Reações de Substituição em Haletos de Alquila - Aula de Química Orgânica

09072025 1 QUÍMICA ORGÂNICA Universidade Federal do Triângulo Mineiro Profa Dra Ana Claudia Granato Malpass AULA 6 Reações de Substituição de Haletos de alquila Cap 10 Toda molécula orgânica que contém um átomo eletronegativo ou grupo ligado a um carbono sp3 pode sofrer uma Reação de Substituição e de Eliminação Em uma Reação de Substituição o átomo eletronegativo ou grupo é substituído por outro átomo ou grupo Em uma Reação de Eliminação o átomo eletronegativo ou grupo é eliminado junto com um H do carbono adjacente Reações de Substituição nucleofílica e de Eliminação O átomo ou grupo que é substituído ou eliminado nessas reações é chamado de grupo de saída Reações de Substituição nucleofílica e de Eliminação Haletos de alquila Nos quais os Grupos de saída são F Cl Br e I 09072025 2 Como os haletos de alquila reagem A ligação polar CX é justamente o que favorece a reação de substituição nucleofílica e de eliminação 1 o Nucleófilo é atraído pelo C carregado um eletrófilo Assim que o nucleófilo se aproxima do C e forma uma nova ligação a ligação CX se rompe heterolíticamente com o halogênio ficando com o par de é 2 A ligação CX se rompe heterolíticamente com o halogênio ficando com o par de é formando um carbocátion O carbocátion um eletrófilo reage com o nucleófilo para formar o produto de substituição Devido ao fato do nucleófilo substituir o halogênio essas reações são conhecidas como reações de substituição nucleofílica O mecanismo de reação predominante depende dos seguintes fatores a estrutura do haleto de alquila a reatividade do nucleófilo a concentração do nucleófilo o solvente da reação O Mecanismo da Reação SN2 Se analisarmos a reação Se dobrarmos a CH3Br a V reação dobra Se dobrarmos a HO a V reação também dobra Se dobrarmos ambas as concentrações a V reação quadruplica reação de segunda ordem Bimolecular Portanto a V reação depende tanto da CH3Br quanto da HO V k Haleto orgânico Nucleófilo A reação SN2 é uma Reação concertada que acontece em uma única etapa sem a formação de intermediário A reação se dá com o ataque do nucleófilo ao carbono por trás da ligação entre o C e o grupo abandonador Isso porque o GA bloqueia a parte da frente da molécula não permitindo o ataque por esse lado 09072025 3 O haleto de alquila e o nucleófilo reagem em uma reação de uma única etapa formando um Estado de Transição Como o ataque ocorre por trás do GA os substituintes ligados ao C podem interferir no acesso do nucleófilo ao C e diminuirem a velocidade da reação EFEITO ESTÉRICO Substituintes volumosos no haleto de alquila reduzem a sua reatividade impedimento estérico Diagramas das coordenadas de reação para a a reação SN2 do brometo de metila b uma reação SN2 de um brometo de alquila estericamente impedido 09072025 4 1 Assim que o Nu se aproxima do C as ligações CH começam a se moventar se afastando do Nu 2 No ET as ligações CH estão todas no mesmo plano e o C é mais pentacoordenado do que tetraédrico 3 ligações estabelecidas e 2 ligações parciais 3 Qdo a ligação CNu se forma e se rompe a ligação CGA as ligações CH continuam a se movimentar levando à inversão da configuração O ataque pelo lado de trás do GA causa Inversão de configuração inversão Walden em uma reação SN2 Em uma Reação de Substituição Nucleofílica temos que analisar A estrutura do haleto de alquila já vimos que para a reação do tipo SN2 os menos impedidos são melhores metílico 1arios 2arios 3arios O Grupo de saída O Nucleófilo O solvente Fatores que governam as Reações SN2 1 Grupo de Saída Se compararmos vários haletos de alquila reagindo com o mesmo Nu veremos diferença na reatividade desses haletos Isso acontece pela natureza do Grupo abandonador Qto menor a basicidade do GA melhor será a habilidade de sair 09072025 5 Quanto mais fraca for a base melhor ela será como grupo de saída HF 35 104 HCl 10 106 HBr 10 109 HI 36 109 Fatores que governam as Reações SN2 2 Nucleófilo Basicidade é o quão