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Reações de Eliminação Beta ou 1,2 em Haletos de Alquila Reações de Eliminação • Nas reações de eliminação, fragmentos de um certa molécula são removidos ou eliminados. Os fragmentos eliminados podem ter uma relação α, β ou γ, um em relação ao outro. • Na eliminação α ambos os grupos são perdidos pelo mesmo átomo formando os carbenos, que são espécies divalentes e instáveis. • Se os grupos eliminados estão em átomos adjacentes (eliminação β) ocorre a formação de uma dupla ligação. Reações mais comuns... • Em uma eliminação γ, os grupos eliminados apresentam um átomo entre eles e levam a formação de um ciclopropano (ciclo de três membros). Nesse caso, ocorre uma ciclização intramolecular. Reações de Eliminação Reações de Eliminação 1. Eliminação β • Haletos de alquila e álcoois, também podem sofrer reações do tipo Eliminação (β). • Nessas reações uma parte da molécula reagente é perdida. Nesse caso, o (GA) é removido de um carbono e um (H+) é removido do carbono vizinho (Hidrogênio β). Isso leva a formação de uma dupla ligação e o produto é um alqueno/alceno. Reações de Eliminação 1. Eliminação β • Em haletos de alquila, quando GA é um halogênio , sua remoção da origem a uma reação chamada dehidrohalogenação. • Se o reagente é um álcool, a perda de H2O, no processo caracteriza uma reação de desidratação. • IMP!! Em álcoois, o grupo OH é um péssimo GA e pode ser transformado em outro GA (OTs, OMs, ...) e outras classes de compostos contendo um Hidrog. β e um carbono contendo outro GA podem ser utilizados. Reações de Eliminação 1. Eliminação β • Nos mecanismos operantes para a eliminação β, a espécie com carga negativa ou pares de elétrons (antes chamada de Nü) ataca o Hidrogênio ao invés do Carbono, agindo como base. • As reações de eliminação podem, em alguns casos, ser comparadas com as reações de substituição nucleofílica, uma vez que materiais de partida idênticos são utilizados nestas reações. • Claro que a competição entre os mecanismos ocorre somente quando o substrato (molécula que perde os fragmentos) tiver um hidrogênio na posição β (Hβ) para ser abstraído e, assim levar a dupla ligação. Mecanismos envolvidos: E2: o Hidrog. beta e o GA são removidos simultaneamente, em um passo concertado. E1: inicia-se pela dissociação espontânea do GA, sendo o Hidrog. beta abstraído na sequência para gerar o alceno. Reações de Eliminação 1. Eliminação β MECANISMOS - mais de um possível: E1, E2, E1CB. • Mecanismo E1 • Eliminação β de primeira ordem: a reação de eliminação por E1 ocorre em duas etapas: (1) Formação de um carbocátion pela da eliminação de um GA; (2) Abstração do Hβ levando a formação da dupla ligação. • A primeira etapa (lenta), é determinante da velocidade da reação. Após a quebra da ligação C-GA, forma-se um intermediário CARBOCÁTION. Sendo GA mais eletronegativo que o carbono, este sai com o par de elétrons da antiga ligação σ. Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Mecanismo E1 A segunda etapa é rápida, pois leva a formação de um produto neutro a partir do carbocátion. Isso ocorre através da saída do Hβ ao carbocátion, em uma reação ácido-base. • Na etapa lenta, somente o substrato inicial está envolvido, a base não está envolvida. Sendo assim, essa é uma reação UNIMOLECULAR, ou seja, somente uma espécie participa do estado de transição determinante da velocidade. • Pode-se observar pelo ET1 que somente o material de partida está presente. Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Mecanismo E1 • Etapa 1 • Etapa 2 Reações de Eliminação • 1. Eliminação β - Mecanismo E1 – gráfico do perfil energético da reação. * ET1 é o complexo ativado presente nesse ET que dá origem ao carbocátion. Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Cinetica E1 • Como a base não está envolvida na etapa determinante da velocidade, a natureza da base ou sua concentração não afeta a velocidade da reação. • Portanto, a reação E1 é uma reação de PRIMEIRA ORDEM global, ou seja, depende, linearmente e em primeira ordem, somente da concentração do substrato. Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Cinetica E1 • IMP!! A natureza do substrato pode promover a formação de um estado de transição menos energético e uma reação mais rápida. • A espécie mais parecida com o complexo ativado do ET1 é o carbocátion, formado logo depois. Ambos têm uma carga positiva (parcial ou total) no carbono que perde o grupo abandonador. • Portando, grupos que levem a um carbocátion mais estável, levam também a um ET1 de menor energia e, a uma reação mais rápida. Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Cinetica E1 • Pode-se usar a estrutura do carbocátion para mensurar relativamente se a reação será rápida ou lenta, usando como base o Postulado de Hammond. • O mecanismo de reação E1 está relacionado com o mecanismo de SN1. A primeira etapa, em que ocorre a formação do carbocátion, é idêntica, o que difere é a segunda etapa. • Neste caso, em uma E1 o solvente ou a base retira um próton do carbono β ao invés de atacar o carbono positivamente carregado. Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Cinetica E1 • Outro ponto a ser observado é que no mecanismo E1 o próton é removido de um carbono sp3. • O pKa de um carbono sp3 é em média 50, portanto, hidrogênios ligados a Csp3 não são tipicamente ácidos. • Essa abstração ocorre somente porque a carga positiva formada ao lado da ligação C-H reduz este pKa, pois uma carga positiva retira elétrons. Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Substrato para E1 • Para fornecer um carbocátion e/ou complexos ativados 1 relativamente estáveis, haletos terciários ou substratos alílicos são as espécies ideiais. • Derivados (haletos) secundários podem sofrer E1, mas não são os substratos ideais e reagem mais lentamente do que os terciários. • Os substratos primários, por formarem carbocátions muito instáveis, não sofrem E1. Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Substrato para E1 Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Substrato para E1 • IMP!! Mesmo que formem carbocátions estáveis, os substratos devem possuir na sua estrutura um hidrogênio β (ao carbono ligado ao GA) para que seja possível sofrer reação de eliminação e formação da ligação dupla. • Caso formem carbocátion estável, mas não tenham H. β apenas SN1 pode ocorrer. Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Substrato para E1 • Os últimos exemplos da figura do slide anterior não sofrem E1, pois não podem formar uma dupla ligação, ou por não possuírem dois carbonos, ou por não possuírem um H. β a ser perdido na segunda etapa. • O primeiro desses substratos listados poderia sofrer reações de SN2, os outros dois poderiam sofrer SN2 ou SN1, dependendo das condições (o último demandaria rearranjo de carbocátion para ocorrer). • Substratos que formam carbocátion estável aliados a bons GA, levam a reações mais rápidas. Com isto, a ordem de reatividade é a mesma vista para reações SN1. Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Substrato para E1: REARRANJO DE CARBOCÁTIONS • Em alguns casos o esqueleto do alqueno formado difere do material de partida da reação. Aqui, não é somente eliminação que ocorre, mas também um rearranjo de carbocátion. • O rearranjo do esqueleto carbônico ocorre em uma etapa separada, após a formação do carbocátion. Este ocorre sempre a favor da formação da espécie mais estável e, por isso, mais favorável. Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Substrato para E1: REARRANJO DE CARBOCÁTIONS • EX.: O rearranjo ocorre quando um grupamento metila troca o carbono 3 pelocarbono 2, que antes continha a carga positiva. • O grupamento metila migra com o par de elétrons da ligação rompida (C3-Me). Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Substrato para E1: REARRANJO DE CARBOCÁTIONS # A energia de ativação para esses rearranjos é, geralmente, modesta e, rearranjos de carbocátions são, normalmente, rápidos. Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Substrato para E1: REARRANJO DE CARBOCÁTIONS • Outros grupos alquilas diferentes de metila podem migrar para um carbono carregado positivamente. • Ainda, os rearranjos de carbocátions podem envolver a migração de hidrogênio e são conhecidos com migração do tipo 1,2 de hidretos. Ou seja, o hidrogênio migra para o carbono adjacente com o par de elétrons da ligação C-H e o carbono que perdeu os elétrons fica como cátion. Reação E1 - Rearranjo • Mecanismo do rearranjo. Rearranjos de álcoois: Reação E1 - Rearranjo Rearranjos de álcoois: Reação E1 - Rearranjo Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Regiosseletividade de Reações E1 • Em alguns casos, uma mistura de regioisômeros pode ser obtida, quando dois ou mais hidrogênios β, ligados a C.alfa diferentes, podem ser eliminados do substrato. • Nesse caso, o produto majoritário é o que contém a dupla mais substituída e a reação tem um certa regiosseletividade, um dos regioisômeros é formado majoritariamente. Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Regiosseletividade de Reações E1 • No exemplo, o OH é eliminado em meio ácido, após ser protonado. Isso gera um carbocátion secundário no carbono que perdeu o GA. • Ao lado do carbono que perde o GA, existem dois carbonos que contém hidrogênios ligados a eles, um possui três hidrogênios equivalentes e o outro somente um hidrogênio. • Assim, ocorre a possibilidade de formação de dois regioisômeros diferentes, através da eliminação de hidrogênios em C.alfa diferentes. Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Regiosseletividade de Reações E1 • No entanto, a estabilidade do alqueno mais substituído, com grupos doadores, não explica o porquê este é formado mais rápido. • Para entender isso, deve-se olhar para os estados de transição que levam aos dois alquenos. Ambos são formados a partir do mesmo carbocátion, mas sua formação depende de que próton é abstraído. • Nesse caso, removendo o próton da esquerda, forma-se uma dupla ligação trisubstituída gerando um complexo ativado que é mais estável e, por tanto, o alqueno mais substituído se forma mais rapidamente. Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Regiosseletividade de Reações E1 • A regra de Zaitsev sumariza os resultados de numerosos experimentos onde ocorre a formação de uma mistura de alquenos (regioisômeros) através de eliminação β: • “O alqueno formado em maior quantidade é o que corresponde à remoção do hidrogênio do átomo de carbono que tem o menor número de hidrogênio ligado a ele.” Ao contrário da E2 em que a regioquímica pode ser controlada pelo volume da base, maior ou menor impedimento, a E1 não pode ser controlado. O produto Zaitsev geralmente é obtido. Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Estereosseletividade de Reações E1 • Em algumas reações de eliminação somente um produto pode ser obtido. • Em outras dois ou mais alcenos que diferem na estereoquímica da dupla ligação podem ser obtidos, essas espécies chamamos de diasteroisômeros. • Isso ocorre em razão do número de H.β ligados no mesmo carbono vizinho ao GA. A geometria é determinada no momento da perda do próton. Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Estereosseletividade de Reações E1 • Para que ocorra a formação da nova ligação pi o orbital p do carbocátion e o orbital da ligação C-H (OMσ) devem estar paralelos. • Quando o carbono vizinho tem dois hidrogênios, cada um deles, alinhado ao orbital p, gera um produto, Z ou E. • No entanto, quando existirem três hidrogênios, não há possibilidade de formação de diateroisômeros, pois o produto resultante terá um dos carbonos da dupla contendo dois substituintes iguais (os dois hidrogênios que sobraram). • Por razões estéreas, alquenos com grupos mais volumosos mais distantes, e também o complexo ativado que os originam, têm menor energia do que alquenos com grupos mais volumosos mais próximos. • Portanto, se houver a possibilidade da formação de ambos os alquenos (Z e E), o alqueno com os grupos mais volumosos mais distantes será favorecido. • *Atenção: Nem sempre o produto preferido será o E. Deve-se lembrar que o volume estéreo do grupo substituinte é uma informação, às vezes, diferente da prioridade deste na nomenclatura. Estereosseletividade de Reações E1 – EX:. detalhado Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Estereosseletividade de Reações E1 • Carbono vizinho ao carbocátion contendo apenas um Hidrog. • Nesse caso, forma produto E ou Z, somente um deles. • A reação será, portanto diasteroespecífica! • Na reação a seguir, os reagentes são diatoroisômeros entre si. • A primeira reação será mais rápida do que a segunda, pois o complexo ativado e o produto formado terão menor interação estérea, mas cada uma das reações leva a somente um produto. Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • Estereosseletividade de Reações E1 • Carbono vizinho ao carbocátion contendo apenas um hidrogênio. Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • E1 em Cicloexanos • Cicloexanos substituídos tem duas conformações em cadeira que estão em equilíbrio. A conformação mais estável é que vai reagir por E1 e formar a nova ligação dupla. • No exemplo: 1. ocorre a saída do GA(Cl-), carbocátion. • 2. um dos hidrogênios presente no carbono mais substituído sai levando ao produto majoritário. • 3. outro produto possível é o derivado obtido pela retirada de um dos três hidrogênios da –CH3 vizinha ao carbocátion, que levaria ao alqueno menos substituído. Esse será, caso formado, o produto minoritário. Reações de Eliminação • 1. Eliminação β • E1 em Cicloexanos • Pode haver rearranjo do carbocátion ! 3 Mecanismo E2: Ocorre em uma única etapa. É um mecanismo concertado. A abstração do próton e a remoção do GA são simultâneas. Cinética: Envolve uma cinética de segunda ordem global, uma vez que a velocidadde depende tando do base quanto do substrato. Reações E2, Bimolecular Substrato em E2: Substratos terciários sofrem eliminação rapidamente. Reações de Eliminação Reações de Eliminação Reações de Eliminação Um substrato terciário exibe uma dupla ligação parcial mais altamente substituida, que, por sua vez, promove a formação de um Estado de transição de mais baixa energia. Reações de Eliminação Regiosseletividade em E2: Em alguns casos a dupla ligação pode se formar em mais de um ponto da molécula, porém, o alceno mais substituido é formado preferencialmente. Em 1875, Zaitsev, em seus estudos observou que o produto majoritário (cinético) era sempre os alcenos formados quando o próton beta era removido do carbono menos hidrogenado. Alexander M. Zaitsev – químico russo - século XIX Reações de Eliminação Regiosseletividade da reação E2: Diagramas de Energia Reações de Eliminação Regiosseletividade em E2: No entanto, nem sempre se observava essa tendência, principalmente quando nas condições reacionais o substrato e a base eram impedida estericamente. Nesses casos, o produto principal era o alceno menos substituido, ou seja, o próton beta era removido principalmente do carbono beta mais hidrogenado. Esse produto ficou conhecido como produto de Hofmann. Produto termodinâmico. Reações de EliminaçãoReações de Eliminação Estereosseletividade em E2: O composto abaixo possui duas posições beta idênticas. A desprotonação de qualquer posição beta produz o mesmo resultado. Nesse caso, a regioquímica não é um problema. No entanto, é importante dar atenção a estereoquímica, pois dois alcenos estereoisoméricos são possíveis devido aos hidrogênios beta serem diasterotópicos (vizinhos a um centro quiral). Isso os torna diferentes reativamente favorevcendo o isômero trans, desprotonação anti. Reações de Eliminação Estereosseletividade em E2: O alinhamento dos orbitais no estado de transição é muito importante. Durante a formação da dupla ligação, o ET. deve envolver a formação de orbitais (p) posicionados de tal maneira que possam se sobrepor na medida que se formam, devendo estar coplanares. Reações de Eliminação Estereosseletividade em E2: Os arranjos podem ser do tipo sin- coplanar (eclipsada) ou do tipo anti-coplanar (alternada). A eliminação no substrato do tipo anti-coplanar leva a um ET. de energia mais baixa. No exemplo, o produto é estereoespecífico. Reações de Eliminação Estereosseletividade em E2: A coplanariedade não é uma exigência absoluta, sendo pequenos desvios de colplanariedade tolerados e a reação prosseguir mesmo com ângulos diedro sutilmente menores que 180°. O termo periplanar é usado para representar esse pequeno desalinhamento (ângulos diedro 178° ou 179°) entre o próton e LG. Reações de Eliminação Estereosseletividade em E2: O arranjo antiperiplanar irá determinar a estereoquímica do produto. Assim, o produto estereoisomérico de uma E2 depende da configuração do haleto de alquila. A estereoespecificidade da E2 é relevante quando essa apresentar apenas 1 H.-beta e esse estiver em um arranjo anti-periplanar ao GA. Reações de Eliminação Estereosseletividade em E2: Se o substrato apresentar 2 H.