QUIMICA ORGÂNICA BÁSICA

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1 QUIMICA ORGÂNICA BÁSICA Reações Substituição Nucleofílica

2 SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFILICA TERMINOLOGIA

3 REAÇÕES DE SUBSTITUIÇÃO Um grupo substitui outro. Y + R X R Y + X Y substitui X ( Substituição ) Y desloca X

4 DESLOCAMENTO NUCLEOFÍLICO Substrato Leaving Group (LG) Nu: - + R X R Nu + :X - Nucleófilo Leaving-group Produto o Nucleófilo desloca o leaving group. Esta é uma reação de substituição : Nu substitui o X.

5 IMPORTANTE: Reação de Substituição Esta é uma reação em Carbono sp 3 (tetraédrico). sp 3 sp 2 sp sim C X não C C X X C C X Compostos que tem Carbono sp 2 ou sp geralmente Não sofre reação de substituição nucleofílica... Na realidade em alguns casos eles reagem, mas discutiremos em outras ocasiões.

6 EXEMPLO 1 * acetone acetona NaI + Br I + NaBr (s) solúvel insolúvel Iodeto desloca o brometo ligado ao carbono * NaI é solúvel em acetona, NaCl e NaBr não são.

7 EXEMPLO 2 Reação de Substituição E1 compete 3 C C Cl O 3 C C O + 3 O + + Cl - 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.

8 REAÇÕES DE DESLOCAMENTO REAÇÕES DE SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA ( substituição no carbono ) Pode ser comparado a.. REAÇÕES ACIDO-BASE ( substituição do hidrogênio )

9 DESLOCAMENTO NO CARBONO Nu: - + R X R Nu + :X - Nucleófilo substrato produto leaving group DESLOCAMENTO NO IDROGENIO B: - + X base ácido B ácido conjugado + :X - base conjugada

10 ESTAS REAÇÕES TÊM UMA AMPLA GAMA DE SUBSTRATOS

11 SUBSTRATOS aletos de Alquila R R Cl Br ( Leaving group) Reação de Substituição Leaving Group Álcoois + R O R O R I Álcool requer meio ácido Álcool protonado o LG será 2 O bom LG tosilatos ABREVIAÇÃO O R O Ts R O S O p-toluenesulfonato de alquila

12 UMA AMPLA SELEÇÃO DE NUCLEÓFILOS TORNA POSSÍVEL A SÍNTESE DE MUITOS TIPOS DE COMPOSTOS ORGÂNICOS: R-Y + Nu Nucleófilos Cl -,Br -,I - O - RO - C N - O R' C O - R' C C: - Produto R O R O R' C O R R' C C R R X haletos de Alquila R O álcoois R Reação de Substituição Nucleófilos R-Nu + Y C N éteres nitrilas ésteres alcinos S - R S tióis Classe

13 O + R Br O Em algumas circunstâncias a água irá reagir. Reação de Substituição Nucleófilos O R + R O - + Br + 3 O + + Br - Nucleófilos Produtos Função O R O R O R O R álcool Éteres N 3 R N 2 Aminas 1ª Aminas 2ª R' N 2 R' N R

14 Nucleófilos REAÇÕES Similares RBr + NaO Duas reações a seguir... RO + NaBr Ambas parecem ser idênticas e seguem o padrão geral mostrado acima. No entanto, elas são diferentes!

