HALETOS DE ALQUILA

•Introdução e Propriedades físicas dos haletos orgânicos •Reações de substituição nucleofílica; Nucleófilos •Os grupos retiradores de elétrons •Termodinâmica e cinética das reações químicas •Cinética de reação de substituição nucleofílica: reação SN2 •Mecanismos e estereoquímica para a reação SN2 •Teoria do estado de transição: diagramas de energia livre •A reação do cloreto de ter-butila com o íon hidróxido: uma reação SN1 •Mecanismo e estereoquímica para a reação SN1: Carbocátions •Fatores que afetam as velocidades das reações SN1 e SN2 •Reações de eliminação dos haletos de alquila: mecanismos E1 e E2 •Substituição versus Eliminação

Paula Bruice cap. 10 e 11

Paula Bruice 2010

Reações de SUBSTITUIÇÃO e ELIMINAÇÃO HALETOS DE ALQUILA

HALETOS DE ALQUILA

Fluoreto de alquila cloreto de alquila brometo de alquila iodeto de alquila

R – F R – Cl R – Br R – I

Como reagem os HALETOS DE ALQUILA

Produto de substituição

Mecanismo de reação Sn2

Velocidade a [haleto de alquila].[nucleófilo]

Velocidade = k.[haleto de alquila].[nucleófilo]

mecanismo

Velocidades relativas de reacoes Sn2 de haletos de alquila

O ataque pela frente resultaria

em interações ligantes e não

ligantes que se cancelariam.

O ataque por trás resulta em interação ligante entre os orbitais

HOMO (o orbital ligante preenchido) e o LUMO (o orbital vazio

antiligante s*) da ligacao C-Br.

aproximação de HO- a um haleto de metila, um haleto de alquila primário, um haleto de

alquila secundário e a um haleto de alquila terciário.

O aumento do volume dos subtituintes ligados ao carbono que sofre o ataque nucleofílico diminui o

acesso a parte de trás do carbono diminui a velocidade de uma

reação Sn2.

Reatividades relativas de haletos de alquila em reações Sn2

Haleto de metila > haleto de alquila 1º. > Haleto de alquila 2º. > Haleto de alquila 3º.

Mais reativo

Menos reativo

Diagramas de coordenadas de reação

a. MeBr + -OH b. R2CHBr + -OH

Reação Sn2 entre íon hidróxido e brometo de metila

INVERSÃO DE WALDEN: a configuração do produto é

INVERTIDA à do reagente

Fatores que afetam a reação Sn2

1. Grupo abandonador:

1. Grupo abandonador 2. Nucleófilo

R I > RBr > RCl > RF Menos reativo

Base mais forte, menos estável

Basicidades relativas dos íons haletos

Habilidades relativas de saída dos íons haletos

Pior grupo de saída

Reatividade relativa de haletos de alquila em reação Sn2

Base mais fraca, mais estável

Melhor grupo de saída

Mais reativo

Força ácida relativa

2. Nucleófilo Fatores que afetam a reação Sn2

Ácido mais fraco

Base mais forte

Melhor nucleófilo

Força básica relativa e nucleofilia relativa

O íon IODETO é maior e mais polarizável que o íon fluoreto

Os elétrons fracamente presos do íon iodeto podem se sobrepor a distância maior com o orbital do carbono que sofre o ataque

nucleofílico.

Os elétrons firmemente atraídos do íon fluoreto não podem iniciar a sobreposição

até que os átomos esteja bem próximos

Um solvente prótico contém HIDROGÊNIO ligado a oxigênio ou nitrogênio.

É um doador de ligação hidrogênio

Efeito do SOLVENTE na nucleofilia

Nucleofilia relativa frente ao CH3I em MeOH

A nucleofilia de Y- é reforçada

em solvente aprótico!!

a nucleofilia é afetada por efeitos ESTÉRICOS

A reversibilidade de reações Sn2

Uma reação Sn2 acontece na direção que permite que a BASE MAIS FORTE desloque a base fraca

Uma reação Sn2 é reversível quando

as basicidades dos grupos

abandonadores são similares

Base conjugada (Grupo de saída)

ACIDEZ dos ácidos conjugados de alguns grupos de saída

Se um equilíbrio é deslocado, o sistema vai se ajustar para compensar a alteração sofrida.

