qfl_2342_capitulo03_substituição nucleofilica

SubstituioSubstituio NucleoflicaNucleoflica

AlifticaAliftica

Irene Lee

Case Western Reserve University

Cleveland, OH

2004, Prentice Hall

Organic Chemistry

4th Edition Paula Yurkanis Bruice

1

ReaoReao de de SubstituioSubstituio NucleoflicaNucleoflica e e EliminaoEliminao

O tomo ou grupo, que substitudo ou eliminado nestas

reaes, chamado grupogrupo abandonadorabandonador ouou grupogrupo de de

partidapartida (GP). (GP).

2

ReatividadeReatividade de de HaletosHaletos de de AlquilaAlquila PossuemPossuem bonsbons gruposgrupos de de partidapartida

Como os haletos de alquila reagem ?

RCH2 X X= F, Cl, Br, I

Nu:- + C X C Nu + X

-

+ -

+ -

Alternativamente :

Nu:- +

C X C++ -

+ X-

C+ C Nu3

Como um nuclefilo substitui o halognio , estas reaes

so conhecidas como reaes de substituio nucleoflica .

O mecanismo de reao e a sua velocidade dependem ,

predominantemente , dos seguintes fatores :

estrutura do haleto de alquila ;

reatividade e concentrao do nuclefilo ;

qualidade do grupo de partida (nuclefogo );

propriedade do solvente (polaridade , etc.).

4

ReaoReao de de SubstituioSubstituio : : DefinioDefinio

Lei de velocidade emprica da reao :

CH3Br + OH CH3OH + Br

v = k[CH3Br][OH-]

Reao de segunda ordem : velocidade da reao depende da

concentao dos dois reagentes (haleto dealquila e nuclefilo ).

5

MecanismoMecanismo dada SubstituioSubstituio NucleoflicaNucleoflica

SubstituioSubstituio NucleoflicaNucleoflica BimoleculasBimoleculas : : SSNN22

Mecanismo da Mecanismo da

Reao SReao SNN

22

6

EvidenciasEvidencias ExperimentaisExperimentais parapara o o MecanismoMecanismo

dada ReaoReao SSNN22

1. A velocidade de reao depende da concentrao

do haleto de alquila e do nuclefilo (segunda ordem ).

3. A velocidade de reao com um certo nuclefilo

diminui com o aumento do tamanho do haleto de alquila .

5. A configurao do produto de substituio invertida ,

comparada com a configurao do haleto de alquila

quiral , utilizado como reagente .

7

4. A velocidade de reao depende da qualidade do grupo de

partida .

2. A velocidade de reao depende da reatividade do

nuclefilo (nucleofilicidade ).

8

VelocidadeVelocidade de de ReaesReaes SSNN2:2: EfeitoEfeito dada EstruturaEstrutura do do ReagenteReagente ((HaletoHaleto de de AlquilaAlquila ))

Um substituinte volumoso no haleto de alquila reduz a

reatividade do haleto de alquila: impedimentoimpedimento estricoestrico

9

ImpedimentoImpedimento EstricoEstrico emem ReaesReaes SSNN22

Metil Etil 1-Propil

anti CH3 e Cl

1-Propil

gauche CH3 e Cl

1-Propil

gauche CH3 e Cl

2- Metil -1-propil

dois CH 3 e Cl gauche 2,2-Dimetil -1-propil

C

CH3

H3C

CH3

Br

C

CH3

H3C

CH3

CH2 Br

C

CH3

H3C

H

Br

CH3C

H

H

Br

C

H

H

H

Br

R Br + Cl R Cl + Br

Diagramas da coordenada de reao :

(a) reao SN2 de brometo de metila ;

(b) reao SN2 com um brometo de alquila impedido .

11

DiagramasDiagramas de de EnergiaEnergia PotencialPotencial parapara SSNN2: 2: ImpedimentoImpedimento EstricoEstrico

A inverso de configurao (inverso de Walden) em uma

reao SN2 devida ao ataque do nuclefilo pelo lado

contrrio da sada do grupo de partida .

Esta inverso de configurao pode ser observada

experimentalmente com a utilizao de um haleto de alquila

quiral (reao com somente um dos enantimeros) .

12

InversoInverso dada ConfiguraoConfigurao emem ReaesReaes SSNN22

A A EstereoqumicaEstereoqumica de de ReaesReaes SSNN22

13

PorPor queque o o nuclefilonuclefilo atacaataca pelapela face face opostaoposta ?? UmaUma explicaoexplicao utilizandoutilizando --se se orbitaisorbitais molecularesmoleculares ..