-beta, qualquer um deles pode ser abstraído de modo que esteja anti-periplanar com o GA. Nesse caso, serão obtidos dois produtos estereoisoméricos e o mais estável formará preferencialmente. Reações de Eliminação Para um LG ruim (-F): é necessário uma base mais forte, pois o E.T. mais parecido com um Carbânion é formado levando ao produto menos estável (E1cb). E2 vs E1cb LG Reações de Eliminação Reações E1, E2 e E1cb Reações E1, E2 e E1cb Substituição x Eliminação COMPETIÇÃO????? Três fatores devem ser analisados: 1. Qual a função do reagente; 2. Observar estrutura do substrato para determinar o mecanismo esperado; 3. Considerar as exigências regioquímicas e estereoquímicas relevantes. Substituição: o reagente atua como nucleófilo. Eliminação: reagente atua como uma base. Nucleofilicidade: é um fenômeno cinético. Corresponde a velocidade com que uma espécie irá atacar o eletrófilo e deslocando o LG. Basicidade: é um fenômeno termodinâmico e está relacionado com o equilíbrio da reação. Correponde ao processo de transferência de H+. A base mais fraca é favorecida no equilíbrio, uma vez que essa libera mais facilmente o protón. Substituição x Eliminação Nucleofilicidade Fatores contribuintes Carga: os ânions, em geral, são nucleófilos mais fortes que espécies neutras. Polarizabilidade: Por vezes, é mais importante que a carga. A polarizabilidade refere-se a capacidade de um átomo distribuir sua densidade eletrônica de forma irregular/desigual pelo elemento. Isso ocorre devido ao número de elétrons que estão distantes do núcleo. Basicidade O íons hidretos (H-) não pode atuar como nucleófilo uma vez que sua alta densidade eletrônica fica concentrada em um espaço muito pequeno (H. é um átomo pouco polarizável), o que o torna uma base muito forte. Basicidade: métodos para determinar a força da base Método quantitativo: Observa-se os valores de pKa. Quanto mais alto o valor do pKa, mais fraco é o ácido conjulgado e em consequência mais forte a base. Método quanlitativo: Deve-se analisar a estabilidade relativa do ânion após a desprotonação. O I é um elemento grande e eletronegativo, assim estabiliza bem carga negativa sendo uma base muito fraca. Nucleofilicidade x Basicidade Classificação: I Apenas Nucleófilos: são nucleófilos fortes por serem altamente polarizáveis, mas são bases fracas, pois seus ácidos conjugados são fortes. Esses reagentes permitem apenas reações de substituição. II Apenas Bases: O H- não pode atuar como nucleófilo porque não é suficientemente polarizável e é uma base muito forte. DBN e DBU apresentam estrutura semelhante e a carga positiva formada neles, quando protonados, é estabilizada por ressonância. Permite somente reações de eliminação. Nucleofilicidade x Basicidade III Nucleófilos fortes e bases fortes: hidróxidos e alcóxidos. Esses reagentes, em geral, são usados em processos bimoleculares (SN2 e E2). IV Nucleófilos fracos e bases fracas: Inclui água e alcóois. Esses reagentes, em geral, são usados em processos unimoleculares (SN1 e E1). Substituição x Eliminação Substituição x Eliminação Como predizer o mecanismo mais consistente? Como predizer o mecanismo mais consistente? Para responder essa pergunta é importante explorarmos o resultado esperado entre cada grupo de reagentes e os possíveis substratos (primário, secundário e terciários). Grupo I: apenas nucleófilos. Apenas substituição, o substrato vai determinar o mecanismo. A velocidade da SN2 aumenta na presença de solvente polar aprótico. Substituição x Eliminação Grupo II: somente base. Apenas eliminação ocorrerá. Bases fortes, tem como resultante reações de E2. Esse tipo de reação não é sensível a efeitos estéricos. Ocorre E2 tanto em substratos primários, quanto em secundário e terciários. Substituição x Eliminação Grupo III: Nü forte/Base forte. Substrato primário tratado com íon alcóxido, SN2 predomina sobre E2. Porém, se o alcóxido for muito impedido (terc-butóxido), E2 será predominante sobre SN2. Substituição x Eliminação Grupo IV: Nü fraco/Base fraca. Substrato primário reage lentamente com bases fracas, enquanto os secundários geram uma mistura grande de produtos. Assim, essas duas classes de substratos não são práticos para esses reagentes. Os substratos terciários levam, em geral a caminhos unimoleculares, predominando E1 e SN1, sendo E1 favorecido em temperaturas mais elevadas. Substituição x Eliminação Referências • BRUICE, Paula Yurkanis. Química orgânica. 4. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2006. 2 v. (v.1 e v.2). • MCMURRY, John. Química orgânica. 2. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2011. xviii, 1141 p. (V.1). • SOLOMONS, T. W. Graham; FRYHLE, Craig B. Química orgânica. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009. 1 v. e 2 v. • MORRISON, Robert Thornton; BOYD, Robert Neilson. Química orgânica. 14. ed. Lisboa, Portugal: Fundação Calouste Gulbenkian, 2005. xv, 1510 p. ISBN 9723105136.