reações substituição nucleofílica - início - ct -...

Prof. Hugo Braibante-UFSM

QUIMICA ORGÂNICA BÁSICAReações Substituição Nucleofílica


SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFILICA

TERMINOLOGIA

http://atom.chem.wwu.edu/pavia/352pavia.html

Reação de Substituição

http://atom.chem.wwu.edu/pavia/352pavia.html


Y + R X R Y + X

REAÇÕES DE SUBSTITUIÇÃO

Y substitui X ( Substituição )

Y “desloca ” X

Um grupo substitui outro.



Nu:- + R X R Nu + :X

-

Nucleófilo

Substrato

Produto

Leaving

Group (LG)

DESLOCAMENTO NUCLEOFÍLICO

o Nucleófilo “desloca ” o leaving group.

Esta é uma reação de “substituição” :

Nu substitui o X .


Leaving-group


IMPORTANTE:

Esta é uma reação em Carbono sp3 (tetraédrico).

CX

sim

C C

X X

C C X

não

Compostos que tem Carbono sp2 ou sp geralmente

Não sofre reação de substituição nucleofílica.

….. Na realidade em alguns casos eles reagem,

mas discutiremos em outras ocasiões.

sp3 sp2 sp



EXEMPLO 1

NaI + CH3 Br CH3 I + NaBracetone

solúvel insolúvel

NaI é solúvel em acetona, NaCl e NaBr não são.

Iodeto desloca o brometo ligado ao carbono

(s)*

*

acetona



solvólise do cloreto de t-butila em água

CH3C

CH3

CH3

Cl + H2O CH3C

CH3

CH3

OH + H3O+

+2 Cl-

EXEMPLO 2

O próton é removido por uma segunda molécula de água.*

água desloca o cloreto ligado ao carbono

E1

compete



REAÇÕES DE SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA

REAÇÕES ACIDO-BASE

( substituição no carbono )

( substituição do hidrogênio )

Pode ser comparado a …..

REAÇÕES DE DESLOCAMENTO



Nu:- + R X R Nu + :X

-

base ácidoácido

conjugado

base

conjugada

Nucleófilo substrato produto leavinggroup

:X-+B HH X+B:

-

DESLOCAMENTO NO CARBONO

DESLOCAMENTO NO HIDROGENIO



ESTAS REAÇÕES TÊM UMA AMPLA GAMA DE SUBSTRATOS


R OH R O

H

H+

SUBSTRATOSHaletos de Alquila

R Cl

R Br

R I

tosilatos

O

O

SOR CH3

Álcoois

Álcool requer meio ácido

Álcool protonado o LG será H2O bom LG

( Leaving group)

p-toluenesulfonato de alquila

R O Ts

ABREVIAÇÃO

Reação de SubstituiçãoLeaving Group


R O R

R' C C R

R' C

O

O R

UMA AMPLA SELEÇÃO DE NUCLEÓFILOS TORNA POSSÍVEL A SÍNTESE DE MUITOS TIPOS DE COMPOSTOS ORGÂNICOS:

Nucleófilos Produto

R X haletos de Alquila

R OH álcoois

éteres

C NR nitrilas

ésteres

alcinos

Cl-,Br

-,I

-

OH-

RO-

C N -

R' C

O

O-

R' C C:-

SH-

R SH tióis

Classe

‘

R-Y + Nu R-Nu + Y

Reação de SubstituiçãoNucleófilos


R' NH R

OR R

Nucleófilos Produtos

álcool

Função

OH H OR H

ÉteresOR H

R NH2 Aminas 1ª

R' NH2

NH3

Aminas 2ª

OH

H

+ R Br OH

H

R+

+ Br

OH R

O H

H

+ H3O+ + Br

-

-

Em algumas circunstâncias

a água irá reagir.

‘ ‘



REAÇÕES “Similares”

RBr + NaOH ROH + NaBr

Ambas parecem ser idênticas e seguem

o padrão geral mostrado acima.

Duas reações a seguir...

No entanto, elas são diferentes!



CH3 Br + CH3 OH + Br-

20% waterNaOH

80% ethanol

CH3C

CH3

CH3

OH+CH3C

CH3

CH3

Br20% water

Br-

+NaOH80% ethanol

1)

2)

( + alceno E1,E2 )

velocidade = k2 [RBr] [NaOH]

v = k1 [RBr]

55oC

55oC


alta conc. NaOH

baixa conc. NaOH

água

etanol

etanol

água



Observe esse substrato na reação 1

não tem nenhum hidrogênios-b...

Por que não?



