Reações de Substituição Nucleofílica

Reações de substituição nucleofílica Disciplina: Química Orgânica II Professora: Márcia R. Almeida UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO DEPARTAMENTO DE QUÍMICA E AMBIENTAL Conteúdo exclusivo desenvolvido para Período Acadêmico Emergencial (PAE) – proibida publicação em outros veículos de comunicação, divulgação, reprodução e compartilhamento. Para uso exclusivo de alunos inscritos na disciplina durante o PAE com as ressalvas acima. Reações de substituição nucleofílica Haletos de alquila: Tipos de ruptura de ligação: RCH2 X δ+ δ- X = F, Cl, Br, I Eletrófilo (E ou E+) x nucleófilo (Nu ou Nu-) ↓ ↓ Ácidos de Lewis Bases de Lewis Reações de substituição x eliminação: RCH2CH2X + Y- Reação de substituição -> RCH2CH2Y + X- Reação de eliminação -> RCH=CH2 + HY + X- Grupo de saída Reação de substituição Nu: + C-X -> C-Nu + X: Reação de eliminação Nu: H- C-C-X -> C=C + HNu + X- Reações de substituição nucleofílica Como as reações de substituição podem ocorrer? Qual o mecanismo da reação? 1°) R-X -> R+ + X- carbocátion 2 etapas Nu: + R+ -> Nu-R 2°) Nu: + R-X -> Nu-R + X- 1 etapa Cinética da reação de substituição nucleofílica: 1°) Reação de substituição nucleofílica unimolecular - SN1 R-X -> R+ + X- lenta Nu: + R+ -> Nu-R rápida V = k . [RX] Cinética de 1ª ordem 2°) Reação de substituição nucleofílica bimolecular - SN2 Nu: + R-X -> Nu-R + X- V = k . [RX] . [ Nu-] Cinética de 2ª ordem Fatores que afetam as reações de substituição nucleofílica: 1 – Nucleófilo 2 – Substrato 3 – Grupo de saída 4 – Solvente 5 – Intermediários 6 – Estereoquímica Reações de substituição nucleofílica unimolecular (SN1): Reação: Mecanismo: Reações de substituição nucleofílica unimolecular (SN1): Mecanismo X esquema de intermediários Reações de substituição nucleofílica unimolecular (S_N1): Reação: Mecanismo: Carbocátion Etapa lenta Etapa rápida Etapa rápida Reações de substituição nucleofílica unimolecular (SN1): Diagrama de energia: OBS: Apenas 2 etapas do mecanismo estão representadas neste diagrama de energia H2O I Progresso da reação Energia G Reagentes Produto protonado H2O I   intermediário carbocátion G Estado de transição 2°Estado de transição H2O  ⱡ Reações de substituição nucleofílica unimolecular (S_N1): Esterioquímica: Carbocátion intermediário planar, aquiral 50 % de inversão de configuração 50 % de retenção de configuração Mistura racêmica Reações de substituição nucleofílica unimolecular (SN1): Estereoquímica: Mistura racêmica Reações de substituição nucleofílica unimolecular (SN1): Orbital p vazio 6 e- de valência → reativo Carbono sp2 Sem estabilização Estabilização extra Estabilização de carbocátions: Reações de substituição nucleofílica unimolecular (S_N1): Características: 1) Substrato Reatividade: tert-butyl cation tertiary carbocation benzyl cation allyl cation isopropyl cation secondary carbocation ethyl cation primary carbocation vinyl cation methyl cation increasing stability Reações de substituição nucleofílica unimolecular (SN1): Características: 1) Substrato Estabilidade: Cátion alílico Cátion benzílico Reações de substituição nucleofílica unimolecular (SN1): Características: 2) Grupo de saída Bons grupos de saída → neutros, estáveis, bases fracas H₂O < Cl⁻ < Br⁻ < I⁻ < -OTos Melhor grupo de saída Reações de substituição nucleofílica unimolecular (SN1): Características: 3) Nucleófilo - A velocidade da reação SN1 não depende da natureza do nucleófilo; - Nu → podem ser neutros ou carregados negativamente; - reações SN1 → podem ocorrer em meio neutro ou ácido; - Nu = solvente → reação de solvólise Reações de substituição nucleofílica unimolecular (SN1): Características: 4) Solvente - Solventes polares próticos → estabilizam ET e o intermediário carbocátion, ↓ energia, ↑ velocidade da reação Ex: Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): Reação: Mecanismo: Reação concertada Estereoquímica → inversão de configuração Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): Diagrama de energia: N C Cl H N C   (S) NC H (R) Cl H Cl Progresso da reação Energia G Reagentes Produtos Estado de transição Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): δ- δ- δ- δ- Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): ET pentacoordenado Inversão de Walden Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): Substâncias cíclicas: Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): Características: 1) Substrato R Br + Cl R Cl + Br H3C Br Br Br Br Br Reatividade relativa: 2.000.000 40.000 