15 Nucleófilos RBr + NaO RO + NaBr 1) etanol 80% ethanol Br + NaO O + Br - 20% water água 55 o C 2) velocidade = k 2 [RBr] [NaO] alta conc. NaO 3 C C Br + NaO 80% ethanol etanol 20% water água 55 o C 3 C C O + Br - v = k 1 [RBr] ( + alceno E1,E2 ) baixa conc. NaO

16 Nucleófilos Observe esse substrato na reação 1 não tem nenhum hidrogênios-b... Por que não? Br + NaO 80% ethanol 20% water O

17 REAÇÃO 1 REAÇÃO S N 2

18 Nucleófilos etanol velocidade = k 2 [RBr] [NaO] 80% ethanol Br + NaO O + Br - 20% water água 55 o C k 2 = litros/mol-seg O - Br etanol 80% ethanol água 20% water O + Br - bimolecular concertada S N 2 substituição Nucleofílica bimolecular

19 Estado Transição Reação Concertada (uma etapa) E N E R G I A substrato Estado de transição [ET] Ea D produto S N 2

20 Exemplo 2 A REAÇÃO S N 1

21 S N 1 3 C C Br + NaO 80% ethanol água 20% water 55 o C 3 C velocidade = k 1 [RBr] C O + Br - k 1 = litro/mol-seg. 3 C C Br + lento etanol O 80% ethanol NaO C + Br - 20% water 3 C água unimolecular duas etapas S N 1 3 C O C+ + Br - rápido substituição Nucleofílica unimolecular

22 S N 1 E N E R G I A TS 1 carbocátion intermediário TS 2 Ea 2 Ea 1 S N 1 Material partida etapa 1 etapa 2 D produto

23 REAÇÃO EM 2 ETAPAS E N E R G I A ET 1 Ea 1 Reação de Substituição S N 1 carbocátion intermediário Ea 2 ET 2 S N 1 substrato etapa 1 etapa 2 D produto

24 Nucleofílica Sinopse das Reações de Substituição S N 1 / S N 2

25 REVISÃO RBr + NaO RO + NaBr Duas reações semelhantes 1) Primeiro Caso C Metílico etanol 80% ethanol Br + NaO O + Br - 20% water água 55 o C S N 2 velocidade = k 2 [RBr] [NaO]

26 REVISÃO 2) Segundo Caso 3 C C Br + NaO 80% ethanol 20% water 55 o C 3 C C O + Br - C terciário S N 1 velocidade = k 2 [RBr]

27 S N 1 S N 1 S N 2 velocidade = k 1 [RBr] velocidade = k 2 [RBr].[Nu] Esta diferença é significativa, ou é um tipo de "ilusão matemática"?

28 Mecanismo O TRABALO DE UGES E INGOLD

29 Verificado experimentalmente que: UGES E INGOLD (1940) Compostos primários sofrem reações S N 2 com cinética de segunda ordem. Compostos terciários sofrem reações S N 1 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?

30 Estereoquímica 2-BROMO-OCTANO UM ESTUDO ESTEREOQUÍMICO Vamos usar um composto oticamente ativo.

31 2-BROMO OCTANO * C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C R = C 6 13 abreviando Br * R C Quiral C secundário Br Pode reagir por S N 1 ou S N 2

32 R C Br CINÉTICA DIFERENTE EM DIFERENTES CONCENTRAÇÕES DE BASE S N 1 baixa conc. [ O - ] < 0.1 M R C + k 1 [RBr] S N 2 k 2 [RBr][O] R C O alta conc. [ O - ] > 1 M 1) 2 O 2) - + Os dois Mecanismos competem

33 V E L O C I D A D E V total = k 1 [RBr] + k 2 [RBr] [O - ] [ O- ] [RBr] constante TOTAL S N 1 S N 2 Predomina a baixa [O - ] S N 2 k 2 [RBr] [O - ] predomina a alta [O - ] S N 1 k 1 [RBr]

34 RESULTADOS ESTEREOQUIMICOS * C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2-Bromo-octano é quiral... Reação de Substituição Estereoquímica E se começarmos com um composto enantiomericamente puro (um enantiômero apenas)? Br O resultado estereoquímico é o mesmo em: S N 1 e S N 2?

