Haletos de Alquilo: Substituição nucleofílica e eliminação

Haletos de alquilo
Haletos de Alquilo: Substituição nucleofílica e eliminação
Sumário:
1- Nomenclatura
2- Estrutura dos haletos de alquilo
3- Propriedades físicas
4- Preparação dos haletos de alquilo:
a. Halogenação por radicais livres
b. Halogenação alquilica
5- Reacções dos haletos de alquilo: generalidades
a. Reacção SN2: generalidades; factores que a afectam; força do
nucleofilo; efeitos estéreos e efeitos do solvente na nucleofilidade;
reactividade do substrato na SN2: efeito do grupo abandonante e
efeitos estéreos; estereoquímica.
b. Reacção SN1: generalidades; efeitos do substituinte; efeitos do
grupo abandonante; efeitos do solvente; estereoquímica;
rearrangos na reacção SN1.
c. Comparação entre as reacções SN1 e SN2.
Nomenclatura
Existem 3 classes de haletos de alquilo:
1- Haletos de alquilo: o halogéneo está directamente ligado ao carbono com
hibridação sp3
H H
H C C Br
H H
2- Haletos de vinil: o halogéneo está directamente ligado ao carbono sp 2 do
alceno
H
H
C C
H
Cl
Química Orgânica I
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Haletos de alquilo
3- Haletos de arilo: o halogéneo está ligado ao carbono sp2 do anel
benzénico.
I
Os haletos de alquilo também podem ser classificados de acordo com a
natureza do átomo de carbono ligado ao halogéneo:
1- Haletos primários:
R CH2 X
2- Haletos secundários:
R
R CH X
3- Haletos terciários:
R
R C X
R
Dihaletos de alquilo podem ser:
a) Geminal: os dois halogéneos ligados ao mesmo carbono
H H
H C C Br
H Br
b) Vicinal: os dois halogéneos ligados a carbonos vizinhos
H H
H C C Br
Br H
Estrutura dos haletos de alquilo
Os halogéneos são mais electronegativos que o carbono pelo que a ligação C-X
apresenta um momento dipolar em que carga parcial positiva fica no átomo de
carbono e a carga parcial negativa fica no halogéneo:
Química Orgânica I
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Haletos de alquilo
Variação da electronegatividade:
I (2,7) < Br (3,0) < Cl (3,2)< F (4,0)
Variação do comprimento da ligação C-X
C-F (1,38 Å) < C-Cl (1,78 Å) < C-Br (1,94 Å) < C-I (2,14 Å)
Estes dois efeitos opõem pelo que o resultado final é o aumento do momento
dipolar na seguinte ordem:
C-I (1,29 D) < C-Br (1,48 D) < C-F (1,51 D) < C-Cl (1,56 D)
O dipolo molecular depende da forma
Propriedades físicas
Duas forces intermoleculares influenciam os pontos de ebulição:
1-as forças de dispersão de London: aumentam com o aumento do tamanho dos
átomos e da superfície
2- atracção dípolo-dípolo: não é significativamente diferente para os diferentes
halogéneos
O aumento da massa molecular também ocorre um aumento dos pontos de
ebulição.
Química Orgânica I
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Haletos de alquilo
Quanto às densidades os fluoretos e os cloretos de alquilo são menos densos
que a água já os dicloretos, os brometos e os iodetos de alquilo são mais
densos que a água.
Preparação dos haletos de alquilo:
Muita da síntese de alcanos utiliza a química dos grupos funcionais que ainda
não estudamos pelo que apenas vamos rever a halogenação de alcanos.
Halogenação de alcanos
(já foi dada)
Halogenação alilica
Produz haletos de alquilo com dupla ligação no átomo de carbono vizinho.
Química Orgânica I
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Haletos de alquilo
Mecanismo:
A halogenação alilica é selectiva porque o intermediário é estabilizado por
ressonância. O uso de elevada quantidade de bromo deve ser evitado pois
pode adicionar à dupla ligação. O N-bromosuccimide pode ser usado como
fonte de bromo pois combina-se com o HBr gerando baixa concentração de
brometo.
Reacções dos haletos de alquilo - reacção SN2
Generalidades
Os haletos de alquilo facilmente se convertem noutros grupos funcionais. O
átomo de halogéneo é um bom grupo abandonante, uma vez que forma um ião
haleto estável acumulando o par de electrões da ligação até então formada com
o carbono. Quando ocorre a substituição por outro átomo estamos na presença
de uma reacção de substituição. Quando o ião haleto sai da molécula com outro
átomo (normalmente o hidrogénio) a reacção é de eliminação. Nestas situações
forma-se
um
alceno
e
a
eliminação
chama-se
deshidrohalogenação.
Substituição e eliminação normalmente competem entre si.
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Haletos de alquilo
Substituição nucleofílica
Na substituição nucleofílica, o nucleofilo (Nuc-) substitui o grupo abandonante (X) no átomo de carbono. Na eliminação o ião haleto e outro substituinte são
perdidos.
Exemplo de substituição nucleofílica:
Mecanismop da reacção (SN2)
A reacção decorre num único passo. Trata-se de um mecanismo concertado.
Diagrama de energia mostra apenas um máximo de energia que corresponde ao
estado de transição. Não existe intermediários.
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O mecanismo é suportado pelos dados cinéticos:


