Haletos de Alquilas - IQ

Haletos de Alquilas
Reações de
Substituição Nucleofílica
Aula 11
QO-427 Prof. José Augusto
Introdução
A polaridade de uma ligação carbono-halogênio leva ao carbono ter uma
carga parcial positiva
Em haletos de alquila esta polaridade torna o carbono ativado para reações de
substituições com nucleófilos
Ligações carbono-halogênio tornam-se menos polares, maiores e mais
fracas indo do fluor para o iodo
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Reações de Substituição Nucleofílica
Nesta reação um nucleófilo é uma espécie com um par não-compartilhado
de elétrons que reage com um carbono deficiente em elétrons
Um grupo abandonador é substituido pelo nucleófilo
Exemplos de reações nucleofílicas
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Nucleófilo
O nucleófilo reage no carbono deficiente de elétrons
Um nucleófilo pode ser qualquer molécula com um par de
elétrons não compatilhado; É uma base de Lewis.
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Grupo Abandonador
Um grupo abandonador é um substituinte que pode deixar o
carbono como uma entidade estável
Ele pode abandonar como um ânion ou uma espécie neutra
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Cinética de uma Reação de Substituição
Nucleofílica: Uma Reação SN2
A velocidade (taxa) inicial da seguinte reação é medida
A velocidade é diretamente proporcional às concentrações
iniciais de ambos cloreto de metila e íon hidróxido
A equação de velocidade reflete esta dependência
Reação SN2: substituição, nucleofílica, 2a. ordem (bimolecular)
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Um Mecanismo para a Reação SN2
Um estado de transição é o estado de energia mais alto da reação
Ele é uma entidade instável (não pode ser isolada) com existência muito
breve (10-12 s)
No estado de transição desta reação ligações são parcialmente formadas
e quebradas
Ambos clorometano e hidróxido estão envolvidos no estado de transição e
isto explica porque a reação é de segunda ordem
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Teoria do Estado de Transição: Diagramas de Energia
Livre
Reação exotérmica: ∆Go negativo (produto favorecido)
Reação endotérmica: ∆Go positivo (produto não favorecido)
A reação do diclorometano com hidróxido é altamente exotérmica
A constante de equilíbrio é muito grande
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Um diagrama de energia de uma típica reação SN2
Uma barreira de energia é evidente, pois uma ligação está quebrando indo para o
estado de transição (que é o topo da barreira de energia)
A diferença em energia entre o material de partida e o estado de transição é a
energia livre de ativação (∆
∆G‡ )
A diferença em energia entre moléculas iniciais e produtos é a troca de energia
da reação, ∆Go
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Em uma reação altamente endotérmica tem barreira de energia
bem elevada (∆
∆G‡ é muito grande)
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Existe um relacionamento direto entre ∆G‡ e a temperatura da
reação
Maior a temperatura, mais rápida é a velocidade
Próximo da temperatura ambiente, um aumento de 10oC dobra a
velocidade
Maior temperatura provoca maior colisão entre as moléculas com
energia suficiente para atingir o estado de transição e reagir
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O diagrama de energia para a reação de diclorometano com
hidróxido :
Uma reação com ∆G‡ acima de 100 kJ mol-1 vai requerer aquecimento
para prosseguir com velocidade razoável
Esta reação tem ∆G‡ = 103 kJ mol-1 de modo que vai requerer
aquecimento
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A Estereoquímica de Reações SN2
Ataque do nucleófilo pela retaguarda resulta na inversão da configuração
Em sistemas cíclicos um composto cis pode reagir e tornar-se produto
trans
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A Reação do Cloreto de terc-Butila com Íon Hidróxido:
Uma Reação SN1
Cloreto de terc-Butila sofre substituição por íon hidróxido
A velocidade é independente da concentração do hidróxido e depende
apenas da concentração do cloreto de terc-butla
Reação SN1 : Substituição nucleofílica de 1a ordem (unimolecular)
A velocidade depende apenas da concentração do haleto de alquila
Apenas o haleto de alquila (e não o nucleófilo) está envolvido no
estado de transição na etapa que controla a velocidade (etapa
determinante da velocidade de reação, a etapa mais lenta)
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Reações de Múltiplas-etapas e Etapa Determinante da
Velocidade
Nas reações de múltiplas-etapas, a velocidade da etapa mais lenta será a
velocidade de toda a reação
Esta é chamada velocidade da etapa determinante
No caso abaixo k1<< k2 or k3, e a primeira etapa é a etapa determinante da
velocidade
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Um Mecanismo para Reação SN1 (próximo slide)
A etapa 1 é determinante de velocidade (etapa lenta)
pois ela requer a formação de produtos iônicos
instáveis
Na etapa 1 a água (é polar, elevada constante
dielétrica) ajuda estabilizar os produtos iônicos
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Carbocátions
Um carbocátion tem apenas 6 elétrons, é hibridizado sp2 e tem um orbital
p vazio
Quanto mais altamente substituido um carbocátion, mais estável é
Quanto mais estável um carbocátion, mais fácil ele se forma
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Hiperconjugação estabiliza o carbocátion pela doação de elétrons de uma
ligação σ adjacente a uma ligação carbono-hidrogêmio ou carbonocarbono para um orbital vazio p
Maior substituição fornece maior oportunidade para hiperconjugação
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A Estereoquímica de Reações SN1
Quando o grupo abandonador deixa um centro esterogênico de
um composto oticamente ativo em uma reação SN1, ocorrerá
racemização (perda de atividade ótica)
Isto acontece porque é formado um intermediário aquiral, sp2
que é planar (ou trigonal), ângulo de ligação de 120o
Racemização: transformação de um composto oticamente ativo
para uma mistura racêmica (sem atividade ótica)
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Solvólise
