Reações de Eliminação 1,2-Mecanismos

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Reações de Eliminação 1,2
Mecanismos
Prof. Ítalo Andrade
Reações Eliminação1,2
Todos os nucleófilos são bases em potencial e todas as bases são também nucleófilos em potencial. Não é de surpreender, portanto, que as reações de substituição nucleofílica e as reações de eliminação estejam, frequentemente, competindo entre si. Um haleto de alquila pode reagir com um íon hidróxido para formar um álcool numa reação de substituição.
Um haleto de alquila também pode reagir com um íon hidróxido numa desidrohalogenação para formar um alqueno. Esta reação é uma eliminação 1,2 (ou eliminação ).
O átomo de carbono que suporta o substituinte (por, o átomo de halogênio nas reações anteriores) é denominado de átomo de carbono alfa () e qualquer outro átomo de carbono, em posição adjacente, deste átomo é denominado de carbono beta (). Um átomo de hidrogênio ligado a um átomo de carbono  é denominado átomo de hidrogênio . Uma vez que que o átomo de hidrogênio que é eliminado numa desidrohalogenação provém de um átomo de carbono , estas reações são denominadas, muitas vezes, eliminações . Ou também de eliminações 1,2.
Quando os álcoois são aquecidos com ácidos fortes, eles sofrem eliminação de água (desidratação) e formam os alquenos. Exemplos:
Como demonstram estes exemplos, as desidratações de álcoois geralmente produzem o alqueno mais substituído e, portanto, o mais estável. A desidratação do 2-metil-2-butanol produz, principalmente, o 2-metil-2-buteno em vez do 2-metil-1-buteno e a desidratação do 2-pentanol dá, principalmente, o 2-penteno em vez do 1-penteno.
As reações de eliminação podem ocorrer através de diversos mecanismos. O caminho do mecanismo seguido por um substrato e base particulares depende de um certo número de fatores, muito dos quais são os mesmos que atuam nas reações de substituição. Os fatores mais importantes são:
1) A estrutura do substrato que sofre a eliminação.
2) A força, a concentração e a estrutura da base.
3) A polaridade do solvente.
4) A temperatura da reação.
Uma vez que estes fatores influem sobre o caminho do mecanismo seguido por uma reação, eles automaticamente influirão sobre as porcentagens relativas dos produtos de substituição e eliminação, sobre a orientação da eliminação, sobre a probabilidade de rearranjos e sobre a estereoquímica da reação de eliminação.
Existem evidências, indicando que os mecanismos para as reações de eliminação podem variar desde aqueles nos quais a etapa inicial é a formação de uma ligação entre a base e o próton (uma eliminação carbaniônica), até aqueles nos quais a etapa inicial é a quebra da ligação entre o grupo abandonador e o carbono (um mecanismo carbocatiônico). Entre estes dois extremos se encontram as possibilidades de mecanismos envolvendo pares iônicos e um mecanismo no qual as ligações são quebradas e formadas ao mesmo tempo (um mecanismo sincronizado).
Eliminação via formação de Carbânion
Os mecanismos carbaniônicos parecem operar quando os hidrogênios  são apreciavelmente ácidos, uma situação que ocorre quando o carbono  do substrato sustenta um forte grupo retirador de elétrons. A reação de eliminação que ocorre quando um composto 2-metóxi-1-nitroetila é tratado com o íon metóxido é um exemplo. A reação apresenta uma cinética de reação de primeira ordem e a velocidade depende somente da concentração do ânion. Este mecanismo é chamado mecanismo aniônico (E1) (isto é, Eliminação, Unimolecular, Aniônica), porque a etapa determinante da velocidade é unimolecular.
Entretanto, algumas reações com mecanismo do tipo carbaniônico podem apresentar cinética de segunda ordem, quando o hidrogênio  é menos ácido, e algumas reações do tipo carbaniônico aparentemente se processam, através da formação de pares iônicos.
Eliminação : Mecanismo E2
Esta reação chama-se eliminação  porque o próton eliminado é o que se liga ao átomo de carbono  em relação ao hidrogênio. Podemos ver, então que a eliminação  é o inverso da reação de adição a um alqueno. Quando X é um átomo de halogênio, o processo é chamado desidro-halogenação. Na verdade, a eliminação pode ocorrer também com facilidade quando -X é um bom grupo de saída, tal como -OSO2R1. Uma reação típica de eliminação é a reação do 3-bromo-3-etil-pentano com hidróxido de potássio dando o 3-etil-2-penteno.