20% waterNaOH

80% ethanol


REAÇÃO 1 REAÇÃO SN2


SN2


80% ethanol

20% waterBr

-+CH3 OHCH3 Br

OH

bimolecular

concertada

k2 = 0.022 litros/mol-seg

substituição

Nucleofílica

bimolecular

-

55oC


20% waterNaOH

80% ethanol

água

etanol

etanol

água



Reação Concertada (uma etapa)

produto

substrato

Estado de transição

[ET]

DH

E

N

E

R

G

I

A

Ea

SN2

Reação de SubstituiçãoEstado Transição


Exemplo 2A REAÇÃO SN1



CH3C

CH3

CH3

OH+CH3C

CH3

CH3

Br20% water

Br-

+NaOH80% ethanol

velocidade = k1 [RBr]

80% ethanolNaOH + Br

-

20% waterCH3C

CH3

CH3

Br + CH3C

CH3

CH3

OH

CH3C

CH3

CH3

+ + Br-

O H

lento

rápido

SN1

unimolecular

duas etapas

55oC

k1 = 0.010 litro/mol-seg.

substituição

Nucleofílicaunimolecular

etanol

água

água

Reação de SubstituiçãoSN1


Material

partida

produto

Ea1

Ea2

DH

intermediário

TS2

TS1

E

N

E

R

G

I

A

etapa 1 etapa 2

carbocátionSN1



EaEa

DH

etapa 1 etapa 2

12

substrato

produto

intermediáriocarbocátion

ET2

ET1E

N

E

R

G

I

A

REAÇÃO EM 2 ETAPAS

SN1



Sinopse das Reações de Substituição

SN1 / SN2

Reação de SubstituiçãoNucleofílica



REVISÃO


20% waterNaOH

80% ethanol

1)


55oC

SN2

CMetílico

Duas reações semelhantes

Primeiro Caso

etanol

água


CH3C

CH3

CH3

OH+CH3C

CH3

CH3

Br20% water

Br-

+NaOH80% ethanol

55oC

REVISÃO

2) Segundo Caso

Cterciário

velocidade = k2 [RBr]SN1


Esta diferença é significativa,

ou é um tipo de "ilusão matemática" ?

SN1 SN2

velocidade = k1 [RBr] velocidade = k2 [RBr].[Nu]



O TRABALHO DE HUGHES E INGOLD

Reação de SubstituiçãoMecanismo


Compostos terciários sofrem reações SN1com cinética de primeira ordem.

Verificado experimentalmente que:

Compostos primários sofrem reações SN2 com cinética de segunda ordem.

Reações de substituição nucleofílicas se enquadram

em um ou outro destes dois padrões.

HUGHES E INGOLD (1940)

É significativo, ou é apenas um tipo de ilusão

matemática?


2-BROMO-OCTANO

UM ESTUDO ESTEREOQUÍMICO

Vamos usar um composto oticamente ativo.

Reação de SubstituiçãoEstereoquímica


CH3CH2CH2CH2CH2CH2 CH CH3

Br

2-BROMO OCTANO

*

R CH CH3

Br

*

Pode reagir por

SN1 ou SN2

Quiral

C secundário

abreviando

R = C6H13


R C

Br

H

CH3

R C

OH

H

CH3

R C

H

CH3+

baixa conc. [ OH- ]

alta conc. [ OH- ]

> 1 M

1) H2O

2) -H+

SN1

SN2

< 0.1 M

CINÉTICA DIFERENTE EM DIFERENTES CONCENTRAÇÕES DE BASE

k2[RBr][OH]

k1[RBr]

Os dois Mecanismos

competem


Vtotal = k1 [RBr] + k2 [RBr] [OH-]

SN2

SN1

[ OH- ]

[RBr] constante

V

E

L

O

C

I

D

A

D

E

TOTAL

k2 [RBr] [OH-]

k1 [RBr]

predomina a

alta [OH-]

Predomina a

baixa [OH-]

SN1 SN2


2-Bromo-octano é quiral.....

O resultado estereoquímico é o mesmo em:

E se começarmos com um composto

enantiomericamente puro (um enantiômero apenas)?

RESULTADOS ESTEREOQUIMICOS

CH3CH2CH2CH2CH2CH2 CH CH3

Br

*

SN1 e SN2 ?



R

H

CH3 Br

R

H

HOCH3

R

H

CH3 OH

R

H

HOCH3

SN2

SN1

alta [OH-]

baixa [OH-]

enantiômeros

Mistura racêmica

R-(-)-2-bromooctano

S-(+)-2-octanol

inversão

completa

racemização

TROCAS ESTEREOQUIMICA

[a]D = +10.3o

[a]D = -36.0o

[a]D = 0o

+

R

S

R S



Como explicar a estereoquímica dos produtos

Com os mecanismos das reações SN1 e SN2?