14

a) Ataque do Nu pelo lado oposto do GPa) Ataque do Nu pelo lado oposto do GP

b) Ataque do Nu pelo mesmo lado do GPb) Ataque do Nu pelo mesmo lado do GP

15

MelhorMelhor GrupoGrupo AbandonadorAbandonador ((GrupoGrupo de de PartidaPartida GPGP), ), ouou sejaseja, base , base

maismais fracafraca levaleva a a maiormaior velocidadevelocidade de Sde SNN2. 2.

velocidades relativas

ReatividadeReatividade SSNN2: 2: GrupoGrupo de de PartidaPartida

16


Qualidade de Grupo de Partida de ons Haletos:

Basicidade de on Haletos:

Acidez de Haletos de Hidrognio: HI > HBr > HCl > HF

Como explicar este fato experimental? Eletronegatividade?

quanto mais fraca a base, melhor o GP

quanto mais forte o cido correspondente, melhor o GP

maior estabilidade da base

I- 6,3.10-20

HSO4- 1,0.10-19

Br - 2,0.10-19

Cl- 6,3.10-17

H2O 2,0.10-16

CH3SO3- 6,3.10-16

F- 1,6.10-11

CH3CO2- 5,0.10-10

NC- 1,6.10-5

CH3S- 1,0.10-4

CH3O- 32

HO- 50

H2N- 1,0.1021

H3C- ~ 1,0.1036

Ba

sic

ida

de

Efici

ncia

Grupo

de Partida Kb

Melhor Grupo de Partida: Base FracaMelhor Grupo de Partida: Base Fraca

Estabilizao do nion

Eletronegatividade

Ressonncia

Tamanho


17

H2O + B- BH + OH-

Kb = [BH] [OH -]

[B -]

18

Uma reao S N2 procede na direo em que a

base mais forte substitui a mais fraca

19

ReatividadeReatividade SSNN2: 2: InflunciaInfluncia do do NuclefiloNuclefilo

A nucleofilicidade uma medida da rapidez com que

um nuclefilo capaz de atacar um tomo deficiente

em eltrons (eletrfilo).

A nucleofilicidade medida pela constante de

velocidade (k), quanto maior k, maior a nucleofilicidade.

A basicidade determinada pela constante de

equilbrio de dissociao do cido correspondente (Ka)

CH3Cl + HO CH3OH + Cl

CH3Cl + H2O CH3OH2+ + Cl

CH3Cl + H2N CH3NH2 + Cl

CH3Cl + H3N CH3NH3+ + Cl

CH3CH2Br + H3N CH3CH2NH3

+ + Br

CH3CH2Br + H2O CH3CH2OH2

+ + Br

CH3CH2Br + H2N CH3CH2NH2 + Br

CH3CH2Br + HO CH3CH2OH + Br

Rpido

Muito Lento

Muito Rpido

Lento

Rpido

Muito Lento

Muito Rpido

Lento

Carregado X Neutro

Eletronegatividade do tomo Central

HH22NN > HO> HO > NH> NH33 > F> F > H> H22OO

20


21

HO > H2O

CH3O > CH3OH

NH2 > NH3 CH3CH2NH > CH3CH2NH2

Nuclefilos carregados so mais fortes:

Quanto maior a basicidade, maior a nucleofilicidade:

NH3 > H2O ~ ROH -NH2 >

-OH > F-

a afirmao acima aplica para NUC com tomos centrais do mesmo perodo


Lenta

Rpida

Muito Rpida

Rpida

Muito Rpida

??

?? 22


23

Nuclefilos com tomos centrais da mesma famlia

mas de perodos diferentes

I- > Br - > Cl- > F-

Nuclefilo maior mais forte , apesar da sua basicidade ser menor

(vlido para solventes polares prticos, p. ex.: H(vlido para solventes polares prticos, p. ex.: H 22O e lcoois)O e lcoois)

