Química Orgânica I Profa. Dra. Alceni Augusta Werle Profa. Dra. Tania Márcia do Sacramento Melo

Química Orgânica I

Profa. Dra. Alceni Augusta Werle

Profa. Dra. Tania Márcia do Sacramento Melo

Reações de Substituição Nucleofílica em Carbono

R CH₂ Y + Nu Solvente _{R CH2 Nu + Y}

Substrato Produto

Nucleófilo

Grupo

Abandonador

1- Reações de substituição nucleofílica em carbono saturado - Definição

NUCLEÓFILOS E BASES - a diferença fundamental

• NUCLEOFILICIDADE – verificado por parâmetros cinéticos. v = k [substrato]. [Nu] ou v = k [substrato]

• BASICIDADE - parâmetros termodinâmicos.

Todos os Nucleófilos são Bases ? E todas as Bases são Nucleófilos ?

Nota: Uma boa base não é necessariamente um bom nucleófilo, e vice-versa

SN₁ SN₂

Respostas reacionais em função de basicidade e nucleofilicidade Nucleofilicidade = cinética v= k [substrato] [Nu] (SN₂) Bom Nu aumenta k Basicidade = termodinâmica

Base forte desloca o

equilíbrio para os produtos

Ponto de avaliação de velocidade

e nucleofilicidade

Energia de ativação e velocidade (cinética)

Quanto mais rápida : melhor

A Basicidade é determinada aqui Força da ligação E ponto de equilíbrio Menor Energia é melhor

2- Reações de Substituição Nucleofílica Bimolecular

(S_N2) - mecanismo

• Reação ocorre em uma única etapa e a velocidade da reação depende tanto da concentração do substrato quanto do nucleófilo.

v = k [subst.][Nu]

Arranjo Estado de transição Arranjo

tetraédrico Arranjo planar tetraédrico O Nu ataca o OM s* da ligação entre o carbono e o grupo abandonador (Y) Ataque do nucleófilo é sincronizado com a saída do grupo abandonador.

Exemplo: _HO- _{+ CH}

3Cl CH3OH + Cl

-Diagrama de energia livre

Reações de Substituição Nucleofílica Bimolecular (S_N2) - estereoquímica

• Devido ao ataque do Nu pelo orbital molecular antiligante ao grupo abandonador a configuração do carbono reativo do reagente inverte no produto.

Por que a configuração inverte?

O que aconteceria se o Nu atacasse pelo mesmo lado do grupo abandonador? Interação fora de fase C-Nu. Antiligante Interação em fase C-Br Ligante

3- Reações de Substituição Nucleofílica Unimolecular

(S_N1) - mecanismo

• Reação ocorre em duas etapas e a velocidade da reação depende somente da concentração do substrato.

v = k [subst.] Intermediário Carbocátion – Formado na etapa lenta

Exemplo – _(CH

3)3C-Br (CH3)3C-OH + Br

Forma clássica de representação mecanística

Lenta

Rápida

Diagrama de energia livre

Estereoquímica das reações S_N1

A reação ocorre com racemização, mas esta pode não ser total. Por que ocorre racemização?

• Extensão da inversão depende do grupo de partida, estabilidade do carbocátion, qualidade do nucleófilo e do solvente.

• NUNCA pode ocorrer retenção da configuração.

A Estereoquímica de Reações S_N1: Efeito da Solvatação

R X R + X _R Solvente _X R

Solvente

Substrato ìon par intimo íon par intimo íons dissociados separado pelo solvente

4- Aspectos importantes em reações S_N1 e S_N2

4.1- Nucleófilos - importância em reações S_N1 e S_N2

O nucleófilo é importante na reação S_N2. Velocidade S_N2 = K₂ [RY][Nu]

Nucleófilos NÃO são importantes em reações S_N1;

Porque não participam da etapa determinante da velocidade Velocidade S_N1 = K₁ [RY]

Em reações que seguem o mecanismo S_N1 o nucleófilo não participa da velocidade da reação. - Exemplo C Cl CH₃ H₃C CH₃ + OH_(aq.) H₂O C OH CH₃ H₃C CH₃ + Cl_(aq.)