Vamos tentar !!!!!

MECANISMO

Reação de SubstituiçãoMecanismo


SN1



R

H

CH3 BrC

H

RCH3 O H

OH

H

CH3 R

OH

H

RCH3

+

+

enantiômeros

Carbocátion

planar

sp2

(S) (R)

(R)

50%

50%

Mistura racêmica

RACEMIZAÇÃO

-

Ataque acima

e abaixo

do plano



SN2



O

C

R

H

CH3

H O:..

..Nu ataca o

lóbulo oposto

Ataque Nucleofílico(R)- configuração

(S)- configuração

C

R

H

CH3

Br: :..

..H :..

..

INVERSÃO


Orbital “n”

s*

Br -


JOGO DE BILHAR1) Duas bolas em repouso

São tocadas

2) Choque vigoroso

segundo um eixo

3) Colisão

4) Transferência do momento

Nu

Nu

Nu

X

X

X

X

ANALOGIA CONCEITUAL 1 Semelhante ao conceito

a um ataque da parte

traseira forçando o

Nucleófilo a sair.



INVERSÃO DO GUARDA-CHUVA NO VENTO

Inversão do

guarda-chuva

é semelhante em

conceito a inversão

de um átomo de SN2.

CONCEPTUAL ANALOGY 2


C

R

HCH3

Br:

C

R

HCH3

HO :

C

HH3C

R

BrHO

HO:....

Complexo ativado

é trigonal planar (sp2 )

(R)-configuração(S)-configuração

configuração

é invertida

Ea

HO C B2p

PROCESSO INVERSÃO

sp3

sp3

sp2



COMPLEXO ATIVADO - SN2

C

R

HCH3

BrHO

trigonal planar (sp2)

Carbono com 5 ligações?

quebrandoformando

… mas as ligações com

Br e OH são apenas

parciais. (pequena interação)

NÃO É ESTAVEL

Ponto médio da reação



NUCLEOFILICIDADE

Que é “BOM NUCLEÓFILO “?

Que é NUCLEÓFILO? E BASE ?



Nucleofilicidade

Basicidade

NUCLEÓFILOS & BASES

Todos nucleófilos são bases …...

mas nem todas as bases são nucleófilos.

DIFERENÇAS

Uma boa base não é necessariamente

um bom Nucleófilo e vice-versa.NO ENTANTO :

Parâmetro cinético (velocidade)

Parâmetro termodinâmico (equilíbrio)



NUCLEOÓFILO x BASENu2 é um melhor

Nucleófilo

Nu1 uma

base mais forte

( reação rápida)

( LIGAÇÃO FORTE)

Nucleofilicidade = Cinética

Basicidade = Termodinâmica

Veloc. = k2[RX][Nu]

B:- + H+ B-H

Nu1

Nu2

Base forte

desloca o equilib.

Bom Nu

aumenta k2

(i.e., a Veloc.)

Reação de SubstituiçãoNu x Base


Fatores Termodinâmicos

(Base)

A Nucleofilicidade é

determinada pela

energia de ativação, a qual

avaliamos pela cinética

da reação. (velocidade)

>veloc.; < E[ET]

Basicidade é

Determinada aqui

Força da ligação

e posição de

equilíbrio

NUCLEOFILICIDADE E BASICIDADE SÃO DETERMINADAS EM REGIÕES DIFERENTES NO GRÁFICO DE ENERGIA

Mais rápida melhor Nu

Menor Energia, melhor

NUCLEÓFILOS

BASES

Fatores

Cinéticos (Nu)



A NUCLEOFILICIDADE É IMPORTANTEEM REAÇÕES SN1 E SN2?



Nucleófilos são importantes em uma reação de SN1;

Não estão envolvidos na etapa determinante da velocidade.

SN1 velocidade = K1 [RX]

A natureza de um Nucleófilo só é importante

para reação SN2.

SN2 velocidade = K2 [RX][Nu]

NUCLEÓFILOSIMPORTÂNCIA EM REAÇÕES SN1 E SN2

Reação de SubstituiçãoNu


BOM NUCLEÓFILO?REAÇÃO SN2



C

R

Br:

RR

Y: :....

QUAL É O NUCLEÓFILO IDEAL?

ruim

EFEITOS

ESTERICOS

Menor é melhor!

GRANDE

PEQUENO

SN2 REACTIONS

Para uma reação SN2 o Nucleófilo deve atacar o Orbital

s* da ligação C-LG (leaving group)

:...X: -

bom



:C N:

..:F:.. :Cl:..

..Pequenas esferas

EM FORMA

DE HASTE OU SETA

NUCLEÓFILO “IDEAL”

:N N N:

-

- -

- -

+

etc.