velocidade  k r CH3 I  OH , o kr é a constante de velocidade e depende da
energia do estado de transição e da temperatura.
SN2 significa Substituição Nucleofílica Bimolecular. Bimolecular significa que no
estado de transição do passo limitante envolve a colisão de duas moléculas.. As
reacções bimolecular são de ordem total igual a dois.
Reacções de troca de halogéneos
A síntese de iodetos e fluoretos de alquilo é mais difícil que a síntese de cloretos
e brometos pelo que a reacção SN2 permite esta conversão. O iodeto é um bom
nucleofilo pelo que a reacção ocorre directa entre o iodeto de sódio e o cloreto
ou brometo de alquilo. Já o fluoreto é mau nucleófilo pelo que é necessário
utilizar um solvente aprótico e um éter coroado para “aumentar” a sua
nucleofilidade.
Química Orgânica I
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Haletos de alquilo
Síntese de outras classes de compostos usando a reacção SN2
Nucleophile
R-X + I

Product
R-I
Class of Product
akyl halide
-

R-OH
alcohol
-
OR'

R-OR'
ether
-

R-SH
thiol
-

R-SR'
thioether

amine salt

R-NH3+X
R- N3

R-CC-R'
alkyne

R-CN
nitrile

R-COO-R'
ester
R-X + OH
R-X +
R-X +
SH
R-X + SR'
R-X + NH3
-
R-X + N3
R-X +
R-X +
-
CC-R'
-
CN
R-X + R-COO
-
-
azide
Factores que a afectam a reacção SN2
1- força do nucleofilo;
2- efeitos estéreos na nucleofilidade
3- efeitos do solvente na nucleofilidade;
4- reactividade do substrato na SN2:
a. efeito do grupo abandonante
b. efeitos estéreos
Força do nucleófilo
Nucleófilos fortes reagem mais rapidamente. Bases fortes são nucleófilos
fortes, mas nem todos os nucleófilos são bases.
A base é sempre um nucleófilo mais forte que o seu ácido conjugado.
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Haletos de alquilo
Basicidade é definida por uma constante de equilibrio para a abstracção do
hidrogénio. Nucleofilidade é definida pela velocidade de ataque no átomo de
carbono electrofilico. Em ambos os casos , o nucleófilo (ou base) forma uma
ligação nova. Se a nova ligação é a um protão, quem reage é a base, se a nova
ligação é a um carbono, quem reagiu foi um nucleófilo.
A tabela mostra os nucleófilos mais comuns por ordem decrescente de
nucleofilidade nos solventes como álcoois e água.
Na tabela periódica:
1- diminui da direita para a esquerda; quanto mais electronegativos são os
átomos menos ligações tendem a formar: OH- > F-, NH3 > H2O
2- Aumenta no grupo de cima para baixo, à medida que o tamanho e a
polarizabilidade aumenta: I- > Br- > Cl-
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Haletos de alquilo
O efeito da polarizabilidade pode ser verificado comparando as reacções com o
fluor e o iodo e um mesmo substrato.
O fluor é um nucleófilo de baixa
polarizabilidade, pelo que o seu núcleo tem que se aproximar muito do átomo de
carbono para que haja sobreposição de orbitais de modo a formar a ligação. Em
oposição , o iodo tem 5 camadas, pelo que é um nucleófilo
de elevada
polarizabilidade. A sobreposição de orbitais entre I e carbono começa com os
átomos ainda longe.
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Haletos de alquilo
Efeitos estéreos na nucleofilidade
Um nucleófilo muito impedido torna-o mais fraco. Exemplo o t-butoxido é uma
base mais fraca mas um nucleófilo mais fraco que o etóxido.
CH3 CH2 O
ethoxide (unhindered)
weaker base, but stronger nucleophile
CH3
H3C
C
O
CH3
t-butoxide (hindered)
stronger base, but weaker nucleophile
Efeitos do solvente na nucleofilidade
Os solventes polares próticos, têm hidrogénios acidicos na forma de O-H ou N-H
reduzem a força do nucleófilo. As ligações de hidrogénio têm que ser quebradas
antes de haver o ataque nucleófilo.
Os iões mais pequenos são solvatados mais fortemente que os maiores pelos
solventes próticos porque o solventes aproxima-se mais do ião e forma pontes
