Química Orgânica I Profa. Dra. Alceni Augusta Werle Profa. Dra. Tania Márcia do Sacramento Melo

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1 Química Orgânica I Profa. Dra. Alceni Augusta Werle Profa. Dra. Tania Márcia do Sacramento Melo Reações de Substituição Nucleofílica em Carbono Saturado

2 1- Reações de substituição nucleofílica em carbono saturado - Definição Substrato Produto R CH 2 Y + Nu Solvente R CH 2 Nu + Y Grupo Abandonador Nucleófilo

3 NUCLEÓFILOS E BASES - a diferença fundamental NUCLEOFILICIDADE verificado por parâmetros cinéticos. v = k [substrato]. [Nu] ou v = k [substrato] SN 2 SN 1 BASICIDADE - parâmetros termodinâmicos. Todos os Nucleófilos são Bases? E todas as Bases são Nucleófilos? Nota: Uma boa base não é necessariamente um bom nucleófilo, e vice-versa

4 Respostas reacionais em função de basicidade e nucleofilicidade Nucleofilicidade = cinética v= k [substrato] [Nu] (SN 2 ) Bom Nu aumenta k Basicidade = termodinâmica B + H B H Base forte desloca o equilíbrio para os produtos

5 Ponto de avaliação de velocidade e nucleofilicidade Energia de ativação e velocidade (cinética) Quanto mais rápida : melhor A Basicidade é determinada aqui Força da ligação E ponto de equilíbrio Menor Energia é melhor

6 2- Reações de Substituição Nucleofílica Bimolecular (S N 2) - mecanismo Reação ocorre em uma única etapa e a velocidade da reação depende tanto da concentração do substrato quanto do nucleófilo. v = k [subst.][nu] Arranjo Estado de transição Arranjo tetraédrico Arranjo planar tetraédrico O Nu ataca o OM s* da ligação entre o carbono e o grupo abandonador (Y) Ataque do nucleófilo é sincronizado com a saída do grupo abandonador.

7 Exemplo: HO - + CH 3 Cl CH 3 OH + Cl - Diagrama de energia livre

8 Reações de Substituição Nucleofílica Bimolecular (S N 2) - estereoquímica Devido ao ataque do Nu pelo orbital molecular antiligante ao grupo abandonador a configuração do carbono reativo do reagente inverte no produto. Configuração inverte

9 Por que a configuração inverte? O que aconteceria se o Nu atacasse pelo mesmo lado do grupo abandonador? Interação fora de fase C-Nu. Antiligante Interação em fase C-Br Ligante

10 3- Reações de Substituição Nucleofílica Unimolecular (S N 1) - mecanismo Reação ocorre em duas etapas e a velocidade da reação depende somente da concentração do substrato. v = k [subst.] Intermediário Carbocátion Formado na etapa lenta

11 Exemplo H 2 O (CH3 ) 3 C-Br (CH 3 ) 3 C-OH + Br -

12 Forma clássica de representação mecanística Lenta Rápida Br -?

13 Diagrama de energia livre R = C(CH 3 ) 3

14 Estereoquímica das reações S N 1 A reação ocorre com racemização, mas esta pode não ser total. Por que ocorre racemização? Por que esta racemização pode ser parcial?

15 A Estereoquímica de Reações S N 1: Efeito da Solvatação Extensão da inversão depende do grupo de partida, estabilidade do carbocátion, qualidade do nucleófilo e do solvente. NUNCA pode ocorrer retenção da configuração. Solvente R X R + X R Solvente X R X Substrato ìon par intimo íon par intimo íons dissociados separado pelo solvente

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17 4- Aspectos importantes em reações S N 1 e S N Nucleófilos - importância em reações S N 1 e S N 2 O nucleófilo é importante na reação S N 2. Velocidade S N 2 = K 2 [RY][Nu] Nucleófilos NÃO são importantes em reações S N 1; Porque não participam da etapa determinante da velocidade Velocidade S N 1 = K 1 [RY]

18 Em reações que seguem o mecanismo S N 1 o nucleófilo não participa da velocidade da reação. - Exemplo H 3 C CH 3 C Cl + OH (aq.) H 2 O H 3 C CH 3 C OH + Cl (aq.) CH 3 CH 3

19 O NUCLEÓFILO IDEAL - Reações S N 2 Tamanho do nucleófilo

20 Avaliando os haletos como possíveis nucleófilos Raio iônico (A o ) F - Cl - Br - I - Considerando meramente o tamanho o fluoreto deveria ser o melhor nucleófilo... Mas experimentalmente para reações em solução isto não é observado. Veja os dados experimetais!!!!

