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Haletos de AlquilasReações de
Substituição Nucleofílica
Aula 11
QO-427 Prof. José Augusto
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� Introdução�A polaridade de uma ligação carbono-halogênio leva ao carbono ter uma
carga parcial positiva� Em haletos de alquila esta polaridade torna o carbono ativado para reações de
substituições com nucleófilos
�Ligações carbono-halogênio tornam-se menos polares, maiores e mais fracas indo do fluor para o iodo
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� Reações de Substituição Nucleofílica�Nesta reação um nucleófilo é uma espécie com um par não-compartilhado
de elétrons que reage com um carbono deficiente em elétrons
�Um grupo abandonador é substituido pelo nucleófilo
�Exemplos de reações nucleofílicas
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� Nucleófilo�O nucleófilo reage no carbono deficiente de elétrons
�Um nucleófilo pode ser qualquer molécula com um par de elétrons não compatilhado; É uma base de Lewis.
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� Grupo Abandonador�Um grupo abandonador é um substituinte que pode deixar o
carbono como uma entidade estável
�Ele pode abandonar como um ânion ou uma espécie neutra
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� Cinética de uma Reação de Substituição Nucleofílica: Uma Reação SN2
�A velocidade (taxa) inicial da seguinte reação é medida
�A velocidade é diretamente proporcional às concentrações iniciais de ambos cloreto de metila e íon hidróxido
�A equação de velocidade reflete esta dependência
�Reação SN2: substituição, nucleofílica, 2a. ordem (bimolecular)
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� Um Mecanismo para a Reação SN2
�Um estado de transição é o estado de energia mais alto da reação
� Ele é uma entidade instável (não pode ser isolada) com existência muito
breve (10-12 s)
�No estado de transição desta reação ligações são parcialmente formadas e quebradas
� Ambos clorometano e hidróxido estão envolvidos no estado de transição e
isto explica porque a reação é de segunda ordem
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� Teoria do Estado de Transição: Diagramas de Energia Livre
�Reação exotérmica: ∆∆∆∆Go negativo (produto favorecido)
�Reação endotérmica: ∆∆∆∆Go positivo (produto não favorecido)
�A reação do diclorometano com hidróxido é altamente exotérmica
�A constante de equilíbrio é muito grande
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�Um diagrama de energia de uma típica reação SN2 � Uma barreira de energia é evidente, pois uma ligação está quebrando indo para o
estado de transição (que é o topo da barreira de energia)
� A diferença em energia entre o material de partida e o estado de transição é a energia livre de ativação (∆∆∆∆G‡ )
� A diferença em energia entre moléculas iniciais e produtos é a troca de energia da reação, ∆∆∆∆Go
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�Em uma reação altamente endotérmica tem barreira de energia bem elevada (∆∆∆∆G‡ é muito grande)
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�Existe um relacionamento direto entre ∆∆∆∆G‡ e a temperatura da reação
� Maior a temperatura, mais rápida é a velocidade
� Próximo da temperatura ambiente, um aumento de 10oC dobra a velocidade
� Maior temperatura provoca maior colisão entre as moléculas com energia suficiente para atingir o estado de transição e reagir
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�O diagrama de energia para a reação de diclorometano com hidróxido :
� Uma reação com ∆∆∆∆G‡ acima de 100 kJ mol-1 vai requerer aquecimento para prosseguir com velocidade razoável
� Esta reação tem ∆∆∆∆G‡ = 103 kJ mol-1 de modo que vai requerer aquecimento
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� A Estereoquímica de Reações SN2�Ataque do nucleófilo pela retaguarda resulta na inversão da configuração
�Em sistemas cíclicos um composto cis pode reagir e tornar-se produto trans
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� A Reação do Cloreto de terc-Butila com Íon Hidróxido: Uma Reação SN1
�Cloreto de terc-Butila sofre substituição por íon hidróxido
�A velocidade é independente da concentração do hidróxido e depende apenas da concentração do cloreto de terc-butla
�Reação SN1 : Substituição nucleofílica de 1a ordem (unimolecular)
� A velocidade depende apenas da concentração do haleto de alquila
� Apenas o haleto de alquila (e não o nucleófilo) está envolvido no estado de transição na etapa que controla a velocidade (etapa determinante da velocidade de reação, a etapa mais lenta)
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� Reações de Múltiplas-etapas e Etapa Determinante da Velocidade
�Nas reações de múltiplas-etapas, a velocidade da etapa mais lenta será a velocidade de toda a reação
�Esta é chamada velocidade da etapa determinante
�No caso abaixo k1<< k2 or k3, e a primeira etapa é a etapa determinante da velocidade
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� Um Mecanismo para Reação SN1 (próximo slide)
�A etapa 1 é determinante de velocidade (etapa lenta) pois ela requer a formação de produtos iônicos instáveis
�Na etapa 1 a água (é polar, elevada constante dielétrica) ajuda estabilizar os produtos iônicos
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� Carbocátions�Um carbocátion tem apenas 6 elétrons, é hibridizado sp2 e tem um orbital
p vazio
�Quanto mais altamente substituido um carbocátion, mais estável é
� Quanto mais estável um carbocátion, mais fácil ele se forma
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�Hiperconjugação estabiliza o carbocátion pela doação de elétrons de uma ligação σσσσ adjacente a uma ligação carbono-hidrogêmio ou carbono-carbono para um orbital vazio p
� Maior substituição fornece maior oportunidade para hiperconjugação
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� A Estereoquímica de Reações SN1 �Quando o grupo abandonador deixa um centro esterogênico de
um composto oticamente ativo em uma reação SN1, ocorrerá racemização (perda de atividade ótica)
� Isto acontece porque é formado um intermediário aquiral, sp2
que é planar (ou trigonal), ângulo de ligação de 120o
�Racemização: transformação de um composto oticamente ativo para uma mistura racêmica (sem atividade ótica)