Estes tipos são

Capazes de

Atingir o alvo!

azida

cianeto

Geralmente este modelo é correto.



F Cl Br I

1.36 Å 1.81 Å 1.95 Å 2.16 Å

- - - -

Menor íon

e esperamos que o menor (fluoreto)

seja o melhor Nucleófilo,

….. no entanto, isso geralmente não é o caso.

NOSSA EXPECTATIVA INGÊNUAEsperamos que os haletos serão bons nucleófilos:

Raio iônico:



F- 5 x 102

Cl- 2.3 x 104

Br- 6 x 105

I- 2 x 107

Mais Lento

Mais Rápido

k

CH3-I + NaX CH3-X + NaI

Velocidade = k [CH3I] [X-]

REATIVIDADE DE HALETOS

MeOH

* MeOH solvata como a água, mas dissolve tudo melhor.

RESULTADOS EXPERIMENTAIS SN2



SOLVATAÇÃO

Solvatação inverte a tendência do efeito de tamanho.



F

-120 Kcal / mole

- Fase gasosa

F -H O

H

Solução aquosa

HO

H

CALOR DE SOLVATAÇÃO

HO

H

H O

H

F- (g) F- (aq)

CALOR DE SOLVATAÇÃO

ION SOLVATADO

A ENERGIA É LIBERADA QUANDO UM ÍON É COLOCADO NA ÁGUA

A interação entre o íon e o

solvente é uma interação

fraca, quando ocorre

Libera energia.

Solvatação reduz a energia

potencial do Nucleófilo

tornando-o menos reativo.



F Cl Br I

1.36 Å 1.81 Å 1.95 Å 2.16 Å

ÍONS HALETOS

Calor de

Solvatação

em H2O - 120 - 90

Kcal / mol

- 65

X(H2O)n

-

- - - -

Aumenta a solvatação

- 75

Íons pequenos SOLVATAM mais que IONS maiores

Menor

íon

Grande

interação

Pequena

interação

Raio Iônico



OH

H

CH3CH2 O

H

H O

H

NRH

H

+

+ --

CH3 O

H

X-

H O

H

H O

HH

O

H

M+

H O

H

HO

H

H

OH

H

OH

Água como SOLVENTE

Ligação polar OH

A água é uma molécula polar, pela extremidade Negativa do

oxigênio e positiva de hidrogênio. Podendo solvatar tanto

cátions como ânions.



ÍONS PEQUENOS SÃO MAIS SOLVATADOS QUE OS GRANDES

camada

do solvente

-...menor interação

com a camada

do solvente

...”escapa” facilmente

…maior energia

potencial

MELHOR NUCLEÓFILO

IF -

-

Maior "Tamanho efetivo"

H O

H

H O

HH

O

HH

O

H

HO

HH

OH

HO H

H O

H

H O

HH

O

H

A Solvatação reduz a energia

potencial do Nucleófilo.É difícil para o Nucleófilo ser

solvatado e “escapa”

da camada do solvente.Este íon é menos reativo.

Forte interação

Com o solvente

Fraca interação

com o solvente


-


SOLVENTES PROTICOS

água metanol etanol aminas

OH

H

CH3CH2 O

H

H O

H

NRH

H

+

+ --

CH3 O

H

X-

H O

H

H O

HH

O

H

M+

H O

H

HO

H

H

OH

H

OH

A água é um exemplo de um solvente "prótico".

solventes Próticos são aqueles que tem

solventes Proticos podem formar ligação hidrogênio

e podem solvatar ambos, cátions e aníons.

ligações hidrogênio O-H, N-H ou S-H.



Em solventes prótico os íons maiores são

menos solvatados (menor camada de solvente)

portanto, tem maior energia potencial.

Desde que a camada do solvente é menor para

um íon maior, ele pode facilmente "escapar"

das moléculas de solventes que o circundam

durante a reação. Há maior energia potencial.

ÍONS MAIORES SÃO NUCLEÓFILOS MELHORES EM SOLVENTES PRÓTICOS

3 FATORES:

1

2

3 Os íons maiores são considerados

mais "polarizáveis".

Veja o próximo slide...



POLARIZABILIDADEPolarização assume íons maiores, são capazes de facilmente

distorcer nuvem de elétrons em sua camada de valência,

e que íons menores não podem.

C Br

A distorção de íons grandes é mais fácil

porque as nuvens dos orbitais são mais difusas.

Hipotético


Nu:


No mesmo período:

a base mais forte é o melhor Nucleófilo.