A velocidade desta reação depende da concentração do halogeneto e da concentração de hidróxido, isto é, a reação é de Segunda ordem.
Velocidade = k [RX]. [-OH]
Este tipo de eliminação é chamado E2: (E) de eliminação e (2) de 2a ordem. A equação da velocidade indica que o estado de transição contém os elementos do halogeneto e da base. O mecanismo mais simples é uma reação em uma etapa, concertada. O diagrama de energia livre para a eliminação E2 deve parecer-se com o da reação SN2. A reação é concertada, não se produzem intermediários e não ocorrem rearranjos.
Quando se aquece o brometo de isopropila com etóxido de sódio em etanol, a fim de obter o propeno, a velocidade da reação depende da concentração do brometo de isopropila e da concentração do íon etóxido. A equação da velocidade é de primeira ordem em cada reagente e de Segunda ordem global.
Velocidade  [CH3CHBrCH3] [C2H5O-]
 
Velocidade = k [CH3CHBrCH3] [C2H5O-]
Daí se conclui que o estado de transição da etapa determinante da velocidade deve envolver o haleto de alquila e o íon etóxido. A reação deve ser bimolecular. Há muitas evidências experimentais que indicam que a reação ocorre na seguinte maneira:
A Estereoquímica das Reações E2:
Há consideráveis indícios experimentais mostrando que os cinco átomos envolvidos no estado de transição de uma reação E2 (incluindo-se a base) devem estar num mesmo plano. A exigência da coplanaridade da unidade HCCL é conseqüência da necessidade da superposição apropriada dos orbitais no desenvolvimento da ligação  do alqueno que se está formando. Há duas maneiras de se conseguir esta superposição
Este mecanismo é análogo ao da reação SN2 na medida em que consideramos que o par de elétrons da ligação C-H desloca o grupo de saída L em um ataque pela retaguarda. A relação anti permite que B- ataque o hidrogênio em uma posição bastante afastada do átomo eletronegativo L, com uma estereoquímica semelhante à observada para a reação SN2.
	As evidências indicam que, entre estas duas configurações do estado de transição, a configuração preferida é a conformação antiperiplana. O estado de transição sinperiplano só ocorre com moléculas rígidas que não podem assumir a configuração anti. A razão deste efeito: o estado de transição antiperiplano é alternado, enquanto o sinperiplano é eclipsado.
Como as bases que promovem as reações E2 são também nucleófilos, devemos esperar que os alquenos formados na reação de eliminação venham acompanhados dos produtos da reação de substituição SN2. Isto não chega a ser problema no caso dos halogenetos terciários porque suas reações SN2 são muito lentas, predominando, portanto, a eliminação. No caso dos halogenetos primários e secundários é possível provocar a predominância das reações E2 sobre as reações SN2. Isto é feito usando-se base forte, temperatura alta e um solvente não muito polar (por exemplo, os álcoois). Quando o brometo de isopropila é atacado pelo íon etóxido em etanol sob refluxo, forma-se muito mais propeno que etil-isopropil-éter.
Um modo de se influenciar favoravelmente a reação de eliminação de um haleto de alquila é através da elevação da temperatura da reação. Outro modo é através do uso de uma base forte estericamente impedida, como o íon t-butila. Os grupos metila volumosos do íon t-butila parecem impedi-lo de reagir por substituição, portanto, as reações de eliminação são favorecidas. Pode-se ver um exemplo deste efeito nas duas reações mostradas a seguir. O íon metóxido, relativamente desimpedido reage com o brometo de n-octadecila, principalmente por substituição; o íon t-butila, volumoso, leva principalmente à eliminação.
O volume estérico do íon t-butóxido
também influencia a orientação das reações de eliminação como ilustram os exemplos.
Observa-se que o produto principal da eliminação provocada pelo t-butóxido é o alqueno menos substituído. Diz-se que uma reação de eliminação que se processa desta maneira segue a orientação de Hofmann; o alqueno mais substituído segue a orientação de Saitzev. A tendência do íon t-butóxido de levar ao alqueno menos substituído está provavelmente relacionada com o seu volume espacial e sua inabilidade relativa de retirar hidrogênios internos.
O 2-metil-2-buteno é um alqueno trissubstituído (três grupos metila estão ligados aos átomos de carbono da dupla ligação), enquanto o 2-metil-1-buteno é apenas dissubstituído. O produto principal é o 2-metil-2-buteno, quando usarmos o íon etóxido ou o íon hidróxido como base.
