QUIMICA ORGÂNICA BÁSICA
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Prof. Hugo Braibante-UFSM QUIMICA ORGÂNICA BÁSICA Reações Substituição Nucleofílica Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFILICA TERMINOLOGIA http://atom.chem.wwu.edu/pavia/352pavia.html Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM REAÇÕES DE SUBSTITUIÇÃO Um grupo substitui outro. Y + R R X Y substitui X ( Substituição ) Y “desloca ” X Y + X Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM DESLOCAMENTO NUCLEOFÍLICO Leaving Group (LG) Substrato - Nu: Nucleófilo + R X Leaving-group R Nu + Produto o Nucleófilo “desloca ” o leaving group. Esta é uma reação de “substituição” : Nu substitui o X . :X - Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM IMPORTANTE: Esta é uma reação em Carbono sp3 (tetraédrico). sp3 sp2 C sim sp C C X C C X X X não Compostos que tem Carbono sp2 ou sp geralmente Não sofre reação de substituição nucleofílica. ….. Na realidade em alguns casos eles reagem, mas discutiremos em outras ocasiões. Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM EXEMPLO 1 * NaI + CH3 Br solúvel acetona acetone CH3 I + NaBr (s) insolúvel Iodeto desloca o brometo ligado ao carbono * NaI é solúvel em acetona, NaCl e NaBr não são. Reação de Substituição E1 Prof. Hugo Braibante-UFSM compete EXEMPLO 2 CH3 H3C C Cl + 2 H2O CH3 CH3 H3C C OH + H3O+ + ClCH3 solvólise do cloreto de t-butila em água água desloca o cloreto ligado ao carbono * O próton é removido por uma segunda molécula de água. Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM REAÇÕES DE DESLOCAMENTO REAÇÕES DE SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA ( substituição no carbono ) Pode ser comparado a ….. REAÇÕES ACIDO-BASE ( substituição do hidrogênio ) Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM DESLOCAMENTO NO CARBONO - Nu: + Nucleófilo R X substrato R Nu + :X - leaving group produto DESLOCAMENTO NO HIDROGENIO - B: base + H X B H ácido ácido conjugado + :X - base conjugada Prof. Hugo Braibante-UFSM ESTAS REAÇÕES TÊM UMA AMPLA GAMA DE SUBSTRATOS Reação de Substituição Leaving Group SUBSTRATOS ( Leaving group) Haletos de Alquila Álcoois R OH R Cl + R O H H R Br R Prof. Hugo Braibante-UFSM Álcool requer meio ácido Álcool protonado o LG será H2O bom LG I tosilatos ABREVIAÇÃO O R O S O R O Ts CH3 p-toluenesulfonato de alquila Reação de Substituição Nucleófilos Prof. Hugo Braibante-UFSM UMA AMPLA SELEÇÃO DE NUCLEÓFILOS TORNA POSSÍVEL A SÍNTESE DE MUITOS TIPOS DE COMPOSTOS ORGÂNICOS: R-Y + Nu R-Nu + Y Nucleófilos Produto Classe Cl-,Br-,I- R OH- R OH álcoois RO - R O R‘ éteres R C N O nitrilas C N - O R' C O - haletos de Alquila X R' C ésteres O R R' C C:- R' C C R alcinos SH- R SH tióis Reação de Substituição Nucleófilos H O Prof. Hugo Braibante-UFSM + H O R + Br - + R Br H H Em algumas circunstâncias a água irá reagir. O H H H O R + H3O + + Br Nucleófilos Produtos - Função álcool Éteres H O H R O H R‘ O H R‘ O R NH3 R NH2 Aminas 1ª R' Aminas 2ª R' NH2 NH R Reação de Substituição Nucleófilos Prof. Hugo Braibante-UFSM REAÇÕES “Similares” RBr + NaOH ROH + NaBr Duas reações a seguir... Ambas parecem ser idênticas e seguem o padrão geral mostrado acima. No entanto, elas são diferentes! Reação de Substituição Nucleófilos RBr + NaOH 1) ROH + NaBr CH3 Br + NaOH etanol 80% ethanol - CH3 OH + Br 20% water água 55oC velocidade = k2 [RBr] [NaOH] 2) CH3 H3C C Br + NaOH CH3 Prof. Hugo Braibante-UFSM etanol 80% ethanol água 20% water 55oC v = k1 [RBr] alta conc. NaOH CH3 - H3C C OH + Br CH3 ( + alceno E1,E2 ) baixa conc. NaOH Reação de Substituição Nucleófilos Prof. Hugo Braibante-UFSM Observe esse substrato na