BASICIDADE

no mesmo período, onde os átomos não variam

sensivelmente em tamanho

e solvatam para extensões semelhantes:

OH- é melhor Nucleófilo que o F-

Reação de SubstituiçãoBase


NUCLEOFILICIDADE

EM SOLVENTES PRÓTICOS



NUCLEOFILICIDADE OBSERVADA TENDÊNCIAS EM H2O OU OUTROS SOLVENTES "PRÓTICOS"

CH3- NH2

- OH- F-

PH2- SH- Cl-

Br-

I-

Aumenta a Nucleofilicidade (Período)

aumenta

Nucleofilicidade

(COLUNA)

GRUPO IV V VI VII

basicidade

maior solvatação,

maior tamanho efetivo,

menor energia potencial

basicidade



MeOH

Velocidade relativa: reações com Nu

CH3-I + Nu: CH3-Nu + I-

Rate = k [CH3I] [X-]

F- 5 x 102

CH3COO- 2 x 104

Cl- 2.3 x 102

C6H5O- 5.6 x 105

N3- 6 x 105

Br- 6 x 105

CH3O- 2 x 106

:CN 5 x 106

I- 2 x 107

C6H5S- 8 x 109

CH3OH 1.0

NH3 3.2 x 105

(CH3)2S 3.5 x 105

C6H5NH2 5 x 105

C6H5SH 5 x 105

Estes são bons nucleófilos,

mas cuidado, alguns

são bases fortes

(solvólise rápida)

SN2

CARREGADO NEUTRO




SOLVENTES APRÓTICOS



SCH3 CH3

O

CH N

O

CH3

CH3

N P N

O

N

H3C

H3C

CH3

CH3

CH3H3C

CCH3 CH3

O

CH3 C N

dimetilsulfóxido

dimetilformamida

hexametilfosforamida

acetonaacetonitrila

Se estiver

livre de água

+

- -+


NÃO TEM LIGAÇÕES

OH, NH, OU SH

“DMSO”

“DMF”

“HMPA”

Eles não formam ligações hidrogênio.

Reação de SubstituiçãoSolventes


SOLVENTES APRÓTICOS SOLVATAM CÁTIONS, MAS NÃO ÂNIONS (NUCLEÓFILOS)

-

-

+

+

X-M+

S

O

CH3 CH3

S

O

H3C CH3

SO

CH3

CH3

S O

H3C

H3C

crowded


O Nucleófilo é "livre"

(não-solvatado) e,

portanto, é pequeno

e não impedido por

uma camada de solvente.


S

O

H H

DIMETILSULFÓXIDO

densidade – potencial eletrostático

Modelo bolas


u


CH N

O

CH3

CH3

M+

CH3

H3C

O

N HC

X-

DIMETILFORMAMIDA

Nu “free”

(não solvatado)

Solventes


NUCLEOFILICIDADE OBSERVADA SOLVENTES APROTICOS

CH3- NH2

- OH- F-

PH2- SH- Cl-

Br-

I-

Aumenta a Nu (período)

Armenta a

Nu

(COLUNAS)

GRUPO IV V VI VII

A direção da seta vermelha (COLUNAS ) representa um

Sentido inverso que nos solventes proticos.

basicidadeDiminui o

Tamanho iônico

Reação de SubstituiçãoNu & Solventes


POR QUE NÃO, USAR SEMPRE SOLVENTES APRÓTICOS PARA SN2?

Principalmente, pq é uma questão de custo.

Água, etanol, metanol e acetona são muito

mais baratos, especialmente a água.

Água “free”

Metanol $14.70 / L

Etanol $15.35 / L

Acetona $16.60 / L

DMSO $47.50 / L

DMF $33.75 / L

HMPA $163.40 / L

Menor preço disponível, Aldrich Chemical Co., 2000.



SOLVENTES

QUAIS SÃO OS BONS SOLVENTES PARA SN1 E SN2?


Reações SN1 preferem solventes próticos polares

que podem solvatar o ânion e o cátion formados

na etapa determinante da velocidade.

R-X R+ + X-Etapa determinante

da velocidade solvatação dos dois íons

acelera a ionização

SN1 SOLVENTES = POLAR

Carbocátion

íons



Reações SN2 preferem solventes “não polar”, ou

Solventes polar aprótico que não solvatam o Nu.

C

R

Br:

:....

R

R

X:

Menor é melhor

PEQUENO,

Não SOLVATADO

SN2 SOLVENTES = APOLAR OU POLAR-APROTICO



+

-

CH3COOH

CH3CH2OH

CH3OH

HCOOH

CF3CH2OH

H2O

CF3COOH

CH3CH2CH2CH2CH3

CCl4

CH3CH2 O CH2CH3

S CH3CH3

O

CCH3 CH3

O

H C N

O

CH3

CH3polaridade

NÃO POLAR

POLAR

POLAR PROTICO SN2

SN1

NÃO POLAR

POLAR APROTICO



MISTURA DE SOLVENTES



MISTURA DE SOLVENTES SÃO COMUNS

Haletos de Alquila não são solúveis em água,

e solúveis em solventes orgânicos.