O NUCLEÓFILO IDEAL - Reações S_N2

Avaliando os haletos como possíveis nucleófilos

Raio 1.36 1.81 1.95 2.16 iônico (Ao₎

F- _Cl- Br- I

-Considerando meramente o tamanho o fluoreto deveria ser o melhor nucleófilo.

….. Mas experimentalmente para reações em solução isto não é observado. Veja os dados experimetais!!!!

Velocidade relativa de reações com haletos como nucleófilos

CH

-

Y

+ NaX

CH

-X + Na

Y

Estudo do efeito da solvatação sobre nucleófilos

A interação entre o íon e o solvente é uma interação fraca porém quando

ocorre libera energia. A solvatação

diminui a energia potencial do

nucleófilo diminuindo a sua reatividade.

Raio 1.36 1.81 1.95 2.16 iônico (Ao₎ F- _Cl- _Br- I -- 65 - 75 - 90 - 120 Calor de solvatação em H₂O Kcal/mol X(H₂O)n Solvatação aumenta “n” pequeno “n” grande

Fluoreto Iodeto ...menor camada de solvente ...maior energia potencial, por isso tem maior grau de liberdade

É muito difícil o Nucleófilo fortemente solvatado sair da camada de solvente

Neste contexto, quem é o melhor nucleófilo ?

Conclusão: ions grandes são melhores nucleófilos em solventes próticos

Justificativa para a conclusão anterior

• Em solventes próticos os íons maiores são menos solvatados (menor interação com a camada do solvente), maior Energia Potencial.

• Menor interação com a camada do solvente durante a reação aumenta a Energia potencial.

• Os íons maiores tendem a ser (alguns) mais “polarizáveis”.

Polarizabilidade: propriedade que íons tem de distorcerem a nuvem eletrônica da camada de valência.

Íons grandes: FACIL

Nucleofilicidade e basicidade em um mesmo período

• No mesmo período, as bases mais fortes são melhores Nucleófilos. Por que?

No mesmo período, onde os átomos variam muito pouco de tamanho a solvatação será muito similar.

OH- é melhor Nucleófilo que F Por quê?

Conclusão sobre a nucleofilicade em solventes próticos

Maior solvatação,

Maior superfície de contato, Menor Energia potencial

Nucleofilicidade em solventes apróticos

• Solventes apróticos: não tem OH, NH, ou SH. • Não formam ligação de hidrogênio.

Solventes apróticos solvatam cátions, mas não anions (NUCLEÓFILOS)

O nucleófilo está

“livre” (não solvatado) É pequeno e não

“afetado” pela camada do solvente.

Por que não usar sempre solventes aproticos em S_N2 ?

• Questão de custos: água, etanol, metanol e acetona são muito baratos.

4.2- Estudos dos solventes

Qual o melhor Solvente para S_N1 e S_N2 ?

• S_N1 – melhor solvente = POLAR

• Reações S_N1 preferem solvente polar-prótico pois podem solvatar o ânion e o cátion formado na etapa determinante da velocidade.

• S_N2 melhor solvente = APOLAR OU POLAR-APRÓTICO • Reações S_N2 preferem solvente “apolar”, ou solvente

polar-aprótico pois não solvatam o Nucleófilo.

Quanto menor o Nu, menos solvatado melhor será a vel. da Reação, em solvente apolar ou polar aprótico.

A avaliação dos solventes também pode ser feita com base nas constantes dielétricas – mede o poder

ionizante.

Exemplo: velocidades das reações S_N1 com um mesmo substrato e nucleófilo, variando o solvente.

Solvente Constante dielétrica Velocidade relativa Água 78,0 8000 Metanol 33,0 1000 Etanol 24,0 200 Acetona 21,0 1 Éter etílico 4,3 0,001 Hexano 2,0 < 0,0001

Exemplo: velocidades de uma reações S_N2 com variação do solvente.