de hidrogénio mais fortes. A polarizabilidade aumenta com o número atómico
enquanto a energia de solvatação diminui com o aumento do número atómico .
Portanto a nucleofilidade (em solventes próticos) geralmente aumenta ao longo
da coluna na tabela periódica , desde que comparemos especies semelhantes
com cargas semelhantes.
Em contraste com os solventes próticos, os solventes apróticos aumentam a
nucleofilidade dos aniões. Não há formação de pontes de hidrogénio.
Química Orgânica I
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Haletos de alquilo
Os solventes polares apróticos tem um grande momento dipolar contudo não
têm grupos O-H nem N-H pelo que não formam pontes de hidrogénio com
aniões. Ex: acetonitrilo, dimetilformamida e acetona. Podem ser usados para
aumentar a solubilidade sem afectar a reactividade do nucleófilo.
O
H
C
N
CH3
O
CH3
C
H3C
CH3
acetone
CH3 C N dimethylformamide
acetonitrile
(DMF)
O uso de éteres coroados permite que a solubilização dos nucleófilos nos
solventes apróticos. Exemplo é o uso do acetonitrilo como solvente reacção em
que o fluor é o nucleófilo.
O
O
O
K+
O
O
O
18-crown-6
CH2Cl
CH2F
KF, (18-crown-6)
CH3CN
Reactividade do substrato na SN2
O substrato é o haleto de alquilo ou seja o composto que é atacado pelo
reagente. Existem outros substratos para além do haletos de alquilo. Para ser
um bom substrato na reacção SN2, a molécula tem que ter um carbono
electrofílico com um bom grupo abandonante e não pode ser impedido
estereamente para o nucleófilo poder atacar.
Química Orgânica I
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Haletos de alquilo
O efeito dos grupos abandonantes no substrato
O grupo abandonante tem dois efeitos nas reacções S N2: (a) polariza a ligação
C-X tornando o átomo de carbono mais electrofílico; (b) e leva o par de electrões
que estabelecia a ligação com o átomo de carbono electrofilico.
Características de um bom grupo abandonante:
(a) Electrão atractor de modo a polarizar o átomo de carbono criando uma
carga parcialmente positiva. Estabiliza a carga negativa do estado de
transição;
C X (X = halogéneo)
C O
C N
C S
(b) Estável (uma base fraca), pelo que favorece energeticamente o estado de
transição;
Moléculas neutras podem ser bons grupos abandonantes. Elas formam-se
apartir de electrófilos carregados positivamente. Exemplo:o álcool
em
solução acidica o grupo hidroxilo é protonado e a água é o grupo
abandonante.
(c) polarizável, de modo a estabilizar o estado de transição e reduzir a
energia de activação.
Química Orgânica I
O iodo é um bom nucleófilo e um bom grupo
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Haletos de alquilo
abandonante. Já o flúor é um mau nucleófilo (em solventes próticos) e
um mau grupo abandonante nas reacções SN2.
Efeitos estereos no substrato
É o factor mais importante na reactividade na S N2. A velocidade relativa para a
reacção SN2 é: CH3X > 1° > 2° >> 3°
A parte de trás do átomo de carbono é muito impedida estereamente pela
presença de grupos volumosos, no caso de carbonos terciários. O impedimento
estéreo diminui quando se fala dos carbonos secundários e depois primários.
Estereoquímica da reacção SN2
Ocorre a inversão da configuração, dado que ocorre o ataque do nucleófilo pela
parte de trás no átomo de carbono e o grupo abandonante encontra-se na
posição estereoquimicamente oposta.
Química Orgânica I
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Haletos de alquilo
Substituição nucleofílica de 1ª Ordem: reacção SN1
Um exemplo é a reacção entre brometo de t-butilo com o metanol que
além de solvente é nucleófilo. Neste a caso a reacção é uma solvólise.
(H3C)3C Br
H3C OH
(H3C)3C O CH3
HBr
Neste caso o nucleófilo é fraco e o substrato é impedido estereamente,
pelo que a reacção só ocorre praticamente por o mecanismo S N1. A sua
velocidade depende apenas da concentração do substrato.
