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Reações orgânicas Substituição Eliminação Adição SnAr 2 Nucleofílica ¡ Nas reações de adição, como o próprio nome indica, ocorre uma adição de reagente ao substrato. ¡ Acontecem nas ligações pi do substrato. ¡ Exemplos de substratos: 3 4 Adição nucleofílica - Reação comum dos compostos carbonilados, ocorre quando é adicionado ao substrato um reagente nucleófilo na primeira etapa. • 1a etapa: adição nucleofílica • 2a etapa: adição eletrofílica Exemplo: Uma carbonila com grupamento aldeído (ou cetona) em contato com HCN. Primeiramente o ácido fraco (HCN) sofre uma cisão heterolítica (dissociação): HCN H+ + CN - Classificação das reações de Adição δ+ δ- ¡ O Nu- se aproxima no ângulo de 45° ao plano da C=O e adiciona ao C ¡ Um intermediário tetraédrico, o óon alcóxido é produzido 5 ¡ Dependendo do tipo de nucleófilo pode ocorrer duas situações: ¡ Nucleófilos fortes (aniônicos) adicionam-se diretamente a C=O formando o intermediário alcóxido. Os alcóxidos são protonados em meio ácido diluído. 6 Exemplos de nucleofilos fortes: RMgX, RLi, LiAlH4, NaBH4 ¡ Nucleófilos fracos (neutro) precisa que a C=O seja ativada antes do ataque do Nu. Utiliza-se um catalisador acido que ira protonar o O (base de Lewis) tornando o sistema mais eletrofílico. 7 Examples of such nucleophilic systems are : H2O, ROH, R-NH2 ¡ Nucleófilos podem ter cargas negativas ( : Nu-) ou neutra ( : Nu) no sítio de reação. ¡ A carga total da espécie nucleófila não é considerada. 8 Fortes Fracos ¡ A reação da C=O com H-Y, onde Y é eletronegativo, forma um aduto como produto de adição. ¡ A formação é rapidamente reversível. 9 Nucleófilos Fracos ¡ Os Aldeídos são geralmente mais reativos que as cetonas em reações de adiçaõ nucleofílicas. ¡ O estado de transição para a adição é menos impedido estericamente e de menor energia para o aldeído (a) do que para a cetona (b). ¡ Os aldeídos possuem uma menor substituição na ligação C=O: as cetonas possuem duas. 10 Nu:- Nu:- Aldeído Cetona ¡ Os Aldeídos C=O são mais polarizados do que as cetonas C=O. ¡ Como em carbocátions, quanto maior o número de grupos alquílicos,mais estável. ¡ A cetona possui mais grupos alquílicos, estabilizando o carbono C=O indutivamente. 11 ¡ Aldeídos e cetonas reagem com a água para formar 1,1- dióis (geminal (gem) dióis). ¡ A hidratação é reversível: um diol geminal pode eliminar água. 12 ¡ O equilíbrio geralmente favorece o composto carbonílico sobre a forma hidratada por razões estéricas. ¡ Acetona em água é 99% na forma de cetona. ¡ Exceção: aldeídos simples; § Na água, o formaldeído é constituído de 99% na forma hidratada 13 ¡ A adiçaõ de água pode ser catalisada por base ou ácido. ¡ A hidratação catalisada por base pode ser realizada pelo nucleófilo ion hidroxido, o que é muito mais nucleofílico que a água. ¡ O íon hidróxido ataca a carbonila, formando um alcóxido que remove um proton da molécula de água regenerando a base inicial. 14 15 • Na primeira etapa, um par de elétrons do oxigênio da carbonila aceita um próton do ácido (ou se associa com um ácido de Lewis), produzindo um cátion oxônio. O carbono de um cátion oxônio é mais suscetível ao ataque nucleofílico do que a carbonila da cetona inicial. • Na segunda etapa, o cátion oxônio admite o par de elétrons do nucleófilo. A base de Lewis remove um próton do átomo carregado positivamente, regenerando o ácido. ¡ Aldeídos e cetonas em meio básico forte tem como produto alcool e sal de ácido carboxilíco. ¡ A reação de Cannizzaro é a adição de OH- em um aldeído (forma intermediário tetraédrico). 