35 TROCAS ESTEREOQUIMICA R-(-)-2-bromooctano [a] D = o R S N 2 alta [O-] R Br Reação de Substituição Estereoquímica S N 1 baixa [O-] O R S-(+)-2-octanol [a] D = o inversão S R completa racemização R + O O R enantiômeros Mistura racêmica S [a] D = 0 o

36 Mecanismo MECANISMO Como explicar a estereoquímica dos produtos Com os mecanismos das reações SN1 e SN2? Vamos tentar!!!!!

37 S N 1 S N 1

38 S N 1 R Br (R) sp2 Carbocátion planar + 50% R C - O 50% Ataque acima e abaixo do plano RACEMIZAÇÃO (S) O R + R enantiômeros O Mistura racêmica (R)

39 S N 2 S N 2

40 Ataque Nucleofílico.. O:.. Orbital n s* R C Reação de Substituição S N 2 (R)- configuração.. : Br:.. Nu ataca o lóbulo oposto.. O:.. R C Br - INVERSÃO (S)- configuração

41 ANALOGIA CONCEITUAL 1 JOGO DE BILAR 1) Duas bolas em repouso São tocadas Reação de Substituição S N 2 X Semelhante ao conceito a um ataque da parte traseira forçando o Nucleófilo a sair. Nu X 2) Choque vigoroso segundo um eixo 3) Colisão Nu X 4) Transferência do momento Nu X

42 CONCEPTUAL ANALOGY 2 INVERSÃO DO GUARDA-CUVA NO VENTO Inversão do guarda-chuva é semelhante em conceito a inversão de um átomo de S N 2.

43 PROCESSO INVERSÃO sp 2 Reação de Substituição S N 2 R 2p O C B.. O:.. R C sp 3 : Br (R)-configuração O C 3 C Ea Br Complexo ativado é trigonal planar (sp 2 ) configuração é invertida O : C R sp 3 (S)-configuração

44 COMPLEXO ATIVADO - S N 2 Ponto médio da reação formando R Reação de Substituição S N 2 trigonal planar (sp 2 ) quebrando O C Br Carbono com 5 ligações? mas as ligações com Br e O são apenas parciais. (pequena interação) NÃO É ESTAVEL

45 S N 2 NUCLEOFILICIDADE Que é NUCLEÓFILO? E BASE? Que é BOM NUCLEÓFILO?

46 NUCLEÓFILOS & BASES DIFERENÇAS Reação de Substituição S N 2 Nucleofilicidade Parâmetro cinético (velocidade) Basicidade Parâmetro termodinâmico (equilíbrio) Todos nucleófilos são bases... mas nem todas as bases são nucleófilos. NO ENTANTO : Uma boa base não é necessariamente um bom Nucleófilo e vice-versa.

47 NUCLEOÓFILO x BASE Nu 1 Nucleofilicidade = Cinética Veloc. = k 2 [RX][Nu] Reação de Substituição Nu x Base Nu 2 é um melhor Nucleófilo ( reação rápida) Nu 2 Bom Nu aumenta k 2 (i.e., a Veloc.) Basicidade = Termodinâmica B: B- Base forte desloca o equilib. Nu 1 uma base mais forte ( LIGAÇÃO FORTE)

48 Nu x Base 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 Cinéticos (Nu) Mais rápida melhor Nu BASES Basicidade é Determinada aqui Fatores Termodinâmicos (Base) Menor Energia, melhor Força da ligação e posição de equilíbrio

49 Nu x Base A NUCLEOFILICIDADE É IMPORTANTE EM REAÇÕES S N 1 E S N 2?

50 Nu NUCLEÓFILOS IMPORTÂNCIA EM REAÇÕES S N 1 E S N 2 A natureza de um Nucleófilo só é importante para reação SN2. S N 2 velocidade = K 2 [RX][Nu] Nucleófilos são importantes em uma reação de SN1; Não estão envolvidos na etapa determinante da velocidade. S N 1 velocidade = K 1 [RX]