Sais Nucleofílicos não são solúveis em solventes

orgânicos, mas solúveis em água.

RX

NaX

CH3CH2CH2CH2 Cl + NaBr50% EtOH

50% H2O

Solúvel em EtOH Solúvel em H2O

solventes miscíveis

Ambos solúveis em mistura de solventes.



EXCEÇÕES

NaXSolúveis em solvents orgânico polar-aprotic:

DMF, DMSO, HMPA.

NaI e NaCN é solúvel em acetona,

Mas NaCl e NaBr não.



CARBOCATIONS REAGEM COM TODOS NUCLEÓFILOS IGUALMENTE

SN1

SN2

Melhor NU Reagem mais rápido dando maior rendimento (produto)

Resumindo

O nucleófilo não participa do passo determinante da velocidade.

O nucleófilo participa do passo determinante da velocidade



NUCLEÓFILOS COMPARAÇÃO



CH3

C

CH3

CH3

+

:Cl:..

HOH, H+

solvólise

..

REAÇÃO SN1 TODOS NUCLEOFILOS REAGEM IGUALMENTE

Todos reagem igualmente com o

carbocation. A concentração de

RCl, RBr and RI refletem sua

concentração inicial na solução.

CH3

C

CH3

CH3

OH:Br:

: I :..

..

..

..-

-

-

lento

REAÇÃO SN1



PARA REAÇÕES SN2, O TAMANHO E A NATUREZA DO NUCLEÓFILO SÃO IMPORTANTES.

CH3

H

CH3CH

2

Cl- -

-

REAÇÕES SN2

IBr

Cl

Diferentes concentração de

RCl, RBr, e RI são encontradas

a partir de soluções equimolares.



CH3CH

2CH

2CH

2OH

H2SO

4

NH4+ Cl

NH4+ Br

(8M)

(3.5M)

(3.5M)

CH3CH

2CH

2CH

2Br

CH3CH

2CH

2CH

2Cl

+

equimolar

Sais de Amonio

São mais solúveis

Que sais de Na+, NaX

EXPERIMENTO 1

O QUE OCORRE?

Catálise ácida e substratos

primários = SN2

Sob estas condições álcoois secundários

e terciários reagem predominantemente

via SN1

SN2



CH3CH

2CH

2CH

2OH CH

3CH

2CH

2CH

2O H

H

..+

H+

Br-

Cl-O melhor Nu

reage mais rápido

lento

NUCLEÓFILOS PARTICIPAM NO CONTROLE DA VELOCIDADE

mais RBrmenos RCl

Observado

Neste experimento obtemos RBr mais que RCl.

velocidade = k [ROH] [X-]

Substrato

primário

SN2

~ 80/20



C OH

CH3

CH3

CH3

H2SO

4

NH4+ Cl

NH4+ Br

(8M)

(3.5M)

(3.5M)

C Br

CH3

CH3

CH3

C Cl

CH3

CH3

CH3+

equimolar

O QUE OCORRE ?

EXPERIMENTO 2

terciário

SN1

Mesmas condições,

Substrato terciário = SN1



C OH

CH3

CH3

CH3

C

CH3

CH3

CH3

O H

H

C

CH3

CH3

CH3

..+

+

H+

Cl-

Br-

lento

NUCLEÓFILOS PARTICIPAM NO CONTROLE DA VELOCIDADE

igual quantidade

RBr + RCl

reage

igualmente

Observado

Neste experimento obtemos a mesma quantidade de RBr e RCl.

velocidade = k [ROH]

50/50

SN1



SUBSTITUIÇÃOx

ELIMINAÇÃO

Em condições Reacionais SN1 e SN2, pode

também ocorrer Reação de eliminação !



SN1



CH3

C

CH3

CH3

Br

CH3

C

CH3

CH3

CH3

C

CH3

CH2

CH3

C

CH3

CH3

OHEt

CH3

C

CH3

CH3

OEt

E1

SN1

+

+

ou

O Et

H

:..

O Et

H

:..

Ataca H-b

ataca

Ion C+

EtOH

solvólise

Reações de solvólise sempre

Leva a mistura de produtos de

reações SN1 and E1.Carbocations !