	A razão deste comportamento parece estar relacionada ao caráter da dupla ligação que se desenvolve no estado de transição de cada reação:
O estado de transição da reação que leva ao 2-metil-2-buteno (Figura 4.1) é parecido com o produto da reação: um alqueno trissubstituído. O estado de transição da reação que leva ao 2-metil-1-buteno é parecido com o seu produto correspondente: um alqueno dissubstituído. Como o estado de transição que leva ao 2-metil-2-buteno se parece com um alqueno mais estável, este estado de transição também é mais estável. Uma vez que este estado de transição é mais estável (tem energia livre mais baixa), a energia livre de ativação da reação é também mais baixa e o 2-metil-2-buteno se forma com maior rapidez. Assim, se explica a razão de o 2-metil-2-buteno ser o produto principal. Estas reações ocorrem sob controle cinético.
Sempre que uma eliminação acontece de modo a dar o alqueno mais estável, mais substituído, os químicos dizem que a eliminação segue a regra de Zaitsev, assim denominada em homenagem ao químico russo do Século XIX A. N. Zaitsev (1841-1910) que a formulou. (O nome Zaitsev também se translitera Saytzeff, Saytseff ou Saytzev.)
A reação(2), que leva ao alqueno mais estável, ocorre com maior velocidade do que a reação (1) que leva ao alqueno menos estável; Gǂ(2) é menor do que Gǂ(1).
A Orientação da Dupla Ligação no Produto
 REGRA DE SAITZEV
	Muitos halogenetos e sulfonatos têm mais do que um átomo de hidrogênio , e diversos alquenos diferentes podem ser formados pela geometria anticoplanar adequada. Nestes casos, a reação E2 levará, preferencialmente ao alqueno mais substituído. Este tipo de regiosseletividade é chamada de eliminação Saitzev e as duas reações que se seguem servem para ilustrá-la.
ELIMINAÇÃO DE HOFMANN
	Os hidróxidos de amônio quaternário nos quais pelo menos um dos grupos substituintes do átomo de nitrogênio tem um hidrogênio  decompõem-se, por aquecimento, com a formação de uma amina terciária, água e um alqueno.
	Diversas eliminações são conhecidas nas quais o substrato sustenta uma carga positiva. Uma das mais importantes destas reações de eliminação é a que ocorre quando um hidróxido de amônio quaternário é aquecido.
Esta reação foi descoberta em 1851 por August W. von Hofmann e, desde então, é conhecida como eliminação de Hofmann.
Os hidróxidos de amônio quaternários podem ser preparados a partir dos haletos de amônio quaternários, em solução aquosa, através do uso do óxido de prata ou pela ação de resinas trocadora de íons. O haleto de prata precipita e pode ser removido por filtração. O hidróxido de amônio quaternário pode então ser obtido pela evaporação de água.
Enquanto a maioria das eliminações envolvendo substratos neutros seguem a regra de Saitzev, as eliminações com substratos iônicos tendem a seguir a regra de Hofmann e formar principalmente o alqueno menos substituído. Podem-se observar estas tendências quando se comparam as reações que se seguem.
Existe evidência considerável que sugere que a eliminação de Hofmann seja uma reação concertada. Sob este aspecto, a reação é análoga à eliminação de HX de halogenetos de alquila para dar alquenos. Há, entretanto, uma diferença importante entre as duas reações de formação de olefinas. A desidro-halogenação tende a seguir a regra de Saitzev e dá a olefina mais substituída. A eliminação de Hofmann, por outro lado, tende a dar olefina menos substituída como produto principal.
Os mecanismos exatos que justificam estas diferenças são complicados e ainda não se entendem completamente. Possível explicação é a do significativo caráter carbaniônico que teriam os estados de transição das reações de eliminação com substratos carregados. Portanto, estes estados de transição exibiriam pouca semelhança com o alqueno, que se obtém no final, e não seriam estabilizados apreciavelmente por uma dupla ligação em desenvolvimento.
Com um substrato carregado, a base prefere atacar o hidrogênio mais ácido. O átomo de hidrogênio primário é mais ácido pois o seu átomo de carbono só tem um grupo que cede elétrons.
