Resumo das aulas de Química Orgânica II

Transcrição

1 Resumo das aulas de Química rgânica II Reações de Substituição Nucleofílica e de Eliminação aletos de alquila, álcoois, éteres, e etc. Parte 1

2 Substituição nucleofílica ao carbono saturado - Mecanismos (SN1 e SN2) - Estereoquímica - Grupo de saída e estrutura do substrato - Nucleofilicidade - Intermediários e estabilidade - Influência do solvente

3 Substituição nucleofílica ao carbono saturado Reação geral R-GS + Nu:- R-Nu + GS:- Possíveis mecanismos A) Em duas etapas Etapa 1: C GS C + GS: Etapa 2: C + Nu: C Nu B) Em uma etapa Nu: + C GS C Nu + GS:

4 Mecanismo SN 1 Cl + 2 acetona + Cl Experimentos cinéticos: a velocidade da reação não depende do nucleófilo mas somente da concentração do cloreto de terc-butila Veloc. = k 1 [Me 3 CCl] ; logo: reação de 1a. ordem Substituição Nucleofílica Monomolecular = SN 1

5 Mecanismo SN 1 Substituição Nucleofílica Monomolecular Cl Etapa lenta δ Cl δ 1 + Cl R estado de transição da etapa lenta carbocátion intermediário I + 2 δ 2 2 δ 2 + estado de transição da 2a. etapa P P

6 Mecanismo SN 1 Substituição Nucleofílica Monomolecular 1 E 2 I R P + CR P Perguntas: 1) Porque nas reações de haletos de alquila que ocorrem pelo mecanismo mostrado, a adição de sais do haleto diminui a velocidade? 2) Para a reação mostrada no slide anterior, que mudanças na velocidade são esperadas quando: a) dobra-se a quantidade de água; b) dobra-se a quantidade de haleto de alquila; c) usa-se metade da quantidade de haleto de alquila? 3) Dada a reação abaixo responda porque a velocidade não aumenta com o uso de um nucleófilo melhor como o etóxido de sódio. Me 3 CBr + [C 2 5 ou C Na + ] Me 3 CC 2 5

7 Mecanismo SN 2 não reage Cl Cl Ao contrário da reação anterior, o cloreto de etila não reage rapidamente com água Por outro lado, a adição de hidróxido de sódio à solução fornece o produto de hidrólise 2 Cl + + Cl Experimentos demonstraram que a velocidade depende da concentração do haloalcano e do hidróxido (de 1ª. ordem para cada reagente): Veloc. = k 1 [EtCl][ - ] ; logo: reação de 2ª. ordem Substituição Nucleofílica Bimolecular = SN 2

8 Mecanismo SN 2 mecanismo proposto para esta reação é um mecanismo em que no estado de transição o carbono está parcialmente ligado ao grupo de saída e ao nucleófilo. A ligação C-GS é rompida ao mesmo tempo em que a ligação C-Nu é formada. + Cl 3 C δ Cl δ + Cl

9 Mecanismo SN 2 Diagrama de energia 3 C δ Cl δ Energia + Cl Coordenada de reação + Cl

10 Mecanismo SN 2 Algumas perguntas: 4) A reação do brometo de benzila com azida de sódio ocorre via SN 2 a) Escreva a reação e sua equação de velocidade b) Que mudanças na velocidade de reação são esperadas: dobrando a quantidade de azida de sódio; dobrando a quantidade de brometo de benzila; dobrando a quantidade de ambos; dimuinuindo à metade a quantidade de ambos; com metade da concentração de brometo de benzila e com o dobro da quantidade de azida de sódio?

11 SN - Estereoquímica que ocorre se o substrato (R-GS) for oticamente ativo se o carbono que sofre substituição for assimétrico (aquiral)? Possibilidades Y W GS Nu Y W Nu + GS RETENÇÃ DE CNFIGURAÇÃ Z Z Y W GS Nu Nu W Y + GS INVERSÃ DE CNFIGURAÇÃ Z Z 2Nu 2 Nu + Y W Y W GS Z Z Nu W Y Z + 2GS RACEMIZAÇÃ

12 SN - Estereoquímica 2Nu 2 Nu + Y X Z GS Y X Z retenção Nu X Y Z inversão + 2GS RACEMIZAÇÃ BS (veremos detalhes/exemplos no decorrer do curso) : Na racemização teríamos igual quantidade de retenção e de inversão Nem sempre isso ocorre Na maioria das reações tem-se, normalmente, racemização e inversão em diferentes graus (raramente o produto é verdadeiramente racêmico; [α] D = 0 0 )

