Reações de Substituição Nucleofílica em Carbono Saturado. Aula 11

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1 Universidade Federal de Ouro Preto Reações de Substituição Nucleofílica em Carbono Saturado Aula 11 Flaviane Francisco Hilário 1

2 1 - Reação de Substituição Nucleofílica e Reação de Eliminação SUBSTITUIÇÃO Grupo abandonador ELIMINAÇÃO 2

3 2 - Reações de Substituição Nucleofílica (SN) Nu + R X R Nu + X Nucleophile Alkyl halide (substrate) Product Halide ion HO + CH 3 Cl CH 3 OH + Cl CH 3 O + CH 3 CH 2 Br CH 3 CH 2 OCH 3 + Br Como são nucleófilos que substituem os halogênios, essas reações são conhecidas como reações de substituição nucleofílica. 3

4 2.1 Tipos de mecanismos de SN Substituição Nucleofílica Bimolecular (S N 2) Bimolecular = duas espécies estão envolvidas na etapa que determina a velocidade da reação. Velocidade = k. [haleto de alquila]. [nucleófilo] Nu + R X Nu R X Nu R + X Produto de substituição 4

5 Substituição Nucleofílica Unimolecular (S N 1) Unimolecular = uma espécie está envolvida na etapa que determina a velocidade da reação. Velocidade = k. [haleto de alquila] R X R + + X Nu + R + Nu R Produto de substituição 5

6 Nucleófilos Íon ou molécula neutra com pelo menos um par de elétrons não ligante. Íon hidróxido H O + R X H O R Nucleophile Alkyl halide Alcohol Leaving group Molécula de água + X H O + R X H O R + H H Nucleophile Alkyl halide Alkyloxonium ion + X H 2 O H O R + H 3 O + + X 6

7 Grupo abandonador Base fraca que pode ser um íon ou uma molécula neutra relativamente estável. HO + CH 3 Cl CH 3 OH + Cl + H 3 N + CH 3 Br CH 3 NH 3 + Br 7

8 Substituição Nucleofílica Bimolecular S N 2 Velocidade relativa de várias reações S N 2 de haletos de alquila Haleto de alquila classe velocidade relativa Metila Primário Primário Secundário Terciário pequena demais para ser medida A velocidade de reação com um dado nucleófilo diminui com o aumento do volume do haleto de alquila. 8

9 Mecanismo de reação S N 2 An Inversão inversion de of configuração configuration H CH 3 3 C HO + C Br HO C Br H C 6 H 13 H C6 H 13 HO C CH 3 + H C 6 H 13 Br (R)-( )-2-Bromooctane (S)-(+)-2-Octanol Enantiomeric purity = 100% Enantiomeric purity = 100% É sincronizado. É uma reação concertada. A configuração do produto é invertida quando comparada à configuração do haleto de alquila quiral. 9

10 Inversão de Walden Três ligações no mesmo plano An Inversão inversion de of configuração configuration H 3 C Cl + OH H H cis-1-chloro-3-methylcyclopentane H 3 C H S N 2 H 3 C H H OH trans-3-methylcyclopentanol Cl Leaving group departs from the top side. H Nucleophile attacks OH from the bottom side. + Cl 10

11 Estado de transição Dura apenas s (tempo de uma vibração molecular). 11

12 Estrutura do substrato S N 2 Um grupo substituinte volumoso no haleto de alquila reduz sua reatividade: impedimento estérico. Reatividades relativas para haletos de alquila em uma reação S N 2 Haleto de metila > haleto de alquila 1 ário > haleto de alquila 2 ário > haleto de alquila 3 ário 12

13 Velocidades relativas Grupo abandonador 13

14 Basicidade relativa dos íons haletos Base mais fraca Base mais forte Característica de grupo abandonador Melhor grupo abandonador Pior grupo abandonador Reatividade relativa em uma S N 2 Mais reativo Menos reativo 14

15 Nucleófilo S N 2 Espécies com carga negativa versus espécies neutras. Base forte e melhor nucleófilo Base fraca e pior nucleófilo 15

