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1 Reações de Substituição Nucleofílica (SN) Haletos de Alquila Por que os haletos são tão reativos ? Devido à polaridade da ligação causada pela eletronegatividade do halogênio – carbono eletrofílico Polaridade da ligação (vermelho-alta / azul-baixa) Densidade eletrônica A polaridade da ligação permite que a mesma seja quebrada facilmente Reação de Substituição Nucleofílica (SN) no Carbono Saturado É a substituição de um grupo (grupo de saída ou grupo abandonador) por outro (nucleófilo) Exemplos: X = F-, Cl-, Br-, I- (grupo de saída) Dois diferentes mecanismos são possíveis. O grupo abandonador sai primeiro e o nucleófilo ataca depois, ou os dois eventos ocorrem ao mesmo tempo. Mecanismo SN1 ou Mecanismo SN2. SN1 SN2 Qual o mecanismo ? -Estrutura do haleto de alquila -Reatividade do nucleófilo -Concentração do nucleófilo -Solvente da reação A Reação SN2 – Fatos experimentais e mecanismo 1- A velocidade da reação depende da concentração do haleto de alquila e da concentração do nucleófilo; 2- Quando os hidrogênios do haleto de alquila são trocados por grupos metila a velocidade da reação torna-se mais lenta; 3- A reação de um haleto quiral em que o halogênio é ligado a um carbono assimétrico leva à formação de apenas um estereoisômero, e a configuração do carbono quiral no produto é invertida; Mecanismo: Os Mecanismos SN1 e SN2 para a Substituição Nucleofílica Velocidade da reação Algumas substituições nucleofílicas são de primeira ordem, ou seja, a velocidade depende somente da concentração do haleto e não depende da concentração do nucleófilo, enquanto em outras reações a velocidade depende da concentração do haleto e do nucleófilo. O mecanismo SN2: reação do n-bromo-butano com o íon hidróxido Esta etapa determina a velocidade da reação, chamada também de etapa lenta. A velocidade da reação depende somente desta etapa. A teoria cinética diz que a velocidade de uma reação é proporcional às concentrações das espécies reagentes. Velocidade da reação = k [n-BuBr][HO–] Segunda-ordem (proporcional às duas concentrações) chamado de: Substituição Nucleofílica de Segunda Ordem ou SN2 2 •A velocidade da reação SN2 depende de: • Nucleófilo • Esqueleto carbônico • Grupo de saída Segunda-ordem (a velocidade da reação é proporcional às duas concentrações) chamado de: Substituição Nucleofílica de Segunda Ordem ou SN2 A Reação SN2 Pequenas estruturas favorecem a reação SN2 Grupos metila e grupos alquila primários sempre reagem por mecanismo SN2 A ordem de reatividade dos haletos na reação SN2 é: metílico > 1o> 2o> 3o, que oposta à ordem de reatividade na reação SN1. Estereoquímica da Substituição – SN2 – Inversão de Configuração Em uma reação SN2, o grupo de saída (ou abandonador) parte do átomo de carbono assimétrico ao mesmo tempo que o nucleófilo ataca. O grupo de saída bloqueia o acesso pela “frente” do carbono, o nucleófilo tem que atacar por trás do carbono. Este ataque por trás causa a inversão da estereoquímica. Assim, reações SN2 gera inversão de configuração. Quando uma reação produz uma quantidade maior de um estereoisômero do que outro, a reação é estereoespecífica ou estereoseletiva. Uma reação SN2 é estereospecífica porque seu produto é uma inversão. Uma reação estereoseletiva é semelhante a uma racemização exceto porque produz quantidades diferentes dos enentiômeros. O Grupo Abandonador (ou Grupo de Saída) É mais fácil quebrar uma ligação C–I e mais difícil quebrar uma ligação C–F. O Iodeto é o melhor grupo de saída. A mesma conclusão