COMPETIÇÃO DE REAÇÕES



CH3 C

CH3

CH3

Cl CH2 C

CH3

CH3

+ CH3 C

CH3

CH3

OEtEtOH

H2O

H2O

EtOHCH3 CH

CH3

OEt+CH2 CH CH3CH3 CH

CH3

CH3

25oC 17% 83%

60oC 36% 64%

Mesmo resultado

Para RBr e RCl

SUBSTITUIÇÃO x ELIMINAÇÃO

ALTAS TEMPERATURAS FAVORECE A ELIMINAÇÃO.

Ambos RCl e RBr

Fornecem o mesmo C+ !

(+ROH)

E1 / SN1



SN2



CH3

C

H

CH3

Br

:O-H..

..-

:O-H..

..-

bases fortes fornecem mais

eliminação

Melhor nucleófilo fornecem

mais substituição

E2

SN2

(quebra ligação C-H)SN2 e E2 ocorrem

simultaneamente




CH3 C

CH3

CH3

Cl CH2 C

CH3

CH3

+ CH3 C

CH3

CH3

OEtEtOH

H2O

H2O

EtOHCH3 CH

CH3


CH3

CH3

45oC 53% 47%

100oC 64% 36%

(+ ROH)

Br

E2 / SN2


SUBSTITUIÇÃO x ELIMINAÇÃOALTAS TEMPERATURAS FAVORECE A ELIMINAÇÃO.

+ NaOH


TEMPERATURAENERGIA DE ATIVAÇÃO




substituição

eliminação

Reações de eliminação geralmente têm uma

maior energia de ativação (são mais difíceis) do que a substituição

E2

SN2

TEMPERATURA MAIS

ELEVADA GERALMENTE

FAVORECE A REAÇÃO

DE ELIMINAÇÃO

SN2 / E2




substituição

eliminação E1

SN1

SN1 / E1

Reações de eliminação geralmente têm uma

maior energia de ativação (são mais difíceis) do que a substituição

TEMPERATURA MAIS

ELEVADA GERALMENTE

FAVORECE A REAÇÃO

DE ELIMINAÇÃO




BASICIDADE x NUCLEOFILICIDADEE2 / E1



Bases Fortes favorecem E2

Bases Fracas favorecem SN1

CH3 C

CH3

CH3

Cl CH2 C

CH3

CH3

+ CH3 C

CH3

CH3

OEtEtOH

H2O

H2O

EtOHCH3 CH

CH3


CH3

CH3

CH3CH2OH 3% 97%

NaOCH2CH3 / CH3CH2OH 79% 21%

(+ ROH)Br

Base fraca

bom nucleófilo

Base forte

good nucleophile

reagentes (20o C)

E2 SN2

E1 SN1

(solvolysis)

secundário



CH3CH2CH2 Br

CH3 CH

CH3

Br

CH3 C

CH3

CH3

Br

Substituição Eliminação

91 %

25 %

0 %

9 %

75 %

100 %

Base forte

BASES FORTES FAVORECEM E2, SUBSTRATO 2o ou 3o

* substrato 1º

Favorece a reação

SN2 mesmo com uma

base Forte (uso de

calor para obter E2).

*

C 3ºterciário com uma

base forte dará

principalmente E2.

#


R- Br + NaOEt Éter + Alceno50o C

SN2 E2EtOH


C Br

C

C

HH

H

HH

H

H C

H

H

SUBSTRATOS TERCIÁRIOS FAVORECEM E2 COM BASE FORTE

Et-O:..

..Muitos hidrogênios b para eliminação... E o lóbulo traseiro do orbital sp3 é de difícil acesso (impedimento estérico) dificulta a substituição por SN2.

Hidrogênios estão na superfície da molécula,

mas o orbital sp3 é enterrado no centro.

E2 : 3º >> 2º > 1º

SN2 : 1º > 2º >>> 3º

SUBSTRATOS 3º

fácil

difícil XSN2

E2


A preferencia do substrato por reação

E2 é o inverso do que para reação SN2.


RESUMO



SN1

SN2

E1

E2

TODAS ESTAS REAÇÕES COMPETEM

QUAL A REAÇÃO SERÁ PREDOMINANTE?

se Nu for

Base forte

bom Nu

Nu fraco

Aumento

de temp.

favorece

E1 / E2

3o >> 2o > 1o

Base fraca

Nu fraco

3o >> 2o > 1o

3o >> 2o > 1o

Ambas ocorrem

(SN1 & E1) inseparaveis

- bases forte pode ser usada

e para evitar E2 usar substr. 1ºLG anti periplanar

a H beta

1o > 2o >> 3o


solvólise


1) VERIFIQUE O NUCLEÓFILO

COMO IDENTIFICAR SE É SN1 OU SN2?

2) VERIFIQUE O SUBSTRATO

Reação SN2 exige um bom Nu.

