Resumo - Reações Iônicas - 2023-2

REAÇÕES IÔNICAS – SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA E REAÇÕES DE ELIMINAÇÃO DOS HALETOS DE ALQUILA Rompendo as Paredes da Célula da Bactéria com a Química Orgânica As enzimas, as químicas quintessenciais da natureza, catalisam a maioria da.Vida. As enzimas catalisam as reações metabólicas, o fluxo da informação genética e a síntese das moléculas que fornecem a estrutura biológica. Elas também ajudam a nos defender das infecções e da doença. Apesar de muitos mecanismos terem sido elucidados pela ação das enzimas, isso constitui apenas uma fração de tudo em que as enzimas estão envolvidas no processo da vida. É globalmente aceito, contudo, que todas as reações catalisadas pelas enzimas ocorrem na base da reatividade química reacional. Os mecanismos utilizados pelas enzimas são essencialmente aqueles tratados pela química orgânica. Um desses exemplos envolve a lisozima. A lisozima é uma enzima no muco nasal que combate a infecção degenerando as paredes das células bacterianas. A lisozima emprega um mecanismo que gera um intermediário instável de carbono carregado positivamente (chamado de carbocátion), dentro da arquitetura molecular da parede da célula da bactéria. A lisozima estabiliza de forma elegante essa carbocátion, fornecendo, de sua própria estrutura, um campo próximo carregado negativamente. Isso facilita aa clivagem da parede da célula, sem entretanto envolver a ligação da própria lisozima com o intermediário carbocátion na parede da célula. Os intermediários carbocátions são o centro de vários tipos de reações orgânicas. Um deles é chamado de substituição nucleofílica unimolecular (SN1), e é uma das reações importantes, cujo mecanismo você irá estudar neste capítulo. HERVÉ M. LABORDE QUÍMICA ORGÂNICA Reações iônicas: SN e E 1 REAÇÕES IÔNICAS – SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA E REAÇÕES DE ELIMINAÇÃO DOS HALETOS DE ALQUILA 1 – Introdução .................................................................................... 3 2 – Propriedades Físicas dos Haletos Orgânicos ........................... 3 3 – Reações de Substituição Nucleofílica ....................................... 4 4 – Nucleófilos ................................................................................... 5 5 – Grupos Retirantes ....................................................................... 6 6 – Cinética de uma Reação de Substituição Nucleofílica: uma Reação SN2......................................................................................... 6 7 – Um Mecanismo para a Reação SN2 ............................................ 7 8 – Teoria do Estado de Transição: Diagramas de Energia Livre .. 8 9 – Estereoquímica das Reações SN2 .............................................. 9 10 – A Reação do Cloreto de terc-Butila com o Íon hidróxido: uma Reação SN1........................................................................................10 11 – Um Mecanismo para a Reação SN1 .........................................10 12 – Carbocátions .............................................................................11 A – A Estrutura dos Carbocátions ....................................................................................................... 12 B – Estabilidades relativas dos Carbocátions ................................................................................... 12 13 – Estereoquímica das reações SN1 ............................................12 A – Reações que envolvem Racemização ........................................................................................ 12 B – Solvólise ........................................................................................................................................... 13 14 – Fatores que Afetam as Velocidades das Reações SN1 e SN2 13 A – Efeito da Estrutura do Substrato .................................................................................................. 14 B – Efeito da Concentração e da Força do Nucleófilo ..................................................................... 14 C – Efeitos do Solvente sobre as Reações SN1 e SN2: Solventes Polares Próticos e Apróticos .................................................................................................................................................................. 14 D – Efeitos do Solvente sobre as Reações SN1: a Capacidade de Ionização do Solvente ....... 15 E – A Natureza do Grupo Retirante .................................................................................................... 15 F – Resumo: SN1 contra SN2 ............................................................................................................... 16 HERVÉ M. LABORDE QUÍMICA ORGÂNICA Reações iônicas: SN e E 2 15 – Síntese Orgânica: Transformações de Grupos Funcionais usando Reações SN2 ........................................................................16 A – Não-Reatividade dos Haletos Vinílico e de Fenila .................................................................... 17 16 – Reações de Eliminação dos Haletos de Alquila .....................17 A – Desidroalogenação ......................................................................................................................... 17 B – As Bases Usadas na Desidroalogenação ................................................................................... 18 C – Mecanismos de Desidroalogenações ......................................................................................... 18 17 – A Reação E2 ..............................................................................18 18 – A Reação E1 ..............................................................................19 19 – Substituição versus Eliminação ..............................................20 A – SN2 versus E2 ................................................................................................................................. 20 B – Haletos Terciários: SN1 versus E1 ............................................................................................... 22 20 – Resumo Geral ...........................................................................22 HERVÉ M. LABORDE QUÍMICA ORGÂNICA Reações iônicas: SN e E 3 1 – Introdução O átomo de halogênio do haleto de alquila é ligado a um carbono hibridizado em sp3. Por isso, a disposição dos grupos em torno do átomo de carbono é normalmente tetraédrica. Os átomos de halogênio, por serem mais eletronegativos do que o carbono, têm a ligação carbono-halogênio do haleto e alquila polarizada; o átomo de carbono tem uma carga positiva parcial, e o átomo de halogênio, uma carga negativa parcial. C X δ+ δ- O tamanho do átomo de halogênio cresce à medida que descemos a tabela periódica: os átomos de flúor são os menores, e os átomos de iodo, os maiores. Conseqüentemente, o comprimento da ligação carbono-halogênio (Tabela 1) também aumenta à medida que descemos a tabela periódica. Tabela 1: Comprimentos da ligação carbono-halogênio. Ligação Comprimento da ligação (Å) CH3–F 1,38 CH3–Cl 1,78 CH3–Br 1,93 CH3–I 2,14 No laboratório e na indústria, os haletos de alquila são usados como solventes para compostos relativamente apolares, e são usados como matérias-primas na síntese de vários compostos. Como veremos neste capítulo, o átomo de halogênio de um haleto de alquila pode ser facilmente substituído por outros grupos, e a presença do átomo de halogênio na cadeia de carbono também possibilita introduzir uma ligação múltipla. Os compostos pelos quais o átomo de halogênio é ligado a um carbono hidribizado em sp2 são chamados de haletos vinílicos ou haletos de fenila. O composto CH2=CHCl tem o nome comum de cloreto de vinila, e o grupo CH2=CH− é normalmente chamado de grupo vinila. O haleto vinílico é, portanto, um termo geral que se refere a um composto no qual um halogênio é ligado a um átomo de carbono que também forma uma ligação dupla com um outro átomo de carbono. Os haletos de fenila são compostos no qual um halogênio é ligado a um anel de benzeno. Os haletos de fenila pertencem a um grupo maior de compostos, chamado haletos de arila. C C X X Um haleto vinílico Um haleto de fenila ou haleto de arila Junto aos haletos de alquila, esses compostos constituem um grande grupo de compostos conhecidos simplesmente como haletos orgânicos ou compostos organoalogenados. A química de haletos vinílico e arila é, como veremos mais adiante, bastante diferente dos haletos de alquila e é sobre os haletos de alquila que iremos focalizar nossa atenção neste capítulo. 