reação 1 não tem nenhum hidrogênios-b... Por que não? CH3 Br + NaOH 80% ethanol 20% water CH3 OH Prof. Hugo Braibante-UFSM REAÇÃO 1 REAÇÃO SN2 Reação de Substituição Nucleófilos CH3 Br + NaOH etanol 80% ethanol água 20% water 55oC Prof. Hugo Braibante-UFSM - CH3 OH + Br velocidade = k2 [RBr] [NaOH] k2 = 0.022 litros/mol-seg H O CH3 bimolecular concertada Br etanol 80% ethanol água 20% water SN2 CH3 OH + Br substituição Nucleofílica bimolecular Reação de Substituição Estado Transição Prof. Hugo Braibante-UFSM Reação Concertada (uma etapa) Estado de transição [ET] E N E R G I A Ea substrato DH produto SN2 Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM Exemplo 2 A REAÇÃO SN1 Reação de Substituição SN1 CH3 CH3 H3C C Br + NaOH CH3 Prof. Hugo Braibante-UFSM 80% ethanol 20% water água - H3C C OH + Br 55oC CH3 velocidade = k1 [RBr] k1 = 0.010 CH3 H3C C Br + NaOH CH3 etanol 80% ethanol 20% water água lento O H H3C CH3 C+ CH3 + Br rápido CH3 H3C C OH + Br CH3 litro/mol-seg. unimolecular duas etapas SN1 substituição Nucleofílica unimolecular Reação de Substituição SN1 E N E R G I A Prof. Hugo Braibante-UFSM carbocátion intermediário TS1 SN1 TS2 Ea2 Ea1 Material partida etapa 1 etapa 2 DH produto Reação de Substituição SN1 Prof. Hugo Braibante-UFSM REAÇÃO EM 2 ETAPAS carbocátion E N E R G I A intermediário ET1 SN1 ET2 Ea1 Ea2 substrato DH etapa 1 etapa 2 produto Reação de Substituição Nucleofílica Prof. Hugo Braibante-UFSM Sinopse das Reações de Substituição SN1 / SN2 REVISÃO Prof. Hugo Braibante-UFSM RBr + NaOH ROH + NaBr Duas reações semelhantes 1) Primeiro Caso CH3 Br + NaOH etanol 80% ethanol água 20% water - CH3 OH + Br 55oC CMetílico SN2 velocidade = k2 [RBr] [NaOH] REVISÃO Prof. Hugo Braibante-UFSM 2) Segundo Caso CH3 CH3 H3C C Br + NaOH CH3 80% ethanol 20% water 55oC - H3C C OH + Br CH3 Cterciário SN1 velocidade = k2 [RBr] Reação de Substituição SN1 SN1 velocidade = k1 [RBr] Prof. Hugo Braibante-UFSM SN2 velocidade = k2 [RBr].[Nu] Esta diferença é significativa, ou é um tipo de "ilusão matemática" ? Reação de Substituição Mecanismo O TRABALHO DE HUGHES E INGOLD Prof. Hugo Braibante-UFSM HUGHES E INGOLD (1940) Prof. Hugo Braibante-UFSM Verificado experimentalmente que: Compostos primários sofrem reações SN2 com cinética de segunda ordem. Compostos terciários sofrem reações SN1 com cinética de primeira ordem. Reações de substituição nucleofílicas se enquadram em um ou outro destes dois padrões. É significativo, ou é apenas um tipo de ilusão matemática? Reação de Substituição Estereoquímica Prof. Hugo Braibante-UFSM 2-BROMO-OCTANO UM ESTUDO ESTEREOQUÍMICO Vamos usar um composto oticamente ativo. 2-BROMO OCTANO Prof. Hugo Braibante-UFSM * CH3CH2CH2CH2CH2CH2 CH CH3 R = C6H13 Br abreviando R * CH Br C secundário Quiral CH3 Pode reagir por SN1 ou SN2 Prof. Hugo Braibante-UFSM CINÉTICA DIFERENTE EM DIFERENTES CONCENTRAÇÕES DE BASE k1[RBr] SN1 H R C CH3 baixa conc. [ OH- ] < 0.1 M Br alta conc. [ OH- ] >1M SN2 k2[RBr][OH] H R C CH3 + 1) H2O 2) -H+ H R C CH3 OH Os dois Mecanismos competem Prof. Hugo Braibante-UFSM Vtotal = k1 [RBr] + k2 [RBr] [OH-] TOTAL SN1 V E L O C I D A D E Predomina a baixa [OH-] SN2 SN2 k2 [RBr] [OH-] predomina a alta [OH-] SN1 k1 [RBr] [ OH- ] [RBr] constante Reação de Substituição Estereoquímica Prof. Hugo Braibante-UFSM RESULTADOS ESTEREOQUIMICOS * CH3CH2CH2CH2CH2CH2 CH CH3 Br 2-Bromo-octano é quiral..... E se começarmos com um composto enantiomericamente puro (um enantiômero apenas)? O resultado estereoquímico é o mesmo em: SN1 e SN2 ? Reação de Substituição Estereoquímica Prof. Hugo Braibante-UFSM TROCAS ESTEREOQUIMICA R-(-)-2-bromooctano [a]D = -36.0o SN2 R alta [OH-] CH3 R H inversão R HO Br H SN1 baixa [OH-] R R CH3 completa racemização H CH3 S S-(+)-2-octanol [a]D = +10.3o R + OH HO H S CH3 enantiômeros Mistura racêmica [a]D = 0o Reação de Substituição Mecanismo Prof. Hugo Braibante-UFSM MECANISMO Como explicar a estereoquímica dos produtos Com os mecanismos das reações SN1 e SN2? Vamos tentar !!!!! Reação de Substituição SN1 Prof. Hugo Braibante-UFSM S N1 Reação de Substituição SN1 Prof. Hugo Braibante-UFSM R CH3 H sp2 Br (R) CH3 50% + C R -O H H Carbocátion planar Ataque acima e abaixo do plano 50% OH OH RACEMIZAÇÃO CH3 (S) + H R R H enantiômeros Mistura racêmica CH3 (R) Reação de Substituição SN2 Prof. Hugo Braibante-UFSM S N2 Reação de Substituição SN2 Prof. Hugo Braibante-UFSM Ataque Nucleofílico .. : H O .. R s* Orbital “n” C (R)- configuração .. : Br : .. CH3 Nu ataca o lóbulo oposto INVERSÃO H R .. : H O .. Br C (S)- configuração CH3 H - Reação de Substituição SN2 Prof. Hugo Braibante-UFSM ANALOGIA CONCEITUAL 1 X Semelhante ao conceito a um ataque da parte traseira forçando o Nucleófilo a sair. X 2) Choque vigoroso segundo um eixo JOGO DE BILHAR 1) Duas bolas em repouso São tocadas Nu 3) Colisão Nu X 4) Transferência do momento Nu X CONCEPTUAL ANALOGY 2 Prof. Hugo Braibante-UFSM INVERSÃO DO GUARDA-CHUVA NO VENTO Inversão do guarda-chuva é semelhante em conceito a inversão de um átomo de SN2. Reação de Substituição SN2 PROCESSO INVERSÃO sp2 HO .. HO ..: R R 2p H3C H sp3 C HO Br C Prof. Hugo Braibante-UFSM (R)-configuração B Complexo ativado é trigonal planar (sp2 ) configuração é invertida R : Br CH3 H C sp3 Ea HO : C CH3 H (S)-configuração Reação de Substituição SN2 COMPLEXO ATIVADO - SN2 Prof. Hugo Braibante-UFSM Ponto médio da reação trigonal planar (sp2) formando HO R C quebrando Br Carbono com 5 ligações? CH3 H … mas as ligações com Br e OH são apenas parciais. (pequena interação) NÃO É ESTAVEL Reação de Substituição SN2 Prof. Hugo Braibante-UFSM NUCLEOFILICIDADE Que é NUCLEÓFILO? E BASE ? Que é “BOM NUCLEÓFILO “? Reação de Substituição SN2 Prof. Hugo Braibante-UFSM NUCLEÓFILOS & BASES DIFERENÇAS Nucleofilicidade Basicidade Parâmetro cinético (velocidade) Parâmetro termodinâmico (equilíbrio) Todos nucleófilos são bases …... mas nem todas as bases são nucleófilos. Uma boa base não é necessariamente NO ENTANTO : um bom Nucleófilo e vice-versa. Reação de Substituição Nu x Base Prof. Hugo Braibante-UFSM NUCLEOÓFILO x BASE Nu1 Nucleofilicidade = Cinética Veloc. = k2[RX][Nu] Nu2 é um melhor Nucleófilo ( reação rápida) Nu2 Bom Nu aumenta k2 (i.e., a Veloc.) Basicidade = Termodinâmica B:- + H+ B-H Base forte desloca o equilib. Nu1 uma base mais forte ( LIGAÇÃO FORTE) Reação de Substituição Nu x Base Prof. Hugo Braibante-UFSM NUCLEOFILICIDADE E BASICIDADE SÃO DETERMINADAS EM REGIÕES DIFERENTES NO GRÁFICO DE ENERGIA NUCLEÓFILOS A Nucleofilicidade é determinada pela energia de ativação, a qual avaliamos pela cinética da reação. (velocidade) >veloc.; < E[ET] Fatores Termodinâmicos (Base) Menor Energia, melhor Fatores Cinéticos (Nu) Mais rápida melhor Nu BASES Basicidade é Determinada aqui Força da ligação e posição de equilíbrio Reação de Substituição Nu x Base Prof. Hugo Braibante-UFSM A NUCLEOFILICIDADE É IMPORTANTE EM REAÇÕES SN1 E SN2? Reação de Substituição Nu Prof. Hugo Braibante-UFSM NUCLEÓFILOS IMPORTÂNCIA EM REAÇÕES SN1 E SN2 A natureza de um Nucleófilo só é importante para reação SN2. SN2 velocidade = K2 [RX][Nu] Nucleófilos são importantes em uma reação de SN1; Não estão envolvidos na etapa determinante da velocidade. SN1 velocidade = K1 [RX] Reação de Substituição Nu Prof. Hugo Braibante-UFSM BOM NUCLEÓFILO? REAÇÃO SN2 Reação de