Um bom Nu que é base forte pode favorecer E2

Fracos nucleófilos favorecem SN1 + E1

Primario é ruim para SN1 / E1…..

Terciário é ruim para SN2

3) FINALMENTE, OLHA PARA O SOLVENTE

SN2 é melhor em solventes apróticos polares e apolares,

mas também pode acontecer em água ou EtOH.

SN1 precisa de um solvente polar.

see next slide …..



BOM NUCLEÓFILO em alta concentração = SN2

Se Nu for base forte = E2

…. no entanto, SN2 precisa um

substrato 1º ou 2º (ou benzílicos) não 3º

…. prefere um solvente apolar, mas

ocorre mesmo em um solvente

polar (melhor apróticos). Base forte interage

com hidrogênio beta

(anti-coplanar) dos

substratos

3o >> 2o > 1o

Alta T

favorece E2

RO-

HO-

H2N-

substratos 1o favorecem

SN2 a baixa T

*

DICAS ÚTEIS!ANALISAR PRIMEIRO O NUCLEÓFILO, APÓS O SUBSTRATO

BOM NUCLEÓFILO

SUBSTRATO

SOLVENTE

BASE

FORTE

GRÁFICO DE DECISÃO



Nucleófilo fraco (solvólise) = SN1 + E1

….no entanto, o substrato

precisa ser 3° ou

benzílicos ou alílicos (ou 2°)

... também, em SN1 o

carbocátion precisa de um

solvente razoavelmente polar

(sempre ocorrem juntos)

Alta T favorece E1ou baixa concentração

Observar rearranjos

*Nucleófilo fraco

SUBSTRATO

SOLVENTE

REARRANJO


DICAS ÚTEIS!

ANALISAR PRIMEIRO O NUCLEÓFILO, APÓS O SUBSTRATO

GRÁFICO DE DECISÃO


PROBLEMAS


PRODUTO E MECANISMO ?

1)

2)

CH3CH2CH2CH2CH2CH2Br NaCl+DMSO

3)

CH3

Br N aOH+4 M

50oC4)

CH2 Br NaOH+OH20.01 M

5)

CH

Br

CH3 NaCNacetona

+

(R)

CH

Br

CH3 EtOH+EtOH

(R)


CH3

C

CH3

CH3

CH2

Br EtOH+

AgNO3

EtOH9)

CH3

OH

CH3

H2SO

4

6)

7)

8)

C NaIacetona

Ph

BrHCH3

(S)+

C NH4Br

Ph

OHCH3CH2

CH3

H2O

H2SO4

(R)+

4 M

50 oC


ACELERANDO A REAÇÃO SN1

TESTES PARA HALETOS “LABEIS”

facilmente

deslocados,

muito reativo


HALETOS DE PRATA NÃO SÃO SOLÚVEIS EM ÁGUA

Lembre-se de química geral e analítica:

NaCl (aq) + AgNO3 (aq) NaNO3 (aq) + AgCl (s)

precipitado

Os haletos (AgBr, AgI) are insoluveis também.

Íon prata (Ag+) tem forte afinidade com íons haletos.

Este fato pode ser usar para ajudar a ionização de

substratos SN1. Ag+ ajuda a ionização.

(ou em álcoois)


CCH3CH

2

CH3

Cl

H

Ag CCH3CH

2

CH3

Cl

H

Ag

CCH3CH

2

CH3

H

AgCl

+

+ +

EtOH

AgNO3

+ ++ -

(s)SN1 + E1 EtOH

insolúvel

em etanol

:..

..

Et -O:

H

..

Cation Ag+ auxilia na ionização

..

..


O TESTE DE NITRATO DE PRATA-ETANOL

R-Cl + AgNO3 R-OEt + AgCl (s)

terciário secundário primário aromático

benzílico

alílico

Velocidade rápido lento muito lento não reativo> > >

Aparecimento de um a ppt.

Indica a reatividade do haleto

EtOH

Esta é uma reação de SN1 e os substratos

que fazem carbocátions estáveis reagem mais rápido.

Se o precipitado aparece rapidamente (imediatamente),

isso implica um terciário ou benzílicos composto está reagindo.


IODETO DE SÓDIO EM ACETONAESTE TESTE MEDE A REATIVIDADE EM UM SN2 REAÇÃO

Lembre-se: Embora NaI seja solúvel na acetona,

NaCl e NaBr não são.

R-Cl + NaI R-I + NaCl (s)acetona

R-Br + NaI R-I + NaBr (s)acetona

primário secundário terciário aromáticoneopentila

Mais uma vez avaliamos a taxa de formação de precipitado.

rápido lento muito lento não reativo> > >Velocidade

h1u2

reações substituição nucleofílica - início - ct -...

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