pode ser tirada a partir dos valores de pKa: HI é o ácido mais forte, ioniza mais facilmente a H+ e I–. Logo o iodeto é um excelente grupo de saída e o fluoreto ruim. Quanto mais fraca a basicidade de um grupo, melhor é a sua habilidade de saída. Bases fracas são bases estáveis. Haletos como grupos de saída (ou abandonador) em reações SN1 e SN2 Átomos maiores estabilizam melhor suas cargas negativas. Basicidade: -I < -Br < -Cl < -F Habilidade de saída: -I > -Br > -Cl > -F Reatividades relativas de haletos de alquila em SN2: R-I > R-Br > R-Cl > R-F 4- A basicidade é pouco afetada por fatores estéricos. 5- A nucleofilicidade é muito afetada por fatores estéricos. Efeito da natureza do Nucleófilo Tanto o nucleófilo como o grupo de saída são bases. Em uma reação de substituição o nucleófilo é geralmente uma base mais forte do que o grupo de saída. Nucleófilos são bons elétrons doadores, bases de Lewis. 1- Pouco afeta SN1 2- Quanto maior a nucleofilicidade, maior a velocidade por SN2 3- Nem sempre a nucleofilicidade (doação de par de elétrons ao carbono) é proporcional à basicidade (doação de par de elétrons ao H+) Quando comparamos espécies similares ao longo da tabela periódica, a basicidade, e a nucleofilicidade se correlacionam. NH3 é uma base e um nucleófilo mais forte que a H2O. E H2O é uma base e um nucleófilo mais forte que HF. Efeito da natureza do Nucleófilo Basicidade: Medida da facilidade com que uma substância (uma base) compartilha seu par de elétrons livres com um próton. É medida pelo Ka do ácido conjugado, que éa tendência do ácido conjugado em perder um próton. Nucleofilicidade: Medida da rapidez com que uma substância (um nucleófilo) é capaz de atacar um átomo deficiente em elétrons (eletrófilo). É medida pela constante de velocidade (k). No caso de uma reação SN2, a nucleofilicidade é a medida da facilidade de o nucleófilo atacar o carbono hibridizado sp3 ligado ao grupo de saída. Para um mesmo átomo atacante: a nucleofilicidade acompanha a basicidade – bases fortes serão nucleófilos melhores H2O-OH CH3OH-OCH3 CH3CH2NH2-NHCH2CH3 NH3-NH2 Base fraca, nucleófilo pobreBase forte, melhor nucleófilo 3 Com o aumento do número atômico em um mesmo grupo, a basicidade diminui e a nucleofilicidade aumenta. Ex: H2S é um nucleófilo melhor mas é uma base mais fraca do que a H2O. Para átomos atacantes de tamanhos similares: As bases fortes são, novamente, os melhores nucleófilos -NH2 > -OH > -F Base mais forte, melhor nucleófilo Átomos atacantes de tamanhos diferentes: POLARIZABILIDADE Em um átomo grande, os elétrons estão afastados, eles não são mantidos com tanta firmeza e podem, se movimentar mais livremente em direção a uma carga positiva. -F -Cl -Br -I Aumento do tamanho Aumento do basicidade Aumento do nucleofilicidade O conceito de ácidos de bases macios e duros também ajuda a diferenciar bases de nucleófilos porque a nucleofilicidade aumenta a medida que a base é mais macia. Ex: o íon fluoreto é a base mais dura do grupo dos halogênios e o iodeto é a base mais macia. Logo, o iodeto é um nucleófilo melhor do que o fluoreto. Não básicos (HY ácido forte)Básicos (HX ácido fraco) Atacam carbonos saturadosAtacam C=O Ex: -SR, -IEx: -OR, -NH2 neutroscarregados Grandes Pequenos Nucleófilos macios (ou bases macias) Nucleófilos duros (ou bases duras) A nucleofilicidade é afetada por fatores estéricos Íon etóxido – melhor nucleófilo Íon terc-butóxido – base forte Nucleófilos na Reação SN2 Nitrogênio Nucleófilos de Enxofre são melhores que Nucleófilos de Oxigênio O ânion tiolato produzido atua como nucleófilo na Reação de SN2 Epóxidos - Substratos na Reação SN2 Compostos Alílicos - reagem rapidamente por mecanismo SN2 porque a dupla ligação estabiliza o estado de transição por conjugação. Compostos Benzílicos - reagem rapidamente por mecanismo SN2 porque anel benzeno estabiliza o estado de transição por conjugação. 