207

Clorometano

δ

δHO

13 Reação de substituição bimolecular

13.1 Reatividade dos haloalcanos

Os halogenetos de alquila ou haloalcanos são muito reativos e a partir deles podemos obter praticamente todas as outras funções orgânicas. Isto os torna importantíssimos nas “sínteses orgânicas”. A maior parte das reações dos halogenetos orgânicos pode ser enquadrada em duas classes: reações de substituição e de eliminação.Como os halogênios são substituídos com facilidade do substrato, as reações de substituição constituem-se em um dos tipos mais comuns dentre as encontradas na química orgânica. Esta reação consiste na substituição em carga e forma de uma espécie negativa, sendo assim, o nucleófilo halogeneto presente no substrato é substituído por uma espécie nucleofilica reagente. Os haloalcanos e halocicloalcanos são substratos para estas reações, e por este motivo passarão pelo processo de transformação química que será efetuada pelo nucleófilo, que realizará a função de agente transformador.

H

HH

Brδ δ

Sítio reacional local onde ocorreráa transformação química do substrato.

A região ocupada pelo bromo dará lugar a uma outra espéciequímica que garanta a mesma carga parcial negativa nesta região.

A espécie química que irá substituir o bromo será o agente transformador do substrato edeve preencher o substrato em termosde carga e forma. O OH e o NH2 são exemplos de agentes transformadores do substrato.

208

13.2 Substituição nucleofílica

Na a reação entre o bromometano e o hidróxido de sódio, ocorre o processo de

substituição do bromo que é despedido do substrato, pelo nucleófilo hidroxila. Este processo acontece em uma única etapa e recebe o nome de reação de substituição nucleofílica bimolecular SN2.

BrBr

HH

H

H

H

H

δ δδδ

Sitio reacional, ligação C-Bronde ocorrerá a transformação química do substrato

NaOH

Agente transformador é uma base inorgânicaque age como fonte geradora de nucleófilo

OH

Aduto ou produto é osubstrato transformadoÁlcool

Grupo despedidodo substrato na forma de nucleófilo brometo

Na

Ion espectadorforma o NaBr

A substituição de um nucleófilo por outro pode ser realizada por dois mecanismos diferentes denominados de substituição nucleofilica bimolecular, sigla SN2, e substituição nucleofílica unimolecular, sigla SN1. Esta última acontece em mais de uma etapa sucessiva de reação e forma o intermediário carbocátion na etapa lenta do mecanismo. As reações SN1 serão estudadas no capítulo 14.

As reações de substituição nucleofílica abaixo ocorrem em uma única etapa e por este motivo são denominadas de substituição nucleofilica bimolecular.

ClCl

HH

H

H

H

H

δ δδδ

Sitio reacional, ligação C-Clonde ocorrerá a transformação química do substrato

NaNH2

Agente transformador(amideto de sódio) que age como fontegeradorade nucleófilo

NH2

Aduto ou produto é osubstrato transformado.Amina primária

Grupo despedidodo substrato na forma de nucleófilo cloreto

Na

Ion espectadorforma o NaCl

209

II

HH

H

H

H

H

δ δδδ

Sitio reacional, ligação C-Ionde ocorrerá a transformação química do substrato

NaOCH3

Agente transformadorque age como fonte geradora de nucleófilo

OCH3

Aduto ou produto é osubstrato transformado

Grupo despedido na forma de nucleófilo iodeto

Na

Ion espectadorforma o NaI

Nucleófilo NH3Substrato bromometano produto metilamina

+ H Br

CH3Br CH3NH2

A reação de substituição SN2 acontece em uma única etapa, e a velocidade da reação depende da concentração do nucleófilo e do substrato. Nesta reação o nucleófilo irá atacar o centro de menor densidade eletrônica pela retaguarda e para que isto aconteça à região de retaguarda do substrato deve estar livre de grupos volumosos. 13.3 Substrato no processo bimolecular

O melhor substrato para este mecanismo é o halometano, pois possui a região de retaguarda totalmente livre de grupos volumosos, nesta situação a velocidade de reação será máxima. Quando substituímos um hidrogênio do haloalcano por uma metila, geramos o haloetano, para este substrato, temos um grupo metila ocasionando bloqueio espacial na região de retaguarda, isto provoca um decréscimo na velocidade da reação. Retirando dois hidrogênios do halometano e substituindo por dois grupos metila, o bloqueio espacial na região de retaguarda será duas vezes maior e a velocidade de reação fica próximo de zero.