51 Nu BOM NUCLEÓFILO? REAÇÃO S N 2

52 QUAL É O NUCLEÓFILO IDEAL? GRANDE.. : Y.. : S N 2 REACTIONS ruim Reação de Substituição Nu EFEITOS ESTERICOS R PEQUENO : - bom.. Ẋ: C : Br Menor é melhor! R R Para uma reação S N 2 o Nucleófilo deve atacar o Orbital s* da ligação C-LG (leaving group)

53 NUCLEÓFILO IDEAL Reação de Substituição Nu EM FORMA DE ASTE OU SETA - :C N: :N N N: cianeto azida Estes tipos são Capazes de Atingir o alvo! Pequenas esferas :F:.. :Cl:.. etc. Geralmente este modelo é correto.

54 NOSSA EXPECTATIVA INGÊNUA F Cl Br I Esperamos que os haletos serão bons nucleófilos: Menor íon Raio iônico: Reação de Substituição Nu 1.36 Å 1.81 Å 1.95 Å 2.16 Å e esperamos que o menor (fluoreto) seja o melhor Nucleófilo,.. no entanto, isso geralmente não é o caso.

55 REATIVIDADE DE ALETOS -I + NaX k Reação de Substituição Nu MeO -X + NaI Velocidade = k [ I] [X - ] RESULTADOS EXPERIMENTAIS S N 2 F - 5 x 10 2 Mais Lento Cl x 10 4 Br - 6 x 10 5 I - 2 x 10 7 Mais Rápido * MeO solvata como a água, mas dissolve tudo melhor.

56 Nu SOLVATAÇÃO Solvatação inverte a tendência do efeito de tamanho.

57 CALOR DE SOLVATAÇÃO F Reação de Substituição Nu A ENERGIA É LIBERADA QUANDO UM ÍON É COLOCADO NA ÁGUA - Fase gasosa -120 Kcal / mole CALOR DE SOLVATAÇÃO F - (g) F - (aq) O O F - O O ION SOLVATADO Solução aquosa 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.

58 ÍONS ALETOS Raio Iônico Reação de Substituição Nu 1.36 Å 1.81 Å 1.95 Å 2.16 Å Menor íon F Cl Br I Calor de Solvatação em 2 O Kcal / mol X( 2 O) n Grande interação Aumenta a solvatação Pequena interação Íons pequenos SOLVATAM mais que IONS maiores

59 O + - O O Água como SOLVENTE - + Ligação polar O C 2 O Reação de Substituição Nu M + O O O O O R N X - O O A água é uma molécula polar, pela extremidade Negativa do oxigênio e positiva de hidrogênio. Podendo solvatar tanto cátions como ânions.

60 Nu ÍONS PEQUENOS SÃO MAIS SOLVATADOS QUE OS GRANDES F - Forte interação Com o solvente O - O I O - O O - O O O camada O O do solvente MELOR NUCLEÓFILO...menor interação com a camada do solvente... escapa facilmente maior energia potencial Maior "Tamanho efetivo" A Solvatação reduz a energia potencial do Nucleófilo. Este íon é menos reativo. Fraca interação com o solvente É difícil para o Nucleófilo ser solvatado e escapa da camada do solvente.

61 SOLVENTES PROTICOS Reação de Substituição Nu O O C 2 O água metanol etanol aminas + - O O solventes OPróticos - são aqueles M + que O O tem ligações hidrogênio + O-, N- O ou S-. A água é um exemplo de um solvente "prótico". R N X - O O solventes Proticos podem formar ligação hidrogênio e podem solvatar ambos, cátions e aníons.

62 ÍONS MAIORES SÃO NUCLEÓFILOS MELORES EM SOLVENTES PRÓTICOS 3 FATORES: 1 Reação de Substituição Nu Em solventes prótico os íons maiores são menos solvatados (menor camada de solvente) portanto, tem maior energia potencial. 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. á maior energia potencial. 3 Os íons maiores são considerados mais "polarizáveis". Veja o próximo slide...

63 Nu 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 ipotético A distorção de íons grandes é mais fácil porque as nuvens dos orbitais são mais difusas.