4 α-Halo-cetonas - Mecanismo SN2 Variação da velocidade da reação SN2 com a estrutura substrato Cloreto de alquila menos impedido estericamente Cloreto de alquila secundário; lenta por causa do impedimento estérico Cloreto de alila, acelerada pela conjugação π no estado de transição Cloreto de benzila, mais reativo que alila: anel benzeno é melhor para a conjugação π do que a dupla isolada Conjugação com o par de elétrons do oxigênio acelera a reação Conjugação com a carbonila é melhor do que um alcenosimples ou benzeno. Estes haletos α-carbonílicos são os mais reativos de todos Exemplos de transformações de grupos funcionais usando reação SN2 R-X (R = Me; 1o ou 2o) HO- R’O- HS- RS- CN- R’CC- R’COO- R3N- N3- R-OH Álcool R-OR’ Éter R-SH Tiol R-SR’ Tioéter R-CN Nitrila RCCR’ Alcino R-COOR’ Éster R-NR’3X- amônio quaternário R-N3 Azida Haleto de alquila O Mecanismo SN1 para Substituição Nucleofílica no Carbono Saturado Etapa 1: Formação do Carbocátion Etapa 2: Ataque Nucleofílico no Carbocátion Estabilidade dos carbocátions: Para facilitar algumas reações, os químicos usam métodos para converter grupos de saída ruins em bons grupos de saída. Álcoois que reagem rapidamente com HBr (Via SN1)– Formação de carbocátions estáveis Álcoois terciários Álcoois alílicos Álcoois benzílicos 5 Estrutura e Estabilidade dos Carbocátions Etapa lenta Etapa rápida Por exemplo, um carbocátion primário ou secundário pode sofrer rearranjo para formar um carbocátion terciário (de menor energia). O rearranjo do carbocátion 3- metil-2-butil (secundário) para o 2-metil-2-butil (terciário) mostra isto. Estabilidade dos carbocátions Rearranjo dos carbocátions: Hiperconjugação ocorre devido a sobreposição parcial do orbital vazio no carbono elétron deficiente e o orbital molecular ligante da ligação carbono- hidrogênio adjacente. Densidade eletrônica é doada do carbono adjacente ao carbocátion Rearranjo dos carbocátions: Um carbocátion frequentemente sofre mudanças estruturais, chamadas de rearranjo, para formar um carbocátion mais estável. Rearranjos ocorrem depois da formação carbocátion ou enquanto o grupo abandonador sai. Quando não há hidrogênio adjacente, um grupo metila com seu par de elétrons se move do seu carbono para o carbono positivo adjacente. Cinética da reação SN1 O mecanismo SN1: reação do t-BuBr (brometo de terc-butila) com o íon hidróxido velocidade = k[t-BuBr] Etapa 1: Formação do carbocátion - Etapa lenta Etapa 2: Ataque nucleofílico no carbocátion – Etapa lenta Primeira-ordem (a velocidade da reação é proporcional à concentração do haleto) chamado de: Substituição Nucleofílica de Primeira Ordem ou SN1 Qual mecanismo SN1 ou SN2 ? Esqueleto carbônico: Geralmente compostos que formam cátions relativamente estáveis reagem por SN1. Cátions são mais estáveis quanto mais substituídos, isto é, terciário, o que é ruim para uma SN2 porque é difícil para o nucleófilo acessar o carbono. O melhor para uma reação SN2 é que haja apenas átomos de hidrogênio no átomo de carbono — grupos metila reagem mais rápido por mecanismo SN2. Duas reações idênticas com o íon brometo Quando o cátion alílico não é simétrico uma mistura de produtos pode se formar. Não importa qual dos dois butenóis for tratado com HBr; teremos o mesmo cátion. 