HH

H

H

H H

CH3

CH3

ClCl Cl

CH3

Região de retaguardaperfeita para o ataquedo nucleófilo

Velocidade máxima

A metila ocasiona bloqueiona região de retaguarda,nuleófilo ataca com dificuldade

Velocidade diminuí

A presença de duas metilasduplica o bloqueio na região de retaguarda, nucleófilo atacacom extrema dificuldade

Velocidade próximo de zero

210

As reações a seguir ocorrem em uma única etapa e, portanto, mostram um processo de substituição nucleofílica bimolecular.

BrBr

HH

H

H

H

H

δ δδδ

Sitio reacional, ligação C-Bronde ocorrerá a transformação química do substrato

NaOC2H5

Agente transformador do substrato age como fonte geradora de nucleófilo.

OC2H5

Aduto ou produto é osubstrato transformado

Grupo despedidodo substrato na forma de nucleófilo brometo

Na

I I

HH

H

HH

H

δ δδδ

Sitio reacional, ligação C-Ionde ocorrerá a transformação química do substrato

Na OOCCH3

Agente transformador do substrato é o acetato de sódio

OOCCH3

Aduto ou produto é um éster

Grupo despedidodo substrato na forma de nucleófilo iodeto

Na

13.4 Substrato no processo unimolecular

No processo unimolecular a velocidade da reação depende somente da concentração do substrato, que no meio reacional apropriado, sofre cisão heterolítica gerando um cátion no carbono, denominado de carbocátion, que é o intermediário da reação. Este mecanismo ocorre em mais de uma etapa e utiliza substratos com região de retaguarda bloqueada, quanto mais bloqueada a região de retaguarda maior será a velocidade de reação de substituição unimolecular, e mais estável será o carbocátion formado.

HH

H

H

H H

CH3

CH3

ClCl Cl

CH3

Reação não ocorre Difícil de ocorre Reação ocorre CH3CH3

CH3

Cl

Reação ocorre com velocidade máxima

As reações a seguir ocorrem através do processo unimolecular.

211

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3CH3

I CH3OH OCH3 HI

CH3

HCH3

CH3

CH3

I C2H5OH OC2H5 HI

H

À medida que, aumenta o bloqueio espacial na região de retaguarda, diminui a possibilidade de ataque do nucleófilo na retaguarda do substrato, assim, gradativamente o processo bimolecular vai dando lugar ao unimolecular (figura 13.01)

0

20

40

60

80

100

Me-X Et-X isopropil-X t-butil-X

Relação entre Região de Retaguarda do Substrato e a velocidade de Reação

Bloqueio na região de retaguarda Veloc. para SN2 Veloc. para SN1

Figura 13.01. Relação entre região de retaguarda e velocidade de reação.

O gráfico mostra que para o processo unimolecular, a velocidade é máxima para o haloalcano terciário (haleto de t-butila), e vai diminuindo até chegar em zero para o haleto de metila. No processo bimolecular a velocidade é máxima para halometano (haleto de metila), e vai decrescendo até atingir o valor zero para o haleto de t-butila (haloalcano terciário). Para o haleto de metila, que possui região de retaguarda totalmente livre de bloqueio espacial, a velocidade de substituição bimolecular é máxima.

O aumento do bloqueio espacial, na região de retaguarda do substrato, diminui a velocidade de reação no processo bimolecular. Na substituição unimolecular, a velocidade é máxima para o substrato com região de retaguarda totalmente bloqueada.

212

13.5 Mecanismo de substituição nucleófilica bimolecular

Como já foi mencionado anteriormente, o mecanismo SN2 se processa em uma única etapa, portanto sem formação de intermediário. O nucleófilo participa do mecanismo fazendo o ataque no substrato pela retaguarda, isto é, pelo sentido contrário ao da ligação carbono–halogênio.

É interessante perceber que o nucleófilo, que chamaremos ao longo do texto de Nu, se aproxima pela retaguarda da molécula para se conectar ao carbono e o halogênio sai pelo outro lado abandonando o substrato, este processo provoca uma inversão de configuração da molécula. O halogênio que abandona a molécula é chamado de grupo retirante, grupo abandonador ou ainda grupo despedido.