16 Efeito estérico sobre a nucleofilia Base mais fraca Base mais forte Melhor nucleófilo Pior nucleófilo 16

17 Solvente S N 2 Interações íon-dipolo entre um nucleófilo e a água. impedem o nucleófilo de reagir. S N 2 é favorecida por SOLVENTE POLAR APRÓTICO (Ex.: DMF - dimetilformamida, DMSO - dimetilsulfóxido). 17

18 Reversibilidade das reações S N 2 18

19 Uma S N 2 é reversível quando os grupos abandonadores são bases de força semelhante. 19

20 Substituição Nucleofílica Unimolecular S N 1 Ataque nucleofílico ao carbocátion lento rápido rápido Quebra heterolítica Transferência de próton Quando o haleto de alquila é quiral, é obtido um par de enantiômeros. 20

21 Etapa determinante da velocidade Carbocátion intermediário 21

22 Estrutura do substrato - SN1 Haletos de alquila mais substituídos são mais reativos. Velocidades relativas em uma S N 1 de brometos de alquila com H 2 O 22

23 Estabilidade relativa de carbocátions Reatividade relativa de haletos de alquila em uma S N 1 Haleto de alquila terciário > haleto de alquila secundário > haleto de alquila primário 23

24 Estereoquímica da reação SN1 24

25 25

26 H 26

27 Grupo abandonador Mais reativo Menos reativo 27

28 Rearranjo de carbocátion 28

29 Solvente S N 1 Estado de transição Intermediário solvente molécula Par iônico íntimo Par iônico separado por solvente Íons dissociados S N 1 é favorecida por SOLVENTE POLAR PRÓTICO (Ex.: H2O, álcoois CH3OH, CH3CH2OH. 29

30 3 - SN1 X SN2 Experimentalmente sabe-se que alguns fatores influenciam a velocidade das reações e, conseqüentemente, o caminho (uni ou bimolecular). Fatores que influenciam o caminho de reação (uni ou bimolecular): Estrutura do substrato Concentração e a reatividade do nucleófilo (somente para S N 2) Efeito do solvente Natureza do grupo abandonador 30

31 3.1.1 Efeito do solvente Solvente polar prótico Solvente polar aprótico Solvente polar prótico Ex.: ROH, H 2 O, RCOOH, NH 3. Solvatam eficientemente tanto o cátion quanto o ânion. 31

32 Solvente EFEITO polar aprótico DO SOLVENTE Ex.: DMF, DMSO, DMA Solvatam eficientemente os cátions e deixam livre os ânions (nucleófilos). 32

33 Força do nucleófilo Nucleófilos com átomo da mesma coluna em solventes polares próticos: o melhor nucleófilo é o átomo que possui maior raio atômico. Nucleófilos pequenos são mais solvatados pelo solvente. Os átomos maiores são mais polarizáveis. 33

34 Nucleófilos com átomo da mesma coluna em solventes polares apróticos: a nucleofilicidade é igual à basicidade. pka Ácido Base 3,2 H-F F - -7,0 H-Cl Cl - -9,0 H-Br Br - -10,0 H-I I - basicidade aumenta Nucleofilicidade 34

35 3.1.2 Natureza do grupo abandonador Carboxilatos O R O- R O O Sulfonatos H 3 C O S O - H 3 C O S OCH 3 O O Triflato F F O S O - F F O S OCH 2 CH 3 F O F O Alconossulfonato R O S O - R O S OCH 3 O O 35

36 Em suma: Fator S N 1 S N 2 Substrato 3 ário >2 ário (estabilidade do carbocátion) Metila>1 ário >2 ário (impedimento estérico do substrato) Nucleófilo Base de Lewis fraca Molécula neutra Solvente (hidrólise, metanólise) Base de Lewis forte Solvente Polar prótico Polar aprótico GA Bases fracas Bases fracas 36

37 4 Bibliografia - SOLOMONS, G.; FRYHLE, C. Química Orgânica, vol. 1, 7 ed. Rio de Janeiro: LTC, BRUICE, P. Química Orgânica, vol.1, 4 ed. São Paulo, Pearson,