QUIMICAORG2 - Unidade 3

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Química Orgânica II 
Prof. Diego Lomonaco 
Introdução a reações de substituição 
•  Reações de substituição envolvem a troca de um grupo funcional por 
outro: 
•  Em toda reação de substituição sempre haverá um eletrófilo 
(também chamado de substrato) e um nucleófilo: 
Introdução a reações de substituição em carbonos saturados 
•  Para que o eletrófilo atue como um substrato, ele deverá possuir um 
“grupo de saída”, que é um grupo capaz de abandonar o substrato. 
 
•  Todo grupo de saída deve cumprir duas funções: 
1.  Remover densidade eletrônica por efeito de indução (+ eletronegativo), 
deixando o carbono adjacente eletrofílico: 
Introdução a reações de substituição em carbonos saturados 
2.  Ser capaz de estabilizar qualquer carga negativa resultante de sua 
separação do substrato: 
•  Haletos são os grupos de saída mais comumente empregados (Cl, Br e I) 
•  Haletos de alquila são os eletrófilos (substratos) mais utilizados em 
reações de substituição em carbono saturado. 
Obs.: relembrar propriedades e nomenclatura dos haletos de aquila! 
Possíveis mecanismos em reações de substiuição 
•  Existem dois possíveis mecanismos para as reações de substituição: 
1.  Processo concertado: 
2.  Processo em etapas: 
 
Ataque 
nucleofílico 
Abandono do 
grupo de saída 
Ataque nucleofílico Abandono do 
grupo de saída 
Possíveis mecanismos em reações de substiuição 
 
Substituições nucleofílicas bimoleculares (SN2) 
 Ingold e Hughes na década de 1930, foram os pioneiros no estudo deste 
tipo de mecanismo. Eles avaliaram aspectos cinéticos e estereoquímicos 
para proporem um mecanismo concertado. 
•  Aspectos cinéticos: 
 Na maioria das reações que foram estudadas, foi observado que a taxa 
de reação era influenciada pela concentração de ambos os 
reagentes, daí a origem do nome “bimolecular”: 
 
Substituições nucleofílicas bimoleculares (SN2) 
 Aspectos cinéticos: 
 Dessa forma, um mecanismo concertado envolvendo em um só passo 
reacional ambos os reagentes (substrato e nucleófilo) estaria de acordo 
com as observações cinéticas: 
 
 
Ataque 
nucleofílico 
Abandono do 
grupo de saída 
Substituições nucleofílicas bimoleculares (SN2) 
 Aspectos estereoquímicos: 
 Quando o carbono α é um centro estereogênico, observa-se a inversão 
de configuração: 
 
 
 
 
 
•  Para que haja inversão da configuração, o nucleófilo deve atacar o 
substrato pelo lado de trás, ou seja, oposto ao grupo de saída. Nunca 
pela frente. 
•  Existem duas explicações para esse mecanismo: 
 
 
Substituições nucleofílicas bimoleculares (SN2) 
 Aspectos estereoquímicos: 
1.  Os elétrons livres do grupo de saída criam regiões de alta densidade 
eletrônica que bloqueiam a aproximação do nucleófilo pela frente da 
molécula. 
2.  De acordo com a teoria do orbital molecular (TOM), a densidade 
eletrônica é transferida do orbital HOMO do nucleófilo para o orbital 
LUMO do eletrófilo: 
 
Substituições nucleofílicas bimoleculares (SN2) 
 Aspectos estereoquímicos: 
•  Novamente, o processo concertado é consistente com o mecanismo de 
inversão de configuração. 
•  O ataque do nucleófilo com o abandono simultâneo do grupo de saída faz 
com que o centro de quiralidade se comporte como um “guarda-
chuva sendo invertido no vento”. Diz-se que a reação é 
estereoespecífica, pois a configuração do produto depende da 
configuração do reagente: 
 
Substituições nucleofílicas bimoleculares (SN2) 
 
 
Substituições nucleofílicas bimoleculares (SN2) 
 
 
Substituições nucleofílicas bimoleculares (SN2) 
Estrutura do Substrato: 
•  Reações do tipo SN2 são bastante sensíveis á natureza do substrato 
utilizado. Haletos de metila e haletos primários reagem rapidamente 
via processo concertado, enquanto haletos secundários reagem mais 
lentamente. Haletos de alquila terciários não são reativos frente a 
mecanismos do tipo SN2. 
•  O impedimento estérico é fator fundamental na análise do processo 
concertado. 
 
Substituições nucleofílicas bimoleculares (SN2) 
Estrutura do Substrato: 
•  Para se compreender a influência do impedimento estérico em processos 
concertados, é necessário observar o estado de transição de uma reação tipo 
SN2: 
 
 A energia de ativação do 
estado de transição determina 
a velocidade da reação. 
Quanto maior a Ea, mais lenta 
será a reação e vice-versa 
Substituições nucleofílicas bimoleculares (SN2) 
Estrutura do Substrato: 
 
 
O efeito estérico faz com 
que a energia do 
estado de transição 
seja maior, aumentando 
assim a Ea. 
Haleto de 
metila 
Haleto 
primário 
Haleto 
secundário 
O efeito estérico da 
posição β também pode 
influenciar a taxa de 
reação: 
Substituições nucleofílicas bimoleculares (SN2) 
O estado de transição: 
 
 
Substituições nucleofílicas bimoleculares (SN2) 
O estado de transição: 
 
 
Substituições nucleofílicas unimoleculares (SN1) 
•  Outra forma através da qual podem ocorrer reações de substituição é o 
processo em etapas: 
1.  Primeiro há o abandono do grupo de saída, com eventual formação de um carbocátion 
intermediário; 
2.  Em seguida, acontece o ataque do nucleófilo ao recém formado carbocátion. 
 
Substituições nucleofílicas unimoleculares (SN1) 
 Aspectos cinéticos: 
•  Considerando a reação a seguir, observa-se que esta é uma reação de 
primeira ordem, onde somente a concentração de um dos reagentes 
interfere na taxa de reação: 
 
•  Nesse caso, o mecanismo possui uma etapa lenta na qual o nucleófilo 
não participa. 
 
Substituições nucleofílicas unimoleculares (SN1) 
 Aspectos cinéticos: 
 
A etapa determinante da 
reação, a etapa mais 
lenta, é aquela com maior 
Ea. Esta é a formação do 
carbocátion 
intermediário, e depende 
unicamente da 
concentração do 
substrato. 
Substituições nucleofílicas unimoleculares (SN1) 
 Estrutura do substrato: 
•  Enquanto que no mecanismo SN2 o maior número de substituintes no 
carbono α dificultava a aproximação do nucleófilo, no mecanismo SN1, 
que ocorre via formação de carbocátion, esses substituintes irão 
promover maior estabilidade para o intermediário reacional: 
 
Menos 
reativo 
Mais 
reativo 
Substituições nucleofílicas unimoleculares (SN1) 
 Estrutura do substrato: 
 
 
Carbocátion 2º 
 
Carbocátion 3º 
 
Substratos primários sofrem reações do tipo SN2. 
 Substratos terciários sofrem reações do tipo SN1. 
Substratos secundários sofrem reações do tipo SN1 ou SN2. 
Substituições nucleofílicas unimoleculares (SN1) 
 Aspectos estereoquímicos: 
•  Enquanto que no mecanismo SN2 observa-se a inversão da configuração 
do carbono estereogênico, no mecanismo SN1, observa-se a formação 
dos produtos com inversão e retenção de configuração: 
 
O carbocátion é planar, e susceptível a sofrer 
ataque do nucleófilo por ambos os lados 
 