X

H

HH

Nu nucleófilo ataca pela retaguarda

grupo despedido, ou retirante

V = K [Substrato] [Nucleófilo]

A seguir, você terá a oportunidade de verificar, o mecanismo para o bromometano, observe que este é o melhor substrato dentro da série de haloalcanos, pelo fato de apresentar um carbono que mostra como ligantes três hidrogênios e um halogênio. Como o hidrogênio apresenta um volume espacial pequeno dizemos que o substrato não apresenta bloqueio espacial na região de retaguarda, este fato permitir uma maior velocidade de conexão do nucleófilo com o carbono portador de halogênio. No momento em que o nucleófilo ataca pela retaguarda o carbono conectado ao bromo, este imediatamente, abandona o substrato na forma de ânion brometo.

H

H

H

BrNu-

H

H

H

Nu

H

HH

Br

O nucleófilo deve ser uma base mais forteque o ânion brometo que será despedido.

BrNuδ δ

O estado de transição mostra, aconexão do nucleófilo pela retaguarda segundo o eixo da ligação C-Br.

Produto formadoSubstrato

Estado de transição

O substrato brometo de metila pode fornecer vários produtos diferentes conforme o

nucleófilo utilizado.

213

SubstratoNucleófilo Produto

CH3COONaCH3Br

BromometanoNaNH2

NaOCH3

CH3COOCH3 Éster; Etanoato de metila

CH3NH2 Amina; metilamina

CH3OCH3 Éter, metóximetano

Se o nucleófilo utilizado for o ânion hidróxido, o produto formado será o metanol. A reação a seguir mostra o mecanismo de formação do metanol.

H

H

H

Br

H

H

H

H

HH

Br-HO- Brδ δ

HO

A base forte -OH desloca a base fraca Br-

HO

Hidroxila se conectando pela retaguarda segundoo eixo da ligação C-Br

Produto formado metanol

13.6 Diagrama de energia para o processo SN2

A reação SN2 pode ocorrer através de um processo exergônico ou endergônico. No

processo exergônico os produtos apresentam menor energia livre que os reagentes e, portanto são mais estáveis, nestas circunstancias a reação vai liberar energia. No processo endergônico os produtos apresentam maior energia livre que os reagentes, portanto, são menos estáveis que os reagentes e a reação vai ocorrer com consumo de energia (figura 13.02).

Exergônico Endergônico Figura 13.02. Processo exergônico (a) e endergônico (b). (Bruice, 2006).

214

13.7 Estereoquímica da reação

A reação SN2 ocorre com inversão de configuração, esta inversão ocorre após o ataque do nucleófilo, e se torna facilmente percebida quando o carbono portador de halogênio é quiral ou assimétrico. No caso de haloalcanos cíclicos, o substrato pode se encontrar na forma de estereoisômero cis e, ao longo do mecanismo SN2, levar a formação de produto trans.

BrCH3

H H

Na OH

OH

CH3

H

HBrH

CH3

OHH

Cis-1-bromo-2-metilciclobutano Trans-2-metilciclobutanol

+ NaBr

δ

δ

Para substrato com carbono quiral, a conexão do nucleófilo pela retaguarda favorece a inversão de configuração do centro quiral, já que a posição do nucleófilo passa a ser em sentido contrário ao grupo de partida ou despedido. A reação SN2 para um haloalcano com sitio reacional quiral adquire uma velocidade bem lenta por conta do bloqueio na região de retaguarda ponto de conexão do nucleófilo.

Mecanismos 01. O substrato quiral de configuração S, ao longo da reação promove a inversão de configuração levando ao produto de configuração R.

HO-

HO + Br-Br

C6 H1 3H

CH3

(S)-(-)-2-Bromoctano

C6 H1 3H

Br

CH3

H1 3C6H

CH3

Estado de transição

HO

Nucleófilo retirante

(R)-(-)-2-Octanol

O mecanismo 02 mostra substrato S sofrendo transformação para o produto de

configuração R.

HO-HO + Br-

(R)-(+)-2-Butanol

Br

C2 H5H

CH3

(S)-(-)-2-Bromobutano

C2 H5H

Br

CH3

H5C2H

CH3

Estado de transição

Substrato

Nucleófilo

Produto

HO

NucleófiloRetirante

215

Mecanismo 03.

O substrato de configuração R é um ácido carboxílico halogenado que se transforma em um hidróxi –ácido de configuração S. O estado de transição mostra o momento em que ocorre a inversão de configuração. A saída do bromo deixa para trás a configuração R e a entrada da hidroxila permite o surgimento da configuração S.

HO-

HO + Br-Br

CH2CH3H

CH2COOH

(R)-3-Bromopentanóico

CH2CH3H

Br

CH2COOH

H

CH2COOH

Estado de transição

Substrato

NucleófiloProduto

HO

CH3CH2

(S)-3-Hidroxipentanóico

Para substratos cíclicos, o estereoisômero cis se transforma ao longo do processo bimolecular, no estereoisômero trans e vice-versa. Veja as reações a seguir.

Mecanismo 04

CH3 ClCis-1-Cloro-4-metilcicloexano

OHOH

ClCH3 CH3

OH

Estado de transição Trans-4-Metilcicloexanol

Cl-

δ

δ

Neste composto cíclico, o cloro que será o grupo despedido do substrato, se encontra voltado para baixo.Esta disposição espacial permite ao nucleófilo hidroxila efetuar sua conexão pelo sentido contrário a ligação carbono-cloro, favorecendo um produto com disposição espacial trans. A forma trans-diaxial mostra a tensão estérica entre o hidrogênio e a metila localizada na parte inferior da molécula e uma tensão estérica entre o hidrogênio e a hidroxila pela parte superior da molécula.

A tensão estérica entre o hidrogênio e a metila tem um valor de 3,8 kJ / mol,com cada hidrogênio localizado na parte inferior da molécula, o que fornece um valor de 2x3,8 kJ / mol= 7,6 kJ / mol de energia ocasionada pela metila axial. Já a tensão estérica entre o hidrogênio e a hidroxila tem um valor de 2,1 kJ / mol,com cada hidrogênio localizado na parte superior da molécula, o que fornece um valor de 2x 2,1 kJ / mol= 4,2 kJ / mol de energia ocasionada pela hidroxila axial.

A posição trans-diequatorial não permite nenhum acréscimo de energia, sendo, portanto a mais estável. Confira observando as estruturas a seguir.

216

CH3

OH

H

HOH

H

H3C

H

Trans - DiaxialTrans - Diequatorialmenor energia

H

H

H

H

Mecanismo 05. Para um substrato trans, o mecanismo SN2 transforma o substrato em um produto cis. Observe o processo no trans –1cloro-4metilcicloexano.

CH3

Cl

Trans-1-Cloro-4-metilcicloexanoOH

OH

Cl

CH3 CH3 OH

Cis-4-Metilcicloexanol

Cl-

δ

δ

O produto na conformação cadeira exibe o ligante hidroxila e o ligante metila em ligação axial. Os valores tabelados para as interações 1,3-diaxial mostram uma menor energia para a molécula portadora de hidroxila axial, como é apresentado a seguir.

H

OH

CH3

H

OH

H3C

H

H

Cis - Axial/ equatorial Cis- Equatorial / axialH

H

H

H

Interação 1,3-diaxial metila/hidrogênio 3,8 KJ/molInteração 1,3-diaxial hidroxila / hidrogênio 2,1 KJ/mol

7,6 KJ/mol 4,2 KJ/mol

C2H5

H

CH3

Br

H H

Br -HO- Br

δ δHO

A base forte -OH desloca a base fraca Br-

HO

Hidroxila se conectando pela retaguarda segundo o eixo da ligação C-Br

Produto formado comconfiguração invertida

CH3

C2H5

CH3

C2H5Substrato quiral

RS

217

13.8 Fatores que afetam a velocidade da reação

a) Substrato. O ataque pela retaguarda efetuado pelo nucleófilo exige um substrato que

permita uma conexão eficaz, para que isto ocorra, o carbono sp3 deve conter ligantes de pequeno tamanho como o hidrogênio.

X

XXX

H

H

HH

HH

CH3

CH3

CH3

H3C

CH3

CH3

I Halometano ou halogeneto de metila

I V 2-Halo-2-metil-propano ou halogeneto de t-butila

I I I 2-Halopropano ou halogeneto de isopropila

I I Haloetano ou halogeneto de etila

I IIIIV

II

Modelo molecular de haloalcanos utilizados em reação de substituição nucleofílica

bimolecular.

H

HBr

CH3

Substrato permitido na reação SN2

CH3CH2BrBr

HH

H

CH3Br

Substrato permitido na reação SN2

2-Bromopropano

CH3

CH3

Br

H CH3CHBrCH3

CH3CH3

CH3

Br

2-Bromo-2-metilpropano

Substrato proíbido no processo SN2

O melhor substrato é o bromometano, pois o carbono portador de halogênio possui como ligante apenas hidrogênios, o que torna o substrato perfeito para receber a conexão do nucleófilo pela retaguarda. Este substrato é considerado o melhor dentro da série dos haloalcanos. Substratos permitidos no processo de substituição bimolecular são: bromometano e bromoetano. O 2-bromopropano permite uma reação SN2 com velocidade próximo de zero. O substrato 2-bromo-2-metilpropano é considerado substrato proibido para o processo de substituição bimolecular, perceba que este substrato possui três grupos metilas como ligantes do carbono portador de halogênio e isto impede a conexão do nucleófilo pela retaguarda. O estudo cinético da reação revela que quando um hidrogênio é substituído por um ligante alquila a velocidade da reação diminui. Para os mecanismos a

218

seguir, verifica-se uma maior velocidade relativa de reação para o substrato bromometano, que mostra uma velocidade cerca de 145 vezes maior, pois este substrato permite uma maior rapidez de conexão do nucleófilo ânion metóxi na retaguarda, pelo fato dos ligantes hidrogênios favorecerem uma maior área livre de conexão no sítio reacional. Quando um dos hidrogênios é substituído pelo radical metila a velocidade da reação decaí para 1, mostrando que a presença do radical metila diminui a velocidade de conexão do nucleófilo no carbono positivo parcial (carbono eletrofílico).

Substrato Bromoalcano. Nucleófilo ânion metóxi Velocidade

CH3-Br + -OCH3 CH3- O - CH3 + Br- 145

CH3CH2 - Br + -OCH3 CH3CH2 - OCH3 + Br- 1

CH3 - CH - Br + -OCH3

CH3

CH3 - CH - OCH3 + Br- 0,0078

H3C

H

H

H

Br

H

H

H

H

HH

Br-Brδ δ

CH3O- CH3O CH3O

Estado de transição com menor energia de ativação

Substrato com região de retaguarda livre

Produto formadocom maior velocidade

Finalmente quando substituímos dois hidrogênios por dois radicais metilas a velocidade caí bruscamente para 0,078, mostrando a dificuldade de ocorrência para a reação. O substrato 2- bromopropano, apresenta as duas metilas na região de retaguarda bloqueando a conexão do nucleófilo, decididamente o haloalcano secundário não favorece uma boa velocidade para reação de substituição bimolecular.

CH3

HCH3

Br

CH3

CH3

H

CH3

CH3

H

Br-Br

δ δCH3O

- CH3O CH3O

Estado de transição com maior energia de ativação

Substrato com região de retaguarda impedida

Produto formadocom menor velocidade

Conclusão: o mecanismo do bromometano, onde a velocidade de reação é maior,

temos uma menor energia de ativação para o estado de transição, pois os ligantes do carbono eletrofílico parcial, são hidrogênios e, portanto não dificultam a interação do nucleófilo com o substrato no estado de transição. O outro extremo é o caso do 2-bromopropano, haloalcano secundário que possui na sua estrutura dois ligantes metilas

219

dificultando a interação do nucleófilo com o substrato, tornando o estado de transição altamente energético, pois os dois grupos metilas dificultam a formação do estado de transição.

b) Solvente. Os solventes polares apróticos são solventes que em suas estruturas não mostram ligações químicas entre o hidrogênio e átomos eletronegativos como oxigênio e nitrogênio, os mais utilizados em processo de substituição bimoleculares são a N,N-dimetil-formamida (DMF) e o dimetilsulfóxido (DMSO).

N

CH3

CH3

C

O

H

N,N-DimetilformamidaDMF

S

O

CH3

CH3

Dimetil sulfóxidoDMSO

N

CH3

CH3

C

O

CH3

DimetilacetamidaDMA

Estes tipos de solventes não favorecem a formação de ligação hidrogênio com nucleófilo desta forma permitem uma maior mobilidade iônica para o nucleófilo.

Solventes polares próticos como água e metanol dificultam as reações SN2 pelo fato de formarem ligações hidrogênio com nucleófilo, diminuindo a mobilidade iônica do nucleófilo e portanto desativando o mesmo. A figura 13.03 apresenta um nucleófilo rodeado por moléculas de água, observe que cada hidrogênio parcial positivo se volta para o nucleófilo carregado negativamente, esta situação provoca a desativação do nucleófilo.

δδδδ

NUδ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

Figura 13.03. Nucleófilo em solvente polar prótico.

A teoria do solvente informa como o solvente afeta a velocidade da reação. Essa teoria diz que: se a polaridade do solvente aumentar, diminuirá a velocidade

de reação se um ou mais reagentes na etapa lenta da velocidade forem carregados e aumentará a velocidade de reação se nenhuma das espécies envolvidas nesta etapa for carregada.

Como a reação SN2 ocorre em uma única etapa e envolve espécies carregadas, nucleófilo e grupo de partida, a sua velocidade será diminuída na presença de solvente polar. Desta forma o ideal para este tipo de reação seria um solvente apolar, porém este tipo de solvente não dissolve o nucleófilo que é polar, então o problema é resolvido com a utilização de um solvente polar aprótico.

220

d) Grupo retirante. O esquema a seguir mostra a influência do grupo retirante na

velocidade da reação. A base mais fraca tem maior habilidade de saída do substrato. O nucleófilo que entra no substrato deve ser uma base forte com poder de deslocar a base fraca.

HO

+ I -

OH + CH3 - I HO - CH3 + I Velocidade 30 000

O iodo é o halogênio de maior tamanho, por ser mais volumoso vai necessitar de um comprimento de ligação maior, cerca de 2,14 A0, se tornando assim, mais fracamente ligado ao carbono, esta situação favorece uma força de ligação menor (239 kJ/mol), o que permite ao iodo sair mais rapidamente do substrato no momento da conexão do nucleófilo pela retaguarda.O Iodo metano tem uma região de retaguarda livre de impedimento espacial, o que favorece na conexão do nucleófilo de forma eficaz.

CH3Br + -OH CH3OH + Br- Velocidade 10000

Nesta reação, houve a troca do grupo retirante iodo pelo grupo retirante bromo. O bromo possui um volume menor que o iodo, sendo assim, terá possibilidade de formar a ligação com o carbono utilizando um comprimento de ligação menor, já que seu volume permite uma aproximação maior do carbono. Essa proximidade com o carbono, reflete na força de ligação que assume um valor de 293 kJ/mol, maior do que o valor atribuído para a ligação carbono-iodo(239 kJ/mol). Estes conjuntos de parâmetros nos permitem afirmar que o bromo terá mais dificuldade de se retirar da estrutura que o iodo, e isto reflete em uma menor velocidade de reação para o substrato bromometano.

CH3Cl + -OH CH3OH + Cl- Velocidade 200

O cloro como grupo retirante, ocasiona um decréscimo muito grande na velocidade relativa da reação, observe que sai do valor de 2000 para o retirante bromo chegando em 200 para o retirante cloro, isto se deve ao fato do cloro possuir um valor de 1,78 A0 para comprimento da ligação carbono-cloro o que reflete em uma força de ligação de 350 kJ/mol.

CH3 F + -OH CH3OH + F- Velocidade 1

O flúor é o pior grupo retirante, devido ao seu menor tamanho executa uma conexão forte com o carbono, sendo, portanto extremamente difícil sua retirada da estrutura, no momento da conexão do nucleofilo na região de retaguarda do substrato. O comprimento da

221

ligação carbono flúor é de 1,39 A0 e a força de ligação é máxima, quando comparada com os outros halogênios, e tem um valor de 472 KJ/mol.

e) Nucleófilo.É o reagente que efetua o ataque pela retaguarda no carbono do substrato, em reação SN2,. O ataque na região de retaguarda é realizado em sentido contrario a ligação carbono-hologênio. Quando o processo ocorre em fase gasosa, o nucleófio precisa ser uma base forte para poder realizar a deslocalização da base fraca que abandona o substrato (grupo retirante). A nucleofilicidade vem ser a medida da rapidez com que o nucleófilo ataca o centro de menor densidade eletrônica (centro com carga positiva parcial). Assim a nucleofilicidade é medida por uma constante de velocidade. As bases fortes são os melhores nucleófilos, pois proporcionam uma maior atração do nucleófilo pelo centro de carga positiva parcial. Observe a relação de algumas bases fortes, colocadas na tabela 13.01.

Tabela 13.01. Relação de algumas bases fortes.

Ácido fraco (pKa) Base forteH2 (~40) H- NH3 (36) - NH2C2H2 (25) CHC- H2 O (15,7) HO-

Nucleófilos volumosos possuem baixa nucleofilicidade, pois irão atacar o substrato pela retaguarda com dificuldade. Sabe-se que o substrato como o brometo de etila favorece uma maior velocidade de reação, quando o nucleófilo é o metóxido de sódio, e uma menor velocidade de reação quando o nucleófilo é o t-butóxi,que apesar de ser uma base forte tem baixa nucleofilicidade por ser volumoso. Confira os fatos observando os mecanismos a seguir.

CH3H

H

Br OCH3 CH3O Brδ δ

CH3H

H

CH3O

HCH3

H

Nucleófilo demenor volumeefetua ataquecom maior velocidade

Estado de transiçãode menor energia

Metóxi

CH3H

H

Br OC(CH3)3 (CH3)3CO Brδ δ

CH3H

H

(CH3)3CO

HCH3

H

Nucleófilo demaior volumeefetua ataquecom menor velocidade

Estado de transiçãode maior energia

222

Estruturas tridimensionais de alguns alcóxidos. Observe que o alcóxido terciário t-butóxido é o que apresenta maior volume e, portanto terá menor nucleofilicidade e reagirá mais lentamente em uma reação SN2 efetuada com halometano ou haloalcano primário.

Ânion isopropóxi

Ânion t- butóxi

Ânion etóxi

Ânion metóxi

O maior volume do t-butóxido, dificulta a conexão na região de retaguarda do substrato, este fato contribui para uma menor velocidade de reação. O ânion metóxi que possuí menor volume, ataca com maior velocidade o substrato pela retaguarda. 13.9 Nucleofilicidade e basicidade Basicidade: facilidade de doação do par de elétrons em uma reação ácido base.

H X

B

H B X

É a base responsável pela doação do par de elétrons,é o veículo de retirada do H+.

H X É o ácido e recebe o par de elétrons é a fonte de doação de H+.

B

Nucleofilicidade: rapidez com que o nucleófilo ataca um centro positivo parcial ou catiônico.

CH3 CH3

NU

H

X

NU

H H

H

223

Na reação em fase gasosa nuleofilicidade e basicidade possuem relação direta, a base forte é o melhor nucleófilo enquanto que a base fraca é o pior nucleófilo.

CH3OH pKa=16

CH3O base forte

H2O

pKa =15,7

OH base forte

CH3O > OH

O H

C6H5O H

pKa = 9, 9

C6H5O > OOCCH3

Ligaçõessigma e pi

CH3C O O H pKa = 4,7 6

FenolÁcido acético ou Ácido etanóico

Para favorecer a reação SN2 é necessário a utilização de um solvente polar aprótico e um bom núcleófilo (base forte, CH3O

- >OH- > ØO- > CH3OO- > H2O) e um bom grupo retirante (I> Br> Cl>F).

A seguir será mostrada a força básica das aminas, que são compostos orgânicos derivados do amoníaco. As aminas são formadas pela troca de um, dois ou três dos átomos de hidrogênio do NH3 por grupos alquilas.

CH3 NH2

pKb = 3, 3 6

(CH3)2 NH

pKb = 3, 2 3pKb = 4,75

NH3

224

13.10 Utilização de reações SN2 em síntese

a) Preparação de éteres: Síntese de Williamson. Nesta reação o nucleófilo é o ânion metóxi, o substrato é o clorometano e o grupo

retirante é o ânion cloreto. Os alcóxidos orgânicos quando usados como nucleófilo irão produzir éteres.

H

HH

C l

Na OCH3

H3CO C lδδ δ δ

H H

H

H3CO

HH

H

+ Na C l

b) Preparação de ésteres.

H

HH

Na OOCCH3

H3CCOOδδ δ δ

H H

H

H3CCOO

HH

H

+ Na II I

Na formação do éster o nucleófilo é o ânion etanoato. O substrato é o iodometano e o grupo retirante é o ânion iodeto. Os alcanoatos orgânicos (metanoato, etanoato, propanoato e outros similares) quando usados como nucleófilos irão produzir ésteres.

C) Preparação de aminas.

