Reações de Eliminação

Transcrição

1 Reações de Eliminação N307 - Química Orgânica II Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr.

2 Objetivos da Unidade Descrever os tipos e mecanismos de reações de eliminação; Analisar o efeito da estrutura dos substratos sobre o mecanismo de reações de eliminação; e Analisar o efeito da estrutura dos substratos, das bases, dos solventes e da temperatura sobre a competição entre os mecanismos de eliminação e substituição nucleofílica.

3 Reações de Eliminação Alcenos são preparados por reações deste tipo. X Y + X-Y são abstraídos do reagentes para originar o alceno. A formação do alceno requer que X e Y estejam em carbonos adjacentes.

4 Reações de Eliminação Na indústria, eteno e propeno são produzidos a partir de reações de eliminação. 750 o o No entanto... os principais métodos de preparação de alcenos são: Desidratação de álcoois Desidroalogenação de haletos de alquila Reações de Eliminação

5 Desidratação de Álcoois Na desidratação de álcoois, os elementos da água são eliminados a partir de carbonos adjacentes. O O um catalisador é necessário Antes da desidrogenação do etano se tornar o principal método de síntese do eteno o eteno era preparado pelo aquecimento do etanol com 2 SO 4. O 2 SO o + 2 O

6 Desidratação de Álcoois Outros álcoois comportam-se similarmente: O 2 SO o + 2 O 3 O SO o O 2 SO 4 Mais freqüentemente utilizados. 3 PO 4

7 Regioseletividade em Desidratação O 2 SO o + 2 O Nestes exemplos, somente um alceno poderia ser formado para 3 O SO o O cada álcool por eliminação β. Porém existem casos onde a desidratação pode ocorrer em 2 caminhos distintos para dar alcenos que são isômeros constitucionais.

8 Regioseletividade em Desidratação 2 3 O 3 10% % Outro exemplo O 3 3 PO o + 84% 16%

9 Regra de Zaitsev Regioseletividade quando a reação pode levar à obtenção de dois produtos diferentes, mas um deles é formado em maior quantidade Zaitsev estabelece que o alceno formado em maior quantidade é aquele formado a partir da remoção do idrogênio do carbono-β com menos hidrogênio. Em outras palavras... O alceno majoritário será o mais substituído. É uma regra empírica e sumaria os resultados dos numerosos experimentos nos quais misturas de alcenos foram obtidos por eliminação- β.

10 Regra de Zaitsev Estabelece que o alceno formado em maior quantidade é aquele formado a partir da remoção do idrogênio do carbono-β com menos hidrogênio. Em outras palavras... O alceno majoritário será o mais substituído. R R O R 2 SO o R R 2 R +? 3 O PO o + O 3 PO o

11 Estereoseletividade Além de regioseletivas, as desidratações de álcoois são estereoseletivas. São reações nas quais um simples reagente de partida pode originar 2 ou mais produtos estereoisoméricos mas fornece um deles em maior quantidade que qualquer outro. A desidratação de álcoois tende a produzir a forma estreoisomérica mais estável: a forma trans. O % 25% POR QUE???

12 Estereoseletividade O % 25% A desidratação requer que os grupos que serão removidos mantenham uma relação antiperiplanar. Et Et Giro Et O 60 O Et O IS TRANS

13 Mecanismo Desidratação a) a desidratação é promovida por ácidos. b) as reatividades relativas dos álcoois decrescem: 3 o > 2 o > 1 o + O O: O O O +

14 Mecanismo Desidratação de Álcoois Álcoois 1 0??? não formam carbocátions, pois os mesmos seriam muito instáveis. acredita-se que um próton é perdido a partir do íon alquiloxônio na mesma etapa em que acontece a clivagem da ligação -O.. O.. íon alquil oxônio 2 + O 2 2

15 Rearranjos Alguns álcoois sofrem desidratação para formar alcenos com esqueletos carbônicos diferentes daqueles dos álcoois de partida O PO % 64% 33%

16 Rearranjos No exemplo anterior, o rearranjo se processou via a migração de um grupo metil todavia, outros grupos podem migrar para o carbono carregado positivamente. Muitos rearranjos envolvem migração de hidrogênios deslocamento de hidreto origem e o destino do hidreto são carbonos adjacentes. geralmente ocorre durante desidratação de álcoois 1 o.

17 Rearranjos majoritário 4.. O.. 3 PO o O + 4 +

18 Desidroalogenação de RX É outro método, aliás um dos mais úteis, para preparar alcenos por eliminação-β. X base + X Quando aplicada na preparação de alcenos a reação é conduzida na presença de uma base forte, tal como EtO - Na + em etanol como solvente. l NaO 2 3 O o + l 100%

19 Desidroalogenação de RX 15 l tbuok tbuo 255 o Br EtONa EtO (79%) 3 + NaBr Br EtONa EtO (91%) NaBr

20 Regioseletividade A regioseletividade na desidroalogenação segue a regra de Zaitsev. A eliminação β predomina na direção que leva ao alceno mais substituído. 29% 71% Br KO 2 3 O o O estado de transição referente ao alceno mais substituído (mais estável) é de menor energia!!!