Explicao: polarizabilidade


Explicao Polarizabilidade: Proporcional ao Raio Atmico

CH3 X + Nu: CH3 Nu + X

Porm: Reatividade depende do SOLVENTE

CH3OH : I > Br > Cl

DMSO : Cl > Br > I

Efeito de Solvente. No PolarizabilidadeEfeito de Solvente. No Polarizabilidade

Nuclefilos com tomos centrais de perodos diferentes


24

25

Solvatao de ons por um Solvente Polar Prtico Interao on -

Estabilizao de nions atravs

de ligaes de hidrognio

Estabilizao de ctions atravs

de interaes on dipolo

26

Solvatao de ons por um Solvente Polar Aprtico Somente interao on -dipolo

Estabilizao de nions no

possvel: no pode formar

ligaes de hidrognio

Estabilizao de ctions atravs

de interaes on - dipolo

R R

R

R

R R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

CH3 X + Nu: CH3 Nu+ + X

Reatividade: H2Se > H2S > H2O e PH3 > NH3

Solvatao de Nu: por

Solventes Prticos

Porm: Reaa com Nuclefilos Neutros de Periodos Diferentes

Solvatao pouco importante Solvatao pouco importante PolarizabilidadePolarizabilidade

28

Efeito do Solvente sobre Nucleofilicidade


29

Por isso, o fluoreto, que faz fortes interaes de ligao de

hidrognio com o solvente polar prtico, um melhor

nuclefilo em um solvente no polar ou polar aprtico.

Solventes polares aprticos, tais como DMSO e DMF

facilitam as reaes SN2 de nuclefilos inicos, pois

solvatamsolvatam muitomuito bembem ctionsctions , mas nono solvatamsolvatam nionsnions ..

Solventes prticos solvatam bem nions. As interaes de

ligao de hidrognio so mais fortes entre o solvente e uma

base forte do que entre o solvente e uma base fraca.

densidade de carga, na base forte maior.

Efeito do Solvente sobre Nucleofilicidade


Porm, em alguns casos (NUC neutros) a nucleofilicidade

pode ser explicado pela polarizibilidade do tomo central do

NUC.

30

Efeitos estricos afetam a nucleofilicidade, mas no a basicidade.

Etxido e terc.-butxido possuem basicidade

similar, porm o etxido um nuclefilo

melhor devido ao impedimento estrico no

terc.-butxido.

ReatividadeReatividade SSNN2: 2: InflunciaInfluncia do do NuclefiloNuclefilo : : EfeitoEfeito EstricoEstrico do do NuclefiloNuclefilo

Quanto mais forte e impedida estericamente a base, Quanto mais forte e impedida estericamente a base,

maior a eliminao frente a substituiomaior a eliminao frente a substituio

31

ReatividadeReatividade SSNN2: 2: InflunciaInfluncia do do NuclefiloNuclefilo : : EfeitoEfeito EstricoEstrico do do NuclefiloNuclefilo

ResumoResumo

tomo Central do Mesmo Perodo:

Nucleofilicidade ~ Basicidade

tomo Central da Mesma Famlia:

Nucleofilicidade ~ Raio Atmico

Solvatao / Polarizabilidade

Grupo de Partida:

Reatividade ~ Basicidade 32


33

Evidencias Experimentais da Reao S N1:

1. A velocidade de reao depende somente da

concentrao do haleto de alquila.

2. A velocidade de reao aumentada pela presena

de grupos volumosos no haleto de alquila.

3. Na substituio de haletos de alquila quirais, obtida

uma mistura racmica como produto de reao.

Reaes de Substituio Nucleoflica de Reaes de Substituio Nucleoflica de

Primeira Ordem: Primeira Ordem: SSNN11

34

Dependncia da Dependncia da Velocidade Velocidade da da Reao Reao com a com a

Estrutura Estrutura do do Substrato Substrato na Sna SNN11

35

Mecanismo da Substituio Nucleoflica de Mecanismo da Substituio Nucleoflica de

Primeira Ordem: SPrimeira Ordem: S NN11

Mecanismo da Reao SMecanismo da Reao S NN1:1:

DiagramaDiagrama dada CoordenadaCoordenada de de ReaoReao parapara SSNN11

36

Reatividade relativa em reaes SN1: haleto 3 > 2 > 1 > metila (no reage!).

relacionado estabilidade do carboction intermedirio formado.

Coordenada de Reao Coordenada de Reao

SN2 S

N1

37

DiagramasDiagramas dada CoordenadaCoordenada de de ReaoReao parapara

SSNN2 e S2 e SNN11


38

O carboction intermedirio da reao leva formao de dois estereo -

ismeros (enatimeros ) no caso de reagentes com um carbono quiral .