bem um composto compartilha seu par de é com H Nucleofilicidade é o quão rápido um composto é capaz de atacar um carbono deficiente em é Bases fortes são melhores nucleófilos O efeitos estéricos não afetam a basicidade mas afetam a nucleofilicidade Nu volumoso Fatores que governam as Reações SN2 A Nucleofilicidade é afetada por fatores estéricos Qual desses Nu terá maior facilidade de atacar acessar o C por trás 09072025 6 Como um solvente prótico faz bases fortes menos nucleofílicas Fatores que governam as Reações SN2 3 O Efeito do Solvente na Nucleofilicidade Uma espécie carregada em um solvente prótico ficará solvatada e como os solventes próticos são doadores de ligação H esses com suas apontam na direção da espécie carregada Interação íon dipolo Bases fortes compartilham melhor seus pares de é e portanto interagirão mais fortemente com solventes próticos e estarão menos disponíveis para reagir por SN2 Solvente polares próticos Água Ácido Fórmico Metanol Etanol Assim o I sendo uma base fraca interagirá fracamente com solventes próticos e será um melhor Nu nesses casos Entretanto o fluoreto é um melhor nucleófilo em solvente apolar Também solventes polares apróticos como o DMSO e DMF facilitam a reação de substâncias orgânicas pois solvatam cations e não ânions É mais fácil quebrar interações íondipolo entre uma base fraca e o solvente do que entre uma base forte e o solvente Portanto para SN2 o melhor são os solventes apróticos Uma reação SN2 ocorre na direção que permite a base mais forte deslocar a base mais fraca Por que essas reações não ocorrem no sentido inverso também 09072025 7 Tomemos como base a reação a seguir Na reação direta OH desloca Cl formando um álcool Na reação inversa Cl teria que deslocar OH formando o haleto de alquila Entretanto a reação inversa não ocorre porque o Cl é um melhor Grupo abandonador que OH o OH é uma base mais forte que Cl analise os ácidos conjugados HCl é um ácido mais forte que H2O portanto Cl é uma base mais fraca que OH Mas se a diferença de basicidade do Nucleófilo e do Grupo de saída não for muito grande a reação será reversível HBr pka 9 HI pka 10 Utilizando os conhecimentos que temos sobre a reação SN2 diríamos que a reação abaixo seria muito lenta porque A H2O é um nucleófilo fraco O haleto de alquila é 3ario que apresenta impedimento estérico Entretanto essa reação é bastante rápida Para entendermos o mecanismo envolvido nessa reação temos que analisar a cinética química dessa reação Quando mantemse a Nu cte e dobrase a haleto de alquila dobrase a velocidade da reação Quando mantemse cte a haleto de alquila e dobrase a Nu nenhuma alteração na velocidade da reação é observada V k haleto de alquila Reação Unimolecular de primeira ordem 09072025 8 Em uma reação SN2 o GA sai ao mesmo tempo em que o Nu se aproxima Mas em uma reação SN1 o GA sai e só depois o Nu se aproxima Formação do carbocátion Etapa lenta Etapa determinante na velocidade da reação Nu não faz parte dessa etapa Diagrama de Coordenada de Reação para uma Reação SN1 Como se forma carbocátion a estrutura do haleto de alquila segue a ordem de reatividade abaixo 09072025 9 O carbocátion intermediário da reação apresenta os 3 substituintes e o C sp2 no mesmo plano e com isso a aproximação do nucleófilo pode ocorrer em ambos os lados do C sp2 o que conduz à formação de dois produtos estereoisoméricos Fatores que governam as reações SN1 1 Grupo de saída Como nas reações SN1 a dissociação do haleto de alquila é a etapa determinante da velocidade da reação o GA é muito importante Considerando os haletos de alquila diferenciandose somente nos átomos de halogênio temse Igual para SN1 e SN2 Fatores que governam as reações SN1 2 O Nucleófilo Como o nucleófilo reage com o carbocátion esse não tem efeito nenhum sobre a velocidade da reação Em muitas reações SN1 o nucleófilo é o próprio solvente da reação Quando o solvente é diferente do Nu a reação é chamada de Solvólise 09072025 10 Quando uma reação forma um intermediário carbocátion observe sempre a possibilidade de um rearranjo de carbocátion Fatores que governam as reações SN1 3 Rearranjo de carbocátion A Estereoquímica de Reações SN2 Essa reação leva a formação de um produto sem carbono assimétrico e portanto sem estereoquímica Já essa reação leva a formação de um produto com um carbono assimétrico e portanto com estereoquímica Porém só podemos especificar a estereoquímica do produto se soubermos a estereoquímica do reagente e se soubermos sob que mecanismo ela ocorreu SN2 forma 1 produto com estereoquímica inversa à do haleto de alquila A Estereoquímica de Reações SN1 Diferente das reações de SN2 as reações de SN1 formam 2 produtos 1 com a mesma configuração do haleto de alquila e outro com a configuração inversa Mas o produto com inversão de configuração é produzido em maior quantidade racemização parcial 09072025 11 Isso ocorre pois A dissociação do haleto de alquila inicialmente resulta na formação de um par iônico íntimo No par iônico íntimo a ligação CGA se quebrou mas o cátion e o ânion permanecem próximos Formase a partir do par iônico íntimo uma espécie chamada par iônico separado pelo solvente uma ou mais moléculas de solvente ficam entre o cátion e o ânion O Nu pode atacar qualquer dessas 4 formas I II III IV Se o Nu atacar somente o carbocátion totalmente dissociado o produto será completamente racemizado Se o Nu atacar o carbocátion do par iônico íntimo ou do par iônico separado pelo solvente o GA estará em posição de bloquear parcialmente a aproximação do Nu por esse lado portanto mais produto de inversão será obtido Se o Nu atacar a espécie não dissociada ocorrerá SN2 e produto será com inversão de configuração Haletos benzílicos e alílicos sofrem reações SN2 rapidamente a menos que eles sejam 3ario Haletos benzílicos e alílicos 3arios não reagem em reações SN2 por causa do impedimento estérico Haletos Alílicos e Benzílicos 09072025 12 Haletos benzílicos e alílicos também sofrem reações SN1 Haletos benzílicos e alílicos 1arios sofrem reação SN1 porque os carbocátions são estabilizados pela deslocalização eletrônica Haletos Alílicos e Benzílicos Mais de um produto pode resultar de uma reação SN1 de um haleto alílico Haletos vinílicos e haletos de arila não sofrem reações SN2 porque Haletos vinílicos e haletos de arila não sofrem reações SN1 porque 09072025 13 Em algumas situações pode haver competição entre SN1 e SN2 Quando um haleto de alquila pode sofrer tanto uma reação SN1 quanto uma reação SN2 1 a concentração do nucleófilo 2 a reatividade do nucleófilo 3 o solvente da reação Determinarão qual reação predominará Uma reação SN2 é favorecida por uma alta concentração de um bom nucleófilo Uma reação SN1 é favorecida por uma baixa concentração de um nucleófilo ou um nucleófilo fraco Competição entre SN1 e SN2 O papel do Solvente em Reações SN2 e SN1 O solvente no qual uma reação de SN se processa também determina se ocorrerá SN1 ou SN2 A cte dielétrica de um solvente é a medida da facilidade com que esse consegue isolar cargas opostas umas das outras Solventes polares possuem altas ctes dielétricas bons em isolar cargas O solvente é muito importante nas Reações de SN Vamos tomar como exemplo a reação SN1 1ª Etapa Formação do Carbocátion espécies carregadas Mas é necessário energia para se romperem ligações de onde vem a energia para a quebra da ligação CX Se a reação for realizada em solvente polar os íons formados serão solvatados pelo solvente e a energia associada ao efeito aditivo de todas as interações íondipolo envolvidas na estabilização de todas as espécies carregadas envolve muita energia Assim na verdade o haleto de alquila não se separa espontaneamente mas as moléculas de solvente o separam 09072025 14 um ou mais reagentes carregados na etapa determinante da velocidade aumenta a polaridade do solvente diminui a velocidade da reação nenhum dos reagentes está carregado na etapa determinante da velocidade aumenta a polaridade do solvente aumenta a velocidade da reação I II