16 ¡ Redução de aldeídos e cetonas catalisadas por enzimas usando NADH como fonte de hidreto (H-) 17 18 Reações orgânicas Adição Substituição Eliminação Oxidação Redução Eletrofílica 19 Adição eletrofílica - Reação comum em alcenos e alcinos, ocorre quando o substrato adiciona na primeira etapa um reagente eletrófilo: 1º etapa: adição eletrofílica. C C + E + C E C + C E C + + Nuc: _ C E C Nuc 2º etapa: adição nucleofílica. Posição trans é favorável 20 Alcenos: possuem ligação dupla C-C. Alcinos: possuem ligação tripla C-C. C C Ligação dupla C C Ligação tripla Dupla ligação: • Uma ligação s e uma p 21 ¡ A protonação da dupla ligação leva a formação do carbocátion mais estável. A carga positiva vai para o carbono desprotonado. 22 X + Br _ + + CH3 C CH3 CH CH3 H CH3 C CH3 CH CH3 H H Br CH3 C CH3 CH CH3 X=Cl, Br, I, HSO4 23 Mecanismo da Reação § Adição de HX em alcenos: envolve duas etapas. Etapa 1: adição do proton (H+). Etapa 2: adição do haleto (X-). Etapa 1 C C H C C H § Os elétrons p do alceno atacam o próton. § Forma nova ligação s (C- H). § O Carbono fica deficiente de 1 elétron, carga positiva. 24 § Adição de H+ a ligação p do alqueno leva a formação de intermediário: carbocation. Etapa 2 § Ataque nucleofílico d o h a l e t o a o carbocátion. C C H X C C HX § Ligação s (C-X) é formada. 25 § Esta reação envolve duas etapas com a formação de espécie intermediária. § Cada etapa: um estado de transição. 26 Classificação de Carbocátions R C H H carbocátion (1o) R C H R carbocátion (2o) R C R R carbocátion (3o) ¡ Hiperconjugação: interação que resulta da sobreposição de um orbital p vazio com uma ligação σ C-H vizinha. Esta interação estabiliza o carbocátion diminuindo sua energia. ¡ Quanto maior o no de substituintes alquila, maiores serão as possibilidades de hiperconjugação e mais estável será o carbocátion. 27 Reação Estereoespecífica ¡ Regra de Markonikov: na adição de HX a um alceno, o hidrogênio se liga ao carbono que possui menos substituintes alquila e o halogênio se liga ao carbono com mais substituintes alquila. 28 29 ¡ Na presença de peróxidos, o HBr adiciona-se ao alqueno formando um produto “anti-Markovnikov”. 30 § Regra de anti-Markonikov: na adição de HBr/peróxido a um alceno, o hidrogênio se l i ga ao ca rbono que possu i ma is substituintes alquila e o halogênio se liga ao carbono com menos substituintes alquila. ¡ A ligação O-O do peróxido se quebra formando radicais livres. 31 +R O H Br R O H + Br O OR R +R O O R calor,ou luz • O Hidrogênio é abstraído do HBr. Eletrófilo ¡ O brometo se adiciona a dupla ligação 32 +C Br C H Br+ C Br C H Br eletrófilo C Br CC CBr + • o Hidrogênio é abstraído do HBr. ¡ Forma radical terciário, assim forma o intermediário mais rápido. 33 CH3 C CH3 CH CH3 Br+ CH3 C CH3 CH CH3 Br CH3 C CH3 CH CH3 Br X SABER DIFERENCIAR/DEFINIR: ¡ Estabilidade de carbocátions. ¡ Adição de água catalizada por Ácido. ¡ Adição de água catalizada por Base. ¡ Regra de Markovnikov. ¡ Regra de An<-Markovnikov. 35 Reações orgânicas Substituição Eliminação Adição SnAr 36 Reação de substituição Nucleofílica e Eletrofílica Aromática Eletrofílica Nucleofílica MecanismoEnergia Substituintes Efeito indutivo e mesomérico Decomposição de sais Arenodiazonium Dehidroarenos (arinos) Reações Nitração Sulfonação Halogenação Alquiação F.C. Acilação F.C. Diazo Acoplamento Diazo Regioseletividade 37 Benzeno Diferenças na reatividade entre benzeno e alcenos: § Benzeno reage por substituição. § Alcenos reagem por adição. Esta diferença se deve ao fato do benzeno possuir 6 e- π no anel formando um orbital molecular conjugado que é mais estável termodinamicamente que o correspondete sistema conjugado não cíclico. Adição Sustituição 38 Substituição eletrofílica aromática A perda de aromaticidade é desfavorável 39 ¡ Areno (Ar-H) é o termo genérico para um hidrocarboneto aromá<co. ¡ O grupo aril (Ar) vem da remoção de um H de um areno. ¡ Os compostos Aromá<cos sofrem subs<tuição eletroGlicas aromá<cas. ¡ O eletrófilo possui carga posi<va parcial ou total. 