Um molécula do solvente é o nucleófilo na reação de substituição
Se o solvente for água a reação é de hidrólise
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Fatores que Afetam a Velocidade de Reações SN1 e SN2
Os Efeitos da Estrutura do Substrato
Reações SN2
Nas reações SN2 haletos de alquilas mostram a seguinte ordem geral de
reatividade
Impedimento estérico: o arranjo espacial de átomos ou grupos no local ou
proximidades do sítio reagente impede ou retarda a reação
Nos haletos terciários e neopentílicos, o carbono reagente é muito
impedido estericamente para reagir
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Reações SN1
Geralmente haletos terciários sofrem reações SN1 devido poderem formar
carbocátions estabilizados
O Postulado Hammond-Leffler
O estado de transição para uma reação exergônica (exotérmica) se
assemelha muito ao material de partida
O estado de transição para uma reação endergônica (endotérmica) se
assemelha muito aos produtos
Geralmente o estado de transição se assemelha mais das espécies
próximas a ele em energia
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Na primeira etapa da reação SN1 o estado de transição se parece muito
com carbocátion
O estado de transição parecido com carbocátion é estabilizado pelos
mesmos fatores que estabilizam carbocátions
O estado de transição levando a carbocátions terciários é muito mais
estável e menor em energia do que estados de transição que levam a
outros carbocátions
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Os Efeitos de Concentração e Poder do Nucleófilo
Reação SN1
Velocidade não depende da identidade e concentração do nucleófilo
Reação SN2
Velocidade é diretamente proporcional à concentração do nucleófilo
Nucleófilos fortes também reagem rápido
Um nucleófilo carregado negativamente é sempre mais reativo do que seu
ácido conjugado neutro
Quando comparando nucleófilos com o mesmo átomo nucleofílico:
nucleofilicidades seguem a basicidade
Metóxido é muito melhor nucleófilo do que metanol
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Efeitos de Solventes nas Reações SN2: Solventes Polar Prótico
e Aprótico
Solventes Polar Prótico
Solventes polares próticos possuem átomo de hidrogênio ligado a átomos
fortemente eletronegativos
Eles solvatam nucleófilos e o tornam menos reativo
Átomo nucleofílicos grandes (volumosos) são menos solvatados e em
decorrência mais reativos em solventes polar e prótico
Nucleófilos volumosos são também mais polarizáveis e podem doar mais
densidade eletrônica
Nucleofilicade relativa em solventes polares:
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Solventes Polares Apróticos
Solventes polares apróticos não possuem um átomo de hidrogênio ligado ao
átomo eletronegativo
Eles solvatam bem cátions mas deixam os ânions não-solvatados pois o centro
positivo no solvente é estericamente impedido
Solventes polares apróticos levam a geração de nucleófilos “nus” e muito
reativo
Tendências para a nucleofilicidade são as mesmas da basicidade
Eles são excelentes solventes para reações SN2
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Efeitos de Solventes em Reações SN1: A Habilidade
Ionizante do Solvente
Solventes polares próticos são excelentes solventes para reações
SN1
Solventes polares próticos estabilizam o estado de transição
parecido com carbocátion que levam ao carbocátion e então
diminuindo o ∆G‡
Mistura de água-etanol e água-metanol são as mais comuns
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A Natureza do Grupo Abandonador
Os melhores grupos abandonadores são bases fracas
O grupo abandonador pode ser um ânion ou uma molécula neutra
A habilidade de haletos como grupos abandonadores
Esta tendência é oposta a da basicidade:
Outras bases muito fracas que são bons grupos abandonadores
O pobre grupo abandonador hidróxido pode ser trocado para um bom
grupo abandonador como a água pela sua protonação
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Sumário SN1 vs. SN2
Em ambos tipos de reações iodetos de alquilas reagem rápido
devido a sua habilidade superior como grupo abandonador
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Síntese Orgânica: Transformações de Grupo
Funcional Usando Reações SN2
Estereoquímica pode ser controlada em reações SN2
CN-, íon
cianeto
Inversão da
configuração
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Reações de Eliminação de Haletos de Alquilas
Desidro-halogenação
Usada para síntese de alquenos
Eliminação compete com reação de substituição
Bases fortes tais como alcóxidos favorecem eliminação
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As bases alcóxidos são feitas a partir dos alcoóis
correspondentes
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A Reação E2
Reação E2 envolve a remoção concertada (sincronizada) de próton,
formação de ligação dupla, e saída do grupo abandonador
Ambos, haleto de alquila e concentração da base afetam a velocidade da
reação e portanto, a reação é de 2a. ordem
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A Reação E1
A reação E1 compete com a reação SN1 e da mesma maneira
passa pelo intermediário carbocátion
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Substituição versus Eliminação
SN2 versus E2
Substrato primário
Se a base for pequena, SN2 compete fortemente pois deve se aproximar de
crbono fortmente impedido
Substrato secundário
Aproximação ao carbono é estericamente impedido e a eliminação E2 é
favorecida
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Substrato terciário
Aproximação ao carbono é extremamente impedida e predomina a eliminação, especialmente
em temperaturas elevadas
Temperatura
Aumentando a temperatura favorece a eliminação sobre a substituição
Tamanho da Base/Nucleófilo
Bases volumosas estericamente impedidas favorecem eliminação pois elas não
podem se aproximar diretamente do carbono para reagir em uma substituição
Terc-butóxido de potássio é uma base extremamente volumosa e
rotineiramente é empregada para favorecer reação E2
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Sumário Global
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