Solvente Fórmula Constante Dielétrica

Tipo de solvente

Vel. relativa

Metanol CH₃OH 32,6 Polar prótico 1 Água H₂O 87,5 Polar prótico 7 Dimetil sulfóxido (CH₃)₂S=O 48,5 Polar

aprótico

1300

N,N-Dimetilformamida (CH₃)₂NCH=O 36,5 Polar aprótico 2800 Acetonitrila CH₃C=N 34,5 Polar aprótico 5000 CH3CH2CH2CH2 Br + NaN3 CH3CH2CH2CH2 N N N + NaBr

4.3- Natureza do substrato

Para as reações de S_N é importante analisar a

estrutura do substrato em duas ópticas: Grupo R, Ar ou vinil e grupo abandonador.

• Os grupos R, Ar, vinil e outros afetam tanto as velocidades de S_N2 quanto de S_N1, em cada tipo de mecanismo com aspectos específicos.

• O grupo abandonador afeta tanto as velocidades de S_N2 quanto de S_N1 pois em ambos os tipos de reações deverá formar um espécie estável no meio que se encontra.

Efeitos estruturais em reações do tipo S_N2

Devido a natureza do ET das reações do tipo S_N2, o acesso estérico promovido pela porção ligada ao grupo abandonador tem grande influência (impedimento espacial).

Efeito de grupos vizinhos - O entrosamento dos OM adjacentes pode facilitar o ataque do Nu.

Exemplo: S_N em carbono a carbonila.

O C C Br + Nu _{O C} C Nu + Br a

Exemplos de contribuição de grupos vizinhos na

velocidade de reações do tipo S_N2.

Cloreto de alquila Veloc. relativa Comentário 200 Baixa interação estérica.

0,02 Os dois grupos metil causam um impedimento estérico.

79 Velocidade é acelerada devido a conjugação do sistema p no ET 200

O anel benzênico contribui melhor com a conjugação do sistema p no ET

920

A conjugação com o par de elétrons não ligantes do oxigênio no ET é mais efetiva do que os elétrons de um

sistema p. 100.000

A conjugação com os elétrons p da carbonila é mais efetiva do que de um sistema p. H₃C Cl Cl Cl Cl O Cl O Cl

Efeitos estruturais em reações do tipo S_N1

• Como na etapa lenta das reações do tipo S_N1 ocorre a formação de carbocátion, a estabilidade destes afeta enormemente a velocidade da reação.

• Todo fator estrutural que aumenta a estabilidade do carbocátion provocará aumento da velocidade da reação.

• Quando o aumento da estabilidade ocorrer por assistência de grupo vizinho o fenômeno é chamado de

Fatores que estruturais que aumentam a estabilidade de carbocátions

• Efeito Indutivo (revisar);

• Efeito de Hiperconjugação (revisar); • Efeito de Ressonância (revisar);

C H H H C CH₃ H H C CH₃ H CH₃ C CH₃ H₃C CH₃ V E L O C I D A D E

Efeito de ressonância

O Cl

Cl

V₂ 106 vezes maior do que V₁ H₂O OH v₁ H₂O O OH v₂

Efeito de grupo vizinho PhS Cl S Ph Nu Ph S Nu Cl PhS Cl v₁ v₂

Estrutura do substrato S_N1 x S_N2

• SN2

4.4- Natureza do grupo de partida (grupo abandonador)

• Bons grupos abandonadores (Grupo de Partida –– GP)são aqueles que apresentam estabilidade.

• Este quesito é atendido por espécies neutras e bases fracas.

• Bons grupos de partida contribuem com o aumento da velocidade de reações S_N2 e S_N1. Exemplos: RCH₂ I HO + RCH₂ OH₂+ I RCH₂ Br HO + RCH₂ OH₂+ Br RCH₂ Cl HO + RCH₂ OH₂+ Cl RCH₂ F HO + RCH₂ OH₂+ F 30.000 10.000 200 1 Velocidades relativas

A qualidade do grupo abandor se correlaciona diretamente com estabilidade e esta com basicidade.

• Numa reação S_N2 e S_N1, o grupo retirante começa a adquirir uma carga negativa quando de atinge o estado de transição.

• A estabilização desta carga negativa pelo retirante, contribui para estabilizar o estado de transição (pois diminui a sua energia potencial) e assim diminui a energia de ativação e, por isto, aumenta a velocidade da reação.

• A natureza do grupo abandonador pode determinar reversibilidade de reações

.

• Íons haletos são bons nucleófilos e bons grupo de saída, por isso as reações S_N2 que envolvem estas espécies podem ser reversíveis.