500 1 < 1 Reatividade em reação SN2 Mais reativo Menos reativo Metila Primário Secundário Neopentila Terciário Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): Características: 1) Substrato Grupos volumosos → Impedimento estérico Reatividade: Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): Características: 1) Substrato Grupos volumosos → Impedimento estérico Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): Características: 1) Substrato Br R R1 R2 Nu X Não reage Haleto de vinila Br Nu Haleto de arila X Não reage Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): Características: 2) Efeito do solvente Solventes polares próticos: ↓ velocidade da reação SN2 → ligações de H com Nu → ↓ reatividade do Nu Solventes polares apróticos: ↑ velocidade da reação SN2 → solvatam cátions, os ânions são pouco solvatados e ficam livres para o ataque nucleofílico. Ex: Hexametilfosforamida (HMPA) N,N-dimetilformamida (DMF) Dimetilsulfóxido (DMSO) Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): Características: 2) Efeito do solvente Reatividade relativa: Reatividade em reação SN2 Mais reativo Menos reativo Br + N3 N3 Solventes Br + Solventes: HMPA CH3CN DMF DMSO H2O CH3OH 200.000 5.000 2.800 1.300 7 1 Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): Características: 3) Nucleófilo Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): Características: 3) Nucleófilo Base mais fraca Nu mais forte Base mais forte Nu mais fraco ↓ impedimento X Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): Características: 3) Nucleófilo Espécies carregadas x espécies neutras Basicidade x nucleofilicidade Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): Fatores que influenciam a força do Nu: a) Basicidade Base mais fraca Nu fraco Base mais forte Nu forte HF < H2O < NH3 F- < -OH < NH2 - Base mais fraca Nu mais fraco Menor raio atômico Par de elétrons menos disponível Base mais forte Nu mais forte 2º período da Tabela Periódica Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): b) Polarizabilidade + polarizável + nucleofílico - polarizável - nucleofílico Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): c) Solvatação: -Solvente polar prótico: Estabilização de ânions → interações íon-dipolo → ligações de hidrogênio Estabilização de cátions → interações íon-dipolo Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): c) Solvatação: -Solvente polar aprótico: Estabilização de cátions → interações íon-dipolo Ânions não são estabilizados → interações íon-dipolo fracas (dipolo fraco na cadeia carbônica) Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): c) Solvatação: Estabilização de cátions e ânions Estabilização de cátions Solvente polar prótico Solvente polar aprótico Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): Efeito do solvente: Em DMF ou DMSO (solvente polar aprótico): -solvatado + reativo + nucleofílico Solvatação do Nu- por solventes polares próticos Em CH3OH (solvente polar prótico): ↑densidade de carga + solvatado -reativo -nucleofílico (ligação de H) + solvatado -reativo - nucleofílico -solvatado + reativo + nucleofílico Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): Efeito do solvente: Mais solvatado Menos solvatado Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): Efeito do solvente : Nu fortemente solvatado dificilmente consegue sair da camada de solvatação - Menor camada de solvente (menor interação com a camada de solvente); - Maior energia potencial, maior grau de liberdade Em solventes polares próticos: → Íons grandes são nucleófilos melhores Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): Efeito do solvente: Solvente polar aprótico: DMSO DMF Nucleófilo não é solvatado (está livre para ataque nucleofílico) Reações de substituição nucleofílica bimolecular (SN2): Características: 4) Grupo de saída Br- Cl- F- HO- , H2N-, RO- 0 1 200 10.000 I- 30.000 TosO- 60.000 Reatividade grupo de saída S O O O- TosO- = Reações de substituição nucleofílica: SN1 x SN2: Reações de substituição nucleofílica: SN1 x SN2: Rearranjo de metila (migração): Reações de substituição nucleofílica: Exercício: Organize os seguintes haletos em ordem crescente de reatividade para as reações SN1 e SN2: Reações de substituição nucleofílica: Exercício: Organize os seguintes haletos em ordem crescente de reatividade para as reações SN1 e SN2: 2ário 1ário 3ário 1ário Reações de substituição nucleofílica: Exercício: Organize os seguintes haletos em ordem crescente de reatividade para as reações SN1 e SN2: SN1: SN2: