Reações de Eliminação

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1 Reações de Eliminação aletos de alquila e álcoois, além de sofrerem reações de Substituição Nucleofílica (SN), também sofrem reações do tipo Eliminação. Em reações de eliminação uma parte da molécula reagente é perdida. O tipo de eliminação mais comum em química orgânica é a eliminação β, onde a eliminação ocorre em dois carbonos vizinhos. Neste caso, o GA é removido de um carbono e, um próton é removido do carbono vizinho. Isto leva a formação de uma dupla ligação (produto é um alqueno). A espécie com carga negativa ou pares de elétrons, em uma reação de eliminação, ataca o hidrogênio ao invés do carbono, agindo como base. Para que se entenda as reações de eliminação deve-se, em alguns casos, compará-las com as reações de substituição nucleofílica, uma vez que materiais de partida idênticos são utilizados nestas reações. Claro que a competição entre os mecanismos ocorre somente quando o substrato tiver um hidrogênio na posição β para ser abstraído e, assim levar a dupla ligação. Também faz-se necessário detalhar as características dos mecanismos de eliminação, já que existe mais de um possível.

2 1. Mecanismo E1 A reação de eliminação que ocorre através do mecanismo E1, ocorre em duas etapas: - Formação de um carbocátion através da eliminação de um GA; - Remoção do próton levando a formação da dupla ligação. A primeira etapa é a etapa determinante da velocidade da reação. Nesta etapa, após a quebra da ligação C-X, há a formação de um intermediário carregado positivamente (CARBOCÁTION), já que o grupo abandonador, mais eletronegativo que o carbono, sai com o par de elétrons. Esta etapa é a etapa lenta da reação, por haver a formação de uma espécie carregada a partir de um substrato orgânico estável e neutro. A segunda etapa é rápida, pois leva a formação de produto neutro a partir do carbocátion. Como na etapa determinante da velocidade somente o substrato inicial está envolvido (a base não está envolvida), esta é uma reação UNIMOLECULAR (somente uma espécie participa do estado de transição). Pode-se observar pelo ET1 que somente o material de partida está presente. O perfil energético de uma reação E1 pode ser visto na figura abaixo.

3 Pode-se observar que o estado de transição 1 é o que necessita de maior energia para ser suplantado. É este ET que dá origem ao carbocátion. Como a base não está envolvida na etapa determinante da velocidade, a natureza da base ou sua concentração não afeta a velocidade da reação. Portanto, a reação E1 é uma reação de PRIMEIRA ORDEM global, ou seja, depende, linearmente e em primeira ordem, somente da concentração do substrato (equação da velocidade representada a seguir). V = K [Substrato] Como dito anteriormente, somente o substrato é importante para a velocidade da reação. Dependendo da natureza do substrato pode haver um estado de transição menos energético e uma reação mais rápida. A espécie mais parecida com o ET1 (o mais energético) é o carbocátion formado logo depois. Ambos têm uma carga positiva (parcial ou não) no carbono que perde o grupo abandonador. Portando, grupos que levem a um carbocátion mais estável, levam também a um ET1 de menor energia e, a uma reação mais rápida. O mecanismo de reação E1 está relacionado com o mecanismo de substituição nucleofílica de primeira ordem (SN1). A primeira etapa, em que ocorre aformação do carbocátion, é idêntica, o que difere é a segunda etapa.

4 Ocorre que em uma E1 o solvente ou a base retira um próton do carbono β ao invés de atacar o carbono positivamente carregado. Outro ponto a ser observado é que no mecanismo E1 o próton é removido de um carbono sp 3! O pka de um carbono sp 3 é em média 50, portanto, ligados a Csp 3 não são tipicamente ácidos. Esta abstração ocorre somente por que a carga positiva formada ao lado da ligação C-, reduz este pka, pois uma carga positiva retira elétrons Substratos que sofrem E1 O mecanismo de eliminação do tipo E1 somente ocorre com substratos que levam a carbocátions relativamente estáveis (que levem a um ET1 de relativa baixa energia) como, por exemplo, haletos terciários ou substratos alílicos. Compostos secundários (como haletos secundários) podem sofrer E1, mas não são os substratos ideais. Enquanto haletos primários, por formarem carbocátions muito instáveis, não sofrem E1. Por fim, mesmo que formem carbocátions estáveis, os substratos devem possuir na sua estrutura um hidrogênio β (ao carbono ligado ao GA) para que seja possível sofrer reação de eliminação e formação da ligação dupla. Abaixo pode-se observar uma figura que resume os substratos possíveis:

5 Os substratos que levam a reações mais rápidas, são os que levam a ET1 de menor energia (os que formam carbocátion estável). Além disto, melhores GA levam a reações mais rápidas. Com isto a ordem de reatividade é a mesma vista para reações SN Rearranjo de Carbocátion Em alguns casos o esqueleto do alqueno formado difere do material de partida da reação. Nestes casos não é somente uma eliminação que ocorre, mas também um rearranjo de carbocátion. O rearranjo do esqueleto carbônico ocorre em uma etapa separada, após a formação do carbocátion. O rearranjo ocorre sempre a favor da formação da espécie mais estável e, por isto, mais favorável.

6 No exemplo a seguir, o rearranjo ocorre quando um grupamento metila troca o carbono 2 pelo carbono carregado positivamente. O grupamento metila migra com o par de elétrons da ligação rompida (C2-Me). A energia de ativação para este rearranjo, geralmente, é modesta e, rearranjos de carbocátions são nolmalmente rápidos. Outros grupos alquila diferentes de metila podem migrar para um carbono carregado positivamente. Além disto, muitos rearranjos de carbocátions envolvendo a migração de hidrogênio são conhecidos. Esta troca também ocorre para que se forme o carbocátion mais estável. O hidrogênio migra para o carbono adjacente com o par de elétrons Regiosseletividade de Reações E1 Em alguns casos pode-se obter uma mistura de regioisômeros, pois dois hidrogênios podem ser eliminados do substrato. Neste caso, o produto majoritário é o que contém a dupla mais substituída.

7 Mas a estabilidade do alqueno não explica o porque o mais substituído é formado mais rápido. Para entendermos isto devemos olhar para os estados de transição dos dois alquenos. Ambos são formados a partir do mesmo carbocátion, mas dependem de que próton é abstraído. A remoção do próton da direita leva a um ET em que há uma dupla ligação monosubstituída sendo formada. Removendo o próton da esquerda uma dupla ligação trisubstituída acaba sendo formada. Este último ET é o mais estável e, por isto, o alqueno mais substituído se forma mais rapidamente. Regra de Zaitsev: a regra de Zaitsev sumariza os resultados de numerosos experimentos onde ocorre a formação de uma mistura de alquenos através de eliminação β: O alqueno formado em maior quantidade é o que corresponde à remoção do hidrogênio do átomo de carbono que tem o menor número de hidrogênio ligado a ele.

8 O produto formado, que obedece a esta regra, é chamado de Produto Zaitsev. Observe que esta regra apenas resume em poucas palavras o que foi explicado anteriormente Estereosseletividade de Reações E1 Em algumas eliminações somente um produto pode ser obtido, em outras dois ou mais alquenos que diferem na estereoquímica da dupla ligação podem ser obtidos. Por razões estéricas, alquenos com grupos mais volumosos mais distantes, e também o estado de transição que os origina, têm menor energia que alquenos com grupos mais volumosos mais próximos. Portanto, se houver a possibilidade da formação de ambos os alquenos, o alqueno com grupos mais volumosos distantes será favorecido. A geometria é determinada no momento de perda do próton. As condições para formação da nova ligação π são, ter orbital p do carbocátion e o orbital da lig. C- paralelos.

9 1.5. E1 em Cicloexanos Cicloexanos substituídos tem duas conformações cadeira em equilíbrio. A conformação mais estável é que vai reagir por E1 e formar a nova ligação dupla. No entanto, pode haver rearranjo de carbocátion:

10 2. Mecanismo E2 Em um mecanismo E2, a abstração do próton e a saída do GA ocorrem na mesma etapa, sem formação de intermediário. A reação E2 é análoga a reação de substituição nucleofílica de segunda ordem (SN2) e geralmente compete com ela. Tudo vai depender se ocorre ou não a abstração de um próton β ao grupo abandonador. O perfil energético pode ser observado abaixo:

11 Como o único ET da reação E2 tem a participação tanto do substrato quanto da base, a reação E2 é BIMOLECULAR. Além disto, ambas espécies são importantes para a velocidade da reação. Com isto, a equação de velocidade é de SEGUNDA ORDEM GLOBAL, primeira ordem em relação ao substrato e primeira ordem em relação a base. V = K[base] [substrato] 2.1. Conformação Favorecida e Seletividade em reações E2 Outro ponto a ser observado é que a nova ligação é formada pela sobreposição da ligação σ C- com o orbital antiligante σ* C-X. Para tal os orbitais devem estar no mesmo plano e há duas possibilidades: e GA (X) em sin-periplanar (0º) ou e GA (X) anti-periplanar (180º). A conformação anti-periplanar é mais estável porque tem os dois grupos dispersos, enquanto a syn-periplanar têm eles de maneira eclipsada. Na ausência de algum efeito especial, a eliminação anti é favorecida em detrimento da eliminação syn. Portanto, reações E2 ocorrem preferencialmente em uma conformação anti-periplanar. Quando há somente um, que possa ficar anti-periplanar ao GA, para ser abstraído ocorre uma reação ESTEREOESPECÍFICA. Nos exemplos a seguir há somente um próton que pode ser retirado em uma reação de eliminação. Então não há escolha, há somente um ET anti-periplanar e somente um curso a se seguir. A geometria do produto (E ou Z) depende de que diasteroisômero é utilizado como material de partida.

12 Os dois diasteroisômeros levam a alquenos com diferentes geometrias e tem diferentes velocidades de reação. A primeira reação é mais rápida, pois a conformação anti-periplanar da segunda reação (que é a única possível) tem uma interação estérica dos dois grupos fenilas em gauche (synclinal). Esta interação faz com que a conformação anti-periplanar do segundo caso não seja estável e significa que, em qualquer tempo, um pequeno número de moléculas vai adotar a conformação certa para que ocorra a eliminação fazendo com que o processo seja mais lento. Também pode haver casos em que há mais de um próton possível para ser abstraído (mais de um próton que possa se posicionar anti ao GA). Isto levaria a possibilidade de dois estereoisômeros. O 2-bromobutano tem duas conformações com e Br em antiperiplanar que levam a dupla mais substituída (tem um C 2 em β ao GA). No entanto, uma das conformações anti-periplanares está menos impedida levando ao produto principal (alqueno E). O resultado é uma reação ESTEREOSSELETIVA.

13 Quando tem-se ciclohexanos substituídos, e GA somente estarão em paralelo quando estiverem em axial. Somente vai ocorrer a eliminação através de E2 quando e GA estiverem ambos em axial. Uma ligação C- GA equatorial é somente anti-periplanar a uma ligação C-C. Em ciclohexanos monossubstituídos isto não é um problema, há maior liberdade. No entanto quando o cicloexano tiver mais de um substituinte, este fato pode afetar a velocidade da reação. Um exemplo interessante são cicloexanos disteroisoméricos derivados do mentol e que reagem muito diferente sob as mesmas condições. Ambos eliminam Cl, mas o diasteroisômero A reage mais rapidamente e leva a mistura de dois produtos, enquanto o B (que difere somente na configuração do carbono ligado ao Cl) leva somente a um produto mas, mais lentamente. Podemos seguramente excluir um mecanismo E1, pois o mesmo cátion seria formado a partir de ambos levando ao mesmo produto (mas não necessariamente a mesma velocidade de reação). Ocorre que ambos irão adotar uma conformação cadeira e, geralmente, a mais estável é a que tem o

14 grupo maior ou o maior número de grupos em equatorial. Neste exemplo o grupo que mais influencia é a iso-propila que tem interações 1,3-diaxiais importantes se em axial. Em ambos os exemplos se o grupo i-pr está em equatorial o grupo Me também está, a única diferença é a orientação do cloro. No diasteroisômero A, o cloro é forçado ficar em axial no confôrmero majoritário (mais estável, com dois grupos em equatorial). Esta conformação é a ideal para que ocorra E2 e há dois prótons em anti-periplanar para serem removidos pela base. Dois alquenos são formados, com preferência para o alqueno mais substituído. Para o composto B, o cloro está em equatorial no confôrmero mais estável. Mas em equatorial não pode haver E2, pois não há próton antiperiplanar. O confôrmero em que o Cl está em axial tem energia muito maior que o outro, mas somente assim pode haver eliminação. A concentração de moléculas reativas é baixa e a velocidade é baixa por causa disto. Quando pode haver a E2, há somente um próton anti-periplanar e a eliminação leva a somente um alqueno. Para explicar a regiosseletividade de reações que ocorrem via E2 pode-se observar um exemplo. Neste exemplo, há a eliminação de Cl de um haleto de alquila terciário, promovida por uma base muito impedida (mais impedida que t-buok) levando exclusivamente ao alqueno dissubstituído que é o menos estável.