21 Exercício Escreva as fórmulas estruturais de todos os alcenos capazes de serem produzidos pela desidroalogenação de cada um dos seguintes haletos de alquila: a) 2-bromo-butano b) 2-bromo-hexano c) 2-iodo-4-metil-pentano d) 3-iodo-2,2-dimetil-pentano

22 Mecanismo de Eliminação E Ingold Propôs um mecanismo para a desidroalogenação que ainda é aceito como uma descrição para tais reações. baseado em dados experimentais: exibia cinética de 2 a ordem V = K. [RX]. [base] A velocidade de eliminação dependia do halogênio a reatividade de haletos de alquila aumentava com o decréscimo da força da ligação -X. R-F < R-l < R-Br < R-I

23 Mecanismo de Eliminação E2 ETO Br 3 2 = 3 + B r Reagentes Estado de Transição ETO - ETO 3 Br 3 Br Produtos 3 + ETO + Br -

24 Mecanismo de Eliminação E2

25 Estereoquímica em Eliminação E2 Detalhes do mecanismo de reações de eliminação promovidas por base foram obtidos em estudos estereoquímicos. Em um destes experimentos... Br Br cis trans tbuo tbuok tbuo tbuok Reage 500 vezes mais rápido que o isômero trans.

26 Estereoquímica em Eliminação E2 Tal diferença na reatividade entre os isômeros pode ser entendida considerando a formação da ligação π no estado de transição E2. Uma vez que o overlap dos orbitais p requer que seus eixos estejam paralelos é razoável pensar que a ligação π se formará mais facilmente quando os 4 átomos da unidade ---X encontram-se no mesmo plano no estado estado de transição (syn periplanar). X X syn periplanar anti periplanar

27 Estereoquímica em Eliminação E2 X X syn periplanar trans periplanar A conformação syn periplanar tem e X eclipsados, o que torna esta conformação menos estável que a conformação antiperiplanar. Um estado de transição derivado da conformação syn periplanar é menos estável que um estado de transição que tenha uma relação anti periplanar entre o próton e o grupo abandonador.

28 Estereoquímica em Eliminação E2 Br Br cis trans Br Relação anti Relação gouche Br tbuo tbuok mais lenta tbuo tbuok

29 Estereoquímica em Eliminação E2 ( 3 ) 2 ( 3 ) 2 3 l 3 l cloreto de mentila cloreto de neomentila Um destes isômeros sofre eliminação sob tratamento com etóxido de sódio em etanol muito mais rapidamente que o outro. Qual reage mais rapidamente? Por que?

30 Estereoquímica em Eliminação E2 ( 3 ) 2 3 l 3 l loreto de Mentila mais rápido ( 3 ) 2 3 l loreto de Neomentila 3 l

31 Estereoseletividade em Eliminação E2 aletos de alquila normalmente rendem o alceno mais estável como o produto majoritário em tratamento com base. 3 Br O/ 3 2 ONa majoritário 3 omo os substituintes influenciam no Estado de Transição??? B: B: Me repulsão maior Giro Me repulsão menor Br Me 60 O Me Br

32 Estereoseletividade em Eliminação E2

33 Estereoseletividade em Eliminação E2

34 Mecanismo E1 O mecanismo E2 é um processo concertado. No estado de transição, as ligações são parcialmente quebradas......no entanto... não necessariamente na mesma extensão. E se as ligações se quebrassem em etapas diferentes em vez de modo concertado? Uma possibilidade é um mecanismo em duas etapas: Quebra da ligação -X Formação de um carbocátion. Etapa determinante Unimolecular V = K [RX]

35 Mecanismo E1 Etapa l lento 2 O l - 3 Formação do carbocátion Etapa 2 O : rápido 2 O O + Formação do alceno

36 Mecanismo E1

37 Mecanismo E1 Tipicamente, eliminação pelo mecanismo E1 é importante somente para haletos de alquila secundários e terciários e quando a base é fraca ou em baixa concentração. R 2 X < R 2 X < R 3 X reatividade aumenta Os melhores exemplos de E1 são aqueles realizados na ausência de base. Na presença de pequenas concentrações de base, o mecanismo E2 é mais rápido que o E1.

38 Substituição X Eliminação Um haleto de alquila e uma base podem reagir através de uma reação de: substituição SN1/SN2 eliminação E1/E2 SN O + 3 OEt l EtO : O (8:2) 25 o 83% E1 3 17% 3 omo podemos predizer qual será a principal reação que ocorrerá???

39 Substituição X Eliminação Muitos fatores influenciam a competição entre substituição e eliminação todavia 2 são mais importantes: estrutura de R-X basicidade do ânion É útil abordar a questão partindo da premissa que a reação característica de R-X com base de Lewis é a eliminação. e que a substituição predomina somente em certas circunstâncias.

40 Substituição X Eliminação Br O NaO 2 3 O o 3 87% 13% E2 SN2

41 Substituição X Eliminação E2 impedimento estérico Velocidade nucleófilo SN2 Pouco impedimento estérico sentido pelo nucleófilo... ircunstância especial que permite que a substituição predomine. R-X 1 o reagem com bases (alcóxido) por SN2 em vez de E2.