39


(R)-3-Bromo -

3-metil -hexano

(R)-3-metil -3-hexanol

(S)-3-metil -3-hexanol

Planar, Aquiral

Mistura Racmica


40

molcula

no dissociada

par inico

ntimo

par inico separado

pelo solvente ons dissociados

41

A A EstereoqumicaEstereoqumica de de ReaesReaes SSNN1:1: FormaoFormao preferencialpreferencial de um dos de um dos enantimerosenantimeros

C

CH3

H3C

CH3

C

CH3

H3C

HH2C

CCH2

H

CH3C

H

H

C

H

H

H

CH2

> ~~ ~~ > >

(Tercirio) (Secundrio) (Benzila) (Alila) (Primrio) (Metila)

Mais

Reativo

Menos

Reativo

Hiperconjugao

Reatividade

Raio -X de (CH3)3C+

O O EfeitoEfeito dada EstruturaEstrutura do do SubstratoSubstrato nana SSNN11

42

43

O O EfeitoEfeito do do GrupoGrupo de de PartidaPartida e do e do NuclefiloNuclefilo

emem umauma ReaoReao SSNN11

O nuclefilo no tem efeito sobre uma reao SN1:

Nem qualidade nem a concentrao do NUC influenciam a

velocidade da reao SN1.

O ataque nucleoflico no ocorre no passo limitante .

Quando melhor o GP maior a velocidade da reao Efeito anlogo ao na S N2 (na SN1 o efeito do GP maior!?)

Polaridade do Solvente

(CH3)3CBr + H2O (CH3)3COH + HBr

Velocidade

Relativa

H2O 400.000

H2O/Acetona 1:9 1

SN

1 Meio

SN

2

Prtico X Aprtico

CH3I + Cl CH3Cl + I

Velocidade

Relativa

CH3OH 1

HCONH2 12,5

HCONHCH3 45,3

HCON(CH3)2 1.200.000

Meio

44

O O EfeitoEfeito do do SolventeSolvente emem ReaesReaes SSNN1 e S1 e SNN22

Como na reao SN1 se forma um carboction intermedirio ,

h a possibilidade de rearranjos para o carboction mais

estvel (Rearranjo de Wagner Meerwein ) .

45

OcorrnciaOcorrncia de de RearranjosRearranjos emem ReaesReaes SSNN11

Haletos de benzla e alla reagem rapidamente por SN2 (conjugao no estado

de transio ) e SN1 (formao de carboctions estveis ).

46

ReatividadeReatividade SSNN1 e S1 e SNN2 de 2 de HaletosHaletos de de BenzilaBenzila e e AlilaAlila

Mais do que um produto pode resultar de uma reao SN1 com um

haleto de alla.

Na reao SN2 de haletos de alila pode ocorrer tambm a formao

de dois produtos (SN2allica) .

47

ReaoReao SSNN1 e S1 e SNN2 de 2 de HaletosHaletos de de AlilaAlila

Haletos de vinila e arila no sofrem SN2: Impedimento estrico e alta

densidade eletrnica .

Haletos de vinila e arila no sofrem SN1: Baixa estabilidade dos

Carboctions .

RCH CH Cl RCH CHX + Cl-

Br

X + Br-

Ocorre substituio nucleoflica em derivados aromticos ,

porm , no pelo mecanismo SN2.

48

ReatividadeReatividade SSNN1 e S1 e SNN2 de 2 de HaletosHaletos de de ArilaArila e e VinilaVinila

50

Quando um haleto de alquila pode sofrer SN1 ou SN2:

haletos de alquil secundrios

a) a concentrao do nuclefilo,

b) a reatividade do nuclefilo, e

c) a polaridade do solvente da reao

determinaro qual mecanismo ser predominante.

A reao SN2 favorecida por alta concentrao de

um nuclefilo forte em um solvente polar aprtico.

SN1 favorecida por baixa concentrao de um

nuclefilo ou por um nuclefilo fraco em um

solvente prtico polar.

ConcorrnciaConcorrncia entre entre ReaesReaes SSNN1 e S1 e SNN22

Re

su

mo

SN1 SN2

RCH2X No Favorecida

R2CHX Allica e Benzlica Concorrncia

com E2

R3CX Favorecida em

Solventes Prticos No

R2CHX: S

N1/S

N2

Grupo de Partida ( ) :

Nuclefilo ( ) :

Solvente Prtico (Polaridade ):

Solvente Aprtico:

SSNN

11

SSNN

22

SSNN

11

SSNN

22

51

ConcorrnciaConcorrncia entre entre ReaesReaes SSNN1 e S1 e SNN22

52

ReaesReaes SSNN1 e S1 e SNN2 2 nana SnteseSntese :: AlgumasAlgumas transformaestransformaes importantesimportantes

Reaes de alcoois, teres e epxidos:

Ativao dos fracos grupos de partida OH- e RO- em

melhores GPs por protonao ou outro mtodo.