	Nas reações E2 de compostos de amônio e sulfônio a amina terciária e ogrupo sulfeto são grupos de saída menos efetivos e a acidez dos hidrogênios  controla a orientação. Os grupos alquila, doadores de elétrons, quando ligados ao carbono , reduzem a acidez do hidrogênio e são removidos os hidrogênios dos carbonos  menos substituídos, dando os produtos menos substituídos (regra de Hofmann).
Não se pode desprezar o efeito estérico como fator de determinação da orientação em reações de eliminação, bem como o papel da basicidade do hidróxido e os efeitos de solvente.
Eliminação via Formação de Carbocátion (E1)
Assim como as reações de substituição nucleofílica podem ser de primeira e de segunda ordem, as eliminações  podem, também, seguir dois mecanismos distintos. Assim, existem reações E1 de halogenetos e sulfonatos de alquila em que a velocidade depende apenas da concentração do substrato, sendo, portanto, independente da concentração da base. Acontece que esta é a mesma cinética que se observa para as reações SN1 e o resultado é que as substituições SN1 são usualmente acompanhadas por eliminação E1. Por exemplo, o cloreto de tert-butila reage com etanol e água para dar 83% de éter tert-butil etílico e álcool tert-butílico (SN1) e 17% de 2-metil-propeno (E1).
A etapa lenta para as duas reações é a de ionização do halogeneto para formar o cátion t-butila. O etanol ou a água podem funcionar como nucleófilo e como base de modo que nas etapas rápidas subsequentes eles atacam o carbono positivo do íon através de uma reação SN1 e removem o átomo de hidrogênio  do cátion para formar o alqueno através de uma reação E1.
Como as etapas lentas para as reações SN1 e E1 são exatamente as mesmas, as reações E1 sofrem os mesmos efeitos da estrutura sobre a reatividade que as reações SN1. Geralmente, o grupo de saída não influencia as quantidades relativas de produtos E1 e SN1, já que estes formam-se posteriormente ao afastamento do grupo de saída. A variável de reação que determina principalmente as quantidades relativas dos produtos de eliminação e de substituição é a temperatura. Geralmente, as temperaturas mais altas favorecem a eliminação E1. A eliminação é mais importante nos halogenetos terciários do que nos secundários porque o íon carbônio terciário pode formar um alqueno mais substituído e mais estável. Por outro lado, a formação do produto de substituição é favorecida pelos solventes nucleofílicos polares e pela ausência de bases fortes.
	Se a base pode atacar dois hidrogênios  não equivalentes, aquele que será abstraído será o que leva à obtenção do alqueno mais substituído (o mais estável). Desta forma, a reação do brometo de 1,1-dimetil-propila em um solvente que consiste 80% de etanol e 20% de água dá 60% de produtos SN1, 32% de 2-metil-2-buteno e só 8% do alqueno menos estável, o 2-metil-1-buteno.
A regra de Saitzev, isto é, a tendência do halogeneto em sofrer eliminação, para dar a olefina mais substituída, é observada tanto para as reações E2 como para as reações E1.
O brometo de neopentila em etanol forma o 2-metil-2-buteno e
também o produto SN1, o éter etil-1,1-dimetil-propílico. Cada um destes produtos forma-se através de rearranjos de esqueleto.
Eliminação de Cope
Os óxidos de aminas terciárias sofrem a eliminação de uma dialquilidroxilamina quando são aquecidos. Entretanto, as temperaturas requeridas são consideravelmente mais baixas do que as exigidas para a pirólise dos acetatos. Esta reação é chamada de eliminação de Cope.
A eliminação de Cope é também uma eliminação sin e se processa através de um estado de transição cíclico:
O N-óxidos das aminas terciárias são facilmente preparados, tratando-se as aminas terciárias com o peróxido de hidrogênio
Pirólise de Acetatos
Quando os ésteres acéticos de álcoois que possuem um hidrogênio  são aquecidos a uma temperatura de 200-500o, o ácido acético é eliminado e forma-se um alqueno.
A reação parece ocorrer através de um estado de transição cíclico no qual o oxigênio carbonílico do grupo acetato age como uma base. Uma vez que o estado de transição é um anel de seis membros, as pirólises de acetato são, obrigatoriamente, eliminação sin.
Uma eliminação cíclica anti não ocorre porque o estado de transição seria muito tensionado e, portanto, de energia muito alta. (Uma eliminação cíclica anti exigiria um estado de transição que se assemelharia a um anel de seis membros com uma dupla ligação trans).