64 BASICIDADE Reação de Substituição Base 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: O - é melhor Nucleófilo que o F-

65 Nu NUCLEOFILICIDADE EM SOLVENTES PRÓTICOS

66 Nu NUCLEOFILICIDADE OBSERVADA TENDÊNCIAS EM 2 O OU OUTROS SOLVENTES "PRÓTICOS" GRUPO IV V VI VII basicidade Aumenta a Nucleofilicidade (Período) - N 2 - O - F - P 2 - S - Cl - maior solvatação, maior tamanho efetivo, menor energia potencial Br - I - aumenta Nucleofilicidade (COLUNA) basicidade

67 Velocidade relativa: reações com Nu MeO -I + Nu: -Nu + I - Rate = k [ I] [X - ] F- 5 x 10 2 COO- 2 x 10 4 Cl- 2.3 x 10 2 C 6 5 O- 5.6 x 10 5 N 3-6 x 10 5 Br- 6 x 10 5 O- 2 x 10 6 :CN 5 x 10 6 I - 2 x 10 7 C 6 5 S - 8 x 10 9 Reação de Substituição Nu O 1.0 N x 10 5 ( ) 2 S 3.5 x 10 5 C 6 5 N 2 5 x 10 5 C 6 5 S 5 x 10 5 Estes são bons nucleófilos, mas cuidado, alguns são bases fortes S N 2 (solvólise rápida) CARREGADO NEUTRO

68 Nu SOLVENTES APRÓTICOS

69 SOLVENTES APRÓTICOS O S O + dimetilsulfóxido DMSO C acetona Se estiver livre de água - - O C C O 3 C C + 3 N N P N 3 C N 3 C dimetilformamida DMF N acetonitrila Reação de Substituição Solventes hexametilfosforamida MPA SOLVENTES APRÓTICOS NÃO TEM LIGAÇÕES O, N, OU S Eles não formam ligações hidrogênio.

70 Solventes SOLVENTES APRÓTICOS SOLVATAM CÁTIONS, MAS NÃO ÂNIONS (NUCLEÓFILOS) 3 C S 3 C O - S O M + O - 3 C O S + + S crowded X - O Nucleófilo é "livre" (não-solvatado) e, portanto, é pequeno e não impedido por uma camada de solvente.

71 DIMETILSULFÓXIDO Reação de Substituição Solventes u Modelo bolas O S densidade potencial eletrostático

72 DIMETILFORMAMIDA Solventes 3 C N C O M + O X - C N Nu free (não solvatado)

73 NUCLEOFILICIDADE OBSERVADA SOLVENTES APROTICOS Reação de Substituição Nu & Solventes GRUPO IV V VI VII Aumenta a Nu (período) - N 2 - O - F - P 2 - S - Cl - Br - I - Diminui o Tamanho iônico Armenta a Nu (COLUNAS) A direção da seta vermelha (COLUNAS ) representa um Sentido inverso que nos solventes proticos. basicidade

74 S N 2 POR QUE NÃO, USAR SEMPRE SOLVENTES APRÓTICOS PARA S N 2? 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 MPA $47.50 / L $33.75 / L $ / L Menor preço disponível, Aldrich Chemical Co., 2000.

75 SOLVENTES QUAIS SÃO OS BONS SOLVENTES PARA S N 1 E S N 2?

76 S N 1 SOLVENTES = POLAR Reação de Substituição Nu Reações SN1 preferem solventes próticos polares que podem solvatar o ânion e o cátion formados na etapa determinante da velocidade. R-X R + + X - Etapa determinante da velocidade íons solvatação dos dois íons acelera a ionização Carbocátion

77 Nu S N 2 SOLVENTES = APOLAR OU POLAR-APROTICO Reações S N 2 preferem solventes não polar, ou Solventes polar aprótico que não solvatam o Nu..... : :X PEQUENO, Não SOLVATADO R C : Br Menor é melhor R R

