarternário.

α β

H H _H H β α α X X β CH(CH₃)₂

CH₂CH₃ I I - Haloalcano primário com dois H_betas secundários

I I I - Haloalcano primário com um Hbeta terciário

I I

I I I

Observe a eliminação inicial de hidrogênio beta secundário por uma base forte na formação do propeno. H H α X β CHCH₃

Haloalcano primário com dois Hbetas secundários. H

H

H

CH3 base

-Olefina obtida é monossubstituída + Hbase + X -H

Propeno

A formação do 2-metilpropeno ocorre com a eliminação inicial de hidrogênio beta terciário por uma base forte. Os dois hidrogênios terminais impossibilitam a formação dos estereoisômeros Cis/trans.

H H β α X C(CH₃)₂

Haloalcano primário com um H_beta terciário.

H

H _CH

3

CH₃

base

Olefina obtida é dissubstituída

+ Hbase + X -H

2-metilpropeno

a)Haloalcano secundário

O haloalcano secundário mais simples é formado com três carbonos, e se trata do 2-Halopropano.Nesta estrutura existe a presença de dois carbonos betas primários impossibilitando a formação de estereoisômeros Cis-Trans, pois o único produto formado é o propeno.

α β

B

β

Haloalcano secundário com carbonos beta primário. H₂C CH CH₃ Br H Br CH₃ H H₃C β β α 2-bromopropano

Br CH3

H H₃C

Haloalcano secundário 2-halopropano presença de dois C_betas primários

β α β base Propeno + H base + Br H H H H₃C

Os haloalcanos secundários formados com quatro carbonos ou mais, podem apresentar em suas estruturas um carbono beta primário, secundário ou terciário, este fato irá permitir dois processos de eliminação E2: um será efetuado com a eliminação inicial de hidrogênio beta primário e o outro com eliminação inicial de hidrogênio beta secundário ou terciário. Na eliminação de hidrogênio beta secundário pode ocorrer a formação de estereoisômeros Cis / Trans.

C(CH₃)₃

H CH₃

X

Haloalcano secundário com diferentes carbonos beta.

H CH3 H CH3 β α

I - Eliminação ocorre em hidrogênio beta primário.Não forma produto Cis / Trans.

α

X X

β

CH(CH₃)₂ CH2CH3

I I - A eliminação ocorre em H_beta primário e H_betasecundário. Forma produtos cis /t rans estereosseletivo e regiosseletivo.

I I I - Eliminação ocorre em H_beta primárioe H_beta terciário. Forma produto regiosseletivo.

α β

β β

β

quaternário _{secundário terciário}

primário

primário

I I I I I I

Desenvolvendo o mecanismo da reação para o haloalcano secundário com carbono beta quaternário e primário. Para este substrato forma-se apenas um produto originado da eliminação de hidrogênio beta primário (figura 15.02).

C(CH₃)₃ H CH3 X α β β quaternário primário CH₂ H CH Br C(CH₃)₃ β β α NaOH H H H C(CH3)3 + HOH + Na Br Figura 15.02. Eliminação em haloalcano secundário com Cbeta quaternário e primário

A reação para halocano secundário portador de carbono beta terciário e primário mostra a formação de mais de um produto (figura 15.03). Um produto é obtido pela eliminação inicial de hidrogênio beta primário enquanto que o outro é resultante da eliminação inicial de hidrogênio beta terciário.

Neste processo forma-se dois isômeros constitucionais (2-metil-2-buteno e 3-metil-2-buteno) obtidos em quantidades diferentes, quando isto acontece dizemos que estamos diante de produtos regiosseletivos. Não se forma estereoisômeros pelo fato do carbono beta terciário estar conectado a dois ligantes iguais (metilas).

CH(CH3)2 H CH3 X α β β Terciário primário CH2 H CH Br C(CH₃)₂ β β α NaOH _H H H CH(CH3)2 a a a a H NaOH b b b CH3 CH3 H CH₃ + HOH + NaBr b (I) (II) (I) (II) = 2-metil-2-buteno = 3-metil-1-buteno

Figura 15.03. Eliminação em haloalcano secundário com Cbeta primário e terciário com ligantes iguais.

Quando haloalcano secundário é portador de carbono beta primário e carbono beta terciário, com ligantes diferentes, forma-se além da olefina terminal os estereisômeros Z e E (figura 15.04). Quando a reação forma estereoisômeros (E, Z) obtidos em quantidades diferentes, dizemos que estamos diante de produtos estereosseletivos. Observe o mecanismo seguindo o movimento a e depois o movimento b. CH H CH3 X α β β Terciário primário CH₂ H CH Br C β β α NaOH H H H CH + HOH + Na Br a a a a H _NaOH b b b b CH₃ C₂H₅ H CH3 HOH + NaBr CH₃ C₂H₅ CH₃ C₂H₅ (Z)-3-metil-2-penteno CH₃ C2H5 H CH₃ CH₃ CH₂CH₃ (E)-3-metil-2-penteno 3-metil-1-penteno

Figura 15.04. Eliminação em haloalcano secundário com Cbeta primário e terciário com ligantes diferentes

Os produtos 3-metil1-penteno e 3-Metil-2-penteno são denominados de produtos

regiosseletivos enquanto o (Z)-3-metil-2-penteno e o (E)-3-metil-2-penteno são

denominados de produtos estereosseletivos. Quando haloalcano secundário contém em sua estrutura carbono beta primário e carbono beta secundário forma-se além da olefina terminal os estereisômeros Z e E. Br CH₂CH₃ H H₃C H₂C CH CH CH3 H Br H β β α

Hidrogênio beta secundário Hβ primário

CH₂ CH CHCH₃ H H Br NaOCH₃ NaOCH3 a a a b b b H CH3 H CH_{3 H} CH₃ H CH₃ H H H CH2CH3 1-buteno a b _{+ CH} 3OH + NaBr (Z)-2-buteno (E)-2-buteno

Figura 15.05. Eliminação em haloalcano secundário com Cbeta primário e secundário.

b)

Haloalcano terciário

α β

B

I I Haloalcano terciário com carbono beta secundário e primário I Haloalcano terciário com carbono beta primário

I I I Haloalcano terciário com carbono beta terciário e primário

I I I I I I H₂C C CH₃ H Br CH₃ H₃C CH CH₃ H Br CH₃ H₃C CH₃ H Br CH₃ CH₃ B B β β β α β α β α β B H₂C C CH₂ H Br CH₃ CH₃ H H CH₃ + HB + Br

Haloalcano terciário com carbono beta primário

H H H₃C H₃C H + Idênticos B I I H₃C CH CH₂ H Br CH₃ B CH₃ H₃C H CH₃ + HB + Br

Haloalcano terciário com carbono beta secundário e primário

H B H C₂H₅ H₃C H +

Isômeros constitucionais: 2-metil-2-buteno e 2-metil-1-buteno Produtos regiosseletivos I I H₃C CH CH₂ H Br CH₃ B CH₃ H₃C H CH₃ + HB + Br

Haloalcano terciário com carbono beta secundário e primário

H B H C₂H₅ H₃C H +

Haloalcano terciário com hidrogênios beta terciário e primário, para este tipo de substrato ocorre também à formação de dois produtos olefínicos: uma olefina com ligação dupla terminal e outra com dupla ligação no carbono dois (figura 15.06).