2 – Propriedades Físicas dos Haletos Orgânicos A maioria dos haletos de alquila e arila possuem solubilidade muito baixa na água, mas, como se podia prever, podem se misturar uns com os outros e com outros solventes relativamente apolares. O diclorometano (CH2Cl2, também chamado de cloreto de metileno), o triclorometano (CHCl3, também chamado de clorofórmio) e o tetraclorometano (CCl4, também chamado tetracloreto de carbono) são freqüentemente usados como solventes para compostos apolares ou moderadamente polares. Muitos cloroalcanos, incluindo o CHCl3 e CCl4, contudo, possuem uma toxidez cumulativa e são carcinógenos e só devem ser usados em capela e com muito cuidado. HERVÉ M. LABORDE QUÍMICA ORGÂNICA Reações iônicas: SN e E 4 O iodeto de metila (p.e. 42ºC) é o único monoalometano que é um líquido à temperatura ambiente e 1 atm de pressão. O brometo de etila (p.e. 38ºC) e o iodeto de etila (p.e. 72ºC) são, ambos, líquidos, mas o cloreto de etila (p.e. 13ºC) é um gás. Os cloretos, os brometos e os iodetos de propila são todos líquidos. Em geral, os cloretos, os brometos e os iodetos de alquila mais elevados são todos líquidos, e tendem a ter pontos de ebulição próximos daqueles dos alcanos de pesos moleculares semelhantes. Os polifluoroalcanos, contudo, tendem a ter, em geral, pontos de ebulição baixos. O hexafluoroetano ferve a -79ºC, apesar de seu peso molecular (PM = 138) ser parecido com o decano (PM = 144; e p.e.= 174ºC). A tabela 2 lista as propriedades físicas de alguns haletos orgânicos comuns. Tabela 2: Haletos orgânicos. Fluoreto Cloreto Brometo Iodeto Grupo pe (oC) Densidade (g/mL) pe (oC) Densidade (g/mL) pe (oC) Densidade (g/mL) pe (oC) Densidade (g/mL) Metila -78,4 0,84-60 -23,8 0,9220 3,6 1,730 42,5 2,2820 Etila -37,7 0,7220 13,1 0,9115 38,4 1,4620 72 1,9520 Propila -2,5 0,78-3 46,6 0,8920 70,8 1,3520 102 1,7420 Isopropila -9,4 0,7220 34 0,8620 59,4 1,3120 89,4 1,7020 Butila 32 0,7820 78,4 0,8920 101 1,2720 130 1,6120 sec-Butila 68 0,8720 91,2 1,2620 120 1,6020 Isobutila 69 0,8720 91 1,2620 119 1,6020 terc-Butila 12 0,7512 51 0,8420 73,3 1,2220 100* 1,570 Pentila 62 0,7920 108,2 0,8820 129,6 1,2220 155 1,5220 Neopentila 84,4 0,8720 105 1,2020 127* 1,5313 CH2=CH- -72 0,6826 -13,9 0,9120 16 1,5214 56 2,0414 CH2=CHCH2- -3 45 0,9420 70 1,4020 102,5 1,8422 C6H5- 85 1,0220 132 1,1020 155 1,5220 189 1,8220 C6H5CH2- 140 1,0225 179 1,1025 201 1,4422 9310 1,7325 * significa decomposição. 3 – Reações de Substituição Nucleofílica Há várias reações de tipo geral, como mostrado aqui. Nu - R X R Nu + + X - Á seguir, alguns exemplos: HO- + CH3 Cl CH3 OH + Cl- + Cl- CH3CH2 OCH3 CH3CH2 Cl + CH3O- I- + CH3CH2CH2 Cl CH3CH2CH2 I + Cl- Nesse tipo de reação, um nucleófilo, uma espécie com um par de elétrons não-compartilhados, reage com um haleto de alquila (chamado de substrato) pela reposição do halogênio substituinte. Acontece uma reação de substituição, e o halogênio substituinte, chamado de grupo retirante, se afasta como um íon haleto. Como a reação de substituição é iniciada por um nucleófilo, ela é chamada de reação de substituição nucleofílica. Nas reações de substituição nucleofílica, a ligação carbono-halogênio do substrato passa por uma heterólise, e o par não-compartilhado do nucleófilo é usado para formar uma nova ligação para o átomo de carbono: Nu - R X Nu R + + X - Nucleófilo Grupo retirante A heterólise ocorre aqui. HERVE M. LABORDE QUiMICA ORGANICA Uma das quest6es que iremos abordar mais adiante neste capitulo é: quando se rompe a ligac4o carbono-halogénio? Ela se rompe ao mesmo tempo em que uma nova ligacdo se forma entre o nucle6filo e o carbono? ss 5 = Nu + R—-%@ ——> Nu---R---X! ——» Nu-R + 2% Ou a ligacao carbono-halogénio se rompe primeiro? R—-X ——> RP + Xt E entao Nu + R° ——> Nu—-R Iremos ver que a resposta vai depender principalmente da estrutura do haleto de alquila. 4 — Nucleofilos Um nucleofilo é um reagente que procure um centro positivo. (A palavra nucledfilo vem de niicleo, a parte positiva de um atomo, mais —filo, da palavra grega phileo, que significa amar.) Quando um nucle6filo reage com um haleto de alquila, o centro positivo que o nucledfilo procura é o Atomo de carbono que carrega o atomo de halogénio. Esse atomo de carbono carrega uma carga positiva parcial, pois o halogénio eletronegativo puxa os elétrons da ligac4o carbono-halogénio em sua dire¢ao. \e & Este 6 o centro O halogénio eletronegativo positivo que o polariza a ligagao C-X nucleofilo procura. Um nucle6filo é qualquer fon negativo ou qualquer molécula neutra que tenha pelo menos um par de elétrons néo-compartilhados. Por exemplo, tanto os fons hidréxido como as moléculas de Agua podem agir como nucleéfilos, reagindo com os haletos de alquila para produzir dlcoois. Reacdao Geral para a Substituigdo Nucleofilica de um Haleto de Alquila pelo Ion Hidréxido H-G@ + R-X ——> H-Q-R + i Nucledfilo Haleto de Alcool Grupo alquila retirante Reacao Geral para a Substituigéo Nucleofilica de um Haleto de Alquila pela Agua HG + R-X ——> H-O-R + H , H Nucleofilo Haleto de lon alquiloxénio alquila | H—-Q-R + H30* + 836° Nesta reacg4o o primeiro produto é um fon alquiloxénio, R-OH,", que entdo perde um pr6ton para uma molécula de 4gua para formar um alcool. Problema 1: Escreva como reag6es idnicas liquidas e designe o nucleéfilo, o substrato e o grupo retirante em cada reacdo a seguir. (a) CH3I + CH;CH,ONa > CH3;0CH;,CH; + Nal (b) NaI + CH;CH,Br > CH;CH2I + NaBr (c) 2 CH30H + (CH3)3CCl >(CH3)3COCH3 + CH30H,* + Cl (d) CH;CH,CH,Br + NaCN > CH3CH,CH,CN + NaBr (e) C,.H;CH2Br +2 NH; > C.HsCH.NH> + NH,Br Reagées idnicas: SNe E 5 HERVÉ M. LABORDE QUÍMICA ORGÂNICA Reações iônicas: SN e E 6 5 – Grupos Retirantes Os haletos de alquila não são as únicas substâncias que podem agir como substratos nas reações de substituição nucleofílica. Outros compostos também podem reagir da mesma maneira. Para ser reativo – isto é, para ser capaz de agir como um substrato em uma reação de substituição nucleofílica – uma molécula precisa possuir um bom grupo retirante. Nos haletos de alquila, o grupo retirante é o substituinte halogênio – que se afasta como um íon haleto. Para ser um bom grupo retirante, o substituinte deve ser capaz de se afastar como um íon ou uma molécula básica fraca, relativamente estável. Como os íons haleto são relativamente estáveis e são bases muito fracas, são bons grupos retirantes. Outros grupos também podem funcionar como bons grupos retirantes. Podemos escrever mais equações gerais para as reações de substituição nucleofílica usando o L, para representar o grupo retirante: Nu - R L + + R Nu L- Exemplos específicos HO- + + CH3 Cl CH3 OH Cl- CH3 NH3 + CH3 Br + + Br- NH3 Adiante iremos ver também as reações onde o substrato carrega uma carga formal positiva, ocorrendo uma reação como a que segue: Nu - R L+ + + R Nu+ L Nesse caso, quando o grupo retirante se afasta com um par de elétrons, sua carga formal vai a zero. Exemplos específicos + + H O CH3 H O+ CH3 H H O+ CH3 CH3 H O+ H As reações de substituição nucleofílica são muito mais fáceis de entender e úteis se soubermos alguma coisa sobre seus mecanismos. Como o nucleófilo substitui o grupo retirante? A reação acontece em uma etapa, ou envolve mais de uma etapa? Se há o envolvimento de mais de uma etapa, que tipos de intermediários são formados? Quais são as etapas rápidas e quais são as lentas? Para poder responder a essas questões, precisamos saber algo sobre a velocidade das reações químicas. 6 – Cinética de uma Reação de Substituição Nucleofílica: uma Reação SN2 Para entender como a velocidade de uma reação poderá ser medida, vamos considerar um exemplo real: a reação que acontece entre o cloreto de metila e o íon hidróxido, em uma solução aquosa. HO- + + CH3 Cl CH3 OH Cl- 60oC H2O Apesar de o cloreto de metila não ser muito solúvel em água, é bastante solúvel para permitir que executemos nosso estudo cinético. A presença do íon hidróxido na solução aquosa pode ser assegurada pela simples adição de sódio hidróxido. Realizamos a reação a uma temperatura específica pois é sabido que as velocidades da reação são dependentes de temperatura. A velocidade da reação pode ser determinada experimentalmente, medindo a velocidade na qual o cloreto de metila ou íon hidróxido desaparece da solução, ou a velocidade na qual o metanol ou íon de cloreto aparece na solução. Podemos fazer qualquer uma dessas medições, retirando uma pequena amostra da mistura da reação logo depois do início da reação, analisando-a para ter as concentrações de CH3Cl ou OH- e CH3OH ou Cl-. Estamos interessados nas chamadas velocidades iniciais, pois com a passagem do tempo, as concentrações dos reagentes mudam. Como sabemos também as concentrações iniciais dos reagentes (pois havíamos medido quando preparamos a solução), será fácil calcular a velocidade na qual os reagentes estão desaparecendo da solução ou os produtos estão aparecendo na solução. HERVE M. LABORDE QUiMICA ORGANICA Realizamos varias dessas experiéncias conservando a mesma temperatura, mas variando as concentrag6es iniciais dos reagentes. Os resultados que poderemos obter so mostrados na Tabela 3. Tabela 3: Estudo da velocidade da reacao do CH3Cl com OH a 60°C. Numero da [CH;3Cl] [OH] Velocidade inicial experiéncia Inicial Inicial (mol/L.s) 1 0,0010 1,0 4,9 .10 2 0,0020 1,0 9,8. 107 3 0,0010 2.0 9.8. 107 4 0,0020 2,0 19,6. 107 Observe que os experimentos mostram que a velocidade depende da concentragao de cloreto de metila e também da concentrag4o do fon hidréxido. Quando dobramos a concentragao do cloreto de metila na experiéncia 2, a velocidade se duplica. Quando dobramos a concentracao do jon hidréxido na experiéncia 3, a velocidade se duplica. Quando dobramos ambas as concentrac6es, na experiéncia 4, a velocidade aumentou por um fator de quatro. Podemos expressar esses resultados como uma proporcionalidade, Velocidade « [CH3Cl] [OH] e essa proporcionalidade pode ser expressa como uma equacfo através da introducéo de uma constante de proporcionalidade (k) chamada de constante de velocidade: Velocidade = k [CH3Cl] [OH] Para essa reacao, a essa temperatura, verificaremos que k = 4,9. 107 L/mol.s. (Verifique, fazendo os calculos.) Diz-se que esta reacdo é de segunda ordem global. E razoavel concluir, portanto, para que a reagao se realize, um ion hidréxido e uma molécula de cloreto de metila precisam colidir. Dizemos também que a reagao é bimolecular. (Por bimolecular queremos dizer que duas espécies estao envolvidas na etapa, cuja velocidade esta sendo medida.) Chamamos esse tipo de reag4o de reag4o Sy2, que significa Substituicgao, Nucleofilica, Bimolecular. 7 — Um Mecanismo para a Reagao Syn2 Reacdao: HO + CH3Cl > CH30H + Cl Mecanismo: toes 8 HH * H Het Bg] ete H | Ny H Estado de transicgao empurtnumpar a . oaNe No estado de transigao, uma ligagao Agora a ligagao entre o para dentro de um carbono entre 0 oxigénio e o carbono é formada oxigénio e o carbono se parcialmente positivo pela parcialmente ea ligagao entre o carbono formou eo ion cloreto parte traseira. O cloro comeca : olor ° rompisa parciarrente. 1 pan A configuragao ase afastar como par de iguragao 0 atomo le Carbono lo carbono se inverteu. elétrons que 0 ligava ao carbono. comega a se inverter. O mecanismo Hughes-Ingold para a reagio Sy2 envolve apenas uma etapa. Nao ha intermediarios. A reagado prossegue através da formacdo de uma disposic¢do instavel de 4tomos chamada de estado de transicao. O estado de transigéo é uma disposicao efémera dos atomos, na qual o nucledfilo e o grupo retirante sao parcialmente ligados ao 4tomo de carbono que sofre 0 ataque. Como o estado de transi¢4o envolve tanto o nucledfilo (i.e., fon hidré6xido) como o substrato (i.e., uma molécula de cloreto de metila), observamos que esse mecanismo responde pela reacao cinética de segunda ordem. (Como a formagao de ligagio e o rompimento da ligacao ocorrem simultaneamente em um Unico estado de transig4o, a reacéo Sy2 é um exemplo da chamada reacdo sincronizada.) Reacées idnicas: SN e E 7 HERVÉ M. LABORDE QUÍMICA ORGÂNICA Reações iônicas: SN e E 8 8 – Teoria do Estado de Transição: Diagramas de Energia Livre Chamamos de exergônica uma reação que ocorre com variação negativa de energia livre, e de endergônica aquela que ocorre com variação positiva de energia livre. A reação entre o cloreto de metila e o íon hidróxido em uma solução aquosa é altamente exergônica; a 60ºC (333 K), ∆Go = - 100 kJ/mol. (A reação é também exotérmica, ∆Ho = -75 kJ/mol.) CH3Cl + OH - CH3OH + Cl - ∆Go = -100 kJ/mol A constante de equilíbrio para a reação é extremamente grande: 1015 0,5 15 7, log ,0 00831 kJ/K.mol 333 K ,2 303 ( 100 kJ/mol) log ,2 303 log log 303 ,2 × = = × × − − = − ∆ = = − ∆ eq eq eq o eq eq o K K K RT G K K RT G Uma constante de equilíbrio tão grande como esta significa que a reação será completa. Como a variação de energia livre é negativa, podemos dizer que, em termos de energia, os produtos da reação estão em um nível mais baixo da energia livre do que os reagentes. Existe, contudo, considerável evidência através do experimento mostrando que se as ligações covalentes são rompidas em uma reação, os reagentes precisam, primeiro, subir uma colina de energia, antes de poder descer a ladeira. Isso será verdadeiro mesmo se a reação for exergônica (Fig. 1). Figura 1: Um diagrama de energia livre para uma reação SN2 hipotética que ocorre com um ∆∆∆∆Go negativo. Podemos observar que existe uma barreira de energia entre os reagentes e os produtos. A altura dessa barreira (em kJ/mol), acima do nível dos reagentes, é chamada de a energia livre da ativação, ∆G‡. HERVÉ M. LABORDE QUÍMICA ORGÂNICA Reações iônicas: SN e E 9 O topo da barreira de energia corresponde ao estado de transição. A diferença na energia livre entre os reagentes e o estado de transição é a energia livre de ativação, ∆G‡. A diferença na energia livre, entre os reagentes e os produtos, é a variação de energia livre para a reação, ∆Go. A existência de uma energia de ativação (∆G‡) explica porque a maioria das reações químicas acontece mais rapidamente a temperaturas mais altas. Para muitas reações que ocorrem próximo à temperatura ambiente, um aumento de 10ºC na temperatura irá dobrar a velocidade da reação. Há também uma relação importante entre a velocidade de uma reação e a magnitude da energia livre de ativação. A relação entre a constante de velocidade (k) ε ο ∆G‡ é exponencial. RT G koe k ± −∆ = Nessa equação, o e é 2,718, a base dos logaritmos naturais, e ko é a constante de velocidade absoluta, que se iguala à velocidade na qual todos os estados de transição se transformam em produtos. A 25ºC, ko = 6,2.1012 s-1. Devido a essa relação exponencial, uma reação com energia livre de ativação mais baixa irá ocorrer muito mais rapidamente que uma reação com energia mais alta. 9 – Estereoquímica das Reações SN2 Em uma reação SN2, o nucleófilo ataca por trás, isto é, pelo lado diretamente oposto ao grupo retirante. Esse modelo de ataque causa uma mudança na configuração do átomo de carbono que é o alvo do ataque nucleofílico. À medida que ocorre o deslocamento, a configuração do átomo de carbono sob ataque se inverte – de dentro para fora, como um guarda-chuva que vira pelo avesso devido a uma ventania. Com uma molécula do tipo de cloreto de metila, não há como provar que o ataque pelo nucleófilo inverte a configuração do átomo de carbono, pois uma forma de cloreto de metila é idêntica à sua forma invertida. Entretanto, com uma molécula cíclica, tal como o cis-1-cloro-3-metilciclopropano, é possível observar os resultados de uma inversão de configuração. Quando o cis-1-cloro-3-metilciclopropano reage com o íon hidróxido, em uma reação do tipo SN2, o produto é o trans-3-metilciclopentanol. O íon hidróxido acaba se ligando ao lado do anel oposto ao cloro que ele substitui. Problema 2: Use as estruturas conformacionais em cadeira e mostre a reação de substituição nucleofílica que ocorre quando o trans-1-bromo-4-terc-butilcicloexano reage com o íon iodeto. (Mostrar a conformação mais estável do reagente e o produto.) Também podemos observar uma inversão de configuração com uma molécula acíclica. Quando a reação SN2 ocorre em um estereocentro. Aqui também descobrimos que as reações SN2 sempre levam a uma inversão de configuração. Problema 3: As reações SN2 que envolvem o rompimento de uma ligação para um estereocentro podem ser usadas para relacionar as configurações das moléculas, pois a estereoquímica da reação é conhecida. (a) Ilustrar como isso é verdadeiro, atribuindo configurações aos enantiômeros do 2-clorobutano baseado nos seguintes dados. ( + ) - 2 - C l o r o b u t a n o ( - ) - 2 - B u t a n o l E n a n t i o m e r i c a m e n t e p u r o E n a n t i o m e r i c a m e n t e p u r o [ α ] = + 3 6 , 0 0 [ α ] = - 1 3 , 5 2 o o 2 5D 2D 5 O H - S N 2 (b) quando o (+)-2-clorobutano opticamente puro reage com o iodeto de potássio na acetona numa reação SN2, o 2-iodobutano que é produzido tem uma rotação negativa. Qual é a configuração do (-)-2-iodobutano? E do (+)-2-iodobutano? HERVÉ M. LABORDE QUÍMICA ORGÂNICA Reações iônicas: SN e E 10 10 – A Reação do Cloreto de terc-Butila com o Íon hidróxido: uma Reação SN1 Quando o cloreto de terc-butila reage com o hidróxido de sódio em uma mistura de água com acetona, os resultados cinéticos são bastante diferentes. A taxa de formação de álcool terc-butílico depende da concentração do cloreto de terc-butila, mas é independente da concentração do íon hidróxido. O cloreto de terc-butila reage pela substituição praticamente à mesma velocidade na água pura (onde a concentração do íon hidróxido é de 10-7 M), como o faz no hidróxido de sódio 0,05 M (onde a concentração do íon hidróxido é 500.000 vezes maior). Assim, a equação da velocidade para esta reação de substituição é de primeira ordem no que se refere ao cloreto de terc-butila e de primeira ordem global. (CH3)3C Cl OH- (CH3)3C OH Cl- + + a c e t o n a H 2 O Velocidade ∞ [(CH3)3CCl] Velocidade = k [(CH3)3CCl] Podemos concluir, então, que os íons hidróxido não participam no estado de transição da etapa que controla a velocidade da reação, e que apenas moléculas de cloreto de terc-butila são envolvidas. Essa reação é chamada de unimolecular. Denominamos esse tipo de reação de reação SN1 (Substituição Nucleofílica unimolecular). 11 – Um Mecanismo para a Reação SN1 O mecanismo para a reação do cloreto de terc-butila com água aparentemente envolve três etapas. Dois intermediários diferentes são formados. A primeira etapa é a lenta e é a etapa determinante da velocidade. Nela, a molécula de cloreto de terc-butila se ioniza e se torna um cátion terc-butila e um íon cloreto. A formação do carbocátion, em geral, ocorre de modo lento, por ser normalmente um processo altamente endotérmico e é subindo a colina, em termos de energia livre. Reação: (CH3)CCl (CH3)3COH H 2 O H 3 O + C l - + + + Mecanismo: Etapa 1 C C H 3 C H 3 C H 3 C l C l - + + l e n t a H 2 O C C H 3 C H 3 C H 3 C o m a a j u d a d e u m s o l v e n t e p o l a r , o c l o r o p a r t e c o m o p a r d e e l é t r o n s q u e o l i g a v a m a o c a r b o n o . E s t a e t a p a l e n t a p r o d u z o c a r b o c á t i o n t e r c i á r i o r e l a t i v a m e n t e e s t á v e l e u m í o n c l o r e t o . A p e s a r d e n ã o s e r e m m o s t r a d o s a q u i , o s í o n s s ã o s o l v a t a d o s ( e e s t a b i l i z a d o s ) p e l a s m o l é c u l a s d e á g u a . Etapa 2 + + C C H 3 C H 3 C H 3 U m a m o l é c u l a d e á g u a , a g i n d o c o m o u m a b a s e d e L e w i s , d o a u m p a r d e e l é t r o n s a o c a r b o c á t i o n ( u m á c i d o d e L e w i s ) . I s s o d á a o c a r b o n o c a t i ô n i c o o i t o e l é t r o n s . O p r o d u t o é u m í o n t e r c - b u t í l o x ô n i o ( o u á l c o o l t e r c - b u t í l i c o p r o t o n a d o ) . O H H r á p i d a O H H C H 3 C H 3 C H 3 C + HERVÉ M. LABORDE QUÍMICA ORGÂNICA Reações iônicas: SN e E 11 Etapa 3 + U m a m o l é c u l a d e á g u a , a g i n d o c o m u m a b a s e d e B r o n s t e d , a c e i t a u m p r ó t o n d o í o n t e r c - b u t i l o x ô n i o . O s p r o d u t o s s ã o á l c o o l t e r c - b u t í l i c o e u m í o n h i d r ô n i o . O H H r á p i d a +O H H C H 3 C H 3 C H 3 C + OH C H 3 C H 3 C H 3 C +O H H H Na segunda etapa o intermediário cátion terc-butila reage rapidamente com a água, para produzir o íon terc-butiloxônio (outro intermediário); este íon, na terceira etapa, transfere rapidamente um próton a uma molécula de água, produzindo o álcool terc-butílico. A primeira etapa exige uma clivagem heterolítica da ligação carbono-cloro. Como nenhuma outra ligação é formada nesta etapa, ela será altamente endotérmica e deve possuir uma energia livre de ativação muito elevada. Ela ocorre basicamente devido à habilidade de ionização do solvente, a água. As experiências mostram que na fase gasosa (i.e., na ausência de um solvente), a energia livre de ativação é de cerca de 630 kJ/mol! Na solução aquosa, entretanto, a energia livre de ativação é muito menor – cerca de 84 kJ/mol. As moléculas de água envolvem e estabilizam o cátion e o ânion que são produzidos. Apesar de o cátion terc-produzido na etapa 1 ser estabilizado pela solvatação, ele continua sendo uma espécie altamente reativa. Quase imediatamente depois que é formado, reage com uma das moléculas de água que o cercam, para formar o íon terc-butiloxônio, (CH3)3COH2 +. (Ele também pode reagir ocasionalmente com um íon hidróxido, mas as moléculas de água são muito mais abundantes.) Um diagrama de energia livre para a reação SN1 do cloreto de terc-butila e a água é dado na Fig. 2. Figura 2: Um diagrama de energia livre para a reação SN1 do cloreto de terc-butila com água. A energia livre de ativação para a primeira etapa, ∆∆∆∆G±(1), é muito maior que ∆∆∆∆G±(2) ou ∆∆∆∆G±(3). TS(1) representa o estado de transição (1), e assim por diante. O estado de transição importante para a reação SN1 é o estado de transição da etapa determinante da velocidade [TS(1)]. Nele, a ligação carbono-cloro do cloreto está em grande parte rompida e os íons começam a se desenvolver. O solvente (água) estabiliza, por solvatação, esses íons em desenvolvimento. C C H 3 C H 3 C H 3 C l δ + δ - 12 – Carbocátions A partir da década de 1920, muita evidência começava a se acumular, sugerindo simplesmente que os cátions de alquila eram os intermediários em uma variedade de reações iônicas. Entretanto, como os cátions alquila são altamente instáveis e altamente reativos, em todos os casos estudados antes de 1962 eram HERVÉ M. LABORDE QUÍMICA ORGÂNICA Reações iônicas: SN e E 12 espécies transientes, de vida muito curta, que não podiam ser observadas diretamente. Entretanto, em 1962, George A. Olah (atualmente na Universidade da Southern Califórnia) e seus colaboradores publicaram o primeiro artigo de uma série de artigos descrevendo experiências nas quais os cátions de alquila eram preparados em um ambiente no qual eram razoavelmente estáveis e no qual poderiam ser observados através de várias técnicas espectroscópicas. A – A Estrutura dos Carbocátions Muita evidência experimental indica que a estrutura dos carbocátions é plana triangular, igual à do BF3. Da mesma forma que se explica a estrutura plana triangular do BF3 pela hibridização em sp2, também se explica a estrutura plana triangular do carbocátion. O átomo de carbono central em um carbocátion tem deficiência de elétrons; ele só possui seis elétrons no nível de energia mais externo. Esses seis elétrons são usados para formar ligações covalentes sigma para os átomos de hidrogênio (ou para os grupos alquila). O orbital p não contém elétrons. B – Estabilidades relativas dos Carbocátions Grande quantidade de evidência experimental indica que as estabilidades relativas dos carbocátions se referem ao número de grupos alquila ligados ao átomo de carbono trivalente carregado positivamente. Carbocátions terciários são os mais estáveis, e o cátion metila é o menos estável. A ordem global de estabilidade é a seguinte: C + R R R C + R H R C + R H H C + H H H > > > (O mais estável) 3º > 2º > 1º > metila (o menos estável) Esta ordem da estabilidade dos carbocátions pode ser explicada na base de uma lei da física, que afirma que um sistema carregado se estabiliza quando a carga é dispersada ou deslocada. Os grupos alquila, quando comparados aos átomos de hidrogênio, são grupos que cedem elétrons. Isso significa que os grupos alquila irão deslocar a densidade do elétron no sentido de uma carga positiva. Cedendo elétrons, os grupos alquila, ligados a um átomo de carbono positivo de um carbocátion, deslocam a carga positiva. Dessa forma, os próprios grupos alquila ligados assumem parte da carga positiva e assim estabilizam o carbocátion. 13 – Estereoquímica das reações SN1 Como a estrutura de um carbocátion formado na primeira etapa de uma reação SN1 é plana triangular quando reage com um nucleófilo, ele tanto pode reagir pelo lado da frente quando pelo lado de trás. Com o cátion terc-butila não faz diferença, pois o produto formado é o mesmo, independentemente do modo de ataque. C H 2 O + C H 3 C H C3 H 3 + + a t a q u e p e l o l a d o d e t r á s a t a q u e p e l o l a d o d a f r e n t e C C H 3 C H 3 H 3 C H 2 O O H 2 C C H 3 C H 3 H 3 C O H 2 O m e s m o p r o d u t o é o b t i d o . Com alguns cátions, contudo, produtos diferentes podem surgir das possibilidades das duas reações. A – Reações que envolvem Racemização A reação que transforma um composto opticamente ativo em uma forma racêmica é uma reação que procede com a racemização. Se o composto original perde todas as suas atividades ópticas durante a reação, a reação será descrita pelos químicos como sendo uma racemização completa. Se o composto original perde apenas parte de sua atividade óptica, como seria o caso de um enantiômero que fosse convertido apenas parcialmente em uma forma racêmica, então os químicos descreveriam esta racemização como parcial. A racemização ocorre sempre que a reação provoca a conversão das moléculas quirais em intermediários aquirais. HERVÉ M. LABORDE QUÍMICA ORGÂNICA Reações iônicas: SN e E 13 Exemplos desse tipo são as reações SN1, nas quais o grupo retirante se desliga de um estereocentro. Essas reações quase sempre resultam em racemização extensiva e às vezes completa. Por exemplo, aquecer o (S)-3-bromo-3-metilexano opticamente ativo com acetona aquosa resulta na formação de 3-metil-3-hexanol na forma racêmica. C B r C H 3 C H 2 C H 2 H 3 CC H 3 C H 2 H 2 O a c e t o n a C O H C H 3 C H 2 C H 2 H 3 CC H 3 C H 2 C H O C H 2 C H 2 C H 3 C H 3 C H 2 C H 3 + + H B r (S)-3-Metil-3- hexanol (R)-3-Metil-3- hexanol (S)-3-Bromo-3- metilexano (opticamente ativo) (opticamente inativo, uma forma racêmica) O motivo: a reação SN1 procede através da formação de um carbocátion intermediário, e o carbocátion, por causa da configuração plana triangular, é aquiral. Ele reage com água, com velocidades iguais, a partir de qualquer um dos lados, para formar quantidades iguais dos enantiômeros de 3-metil-3- hexanol. Problema 4: Tendo em mente que os carbocátions têm um estrutura plana triangular, (a) escreva a estrutura para o carbocátion intermediário e (b) escreva as estruturas para o álcool (ou álcoois) que seriam esperados da seguinte reação: (CH3)3C I CH3 H 2 O S N 1 B – Solvólise A reação SN1 de um haleto de alquila com água é um exemplo da solvólise. Uma solvólise é uma substituição nucleofílica na qual o nucleófilo é uma molécula do solvente (solvente + lise: clivagem pelo solvente). Como nesse caso o solvente é a água, poderíamos também chamar a reação de hidrólise. Se a reação fosse ocorrer no metanol, poderíamos chamá-la de metanólise. Exemplos de solvólise (CH3)3C Br H2O (CH3)3C OH HBr + + + + HCl (CH3)3C OCH3 CH3OH (CH3)3C C l (CH3)3C C l HCOH O (CH3)3C OCH O HCl + + Todas essas reações envolvem a formação inicial de um carbocátion e a reação subseqüente daquele cátion com uma molécula do solvente. Nesse último exemplo, o solvente é ácido fórmico (HCOOH). Problema 5: Que produto(s) esperado(s) de uma metanólise do derivado do cicloexano, que é o reagente do problema 4? 14 – Fatores que Afetam as Velocidades das Reações SN1 e SN2 Agora que entendemos os mecanismos das reações SN1 e SN2, nossa tarefa seguinte é explicar por que o cloreto de metila reage por um mecanismo SN2, e o cloreto de terc-butila, por um mecanismo SN1. Também gostaríamos de poder prever qual o caminho – SN1 ou SN2 – seria seguido pela reação de qualquer haleto de alquila com qualquer nucleófilo, sob condições diversas. A resposta para esse tipo de pergunta pode ser encontrada nas velocidades relativas das reações que ocorrem. Se um dado haleto de alquila e um nucleófilo reagem rapidamente através de um mecanismo 2, mas lentamente através de um mecanismo SN1, sob certas condições, então o caminho SN2 será seguido pela HERVÉ M. LABORDE QUÍMICA ORGÂNICA Reações iônicas: SN e E 14 maioria das moléculas. Por outro lado, um outro haleto de alquila e um outro nucleófilo podem reagir muito lentamente (ou nem irão reagir) por um caminho SN2. Se eles reagirem rapidamente através de um mecanismo SN1, então os reagentes seguirão um caminho SN1. Experiências têm mostrado que um número de fatores afeta as velocidades relativas das reações SN1 e SN2. Os fatores mais importantes são: 1. A estrutura do substrato. 2. A concentração e reatividade do nucleófilo (para reações bimoleculares apenas). 3. O efeito do solvente. 4. A natureza do grupo retirante. A – Efeito da Estrutura do Substrato Reações SN2: Haletos de alquila simples mostram a seguinte ordem geral da reatividade nas reações SN2: Metila > Primário > Secundário >> (Terciário – não-reativo) O fator importante por trás dessa ordem de reatividade é um efeito estérico. Um efeito estérico é um efeito sobre as velocidades relativas, causado por propriedades de ocupação de espaço daquelas partes de uma molécula ligada a, ou próxima de um sítio reacional. Um tipo do efeito estérico – o tipo que é importante aqui – é chamado de bloqueio estérico. Queremos dizer que a disposição espacial dos átomos ou grupos nos sítios reacionais ou próximos aos sítios reacionais de uma molécula impede ou retarda uma reação. Reação SN1: O fator primário que determina a reatividade de substratos orgânicos em uma reação SN1 é a estabilidade relativa do carbocátion que se forma. Exceto para aquelas reações que ocorrem em ácidos fortes, os únicos compostos orgânicos que sofrem uma reação pelo caminho SN1 a velocidades razoáveis são aqueles capazes de formar carbocátions relativamente estáveis. Isso significa que dos haletos de alquila simples que estudamos até agora, apenas os haletos terciários reagem através de um mecanismo SN1. Problema 6: As velocidades relativas da etanólise de quatro haletos de alquila primários são: CH3CH2Br,1,0; CH3CH2CH2Br, 0,28; (CH3)2CHCH2Br, 0,030; (CH3)3CCH2Br, 0,00000042. (a) Cada uma dessas reações será SN1 ou SN2? (b) Dê uma explicação para as reatividades relativas observadas. B – Efeito da Concentração e da Força do Nucleófilo Como o nucleófilo não participa da etapa de determinação de velocidade de uma reação SN1, as velocidades das reações SN1 não são afetadas nem pela concentração, nem pela identidade do nucleófilo. As velocidades das reações SN2, contudo, dependem tanto da concentração como da identidade do nucleófilo atacante. As forças relativas dos nucleófilos podem ser correlacionadas com duas características estruturais: 1. Um nucleófilo com carga negativa é sempre um nucleófilo mais reativo que seu ácido conjugado. Portanto, o HO- é um nucleófilo melhor do que o H2O, e o RO- é melhor que o ROH. 2. Em um grupo de nucleófilos, no qual o átomo nucleofílico é o mesmo, a força dos nucleófilos acompanha as basicidades respectivas. O composto de oxigênio, por exemplo, mostra a seguinte ordem de basicidade: RO- > HO- >> RCOO- > ROH > H2O C – Efeitos do Solvente sobre as Reações SN1 e SN2: Solventes Polares Próticos e Apróticos As forças relativas dos nucleófilos nem sempre acompanham suas basicidades quando os átomos nucleofílicos não são iguais. Quando examinamos a nucleofilicidade relativa dos compostos ou do íon dentro de um mesmo grupo da tabela periódica, descobrimos que nos solventes hidroxilados tais como os álcoois e a água, o nucleófilo com o átomo nucleofílico maior é o melhor. Esse efeito se relaciona à força das interações entre o nucleófilo e a camada que o cerca de moléculas solventes. Uma molécula de um solvente, tal como a água, ou um álcool – chamado de solvente prótico – HERVE M. LABORDE QUiMICA ORGANICA possui um atomo de hidrogénio ligado a um dtomo de um elemento fortemente eletronegativo (oxigénio). As moléculas dos solventes proticos podem, portanto, formar ligagées hidrogénio com os nucle6filos. As nucleofilicidades relativas de alguns nucleéfilos comuns em solventes proticos s4o as seguintes: Nucleofilicidade Relativa em Solventes Préticos SH > CN’ >I > OH > N; > Br > CH;COO > Cl > F > H,0 Solventes Polares Aproticos: os solventes aproticos sdéo aqueles cujas moléculas néo possuem um dtomo de hidrogénio ligado a um dtomo de elemento fortemente eletronegativo. A maioria dos solventes aproticos (benzina, os alcanos, etc.) é relativamente apolar, e nao dissolve a maioria dos compostos idnicos. Em anos recentes, um grande nimero de solventes polares aproticos passou a ser amplamente usado entre os quimicos; eles sao especialmente tteis nas reagdes Sy2. Seguem-se muitos exemplos: Todos esses solventes (DMF, DMSO, DMA e HMPA) dissolvem os compostos i6nicos e solvatam os cations muito bem. No DMSO, por exemplo, a ordem relativa da reatividade dos fons haleto é a mesma que suas basicidades: F>Cl>Br>Tr Isso é 0 oposto de sua forga como nucledfilos nas solugées de alcool e gua: T>Br>CroF As velocidades das reacées Sy2, em geral, aumentam muito quando ocorrem em solventes polares aproticos. Problema 7: Classifique os seguintes solventes como sendo proticos ou aproticos; dcido formico HCOOH; acetona CH;COCH;; acetonitrila CH;CN; formamida HCONH)>; didxido de enxofre SO2; aménia NH3; trimetilamina (CH3)3N; etileno glicol HOCH)CH>OH. Problema 8: Vocé esperaria que a reacdo do brometo de propila com o cianeto de sédio (NaCN), isto é, CH;3CH>CH>Br + NaCN > CH;3CH,CH,CN + NaBr fosse mais rdpida na DMF ou no etanol? Explique sua resposta. Problema 9: Qual desses seria o nucleofilo mais forte em um solvente protico: (a) CH;COO ou CH30 ? (b) H,O ou HS? (c) (CH3)3P ou (CH3)3;N? D - Efeitos do Solvente sobre as Reacoes Sy1: a Capacidade de lonizac¢ao do Solvente Devido a sua capacidade de solvatar cations e anions tao eficazmente, 0 uso de um solvente polar protico ira aumentar em muito a velocidade da ionizagao de um haleto de alquila em qualquer reagdo Syl. Isso acontece porque a solvatacdo estabiliza 0 estado de transigéo que leva ao carbocation intermedidrio e ao fon haleto mais do que com os reagentes. Problema 10: Quando o brometo de terc-butila passa por uma solvélise em uma mistura de metanol e dgua, a velocidade da solvélise (medida pela velocidade na qual os ions brometo se formam na mistura) aumenta quando aumenta o percentual de dgua na mistura. (a) explique esta ocorréncia. (b) explique a observacdo de que a velocidade da reacdo Sy2 do cloreto de etila com o iodeto de potdssio no metanol e agua diminui quando o percentual de dgua na mistura aumenta. E — A Natureza do Grupo Retirante Os melhores grupos retirantes séo aqueles que se tornam os ions mais estaveis depois que se desprendem. Como a maioria dos grupos retirantes se desprende como um ion negativo, os melhores grupos retirantes séo aqueles fons que estabilizam uma carga negativa mais eficazmente. Como as bases fracas executam isso melhor, os melhores grupos retirantes sao as bases fracas. Dos halogénios, 0 fon iodeto é o melhor grupo retirante, e o fon fluoreto, o mais fraco. IT >Br>Cl>>F A ordem € a oposta da basicidade. Reacées idnicas: SN e E 15 HERVÉ M. LABORDE QUÍMICA ORGÂNICA Reações iônicas: SN e E 16 O íon trifluormetanossulfonato (CF3SO3 -, normalmente chamado de íon triflato) é um dos melhores grupos retirantes conhecido pelos químicos. Os íons muito básicos raramente atuam como um grupo retirante. O íon hidroxila, por exemplo, é uma base forte e, portanto, reações com a retirada de íon hidroxila não ocorrem. Problema 11: Liste os compostos a seguir em ordem de reatividade decrescente em relação ao CH3O- em uma reação SN2 ocorrendo em CH3OH: CH3F, CH3Cl, CH3Br, CH3I, CH3OSO2CF3, 14CH3OH. F – Resumo: SN1 contra SN2 Reações de haletos de alquila por um mecanismo SN1 são favorecidas pelo uso de substratos que podem formar carbocátions relativamente estáveis, pelo uso de nucleófilos fracos e pelo uso de solventes muito ionizantes. Os mecanismos SN1, portanto, são importantes nas reações de solvólise de haletos terciários, especialmente quando o solvente é altamente polar. Em uma solvólise, o nucleófilo é fraco por ser uma molécula neutra (do solvente), e não um ânion. Se queremos favorecer a reação de um haleto de alquila por um mecanismo SN2,devemos usar um haleto de alquila relativamente desbloqueado, um nucleófilo forte, um solvente polar aprótico e uma alta concentração do nucleófilo. Os efeitos do grupo retirante é o mesmo em ambas as reações, a SN1 e a SN2: iodetos de alquila reagem mais rapidamente; fluoretos reagem mais lentamente. Esses fatores são reunidos na Tabela 4. Tabela 4: Fatores que favorecem reações SN1 versus SN2. Fatores SN1 SN2 Substrato 3º (necessita da formação de um carbocátion relativamente estável) Metila > 1º > 2º (necessitam de substratos desbloqueados) Nucleófilo Base de Lewis fraca, molécula neutra, o nucleófilo pode ser o solvente (solvólise) Base de Lewis forte, a velocidade é favorecida pela alta concentração do nucleófilo) Solvente Prótico polar (i.e, álcoois, água) Aprótico polar (i.e., DMF, DMSO) Grupo retirante I > Br > Cl > F (quanto mais fraca a base, depois da partida do grupo, melhor será o grupo retirante) 15 – Síntese Orgânica: Transformações de Grupos Funcionais usando Reações SN2 As reações SN2 são muito úteis na síntese orgânica, pois nos permitem converter um grupo funcional em outro – um processo que é chamado de uma transformação do grupo funcional ou uma interconversão do grupo funcional. Com as reações SN2,o grupo funcional de um haleto de metila, ou de um haleto de alquila primário ou secundário, pode ser transformado em um álcool, éter, tiol, tioéter, nitrila, éster e assim por diante. Um outro aspecto da reação SN2, que é de grande importância na síntese, é sua estereoquímica. As reações SN2 sempre ocorrem com inversão da configuração no átomo que carrega o grupo retirante. Isso significa que quando usamos reações SN2 em uma síntese, podemos saber, com certeza, a configuração de nosso produto se soubermos a configuração do nosso reagente. Por exemplo, suponhamos que precisamos de uma amostra da seguinte nitrila, com a configuração (S). N C C C H 3 C H 2 C H 3 H ( S ) - 2 - M e t i l b u t a n o n i t r i l a Tendo o (R)-2-bromobutano disponível, podemos efetuar a seguinte síntese: HERVÉ M. LABORDE QUÍMICA ORGÂNICA Reações iônicas: SN e E 17 N C C C H 3 C H 2 C H 3 H ( S ) - 2 - M e t i l b u t a n o n i t r i l a + B r - C B r H 3 C H C H 3 C H 2 + S N 2 ( i n v e r s ã o ) N C ( R ) - 2 - B r o m o b u t a n o Problema 12: Começando com o (S)-2-bromobutano, esquematizar as sínteses de cada um dos seguinte compostos: (a) (R)-2-etoxibutano, (b) (R)-2-butanotiol e (c) (R)-etanoato de 1-metilpropila. A – Não-Reatividade dos Haletos Vinílico e de Fenila Os compostos que possuem um átomo de halogênio ligado a um átomo de carbono de ligação dupla são chamados de haletos vinílicos; aqueles que possuem um átomo de halogênio ligado a um anel de benzeno são chamados de haletos de fenila. C X C X U m h a l e t o v i n í l i c o H a l e t o d e f e n i l a Os haletos vinílicos e os de fenila não reagem, em geral, nas reações SN1 e SN2. Os cátions de vinila e de fenila são altamente instáveis e não se formam imediatamente. Isso explica a não-reatividade dos haletos vinílicos e de fenila nas reações SN1. A ligação carbono-halogênio do haleto vinílico ou de fenila é mais forte que a do haleto de alquila, e os elétrons de ligação dupla ou o anel de benzeno repelem a aproximação de um nucleófilo, por trás. Esses fatores explicam a não-reatividade de um haleto vinílico ou de fenila na reação SN2. 