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� Solvólise�Um molécula do solvente é o nucleófilo na reação de substituição
� Se o solvente for água a reação é de hidrólise
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� Fatores que Afetam a Velocidade de Reações SN1 e SN2 � Os Efeitos da Estrutura do Substrato
� Reações SN2
�Nas reações SN2 haletos de alquilas mostram a seguinte ordem geral de reatividade
�Impedimento estérico: o arranjo espacial de átomos ou grupos no local ou proximidades do sítio reagente impede ou retarda a reação
� Nos haletos terciários e neopentílicos, o carbono reagente é muito
impedido estericamente para reagir
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� Reações SN1
�Geralmente haletos terciários sofrem reações SN1 devido poderem formar carbocátions estabilizados
� O Postulado Hammond-Leffler
�O estado de transição para uma reação exergônica (exotérmica) se assemelha muito ao material de partida
�O estado de transição para uma reação endergônica (endotérmica) se assemelha muito aos produtos
�Geralmente o estado de transição se assemelha mais das espécies próximas a ele em energia
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�Na primeira etapa da reação SN1 o estado de transição se parece muito com carbocátion
�O estado de transição parecido com carbocátion é estabilizado pelos mesmos fatores que estabilizam carbocátions
�O estado de transição levando a carbocátions terciários é muito mais estável e menor em energia do que estados de transição que levam a outros carbocátions
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� Os Efeitos de Concentração e Poder do Nucleófilo
� Reação SN1
�Velocidade não depende da identidade e concentração do nucleófilo
� Reação SN2
�Velocidade é diretamente proporcional à concentração do nucleófilo
�Nucleófilos fortes também reagem rápido� Um nucleófilo carregado negativamente é sempre mais reativo do que seu
ácido conjugado neutro
� Quando comparando nucleófilos com o mesmo átomo nucleofílico: nucleofilicidades seguem a basicidade
�Metóxido é muito melhor nucleófilo do que metanol
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� Efeitos de Solventes nas Reações SN2: Solventes Polar Prótico e Aprótico�Solventes Polar Prótico
� Solventes polares próticos possuem átomo de hidrogênio ligado a átomos fortemente eletronegativos
� Eles solvatam nucleófilos e o tornam menos reativo
� Átomo nucleofílicos grandes (volumosos) são menos solvatados e em decorrência mais reativos em solventes polar e prótico
� Nucleófilos volumosos são também mais polarizáveis e podem doar mais densidade eletrônica
� Nucleofilicade relativa em solventes polares:
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�Solventes Polares Apróticos� Solventes polares apróticos não possuem um átomo de hidrogênio ligado ao
átomo eletronegativo
� Eles solvatam bem cátions mas deixam os ânions não-solvatados pois o centro positivo no solvente é estericamente impedido
� Solventes polares apróticos levam a geração de nucleófilos “nus” e muito reativo
� Tendências para a nucleofilicidade são as mesmas da basicidade
� Eles são excelentes solventes para reações SN2
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� Efeitos de Solventes em Reações SN1: A Habilidade Ionizante do Solvente
�Solventes polares próticos são excelentes solventes para reações SN1
�Solventes polares próticos estabilizam o estado de transição parecido com carbocátion que levam ao carbocátion e então diminuindo o ∆∆∆∆G‡
�Mistura de água-etanol e água-metanol são as mais comuns
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� A Natureza do Grupo Abandonador�Os melhores grupos abandonadores são bases fracas
� O grupo abandonador pode ser um ânion ou uma molécula neutra
�A habilidade de haletos como grupos abandonadores
�Esta tendência é oposta a da basicidade:
�Outras bases muito fracas que são bons grupos abandonadores
�O pobre grupo abandonador hidróxido pode ser trocado para um bom grupo abandonador como a água pela sua protonação
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� Sumário SN1 vs. SN2
�Em ambos tipos de reações iodetos de alquilas reagem rápido devido a sua habilidade superior como grupo abandonador
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� Síntese Orgânica: Transformações de Grupo Funcional Usando Reações SN2
�Estereoquímica pode ser controlada em reações SN2
Inversão da
configuraçãoCN-, íon
cianeto
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� Reações de Eliminação de Haletos de Alquilas� Desidro-halogenação
�Usada para síntese de alquenos � Eliminação compete com reação de substituição
� Bases fortes tais como alcóxidos favorecem eliminação
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�As bases alcóxidos são feitas a partir dos alcoóis correspondentes
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35
� A Reação E2 �Reação E2 envolve a remoção concertada (sincronizada) de próton,
formação de ligação dupla, e saída do grupo abandonador
�Ambos, haleto de alquila e concentração da base afetam a velocidade da reação e portanto, a reação é de 2a. ordem
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� A Reação E1�A reação E1 compete com a reação SN1 e da mesma maneira
passa pelo intermediário carbocátion
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37
� Substituição versus Eliminação� SN2 versus E2
�Substrato primário� Se a base for pequena, SN2 compete fortemente pois deve se aproximar de
crbono fortmente impedido
�Substrato secundário� Aproximação ao carbono é estericamente impedido e a eliminação E2 é
favorecida
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38
�Substrato terciário� Aproximação ao carbono é extremamente impedida e predomina a eliminação, especialmente
em temperaturas elevadas
�Temperatura� Aumentando a temperatura favorece a eliminação sobre a substituição
�Tamanho da Base/Nucleófilo� Bases volumosas estericamente impedidas favorecem eliminação pois elas não
podem se aproximar diretamente do carbono para reagir em uma substituição
� Terc-butóxido de potássio é uma base extremamente volumosa e rotineiramente é empregada para favorecer reação E2
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39
� Sumário Global