Substituição Nu Prof. Hugo Braibante-UFSM QUAL É O NUCLEÓFILO IDEAL? SN2 REACTIONS .. GRANDE :Y ..: PEQUENO :... X:Menor é melhor! ruim bom EFEITOS ESTERICOS R C : Br R R Para uma reação SN2 o Nucleófilo deve atacar o Orbital s* da ligação C-LG (leaving group) Reação de Substituição Nu Prof. Hugo Braibante-UFSM NUCLEÓFILO “IDEAL” EM FORMA DE HASTE OU SETA Estes tipos são Capazes de Atingir o alvo! :N Pequenas esferas Geralmente este modelo é correto. - :C + N .. :F: .. N: cianeto N: azida .. :Cl: .. etc. Reação de Substituição Nu Prof. Hugo Braibante-UFSM NOSSA EXPECTATIVA INGÊNUA Esperamos que os haletos serão bons nucleófilos: Raio iônico: 1.36 Å 1.81 Å 1.95 Å 2.16 Å Menor íon F Cl- Br - e esperamos que o menor (fluoreto) seja o melhor Nucleófilo, I- ….. no entanto, isso geralmente não é o caso. Reação de Substituição Nu Prof. Hugo Braibante-UFSM REATIVIDADE DE HALETOS CH3-I + NaX MeOH CH3-X + NaI Velocidade = k [CH3I] [X-] RESULTADOS EXPERIMENTAIS k FCl- 5 x 102 Br- 6 x 105 I- 2 x 107 Mais Lento 2.3 x 104 Mais Rápido * MeOH solvata como a água, mas dissolve tudo melhor. SN2 Reação de Substituição Nu Prof. Hugo Braibante-UFSM SOLVATAÇÃO Solvatação inverte a tendência do efeito de tamanho. Reação de Substituição Nu Prof. Hugo Braibante-UFSM CALOR DE SOLVATAÇÃO A ENERGIA É LIBERADA QUANDO UM ÍON É COLOCADO NA ÁGUA F- Fase gasosa -120 Kcal / mole CALOR DE SOLVATAÇÃO F- (g) ION SOLVATADO O H F H H O H O H H H H O Solução aquosa F- (aq) A interação entre o íon e o solvente é uma interação fraca, quando ocorre Libera energia. Solvatação reduz a energia potencial do Nucleófilo tornando-o menos reativo. Reação de Substituição Nu Prof. Hugo Braibante-UFSM ÍONS HALETOS Raio Iônico 1.36 Å Menor íon 1.81 Å Cl- F Calor de Solvatação em H2O - 120 - 90 1.95 Å Br - - 75 2.16 Å I- - 65 Kcal / mol - X(H2O)n Grande interação Aumenta a solvatação Pequena interação Íons pequenos SOLVATAM mais que IONS maiores H O Reação de Substituição NuCH CH O R CH3 O H 3 2 H H Água como SOLVENTE H + - H O - H+ H O H M H O H + O H H N Prof. Hugo H Braibante-UFSM H O H H H O - X O H H H H O Ligação polar OH A água é uma molécula polar, pela extremidade Negativa do oxigênio e positiva de hidrogênio. Podendo solvatar tanto cátions como ânions. Reação de Substituição Nu Prof. Hugo Braibante-UFSM ÍONS PEQUENOS SÃO MAIS SOLVATADOS QUE OS GRANDES Forte interação Com o solvente F- O H H H O H H H O O H H H H H O H O O H H I - H O H O H camada do solvente Maior "Tamanho efetivo" A Solvatação reduz a energia potencial do Nucleófilo. Este íon é menos reativo. MELHOR NUCLEÓFILO H O H H ...menor interação com a camada do solvente ...”escapa” facilmente …maior energia potencial Fraca interação com o solvente É difícil para o Nucleófilo ser solvatado e “escapa” da camada do solvente. Reação de Substituição Nu Prof. Hugo Braibante-UFSM SOLVENTES PROTICOS H O CH3CH2 CH3 O H H água metanol O R H etanol H N H H aminas H A água é um exemplo de um solvente "prótico". H O + - H H O solventes Próticos são O O H H H + que tem aqueles X M H O O H ligações hidrogênio ou S-H. H H+ O-H,H N-H O H H H O solventes Proticos podem formar ligação hidrogênio e podem solvatar ambos, cátions e aníons. Reação de Substituição Nu Prof. Hugo Braibante-UFSM ÍONS MAIORES SÃO NUCLEÓFILOS MELHORES EM SOLVENTES PRÓTICOS 3 FATORES: Em solventes prótico os íons maiores são menos solvatados (menor camada de solvente) portanto, tem maior energia potencial. 1 2 Desde que a camada do solvente é menor para um íon maior, ele pode facilmente "escapar" das moléculas de solventes que o circundam durante a reação. Há maior energia potencial. 