Princípio de Le Chatelier

Mecanismo da reação Sn1

Velocidades relativas de reações Sn1 para diversos brometos de alquila (solvente é água, nucleófilo é H2O)

Velocidade = k. [haleto de alquila]

Mecanismo da reação Sn1

Reatividades relativas de haletos de alquila em reações Sn1

Haleto de alquila 3º. > haleto de alquila 2º. > Haleto de alquila 1º.

Mais reativo

Menos reativo

Cisão HETEROLÍTICA da ligacao C—Br

Ataque nucleofílico ao CC

Se o grupo abandonador em uma reação Sn1 estiver ligado a um

carbono assimétrico, o produto será um par de enantiômeros

Estereoquímica da reação Sn1

Configuração INVERTIDA relativa à do haleto de

alquila MESMA configuração do haleto de alquila

Fatores que afetam a reação Sn1

1. Grupo abandonador:

1. Grupo abandonador 2. Estabilidade do CC formado

R I > RBr > RCl > RF

Reatividade relativa de haletos de alquila em reação Sn2

o Nucleófilo não participa da etapa lenta da reação não afeta a reação Sn1

2. CARBOCÁTION: rearranjos

Mais reativo

Menos reativo

2. CARBOCÁTION: rearranjos

Estereoquímica das Reações Sn1 e Sn2

Configuração INVERTIDA em relação ao reagente

produto com configuração INVERTIDA

produto com RETENÇÃO de configuração

Br- já se afastou, entao a H2O tem acesso igual aos dois lados

do CC

Br- ainda não se afastou, entao ele bloqueia o acesso da H2O por um

dos lados do CC

Estereoquímica das Reações Sn1 e Sn2

Haletos benzílicos, haletos alílicos, haletos vinílicos e haletos arílicos

CC alílico não simétrico mais de 1 produto

haletos vinílicos e haletos arílicos

Não reagem via Sn2 o Nu- é repelido pela nuvem p da ligação dupla ou do anel

aromático

Não reagem via Sn1 a ligaçao com C sp2 é mais forte;

C sp é mais eletronegativo que C sp2 não suporta a carga +

Competição (‘comparação’) entre reações Sn1 e Sn2

Sn1 mecanismo em 2 etapas com CC intermediário etapa lenta é unimolecular Rearranjo de CC produtos com retenção e com inversão de configuraçao Ordem de reatividade: 3º. > 2º. > 1º. > metila

Sn2 Mecanismo em 1 etapa Etapa lenta é bimolecular Sem rearranjo de CC Produto com configuracao invertida Ordem de reatividade: metila> 1º. > 2º. >3º.

Resumo da reatividade de haletos de alquila em reações de Sn

Haletos 1º. e de metila só Sn2 Haletos de vinila e de arila nem Sn1 nem Sn2 Haletos de alquila 2º. Sn1 e Sn2 Haletos de benzila 1º e 2º. e haletos de alila 1º. e 2º. Sn1 e Sn2 Haletos de alquila 3º. Só Sn1 Haletos de benzila 3º. e de alila 3º. Só Sn1

Competição entre reações Sn1 e Sn2

•Uma reação Sn2 é favorecida por alta concentração de um bom Nu-

•Uma reação Sn1 é favorecida por concentração baixa de nucleófilo ou por Nu- fraco

Sn2: velocidade = k2.[haleto de alquila].[nucleófilo] Sn1: velocidade = k1.[haleto de alquila] Se o haleto de alquila pode reagir por Sn2 ou Sn1 Velocidade = k2.[haleto de alquila].[nucleófilo] + k1.[haleto de alquila]