15 Cl KOCEt 3 KOCEt 3 = Base impedida estérimacamente KO Cl Me X Base impedida Dois anti-periplanares Cl Base impedida da metila são mais acessíveis do cicloexano são mais impedidos (Sem abstração) Base Cl da metila odem ficar anti-periplanar mesmo com o Cl em equatorial Quando o Cl está em axial existem dois hidrogênios anti-periplanares equivalentes no anel para serem removidos e, sua remoção levaria ao alqueno trisubstituído. Existem também três hidrogênios equivalentes que podem ficar anti-periplanar ao Cl, estando ele em axial ou equatorial, para serem removidos na metila ligada ao anel. A remoção destes hidrogênios levaria ao alqueno disubstituído. Estes hidrogênios são os únicos que são removidos levando ao alqueno menos substituído. A base prefere atacar os hidrogênios metílicos que são menos impedidos (ligados a carbono primário). Reações de E2 com bases impedidas levam, tipicamente, ao alqueno menos substituído, pois a reação é mais rápida (abstração de mais acessível). Os hidrogênios ligados a carbono menos substituído são também mais ácidos.

16 2.2. E2 levando a alquinos Um arranjo anti-periplanar das ligações C-Br e C- é também possível em um brometo vinílico. Quando Br e o estão trans um ao outro (Isômero E) pode ocorrer a eliminação de Br levando ao alquino (somente E2 é possível, substratos vinílicos não formam carbocátion estável). Uma eliminação E2 a partir de um isômero Z pode ocorrer, mas muito lentamente por que neste isômero as ligações C- e C-Br estão sinperiplanar. 3. Mecanismo E1 CB (CB = base conjugada) No mecanismo E1 CB há a ocorrência de duas etapas: Etapa 1: o próton é abstraído (antes da saída do GA). O Intermediário é um carbânion estabilizado. Etapa 2: etapa determinante da velocidade. Unimolecular - somente o ânion participa da etapa determinante da velocidade. É algum tipo de E1. O GA não é perdido pelo material de partida e sim pela base conjugada dele. Como a etapa determinante da velocidade não é a primeira etapa, ela depende da formação de uma espécie em etapas prévias.

17 Portanto, a velocidade de reação também depende da concentração e da força da base já que a eliminação depende da formação do ânion. Na E1 CB a regiosseletividade é determinada pelo próton mais ácido e pelo GA. O mecanismo E1 CB é Estereosseletivo, levando ao produto com menos impedimento estérico. 4. Comparação E1 x E2 x SN Para condições SN1 e E1 à a ordem de reatividade é a mesma já que o intermediário é o mesmo. Além disto, deve-se lembrar que impedimento estérico não afeta tanto a basicidade (por isto, em E2 haletos 3 0 são bem reativos formando o alqueno mais substituído). - aletos de metila não sofrem eliminação, pois não tem próton apropriado para ser eliminado. Sofrem somente SN através de mecanismo SN2. - Com haletos primários à SN2 leva vantagem. - aletos secundários à podem reagir por eliminação e substituição: depende das condições reacionais. - Utilizando bases fortes e impedidas há favorecimento de eliminação, a menos que não seja possível. Bases fortes favorecem eliminação em detrimento de substituição e E2 em detrimento de E1. Além disto, com bases fortes e mais ácido pode-se observar E1 CB. - Bons nucleófilos levam a SN2 a menos que o substrato seja terciário. Este tipo de substrato forma carbocátion estável e pode levar a E1 ou SN1. - Altas temperaturas favorecem reações de eliminação. Isto ocorre por que o ET da eliminação tem maior energia. - Solventes menos polares favorecem E2 e mais polares E1 (razões similares as vistas em SN). - Comparando SN2 x E2: solvente um pouco mais polar favorece SN2 (ET SN2 mais polar que E2). - Comparando SN1 x E1: se o solvente for um nucleófilo pobre e, especialmente se for aprótico favorece E1 (precisa-se retirar um próton, solvente pode atrapalhar).

18 Quadro de comparação: 5. Bibliografia Material baseado ou retirado de:

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