21 Velocidade relativa de reações com haletos como nucleófilos CH 3 -Y + NaX Metanol CH 3 -X + NaY velocidade = k [CH 3 Y] [X - ] S N 2

22 Estudo do efeito da solvatação sobre nucleófilos A interação entre o íon e o solvente é uma interação fraca porém quando ocorre libera energia. A solvatação diminui a energia potencial do nucleófilo diminuindo a sua reatividade.

23 Raio iônico (A o ) Calor de solvatação em H 2 O Kcal/mol F - Cl - Br - I - X(H 2 O)n Solvatação aumenta n grande n pequeno Qual a resposta da solvatação sobre a nucleofilicidade

24 Neste contexto, quem é o melhor nucleófilo? Fluoreto Iodeto...menor camada de solvente...maior energia potencial, por isso tem maior grau de liberdade É muito difícil o Nucleófilo fortemente solvatado sair da camada de solvente Conclusão: ions grandes são melhores nucleófilos em solventes próticos

25 Justificativa para a conclusão anterior Em solventes próticos os íons maiores são menos solvatados (menor interação com a camada do solvente), maior Energia Potencial. Menor interação com a camada do solvente durante a reação aumenta a Energia potencial. Os íons maiores tendem a ser (alguns) mais polarizáveis. Polarizabilidade: propriedade que íons tem de distorcerem a nuvem eletrônica da camada de valência. Íons grandes: FACIL Íons pequenos: DIFÍCIL

26 Nucleofilicidade e basicidade em um mesmo período No mesmo período, as bases mais fortes são melhores Nucleófilos. Por que? No mesmo período, onde os átomos variam muito pouco de tamanho a solvatação será muito similar. OH- é melhor Nucleófilo que F Por quê?

27 Conclusão sobre a nucleofilicade em solventes próticos Maior solvatação, Maior superfície de contato, Menor Energia potencial

28 Exemplos: Velocidades relativas (Nucleófilos variados)

29 Nucleofilicidade em solventes apróticos Solventes apróticos: não tem OH, NH, ou SH. Não formam ligação de hidrogênio.

30 Solventes apróticos solvatam cátions, mas não anions (NUCLEÓFILOS) O nucleófilo está livre (não solvatado) É pequeno e não afetado pela camada do solvente.

31 Nucleofilicidade solventes apróticos

32 Por que não usar sempre solventes aproticos em S N 2? Questão de custos: água, etanol, metanol e acetona são muito baratos. Menor cotação disponível, Aldrich Chemical Co., 2015

33 4.2- Estudos dos solventes Qual o melhor Solvente para S N 1 e S N 2? S N 1 melhor solvente = POLAR Reações S N 1 preferem solvente polar-prótico pois podem solvatar o ânion e o cátion formado na etapa determinante da velocidade.

34 S N 2 melhor solvente = APOLAR OU POLAR-APRÓTICO Reações S N 2 preferem solvente apolar, ou solvente polar-aprótico pois não solvatam o Nucleófilo. Quanto menor o Nu, menos solvatado melhor será a vel. da Reação, em solvente apolar ou polar aprótico.

35 Resumindo

36 A avaliação dos solventes também pode ser feita com base nas constantes dielétricas mede o poder ionizante. Exemplo: velocidades das reações S N 1 com um mesmo substrato e nucleófilo, variando o solvente. Solvente Constante dielétrica Velocidade relativa Água 78, Metanol 33, Etanol 24,0 200 Acetona 21,0 1 Éter etílico 4,3 0,001 Hexano 2,0 < 0,0001

37 Exemplo: velocidades de uma reações S N 2 com variação do solvente. CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 Br + NaN 3 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 N Solvente Fórmula Constante Dielétrica Tipo de solvente Metanol CH 3 OH 32,6 Polar prótico 1 Água H 2 O 87,5 Polar prótico 7 Dimetil sulfóxido (CH 3 ) 2 S=O 48,5 Polar aprótico N N Vel. relativa NaBr N,N-Dimetilformamida (CH 3 ) 2 NCH=O 36,5 Polar aprótico Acetonitrila CH 3 C=N 34,5 Polar aprótico

38 4.3- Natureza do substrato Para as reações de S N é importante analisar a estrutura do substrato em duas ópticas: Grupo R, Ar ou vinil e grupo abandonador. Os grupos R, Ar, vinil e outros afetam tanto as velocidades de S N 2 quanto de S N 1, em cada tipo de mecanismo com aspectos específicos. O grupo abandonador afeta tanto as velocidades de S N 2 quanto de S N 1 pois em ambos os tipos de reações deverá formar um espécie estável no meio que se encontra.

39 Efeitos estruturais em reações do tipo S N 2 Devido a natureza do ET das reações do tipo S N 2, o acesso estérico promovido pela porção ligada ao grupo abandonador tem grande influência (impedimento espacial).

40 Efeito de grupos vizinhos - O entrosamento dos OM adjacentes pode facilitar o ataque do Nu. Exemplo: S N em carbono a carbonila. Br Nu O C C a + Nu O C C + Br

41 Exemplos de contribuição de grupos vizinhos na velocidade de reações do tipo S N 2. Cloreto de alquila Veloc. relativa Comentário H 3 C Cl Cl Cl Cl 200 Baixa interação estérica. 0,02 Os dois grupos metil causam um impedimento estérico. 79 Velocidade é acelerada devido a conjugação do sistema p no ET 200 O anel benzênico contribui melhor com a conjugação do sistema p no ET O Cl 920 A conjugação com o par de elétrons não ligantes do oxigênio no ET é mais efetiva do que os elétrons de um sistema p. O Cl A conjugação com os elétrons p da carbonila é mais efetiva do que de um sistema p.

42 Efeitos estruturais em reações do tipo S N 1 Como na etapa lenta das reações do tipo S N 1 ocorre a formação de carbocátion, a estabilidade destes afeta enormemente a velocidade da reação. Todo fator estrutural que aumenta a estabilidade do carbocátion provocará aumento da velocidade da reação. Quando o aumento da estabilidade ocorrer por assistência de grupo vizinho o fenômeno é chamado de assistência anquimérica.

43 Fatores que estruturais que aumentam a estabilidade de carbocátions Efeito Indutivo (revisar); Efeito de Hiperconjugação (revisar); Efeito de Ressonância (revisar); Rearranjo (revisar).

44 Efeito Indutivo e Hiperconjugação em reações S N 1 V E L O C I D A D E H CH 3 CH 3 CH 3 H C H C H C H 3 C C H H CH 3 CH 3

45 Efeito de ressonância H 2 O Cl v 1 H 2 O OH V vezes maior do que V 1 O Cl v 2 O OH

46 Efeito de grupo vizinho PhS Cl Cl v 1 v 2 V vezes maior do que v 2 Ph PhS Cl S Nu Ph S Nu

47 Exemplos de respostas reacionais devido a natureza do substrato

48 Exemplo de rearranjo

49 Estrutura do substrato S N 1 x S N 2 SN2 S N 1 log k 1 S N log k 2

50 4.4- Natureza do grupo de partida (grupo abandonador) Bons grupos abandonadores (Grupo de Partida GP)são aqueles que apresentam estabilidade. Este quesito é atendido por espécies neutras e bases fracas. Bons grupos de partida contribuem com o aumento da velocidade de reações S N 2 e S N 1. Exemplos: Velocidades relativas HO + RCH 2 I RCH 2 OH 2 + I HO + RCH 2 Br RCH 2 OH 2 + Br HO + RCH 2 Cl RCH 2 OH 2 + Cl HO + RCH 2 F RCH 2 OH 2 + F 1

51 A qualidade do grupo abandor se correlaciona diretamente com estabilidade e esta com basicidade.

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53 Numa reação S N 2 e S N 1, o grupo retirante começa a adquirir uma carga negativa quando de atinge o estado de transição. A estabilização desta carga negativa pelo retirante, contribui para estabilizar o estado de transição (pois diminui a sua energia potencial) e assim diminui a energia de ativação e, por isto, aumenta a velocidade da reação. S N 2 S N 1

54 A natureza do grupo abandonador pode determinar reversibilidade de reações. Íons haletos são bons nucleófilos e bons grupo de saída, por isso as reações S N 2 que envolvem estas espécies podem ser reversíveis. Exemplos: I + LiCl Acetona Cl + LiI Acetona H 3 C Cl + OH H 3 C OH + Cl???? Justifique os comportamentos distintos.