Inversão de 
configuração 
Retenção de 
configuração 
Substituições nucleofílicas unimoleculares (SN1) 
SN2 vs SN1 
•  Em reações de substituição é importante saber o mecanismo reacional: 
•  se for um carbono quiral, haverá inversão de configuração ou racemização; 
•  se for formado carbocátion, poderá ocorrer rearranjo. 
•  Quatro fatores irão influenciar o tipo de mecanismo que uma determinada 
reação irá seguir: 
•  Substrato 
•  Nucleófilo 
•  Grupo de saída 
•  Solvente 
 
Determinando o mecanismo predominante (SN2 vs SN1) 
Determinando o mecanismo predominante (SN2 vs SN1) 
 Substrato: 
•  Reações do tipo SN2 serão influenciadas por impedimentos estéricos na 
formação do estado de transição. Já reações do tipo SN1 serão 
influenciadas pela estabilidadedo carbocátion a ser formado. 
 
•  Substratos metílicos e primários favorecem SN2 
•  Substratos terciários favorecem SN1 
•  Substratos secundários sofrem tanto SN1 quanto SN2 
Taxa Taxa 
 Substratos alílicos e benzílicos: 
•  Substratos alílicos e benzílicos podem sofrer reações do tipo SN2 por serem 
pouco impedidos estericamente. Porém, também podem sofrer reações do tipo 
SN1 devido à estabilidade do carbocátion intermediário formado, que tem sua 
carga estabilizada por ressonância: 
 
Determinando o mecanismo predominante (SN2 vs SN1) 
 Substratos vinílicos e arílicos: 
•  Substratos arílicos e vinílicos não participam de reações de substituição (SN1 ou 
SN2). Devido o ataque pelo lado oposto ao grupo de saída ser impedido 
estericamente, e devido ao carbocátion formado ser instável: 
 
Determinando o mecanismo predominante (SN2 vs SN1) 
Determinando o mecanismo predominante (SN2 vs SN1) 
 Substrato: 
 
 Nucleófilo: 
•  A taxa de um processos do tipo SN2 depende da concentração do nucleófilo 
(2ª ordem). Sendo assim, este processo também depende da força do 
nucleófilo: um nucleófilo mais forte irá favorecer a reação. 
•  Em reações do tipo SN1, o nucleófilo não influencia na taxa de reação e, 
conseqüentemente, não terá grande efeito sobre estes mecanismos. 
 
Determinando o mecanismo predominante (SN2 vs SN1) 
•  Nucleófilos fortes favorecem processos do tipo SN2 
•  Nucleófilos fracos desfavorecem processos do tipo SN2, permitindo que um processo 
do tipo SN1 ocorra. 
Nucleófilos mais 
comuns 
Fortes Fracos 
Centros nucleofílicos são 
espécies capazes de doar 
(compartilhar) pares de elétrons. 
A força de um nucleófilo é 
influenciada pela sua 
polarizabilidade 
 Nucleófilo: 
 
Determinando o mecanismo predominante (SN2 vs SN1) 
 Grupo de saída: 
•  Mecanismos do tipo SN1 e SN2 são ambos dependentes da identidade do grupo de 
saída. No entanto, reações do tipo SN1 são mais sensíveis ao grupo de saída, 
devido este ser o principal agente da etapa lenta nessas reações: 
•  Apesar da estabilidade do carbocátion ser muito importante para o andamento de 
um processo do tipo SN1, o grupo de saída também deve ser estável para que a 
reação aconteça. 
 
 
Determinando o mecanismo predominante (SN2 vs SN1) 
 Grupo de saída: 
•  De modo geral, bons grupos de saída são bases conjugadas de ácidos fortes: 
 
 
Determinando o mecanismo predominante (SN2 vs SN1) 
Haletos Sulfonatos 
 
 Solvente: 
•  A escolha do solvente reacional terá efeito relevante nas taxas de reação SN1 e SN2. 
•  Basicamente, se utilizam solventes polares próticos ou polares apróticos. 
 Solventes polares próticos: 
•  Solventes polares próticos possuem pelo menos um hidrogênio ligado 
diretamente a um átomo bastante eletronegativo: 
 
 
Determinando o mecanismo predominante (SN2 vs SN1) 
 Solventes polares próticos: 
•  Solventes polares próticos conseguem estabilizar tanto cátions quanto ânions. 
Os cátions são estabilizados pelos elétrons livres do solvente, enquanto que os 
ânions são estabilizados por ligações de hidrogênio com o solvente: 
 
 
Determinando o mecanismo predominante (SN2 vs SN1) 
Cátions e ânions estão 
solvatados e envoltos por uma 
camada de solvente, 
estabilizando os intermediários da 
reação 
 
 
 Solventes polares apróticos: 
•  Solventes polares apróticos conseguem estabilizar cátions, mas não ânions. 
Cátions são estabilizados pelos elétrons livres do solvente, enquanto que os 
ânions não estabilizados pelo solvente: 
 
 
Determinando o mecanismo predominante (SN2 vs SN1) 
Cátions estão solvatados e envoltos 
por uma camada de solvente. Os 
ânions (nucleófilos) estão menos 
estabilizados em solventes apróticos. 
 
 
•  Solventes polares próticos favorecem SN1 estabilizando o carbocátion 
intermediário. 
•  Solventes polares apróticos favorecem SN2 aumentando a energia do nucleófilo e 
diminuindo a energia de ativação (Ea) 
Determinando o mecanismo predominante (SN2 vs SN1) 
Ea 
Ea 
SN1 SN2 
Determinando o mecanismo predominante (SN2 vs SN1) 
Fator SN1 SN2 
Substrato Terciário Metílico ou primário 
Nucleófilo Fraco Forte 
Grupo de saída Excelente Bom 
Solvente Polar prótico Polar aprótico 
Determinando o mecanismo predominante (SN2 vs SN1) 
Introdução a reações de eliminação 
•  Reações de eliminação envolvem a remoção de um hidrogênio β 
junto com o abandono de um grupo de saída, produzindo um 
alceno: 
•  Existem dois possíveis mecanismos para as reações de eliminação: 
1.  Processo concertado: 
2.  Processo em etapas: 
 
Possíveis mecanismos em reações de eliminação 
Transferência 
de próton 
Abandono do 
grupo de saída 
Transferência 
de próton 
Abandono do 
grupo de saída 
Reações de eliminação bimoleculares (E2) 
•  Aspectos cinéticos: 
 Semelhantemente às reações de SN2, observa-se que a taxa de 
reação é influenciada pela concentração de ambos os reagentes 
(substrato e base), daí a origem do nome “bimolecular”: 
 
Transferência 
de próton 
Abandono do grupo 
de saída 
Reações de eliminação bimoleculares (E2) 
•  Substrato: 
 Diferentemente das reações de SN2, observa-se que substratos terciários 
reagem mais rapidamente que secundários e primários. 
 Isso se deve ao impedimento estérico no carbono α não afetar o ataque 
da base ao hidrogênio β: 
 
Substituição Eliminação 
Hidroxila atuando como nucleófilo Hidroxila atuando como base 
Substrato terciário é impedido estericamente, o 
nucleófilo não consegue penetrar e atacar 
O hidrogênio β pode ser abstraído facilmente, 
mesmo que com substrato terciário 
Reações de eliminação bimoleculares (E2) 
•  Substrato: 
 Durante uma reação de eliminação em um substrato terciário, o estado de 
transição exibe uma dupla ligação parcial mais substituída, conferindo maior 
estabilidade: 
 
Substituição Eliminação 
O estado de transição com dupla 
ligação mais substituída possui 
menor energia, consequentemente, 
a Ea será menor. 
 