78 Solventes POLAR APROTICO S N 1 CF 3 COO 2 O POLAR O - O + S CF 3 C 2 O COO O C N O C C 2 O COO polaridade S N 2 C 2 O C 2 CCl 4 POLAR PROTICO NÃO POLAR C 2 C 2 C 2 NÃO POLAR

79 Solventes MISTURA DE SOLVENTES

80 Solventes MISTURA DE SOLVENTES SÃO COMUNS RX NaX aletos de Alquila não são solúveis em água, e solúveis em solventes orgânicos. Sais Nucleofílicos não são solúveis em solventes orgânicos, mas solúveis em água. Ambos solúveis em mistura de solventes. C 2 C 2 C 2 Cl + NaBr solventes miscíveis 50% EtO 50% 2 O Solúvel em EtO Solúvel em 2 O

81 Solventes EXCEÇÕES NaX Solúveis em solvents orgânico polar-aprotic: DMF, DMSO, MPA. NaI e NaCN é solúvel em acetona, Mas NaCl e NaBr não.

82 Resumindo S N 1 CARBOCATIONS REAGEM COM TODOS NUCLEÓFILOS IGUALMENTE O nucleófilo não participa do passo determinante da velocidade. S N 2 Melhor NU Reagem mais rápido dando maior rendimento (produto) O nucleófilo participa do passo determinante da velocidade

83 NUCLEÓFILOS COMPARAÇÃO

84 REAÇÃO S N 1 REAÇÃO S N 1 TODOS NUCLEOFILOS REAGEM IGUALMENTE C 3 C O O, + solvólise lento C 3 C +.. :.. I :.. :Br: :Cl:.. Todos reagem igualmente com o carbocation. A concentração de RCl, RBr and RI refletem sua concentração inicial na solução.

85 REAÇÕES S N 2 PARA REAÇÕES S N 2, O TAMANO E A NATUREZA DO NUCLEÓFILO SÃO IMPORTANTES. Cl - Br - - I C 2 Cl Diferentes concentração de RCl, RBr, e RI são encontradas a partir de soluções equimolares.

86 EXPERIMENTO 1 S N 2 C 2 C 2 C 2 O Sais de Amonio São mais solúveis Que sais de Na +, NaX 2 SO 4 N 4 + Cl N 4 + Br (8M) (3.5M) (3.5M) Catálise ácida e substratos primários = S N 2 C 2 C 2 C 2 Br + C 2 C 2 C 2 Cl equimolar O QUE OCORRE? Sob estas condições álcoois secundários e terciários reagem predominantemente via S N 1

87 S N 2 Reação de Substituição NUCLEÓFILOS PARTICIPAM NO CONTROLE DA VELOCIDADE Substrato primário + C 2 C 2 C 2 O C 2 C 2 C 2 O O melhor Nu reage mais rápido Br - Cl lento mais RBr menos RCl ~ 80/20 Observado Neste experimento obtemos RBr mais que RCl. velocidade = k [RO] [X-]

88 EXPERIMENTO 2 S N 1 Mesmas condições, Substrato terciário = S N 1 C C O 2 SO 4 3 N 4 + Cl N 4 + Br terciário (8M) (3.5M) (3.5M) C Br + C Cl equimolar O QUE OCORRE?

89 S N 1 NUCLEÓFILOS PARTICIPAM NO CONTROLE DA VELOCIDADE C Cl lento C O C O C+ + Br - Observado igual quantidade RBr + RCl reage igualmente Neste experimento obtemos a mesma quantidade de RBr e RCl. velocidade = k [RO] 50/50

90 SUBSTITUIÇÃO x ELIMINAÇÃO Em condições Reacionais S N 1 e S N 2, pode também ocorrer Reação de eliminação!

91 S N 1

92 COMPETIÇÃO DE REAÇÕES Reações de solvólise sempre Leva a mistura de produtos de reações S N 1 and E1. Carbocations! C 3 E1 C C 2 Ataca :.. -b O Et C 3 C 3 C Br C OEt EtO solvólise C 3 S N 1 C 3 Et C + C O + ou O :.. Et ataca Ion C+