40 41 Substituição Eletrofílica Aromática = Reação na qual o átomo de hidrogênio de um anel aromático é trocado por um eletrófilo. Substituição eletrofílica aromática Y+ + H Y H Y H Y Y B: lento rápido 42 Substituição nucleofilica aromática = ocorre em duas etapas (mecanismo de adição/eliminação). (1) ataque do nucleófilo ao carbono contendo o grupo abandonador (complexo de Meisenheimer). (2) Perda do grupo abandonador. Substituição nucleofílica aromática 43 O Paracetamol é uma das drogas mais comuns usadas no mundo, e é feita em grandes quantidades. Paracetamol Mecanismo H E+ E + H E + H E + H Ataque do sistema π do anel aromático ao eletrófilo O carbocation formado é alílico (estabilizado por ressonância), mas não aromático. 44 Mecanismo Eliminação do proton do carbocation intermediário H E+ E + H - H+ E Ao eliminar H+ o composto recupera a aromaticidade. 45 H E + E Y + H Y δ+ δ– O benzeno participa em reações de substituição sem perda de aromaticidade. Nitração Sulfonação Halogenação Alquilação de Friedel-Crafts Acilação de Friedel-Crafts Nas várias reacções de substituição muda apenas a natureza do eletrófilo 46 Nitração H + + H2O H2SO4 HONO2 NO2 Nitrobenzeno Mecanismo H NO2+ NO2 + H - H+ NO2 O eletrófilo é o íon nitrônio O N O •• + •• • • • • Estabilizado por ressonância 47 O N H O O + •• •• •• • • • • • • •• – H2SO4 O N H O O + •• •• •• • • • • •• – H + O N O •• + •• • • • • + H O •• H •• Formação do íon nitrônio Nitração Reação catalisada por ácido 48 Sulfonação H + + H2O Δ HOSO2OH SO2OH Ácido benzenossulfónico De entre os vários eletófilos presentes o mais importante é o SO3 O S O O + •• •• •• • • • • • • •• – 49 Sulfonação H SO3 SO3- + H O S O O + •• •• •• • • • • • • •• – SO2OH - H+ Mecanismo Estabilizado por ressonância 50 Halogenação H + + HBr FeBr3 Br2 Br Mecanismo H Br + H Br―Br...... FeBr3 δ+ δ+ δ- - H+ Br Estabilizado por ressonância 51 FeBr3Br Br Br Br FeBr3 Base de Lewis Ácido de Lewis Complexo base de Lewis-ácido de Lewis Halogenação Torna o bromo mais eletrofílico A cloração do benzeno é realizada de forma semelhante, usando FeCl3 como catalisador. A iodação e fluoração do benzeno são realizadas de forma diferente, porque: O fluor é muito reativo como eletrófilo, de forma que é difícil de controlar a sua reação com o benzeno. A iodação é muito lenta e caracterizada por uma constante de equilíbrio desfavorável. 52 H + + HCl AlCl3 (CH3)3CCl C(CH3)3 t-butilbenzeno Alquilação de Friedel Crafts Mecanismo - H+ C(CH3)3 H +C(CH3)3 C(CH3)3 + H O eletrófilo é o carbocátion t-butilo Estabilizado por ressonância Charles Friedel (1832-1899) James Crafts (1839-1917) 53 (CH3)3C Cl + AlCl3 + (CH3)3C Cl AlCl3 – + (CH3)3C Cl AlCl3 – + O AlCl3 atua como ácido de Lewis promovendo a ionização do haleto de alquino. Alquilação de Friedel Crafts Os haletos de alquila não são suficientemente eletrófilos para reagir com o benzeno. O tricloreto de alumínio é o catalisador da reação e como ácido de Lewis aumenta o carácter eletrófilo do agente alquilante. 54 Alquilação de Friedel Crafts Com haletos de alquilo secundários ou terciários, a adição de cloreto de alumínio pode originar os carbocation correspondentes. Sendo estes as espécies eletrófilas que atacam o benzeno. Se o mecanismo envolve carbocátion podem ocorrer rearranjos H (CH3)2CHCH2Cl AlCl3 1-cloro-2-metilpropano t-Butilbenzeno C(CH3)3 + Ocorre rearranjo do carbocátion (CH3)2CHCH2 + 55 H + + HCl AlCl3 CH3COCl COCH3 acetofenona Acilação de Friedel Crafts Mecanismo H +CCH3 O CCH3 + H O - H+ CCH3 O O eletrófilo é o cátion acila •• CH3CH2C O • • + CH3CH2C O • • + Estabilizado por ressonância 56 Acilação de Friedel Crafts O AlCl3 atua como ácido de Lewis promovendo a ionização do haleto de acilo CH3CH2C Cl + AlCl3 O + Cl AlCl3 – CH3CH2C O Cl AlCl3 – CH3CH2C O • • + •• CH3CH2C O • • + 57 ¡ Quando benzenos substituídos sofrem ataque eletrofílico, os grupos já presentes no anel afetam tanto a velocidade da reação, quanto o sítio de ataque. 58 Grupos Ativadores Æ orientadores orto e para Grupos Desativadores Æ orientadores meta Benzeno monosubstituido Isômero orto Isômero meta Isômero para orto meta para Em ambos os casos o carbocation tem um caráter parcialmente terciário e consequentemente é mais estável 59 60 Ativadores ou Orto-Para-dirigentes - Empurram elétrons para o anel. Pode-se dividir os grupos ativadores em três subgrupos: • Fortemente ativadores: NH2, NHR, NR2, OH • Moderadamente ativadores: OR, NHCOR • Fracamente ativadores: Radical fenil, radicais alquil e halogênios Esses grupos geralmente apresentam somente ligações simples. Substituintes ativadores 61 Desativadores ou Meta dirigentes - Atraem para si elétrons do anel Exs: NO2, NH3+, NR3+, SO3H, COOH, COOR, CHO, COR, CN, etc. Estes grupos geralmente apresentam ligações duplas, triplas ou coordenadas. Os grupos desativadores orientam a segunda substituição preferencialmente na posição meta. Substituintes desativadores ¡ O tolueno reage 25 vezes mais rápido que o benzeno. ¡ O grupo metil é um grupo ativador. ¡ O produto contem uma grande quantidade de moléculas orto e para substituidadas. 62 63 § O intermediário será mais estável se a nitração ocorrer na posição orto e para. 64 Coordenada de reação E ne rg ia ¡ Grupos alquila estabilizam o complexo sigma por indução, doando densidade eletrônica através da ligação sigma. ¡ Substituintes com pares de elétrons desemparelhados estabilizam o complexo sigma por ressonância (ligação pi). 65 OCH3 H NO2 + OCH3 H NO2 + H H NO2 O CH3 + H H NO2 O CH3 + H NO2 H O CH3 + O CH3 + N O O + Nitração do anisol NO2 O CH3 NO2 O CH3 produtosAnel ativado orto meta para orto para + 66 H NO2 H O CH3 + H NO2 H O CH3 + H NO2 H O CH3 + H NO2 H O CH3 + H H NO2 O CH3 + H H NO2 O CH3 + H H NO2 O CH3 + H H NO2 O CH3 + H H NO2 O CH3 + H H NO2 O CH3 + H H NO2 O CH3 + orto meta para : : EXTRA! 67 H H NO2 O CH3 + :B elimination _ H NO2 O CH3 H H NO2 O CH3 + :B addition _ H H NO2 B O CH3 doesn’t happen resonance would be lost restores aromatic ring resonance ADDITION REACTION ELIMINATION REACTION Íons benzenium BENZENIUM IONS GIVE ELIMINATION INSTEAD OF ADDITION ( 36 Kcal / mole ) X Adição Eliminação Reação de Adição (perda de ressonância) Reação de Adição (perda de ressonância) Reação de Eliminação (ressonância restaurada) 68 ¡ Anilina reage com bromo em água (sem catalisador) para produzir tribrometo. ¡ Bicarbonato de sódio é adicionado para neutralizar o HBr que também é formado. 69 NH2 Br23 H2O, NaHCO3 NH2 Br Br Br 70 Ativadores Desativadores Doadores π Doadores σ Halogênios Carbonilas Outros SABER DIFERENCIAR/ DEFINIR: ¡ Orto, meta,para na segunda substituição. 71
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