6 A regiosseletividade (onde o nucleófilo ataca) é determinada por fatores estéricos: o ataque será mais rápido na posição menos impedida do sistema alílico Deslocalização no cátion benzílico Carbocátions estáveis como intermediários em reações SN1 Estereoquímica da Substituição – SN1 - Racemização Na reação SN1 o nucleófilo pode atacar em ambos os lados (ou faces) do carbocátion. Dessa forma o produto será racêmico. Conclusão: • A reação SN2 ocorre com inversão de configuração no carbono que sofre o ataque, e a reação SN1 ocorre com racemização; Sumário da reatividade dos haletos na substituição nucleofílica (SN1/SN2) Haletos de metila e haletos de alquila 1 Somente SN2 Haletos vinílicos e haletos de arila Nem SN1 nem SN2 Haletos de alquila 2˚ SN1 e SN2 Haletos benzílicos 1˚ e 2˚, e alílicos 1˚ e 2˚ SN1 e SN2 Haletos de alquila 3˚ Somente SN1 Haletos benzílicos 3˚ e alílicos 3˚ Somente SN1 7 Efeito do Solvente – Solventes próticos e apróticos Solvente polar para reação SN2 (apenas polar o suficiente para solubilizar os reagentes iônicos) e solvente polar prótico para a reação SN1. A reação SN1 precisa de um solvente polar porque a etapa que determina a velocidade envolve a formação de íon e a velocidade irá aumentar em solvente polar. Mais precisamente, o estado de transição é mais polar do que os materiais de partida e então é estabilizado por solventes polares. As reações SN2 mais comuns usam um ânion como nucleófilo e o estado de transição é menos polar do que o ânion localizado como a carga está dividida entre dois átomos. Um solvente polar solvata o nucleófilo aniônico e diminui a velocidade da reação. Um solvente apolar desestabiliza os materiais de partida mais do que desestabiliza o estado de transição e aumenta a velocidade da reação. Efeito do solvente •Muito mais drástico em SN1 do que em SN2 •Em SN1, a velocidade depende de dois fatores: -polaridade do solvente (polaridade ↑⇒veloc. ↑) -poder de solvatação (solvatação↑⇒veloc. ↑) •Em SN2: Melhor é solvente polar aprótico (DMSO, DMF, H3CCN, acetona, etc) •Solventes polares próticos (H2O,MeOH, HCCl3, etc.) •Na SN2 em geral a velocidade é menor quanto maior a polaridade do solvente Velocidade relativa da reação SN2 com vários nucleóficos com iodeto de metila em DMF. Note que o iodeto de metila não tem nenhum impedimento estérico, assim mesmo nucleófilos grandes reagem bem com ele. Velocidade relativa da reação SN2 do ideto de metila (H3CI) em MeOH: Bases fracas interagem fracamente com solventes próticos. RS- > I- > -CN > CH3O- > Br- > NH3 > Cl- > F- > CH3OH I>Br>Cl>F para SN1 e SN2 Melhor se for uma base mais fraca do que o nucleófilo. Grupo abandonador Polar aprótico (DMF, DMSO) Polar prótico (álcoois, água)Solvente Bases de Lewis fortes, velocidade aumentada pela concentração do nucleófilo Bases de lewis fracas, moléculas neutras, núcleófilo pode ser o solvente (solvólise) Nucleófilo Metílico>primário>secundári o (requer substratos não impedidos) 3o (requer formação de carbocátion estável) Substrato SN2SN1Fator Fatores que favorecem SN1 x SN2 Características SN1 x SN2 Ordem de reatividade: 3˚ > 2˚ > 1˚ >Metílico Ordem de reatividade: Metílico >1˚> 2˚> 3˚ RacemizaçãoO produto tem configuração invertida em relação ao reagente Rearranjo de carbocátionSem carbocátion Etapa determinante da velocidade é unimolecular Etapa determinante da velocidade é bimolecular Mecanismo em etapas, formação de carbocátion Mecanismo em uma etapa SN1SN2
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