Formao de haletos de alquila a partir de lcoois e de

teres a partir de lcoois e haletos de alquila.

TransformaoTransformao de de lcooislcoois emem HaletosHaletos de de

AlquilaAlquila

53

lcooislcoois SecundriosSecundrios e e TerciriosTercirios ReagemReagem

pelopelo MecanismoMecanismo SSNN11

54

lcooislcoois SecundriosSecundrios podempodem SofrerSofrer

RearranjosRearranjos nana ReaoReao SSNN11

55

lcooislcoois PrimriosPrimrios ReagemReagem pelopelo MecanismoMecanismo

SSNN22

56

Transformao de lcoois secundrios e tercirios em haletos de alquil difcil,

em muitos os casos esta transformao acompanhada pela formao de

produtos de eliminao (vejam captulo 5).

Br -

OutrosOutros MtodosMtodos parapara ConveroConvero de um de um

lcoollcool emem HaletoHaleto de de AlquilaAlquila : PBr: PBr 33

57

OutrosOutros MtodosMtodos parapara ConveroConvero de um de um

lcoollcool emem HaletoHaleto de de AlquilaAlquila : SOCl: SOCl22

Em ambos os casos ocorre a transformao do pessimo GP OH - em

um melhor GP (Br 2PO- e SO2).

Esta reao pode ocorrer tambm por uma S N2i

58

59

ReaoReao de de teresteres pelopelo MecanismoMecanismo SSNN1. 1.

formando o bom GP lcool (CH3OH no caso) ao in vez do alcoolato.

60

ClivagemClivagem de de teresteres pelopelo MecanismoMecanismo SSNN2. 2.

lcool. Este reao funciona bem somente com HI, com outros H-Hal pode

ocorrer preferenciamlemte eliminao (maior basicidade de Hal-).

61

EpxidosEpxidos soso teresteres CclicosCclicos com com AneisAneis de de

TrsTrs tomostomos . .

62

ReatividadeReatividade de de EpxidosEpxidos comparadacomparada com com

teresteres AcclicosAcclicos . .

Reao de xido de etileno e ter dietlico com hidrxido

63

AberturaAbertura de de AnelAnel de de EpxidosEpxidos CatalisadaCatalisada porpor

cidocido . .

64

AberturaAbertura de de AnelAnel de de EpxidosEpxidos AssimtricosAssimtricos

CatalisadaCatalisada porpor cidocido . .

carbottion primrio em formao

carbottion secundrio em formao

produto secundrio

produto principal

65

AberturaAbertura de de AnelAnel de de EpxidosEpxidos AssimtricosAssimtricos

CatalisadaCatalisada porpor Base. Base.

Ataque preferencial ao carbono menos impedido

Reao por um mecanismo S N2

66

PosioPosio de de AtaqueAtaque a a EpxidosEpxidos AssimtricosAssimtricos

ProtonadosProtonados ouou nono ProtonadosProtonados . .

O ataque do nuclefilo ao epxido no protonado ocorre preferencialmente

ao carbono menos impedido (SN2).

O ataque do nuclefilo ao epxido protonado ocorre principalmente para a

formao do carboction parcial mais estvel , ou seja, no carbono mais

substituido (tipo SN1).

67

EpxidosEpxidos comocomo ReagentesReagentes nana SnteseSntese . .

Adio de Acetileto: Adio de Acetileto:

Adio de Cianeto: Adio de Cianeto:

Esta transformao pode ser utilizada para a formao de Esta transformao pode ser utilizada para a formao de

cidos cidos --hidrxihidrxi --carboxlicoscarboxlicos

Concentrao baixa favorece o processo intramolecular .

O processo intramolecular tambm favorecido quando

se formam anis de cinco ou seis membros .

SubstituioSubstituio Inter Inter vs.vs. IntramolecularIntramolecular

Reao Intermolecular:

68

Reao Intramolecular:

Formao de polmeros ou oligmeros

Formao de teres cclicos

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