 
Reações de eliminação bimoleculares (E2) 
•  Substrato: 
 Durante uma reação de eliminação em um substrato terciário, o estado de 
transição exibe uma dupla ligação parcial mais substituída, conferindo maior 
estabilidade: 
 
O estado de transição com 
dupla ligação mais 
substituídas possui menor 
energia, consequentemente, 
a Ea será menor. 
 
 
Reações de eliminação bimoleculares (E2) 
 
 
E2 com substrato 
primário 
E2 com substrato 
secundário 
E2 com substrato 
terciário 
primário secundário terciário 
Substratos terciários 
reagem mais rapidamente 
que secundários, e estes 
mais rapidamente que 
substratos primários 
 
 
Reações de eliminação bimoleculares (E2) 
•  Substrato: 
Qual a ordem de reatividade e os produtos obtidos via E2? 
 
 
Reações de eliminação bimoleculares (E2) 
•  Regioseletividade: 
 Em alguns casos, uma reação do tipo E2 pode produzir mais de um produto. 
 Isso se deve à presença de hidrogênios β distintos: 
 
 
 
 
 
 
 
Essa preferência pela formação do 
alceno mais substituído é chamada 
de Regra de Zaitsev. Em 
homenagem ao químico russo 
Alexander Mikhaylovich Zaitsev, que 
“primeiro” observou esse 
comportamento em 1875 
Reações de eliminação bimoleculares (E2) 
•  Regioseletividade: 
 
 
Reações de eliminação bimoleculares (E2) 
•  Estereoseletividade: 
 Quando possível, a formação do produto com estereoquímica do tipo trans 
será preferível àquele do tipo cis. 
 
Substituição Eliminação 
Diz-se que a reação é 
estereoseletiva pois apesar 
de se obter dois produtoscom estereoquímica diversa, 
um deles é predominante 
 
 
Reações de eliminação bimoleculares (E2) 
•  Estereoespecificidade: 
 Em reações estereoespecíficas, é obtido somente um estereoisômero, este 
dependente da estereoquímica do reagente: 
 
 
Reações de eliminação bimoleculares (E2) 
•  Estereoespecificidade: 
No estado de transição é formada uma ligação π, que é formada pela 
sobreposição de dois orbitas p. Sendo assim, o estado de transição deve 
envolver a formação de orbitais p posicionados de um modo que possa haver 
a sobreposição dos mesmos: 
 
 
Reações de eliminação bimoleculares (E2) 
•  Estereoespecificidade: 
Os quatro átomos devem estar no mesmo plano, H e GS anti entre si: 
 
 
 
 
 
A essa configuração dá-se o nome de anti-periplanar: 
anti-periplanar syn-periplanar 
Reações de eliminação bimoleculares (E2) 
Reações de eliminação bimoleculares (E2) 
anti-periplanar 
(alternada) 
syn-periplanar 
(eclipsada) 
syn-periplanar anti-periplanar 
Reações de eliminação bimoleculares (E2) 
•  Estereoespecificidade: 
O estado de transição produzido em conformação eclipsada, com os grupos 
syn-periplanar, terá maior energia. De forma que os produtos de E2 ocorrerão 
somente através de conformação alternada, grupos anti-periplanar. 
 
 
anti-periplanar 
(alternada) 
Reações de eliminação bimoleculares (E2) 
•  Estereoespecificidade: 
 
 Qual o produto de eliminação (E2) do (1S,2S)-1,2-dibromo-1,2-difeniletano? 
Reações de eliminação bimoleculares (E2) 
•  Estereoespecificidade: 
Reações de eliminação no ciclohexano só ocorrem quando o grupo de saída 
estiver em posição axial: 
 
 
anti-periplanar 
(alternada) 
Reações de eliminação bimoleculares (E2) 
•  Estereoespecificidade: 
Reações de eliminação no ciclohexano só ocorrem quando o grupo de saída 
estiver em posição axial: 
 