Velocidade = kr[(CH3)3C-Br)]
A velocidade da reacção é de primeira ordem e depende apenas do
substrato. Sendo assim o nucleófilo não está presente na formação do estado
de transição do passo limitante da velocidade da reacção.
Mecanismo da reacção
Em termos gerais o mecanismo é:
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Haletos de alquilo
Diagrama de energia da reacção SN1:
1- A formação do carbocatião é endotérmica;
2- Tem dois estados de transição
3- Tem um carbocatião como intermediário
A SN2 tem apenas um estado de transição e não tem intermediário.
Os reagentes e condições de reacção que favorecem a formação do
carbocatião (o passo lento) aceleram a reacção SN1.
Vamos ver o efeito dos substituintes, efeito do grupo abandonante e o
efeito do solvente na velocidade da reacção SN1.
Efeito dos substituintes na SN1
A velocidade da reacção depende grandemente da estabilidade do carbocatião.
Os grupos alquilo estabilizam o carbocatião devido ao efeito doador de electrões
através da ligação sigma (efeito indutivo) e por sobreposição das orbitais
preenchidas com as orbitais p vazias do carbocatião (hiperconjugação). Pelo
que carbocatiões substituídos são mais estáveis.
A reactividade dos haletos de alquilo via SN1 é igual à ordem de estabilidade dos
carbocatiões e é inversa aquela via SN2.
Química Orgânica I
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Haletos de alquilo
O efeito de ressonância do carbocatião também promove a reacção SN1.
NucBr
Nuc
O efeito do grupo abandonante
O grupo abandonante quebra a sua ligação no passo determinante da reacção
do mecanismo SN1.
Um grupo abandonante altamente polarizável ajuda a
estabilizar o estado de transição.
O grupo abandonante deve ser uma base fraca, muito estável depois o substrato
com o par de electrões que estabeleciam a ligação ao carbono.
Química Orgânica I
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Haletos de alquilo
Estereoquímica da reacção SN1
A reacção SN1 não é estereoespecifica como a SN2. O carbocatião intermediário
é planar com hibridação sp2 podendo o nucleófilo atacar pela parte da frente (o
mesmo lado do grupo abandonante) formando-se um produto com retenção da
configuração, se o nucleófilo atacar por trás o produto formado tem inversão da
configuração. Ocorre então racemização. Contudo a racemização raramente é
completa ocorrendo normalmente mais inversão da configuração do que
retenção, já que o grupo abandonante bloqueia parcialmente a parte da frente
do carbocatião.
A figura que se segue mostra este processo de racemização com o substrato
quiral.
Exemplo com cis-1-bromo-3-deuteriociclopentano com substrato em metanol
Química Orgânica I
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Haletos de alquilo
Rearranjos na reacção SN1
Os carbocatiões podem rearranjar tornando-se mais estáveis. Podem ocorrer
migração de hidretos (H-) ou migração de grupos metil.
1º Caso: migração de hidreto
2º Caso: migração do grupo metil
Química Orgânica I
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Haletos de alquilo
Comparação entre SN1 e SN2
SN2
SN1
Primário ou metil
Terciário
Nucleófilo forte
Nucleófilo fraco (pode ser o solvente)
Solvente polar aprótico
Solvente polar prótico
Velocidade = k[haleto][Nuc]
Velocidade = k[haleto]
Inversão no carbono quiral
Racemização composto ópticamente
activo
Não existe rearranjos
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Produtos rearranjados
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Haletos de alquilo
Eliminação de 1ª Ordem: Reacção E1
A eliminação envolve a perda de dois átomos do substrato com a formação da
ligação pi. Dependendo dos reagentes e condições envolvidas a eliminação
pode ser um processo de 1ª ordem (E1) ou de 2ª ordem (E2).
Mecanismo e cinética da reacção E1