93 SUBSTITUIÇÃO x ELIMINAÇÃO ALTAS TEMPERATURAS FAVORECE A ELIMINAÇÃO. C Cl Mesmo resultado Para RBr e RCl C EtO 2 O C 2 C EtO Ambos RCl e RBr Fornecem 2 O o mesmo C+! + C 2 C C OEt 25 o C 17% 83% 60 o C 36% 64% E1 / S N 1 + C OEt (+RO)

94 S N 2

95 SUBSTITUIÇÃO x ELIMINAÇÃO C 3 C Br S N 2 E2 S N 2 e E2 ocorrem simultaneamente.. :O :O-.. - Melhor nucleófilo fornecem mais substituição bases fortes fornecem mais eliminação (quebra ligação C-)

96 3 C Cl EtO 2 O SUBSTITUIÇÃO x ELIMINAÇÃO 3 C 2 CReação + de Substituição C OEt CProf. 3 ugo Braibante-UFSM ALTAS TEMPERATURAS FAVORECE A ELIMINAÇÃO. C C Br + 3 NaO EtO 2 O C 2 C + C OEt (+ RO) 45 o C 53% 47% 100 o C 64% 36% E2 / S N 2

97 SUBSTITUIÇÃO x ELIMINAÇÃO TEMPERATURA ENERGIA DE ATIVAÇÃO

98 SUBSTITUIÇÃO x ELIMINAÇÃO Reações de eliminação geralmente têm uma maior energia de ativação (são mais difíceis) do que a substituição S N 2 / E2 eliminação E2 substituição S N 2 TEMPERATURA MAIS ELEVADA GERALMENTE FAVORECE A REAÇÃO DE ELIMINAÇÃO

99 SUBSTITUIÇÃO x ELIMINAÇÃO Reação de Substituição Reações de eliminação geralmente têm uma maior energia de ativação (são mais difíceis) do que a substituição S N 1 / E1 eliminação E1 substituição S N 1 TEMPERATURA MAIS ELEVADA GERALMENTE FAVORECE A REAÇÃO DE ELIMINAÇÃO

100 BASICIDADE x NUCLEOFILICIDADE E2 / E1

101 C Cl EtO 2 O C 2 C Bases Fortes favorecem E2 Reação de Substituição + C OEt secundário C Br EtO 2 O Bases Fracas favorecem S N 1 C 2 C + C OEt (+ RO) reagentes (20 o C) E1 S N 1 (solvolysis) C 2 O 3% 97% NaOC 2 / C 2 O 79% 21% E2 S N 2 Base fraca bom nucleófilo Base forte good nucleophile

102 BASES FORTES FAVORECEM E2, SUBSTRATO 2 o ou 3 o Base forte R- Br + NaOEt Éter + Alceno 50 o C Substituição Eliminação C 2 C 2 Br C Br C Br EtO S N 2 91 % 25 % 0 % * E2 9 % 75 % 100 % # * substrato 1º Favorece a reação S N 2 mesmo com uma base Forte (uso de calor para obter E2). C 3º terciário com uma base forte dará principalmente E2.

103 SUBSTRATOS TERCIÁRIOS FAVORECEM E2 COM BASE FORTE idrogênios 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 sp 3 é de difícil acesso (impedimento estérico) dificulta a substituição por S N 2... Et-O:.. E2 fácil S N 2 difícil A preferencia do substrato por reação E2 é o inverso do que para reação S N 2. X C C C C E2 : 3º >> 2º > 1º S N 2 : 1º > 2º >>> 3º Br