16 – Reações de Eliminação dos Haletos de Alquila Uma outra característica dos haletos de alquila, é que eles passam por reações de eliminação. Em uma reação de eliminação, fragmentos de uma certa molécula (YZ) são removidos (eliminados) dos átomos adjacentes do reagente. Essa eliminação leva à introdução de uma ligação múltipla: C C C C Y Z e l i m i n a ç ã o ( - Y Z ) A – Desidroalogenação Um método amplamente usado para sintetizar alcenos é a eliminação do HX dos átomos adjacentes de um haleto de alquila. Aquecer o haleto de alquila com uma base forte resulta em uma reação. A seguir estão dois exemplos: C H 3 C H C H 3 B r C 2 H 5 O N a C 2 H 5 O H 5 5 o C C H 2 = C H C H 3 N a B r C 2 H 5 O H + + ( 7 9 % ) C C H 2 C H 3 C H 3 C B r C H 3 C H 3 C H 3 5 5 o C C 2 H 5 O H C 2 H 5 O N a + + C 2 H 5 O H N a B r ( 9 1 % ) Reações como estas não são limitadas à eliminação do brometo de hidrogênio. Os cloroalcanos também sofrem a eliminação do cloreto de hidrogênio, os iodoalcanos sofrem a eliminação do iodeto de hidrogênio e, em todos os casos, alcenos são produzidos. Quando os elementos de um haleto de hidrogênio são eliminados de um haloalcano dessa maneira, a reação é freqüentemente chamada de desidroalogenação. + + + C C H X α β : B - C C H : B : X - u m a b a s e HERVÉ M. LABORDE QUÍMICA ORGÂNICA Reações iônicas: SN e E 18 Nessas eliminações, assim como nas reações SN1 e SN2, existe um grupo retirante e uma partícula atacante (a base) que possui um par de elétrons. Freqüentemente, os químicos chamam o átomo de carbono que carrega o substituinte (i.e., o átomo de halogênio na reação anterior) de átomo de carbono alfa (αααα) e qualquer átomo adjacente ao mesmo de átomo de carbono beta (ββββ). Um átomo de hidrogênio ligado ao átomo de carbono β é chamado um átomo de hidrogênio ββββ. Como o átomo de hidrogênio que é eliminado na desidroalogenação é de um átomo de carbono β, essas reações são muitas vezes chamadas de eliminações ββββ. Muitas vezes, também se referem a elas como sendo eliminações 1,2. B – As Bases Usadas na Desidroalogenação Várias bases fortes têm sido usadas para a desidroalogenação. Às vezes, o hidróxido de potássio dissolvido no etanol é usado como reagente, mas os sais de sódio dos álcoois, tal como o etóxido de sódio, oferecem, muitas vezes, vantagens distintas. O sal de sódio de um álcool (um alcóxido de sódio) pode ser preparado tratando um álcool com o sódio metálico: R O H N a R O - N a + H 2 + 2 + 2 2 Á l c o o l A l c ó x i d o d e s ó d i o Esta reação envolve o deslocamento do hidrogênio do álcool e é, portanto, uma reação de oxidação-redução. O sódio, um metal alcalino, é um agente de redução muito poderoso e sempre desloca os átomos de hidrogênio ligados aos átomos de oxigênio. As reações vigorosas (às vezes explosivas) do sódio com a água são do mesmo tipo. Os alcóxidos de sódio também podem ser preparados através de uma reação de álcool com o hidreto de sódio (NaH). O íon hidreto (H:-) é uma base muito forte. Os alcóxidos de sódio (e potássio) são normalmente preparados através do uso do excesso de um álcool e este excesso de álcool se torna o solvente para a reação. O etóxido de sódio é freqüentemente empregado desta maneira. N a H 2 + 2 + 2 2 C H 3 C H 2 O H C H 3 C H 2 O - N a + E t a n o l ( e x c e s s o ) E t ó x i d o d e s ó d i o O terc-butóxido de potássio é um outro reagente desidroalogenante muito eficiente. K H 2 + 2 + 2 C H 3 CC H 3 C H 3O H C H 3 CC H 3 C H 3O - K + 2 Á l c o o l t e r c - b u t í l i c o ( e x c e s s o ) t e r c - B u t ó x i d o d e p o t á s s i o C – Mecanismos de Desidroalogenações As reações de eliminações ocorrem por uma variedade de mecanismos. Com os haletos de alquila, dois mecanismos são especialmente importantes, pois são bem relacionados com as reações SN1 e SN2 que acabamos de estudar. Um mecanismo é bimolecular chamado de reação E2; o outro é um mecanismo unimolecular chamado de reação E1. 17 – A Reação E2 Quando um brometo de isopropila é aquecido com o etóxido de sódio em etanol para formar propeno, a velocidade da reação depende da concentração de brometo de isopropila e da concentração do íon etóxido. A equação da velocidade é de primeira ordem em cada reagente e de segunda ordem global. Velocidade ∞ [CH3CHBrCH3] [C2H5O-] Velocidade = k [CH3CHBrCH3] [C2H5O-] HERVÉ M. LABORDE QUÍMICA ORGÂNICA Reações iônicas: SN e E 19 A partir disso, podemos inferir que o estado de transição da etapa determinante de velocidade deve envolver ambos, o haleto de alquila e o íon alcóxido. A reação deve ser bimolecular. Existe considerável evidência experimental indicando que a reação acontece da seguinte forma: Reação: + C 2 H 5 O - C H 3 C H B r C H 3 C 2 H 5 O H B r - C H 2 = C H C H 3 + + Mecanismo: C 2 H 5 O H B r - + + O : - C 2 H 5 : : C C H H H C H 3H B r : : : α β β α : : C C H H H C H 3H B r : O C 2 H 5 : : : δ - δ - O í o n e t ó x i d o b á s i c o c o m e ç a a r e m o v e r u m p r ó t o n d e u m c a r b o n o β u s a n d o s e u p a r d e e l é t r o n s p a r a f o r m a r u m a l i g a ç ã o c o m e l e . A o m e s m o t e m p o , o p a r d e e l é t r o n s d a l i g a ç ã o C - H β c o m e ç a a e n t r a r , p a r a s e t r a n s f o r m a r e m l i g a ç ã o π d e u m a d u p l a l i g a ç ã o e o b r o m o c o m e ç a s u a r e t i r a d a c o m o s e l é t r o n s q u e o l i g a r a m a o c a r b o n o α . E s t a d o d e t r a n s i ç ã o A g o r a e x i s t e m l i g a ç õ e s p a r c i a i s e n t r e o o x i g ê n i o e o h i d r o g ê n i o β e e n t r e o c a r b o n o a e o b r o m o . A l i g a ç ã o c a r b o n o - c a r b o n o e s t á d e s e n v o l v e n d o o c a r á t e r d e u m a l i g a ç ã o d u p l a . C C H H C H 3 H A g o r a a l i g a ç ã o d u p l a d o a l c e n o e s t á t o t a l m e n t e f o r m a d a e o a l c e n o t e m u m a g e o m e t r i a p l a n a t r i a n g u l a r e m c a d a á t o m o d e c a r b o n o . O s o u t r o s p r o d u t o s s ã o u m a m o l é c u l a d e e t a n o l e u m í o n b r o m e t o . 18 – A Reação E1 As eliminações podem seguir um caminho diferente daquele mostrado na seção 17. Tratar o cloreto de terc-butila com etanol aquoso 80 %, a 25ºC, por exemplo, oferece produtos de substituição com rendimento de 83 % e um produto de eliminação (2-metilpropeno) com rendimento de 17 %. C H 3 CC H 3 C H 3C l C l o r e t o d e t e r c - b u t i l a C 2 H 5 O H 8 0 %2 0 % H 2 O 2 5 o C S N 1 E 1 C H 3 CC H 3 C H 3O C H 2 C H 3 C H 3 CC H 3 C H 3O H + Á l c o o l t e r c - b u t í l i c o É t e r t e r c - b u t i l e t í l i c o ( 8 3 % ) C C H 3 C H 3 C H 2 2 - M e t i l p r o p e n o ( 1 7 % ) A etapa inicial para ambas as reações é a formação de um cátion terc-butila. Essa também é a etapa determinante de velocidade para ambas as reações; assim, as reações são unimoleculares. C H 3 C C H 3 C H 3 C l l e n t a C C H 3 C H 3 C H 3 + + C l - ( s o l v a t a d o ) ( s o l v a t a d o ) HERVÉ M. LABORDE QUÍMICA ORGÂNICA Reações iônicas: SN e E 20 Independentemente do que vai ocorrer, uma substituição ou uma eliminação, tudo dependerá da etapa seguinte (a etapa rápida). Se uma molécula de solvente reage como um nucleófilo em um átomo de carbono positivo do cátion terc-butila, o produto é um álcool terc-butílica ou um éter terc-butil etílico, e a reação é SN1. + C C H 3 C H 3 C H 3 S o l O H r á p i d a C H 3 C C H 3 C H 3 O S o l H + H O S o l ( S o l = H - o u C H 3 C H 2 - ) + C H 3 C C H 3 C H 3 O S o l H O S o l H+ R e a ç ã o S N 1 Se, entretanto, uma molécula de solvente atua como uma base e abstrai um dos átomos de hidrogênio β, como um próton, o produto é o 2-metilpropeno e a reação é E1. As reações E1 quase sempre