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Reações de Eliminação

N307 - Química Orgânica IIProf. Dr. José Nunes da Silva Jr.

Objetivos da UnidadeObjetivos 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.

Reações de EliminaçãoReações de Eliminação

Alcenos são preparados por reações deste tipo.

C C

X YC C + X-Y

são abstraídos do reagentes para originar o alceno.

A formação do alceno requer que X e Y estejam em carbonos adjacentes.

C CH

H

H

H

HH

C CH

H

H

H+ H2

750 oC

750 oC + H2C CH

CH3

H

HC CCH3

H

H

H

HH

Reações de EliminaçãoReações de EliminaçãoNa indústria, eteno e propeno são produzidos a partir de reações de eliminação.

No entanto.... os principais métodos de preparação de alcenos são:

Desidratação de álcoois

Desidroalogenação de haletos de alquila

Reações deEliminação

Desidratação de ÁlcooisDesidratação de ÁlcooisNa desidratação de álcoois, os elementos da água são eliminados a partir de carbonos adjacentes.

C C

H OHC C + H2OH+

um catalisador é necessário

Antes da desidrogenação do etano se tornar o principal método desíntese do eteno...

... o eteno era preparado pelo aquecimento do etanol com H2SO4.

+ H2OC CH

H

H

HC CH

H

H

OH

HH

H2SO4

160 oC

Desidratação de ÁlcooisDesidratação de ÁlcooisOutros álcoois comportam-se similarmente:

OH

H2SO4

160 oC+ H2O

+ H2OC CCH3

CH3

H

HCH3 C

OH

CH3

CH3

H2SO4

160 oC

H2SO4

H3PO4

Mais freqüentemente utilizados.

Regioseletividade em DesidrataçãoRegioseletividade em Desidratação

OH

H2SO4

160 oC+ H2O

+ H2OC CCH3

CH3

H

HCH3 C

OH

CH3

CH3

H2SO4

160 oC

Nestes exemplos, somente um alceno poderia ser formado para cada álcool por eliminação β.

Porém...

... existem casos onde a desidratação pode ocorrer em 2 caminhos distintos...

... para dar alcenos que são isômeros constitucionais.

OH

CH3

Regioseletividade em DesidrataçãoRegioseletividade em Desidratação

C CC

OH

CH3

H

CH3

H

H

H

H

CCH2

C

CH3

CH3H

H

CH

C

CH3

CH3

CH3

10%

90%

Outro exemplo

84% 16%

160 oCH3PO4

CH3 CH3

+

Regra de ZaitsevRegra de Zaitsev

Regioseletividade ⇒ quando a reação pode levar à obtenção de dois produtos diferentes, mas um deles é formado em maior quantidade.

1875 Zaitsev estabelece que o alceno formado em maior quantidade é aquele formado a partir da remoção do Hidrogênio do carbono-β com menos hidrogênio.

É uma regra empírica e sumaria os resultados dos numerosos experimentos nos quais misturas de alcenos foram obtidos por eliminação- β.

Em outras palavras... O alceno majoritário será o mais substituído.

Estabelece que o alceno formado em maior quantidade é aquele formadoa partir da remoção do Hidrogênio do carbono-β com menos hidrogênio.

Em outras palavras... O alceno majoritário será o mais substituído.

Regra de ZaitsevRegra de Zaitsev

C CC

OH

H

H

RH

H

R

R

H2SO4

160 oC CCH2R

C

H

R

R

OHCH3

H3PO4

160 oC

CH3

+

CH2

HO

H

H3PO4

160 oC+

H

+ ?

EstereoseletividadeEstereoseletividade

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.

H+ +OH

75%

POR QUE ???

25%

H+ +OH

75% 25%

EstereoseletividadeEstereoseletividade

A desidratação requer que os grupos que serão removidos mantenham uma relação antiperiplanar.

Giro

60O

CIS TRANS

H

OHH

Et

Et

H

H

OH

H

Et

Et

H

Mecanismo DesidrataçãoMecanismo Desidratação

a) a desidratação é promovida por ácidos.

b) as reatividades relativas dos álcoois decrescem: 3o > 2o > 1o

OH....

H+

OH

H:

+....O

H

H

++

CH3C

CH3

C

H

H

H

+

OH

H

....