Eliminação unimolecular: a formação do estado de transição limitante da
velocidade da reacção envolve apenas uma única molécula, o subtrato.
O
passo lento da reacção é a formação do carbocatião. O segundo passo da
reacção é rápido e consiste na abstracção do protão de um átomo de carbono
adjacente ao C+ - o nucleófilo funciona como base. Os electrões que formavam
a ligação C-H passam a formar a ligação pi entre os dois átomos de carbono. O
mecanismo geral é
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Haletos de alquilo
Competição com a reacção SN1
A eliminação E1 quase sempre ocorre com a SN1. Existe competição entre as
duas reacções. Exemplo é o brometo de t-butilo com etanol.
Este tipo de reacções não são usadas em síntese orgânica, porque conduzem a
uma mistura de produtos.
Orbitais e energia
No segundo passo do mecanismo E1, o átomo de carbono seguinte ao C+
rehibrida para sp2 enquanto a base ataca o protão e os electrões formam a
ligação pi.
Química Orgânica I
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Haletos de alquilo
O carbocatião que se forma pode sofrer rearranjo:
O diagrama de energia potencial na E1mostra que o passo da ionização é
fortemente endotérmico, com o estado de transição limitante da velocidade da
reacção. O segundo passo de desprotonação pela base é rápido e exotérmico.
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Haletos de alquilo
Eliminação de 2ª Ordem: Reacção E2
A eliminação bimolecular ocorre quando a base é forte e dá-se a saída em
simultâneo do haleto e a abstracção do protão. O exemplo é brometo de t-butilo
e o metóxido em metanol. Neste caso não se observa produtos resultantes de
substituição uma vez que o haleto de alquilo terciário é muito impedido
estereamente.
Mecanismo da reacção E2
Existem casos que pode ocorrer a formação de uma mistura de produtos:
isto ocorre quando existe protões “iguais” em átomos de carbono vizinhos do
átomo com o halogéneo.
Química Orgânica I
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Haletos de alquilo
Orientação posicional da eliminação: Regra de Saytzeff
Se é possível obter mais do que um produto resultante da eliminação, forma-se
em maior quantidade o produto cuja dupla ligação é mais substituida (Regra de
Saytzeff). As reacções em que se forma o alceno mais substituido seguem uma
orientação Saytzeff.
Ordem de estabilidade dos alcenos:
R2C=CR2 > R2C=CHR > RHC=CHR > H2C=CHR
tetra >
tri
>
di
> mono
Estereoquímica das reacções E2
A E2 segue um mecanismo concertado: a formação e quebra da ligação ocorre
simultâneamente.
Para ocorrer eliminação via E2 é necessário um arranjo coplanar das orbitais. A
figura que se segue mostra as duas conformações possíveis para um
alinhamento coplanar do grupo abandonante, do hidrogénio e dos dois átomos
de carbono. Quando o hidrogénio e o halogénio são anti (θ = 180º) as suas
orbitais estão alinhadas. A conformação chama-se anti-coplanar. Quando o
Química Orgânica I
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Haletos de alquilo
hidrogénio e o halogéneo estão em eclipse (θ = 0º) uma vez mais as suas
orbitais estão alinhadas. Esta conformação chama-se sin-coplanar.
Dentro destas duas conformações o arranjo mais comum nas reacções E 2 é o
anti-coplanar, dado que o estado de transição é de mais baixa energia.
A reacção E2 é estereoespecífica.
E1
E2
Terciários > Secundários
Terciários > Secundários
Base fraca
Base forte
Solvente polar
A
polaridade do
solvente
não é
importante
Velocidade = k[haleto]
Velocidade = k[haleto][base]
Produto Saytzeff
Produto Saytzeff
Não requer geometria
Grupos
abandonantes
coplanares
(normalmente anti)
Há rearranjos
Química Orgânica I
Não há rearranjos
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Haletos de alquilo
Química Orgânica I
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