55 Estudo de casos Para os pares de reações S N 2 a seguir: a) discuta qual apresenta maior velocidade; b) apresente as respectivas propostas mecanisticas; c) apresente os respectivos diagrama de energia. (nucleofilicidade, natureza do GP, impedimento estérico)

56 Discuta: a) qual dos haletos de alquila a seguir formam um produto de substituição em uma reação S N 1 que é diferente do produto de substituição em uma reação S N 2 (Nu = hidroxila - S N 2 e água - S N 1 ); b) apresente as respectivas propostas mecanisticas; c) caso sejam formados estereoisômeros estimar a razão de concentração entre eles; d) caso sejam formados compostos quirais, determinar a configuração absoluta. H CH 3 H Br CH 3 H CH 3 H CH 3 H 3 C CH 3 H CH 3 Cl Cl CH 3 H H H H H H Br H C CH 3 Br Br H CH 3 H 3 C CH 3 (estereoquimica, rearranjo, conformações adequadas para S N em compostos cíclicos)

57 H 3 C CH 2 OH + NaCl Acetona H 3 C H 3 C CH OH + NaCl Acetona todas reações muiiiiiiiiiiiito lentas. JUSTIFIQUE CH 3 H 3 C C OH + NaCl Acetona CH 3 (Natureza do grupo abandonador)

58 H 3 C CH 2 OH + PCl 3 Refluxo v 1 H 3 C H 3 C CH OH + PCl 3 Refluxo v 2 v 1 ~ v 2 >>>> v 3 Justifique CH 3 H 3 C C OH + PCl 3 Refluxo v 3 CH 3

59 H 3 C CH O CH NaBr H 2 O H 3 C CH Br + Br CH 3 Muiiiiiiito lenta H 3 C H 3 C H 3 C H 3 C CH O CH HBr CH Br + Br CH 3 Rápida H 3 C H 3 C CH 3 CH 3 Justificativa: Proposta mecanística 1) 2) H 3 C Br CH O + HBr H 3 C CH 3 H 3 C CH O H H 3 C H 3 C CH O H 3 C H 3 C H 3 C H CH Br + Br + H 2 O CH 3 Natureza do grupo abandonador 3) 4) H 3 C OH + OH 2 + Br Br H H H C OH 2 Br C H H H + H 2 O

60 Rearranjo

61 Qual reação em cada um dos pares ocorrerá mais rapidamente? Natureza do nucleófilo

62 Efeito do solvente

63 Qual dos haletos de alquila a seguir formam um produto de substituição em uma reação S N 1 que é diferente do produto de substituição em uma reação S N 2? Estereoquímica e rearranjo

64 Proponha um mecanismo para cada uma das reações a seguir: Rearranjo, estabilidade de intermediários

65 Explique por que o haleto de alquila a seguir não sofre uma reação de substituição, mesmo em condições reacionais adequadas.

66 Como os seguintes éteres poderiam ser preparados com o uso de um haleto de alquila e de um álcool (ou fenol)? Mostre dois caminhos e entre estes, indique o melhor quando for o caso. Apresente o solvente mais adequado para cada situação. Fator estérico, estabilidade de intermediário S N 1 X S N 2

67 Mostre como o 1-butanol pode ser transformado nas seguintes substâncias (nucleófilo e solvente mais adequado. Transformações do grupo abandonador Reações com haletos de fósforo e tosilação ou mesilação.

68 Qual é o produto quando a substância a seguir é tratada com: a) metóxido de sódio/metanol b) metanol Estabilidade conformacional, estabilidade de intermediário

69 Qual dos compostos a seguir é de se esperar seja mais reativo frente a uma reação do tipo S N 2?

70 Explique como ocorre a formação de cada um dos produtos obtidos nas reações mostradas abaixo.

71 Sistemas trans-decalina são extremamente rígidos, e dificilmente trocam de conformação. Sabe-se que, em anéis de seis membros, epóxidos tendem a sofrer abertura, levando preferencialmente ao produto cis-diaxial. Sabendo disso, qual dos produtos (A ou B) deve ser obtido como produto majoritário na reação mostrada abaixo? Justifique sua resposta. H H H H H O H OH H CH 3 H 2 SO 4 CH 3 H 2 O/Acetona CH 3 OH + OH OH H CH 3 H CH 3 H CH 3 A B

72 Qual das seguintes reações ocorre mais rapidamente? (H 3 C) 3 C Br HO (H 3 C) 3 C O OH Acetona Br (H 3 C) 3 C HO Acetona (H 3 C) 3 C O OH Br HO Acetona O C(CH 3 ) 3 OH C(CH 3 ) 3 Reações ácido base, estereoquímica de reações S N 2, análise conformacional.