H3C CH2 H Br CH3 CH3 B β β α H B CH3 H3C H3C CH3 + HB + Br H (H3C)2HC H3C H +

Isômeros constitucionais: 2,3-dimetil-1-buteno e 2,3-dimetil-2-buteno Produtos regiosseletivos

2-bromo-2,3-dimetilbutano

Figura 15.06. Eliminação em haloalcano terciário com Cbeta primário e terciário.

15.3 Produto majoritário

O produto majoritário é aquele que for obtido em maior quantidade em uma reação química. Para um melhor entendimento da formação do produto majoritário, vamos entender o postulado de Hammond e a regra de Zaitsev.

Postulado de Hammond (1921). O estado de transição se assemelha

estruturalmente com a espécie mais estável a ser obtida, pelo fato da energia do estado de transição esta mais próxima do valor de energia da espécie mais estável a ser formada (figura 15.07).

Prod. com maior E menos estável, menor quantidade

ETde menor E Reação mais rápida

Produto com menor E, mais estável, maior quantidade ETde maior E

Reação mais lenta

E

n

er

g

ia

Desenvolvimento da reação CH₂-CH-CH-CH₃ H H Br B B CH₃-CH-CH-CH₃ H B Br CH₃CH=CHCH₃ CH₂-CH-CH₂-CH₃ H B Br CH₂=CHCH₂CH₃

Figura 15.07. Postulado de Hammond na escolha do produto estável.

R

regra de Saitsev. A base captura hidrogênio do carbono beta menos

hidrogenado e leva a formação do alceno mais substituído, portanto o mais estável, que será conhecido como produto majoritário por ser obtido em maior quantidade.

A regra de Saitsev só é aplicada se não houver impedimento espacial no processo de captura do hidrogênio beta.

A estabilidade dos alcenos pode ser medida através do calor de hidrogenação (figura 15.08) ou de combustão.

CH₂CH₂CH₂CH₃ CH2CH2CH CH₂ H₂/Pd -127 KJ/mol CH₃ CH3 H H H2/Pd -125KJ/mol CH3 CH3 H H H_2/Pd -120 KJ/mol Butano

Figura 15.08. Estabilidade dos alcenos medida pelo calor de hidrogenação.

Dois parâmetros químicos devem contribuir para a formação majoritária do alceno menos estável, isto é, do alceno com menor quantidade de substituinte: impedimento espacial de Hbeta e o grande volume da base.

CH₃ H Br CH3 β β -_O CH3 CH3 CH3

Difícil captura do H_beta pela base volumosa

CH3 CH3 CH₃ CH₃ CH3 _{Mais estável, 27%} CH3 H Br CH₃ β _β -_O CH₃ CH₃ CH3

Fácil captura do H_beta primário pela base volumosa

CH3 Menos estável, 73% β H CH3 + HOC(CH3)3 + Br -CH3 CH3 CH3

Produto formado em menor quantidade

Produto formado em maior quantidade

Produto não Saitsev

Note que o impedimento espacial em que se encontra o hidrogênio beta terciário, torna mais difícil sua captura pela base volumosa. Assim a base terá maior preferência em capturar o hidrogênio de carbono beta primário mais hidrogenado, portanto aquele menos impedido. Este processo levará a formação do alceno menos estável como produto majoritário.

A reação a seguir levará a formação de produto Saitsev como sendo o mais estável, pois será realizada com um substrato que possuí hidrogênio beta impedido, porém a base utilizada no processo é forte e de pequeno volume.

CH₃C CCH3 CH₃ Br H CH₃ Haloalcano terciário 2-Bromo-2,3-dimetilbutano -_OC 2H5 CH₃C CCH3 CH₃ Br H CH3 OC2H5

Estado de transição: captura do H_beta terciário mais impedido, com base pouco volumosa

(CH3)2C C(CH3)2 alceno mais estável, 79%

Produto Saitsev CH3C C CH₃ Br H CH₃ Haloalcano terciário 2-Bromo-2,3-dimetilbutano -_OC 2H5 CH₃C C CH3 Br H CH₃ OC2H5

Estado de transição: captura do H_beta primário menos impedido, com base pouco volumosa

(CH₃)₂CH C

alceno menos estável, 21%

CH₂ H CH₂ H CH3 CH2 C₂H₅OH + Br

-15.4 Estereoquímica para reação E

2

Existem duas possibilidades espaciais para o hidrogênio beta e o halogênio: a disposição anticoplanar e sinperiplanar. A posição que permite maior velocidade de reação é a antiperiplanar, pois nesta posição, a base captura o hidrogênio beta com maior rapidez, pois não existe tensão estérica ou bloqueamento espacial entre o halogênio e a base que captura o hidrogênio beta. Esta posição permite a melhor interação entre os orbitais moleculares para a formação da ligação pi. A disposição sinperiplanar é utilizada em moléculas rígidas onde não é possível a disposição antiperiplanar. X H β α H H H H

H_beta antiperiplanar ao halogênio X H H H H H X H H H H H H_beta sinperiplanar ao halogênio X_H β α H H _HH

a)

Haloalcano primário

Br H β α H CH₃ H H CH₃CH₂CH₂Br α β Br H H H H OH NaOH CH₃CH CH₂ H₂O Br H H H H2O Br CH3 _CH 3 + + + + +

Esta reação não promove estereoisômeros Cis / Trans pelo fato do carbono alfa conectado ao halogênio conter dois hidrogênios como ligantes. Esta situação leva a formação de uma olefina com ligantes iguais em um dos carbonos sp2, não sendo, portanto permitida a formação de estereoisômeros Cis/Trans.

b) Haloalcano secundário

O carbono beta secundário possui dois hidrogênios betas que podem assumir posições espaciais diferentes na projeção em cela. Um dos hidrogênios beta forneceu uma projeção de Newman com metilas dispostas em posição anti, enquanto que o segundo hidrogênio beta levou as metilas a uma interação vici, sendo, portanto a projeção de Newmanmenos estável.

Br H β α CH₃ CH_{3 H} H CH₃CH₂CHBrCH₃ α β H CH_{3 H} H OH NaOH H₂O Br H H CH3 CH3 CH₃ β Br 1-Buteno 2-Buteno Cis /Trans Mais estável Trans + + + + H H CH₃ Br CH₃ H Br H CH3 CH3 H H Menos estável OH CH₃ CH₃ H H Cis α β

H H H C₂H₅ H Br OH H H H Br C2H5 H H₂O + Br +

A eliminação de hidrogênio beta primário favorece a formação de uma olefina menos substituída sendo, portanto o produto minoritário (menor quantidade) da reação.

c) Haloalcano terciário

Nesta reação temos a presença de um carbono beta primário e um carbono beta secundário. O mecanismo a seguir mostra dois produtos iguais formados com a eliminação de cada um dos hidrogênios betas, isto aconteceu porque um dos carbonos sp2 tem dois ligantes iguais representados pelas metilas. A reação forma o 2-metil-2-buteno. β α CH3 CH3 CH3 H H X CH3 X CH₃ CH3 H H X CH₃ CH₃ H CH3 H -_OH CH3 H3C H CH₃ X CH3 CH3 H H CH₃ -_OH CH3 CH3 CH3 H + H2O + X

A seguir vamos descobrir o produto formado pela eliminação de hidrogênio beta primário. β α C2H5 CH3 X X CH3 H _H X C₂H₅ H CH₃ -_OH H3C + H2O + X -H H H H C2H5 H H H H C2H5

Essa eliminação levou a formação de uma olefina terminal 2-metil-1-buteno. Agora podemos dizer que o substrato 2- halo-2-metil-butano em presença de base forte formou produtos regiosseletivos, o 2-metil-2-buteno e o 2-metil-1-buteno. O produto formado em maior quantidade é o que representa o alceno mais substituído, portanto, o 2-metil-2-buteno.