CH3C

CH3

C H

H

+ H3O+

H

CH2

CH2OH2+

Mecanismo Desidratação de ÁlcooisMecanismo Desidratação de Álcoois

Álcoois 10 ??? 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 C-O

....

HO

H

íon alquil oxônio

RearranjosRearranjosAlguns álcoois sofrem desidratação...

... para formar alcenos com esqueletos carbônicos diferentes daqueles dos álcoois de partida.

C

CH3

H3C

CH3

C

H

OH

CH3H3PO4

C

CH3

H3C

CH3

CH CH2 + C

CH3

H3CC

CH3

CH3

+ CH2C

CH3

CH

CH3

CH3

3% 64% 33%

H+

C

CH3

H3C

CH3

C

H

CH3+

+CH3C

CH3

C

H

CH3

CH3

RearranjosRearranjosNo 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 1o.

RearranjosRearranjos

4OH.... H3PO4

255 oC 4 4+

H+

OH

H

H

4

..+

4

HH

+

majoritário

Desidroalogenação de RXDesidroalogenação de RX

É outro método, aliás um dos mais úteis, ...

... para preparar alcenos por eliminação-β.

C C

H Xbase

C C + HX

Quando aplicada na preparação de alcenos ...

... a reação é conduzida na presença de uma base forte, tal como EtO-Na+ em etanol como solvente.

NaOCH2CH3 + HCl

Cl

H

HOCH2CH355 oC

100%

Desidroalogenação de RXDesidroalogenação de RX

15 CltBuOK

255 oC15tBuOH

H

H3C

CH3

Br EtONa

EtOH

CH3

H

H

H+ NaBr

(79%)

EtOH

EtONaCH3

H3C

CH3

Br + NaBrCH3

CH3

H

H(91%)

RegioseletividadeRegioseletividadeA regioseletividade na desidroalogenação...

... segue a regra de Zaitsev.

A eliminação β predomina na direção que leva ao alceno mais substituído.

C

Br

H3C CH2

CH3

CH3

HOCH2CH3

KOCH2CH3

70 oC

�������

CH2C

CH2

CH3

CH3

C

H3C

C

CH3

CH3

H

+

71%29%

O estado de transição referente ao alceno mais substituído (mais estável) é de menor energia !!!

ExercícioExercício

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

Mecanismo de Eliminação E2Mecanismo de Eliminação E2

1920Ingold Propôs um mecanismo para a desidroalogenação

que ainda é aceito como uma descrição para tais reações.

baseado em dados experimentais:

exibia cinética de 2a 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 C-X.

R-F < R-Cl < R-Br < R-I

Mecanismo de Eliminação E2Mecanismo de Eliminação E2

Estado de Transição

ETO - + C H 3C H B rC H 3 C H 2=C H C H 3 + H B r

Reagentes

ETO-

Br

HCH3

H

HH

Br

HCH3

H

HH

ETO

HH

H CH3

+ ETOH + Br -

Produtos

Mecanismo de Eliminação E2Mecanismo de Eliminação E2

Estereoquímica em Eliminação E2Estereoquímica em Eliminação E2

Detalhes do mecanismo de reações de eliminação promovidaspor base foram obtidos em estudos estereoquímicos.

Em um destes experimentos...

Br

Br

tBuOHtBUOK

tBuOHtBUOK

cistrans

Reage 500 vezes mais rápido que o isômero trans.

Estereoquímica em Eliminação E2Estereoquímica em Eliminação E2

Tal diferença na reatividade entre os isômeros pode ser entendida...... considerando a formação da ligação πno 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 H-C-C-X encontram-se no mesmo plano no estado estado de transição (synperiplanar).

H X

�����������

�����������

�����������

�����������

�����������

�����������

H

X

����������

����������

����������

����������

�����������������

�����������������

�����������������

syn periplanar anti periplanar

Estereoquímica em Eliminação E2Estereoquímica em Eliminação E2

H X

�����������

�����������

�����������

�����������

�����������

�����������

�����������

�����������

H

X����������

����������

����������

����������

�����������������

�����������������

syn periplanar trans periplanar

A conformação syn periplanar tem H 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.