3 Os íons maiores são considerados mais "polarizáveis". Veja o próximo slide... Reação de Substituição Nu Prof. Hugo Braibante-UFSM POLARIZABILIDADE Polarização assume íons maiores, são capazes de facilmente distorcer nuvem de elétrons em sua camada de valência, e que íons menores não podem. Nu: C Br Hipotético A distorção de íons grandes é mais fácil porque as nuvens dos orbitais são mais difusas. Reação de Substituição Base BASICIDADE Prof. Hugo Braibante-UFSM No mesmo período: a base mais forte é o melhor Nucleófilo. no mesmo período, onde os átomos não variam sensivelmente em tamanho e solvatam para extensões semelhantes: OH- é melhor Nucleófilo que o F- Reação de Substituição Nu Prof. Hugo Braibante-UFSM NUCLEOFILICIDADE EM SOLVENTES PRÓTICOS Reação de Substituição Nu Prof. Hugo Braibante-UFSM NUCLEOFILICIDADE OBSERVADA TENDÊNCIAS EM H2O OU OUTROS SOLVENTES "PRÓTICOS" GRUPO IV V VI VII basicidade Aumenta a Nucleofilicidade (Período) CH3- NH2- OH- F- PH2- SH- ClBrI- maior solvatação, maior tamanho efetivo, menor energia potencial basicidade aumenta Nucleofilicidade (COLUNA) Reação de Substituição Nu Prof. Hugo Braibante-UFSM Velocidade relativa: reações com Nu MeOH SN2 CH3-I + Nu: CH3-Nu + IRate = k [CH3I] [X-] FCH3COOCl- 5 x 102 2 x 104 2.3 x 102 C6H5ON3BrCH3O:CN IC6H5S- 5.6 x 105 6 x 105 6 x 105 2 x 106 5 x 106 2 x 107 8 x 109 CARREGADO CH3OH 1.0 NH3 (CH3)2S C6H5NH2 C6H5SH 3.2 x 105 3.5 x 105 5 x 105 5 x 105 (solvólise rápida) Estes são bons nucleófilos, mas cuidado, alguns são bases fortes NEUTRO Reação de Substituição Nu Prof. Hugo Braibante-UFSM SOLVENTES APRÓTICOS Reação de Substituição Solventes Prof. Hugo Braibante-UFSM SOLVENTES APRÓTICOS O CH3 + S CH3 dimetilsulfóxido “DMSO” O H C N CH3 CH3 dimetilformamida “DMF” O CH3 C CH3 acetona Se estiver livre de água H3C H3C O - + N P H3C N N CH3 CH3 CH3 hexametilfosforamida “HMPA” CH3 C N acetonitrila SOLVENTES APRÓTICOS NÃO TEM LIGAÇÕES OH, NH, OU SH Eles não formam ligações hidrogênio. Reação de Substituição Solventes Prof. Hugo Braibante-UFSM SOLVENTES APRÓTICOS SOLVATAM CÁTIONS, MAS NÃO ÂNIONS (NUCLEÓFILOS) H3C O H3C S H3C S + CH3 - O M+ O O CH3 S CH 3 crowded CH3 S + CH3 XO Nucleófilo é "livre" (não-solvatado) e, portanto, é pequeno e não impedido por uma camada de solvente. Reação de Substituição Solventes Prof. Hugo Braibante-UFSM u DIMETILSULFÓXIDO Modelo bolas O S H densidade – potencial eletrostático H Solventes Prof. Hugo Braibante-UFSM DIMETILFORMAMIDA CH3 H3C N C H + O M O H C N CH3 CH3 X Nu “free” (não solvatado) Reação de Substituição Nu & Solventes Prof. Hugo Braibante-UFSM NUCLEOFILICIDADE OBSERVADA SOLVENTES APROTICOS GRUPO IV V VI Aumenta a Nu (período) CH3- VII NH2- OH- F- PH2- SH- Cl- Br- Armenta a Nu (COLUNAS) IDiminui o Tamanho iônico basicidade A direção da seta vermelha (COLUNAS ) representa um Sentido inverso que nos solventes proticos. Reação de Substituição SN2 Prof. Hugo Braibante-UFSM POR QUE NÃO, USAR SEMPRE SOLVENTES APRÓTICOS PARA SN2? Principalmente, pq é uma questão de custo. Água, etanol, metanol e acetona são muito mais baratos, especialmente a água. Água Metanol Etanol Acetona “free” $14.70 / L $15.35 / L $16.60 / L DMSO DMF HMPA Menor preço disponível, Aldrich Chemical Co., 2000. $47.50 / L $33.75 / L $163.40 / L Prof. Hugo Braibante-UFSM SOLVENTES QUAIS SÃO OS BONS SOLVENTES PARA SN1 E SN2? Reação de Substituição Nu Prof. Hugo Braibante-UFSM SN1 SOLVENTES = POLAR Reações SN1 preferem solventes próticos polares que podem solvatar o ânion e o cátion formados na etapa determinante da velocidade. íons R-X Etapa determinante da velocidade R+ + Xsolvatação dos dois íons acelera a ionização Carbocátion Reação de Substituição Nu Prof. Hugo