Resumo da Reatividade em Substituições Nucleofílicas e Eliminações
Os halogenetos de alquila podem reagir com nucleófilos para dar produtos de substituição e eliminação, dependendo do mecanismo operante SN2, SN1, E2 ou E1. O resumo que se segue é bastante útil (Tabela):
Halogenetos de alquila primários: ocorrerá substituição SN2 se for utilizado um bom nucleófilo como RS- , I- , CN- , NH3 ou Br-. A eliminação E2 ocorrerá se for empregada uma base forte e volumosa, tal como o tert-butóxido.
Halogenetos de alquila secundários: a substituição SN2 e a eliminação E2 ocorrem em competição, levando freqüentemente a mistura de produtos. Se for utilizado um nucleófilo pouco básico em um solvente aprótico, deverá predominar a substituição SN2. Se for empregada uma base forte como CH3CH2O-, OH- ou NH2-, predominará E2. O 2-bromo-propano, por exemplo, reage de modo diferente quando tratado com o íon etóxido (base forte; E2) ou com o íon acetato (base fraca; SN2):
Halogenetos terciários: ocorre eliminação E2 quando se utiliza uma base como OH- ou RO-. O 2-bromo-2-metil-propano, por exemplo, fornece 97% do produto de eliminação quando tratado com íon etóxido em etanol. Em condições não-básicas (aquecimento em etanol puro), a reação produz uma mistura de compostos de substituição SN1 e de eliminação E1.
RESUMO:
SN2:
- Reação com substratos, geralmente com haletos de alquila:
a) 3o: não ocorre;
b) 1o: ocorre a reação com bom nucleófilo, mesmo a temperarura alta.
c) 2o: com bases fracas, bons nucleófilos ( I-, CN-, RCO2-, Cl-, RS-, HS- ).
d) Sensível ao impedimento estérico (tanto do nucleófilo como do substrato);
e) Usar o melhor nucleófilo possível, menor temperatura, solvente relativamente não polar e que solvate o mínimo possível, tais como álcool, acetona ou DMF.
SN1:
- Reação com substratos, geralmente com haletos de alquila:
a) 1o: ocorre a reação somente sob condições vigorosas;
b)3o: reação rápida, o nucleófilo não participa da primeira etapa da reação, formação de carbocátion.
c) 2o: reação mais lenta.
d) Solvente altamente polar, geralmente o solvente é o nucleófilo (água, álcoois e ácidos carboxílicos;
e) Temperatura baixa;
f)Possível ocorrer rearranjo.
E2:
- Reação com substratos, geralmente com haletos de alquila:
a) 1o > 2o > 3o;
b) 3o: ocorre com bases fortes, OH-, EtO-, MeO-;
c)Bases fortes (NH2-, RO-, OH-) e solvente não aquoso (KOH / CH4; NaOH / HOCH2CH2OH; t-BuO- K+/ t-BuOH);
d) Temperatura alta.
E1:
- Reação com substratos, geralmente com haletos de alquila:
a) 3o > 2o > 1o;
b) 1o: ocorre reação somente sob condições vigorosas;
c) Base fraca;
d) Temperatura alta;
e) Possível ocorrer rearranjo.
Nucleofilicidade relativa em solventes próticos:
SH- > CN- > I- > OH- > Br- > CH3CO2- > Cl- > F- > H2O
 Nucleófilo forte, base fraca (muito polarizável): RS-, HS-, CN-, I-, Br-, Cl-, CH3CO2-. 
 Base forte (pouco polarizável): NH2-, RO-.
 Nucleófilo e Base forte: OH-.
Referencias
1-ALLINGER, N. L. et al. Química Orgânica, Guanabara Dois, RJ, 1978.
2- BRUICE, P. Y. Química Orgânica, 4a Ed, volume 1. Ed. Pearson, São Paulo, SP, 2006.
3- McMURRY, J. Química Orgânica, 4a Ed., LTC Editora S.A., RJ, 1997.
4-MORRISON, R. et al. Química Orgânica, Boston: Iberoamericana, 1990.
5- SOLOMONS, T. W. G. Química Orgânica, LTC Editora S.A., RJ, 1996.
6-SOLOMONS, T. W. Organic Chemistry, John Wiley & Sons, NY, 1996.
7-KÜRTI, L. CZAKÓ, B. Strategic aplplications of named reactions in organic synthesis. Elsevier Inc. 2005.
Imagem inicial disponivel em: http://www.mundoeducacao.com/upload /conteudo_legenda/411f55f159656cfbaa18473159cb37ac.jpg