acompanham as reações SN1. C C H 3 C H 3 C H 2 H + S o l OH r á p i d a + H O S o l H + C C H 3 C H 3 C H 2 R e a ç ã o E 1 Reação: ( C H 3 ) 3 C C l H 2 O C H 2 = C ( C H 3 ) 2 H 3 O + C l - + + + Mecanismo: A j u d a d o p e l o s o l v e n t e p o l a r , u m c l o r o s e a f a s t a c o m o p a r d e e l é t r o n s q u e o l i g a v a a o c a r b o n o . E s t a e t a p a l e n t a p r o d u z c a r b o c á t i o n s t e r c i á r i o s r e l a t i v a m e n t e e s t á v e i s e u m í o n c l o r e t o . O s í o n s s ã o s o l v a t a d o s ( e e s t a b i l i z a d o s ) p e l a s m o l é c u l a s d e á g u a q u e o c e r c a m . C H 3 C C H 3 C H 3 C l l e n t a C C H 3 C H 3 C H 3 + + C l - : : : : : : : E t a p a 1 : α β U m a m o l é c u l a d e á g u a r e m o v e u m d o s h i d r o g ê n i o s d e u m c a r b o n o β d o c a r b o c á t i o n . U m p a r d e e l é t r o n s v a i e n t r a n d o p a r a f o r m a r u m a l i g a ç ã o d u p l a e n t r e o s á t o m o s d e c a r b o n o α e β . C C H 3 C H 3 C H 2 H + H OH r á p i d a + H O H H + C C H 3 C H 3 C H 2 : : : E s t a e t a p a p r o d u z o a l c e n o e u m í o n h i d r ô n i o . E t a p a 2 : 19 – Substituição versus Eliminação Como a parte relativa de um nucleófilo ou a base é um par de elétrons não-compartilhados, todos os nucleófilos são bases em potencial e todas as bases são nucleófilos em potencial. Portanto, não é uma surpresa que as reações de substituição nucleofílica e as reações de eliminação muitas vezes estejam competindo uma com a outra. A – SN2 versus E2 Como as eliminações ocorrem melhor através de um caminho E2, quando efetuadas com uma alta concentração de base forte (e portanto uma alta concentração de um nucleófilo forte), a reação de substituição HERVÉ M. LABORDE QUÍMICA ORGÂNICA Reações iônicas: SN e E 21 por um caminho SN2, muitas vezes, compete com a reação de eliminação. A eliminação ocorre quando o nucleófilo (a base) ataca um átomo de hidrogênio β. Quando o nucleófilo ataca o átomo de carbono que carrega um grupo retirante, o resultado será uma substituição. CC H X N u : - e l i m i n a ç ã o E 2 s u b s t i t u i ç ã o S N 2 ( a ) ( b ) ( a ) ( b ) CC HN u CC + + + N u H : X - X : - Quando o substrato é um haleto primário e a base é o íon etóxido, a substituição é altamente favorável pois a base pode facilmente se aproximar do carbono que contém o grupo retirante. + + C H 3 C H 2 O - N a + C H 3 C H 2 B r C H 3 C H 2 O C H 2 C H 3 C H 2 C H 2 C 2 H 5 O H 5 5 o C ( - N a B r ) ( 9 0 % ) ( 1 0 % ) S N 2 E 2 Com os haletos secundários, entretanto, a reação de eliminação é favorecida, pois o bloqueio estérico torna a substituição mais difícil. + + C H 3 C H 2 O - N a + C H 3 C H C H 3 OC H 2 C H 3 C H 2 C H C H 3 C 2 H 5 O H 5 5 o C ( - N a B r ) ( 2 1 % ) ( 7 9 % ) S N 2 E 2 C H 3 C H C H 3 B r Com os haletos terciários uma reação SN2 não pode ocorrer, portanto a reação de eliminação é altamente favorecida, especialmente quando a reação não é realizada em temperaturas mais elevadas. Qualquer substituição que ocorra tem que passar obrigatoriamente por um mecanismo SN1. + + C H 3 C H 2 O - N a + C H 3 C C H 3 OC H 2 C H 3 C H 3 C H 2 C C H 3 C H 3 C 2 H 5 O H 2 5 o C ( - N a B r ) ( 9 % ) ( 9 1 % ) S N 1 P r i n c i p a l m e n t e E 2 C H 3 C C H 3 B r C H 3 + + C H 3 C H 2 O - N a + C H 2 C C H 3 C H 3 C 2 H 5 O H 5 5 o C ( - N a B r ) ( 1 0 0 % ) E 1 + E 2 C H 3 C C H 3 B r C H 3 C 2 H 5 O H O aumento da temperatura reacional favorece mais as reações de eliminação E1 e E2 do que as de substituição. A razão: as eliminações possuem energias livres de ativação mais elevadas do que as substituições, pois as eliminações modificam mais profundamente (maior número de ligações é rompida e formada). Ao dar ao maior número de moléculas energia suficiente para sobrepor as barreiras de energia, através do aumento da temperatura, haverá maior velocidade tanto para as substituições como para as eliminações; contudo, como as barreiras de energia são maiores para as eliminações, a proporção de moléculas que consegue ultrapassá-las é significativamente maior. Aumentar a temperatura da reação é uma maneira de influenciar favoravelmente uma reação de eliminação de um haleto de alquila. Uma outra maneira é o uso de uma base forte com bloqueio estérico, tal como o íon terc-butóxido. Os grupos metila volumosos do íon terc-butóxido parecem inibir a reação pela substituição; assim, as reações de eliminação irão prevalecer. Podemos ver um exemplo desse efeito nas duas reações a seguir. O íon metóxido, relativamente livre de bloqueio, reage com o brometo de octadecila principalmente por substituição; o íon terc-butóxido volumoso favorece principalmente a eliminação. HERVÉ M. LABORDE QUÍMICA ORGÂNICA Reações iônicas: SN e E 22 C H 3 O - C H 3 ( C H 2 ) 1 5 C H 2 C H 2 B r C H 3 ( C H 2 ) 1 5 C H C H 2 C H 3 ( C H 2 ) 1 5 C H 2 C H 2 O C H 3 + + E 2 ( 1 % ) S N 2 ( 9 9 % ) 6 5 o C C H 3 O H C H 3 ( C H 2 ) 1 5 C H 2 C H 2 B r C H 3 ( C H 2 ) 1 5 C H C H 2 C H 3 ( C H 2 ) 1 5 C H 2 C H 2 O C C H 3 C H 3 C H 3 + + E 2 ( 8 5 % ) S N 2 ( 1 5 % ) 4 0 o C ( C H 3 ) 3 C O H C H 3 C O - C H 3 C H 3 Um outro fator que afeta as velocidades relativas das reações E2 e SN2 é a basicidade relativa e a polarizabilidade da base/nucleófilo. O uso de uma base forte, altamente polarizada, tal como o íon amida (NH2 -) ou íon alcóxido (especialmente um bloqueado) tende a aumentar a probabilidade de uma eliminação (E2). O uso de um íon de base fraca, tal como um íon cloreto (Cl-) ou um íon acetato (CH3COO-) ou uma base fraca e altamente polarizável como Br-, o I- ou o RS-, aumenta a probabilidade de substituição (SN2). O íon acetato, por exemplo, reage com o brometo de isopropila quase exclusivamente pela via do SN2: + C H 3 C O - O C H 3 C CH H 3 B r + C H C H 3 C H 3 C H 3 C O O B r - S N 2 ( 1 0 0 % ) O íon etóxido de base mais forte reage com o mesmo composto, principalmente por um mecanismo E2. B – Haletos Terciários: SN1 versus E1 Como as reações E1 e SN1 passam pela formação de um intermediário comum, os dois tipos respondem de maneira semelhante aos fatores que afetam as reatividades. As reações E1 são favorecidas com substratos que podem formar carbocátions estáveis (i.e., haletos terciários); eles também são favorecidos pelo uso de nucleófilos fracos (bases fracas) e são, em geral, favorecidos pelo uso de solventes polares. Normalmente é difícil influenciar a partição relativa entre os produtos de SN1 e E1, pois a energia livre de ativação para qualquer uma das reações a partir do carbocátion (perda de um próton ou a combinação com uma molécula do solvente) é muito pequena. Na maioria das reações unimoleculares, entre as reações SN1 e E1, a reação SN1 será favorecida, especialmente em temperaturas mais baixas. Em geral, contudo, as reações de substituição dos haletos terciários não são muito usados como métodos sintéticos. Tais haletos passam pelas eliminações de modo fácil demais. Aumentar a temperatura de uma reação favorece a reação pelo mecanismo E1 à custa do mecanismo SN1. Contudo, se se deseja o produto da eliminação, é mais conveniente adicionar uma base forte e forçar para que haja uma reação E2. 20 – Resumo Geral Os caminhos de reação mais importantes para as reações de substituição e de eliminação de haletos de alquila simples podem ser resumidos na maneira mostrada na Tabela 5. Vamos examinar vários exercícios que irão ilustrar como a informação na Tabela 5 pode ser usada. HERVÉ M. LABORDE QUÍMICA ORGÂNICA Reações iônicas: SN e E 23 Tabela 5: Resumo geral das reações SN1, SN2, E1 e E2. CH3X RCH2X R C H X R C X R R R Metila 1º 2º 3º Somente reações bimoleculares SN1/E1 ou E2 Dá reações SN2 Dá principalmente SN2, exceto com base fortemente bloqueada [i.e., (CH3)3CO-] e principalmente E2 com bases fortes (i.e., RO-) Dá principalmente SN2, com bases fracas (i.e., I- , CN-, RCO2 -) e principalmente E2 com bases fortes (i.e., RO-) Não há reações SN2. Na solvólise dá SN1/E1, e a temperaturas mais baixas o SN1 é favorecido. Quando uma base forte (i.e., RO-) é usada, predomina a reação E2