13 SN 2 - Estereoquímica Nas reações de SN de 2a. ordem não temos intermediário. Temos um estado de transição em que a ligação C-GS é rompida ao mesmo tempo (ou quase) em que a ligação C-Nu é formada. Normalmente estas reações apresentam um alto grau de estereosseletividade com INVERSÃ DE CNFIGURAÇÃ. Nu Y W GS δ Nu W Y δ GS = Nu W Y + GS Z Z Z nucleófilo se aproxima pela face oposta a do grupo de saída de modo a minimizar interações espaciais desfavoráveis

14 SN 2 - Estereoquímica Exemplos de experimentos que demonstram a existência do mecanismo SN 2 Reação: 2-iodooctano + íon iodeto em acetona (solvente) 1) Substrato oticamente ativo Perda da atividade ótica durante a reação A perda da atividade ótica é uma reação de segunda ordem (1a. ordem no iodo-alcano e 1a. ordem no iodeto) com constante de velocidade Ka 2) Condições idênticas usando iodeto radioativo como Nu ( 128 I - ) Neste experimento pode-se determinar a velocidade de troca entre o iodo normal e o iodo radioativo com constante de velocidade Kr Constatou-se que a velocidade da reação Kr é metade da velocidade de perda da atividade ótica (racemização): Ka/Kr = 2

15 SN 2 Estereoquímica experimentos mecanismo Constatou-se que a velocidade da reação Kr é metade da velocidade de perda da atividade ótica (racemização): Ka/Kr = 2 Quando uma molécula de 2-bromo-octano reage forma, via SN2, o seu enantiômero 3 C (R)-2-iodooctano I 128 I C I (S)-2-iodooctano A rotação ótica de uma molécula do produto cancela a rotação ótica de uma molécula do reagente. Pergunta: 5) Qual seria a relação Ka/Kr se a reação ocorresse através do mecanismo SN 1 (inversão de configuração)?

16 SN 2 Estereoquímica experimentos mecanismo 3 C Bz + Cl S (S)-1-fenil-2-propanol cloreto de p-toluenosulfonila α = + 33,0 0 Bz = Benzil S Piridina, 25 0 C 3 C Bz Ts (S) α = + 31,1 0 = Ts = Tosilato (-TS é bom grupo de saída) + N Cl K acetato de potássio K 3 C Bz C 3 reação de substituição à carbonila (últimos topicos da rg II) Bz Ts Acetona SN 2 2, (R) Ac C 3 Bz (R) α = - 7, K Ts C3C K + C 3 Bz (R)-1-fenil-2-propanol α = -33,0 0

17 SN 2 Estereoquímica Algumas perguntas: 6) Para a seqüência de reações abaixo e baseando-se no mecanismo da substittuição nucleofílica, dê uma explicação para a esteroquímica dos produtos. 3 C NaN 3 Cl acetona 3 C N C 6 5 1) LiAl 4 /Et 2 3 C 2) N C 6 5 N N

18 SN 2 Estereoquímica 7) Desenhe as estruturas tridimensionais de todas as substâncias envolvidas na conversão do (R)-1-deuteroetanol ao (S)-1-deuteroetanol. Dê a nomenclatura (R/S) para as substâncias A e B C 6 5 S 2 Cl C 3 C 2 -Na+ Na/ 2 C 3 CD A B (R) C 3 CD (S)

19 Reações SN1 Estas reações ocorrem em duas etapas com a formação de um carbocátion intermediário na etapa lenta. carbocátion possui hibridação sp2-planar e o nucleófilo pode se ligar ao orbital p vazio em uma de suas faces (alfa ou beta - ver desenho) com (à princípio) igual probabilidade 1 Nu GS R 1 R 3 R 2 δ GS δ+ R 1 R 3 R 2 + R 1 R 3 R 2 GS Nu- R 1 R 1 R 3 R 2 Retenção + R 2 R 3 = Racemização resultado esperado seria o produto racêmico no carbono que sofre a substituição (se este for assimétrico) Nu Inversão

20 Reações SN1 A racemização nem sempre é completa e pode ocorrer com diferentes graus de inversão e retenção de configuração Dependerá da estabilidade do carbocátion, do solvente e do nucleófilo Br Exemplos * Me (metanólise) 1-metoxi-1-feniletano (27% de inversão e 73 % de racemização) ticamente ativo 2-bromo-heptano óticamente ativo Et/ 2 2-etoxi-heptano + 2-heptanol (87 % de inv. e 14 % de retenção) (84% de inv. e 16% de retenção) 8) Qual o excesso enantiomérico em cada uma das misturas acima? % Pureza óptica = 100 [α]mistura / [α]amostra pura % e.e. = 100 ([R]-[S]) / ([R]+[S])

21 Reações SN1 - Produto racêmico: igual probabilidade do nucleófilo se ligar nas duas faces do carbocátion - Estabilidade do carbocátion, solvatação do carbocátion e do grupo de saída C C Br + Me 3 C 3 C C 6 5 C 3 C 6 5 C 3 + Br - C 3 + Br - Resultado: racemização - inversão

22 Variáveis na SN em carbono sp3 Grupos de saída Nucleófilos Carbono a sofrer a substituição Solvente SN1 X SN2 Reações competitivas Participação de grupos vizinhos SN X Eliminação

23 SN - Grupo de Saída Estabilidade - bases conjugadas de ácidos fortes p-mec 6 4 S 3 - I -, Br - 2 Me 2 S Cl - CF 3 C 2-2 P 4 - F - C 3 C 2 - CN - N 3 C RN 2, R 3 N EtS - - Me - - N 2 - C 3 Grupo de saída < 0 0,2 2 3,2 4,8 9,1 9, ,6 15, Pka do ácido conjugado Bons grupos de saída Razoáveis Ruins Péssimos

24 SN - Grupo de Saída Perguntas: 9) Coloque as espécies abaixo em ordem crescente de melhor grupo de saída a) 2, 3 C S 3 -, -, 2 N - b) c) C 3, CF 3 -, C 3 -, CF 3 C 2 -, C 3 C 2 - -, Cl-, Br-, C 3 C 2 -, - 10) Dê uma explicação para os seguintes resultados: (C 3 ) 3 C + NaCl 2 não ocorre reação (C 3 ) 3 C + NaCl 2 /Cl (C 3 ) 3 CCl

25 SN - Nucleófilo Importante somente em SN 2 - Bons nucleófilos = bons doadores de elétrons = bases de Lewis (nem sempre) Nucleofilicidade vs Basicidade: mesmo átomo doador ou átomos da mesma linha da TP N-nucleófilos 2 N - C 2 5 N 2 3 N C 6 5 N 2 p-n 2 C 6 4 N 2 -nucleófilos C C C 3 C N vs 2 N N 2 Nucleofilicidade Basicidade

26 SN - Nucleófilo Importante somente em SN 2 Nucleofilicidade vs Basicidade Velocidade de reação com um átomo de carbono vs Fenômeno de equilíbrio com + ( 2 ) Grupo V Grupo VI Grupo VII Basicidade R 3 P RS - I - R 3 N R - Br - Cl - F - Nucleofilicidade

27 SN - Nucleófilo Nucleofilicidade vs Basicidade Grupo VI RS - R - S S + RC S S C R

28 SN - Nucleófilo Velocidades relativas de substituição nucleofílica em SN 2 Exemplos para a reação Me Nu: + C 3 I Nu-C 3 Nu: Κ 2 (rel.) Nu: Κ 2 (rel.) Me 1 C 6 5-5,6x10 5 F - 5x10 2 N 3-6x10 5 C 3 C 2-2x10 4 Br - 6x10 5 Cl - 2,3x10 4 Me - 2x10 6 (Me) 3 P 1,6x10 5 CN - 5x10 6 C 5 5 N 1,7x10 5 Et 2 N 1x10 7 N 3 Me 2 S 3,2x10 5 3,5x10 5 (C 6 5 ) 3 P I - C 6 5 S - 1x10 7 2x10 7 C 6 5 N 2 C 6 5 S 5x10 5 5x10 5 8x10 7

29 SN - Nucleófilo impedimento espacial Nucleofilicidade vs Basicidade C 3 3 C 3 C C C 3

30 Mais perguntas: 11) Muitos nucleófilos são ânions mas alguns ânions não são nucleofílicos. Explique porque BF4 - (tetrafluoreto de boro) não é um nucleófilo. 12) Para os pares abaixo indique qual o melhor nucleófilo para a reação com brometo de metila em metanol a) Me 3 B ou Me 3 P; b) C 3 ou C 3 S; c) C 6 5 ou C 6 5 -; d) n-c ou t-c 4 9 -; e) MeN 2 ou Me 2 N; f) 3 N ou 4 N+; g) p-n 2 C ou p-mec h) Et 3 N ou N Continua...

31 Mais perguntas: 13) Dê uma explicação para a ordem de reatividade mostrada abaixo R R + C 3 I Me N N I Me velocidade relativa: N N N Me N Me Me N CMe 3 2,3 1,0 0,5 0,04 0, ) A velocidade da reação do álcool terc-butílico com Br ou Cl é a mesma. No entanto, ao reagir o álcool com quantidades iguais de Br e Cl tem-se o brometo de terc-butila como produto principal. Explique.

32 Substituição nucleofílica Estrutura do substrato SN 1 SN 2 R-Br + 2 R R-X + Nu: R-Nu R Κ 1 (rel.) R Κ 2 (rel.) C 3 - C 3 C 2 - (C 3 ) 2 C- (C 3 ) 3 C ,2 x 10 6 C 3 - C 3 C 2 - RC 2 C 2 - (C 3 ) 2 C ,4 0,002 (C 3 ) 3 C- 0,001 C 3 ) 3 CC 2-0,00001

33 Substituição nucleofílica Estrutura do substrato SN 1 Et C3 R-Cl + C 2 2 RC 2 5 C2 C2 -Cl R C 3 C 2 - C 2 =CC 2 - C 6 5 C 2 - C 6 5 C(C 3 )- (C 3 ) 3 C- (C 6 5 ) 2 C- (C 6 5 ) 3 C- C 3 C 2 C 2 - Κ 1 (rel.) 1,2 x ,04 0, x 10 6 > C 3 C 2 -C Cl - + C 3 C 2 =C.. 2

34 Substituição nucleofílica Estrutura do substrato SN 2 pouco efeito de estabilização do ET δ - δ + δ - Nu C GS R C 3 C 2 - C 2 =CC 2 - C 3 C 2 C 2 C 6 5 C 2 - C 3 C 2 - Κ 2 (rel.) SN 2 impedimento espacial Nu: X Nu: X terc-butil-gs neopentil-gs

35 Exercícios 15) a) Proponha um mecanismo que explique porque a hidrólise da clorometildimetilamina é muito rápida b) Porque alfa-cloroaminas hidrolisam mais rapidamente do que os correspondentes alfa-cloroéteres? 16) aletos de propila primários sofrem SN 2 cerca de 40 vezes mais rápido do que haletos de etila primários. Explique através de desenhos tridimensionais. 17) Coloque as substâncias seguintes em ordem crescente de reatividade. A) na solvólise via SN 1 : (p-c 3 C 6 5 ) 3 CCl; 2-cloro-2,3- dimetilbutano; 2-cloropropano; 3-cloro-2-metilpropeno; clorodifenilmetano B) na substituição por iodeto em acetona (SN 2 ): 2-cloropropano; clorofenilmetano; 1-cloro-2,2-dimetilpropano; clorometano; clorometil metil éter. 18) A solvólise da substância abaixo ocorre cerca de 600 vezes mais rápido do que a solvólise do cloreto de terc-butila. Explique. Cl

36 Substituição nucleofílica Efeito do solvente polar Solventes próticos Constante dielétrica (25 o C) Solventes apróticos 2 81 C Me 2 S (DMS) 38 MeCN 37 CNMe 2 (DMF) Poder ionizante Me Et Me 2 C Me 3 C (Me 2 N) 3 P (MPT) Me 2 C 7 TF C 3 C 2 6 apolar 4 2 Et 2 n-c 5 12, C 6 6, CCl 4

37 Substituição nucleofílica Efeito do solvente Solvólise do brometo de terc-butila Solvente Et Velocidade relativa SN 1 : estabilização do intermediário, diminuição da energia do ET da EL SN2: depende do substrato e do Nu - dispersão de carga no ET - formação de carga no ET - destruição de carga no ET Efeito do aumento do poder ionizante do solvente Mecanismo SN 1 SN 2 SN 2 SN 2 Reagentes Produtos R-L R+ + GS: - Nu: - + R-GS R-Nu + GS: - Nu: + R-GS R-Nu + + GS: - Nu: - + R-GS + R-Nu + GS: Efeito na velocidade grande aumento pequena diminuição grande aumento grande diminuição

38 Substituição nucleofílica Efeito do solvente Solvatação de cátions e ânion por álcoois.. R: + M.. R... :R Ḣ -R - Nu: -R -R Remoção da camada de solvatação G k MeI + NaN 2 3 MeN 3 + NaI DMF = 3 x 10 3 Me = 3 x R + Nu: - RX G δ- Nu... R... δ- X G = G + G

39 Substituição nucleofílica Efeito do solvente Solvatação de cátions e ânion por álcoois velocidade DMS, DMF Cl - Br - I - Polar- velocidade carga localizada = pte- mais forte Complexação de cátions (contra-íon do Nu:-): ex. éteres em coroa K+

