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Aula 10 Haletos de alquila
1
Funções e Reações Orgânicas
NHT4025-15
-
Professor 
Célio F. F. Angolini
celio.fernando@ufabc.edu.br
Reações de substituição nucleofílica e eliminação
Estereoisômeros
2
Isômeros
;EstereoisômerosIsômeros
constitucionais
;
Isômeros
cis-trans ;
Isômeros que 
contêm centros 
assimétricos
• Estereoisômeros, assim como isômeros constitucionais, são
compostos diferentes que podem ser separados.
• Para interconverter um estereoisômero em outro, é
necessário haver quebra de ligações.
Haletos de alquila
3
• Haletos de alquila têm um halogênio ligado a um C sp3:
• A ligação C-X (X = halogênio) é polarizada, porque
halogênios são mais eletronegativos que o átomo de C:
Comparação Halo-alcanos:
4
Ligação C-X (Å) 1,39 1,78 1,93 2,14
Energia C-X 
(kcal mol-1)
113 84 70 57
• Os halogênios aumentam em tamanho quando nós descemos na tabela periódica
e, portanto, a ligação C-I é a mais longa e a C-F a mais curta.
Reações de Haloalcanos
5
• Haletos de alquila sofrem reações de Substituição Nucleofílica (SN):
- Nucleófilo (Nu:): é sempre uma base de Lewis, que pode estar com carga
negativa ou ser neutro.
- Grupo de saída (GS): é uma espécie que sempre leva consigo um par de elétrons
quando é substituído.
- O substrato é frequentemente um haleto de alquila (R-X) e o grupo de saída é
um ânion X-:
Alguns Exemplos Específicos
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• Haletos de alquila sofrem reações de Substituição Nucleofílica (SN):
1 - Nucleófilos
7
• Um nucleófilo é uma espécie rica em elétrons que procura por núcleos
deficientes em elétrons, como este:
• Todo íon negativo ou molécula neutra, mas que contém um par de elétrons isolado,
é um potencial nucleófilo.
Haleto de 
alquila
Nucleófilo 
neutro
Produto 
carregado
Grupo de 
saída
Nucleófilo 
negativo
Haleto de 
alquila
Produto 
neutro
Grupo de 
saída
1 - Nucleófilos
8
• Um nucleófilo que é um íon carregado, fornece uma molécula neutra
após a reação:
• Um nucleófilo que é um uma molécula neutra, fornece um íon carregado
após a reação:
• Neste caso, uma molécula do solvente (H2O) é o nucleófilo (o que é geralmente
o caso para nucleófilos neutros)
1 - Nucleófilos
9
• Se o solvente é o nucleófilo, ele estará em excesso em relação ao haleto de
alquila.
• O equilibrio favorece a transferência de um próton do produto carregado para
a água, fornecendo então um produto neutro:
Transferência 
de próton
2 – Substratos e grupos de saída
10
• Bons substratos para reações de substituição nucleofílica têm que ter
bons grupos de saída (GS).
• Um bom GS é aquele que pode sair como uma base fraca relativamente
estável.
• Haletos de alquila são bases fracas (seus ácidos conjugados [HX] são fortes) e,
consequentemente, halogênios são bons GS:
Base fraca
Bom GS
Cinética de Reações de substituição 
Nucleofílica
11
Substituição Nucleofílica Bimolecular
• Como se mensura a velocidade com que a seguinte reação acontece?
• Uma maneira de fazer isso é medir a velocidade em que os reagentes
desaparecem ou que a que os produtos são formados.
Velocidade da reação do CH3Cl com OH-:
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Medida [CH3Cl] inicial
(mol L-1)
[HO-] inicial
(mol L-1)
Velocidade inicial 
(mol L-1 s-1)
1 0,0010 1,0 4,9 X 10-7
2 0,0020 1,0 9,8 X 10-7
3 0,0010 2,0 9,8 X 10-7
4 0,0020 2,0 19,6 X 10-7
• O que ocorre com a velocidade da reação quando mudamos a concentração
do CH3Cl (substrato) ou do OH
- (nucleófilo)?
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• Então, essa reação pode ser escrita como a seguinte proporção:
Velocidade α [CH3Cl][OH
-]
• Essa proporção pode ser escrita então como a seguinte equação:
Velocidade = k[CH3Cl][OH
-]
• Essa reação é dita ser de segunda ordem ou bimolecular: Recebe o nome de
reação SN2 (Substituição Nucleofílica Bimolecular).
Mecanismo de reações SN2
14
• Este é o mecanismo de uma reação SN2 genérica:
• Fatores importantes do mecanismo:
1 - O nucleófilo ataca o carbono pelo lado oposto ao da ligação C-GS.
2 - Conforme o nucleófilo forma uma ligação com o C (e o GS quebra a
ligação com o C), ocorre inversão de configuração no C.
Representação Orbitalar de uma Reação 
SN2
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• O orbital que contém o par de elétrons do nucleófilo (o HOMO) sobrepõe
o orbital vazio * antiligante da ligação C-GS (LUMO).
HOMO: Highest Occupied Molecular Orbital
LUMO: Lowest unoccupied Molecular Orbital
Representação do TS de uma Reação SN2
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Estado de Transição (TS)
• Uma reação SN2 ocorre em um só passo através de um arranjo instável de
átomos que é chamado de estado de transição (TS):
• No TS a ligação O-C está parcialmente formada e a ligação C-Cl parcialmente
quebrada e a configuração do C começa a se inverter.
• Nos produtos o átomo de C sofre inversão (como um guarda-chuvas).
• Assim, uma reação SN2 é dita ser concertada: porque a formação e quebra de
ligações ocorrem simultaneamente, através de um único TS.
Reações SN2 ocorrem com inversão de 
configuração
17
Carbono no produto
tem configuração invertida
mecanismo
Reação SN2 de um composto quiral
18
mecanismo
(R)-(-)-2-bromooctano (S)-(+)-2-octanol
• Não conseguiríamos saber se uma reação SN2 provoca inversão de
configuração apenas pela reação de compostos aquirais como os que foram
mostrados.
• Compostos quirais como os abaixo, no entanto, mostrariam tal inversão:
Teoria do Estado de Transição:
Diagramas de energia livre (G)
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• G < 0 é dita ser exergônica (libera energia para a vizinhança).
• G > 0 é dita ser endergônica (absorve energia da vizinhança).
• A reação entre o CH3Cl e o OH- é bastante exergônica, com um G
o = -100
kcal mol-1 (A reação é também exotérmica Ho = -75 kcal) mol-1.
• A energia livre de Gibbs (G) mede o quanto uma reação é favorável:
G = H - TS H = Entalpia
S = Entropia
Diagrama de energia livre
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reagentes
TS
Produtos
 G
Coordenada de reação
 Go = energia livre padrão
 G≠ = energia livre de ativação
• Uma reação exergônica como esta SN2, ocorre “montanha abaixo”:
TS
Diagrama de energia livre
21
 Go = energia livre padrão
 G≠ = energia livre de ativação
• Se a reação é endergônica, a G≠ vai ser ainda maior e G≠> Go. A reação
é dita ser “montanha acima”:
Reação de substituição nucleofílica
unimolecular: SN1
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Cloreto de terc-butila Álcool terc-butílico
• Nessa reação, a velocidade é independente da concentração do nucleófilo (H2O
neste caso):
Velocidade = k[(CH3)3CCl]
• Para entender essa reação, precisamos estudar reações de múltiplas etapas e
velocidades determinantes de reações.
Etapa determinante de uma reação
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E neste caso aqui?
• Etapa determinante da velocidade da reação é a que tem o TS de
maior energia.
Mecanismo de uma reação SN1
24
• O mecanismo de uma reação SN1 ocorre em 3 etapas, vejamos o exemplo do
cloreto de tert-butila:
Equação total da reação:
Mecanismo, Etapa 1 (formação de carbocátion):
Esta etapa é altamente
endergônica: há quebra de
ligação sem formação de
outras para criar um
intermediário altamente
instável.
Mecanismo de uma reação SN1
25
Mecanismo, Etapa 2 (ataque nuclefílico da água):
Essa etapa é rápida em
relação à primeira: Essa etapa
é exergônica (forma
intermediário mais estável)
Mecanismo, Etapa 3 (transferência de próton):
Essa etapa também é rápida em
relação à primeira: Ocorre
transferência de proton para o
solvente.
Barreira de energia potencial da reação
26
Estereoquímica de Reações SN1
(aquiral)
27
• Uma vez que carbocátions têm geometria trigonal plana, ele pode ser
atacado pelas suas 2 faces por um nucleófilo.
Mesmo produto
• Nesse caso a reação leva a um mesmo produto.
• Contudo, quando um carbocátion é formado a partir de um substrato quiral, o
ataque em cada face pode fornecer diferentes estereoisômeros.
Estereoquímica de Reações SN1
(aquiral)
28
(S)-3-bromo-3-metilexano
(quiral)
(S)-3-metil-3-exanol
(quiral)
(R)-3-metil-3-exanol
(quiral)
Mistura racêmica
50% 50%
• Nesta reação há formação de um carbocátion, que é aquiral. Racemização ocorre
sempre que uma molécula quiral é convertidaà um intermediário aquiral em uma
reação
Mecanismo de Reações SN1
29
Mecanismo, Etapa 1 (formação de carbocátion):
• Esta é a etapa lenta do mecanismo, com formação do carbocátion
(intermediário instável).
30
Mecanismo, Etapa 2 (ataque nucleofílico):
Mecanismo, Etapa 3 (desprotonação pela água):
Fatores que influenciam velocidades de 
reações SN1 e SN2
31
• Por que uma reação do clorometano com um nucleófilo reage via SN2 e
uma reação do cloreto de tert-butila ocorre via SN1?
• Quais são os fatores observados que afetam a velocidade de reações
SN1 e SN2?
1- A estrutura do substrato
2- A concentração e a reatividade do nucleófilo
3- O efeito do solvente
4- A natureza do grupo de saída
1- A Estrutura do Substrato para reações 
SN2
32
• Haletos de alquila seguem a ordem de reatividade para reações SN2:
• Velocidade diminui com o aumento da substituição. 
Por que?
Composto Velocidade relativa
X = Cl, Br ou I
Metílico
1º
2º
3º
CH3X 30
CH3CH2X 1
(CH3)2CHX 0,03
(CH3)3CX ~0
1- A Estrutura do Substrato para reações 
SN1
33
• A reatividade de substratos para a reação SN1 é primariamente
dependente da estabilidade do carbocátion formado:
• Carbocátions terciários reagem via SN1, enquanto primários e
secundários reagem via SN2.
3º
(mais estável)
2o 1o Metílico
(menos estável)
2- O efeito da concentração e força do 
nucleófilo
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• A velocidade de uma reação SN1 não é afetada pela força ou
concentração do nucleófilo, porque o nucleófilo não participa da etapa
determinante da sua velocidade.
• A velocidade de uma reação SN2 depende de ambos a força e
concentração do nucleófilo, exemplo:
• Quais são as características do nucleófilo que governam a sua força
relativa?
2- O efeito da concentração e força do 
nucleófilo
35
1- Um nucleófilo carregado negativamente é sempre mais reativo do que o
seu análogo neutro:
Nucleófilo mais
forte
Nucleófilo mais
fraco
2- Em uma classe de nucleófilos em que o átomo nucleofílico é o mesmo,
as suas nucleofilicidades são iguais às suas basicidades, ex:
Nota: RCO2
- vem de ácido mais forte pka ~5 do que o ROH e H2O, pka ~15.
2- O efeito da concentração e força do 
nucleófilo
36
3- Quando os átomos dos nucleófilos têm tamanho diferentes, a
nucleofilicidade se correlaciona com a polarizabilidade:
• F- é o mais básico, 
porque forma o ânion 
menos estável 
(polarizabilidade).
• A nucleofilicidade muda 
conforme o solvente.
Nucleofilicidade vs Basicidade
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A basicidade é uma mensuração de quão bem um átomo/composto (ou base) doa um
par de elétrons para um átomo de H. Quantitativamente é mensurada pela posição de
um equilíbrio em uma reação ácido-base, pela constante de equilíbrio Ka, que indica a
tendência do ácido em perder um próton.
A nucleofilicidade é medida pelas velocidades relativas do ataque do nucleófilo em um
centro deficiente de elétrons e é mensurada por uma constante de velocidade k.
Mais básico
Menos nucleofílico
Menos básico
Mais nucleofílico
pKa = 15,7 pKa = 9,4
• Existe uma correlação entre basicidade e nucleofilicidade, mas elas não são a
mesma coisa:
3- Efeito do solvente em reações SN1 e 
SN2
38
SN2:
• Reações SN2 são favorecidas por solventes polares apróticos (acetona,
acetonitrila, DMSO, etc).
SN1:
• Reações SN1 são favorecidas por solventes polares próticos (água,
álcoois).
3- Efeito do solvente em reações SN1 e 
SN2
39
• O solvente forma ligações de hidrogênio com o grupo de saída, facilitando a formação do 
carbocátion.
carbocátion
SN1
SN2
• O solvente forma ligação de hidrogênio com o nucleófilo.
• A ordem de nucleofilicidade dos haletos, passa a ser:
I- > Br- > Cl- > F-
4- A natureza do grupo de saída
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• Os melhores grupos de saída são aqueles que se tornam ânions estáveis
ou uma molécula neutra.
SN1 (etapa determinante da velocidade) 
SN2
• Uma carga negativa começa a ser formada no TS para o grupo de saída a
medida que a reação prossegue.
4- A natureza do grupo de saída
41
• Entre os haletos, o iodo é o melhor grupo de saída e o flúor é o pior
(polarizabilidade):
• Outras bases fracas que são bons grupos de saída são os seguintes (seus ácidos
conjugados são muito fortes):
• Um dos melhores grupos de saída, se não o melhor, conhecido pelos químicos é o íon
tetrafluorometano sulfonato:
TfO-
TsO-MsO-
4- A natureza do grupo de saída
42
• íons muito básicos, como o F- ou OH-, raramente atuam como grupos de
saída:
• Então, reações como essa aqui não ocorrem:
• Contudo, se colocado em meio ácido, um álcool pode reagir por substituição
nucleofílica com um nucleófilo, já que o GS se torna uma molécula neutral:
Resumo das condições das reações SN1 e 
SN2
43
Parâmetros que favorecem SN1 versus SN2
Parâmetro SN1 SN2
Substrato 3o Metílico > 1o > 2o
Nucleófilo
Base fraca, 
neutra, solvente
Base forte, velocidade 
aumentada com a 
concentração do 
nucleófilo
Solvente
Polar prótico 
(água, álcool)
Polar aprótico
Grupo de saída
I > Br > Cl > F para ambos os casos (quanto 
mais fraca a base formada, melhor o grupo de 
saída)
Reações de eliminação de haletos de 
alquila
44
• Reações de eliminação competem com reações de susbstituição
nucleofílica:
• Em reações de eliminação, um grupo Y,Z é removido (eliminado) da
molécula, com a formação de uma ligação dupla, como a C=C
Reações de eliminação de haletos de 
alquila
45
Desidroalogenação
• Desidroalogenação consiste na remoção de um H e de um halogênio.
Exemplos:
• O Cl e o I também podem atuar como grupos de saída nessas reações
Desidroalogenação
46
• Reações de eliminação têm um grupo de saída (GS) e uma base de Lewis que ataca
um H acídico do substrato.
Base de Lewis
GS
• O átomo que tem o GS é geralmente chamado de  e o adjacente à ele é
chamado de .
• Assim, reações de desidroalogenação são chamadas de eliminações- ou
eliminações-1,2.
Desidroalogenação
47
Bases utilizadas em desidroalogenação
• As bases mais utilizadas em reações de eliminação são as bases conjugadas
de alcoóis, que podem ser preparadas assim:
• Outra maneira de se preparar:
• Uma base muito utilizada em reações de eliminação é o tert-butóxido de
potássio:
Mecanismos das reações de eliminação
48
• Assim como reações de substituição nucleofílica com seus mecanismos SN1 e SN2,
reações de eliminação têm mecanismos unimoleculares (E1) e bimoleculares (E2) na
etapa determinante da reação.
Reações E2
79%
• A velocidade da reação é dependente tanto da concentração do substrato, quanto
da base:
Velocidade = k[CH3CHBrCH3][C2H5O
-]
Mecanismos das reações de eliminação
49
Reações E2
• Mecanismo e estado de transição:
Mecanismos das reações de eliminação
50
Reações E2
• Em uma reação E2, a orientação do nucleófilo e do substrato não são arbitrárias, o
átomo de H sendo removido e o grupo de saída devem ser anticoplanares, para
haver formação da ligação dupla efetivamente:
GS
Mecanismos das reações de eliminação
51
Reações E1
• Vejamos o mecanimo E1 para a seguinte reação:
• Mecanismo, Etapa 1 (formação do carbocátion):
• Essa etapa é a determinante da velocidade da reação e a mesma do mecanismo da
SN1.