A reação que eu vou mostrar agora é um pouco diferente da anterior porque mostra um haloalcano terciário com um carbono beta terciário e outro secundário.

Você já percebeu que este substrato precisa ser tratado com uma base de pequeno volume e a utilizada será o ânion hidróxido.

Essa estrutura, 3-bromo-3,4-dimetilexano, contém um hidrogênio beta terciário, localizado no carbono quatro, difícil de ser capturado pela base, pois ele se encontra envolvido no meio de duas metilas e uma etila, portanto, temos que usar uma base, como já dissemos antes, de pequeno volume.

β α _{CH(CH3)CH2CH3} CH3 H H CH₃ Br 1 2 3 _{4 5 6}

O carbono 2 é um carbono beta secundário

β

O carbono 4 é um carbono beta terciário

Vamos iniciar a reação pelo carbono beta secundário. O primeiro passo é colocar a molécula na posição mais favorável ao ataque da base.

β α _{CH(CH3)CH2CH3} CH₃ H H CH₃ Br 1 2 3 _{4 5 6} β

Torção no carbono 2 do 3-bromo-3,4- dimetilexano

H CH3 H CH(CH₃)CH₂CH₃ Br CH3 H H CH3 CH(CH3)CH2CH3 CH₃ Br

I I - A tensão estérica ou bloqueio espacial é maior na estrutura II I - A tensão estérica ou bloqueio espacial é menor na estrutura I

I

II

A estrutura I mostra menor impedimento espacial ou menor tensão estérica, e participa da reação química com maior velocidade, formando, portanto uma maior quantidade de produto.

A estrutura II apresenta um bloqueio espacial entre o radical s-butila e a metila, essa tensão estérica faz com que a estrutura fique pouco tempo nesta conformação, esse fato, leva a formação de uma quantidade menor de produtos.

β α CH₃ H H CH₃ Br 1 2 3 _{4 5 6} β Torção no carbono 2 H H₃C H CH(CH₃)CH₂CH₃ Br CH₃ H H CH₃ CH(CH₃)CH₂CH₃ CH₃ Br I _II -_OH -_OH CH(CH₃)CH₂CH₃ CH₃ CH3 CH(CH₃)CH₂CH₃ H H CH₃ CH3 CH(CH3)CH2CH3 E Z + H₂O + Br -+ H₂O + Br

-Estereoisômeros E,Z .Produtos estereosseletivos

β

Agora vem a reação que ocorre com captura de hidrogênio beta terciário, perceba que ele se encontra ligado a uma metila e uma etila. A tensão estérica é grande na região ocupada por este hidrogênio e só uma base forte de pequeno volume pode captura-lo. Vamos iniciar o processo reacional, primeiro observando as posições favoráveis para o ataque da base.

α CH3 CH3 Br 1,2 3 4 5,6 β C2H5 H Antiperiplanar Br C2H5 C2H5 CH3 H CH3 C2H5 Sinperiplanar

Neste caso não temos a presença de dois hidrogênios beta que permita a torção para formar as duas formas antiperiplanar, então, só resta a opção de colocar a estrutura em posição antiperiplanar e sinperiplanar. Observe que a posição que leva a uma maior velocidade de reação é a antiperiplanar, pois nesta distribuição espacial, os ligantes do carbono alfa estão em oposição aos ligantes do carbono beta. Como exercício, realize a reação de eliminação no carbono beta primário, o resultado será um alceno com ligaçãpi terminal. α CH3 CH3 Br 1,2 3 4 5,6 β C2H5 H Antiperiplanar C₂H₅ -_OH CH3 C2H5 C₂H₅ CH3 E Br C2H5 CH₃ H CH3 C2H5 Sinperiplanar CH3 C2H5 HO -CH3 C2H5 Z _{+ H} 2O + Br

15.5 Substratos que favorecem produtos SN

2

e E

2

Neste próximo momento, vamos trabalhar com um haloalcano secundário, este substrato permite produtos de eliminação e de substituição. Sendo que o produto de substituição vai ser formado em menor quantidade, pois já estudamos que a velocidade da reação SN2 em haloalcanos secundário é muito lenta, em decorrência do impedimento espacial ocasionado pelos ligantes alquilas conectados no carbono portador de halogênio. Este carbono terá dificuldade de ser atacado pela retaguarda, e assim a velocidade da reação será lenta. A reação de eliminação será, portanto mais favorável e formará uma maior quantidade de produtos.

I CH₃ H CH₃ H H -_NH 2 E₂ SN2 -_NH 2 NH₂ CH₃ H H CH3 H CH₃ Cis ou Z H CH3 I H CH3 H CH₃ H H β α Torção do carbono beta H H _CH 3 I CH_{3 H} -_NH 2 E₂ CH3 CH₃ H H Trans ou E lenta β C₂H₅ I H H H H E₂ C₂H₅ H H H -_NH 2 + I + I + NH₃ + I + NH₃ + I + NH3

O substrato colocado em projeção de Newman em oposição é passado para a projeção em cela, que mostra o hidrogênio e o halogênio em posição antiperiplanar. Esta disposição espacial permite a reação SN2 e E2, sendo que, podemos torcer o carbono beta e colocar o segundo hidrogênio que a ele se encontra ligado, em posição antiperiplanar ao halogênio, isto pode ser executado sempre que o carbono beta contiver dois hidrogênios, pois nesta situação ocorrem duas possibilidades de eliminação uma para cada hidrogênio. Perceba que a projeção de Newman do substrato que foi transferida para cela, já posiciona o sitio reacional para uma reação SN2, pelo fato de permitir o ataque do nucleófilo pela retaguarda no eixo da ligação carbono– halogênio.No momento da conexão do nucleófilo o halogênio abandona o substrato na forma de ânion halogeneto. O produto formado é uma nova função orgânica denominada de amina e se encontra na projeção em cela eclipsada. O carbono do sítio reacional é um carbono quiral, por este motivo, a reação ocorre com inversão de configuração. Prosseguindo o mecanismo, vamos efetuar a eliminação no carbono beta

primário, este mecanismo leva a formação de uma olefina terminal, isto é, um alceno com ligação pi no carbono 1.

I CH3 _H CH3 H H H CH3 I H CH3 H β α

Preparando o substrato para a eliminação em carbono beta primário

H H H α β I H C2H5 β Substrato preparado

Perceba, que o carbono beta primário já esta com um de seus hidrogênios betas em posição antiperiplanar ao iodo, desta forma, o ataque da base amideto, que é o veículo de retirada de Hbeta+,favorece a deslocalização do par de elétrons, utilizados imediatamente na formação da ligação pi que ao se formar despede o iodo do substrato, que se retira na forma deânion iodeto.

H H H α β I H C₂H₅ -NH 2 H H H C₂H₅ 1-buteno + NH₃ + I -E₂

O mecanismo de reação levou a formação de quatro produtos, um de substituição, a 2-butilamina, e três de eliminação, o 1-buteno, o cis-2-buteno e o trans-2-buteno. O 1-buteno e o 2-buteno são considerados produtos regiosseletivos, pelo fato de serem isômeros constitucionais formados em quantidades diferentes.

Nesta reação, o 2-buteno é formado em maior quantidade por ser o mais estável. O cis-2-buteno e o trans-2-buteno são produtos estereosseletivos, pelo fato de serem estereoisômeros formados em quantidades diferentes, neste caso, o trans-2-buteno é formado em maior quantidade por ser o estereoisômero mais estável. Este próximo mecanismo mostra o substrato, 2-cloro-3-metilpentano, em projeção de Fischer. Este substrato é um haloalcano secundário portador de carbonos beta terciário e primário, para este caso, é necessário passar a estrutura da projeção de Fischer para a projeção em cela. CH₃ C2H5 Cl CH₃ H H CH3 C2H5 H H Cl CH₃

O substrato nesta projeção em cela não permite a execução da reação de eliminação bimolecular, pois nenhum dos hidrogênios betas se encontra em posição antiperiplanar ou sinperiplanar ao halogênio, por este motivo, precisamos realizar uma torção na projeção cela, de forma a coloca-la em posição adequada para a reação, que como já aprendemos, é a antiperiplanar por favorecer maior velocidade de reação. Veja a seguir as possíveis posições espaciais da estrutura para a execução das reações SN2 e E2.

CH3 C2H5 Cl CH3 H H _CH 3 C2H5 H H Cl CH3

Torção da estrutura para a colocação do hidrogênio beta terciário e do halogênio, em posição antiperiplanar. Cl CH_{3 H} H C2H5 CH3 Cl H CH3 H CH_{3 C} 2H5 1a possibilidade 2a possibilidade α β β

Forma espacial 1 Forma espacial 2

Vamos trabalhar com a primeira possibilidade, perceba que nas duas disposições espaciais apresentadas, vamos eliminar hidrogênio beta.

CH3 C2H5 Cl CH3 H H CH3 C2H5 H H _CH 3 Cl H H C₂H₅ CH₃ Cl 1a possibilidade -_OH SN₂ OH H3C H₃C H H CH3 C2H5 OH H CH3 C2H5 H H3C CH3 H C2H5 HO H

Possíveis formas do produto SN₂ S

R R

R

Passando para a projeção de Fischer CH3

A primeira possibilidade, no processo SN2, mostrou a inversão de configuração do carbono quiral alfa, observe que no substrato o carbono alfa conectado ao halogênio tem configuração S, após o processo reacional, o mesmo se encontra conectado a hidroxila mostrando agora uma configuração R.

A reação de eliminação bimolecular realizada no substrato em disposição espacial 1, levou a formação da olefina Z. Vamos agora desenvolver o mecanismo.

Cl H H C2H5 CH3 H3C -_OH E₂ H3C H C2H5 CH3 + H2O + Cl -(Z)-3-metil-2-penteno

Hidrogênio beta terciário emposição antiperiplanar ao cloro. Forma espacial 1

Observe, que a segunda possibilidade, forma espacial 2, quando colocada na forma antiperiplanar levou a formação do estereoisômero Z, de onde concluímos que tanto a possibilidade 1 quanto a possibilidade 2, levam ao mesmo produto Z.

E2

Hidrogênio beta terciário emposição antiperiplanar ao cloro. Forma espacial 2

Cl H CH3 H CH3 _C 2H5 2a possibilidade OH CH3 H CH3 C2H5 (Z)-3-metil-2-penteno + H2O + Cl

-Agora vamos descobrir, qual o produto obtido, com o substrato em posição sinperiplanar. Primeiramente, vamos resgatar o substrato cedido em projeção de Fischer, em seguida, passaremos o substrato da projeção de Fischer para a cela sinperiplanar.

CH3 C2H5 Cl CH3 H H CH3 C2H5 H H Cl CH3

Neste momento, o substrato se encontra em cela eclipsada, porém não mostra a posição sinperiplanar entre o hidrogênio e o cloro, então, o próximo passo, é colocar a posição sinperiplanar e em seguida efetuar a eliminação bimolecular.

Cl H CH₃ H CH₃ C₂H₅ OH CH3 H CH₃ H₅C₂ (E)-3-metil-2-penteno + H₂O + Cl -Sinperiplanar CH₃ C₂H₅ Cl CH₃ H H CH₃ C₂H₅ H H Cl CH₃

Passando de Fischer para Cela

E2

Para terminar a reação, falta realizar a eliminação bimolecular com o carbono beta primário, para isso, reescrevemos o substrato (2S,3R)- 2-cloro-3-metilpentano fornecido em projeção de Fischer, em seguida passamos para cela eclipsada, posteriormente, com uma simples torção,colocamos o carbono beta primário portador de três hidrogênios, na posição antiperiplanar .

Agora esta tudo perfeito para o ataque da base que se aproxima e captura o hidrogênio beta na forma de H+. Este movimento favorece a seqüência de deslocalização eletrônica, que termina com a despedida do halogênio na forma de ânion halogeneto. Este processo, como já vimos, leva a formação de olefina terminal.

CH3 C2H5 Cl CH3 H H _CH 3 C2H5 H Cl CH3 β β β β Primário Terciário α α Cl H H C2H5 CH3 H H H β α -_OH + H₂O + Cl -H H 3-metil-1-penteno β C2H5 H CH3 H H

Esta reação levou a formação dos seguintes produtos: os estereoisômeros Z e E do 2-penteno (produtos estereosseletivos), os isômeros constitucionais 3-metil-penteno e 3-metil-1-penteno (produtos regiosseletivos) e o produto de substituição 2-hidróxi-3-metilpentano. Com os três últimos exemplos, foi possível notar, que eliminação bimolecular processada em hidrogênio beta terciário, utiliza ao longo da reação as disposições espaciaisantiperiplanar e sinperiplanar, enquanto que a realizada em hidrogênio beta secundário, é executa somente com a disposição espacial antiperiplanar.

Outro fato curioso foi percebido neste ultimo exemplo, onde a posição sinperiplanar acabou levando ao estereoisômero mais estável (E), o que normalmente não acontece, este fato, feri o sentimento químico que nos impulsiona a pensar que disposição espacial mais estável leva ao produto mais estável. Será que foi a configuração S,R do substrato em Fischer, que provocou a possibilidade da sinperiplanar levar ao estereoisomero E. Para esclarecer esta situação vamos trabalhar o mesmo substrato com a configuração R, R.

CH3 C2H5 Cl CH₃ H H CH3 C₂H₅ Cl H H _CH 3 R R Antiperiplanar Cl CH3 H CH3 H C2H5 CH₃ CH3 C2H5 H + H2O + Cl -E Cl CH3 H H C2H5 CH3 Sinpe riplan ar H CH3 C2H5 CH3 Z -_OH -_OH + H2O + Cl

-A configuração R,R do substrato em Fischer, mostra que a disposição antiperiplanar leva ao estereoisomero E, enquanto que, a sinperiplanar fornece o estereoisomero Z.

Não vamos repetir a eliminação bimolecular com o hidrogênio beta primário, pelo fato de não mostrar nenhuma novidade, e de já ter sido apresentada anteriormente. É, agora ficou bem claro, que a configuração S,R do 2-cloro-3-metilpentano, necessita da disposição sinperiplanar para a obtenção do estereoisomero E, enquanto que a configuração R,R do 2-cloro-3-metilpentano utiliza a disposição antiperiplanar para a obtenção do mesmo estereoisomero. Agora vamos colocar os dois substratos, frente a

frente, para verificar qual apresenta menor tensão estérica, ou ainda, qual apresenta menor bloqueio espacial.

CH₃ C2H5 Cl CH₃ H H CH₃ C2H5 H H Cl CH3 S R CH3 C₂H₅ Cl CH₃ H H CH3 C2H5 H H Cl CH3 R R

Forma treo: cloro e metila voltados para lados opostos.Menor tensão estérica Forma eritro: cloro e metila voltados para o mesmo lado.Maior tensão estérica

Assim, a forma treo, se apresentou como a melhor forma espacial do substrato para a ocorrência da reação, pois, nesta forma temos o menor bloqueio espacial entre os ligantes cloro e metila.

Intermediário

BASE

+

+ HBASE

16 Reação de eliminação unimolecular

16.1

Substrato permitido no processo E

1

A reação de eliminação unimolecular ocorre em substratos que possuem região de retaguarda bloqueada. A reação tem um mecanismo desenvolvido em mais de uma reação sucessiva. A etapa determinante da velocidade da reação é a etapa lenta, nesta etapa forma-se o intermediário carbocátion que pode sofrer rearranjo para um carbocátion mais estável. Os substratos com região de retaguarda bloqueada favorecem reações de substituição e eliminação unimolecular. Estes tipos de mecanismos necessitam de solventes polares próticos para um bom desempenho.

CH₃

CH3 CH3

CH3 CH3

Br Br

H

Haloalcano secundário Haloalcano terciário

Cl Cl

CH3

A reação de eliminação unimolecular perde hidrogênio beta após a formação do carbocátion. A retirada deste hidrogênio acontece com a ajuda de uma base. Dois movimentos sincronizados de elétrons, são necessários para a formação da olefina. No primeiro movimento eletrônico, o par de elétrons da base captura hidrogênio beta ao carbocátion, imediatamente após, ocorre o deslocamento do par de elétrons deixado pelo hidrogênio para o centro catiônico, formando assim a ligação pi.

Base Propeno

Carbocátio isopropila

16.2

Mecanismo de eliminação unimolecular

A reação entre 2-bromo-2,3,4-trimetilpentano e o metanol mostra o mecanismo de eliminação unimolecular em um haloalcano terciário. No processo o metanol terá a função de nucleófilo e de solvente, e por este motivo, a reação é chamada de metanólise.

CH₃-CH-CH-C-Br CH₃ CH₃ CH₃ + CH₃OH

_?

CH₃ 2-bromo-2,3,4-trimetilpentano.

A primeira etapa é a lenta e a determinante da velocidade da reação. Ocorre a formação do intermediário carbocátion.

CH₃-CH-CH-C-Br CH₃ CH₃ CH₃ CH₃-CH-CH-C+ CH₃ CH₃ CH₃ E L + Br -CH3 CH3

A segunda etapa é rápida, e o metanol promove a eliminação de hidrogênio de carbono vicinal ao carbocátion, formando assim as olefinas. Na primeira reação ocorre a e eliminação de H BETA primário, enquanto que na segunda acontece a eliminação do HBETA secundário. CH₃-CH-CH-C+ CH3 H2C-H CH3 CH₃-CH-CH-C CH3 CH2 CH3 CH3 _HOCH CH3 3 + CH₃OH₂ E R CH₃ - CH - C - C+ CH3 CH₃ H₃C CH₃ - CH - C = C CH₃ CH3 H₃C H3C CH3 H HOCH₃ + CH₃OH₂ ER

Nesta reação não aconteceu o processo de rearranjo do carbocátion, pelo fato do carbocátion formado ter sido um carbocátion terciário. Prosseguindo, vamos encontrar os produtos de substituição. CH₃-CH-CH-C-Br CH₃ CH3 CH₃ CH₃-CH-CH-C+ CH₃ CH3 CH₃ E L + Br -CH3 CH3

Na próxima etapa o metanol participa como nucleófilo e faz a conexão no carbocátion terciário.

CH₃-CH-CH-C+ CH3 CH3 CH3 CH₃-CH-CH-C H3C CH3 CH3 CH3 HOCH3 OCH3 H H3C Éter protonado A última etapa é denominada de desprotonação.

CH₃-CH-CH-C H3C CH₃ CH₃ OCH3 H H3C Éter protonado CH₃-CH-CH-C H3C CH3 CH₃ OCH3 H₃C Éter HOCH3 + CH3OH2

Produtos obtidos ao longo do processo.

CH₃-CH-CH-C-Br CH3 CH3 CH3 + CH₃OH CH3 CH₃-CH-CH-C CH3 CH2 CH3 CH3 CH₃-CH-C=CH2 CH3 CH3 H3C H3C + CH3OH2 Produtos regiosseletivos CH3-CH-CH-C H₃C CH3 CH₃ OCH3 H3C + CH3OH2 Produto de substituição é um éter E₁

SN₁

+

A reação a seguir apresenta um substrato quiral de configuração S, que através da reação de solvólise é transformado em duas funções diferentes um álcool e um hidrocarboneto olefínico. CH₂CH₃ CH₃ Br δ _δ δ δ n(H₂O) (H₂O)n n(H₂O) Br(H₂O)n CH₃ CH₂CH₃

Substrato e solvente Estado de transição

H H

S

n(H₂O) (OH₂)n

CH3

Intermediário carbocátion solvatado Br -H CH₂CH₃ H CH2CH3 CH2 E1 1-Buteno Eliminação de hidrogênio primário

n(H₂O) (OH₂)n CH3 CH₃ CH₃ H₂O Intermediário solvatado

Produtos de substituição mistura racêmica Br

-O

H H H CH₂CH₃ H H CH2CH3 R S CH2CH3 SN1 Produtos de eliminação Formas E e Z do 2-Buteno Eliminação de hidrogênio secundário E1 H CH₃ H CH_{3 H} CH₃ H CH₃ Z E

Este mecanismo formou produtos de eliminação regiosseletivos e estereosseletivos.

16.3

Eliminação e substituição em sistemas cíclicos

A eliminação e substituição em sistemas cíclicos podem fornecer um único produto de reação. Areação a seguir ilustra o que foi mencionado.

Br H H + EtOH

?

Br H H H H + Br -E L

Depois de formado o carbocátion, o etanol executa o processo de eliminação de hidrogênio beta ao carbocátion, levando a formação do ciclopentadieno. Neste caso os hidrogênios eliminados são equivalentes e forma-se único produto.

H H HOEt HOEt produtos iguais + EtOH₂

H H HOE t OE t H ER Produto de substituição

16.4

E

1

e SN

1

em sistemas cíclicos com rearranjo

Desenvolvimento do mecanismo de reação a seguir, mostra a formação dos produtos de eliminação e substituição unimolecular, em um processo de solvólise do substrato 2-cloro-1,1-dimetilcicloexano.

CH3

CH3

Cl

+ H₂O

?

Na primeira etapa ocorre a formação do carbocátion, que dará origem aos produtos de eliminação e substituição unimolecular.