42 Substituição X Eliminação NaO( 3 Br O O o 3 9% 91% Entretanto... se a base for impedida, tal como t-buok, mesmos os R-X 1 o sofrem reação de eliminação em vez de substituição. Br KO( 3 ) 3 15 O( 3 ) O 40 o 87% 13% 15

43 Substituição X Eliminação Um segundo fator pode alterar o balanço em favor da substituição... é a basicidade fraca do nucleófilo. lasse Nucleófilo Reatividade relativa muito bom bom razoável I - S - RS - Br - O - RO - N - N 3 - N 3 l - F - ROO - > fraco 2 O RO 1 muito fraco ROO 0,01 Nucleófilos menos básicos que O - reagem com RX 1 o e 2 o para dar produtos de substituição em altos rendimentos.

44 Substituição X Eliminação O íon N - é quase tão nucleofílico quanto o EtO mas é menos básico. KN 5 DMSO 5 l N O íon N 3- é um bom nucleófilo e não fortemente básico ele reage com RX 2 o principalmente por substituição. I NaN3 N 3

45 Substituição X Eliminação aletos de alquila 3 o são tão estericamente impedidos que, na presença de qualquer base de Lewis, leva à eliminação como o caminho principal. E2 SN2 Geralmente, a substituição predomina sobre a eliminação em RX 3 o somente sob condições de solvólise, nas quais a concentração da base é pequena.

46 Substituição X Eliminação (Basicidade) 3 3 Br 3 etanol 25 o 3 3 O Produto majoritário na ausência de EtONa. Produtos majoritários na presença de EtONa.

47 Substituição X Eliminação (Efeito da Temperatura) SN2/E2 Br NaO/EtO- 2 O 45 o + O 53% 47% EtO/ 2 O 100 o + O 64% 36% aumento da velocidade da substituição aumento da velocidade da eliminação Só que os produtos de eliminação são mais favorecidos que os produtos de substituição.

48 Substituição X Eliminação (Efeito da Temperatura) Os produtos de eliminação são mais favorecidos que os produtos de substituição. Logo, o estado de transição (energia de ativação) que leva à formação dos produtos de eliminação deve ter energia menor... E a eliminação substituição

49 Substituição X Eliminação (Efeito do Solvente) NaO EtO/ 2 O (6:4) + OEt Br 54% 46% EtO/EtONa + OEt 71% 29% Estado de transição com grande dispersão de carga. Decréscimo da polaridade do solvente favorece mais a eliminação que a substituição. B L

50 Substituição X Eliminação A eliminação sempre pode ser feita quantitativamente quando utilizamos bases fortes, especialmente as volumosas elevadas temperaturas O mais difícil é encontrar um conjunto de condições que conduza à substituição. Em geral, a melhor abordagem é escolher condições que favoreçam o mecanismo SN2. substrato pouco impedido bom nucleófilo temperaturas baixas

51 SN1 X SN2 X E1 X E2 1) aletos de alquila primários - ocorrerá a substituição SN2 se for utilizado um bom nucleófilo como RS -, I -, N -, N 3 ou Br -. - ocorrerá a eliminação E2 ocorrerá se for empregada uma base forte e volumosa como o tert-butóxido de potássio Br Na + N - TF-MPA N (90%) Br ( 3 ) 3 O - K + (base forte) = (85%)

52 SN1 X SN2 X E1 X E2 2) aletos de alquila secundários A SN2 e a E2 ocorrem em competição, levando freqüentemente a mistura de produtos. Se for utilizado um nucleófilo pouco básico em um solvente aprótico, deverá predominar a substituição SN2. Se for empregada uma base forte como 3 2 O -, O - ou 2 N-, predominará E2. Br 3 OO - 3 OO 3 (100%) (0%) O - (base forte) O (80%) (20%) Os RX 2 os, particularmente os alílicos e benzílicos, também podem sofrer reações SN1 e E1, se forem empregados nucleófilos pouco básicos em solventes próticos como o etanol e o ácido acético.

53 SN1 X SN2 X E1 X E2 3) aletos de alquila terciários - ocorre eliminação E2 quando se utiliza uma base como O - ou RO O - etanol 3 O Br (3%) (97%) O (aquecimento) 3 O (80%) (20%)

54 Substituição X Eliminação a) não ocorre b) pode ocorrer com RX alílicos e benzílicos c) ocorre em competição com SN1 d) favorecida com bases e) Favorecido em solventes hidroxílicos f) altamente favorecido g) ocorre em competição com E2 h) favorecida com bases fortes SN1 SN2 E1 E2 RX 1 o RX 2 o RX 3 o

55 Objetivos Foram Atingidos??? Descrever os tipos e mecanismos de reações de eliminação; Analisar o efeito da estrutura dos substratos sobre o mecanismo de reações de eliminação; e Analisar o efeito da estrutura dos substratos, das bases, dos solventes e da temperatura sobre a competição entre os mecanismos de eliminação e substituição nucleofílica.