Br

Br

cistrans

Estereoquímica em Eliminação E2Estereoquímica em Eliminação E2

tBuOHtBUOK

tBuOHtBUOK

Br

H

H

��� BrH

H

H

H

���

Relação goucheRelação anti

mais lenta

Estereoquímica em Eliminação E2Estereoquímica em Eliminação E2

CH(CH3)2

ClH3C

��������������

��������������

��������������

��������������

��������������

��������������

CH(CH3)2

ClH3C

�������������

�������������

�������������

cloreto de mentila cloreto de neomentila

Um destes isômeros sofre eliminação sob tratamento com etóxidode sódio em etanol muito mais rapidamente que o outro.

Qual reage mais rapidamente?

Por que?

Estereoquímica em Eliminação E2Estereoquímica em Eliminação E2

CH(CH3)2

ClH3C

Cloreto de Mentila

CH(CH3)2

ClH3C

Cloreto de Neomentila

H

CH3 Cl

H

H

H

CH3

Cl

H

H

mais rápido

Estereoseletividade em Eliminação E2Estereoseletividade em Eliminação E2

Haletos de alquila normalmente rendem o alceno mais estávelcomo o produto majoritário em tratamento com base.

H3C C

H

Br

CH3

�����

H

C C

CH3

H

H3C

H

C C

H

CH3

CH3

+CH3CH2OH/CH3CH2ONa

majoritário

Giro

60O

Como os substituintes influenciam no Estado de Transição???

H

H

H

Br

Me

Me

B:

repulsãomaior H

HH

Br

Me

Me

B:

repulsãomenor

Estereoseletividade em Eliminação E2Estereoseletividade em Eliminação E2

Estereoseletividade em Eliminação E2Estereoseletividade em Eliminação E2

Mecanismo E1Mecanismo 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 C-X Formação de um carbocátion.

Etapa determinante Unimolecular V = K [RX]

Mecanismo E1Mecanismo E1Etapa 1

Etapa 2

Formação do carbocátion

Formação do alceno

H2Olento

CH3

H3C

CH3

Cl C

CH3

H3C

CH3

+ Cl -

CH3

CH3

H

HH2OrápidoC

CH3

C

CH3

H

H

H

+

O

H

H :

+ H3O+

Mecanismo E1Mecanismo E1

Mecanismo E1Mecanismo 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.

RCH2X < R2CHX < R3CX

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.

Substituição X EliminaçãoSubstituição X Eliminação

Um haleto de alquila e uma base podem reagir através de uma reação de:

substituição eliminaçãoSN1/SN2 E1/E2

Como podemos predizer qual será a principal reação que ocorrerá???

CH3

CH3

H

H

C

CH3

CH3

ClH3C EtOH : HOH(8:2)

C

CH3

CH3

OHH3C + C

CH3

CH3

OEtH3C

83%

17%

SN1

E1

25 oC

Substituição X EliminaçãoSubstituição 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.

Substituição X EliminaçãoSubstituição X Eliminação

C

Br

H3C CH3

H

��������������

55 oC

NaOCH2CH3

HOCH2CH3

CH2C

H

CH3

+ C

OCH2CH3

H3C CH3

H

87% 13%

SN2

E2

Substituição X EliminaçãoSubstituição X Eliminaçãoimpedimento

estéricoVelocidade nucleófilo

Pouco impedimento estérico sentido pelo nucleófilo...

Circunstância especial que permite que a substituição predomine.

R-X 1o reagem com bases (alcóxido) por SN2 em vez de E2.

SN2

E2

Substituição X EliminaçãoSubstituição X Eliminação

Br HOCH2CH3

NaOC(CH3

55 oC

�������������� CH2C

H

CH3

+OCH2CH3

9% 91%

Entretanto... se a base for “impedida”, tal como t-BUOK,...

... mesmos os R-X 1o sofrem reação de eliminação em vez de substituição.

Br

15������

������

40 oC

KOC(CH3)3

HOC(CH3)315

O

15

+

87% 13%

Substituição X EliminaçãoSubstituição X EliminaçãoUm segundo fator pode alterar o balanço em favor da substituição...

é a basicidade fraca do nucleófilo.

muito bom

bom

razoável

I- HS- RS-

Br- HO- RO- CN- N3-

NH3 Cl- F- RCOO-

> 105

104

103

fraco H2O ROH 1

Classe Nucleófilo Reatividade relativa

muito fraco RCOOH 0,01

Nucleófilos menos básicos que HO- reagem com RX 1o e 2o para dar produtos de substituição em altos rendimentos.