104 RESUMO

105 TODAS ESTAS REAÇÕES COMPETEM Nu fraco S N 1 3 o >> 2 o > 1 o Ambas ocorrem (S N 1 & E1) inseparaveis bom Nu S N 2 - bases forte pode ser usada e para evitar E2 usar substr. 1º 1 o > 2 o >> 3 o solvólise Reação de Substituição E1 E2 LG anti periplanar a beta QUAL A REAÇÃO SERÁ PREDOMINANTE? 3 o >> 2 o > 1 o Base fraca Nu fraco Aumento de temp. favorece E1 / E2 se Nu for Base forte 3 o >> 2 o > 1 o

106 COMO IDENTIFICAR SE É S N 1 OU S N 2? 1) VERIFIQUE O NUCLEÓFILO Reação S N 2 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 S N 1 / E1.. Terciário é ruim para S N 2 3) FINALMENTE, OLA PARA O SOLVENTE Reação de Substituição S N 2 é melhor em solventes apróticos polares e apolares, mas também pode acontecer em água ou EtO. S N 1 precisa de um solvente polar. see next slide..

107 DICAS ÚTEIS! GRÁFICO DE DECISÃO ANALISAR PRIMEIRO O NUCLEÓFILO, APÓS O SUBSTRATO SUBSTRATO * BOM NUCLEÓFILO Reação de Substituição BOM NUCLEÓFILO em alta concentração = S N 2 Se Nu for base forte = E2 substratos 1 o favorecem S N 2 a baixa T. no entanto, S N 2 precisa um substrato 1º ou 2º (ou benzílicos) não 3º RO - O - 2 N - SOLVENTE. prefere um solvente apolar, mas ocorre mesmo em um solvente polar (melhor apróticos). Alta T favorece E2 BASE FORTE Base forte interage com hidrogênio beta (anti-coplanar) dos substratos 3 o >> 2 o > 1 o

108 DICAS ÚTEIS! GRÁFICO DE DECISÃO ANALISAR PRIMEIRO O NUCLEÓFILO, APÓS O SUBSTRATO * Nucleófilo fraco Nucleófilo fraco (solvólise) = S N 1 + E1 ou baixa concentração (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

109 PROBLEMAS

110 PRODUTO E MECANISMO? Br (R) 1) C + NaCN acetona 2) Br C (R) + EtO EtO 3) C3C2C2C2C2C2Br + NaCl DMSO 4) Br + 4 M N ao 50 o C 5) C 2 Br M NaO 2 O

111 3 C O 6) 2 SO 4 50 o C 7) 8) Ph C (S) Br + C 2 C3 Ph C NaI acetona (R) O + N 4 M 4 Br 2 O 2 SO 4 9) C 3 C C 2 Br + EtO AgNO 3 EtO

112 ACELERANDO A REAÇÃO S N 1 TESTES PARA ALETOS LABEIS facilmente deslocados, muito reativo

113 ALETOS DE PRATA NÃO SÃO SOLÚVEIS EM ÁGUA Lembre-se de química geral e analítica: (ou em álcoois) NaCl (aq) + AgNO 3 (aq) NaNO 3 (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 S N 1. Ag + ajuda a ionização.

114 Cation Ag + auxilia na ionização C 2 C Cl.... : + Ag AgNO 3 EtO C 2 C Cl Ag.. S N 1 + E1 EtO C 2 C Et -O: AgCl (s) insolúvel em etanol

115 O TESTE DE NITRATO DE PRATA-ETANOL R-Cl + AgNO 3 EtO R-OEt + AgCl (s) benzílico alílico Aparecimento de um a ppt. Indica a reatividade do haleto terciário secundário primário aromático Velocidade rápido > lento > muito lento > não reativo Esta é uma reação de S N 1 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.

116 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. acetona R-Cl + NaI R-I + NaCl (s) R-Br + NaI acetona R-I + NaBr (s) Mais uma vez avaliamos a taxa de formação de precipitado. neopentila primário secundário terciário aromático Velocidade rápido > lento > muito lento > não reativo h1u2