Braibante-UFSM SN2 SOLVENTES = APOLAR OU POLAR-APROTICO Reações SN2 preferem solventes “não polar”, ou Solventes polar aprótico que não solvatam o Nu. .. :.. X: R PEQUENO, Não SOLVATADO C R Menor é melhor R : Br Reação de Substituição Solventes Prof. Hugo Braibante-UFSM POLAR APROTICO CH3 O+ S CH3 CF3COOH SN1 POLAR H2O CF3CH2OH HCOOH CH3OH O H C N CH3 CH3 O CH3 C CH3 CH3CH2OH polaridade CH3COOH CH3CH2 O CH2CH3 SN2 CCl4 POLAR PROTICO CH3CH2CH2CH2CH3 NÃO POLAR NÃO POLAR Reação de Substituição Solventes Prof. Hugo Braibante-UFSM MISTURA DE SOLVENTES Reação de Substituição Solventes Prof. Hugo Braibante-UFSM MISTURA DE SOLVENTES SÃO COMUNS RX Haletos de Alquila não são solúveis em água, e solúveis em solventes orgânicos. NaX Sais Nucleofílicos não são solúveis em solventes orgânicos, mas solúveis em água. Ambos solúveis em mistura de solventes. solventes miscíveis CH3CH2CH2CH2 Cl + NaBr Solúvel em EtOH 50% EtOH 50% Solúvel em H2O H2O Reação de Substituição Solventes Prof. Hugo Braibante-UFSM EXCEÇÕES NaX Solúveis em solvents orgânico polar-aprotic: DMF, DMSO, HMPA. NaI e NaCN é solúvel em acetona, Mas NaCl e NaBr não. Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM Resumindo SN1 CARBOCATIONS REAGEM COM TODOS NUCLEÓFILOS IGUALMENTE O nucleófilo não participa do passo determinante da velocidade. SN2 Melhor NU Reagem mais rápido dando maior rendimento (produto) O nucleófilo participa do passo determinante da velocidade Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM NUCLEÓFILOS COMPARAÇÃO Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM REAÇÃO SN1 REAÇÃO SN1 TODOS NUCLEOFILOS REAGEM IGUALMENTE CH3 H3C C CH3 OH HOH, H+ solvólise lento CH3 H3C C CH3 + .. :Br: .. .. :Cl: .. .. : ..I : Todos reagem igualmente com o carbocation. A concentração de RCl, RBr and RI refletem sua concentração inicial na solução. Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM REAÇÕES SN2 PARA REAÇÕES SN2, O TAMANHO E A NATUREZA DO NUCLEÓFILO SÃO IMPORTANTES. Cl Br - - CH3 I - H CH3CH2 Cl Diferentes concentração de RCl, RBr, e RI são encontradas a partir de soluções equimolares. Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM EXPERIMENTO 1 SN2 CH3CH2CH2 CH2 OH Sais de Amonio São mais solúveis Que sais de Na+, NaX O QUE OCORRE? Catálise ácida e substratos primários = SN2 H2SO4 (8M) CH3CH2CH2 CH2 Br NH4+ Cl (3.5M) CH3CH2CH2 CH2 Cl NH4+ Br (3.5M) + equimolar Sob estas condições álcoois secundários e terciários reagem predominantemente via SN1 Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM SN 2 NUCLEÓFILOS PARTICIPAM NO CONTROLE DA VELOCIDADE Substrato primário .. H+ CH3CH2CH2 CH2 OH CH3CH2CH2 CH2 O lento menos RCl H - O melhor Nu Br reage mais rápido + H mais RBr Cl- ~ 80/20 Observado Neste experimento obtemos RBr mais que RCl. velocidade = k [ROH] [X-] Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM EXPERIMENTO 2 Mesmas condições, Substrato terciário = SN1 SN1 CH3 CH3 C OH CH3 CH3 CH3 H2SO4 (8M) NH4+ Cl (3.5M) NH4+ Br (3.5M) terciário O QUE OCORRE ? CH3 C Br + CH3 C Cl CH3 equimolar CH3 Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM SN 1 NUCLEÓFILOS PARTICIPAM NO CONTROLE DA VELOCIDADE 50/50 Observado CH3 CH3 C OH CH3 H+ CH3 CH3 C .. O CH3 H + lento H CH3 Cl- CH3 C + CH3 Br- igual quantidade RBr + RCl reage igualmente Neste experimento obtemos a mesma quantidade de RBr e RCl. velocidade = k [ROH] Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM SUBSTITUIÇÃO x ELIMINAÇÃO Em condições Reacionais SN1 e SN2, pode também ocorrer Reação de eliminação ! Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM SN1 Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM COMPETIÇÃO DE REAÇÕES CH3 H3C C CH2 Reações de solvólise sempre Leva a mistura de produtos de reações SN1 and E1. E1 Carbocations ! CH3 H3C C CH3 Br CH3 EtOH solvólise H3C C CH3 + H3C C CH3 OEt H ou .. SN1 CH3 Ataca .. H-b : O Et :O CH3 H3C C CH3 O Et + H H Et ataca Ion C+ Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM SUBSTITUIÇÃO x ELIMINAÇÃO ALTAS TEMPERATURAS FAVORECE A ELIMINAÇÃO. CH3 CH3 C Cl CH3 EtOH H2O Mesmo resultado Para RBr e RCl CH3 CH2 C + CH3 CH3 CH3 C OEt (+ROH) CH3 25oC 17% 83% 60oC 36% 64% EtOH E1 / S N1 Ambos RCl e RBr CH2 CH CH3 + CH3 CH OEt CH3 CH CH 3 CH3 H2O o mesmo C+ ! Fornecem CH3 Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM SN2 Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM SUBSTITUIÇÃO x ELIMINAÇÃO SN2 H H3C C CH3 Br E2 SN2 e E2 ocorrem simultaneamente - .. :O-H .. Melhor nucleófilo fornecem mais substituição - .. :O-H .. bases fortes fornecem mais eliminação (quebra ligação C-H) 3 CH3 C Cl CH3 EtOH H2O CH2 3 CH3 CReação + CH3 C OEt de Substituição CH3 CHProf. 3 Hugo Braibante-UFSM SUBSTITUIÇÃO x ELIMINAÇÃO ALTAS TEMPERATURAS FAVORECE A ELIMINAÇÃO. CH3 CH CH3 EtOH H2O CH2 CH CH3 + CH3 CH OEt (+ ROH) CH 3 NaOH Br + CH3 45oC 53% 47% 100oC 64% 36% E2 / SN 2 Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM SUBSTITUIÇÃO x ELIMINAÇÃO TEMPERATURA ENERGIA DE ATIVAÇÃO Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM SUBSTITUIÇÃO x ELIMINAÇÃO Reações de eliminação geralmente têm uma maior energia de ativação (são mais difíceis) do que a substituição eliminação E2 SN2 / E2 substituição SN2 TEMPERATURA MAIS ELEVADA GERALMENTE FAVORECE A REAÇÃO DE ELIMINAÇÃO Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM SUBSTITUIÇÃO x ELIMINAÇÃO Reações de eliminação geralmente têm uma maior energia de ativação (são mais difíceis) do que a substituição SN1 / E1 eliminação E1 substituição SN1 TEMPERATURA MAIS ELEVADA GERALMENTE FAVORECE A REAÇÃO DE ELIMINAÇÃO Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM BASICIDADE x NUCLEOFILICIDADE E2 / E1 CH3 Reação de Substituição CH3 CH2 C + CH3 EtOH CH3 C Cl H2O CH3 CH3 Braibante-UFSM CH3Prof. C Hugo OEt CH3 Bases Fortes favorecem E2 Bases Fracas favorecem SN1 secundário CH3 CH CH3 CH Br 3 EtOH H2O reagentes (20o C) (solvolysis) CH3CH2OH NaOCH2CH3 / CH3CH2OH CH2 CH CH3 + CH3 CH OEt CH3 (+ ROH) E1 3% 79% E2 SN1 97% 21% SN2 Base fraca bom nucleófilo Base forte good nucleophile Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM BASES FORTES FAVORECEM E2, SUBSTRATO 2o ou 3o Base forte R- Br + NaOEt EtOH 50o C SN2 Éter E2 + Alceno Substituição CH3CH2CH2 Br 91 % CH3 CH Br 25 % * * substrato 1º Favorece a reação SN2 mesmo com uma base Forte (uso de calor para obter E2). Eliminação 9% 75 % CH3 CH3 CH3 C Br CH3 0% 100 % # C 3ºterciário com uma base forte dará principalmente E2. Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM SUBSTRATOS TERCIÁRIOS FAVORECEM E2 COM BASE FORTE Hidrogênios estão na superfície da molécula, mas o orbital sp3 é enterrado no centro. SUBSTRATOS 3º Muitos hidrogênios b para eliminação... E o lóbulo traseiro do orbital sp3 é de difícil acesso (impedimento estérico) dificulta a substituição por SN2. .. Et-O: E2 .. fácil SN2 difícil A preferencia do substrato por reação E2 é o inverso do que para reação SN2. X H H H H C H C Br C H H C H H E2 : 3º >> 2º > 1º SN2 : 1º > 2º >>> 3º Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM RESUMO Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM TODAS ESTAS REAÇÕES COMPETEM Nu fraco SN1 3o >> 2o > 1o bom Nu > >> Base fraca Nu fraco Ambas ocorrem (SN1 & E1) inseparaveis SN 2 e para evitar E2 usar substr. 