Mecanismos das reações de eliminação
52
Reações E1
• Mecanismo, Etapa 2 (abstração do próton e formaçao da ligação C=C):
• A segunda etapa consiste numa reação ácido-base. O átomo de H é acídico,
uma vez que tem como vizinho um átomo bastante eletronegativo (o
carbocátion)
Mecanismos das reações de eliminação
53
Reações E1
• Reações E1 competem com reações SN1 
Brometo de terc-butila
Álcool terc-butílico Éter terc-butílico
2-metilpropeno
• Nestas condições, a reação SN1 é a que prevalece.
Mecanismos das reações de eliminação
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Reações E1
• Ambas as reações têm como etapa inicial a formação do carbocátion:
• Assim, se a SN1 ou E1 que deve ser a mais favorável, depende da próxima etapa:
SN1:
• Se o solvente atuar como um nucleófilo, irá ser formado o produto de SN1.
Mecanismos das reações de eliminação
55
Reações E1
E1:
•Se o solvente atuar como uma base, o produto é proveniente de reação E1:
• Reações E1 quase sempre acompanham reações SN1.
Condições que favorecem substituição ou 
eliminação
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SN2 versus E2:
• Se o átomo/grupo atacante atua como um nucleófilo, ocorre
substituição, mas se atua como base, ocorre eliminação:
Condições que favorecem substituição ou 
eliminação
57
• Três parâmetros são importantes para a competição entre SN e E:
1 – Efeito estérico no substrato
2 – Temperatura
3 – Tamanho da base/nucleófilo e seus efeitos na basicidade e polarizabilidade.
1 – Efeito estérico no substrato
• Quando o substrato é um haleto primário, e a base é forte e não impedida, a
substituição é favorecida:
Majotirário
(90%)
Minoritário
(10%)Primário
Condições que favorecem substituição ou 
eliminação
58
• Quando o substrato é um haleto Secundário, uma base forte favorece a eliminação.
Secundário
Majoritário
(79%)
Minoritário
(21%)
• O maior impedimento estérico num carbono secundário, diminui a probabilidade de
se formar o produto de SN2.
Condições que favorecem substituição ou 
eliminação
59
• Quando o substrato é um haleto Terciário, a repulsão estérica é tão
severa, que reações SN2 não ocorrem.
• A eliminação é altamente favorecida, quando a reação é feita em altas
temperaturas.
• Assim, apenas SN1 poderia competir com uma E2 no caso de um haleto terciário.
Terciário E2 Majoritário
(91%)
SN1 Minoritário
(9%)
Sem calor
Com calor
E2 + E1 apenas
(100%)
Condições que favorecem substituição ou 
eliminação
60
2 – Temperatura
• O aumento da temperatura favorece reações de eliminação (E1 e E2)
sobre a substituição.
G = H - TS
• Eliminação é entropicamente mais favorável do que substituição, porque
o número de produtos de uma reação de eliminação é maior do que os
reagentes, enquanto na substituição, o número de reagentes e produtos é
igual.
Condições que favorecem substituição ou 
eliminação
61
3 – Efeito do tamanho da base/nucleófilo
• Uma maneira de se favorecer uma eliminação sobre uma substituição é
utilizando-se uma base forte e impedida, como o íon tert-butóxido
E2 
(1%)
SN2
(99%)
Base/nucleófilo desempedido (pequeno)
Base/nucleófilo impedido (volumoso)
E2 
(85%)
SN2
(15%)
Condições que favorecem substituição ou 
eliminação
62
3 – Efeito da polarizibilidade da base/nucleófilo
• Bases mais fortes e pouco polarizáveis reagem preferencialmente via E2 (por
ser um tipo de reação ácido-base). Ex: OH-, NH2
-, etc.
• Bases mais fracas e mais polarizáveis favorecem SN2. Ex: Cl
-, CH3CO2
- ou RS-.
Secundário
Majoritário
(79%)
Minoritário
(21%)