CH3 CH3 Cl CH3 CH3 EL + Cl

-Na segunda etapa, será efetuado o processo de rearranjo do carbocátion, que passará de secundário para terciário.

CH3

CH3

CH3

CH3

Carbocátion secundário Carbocátion terciário

Após a formação dos carbocátions, será realizado o processo de formação dos produtos de substituição e eliminação.

CH3 CH3 CH3 CH₃ CH3 CH3 CH₃ CH3 O H H O O H H O H H H H E R E R

Na execução dos produtos de substituição a água terá a função de nucleófilo enquanto que na formação dos produtos de eliminação terá a função de base capturando hidrogênio ionizável.Na formação dos produtos de substituição, a água efetua a conexão no carbocátion através de um dos pares de elétrons não ligantes do oxigênio. Esse par de elétrons efetua a ligação química no carbono catiônico, deixando como conseqüência, o oxigênio catiônico. Esses produtos recebem a denominação de álcool protonado. Na última etapa do mecanismo ocorre a desprotonação do álcool.

CH3 CH3 CH3 CH3 O O H H CH3 CH3 CH3 CH3 O H H O O H H O H H H H + H₃O + H₃O

Bom, agora vamos descobrir os produtos de eliminação.

CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 H H O O H H E R H CH3 H H O H H E R + + H3O CH3 CH₃ + H₃O

16.5

Questões resolvidas

1- Desenvolver o mecanismo para as reações abaixo e explicar porque nos dois casos a reação de substituição procede lentamente. Colocar o produto SN2 em projeção de Newman estrelada. I CH3 CH3 CH₃ H _H Na OCH3 HOCH3 ? ?

Vamos começar analisando um substrato que mostra um carbono beta conectado a três metilas que ocasionam uma grande tensão estérica na região de retaguarda do carbono alfa, isto vai retardar a velocidade da reação SN2. Quanto mais impedida estiver a região de retaguarda, mais difícil será a conexão do nucleófilo no carbono alfa, e menor será a velocidade de reação. O carbono alfa é aquele conectado diretamente ao halogênio, enquanto que o beta é o vicinal.A possibilidade de reação de eliminação bimolecular é descartada devido à ausência de hidrogênio beta.

I CH₃

CH3

CH₃

H _H

A região de retaguarda é diminuída pela presença das metilas. Nucleófilo terá dificuldade de fazer o ataque pela retaguarda.

β α

Ausência de hidrogênio beta não permite a ocorrência da eliminação bimolecular

A substituição unimolecular ocorrerá com baixa velocidade por levar primeiramente a formação de um carbocátion primário, de baixa estabilidade, que ao se formar passa pelo processo de rearranjo se transformando em um terciário mais estável. Os carbocátions formados reagem com o nucleófilo formando produtos de substituiçãoe eliminação.

A velocidade da reação de substituição unimolecular será tanto maior, quanto maior for a estabilidade do carbocátion a ser formado, como o primeiro carbocátion foi primário de baixa estabilidade, a velocidade da reação será lenta.

O primeiro mecanismo apresentado será o de substituição nucleofílica bimolecular. É um processo que ocorre em uma única etapa e sendo assim, a velocidade da reação depende da concentração do nucleófilo e da concentração do substrato. Nucleófilo forte favorece a velocidade da reação.

Substrato com região de retaguarda bloqueada favorece uma menor velocidade de reação.

I CH3 CH3 CH3 H _H β α

Substrato na cela estrelada (menor energia). Retaguarda bloqueada e o ataque é difícil para o nucleófilo.

-_OCH 3 OCH₃ I H _H CH₃ CH₃ CH₃

Estado de transição com alta energia de ativação. Baixa será a velocidade de reação. OCH₃ H H CH3 CH3 CH₃ Na Torção OCH3 H H CH3 CH3 CH3 OCH3 H H CH₃ CH₃ CH₃

Produto em cela coincidência (maior energia). A torção coloca o produto em uma conformação de menor energia (cela oposição).

Substrato

Estado de transição

Produto

O processo de substituição unimolecular ocorrerá lentamente, pois este substrato proporciona primeiro a formação de um carbocátion primário de baixa estabilidade.

CH₃

CH3 CH3 I

H H

Aqui se encontra a região do sítio reacional. Região que permite a transformação do substrato

C(CH₃)₃CH₂I

Iodo para baixo

Região de retaguarda com bloqueio dificuldade de conexão para o nucleófilo no processo SN₂

Carbono beta com três metilas: duas voltadas para baixo e uma voltada para cima. A região de maior densidade eletrônica esta no iodo, enquanto que, a de menor densidade eletrônica esta no carbono alfa.

I H H C CH3 CH3 CH3 Região de retaguarda β α

O metanol por ser polar, vai ajudar no isolamento das cargas contrárias favorecendo a formação do carbocátion. Este processo ocorre na etapa lenta do mecanismo.

Mecanismo SN1

I

H H

Primeira etapa: formação do carbocátion

H

Iδ

δ

I - Substrato em cela oposição ;

I I - Estado de transição envolvidopor moléculas de metanol;

+ I -H3C H H3C H3C H3C H3C H3C _H 3C H3C H3C H H MeOH MeO H H OMe OMe H MeOH HOMe I I MeO H I I I I

I I I - Carbocátion simétricamente envolvido por moléculas de metanol.

Este carbocátion não permite eliminação unimolecular, pois temos ausência de hidrogênio beta na estrutura. Como se trata de um carbocátion primário vicinal a carbono quaternário, sofrerá rearranjo através da migração de carbânion metila, formando assim, um carbocátion terciário mais estável.

H H3C H H3C H3C CH3 H3C H3C H H MeO H H OMe OMe H I V MeOH H I I I

Carbocátion primário Carbocátion terciário Processo de rearranjo do carbocátion

O carbono catiônico é sp2 e, portanto portador de orbital p vazio, isto lhe confere característica ácida, o que o torna pronto para receber a metila com seu par de elétrons. Assim ocorre a migração da metila na forma de carbânion, isto é, na forma de base de Lewis. H H3C H H3C H3C H Carbocátion primário H O CH₃ a H3C H3C H3C H H H O CH₃ OCH₃ H H3C H3C H3C H OCH3 H H b b a

CH3 H3C H3C H H Carbocátion terciário H OCH₃ a a CH3OH H H H CH3 H3C H3C OCH₃ b b HOCH₃ H3C _CH 3 CH3 H H

Conexão do nucleófilo no carbocátion terciário

A próxima etapa é uma etapa de desprotonação do éter formado através de uma reação ácido-base. A base captura o hidrogênio ionizável, este abandona a estrutura deixando o par de elétrons, que imediatamente é devolvido ao oxigênio.

H₃C H₃C H3C H H H - O - CH3 H₃C H₃C H₃C H - OCH3 H H CH3 - O - H H3C H3C H₃C H H OCH3 H3C H₃C H3C _OCH 3 H H CH3 - O - H + CH3OH2 + CH3OH2 Desprotonação do 2,2-dimetil-1-metóxipropano CH3 - O H H CH3 H3C H3C CH3O H H CH3 H3C H3C CH3 - O - H H Desprotonação do 2-metil-2-metóxi-butano + CH3OH2 H - O - CH₃ H3C CH3 CH3 H H OCH3 H3C CH3 CH3 H H H - O - CH₃ + CH₃OH₂

2-Desenvolver o mecanismo de eliminação bimolecular, para o 3-cloro-4-metilexano, nas formas eritro e treo, com o reagente metóxido de sódio. Em seguida analise cada mecanismo e descubra qual dos substratos reage mais rapidamente.

C₂H₅ C₂H₅ C₂H₅ C₂H₅ Cl Cl H₃C CH₃ H H H H (eritro)-3-cloro-4-metilexano (treo)-3-cloro-4-metilexano + NaOCH3 + NaOCH₃ ? ? Região de maior impedimento estérico por conter metila e cloro

para o mesmo lado da molécula

Desenvolvimento do mecanismo bimolecular para forma eritro. Primeiro procedimento é passar a estrutura da projeção de Fischer para a projeção em cela. Posteriormente colocar a projeção em cela em posição anti, obedecendo a disposição antiperiplanar para o Hbeta e o cloro. A eliminação será efetuada primeiro no carbono beta terciário e posteriormente no carbono beta secundário.

C2H5 C₂H₅ Cl CH3 H H

O (eritro)-3-cloro-4-metilexano em projeção de Fischer será colocado em projeção em Cela eclipsada, em projeção de Newman e Cela estrelada.

C₂H₅

C₂H₅

Cl H

H CH3

Projeção em cela eclipsada

C2H5

Cl H

H5C2

H H3C

Região de maior impedimento estérico

Região de maior impedimento estérico Projeção de Newman eclipsada

β α α β Cl H C₂H₅ H CH3 _C 2H5

Projeção em cela em oposição H e Cl em posição antiperiplanar

O substrato já foi preparado para a eliminação bimolecular. A base forte se aproxima do substrato e captura o hidrogênio beta terciário, que abandona a estrutura na forma de H+ em companhia da base. O par de elétrons deixado pelo hidrogênio imediatamente se desloca para os carbonos Calfa-Cbeta, formando a ligação pi, que promove a saída do cloro na forma de ânion cloreto.

β α α β Cl H C2H5 H CH3 C2H5

Projeção em cela estrelada Antiperiplanar -_OCH 3 H OCH3 Cl C2H5 C2H5 CH3 H Cl H _C 2H5 C2H5 H H3C Estado de transição C2H5 C2H5 H CH3 Estereoisômero Z de maior energia Região de maior impedimento estérico

β α _α β Cl H _C2H5 H CH3 C2H5 Projeção em cela em coincidência Sinperiplanar -_OCH 3 H CH3O Cl C2H5 H5C2 CH3 H Cl C2H5 Estado de transição C2H5 C2H5 H CH3 Estereoisômero E de menor energia H H C2H5 H3C Projeção de Newman eclipsada

Dando continuidade, vamos desenvolver o mecanismo de eliminação bimolecular no carbono beta secundário. Este carbono possui dois hidrogênios betas, sendo assim, teremos a possibilidade de efetuar duas disposições antiperiplanar, uma para cada hidrogênio. O primeiro passo é visualizar os hidrogênios em carbono beta secundário, sendo assim, vamos colocar a estrutura em projeção de Fischer.

C2H5 H CH₃ Cl H H H CH3 β β

C- 4 é um carbono beta terciário.

α 1 2 3 4 5

C- 2 é um carbono beta secundário.

Agora que localizamos o carbono beta secundário, vamos colocar a projeção em cela, de tal forma, que fique evidente o carbono beta secundário e o carbono alfa, desta forma, o carbono beta terciário passará a fazer parte do radical C4H9.

C2H5 H CH₃ Cl H H H CH3 β β α CH3 H H H Cl C4H9 C4H9 α β

Substrato pronto para eliminação bimolecular Eliminação em carbono beta secundário

O substrato que se encontra definido para a eliminação bimolecular, será passado para a projeção em cela e posteriormente para uma cela estrelada que permita o hidrogênio beta e cloro em posição antiperiplanar.

CH3 C4H9 H H Cl H CH3 C₄H₉ H H H Cl α β β α

Projeção de Fischer Projeção em Cela eclipsada

H

H CH₃

Cl

C4H9 _H

Projeção em cela estrelada, comHbeta e

cloro em posição antiperiplanar

A posição antiperiplanar, como já foi dito, favorece uma maior velocidade de reação, por permitir que os ligantes volumosos fiquem afastados um do outro.

β α H H CH3 Cl H9C4 H Na O C H₃ CH3 C₄H₉ H H Estereoisômero E H H CH3 Cl H H₉C₄ + H O C H₃ + HC l

O primeiro estereoisômero foi obtido com sucesso. Para a obtenção do segundo estereoisômero, devemos colocar o segundo hidrogênio beta, que na estrutura se encontra em negrito, em posição antiperiplanar.

β α H H CH₃ Cl H₉C_{4 H} Na O C H₃ CH₃ C4H9 H H Estereoisômero Z H H CH₃ Cl H H₉C₄ + H O C H₃ + HC l

Prosseguindo, vamos fazer o desenvolvimento do mecanismo bimolecular para forma treo.Esta forma apresenta os ligantes metila e cloro em lados opostos da molécula, o que ocasiona maior estabilidade para a molécula.

C₂H₅ C₂H₅ Cl CH3 H H (treo)-3-cloro-4-metilexano + NaOCH₃ ? C₂H₅ C₂H₅ Cl _H H CH₃ Projeção em cela eclipsada C₂H₅ Cl H H5C2 H H3C

Projeção de Newman eclipsada

β α α β Cl H C2H5 H CH₃ C2H5

Projeção em cela em oposição

Antiperiplanar

O procedimento para a execução do mecanismo tem início com a passagem da estrutura que se encontra em projeção de Fischer para a projeção em cela. Em seguida a projeção em cela eclipsada é torcida e transformada para a cela estrelada, obedecendo à

disposição antiperiplanar para o Hbeta e o cloro. A eliminação será efetuada primeiro no carbono beta terciário e posteriormente no carbono beta secundário.

α β C l H C₂H₅ H CH₃ C₂H₅

Projeção em cela estrelada Antiperiplanar C l C2H5 H CH₃ H C2H5 Na OCH3 C₂H₅ H CH3 C₂H₅ Estereoisômero E + HOCH₃ +Na C l

A forma eritro quando colocado na posição antiperiplanar favorece um produto Z na eliminação bimolecular, enquanto que, a forma treo, que apresenta na projeção de Fischer os ligantes cloro e metila voltados para lados opostos, quando em posição antiperiplanar, permite a formação do estereoisômero E, assim, o substrato mais estável (treo) levou a formação do produto mais estável (E). Sabemos que a posição antiperiplanar na eliminação bimolecular, permite a maior velocidade de reação para a maioria das estruturas. Para moléculas rígidas a reação de eliminação bimolecular ocorre na forma sinperiplanar.

β α Cl H C₂H₅ H CH₃ C2H5

Projeção em cela eclipsada Sinperiplanar -_OCH 3 Cl C₂H₅ C₂H₅ C₂H₅ H CH₃ Estereoisômero Z de maior energia H H C2H5 H3C Projeção de Newman eclipsada + HOCH3 + NaCl

Continuando o mecanismo, será efetuada a eliminação no hidrogênio beta

secundário. Primeiramente vamos visualizar os hidrogênios beta na projeção de Fischer.

C₂H₅ C2H5 Cl CH3 H H (treo)-3-cloro-4-metilexano β α C2H5 H CH3 Cl H H H CH₃ C2H5 β

Carbono beta secundário

Carbono beta secundário

Em seguida vamos passar da projeção de Fischer para projeção em cela e posteriormente desenvolver o mecanismo.

β α C2H5 H CH3 Cl H H H CH3 C₂H₅ β

Carbono beta secundário

Carbono beta secundário

CH₃ H H Cl H CHCH3 C₂H₅

Observe que a projeção em cela mostra dois hidrogênios em posição beta e, portanto se torna necessário à eliminação de um hidrogênio de cada vez.

β α β CH₃ H H Cl H CHCH₃ C2H5 H CH₃ H C4H9 C4H9 H Cl H H CH3 C4H9 H Cl

Posição antiperiplanar Posição antiperiplanar

Eliminação do primeiro hidrogênio beta.

α β H CH3 H C4H9 Cl H Posição antiperiplanar OCH3 CH3 H H C4H9 Estereoisômero E + CH3O H + C l

Eliminação do primeiro hidrogênio beta.

α β H H H CH₃ C4H9 Cl Posição antiperiplanar OCH3 H CH3 C₄H₉ H Estereoisômero Z + CH3O H + C l

3- Para cada par de reações, faça uma estimativa para a velocidade de obtenção dos produtos. Justifique sua escolha.

H H H Cl + NaOCH3 CH3O H H H + NaCl a) H H H Cl + HOCH3 CH3O H H H + HCl b)

O substrato é favorável para a reação, pelo fato de apresentar uma região de retaguarda livre de impedimento espacial. O grupo retirante faz parte do substrato e é igual nas duas reações, então, este fator não será decisivo na análise da velocidade das reações. A diferença entre as duas reações se encontra no nucleófilo, assim, na primeira reação, a base forte ânion metóxi promove uma conexão pela retaguarda de forma mais eficaz com o substrato, por apresentar uma região de densidade eletrônica máxima sobre o oxigênio.Na segunda reação o nucleófilo metanol é uma base mais fraca que o ânion metóxi, e sendo assim, terá uma região de densidade eletrônica menor sobre o oxigênio tornando a conexão na zona de retaguarda do substrato menos eficaz.

A conexão na retaguarda do substrato será realizada pelo par de elétrons não-ligantes do oxigênio presente na estrutura do metanol, desta forma, uma carga positiva será centrada no oxigênio, favorecendo um estado de transição com duas cargas positivas próximas, esta ocorrência de cargas de mesmo sinal aumenta a energia do estado de transição, e diminui a velocidade de reação.

CH3O CH3O H Cl Cl δ δ δ δ δ H _H H H _H H

I - Estado de transição de menor energia. Maior velocidade de reação Nucleófilo metóxi / base forte

I I - Estado de transição de maior energia. A carga positiva no oxigênio aumenta a energia. Menor velocidade de reação

Nucleófilo metanol / base fraca

I _{I I}

Assim, concluímos, que na ausência de solventes, o melhor nucleófilo para o processo de substituição bimolecular, é a base forte, pelo fato de favorecer um estado de transição que permite a proximidade de cargas oposta, enquanto que a base fraca metanol favorece um estado de transição com proximidade de cargas positivas, sendo portanto, de maior energia.

I H CH3 H Na OCH₃ CH3 H H OCH3 Na I c) C l H CH3 H Na OCH3 CH3 H H OCH₃ NaC l d)

Esta situação relaciona a velocidade da reação com a velocidade de retirada do

grupo despedido. Na primeira reação o grupo retirante é o iodo, é o halogênio de maior

tamanho, portanto, o mais volumoso, e por apresentar essas características necessita de um comprimento de ligação maior (2,14 A0), estando assim, mais fracamente ligado ao carbono. Este maior comprimento de ligação apresentado pelo iodo, quando comparado aos outros halogênios, favorece uma menor força de ligação(239 kJ/mol). Esses fatores permitem ao iodo sair mais rapidamente do substrato no momento da conexão do nucleófilo no sítio reacional (região de retaguarda), proporcionando uma maior velocidade de reação.

Na segunda reação, o cloro apresentar um valor de 1 ,78 A0 para comprimento da ligação carbono-cloro e uma força de ligação de 350 kJ/mol. Esses parâmetros contribuem para uma retirada lenta do cloro do substrato, assim, o cloro como grupo retirante ocasiona um decréscimo na velocidade da reação quando comparado com o iodo.

4-

Desenvolver o mecanismo de eliminação bimolecular para a reação.

Cl

CH₃ + Na OCH3

O substrato 1-cloro-2-metilcicloexano se encontra em sua conformação mais estável, com ausência de interação 1,3-diaxial, no entanto, para o desenvolvimento do mecanismo de eliminação bimolecula, o hidrogênio beta e o cloro precisam se localizar em posição antiperiplanar, esta exigência, faz com que a molécula passe para a posição de mais alta energia, portanto menos estável.

Cl CH₃ Cl CH₃ H β α Substrato em conformação mais estável Substrato em conformação menos estável

A disposição espacial antiperiplanar permite a eliminação de um único hidrogênio beta, pois o outro que se encontra ligado ao carbono metilado e em posição equatorial não permite a eliminação bimolecular por não se encontrar em posição adequada para a reação.

Cl CH3 H β α Substrato em conformação menos estável Na OCH3 H Cl Na OCH3 CH₃ + HOCH3 + NaCl CH3 H

5- Desenvolver o mecanismo de solvólise para a reação.

H H H H H H H _Br HOH δ δ

Neste mecanismo a água será tanto nucleófilo quanto solvente. Como solvente ajudará na separação das cargas formadoras do dipolo elétrico do substrato, favorecendo a formação mais rápida do carbocátion intermediário. O nucleófilo fará a conexão no carbocátion gerado dando origem a um álcool protonado. Este nucleófilo, também pode eliminar um hidrogênio beta e formar produtos olefínicos. Agora vamos analisar cada etapa do mecanismo.

Primeira etapa: formação do carbocátion intermediário.

H H H H H H H _Br δ δ (OH₂)_n (H2O)n (OH2)n (OH2)n H H H H H H H E L

Carbocátion simetricamente solvatado

O carbocátion formado, nesta etapa, pode sofrer dois tipos de rearranjos: o primeiro ocorre com a migração de hidreto do carbono terciário para o carbono catiônico secundário, formando um carbocátion terciário mais estável. O segundo ocorre com a migração de elétrons sigma do anel de quatro carbonos para o carbono secundário catiônico, formando o anel de cinco carbonos de maior estabilidade.

(OH2)n (OH2)n H Carbocátion simetricamente solvatado a b a b Carbocátion terciário CH3 H

Carbocátion em anel com cinco carbonos

Na terceira etapa, os carbocátions através de um processo exotérmico formarão produtos de substituição após a conexão com o nucleófilo. Os produtos de substituição serão álcoois protonados.

H CH₃ H HOH HOH HOH H CH₃ H HOH HOH HOH

Os álcoois protonados serão desprotonados por qualquer base presente no meio reacional, no mecanismo sugerido foi utilizado o ânion brometo que por ser uma base Lewis, captura um dos hidrogênios do álcool protonado levando a formação do álcool e ácido bromídrico. H HO/ H Br H OH + HBr CH3 OH Br / H OH + HBr