1º 2o E1 solvólise - bases forte pode ser usada 1o 3o >> 2o > 1o E2 LG anti periplanar a H beta 3o QUAL A REAÇÃO SERÁ PREDOMINANTE? Aumento de temp. favorece E1 / E2 se Nu for Base forte 3o >> 2o > 1o Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM COMO IDENTIFICAR SE É SN1 OU SN2? 1) VERIFIQUE O NUCLEÓFILO Reação SN2 exige um bom Nu. Um bom Nu que é base forte pode favorecer E2 Fracos nucleófilos favorecem SN1 + E1 2) VERIFIQUE O SUBSTRATO Primario é ruim para SN1 / E1….. Terciário é ruim para SN2 3) FINALMENTE, OLHA PARA O SOLVENTE SN2 é melhor em solventes apróticos polares e apolares, mas também pode acontecer em água ou EtOH. SN1 precisa de um solvente polar. see next slide ….. Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM DICAS ÚTEIS! GRÁFICO DE DECISÃO ANALISAR PRIMEIRO O NUCLEÓFILO, APÓS O SUBSTRATO BOM NUCLEÓFILO *BOM NUCLEÓFILO em alta concentração = S 2 N Se Nu for base forte = E2 substratos 1o favorecem SN2 a baixa T SUBSTRATO …. no entanto, SN2 precisa um substrato 1º ou 2º (ou benzílicos) não 3º SOLVENTE …. prefere um solvente apolar, mas ocorre mesmo em um solvente polar (melhor apróticos). Alta T favorece E2 ROHOH2NBASE FORTE Base forte interage com hidrogênio beta (anti-coplanar) dos substratos 3o >> 2o > 1o Reação de Substituição Prof. Hugo Braibante-UFSM DICAS ÚTEIS! GRÁFICO DE DECISÃO ANALISAR PRIMEIRO O NUCLEÓFILO, APÓS O SUBSTRATO Nucleófilo fraco *Nucleófilo fraco (solvólise) = S 1 + E1 ou baixa concentração N (sempre ocorrem juntos) Alta T favorece E1 ….no entanto, o substrato precisa ser 3° ou benzílicos ou alílicos (ou 2°) ... também, em SN1 o carbocátion precisa de um solvente razoavelmente polar Observar rearranjos SUBSTRATO SOLVENTE REARRANJO Prof. Hugo Braibante-UFSM PROBLEMAS Prof. Hugo Braibante-UFSM PRODUTO E MECANISMO ? 1) 2) 3) Br (R) CH CH3 + NaCN acetona Br (R) CH CH3 + EtOH EtOH CH3CH2CH2CH2CH2CH2Br + CH3 4) 5) Br NaCl 4M + N aOH CH2 Br 0.01 M + NaOH 50oC H2O DMSO Prof. Hugo Braibante-UFSM H3C CH3 OH H2SO4 6) 50 oC Ph 7) (S) + NaI H C Br CH3 acetona Ph 8) 9) C CH3CH2 (R) OH + 4M NH4Br CH3 CH3 H3C C CH2 Br CH3 + EtOH H2O H2SO4 AgNO3 EtOH Prof. Hugo Braibante-UFSM ACELERANDO A REAÇÃO SN1 facilmente deslocados, muito reativo TESTES PARA HALETOS “LABEIS” Prof. Hugo Braibante-UFSM HALETOS DE PRATA NÃO SÃO SOLÚVEIS EM ÁGUA (ou em álcoois) Lembre-se de química geral e analítica: NaCl (aq) + AgNO3 (aq) NaNO3 (aq) + AgCl (s) precipitado Os haletos (AgBr, AgI) are insoluveis também. Íon prata (Ag+) tem forte afinidade com íons haletos. Este fato pode ser usar para ajudar a ionização de substratos SN1. Ag+ ajuda a ionização. Prof. Hugo Braibante-UFSM Cation Ag+ auxilia na ionização CH3CH2 CH3 CH3 H H EtOH .. + + .. + CH3CH2 C Cl Ag C Cl : + Ag .. AgNO3 .. SN1 + E1 EtOH CH3CH2 CH3 C+ H .. Et -O: H + AgCl (s) insolúvel em etanol Prof. Hugo Braibante-UFSM O TESTE DE NITRATO DE PRATA-ETANOL R-Cl + AgNO3 benzílico alílico terciário Velocidade rápido EtOH R-OEt + AgCl (s) Aparecimento de um a ppt. Indica a reatividade do haleto secundário > lento > primário aromático muito lento > não reativo Esta é uma reação de SN1 e os substratos que fazem carbocátions estáveis reagem mais rápido. Se o precipitado aparece rapidamente (imediatamente), isso implica um terciário ou benzílicos composto está reagindo. Prof. Hugo Braibante-UFSM IODETO DE SÓDIO EM ACETONA ESTE TESTE MEDE A REATIVIDADE EM UM SN2 REAÇÃO Lembre-se: Embora NaI seja solúvel na acetona, NaCl e NaBr não são. R-Cl + NaI R-Br + NaI acetona acetona R-I + NaCl (s) R-I + NaBr (s) Mais uma vez avaliamos a taxa de formação de precipitado. neopentila terciário aromático primário secundário Velocidade rápido h1u2 > lento > muito lento > não reativo