40 Resumo SN 1 x SN 2 SN 1 SN 2 Duas etapas Uma etapa Mecanismo R-GS R + Nu: - R-Nu RGS + Nu: - R-Nu + GS: - Cinética Primeira ordem Segunda ordem Nucleofilicidade do reagente Estrutura do substrato Solvente Estereoquímica Não é importante Estabilização por ressonância favorece terc >> sec > prim Solventes polares favorecem Recemização a inversão Controla a velocidade Impedimento espacial desfavorece C 3 > prim > sec >> terc Efeito pequeno; pte de desfavorece Inversão Condições reacionais Reações competitivas Normalmente ácidas Eliminação e rearranjo Normalmente básicas Eliminação

41 19) solvente afeta a velocidade de reação/energia de ativação através da modificação dos níveis de energia relativos entre os reagentes e os estados de transição. Considerando a hidrólise do brometo de terc-butila em Et- 2, desenhe um diagrama de energia vs coordenada de reação comparativo para esta reação em 3:7 e 7:3 de Et: 2, respectivamente. 20) a) A solvólise do 1-bromo-1-feniletano oticamente ativo em Me ocorre com 27 % de inversão de configuração. Já a solvólise em água resulta em aproximadamente 17 % de inversão. Explique. b) a mesma reação quando feita em metóxido de sódio em Me fornece somente o produto de inversão de configuração. Explique. 21) s resultados das reações de solvólise abaixo foram divididos entre os componentes SN 1 e SN 2 de cada reação conforme o solvente usado. Explique os resultados através do efeito do solvente e efeitos estruturais. Substrato Me 2 CBr C 6 5 C(C 3 )Cl Solvente Et: 2, 4:1 Et: 2, 3:2 Et Me SN 1 /SN 2 0,002 0,1 0,2 1,7

42 SN Grupos de saída mais comuns GS Substrato GS Substrato - Cl -, Br -, I - R-Cl, R-Br, R-I + 2 R- 2 R R' R' R R + R-R + - S3 R S 3 R' R' - S2 R' - SCl R R S 2 R' SCl - PCl2 R PCl 2 - PBr2 R PBr 2 N N R N + N + SR' 2 R SR' 2 NR' 3 + R NR' 3

43 SN Nucleófilos e Produtos Nucleófilo Produto Nucleófilo Produto Cl -, Br -, I - R-Cl, R-Br, R-I N 2 N 2 RNN 2 2, - R, R- R- R-R - RN N R N N N N 3 + R PR' PR' R' 2 S, S - R' R R-S R' C- C R RS, RS- R-SR + SR' 2 R SR' 2 R' 3 C - R' 3 C R R'C C - R'C C R N 3, R'N 2, R' 2 N RN 2, RNR', RNR' 2 + NR' 3 R NR' 3 CN - LiAl 4 R R CN

44 SN - Reações competitivas SN 1 : Eliminação e rearranjo Nu: - + C C Nu C C R R + C C C + C

45 SN 1 : Eliminação e rearranjo SN - Reações competitivas 19 % Br Et + Et 81 % + Br + Br + Br

46 SN - Reações competitivas SN 2 : Eliminação Nu: - C GS C Nu C C Br + Et - Na + Et + 21 % 79 %

47 SN Participação de grupos vizinhos - SNi Cl Ca() 2 - Cl Cl K/ 2 N N 2 Anéis de 5 ou 6 membros: entropia favorável (10000 a mais rápido do que intermolecular) 3 membros: 100 a 1000 vezes mais rápido

48 SN Participação de grupos vizinhos - SNi S Cl + 2 k S Cl + 2 k' k/k' = 3 x 10 3 Br Na dil./ 2 Explique os resultados acima

49 22) Explique o resultado através do mecanismo Cl, ou Cl produto principal 23) Diga quais devem ser os produtos e explique Cl ou Cl Na/ 2 mistura de dois produtos 24) Explique (use desenhos em perspectiva) 25) Dê o mecanismo: eritro-3-cloro-2-butanol + Na aq. meso-2,3-butanodiol treo-3-cloro-2-butanol + Na aq. dl-2,3-butanodiol Et 2 NC 2 CC 2 C Et 2 NCC 2 C 3 Cl C 2

50 Bibliografia utilizada: - Sites já citados na home-page do curso; - S.. Pine, J.B.endrickson, D.J. Cram, G.S. ammond, Em: rganic Chemistry, 4a. Ed., McGraw-ill; - K.P.C. Vollhardt, N.E. Schore, Em rganic Chemistry, 2a. Ed., W.. Freeman and Company; - T.W.G. Solomons, Em: rganic Chemistry, 5a. Ed., John Wiley and Sons, Inc.; - R.T. Morrison, R.N. Boyd, Em: rganic Chemistry, 6a. Ed., Prentice all, Inc.