Substituição X EliminaçãoSubstituição X Eliminação

O íon CN- é quase tão nucleofílico quanto o EtO- ...... mas é menos básico.

5

Cl

DMSO

KCN ��������

CN

5

O íon N3- é um bom nucleófilo e não fortemente básico...

... ele reage com RX 2o principalmente por substituição.

I

�������NaN3N3

Substituição X EliminaçãoSubstituição X EliminaçãoHaletos de alquila 3o são tão estericamente impedidos que, ...

... na presença de qualquer base de Lewis, ...

... leva à eliminação como o caminho principal.

Geralmente, a substituição predomina sobre a eliminação em RX 3o...

... somente sob condições de solvólise, nas quais a concentração da base é pequena.

E2

SN2

Substituição X Eliminação (Basicidade)Substituição X Eliminação (Basicidade)

H3C C

CH3

Br

CH3

����������

etanol

25 oCH3C C

CH3

OCH2CH3

CH3

H3C

C C

CH3

H

H3C

H

C C

CH3

CH2CH3

H

+ +

Produto majoritário na ausência de EtONa.

Produtos majoritários na presença de EtONa.

BrNaOH/EtOH-H2ONaOH

EtOH/H2O

Substituição X Eliminação (Efeito da Temperatura)Substituição X Eliminação (Efeito da Temperatura)

45 oC +

OH

53% 47%

100 oC

36%64%

OH+

SN2/E2

aumento da velocidade da substituição

aumento da velocidade da eliminação

Só que os produtos de eliminação são mais favorecidos que os produtos de substituição.

Substituição X Eliminação (Efeito da Temperatura)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...

substituição

Ea eliminação

Substituição X Eliminação (Efeito do Solvente)Substituição X Eliminação (Efeito do Solvente)

Br

EtOH/H2O (6:4)+

OEt

54% 46%

29%71%

OEt+EtOH/EtONa

NaOH

Decréscimo da polaridade do solvente favorece mais a eliminação que a substituição.

B H

L

Estado de transição com grande dispersão de carga.

Substituição X EliminaçãoSubstituição X Eliminação

A eliminação sempre pode ser feita quantitativamente....

... quando utilizamos , especialmente as volumosas

⇒ elevadas temperaturas

⇒ bases fortes

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.

⇒ bom nucleófilo

⇒ substrato pouco impedido

⇒ temperaturas baixas

SN1 X SN2 X E1 X E2SN1 X SN2 X E1 X E2

1) Haletos de alquila primários- ocorrerá a substituição SN2 se for utilizado um bom nucleófilo como RS-,

I-, CN-, NH3 ou Br-.

- ocorrerá a eliminação E2 ocorrerá se for empregada uma base forte e volumosa como o tert-butóxido de potássio.

(85%)

CH3CH2CH2CH=CH(CH3)3CO- K+

CH3CH2CH2CH2Br

(90%)

CH3CH2CH2CH2CNTHF-HMPA

Na+ CN-

CH3CH2CH2CH2Br

(base forte)

2) Haletos de alquila secundáriosA 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 CH3CH2O-, HO- ou H2N-, predominará E2.

SN1 X SN2 X E1 X E2SN1 X SN2 X E1 X E2

Os RX 2os, 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.

(100%)

CH3COO-

C

OCOCH3

H3C

H

CH3+ C

H3C

H

CH2

(0%)

+

(20%)(80%)

C

OCH2CH3

H3C

H

CH3CH3C

H

CH2(base forte)

CH3CH2O-

C

Br

H3C

H

CH3

3) Haletos de alquila terciários

- ocorre eliminação E2 quando se utiliza uma base como HO- ou RO-.

SN1 X SN2 X E1 X E2SN1 X SN2 X E1 X E2

etanol

C

OCH2CH3

H3C

H

CH3

(80%) (20%)

CH3C

H3C

CH2

(3%)

CH3CH2O-

C

OCH2CH3

H3C

H

CH3+ C

H3C

H3C

CH2

(97%)

+(aquecimento)

CH3CH2OH

C

Br

H3C

CH3

CH3

Substituição X EliminaçãoSubstituição 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

RX 1o

RX 2o

RX 3o

SN1 SN2 E1 E2

Objetivos Foram Atingidos ???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.