Exemplos:

I _{+ LiCl}

Acetona

Cl _{+ LiI}

Justifique os comportamentos distintos.

Cl + OH

Acetona

H₃C _{H3C OH + Cl}

Estudo de casos

Para os pares de reações S_N2 a seguir:

a) discuta qual apresenta maior velocidade;

b) apresente as respectivas propostas mecanisticas; c) apresente os respectivos diagrama de energia.

Discuta:

a) qual dos haletos de alquila a seguir formam um produto de substituição em uma reação S_N1 que é diferente do produto de substituição em uma reação S_N2 (Nu = hidroxila - S_N2 e água - S_N1 );

b) apresente as respectivas propostas mecanisticas;

c) caso sejam formados estereoisômeros estimar a razão de concentração entre eles;

d) caso sejam formados compostos quirais, determinar a configuração absoluta.

(estereoquimica, rearranjo, conformações adequadas para S_N em compostos cíclicos) H₃C CH₃ Br CH₃ H H CH₃ H CH₃ Cl Cl CH₃ CH₃ H H H CH₃ H H CH₃ Br CH₃ H H₃C H H C CH3 Br Br H H

(

)

H₃C CH₂ CH OH H₃C H₃C OH C OH CH₃ H₃C CH₃ + PCl₃ v₁~ v₂>>>> v₃ Justifique + PCl₃ + PCl₃ v1 v2 v3 Refluxo Refluxo Refluxo

CH O H₃C H₃C + 2 NaBr CH₃ CH Br H₃C H₃C Br CH₃ + H₂O CH O H₃C H₃C + 2 HBr CH₃ CH Br H₃C H₃C Br CH₃ + Muiiiiiiito lenta Rápida CH O H3C CH₃ H₃C + HBr CH O H3C CH₃ H₃C H + Br CH O H3C CH₃ H₃C H Br CH Br H3C H₃C H₂O CH₃ + OH H₃C + _{OH2 + Br} OH₂ C Br H H H Br C H H H + H₂O 1) 2) 3) 4) Justificativa: Proposta mecanística Natureza do grupo abandonador

Qual reação em cada um dos pares ocorrerá mais rapidamente?

Qual dos haletos de alquila a seguir formam um produto de substituição em uma reação S_N1 que é diferente do produto de substituição em uma reação S_N2 ?

Proponha um mecanismo para cada uma das reações a seguir:

Explique por que o haleto de alquila a seguir não sofre uma reação de substituição, mesmo em condições reacionais adequadas.

Como os seguintes éteres poderiam ser preparados com o uso de um haleto de alquila e de um álcool (ou fenol)? Mostre dois caminhos e entre estes, indique o melhor quando for o caso. Apresente o solvente mais adequado para cada situação.

Mostre como o 1-butanol pode ser transformado nas seguintes substâncias (nucleófilo e solvente mais adequado.

Transformações do grupo abandonador – Reações com haletos de fósforo e tosilação ou mesilação.

Qual é o produto quando a substância a seguir é tratada com: a) metóxido de sódio/metanol b) metanol

Qual dos compostos a seguir é de se esperar seja mais reativo frente a uma reação do tipo S_N2?

Explique como ocorre a formação de cada um dos produtos obtidos nas reações mostradas abaixo.

Sistemas trans-decalina são extremamente rígidos, e dificilmente trocam de conformação. Sabe-se que, em anéis de seis membros, epóxidos tendem a sofrer abertura, levando preferencialmente ao produto cis-diaxial. Sabendo disso, qual dos produtos (A ou B) deve ser obtido como produto majoritário na reação mostrada abaixo? Justifique sua resposta.

H H H H H H CH₃ CH₃ O _H H CH₃ CH₃ OH OH H H OH CH₃ CH₃ OH + H2SO4 H2O/Acetona A B

Qual das seguintes reações ocorre mais rapidamente?

Reações ácido base, estereoquímica de reações S_N2, análise conformacional. (H₃C)₃C OH Br (H₃C)₃C OH Br HO Acetona HO Acetona (H₃C)₃C O (H₃C)₃C O OH Br C(CH₃)₃ HO Acetona O C(CH₃)₃