Contribuição

pela reação Sn2 Contribuição

pela reação Sn1

O papel do solvente em reações Sn1 e Sn2

Efeito do solvente na velocidade da reação

•Coordenadas de reação em que a carga dos reagentes é maior que a carga no ET

•Coordenadas de reação em que a carga no ET é maior que a carga dos reagentes

O aumento na polaridade do solvente diminui a velocidade da reação se o reagente da etapa lenta é carregado O aumento na polaridade do solvente aumenta a velocidade da reação se nenhum dos reagentes da etapa lenta é carregado

O efeito do solvente na velocidade de uma reação Sn1

O efeito do solvente na velocidade de uma reação Sn2

A reação Sn2 de uma haleto de alquila é favorecida por alta concentração de um bom Nu- em solvente

polar aprótico

A reação Sn1 de um haleto de alquila é favorecida por baixa concentração de nucleófilo fraco em

solvente polar prótico

Efeito da polaridade do solvente na velocidade da reaçao de brometo de t-butila via Sn1

Reagentes de metilação biológica: SAM

Reagentes de metilação biológica: SAM

Reações de ELIMINAÇÃO Competição entre SUBSTITUIÇÃO e ELIMINAÇÃO

O produto de uma reação de eliminação é um alceno

REAÇÃO E2, reação de eliminação b, reação de eliminação 1,2

Mecanismo: DESIDROHALOGENAÇÃO

Bases mais fracas são melhores GRUPOS DE SAÍDA!

A regiosseletividade na REAÇÃO E2: regra de ZAITSEV

Diagrama de coordenadas de reação para a reação E2 do 2-bromobutano e

íon metóxido

O produto principal da reação E2 é o ALCENO MAIS ESTÁVEL

O ET já tem caráter de ‘alceno’

Exceção:

Efeito das propriedades ESTÉRICAS da BASE na

distribuicao dos produtos na reação E2

Carbânion 3º. < 2º. < 1º. !!!

REAÇÃO E1

Velocidade = k.[haleto de alquila]

O haleto de alquila se dissocia,

formando um CC A base remove um

próton do carbono b

A carga + retiradora de

elétrons diminui seu pKa

Quando 2 produtos de ELIMINAÇÃO podem ser formados numa reação E1, o

principal é geralmente o alceno MAIS substituído

Coordenadas de reação para reação E1 do 2-cloro-2-metilbutano. O produto principal é o alceno MAIS substituído pois sua maior estabilidade

vem de seu ET ser também mais estável

Bases mais fracas são melhores grupos de saída

REARRANJOS

Competição entre reações E1 e E2

ESTEREOQUÍMICA das reações E1 e E2

E2: reação concertada as ligações dos grupos a serem

eliminados (H e X) devem estar no mesmo plano

Eliminação syn: remoção dos substituintes do mesmo lado da ligação C—C Eliminação anti: remoção dos substituintes de lados opostos da ligação C—C

Os orbitais sp3 dos carbonos ligados ao H e

ao X estarão sobrepostos no alceno formado

os orbitais devem estar sobrepostos no ET e a sobreposição é otimizada se os orbitais forem paralelos (mesmo plano)

ELIMINAÇÃO E2 é anti (confôrmero alternado é mais estável!)

ELIMINAÇÃO E2 é REGIOSSELETIVA e ESTEREOSSELETIVA

Regra de ZAITSEV

Quando há dois hidrogênios ligados ao carbono b, o produto

principal da reação E2 é o alceno com os

substituintes mais volumosos em lados

opostos da ligação dupla

Nuvens eletrônicas provocam tensão

estérica!

ESTEREOSSELETIVIDADE

Quando há somente um hidrogênio ligado ao carbono b, o produto

principal da reação E2 depende da estrutura do alceno.

Use modelos moleculares para visualizar a

ESTEREOQUÍMICA!

ELIMINAÇÃO E2 é ESTEREOSSELETIVA

Rotação da ligação C2-C3:

ESTEREOQUÍMICA das reações E1

O produto principal de uma reação E1 é o alceno com os substituintes mais VOLUMOSOS

em lados OPOSTOS da ligação dupla

ELIMINAÇÃO E2 a partir de Substâncias CÍCLICAS

Na reação E2 em cicloexanos, os grupos a serem eliminados

devem estar em AXIAL

ELIMINAÇÃO E1 a partir de Substâncias CÍCLICAS

Formação de CC REARRANJO!

Estereoquímica das reações de SUBSTITUIÇÃO e de ELIMINAÇÃO

Mecanismo

Sn1

E1

Sn2

E2

Produtos

Estereoisômeros R e S são formados (inversão > retenção)

Estereoisômeros E e Z são formados (+ estereoisômero com grupos volumosos em lados opostos da ligação dupla)

Só o produto com inversão de configuração é formado.

Estereoisômeros E e Z são formados (+ estereoisômero com grupos volumosos em lados opostos da ligação dupla), a não ser que o carbono b do reagente seja ligado a só um H só um estereoisômero é formado, com configuração que depende da configuração do reagente.

Efeito isotópico cinético

Competição entre SUBSTITUIÇÃO E ELIMINAÇÃO

Condições Sn2/E2

Em uma reação Sn2: 1º. > 2º. > 3º.

Em uma reação E2: 3º. > 2º. > 1º.

Reatividades relativas de Haletos de Alquila

Em uma reação Sn1: 3º. > 2º. > 1º.

Em uma reação E1: 3º. > 2º. > 1º.

RX 1º.

RX 1º. estericamente impedido!

Uma base volumosa favorece a ELIMINAÇÃO em detrimento da substituição

O Nu- é estericamente impedido!

Uma base fraca favorece a SUBSTITUIÇÃO em detrimento da eliminação Base FORTE RX 2º.

Base fraca

RX 3º.

Condições Sn1/E1

Produtos esperados em reações de SUBSTITUIÇÃO e ELIMINAÇÃO

RX 1º.

RX 2º.

RX 3º.

Principalmente SUBSTITUIÇÃO, a não ser que haja impedimento estérico no RX ou Nu- eliminação é favorecida

Produtos de Substituição e eliminação; com base forte e volumosa > eliminação

Só eliminação

Não sofrem reações Sn1 ou E1

Produtos de Substituição e eliminação

Produtos de Substituição e eliminação

Sn2 x E2 Sn1 x E1

Reações de Substituição e Eliminação em SÍNTESE

Problema 21. Que outros produtos orgânicos serao formados

quando o haleto de alquila usado na síntese do éter butil

propílico for:

a. brometo de propila?; b. brometo de butila?

Problema 22. Como podem ser preparados os éteres

abaixo, usando um haleto de alquila e um álcool?

Síntese de alcinos:

Síntese de alcenos: O uso de uma base impedida estericamente (tBuO-) pode

melhorar ainda mais a proporção do alceno!

Reações E2 consecutivas

Reação intermolecular x intramolecular

Planejando uma síntese:

Exemplo 1. Como preparar 1,3-cicloexadieno a partir de cicloexano?

Exemplo 2. Partindo de metilcicloexano, como preparar o trans-dihaleto vicinal abaixo?

Exemplo 3. Como preparar etil-metil-cetona a partir de brometo de n-butila?

Planejando uma síntese:

Exemplo 1. Como preparar o éter cíclico abaixo a partir do haleto indicado?

Problema 28. Proponha uma síntese multi-etapas para mostrar como as substâncias abaixo podem ser preparadas a partir dos reagentes indicados.

Referências Bibliográficas

McMurry, J. – Química Orgânica, 8a. ed., Thomson Brooks Cole

Publishing Company, 2007.

Bruice, P. Y., Organic Chemistry, 5th. Ed., Pearson Prentice Hall,

2009.

Solomons, T. W. G. and Fryhle, C.- Organic Chemistry, 10th. Ed.,

John Wiley, 2009.