 
Produto Zaitsev não é observado! 
Reações de eliminação bimoleculares (E2) 
•  Estereoespecificidade: 
 
 
Reações de eliminação unimoleculares (E1) 
•  Aspectos cinéticos: 
 Semelhantemente às reações de SN1, observa-se que a taxa de 
reação é influenciada somente pela concentração do substrato, daí a 
origem do nome “unimolecular”: 
Transferência de 
próton 
Abandono do 
grupo de saída 
Reações de eliminação unimoleculares (E1) 
•  Substrato: 
 Analogamente às reações de SN1, observa-se que substratos terciários 
reagem mais rapidamente que secundários (devido à estabilidade do 
carbocátion intermediário), enquanto substratos primários não reagem: 
 
 
Reações de eliminação unimoleculares (E1) 
•  Substrato: 
 Por apresentarem um processo de formação de intermediário similar à uma 
SN1, as reações de E1 são geralmente acompanhadas de competição com 
reações SN1, gerando uma mistura de produtos de eliminação e substituição: 
 
 
Abandono do 
grupo de saída 
Reações de eliminação unimoleculares (E1) 
•  Substrato: 
 
 
•  Regioseletividade: 
 Reações do tipo E1 seguem a Regra de Zaitsev, gerando como produtos 
alcenos mais substituídos: 
 
Reações de eliminação unimoleculares (E1) 
•  Regioseletividade: 
 
 
Reações de eliminação unimoleculares (E1) 
•  Estereoseletividade: 
 Reações do tipo E1 não são estereoespecíficas, no entanto, na 
possibilidade da formação de produto cis ou trans, será observada a obtenção 
de produtos do tipo trans majoritariamente, ou seja, são estereoseletivas: 
 
Reações de eliminação unimoleculares (E1) 
•  Estereoseletividade: 
 
 
Reações de eliminação unimoleculares (E1) 
•  Rearranjo: 
 Reações do tipo E1 envolvem a formação de carbocátions, dessa forma, estão 
susceptíveis à ocorrência de rearranjos, formando um intermediário mais estável: 
 
Reações de eliminação unimoleculares (E1) 
Abandono do 
grupo de saída Transferência de próton 
•  Rearranjo: 
 
Reações de eliminação unimoleculares (E1) 
•  Aspectos que devem ser observados na determinação de um mecanismo: 
1.  Reagente: nucleofilicidade x basicidade 
•  Polarizabilidade 
•  Estabilidade da base conjugada 
 
Substitução vs Eliminação 
Nucleófilo 
(somente) 
Base 
(somente) 
Nucleófilo forte / 
Base forte 
Nucleófilo fraco/ 
Base fraca 
•  Aspectos que devem ser observados na determinação de um mecanismo: 
2.  Substrato: 
•  Primário (E2 ou SN2) 
•  Secundário (SN2 ou E2) 
•  Terciário (SN1, E1 ou E2) 
 
 
Substitução vs Eliminação 
 
Substitução vs Eliminação 
Sofre basicamente 
SN2, exceto na 
presença de bases 
fortes e impedidas 
estericamente, ex.: 
(CH3)3CO-, reagindo via 
E2. 
Sofre basicamente 
SN2 com bases 
fracas (I-, CN-, 
RCO2-), e via E2 na 
presença de bases 
fortes (RO-). 
Não sofre reações do 
tipo SN2. Pode sofrer 
reações SN1 ou E1 na 
presença de solventes 
nucleofílicos e próticos. 
Com uso de bases 
fortes (RO-) pode sofrer 
E2. 
 
Substitução vs Eliminação 
Nucleófilo 
(somente) 
Substrato 
 
Substitução vs Eliminação 
Base 
(somente) 
Substrato 
 
Substitução vs Eliminação 
Base e nucleófilo 
forte 
Substrato 
 
Substitução vs Eliminação 
Base e nucleófilo 
fraco 
Substrato