H

HH

C l

Na NH2

H2N C lδδ δ δ

H H

H

H2N

HH

H

+ Na C l

225

13.11 HOMO e LUMO no processo SN2

No diagrama de energia mostrado a seguir o orbital molecular ocupado de maior

energia é denominado de HOMO, é o orbital molecular não-ligante. O orbital molecular desocupado de mais baixa energia é denominado de LUMO, é o π* . Para a estrutura da propanona, o orbital ocupado de maior energia, HOMO, contém os elétrons n, enquanto que, o desocupado de menor energia, LUMO, será o pi*. Energia relativa dos orbitais ligante, não-ligante e antiligante.

Ene

rgia

Orbital

Orbital molecular ligante

Orbital molecular ligante

Orbital molecular antiligante

Orbital molecular antiligante

Orbital molecular não-ligante

σ

σ∗

π

π*

elétrons n

Ocupado

Desocupado

Figura 13.04. Energia relativa dos orbitais moleculares.(Pavia, 1996).

Oxigênio maior densidade eletrônica

Os elétrons n ficam orbital molecular não-ligante, HOMO

CH3COCH3

Propanona

Para a estrutura da água, o orbital ocupado de maior energia, HOMO, contém os

elétrons n, enquanto que, o desocupado de menor energia, LUMO, será o sigma*.

H2O

Região de maior densidade eletrônica

Os eletrons não ligantes do oxigênio, se encontram no orbital molecular ocupado de maior energia, HOMO

226

A teoria do orbital molecular, nos diz, que para formar uma ligação química, é necessário conectar o orbital molecular ocupado de maior energia ,HOMO, no orbital molecular desocupado de menor energia LUMO.

Nas reações SN2, o orbital molecular ocupado de maior energia se encontra localizado no nucleófilo, por ser a espécie que doa o par de elétrons para a formação da ligação química com o substrato. O orbital molecular desocupado de menor energia, que receberá o par de elétrons, LUMO, se encontra no substrato, este orbital é denominado de antiligante sigma*. Observe as reações a seguir.

O-H

HOMO, Orbital molecular ocupado de maior energia,onde se encontram os elétrons livres, que não participamda ligação.

O par de elétrons que não forma ligação(HOMO) é deslocado para o orbital vazio sigma* do substrato(LUMO).

2e-

H

HH

Br

sigma*, orbital vazio LUMO

A conexão do nucleófilo leva ao estado de transição e posteriormente ao produto, como é mostrado a seguir.

H

HH

Br

sigma*, orbital vazio

Par de eletrons do HOMO do nucleófilo efetuando a conexão temporária no LUMO do substrato.

Estado de transição ou complexo ativado

H

HH

+ Br-δ−

HOδ−

HO

A reação a seguir evidencia a transformação química do 3-bromobutanóico. O nucleófilo hidroxila transfere seu par de elétrons para o orbital vazio sigma*, orbital molecular desocupado de menor energia denominado de LUMO.

HO-

HO + Br-Br

CH2COOHH

CH3

(S)-3-Bromobutanóico

CH2COOHH

Br

CH3

HOOCCH2H

CH3

Estado de transição

HO

Nucleófilo retirante

(R)-3-Hidróxibutanóico

227

Neste próximo mecanismo, o nucleófilo é neutro e mostrará um estado de transição com maior energia que o exibido para o ânion amideto. No estado de transição ou complexo ativado existirá a carga positiva do nitrogênio perto da carga parcial positiva do carbono, esta situação promove aumento da energia do estado de transição.

NH3

HOMO, Orbital molecular ocupado de maior energia onde se encontram os elétrons livres que não participam da ligação.

Par de elétrons que não forma ligação (HOMO) é deslocado para o orbital vazio sigma* do substrato (LUMO)

2e-

H

HH

Br

sigma*, orbital vazio

H3N

H

HH

Br

sigma*, orbital vazioPar de eletrons do HOMO do nucleófilo efetuando a conexão temporária no LUMO do substrato

Estado de transição ou complexo ativado

H3N

H

HH

+ Br-δ−δ

Este estado de transição possui alta energia, pois em sua estrutura encontramos a carga positiva do nucleófilo próxima da carga parcial positiva do carbono. Veja o mecanismo completo a seguir. Para finalizar este capítulo segue alguns mecanismos.

NH3

H3N + Br-Br

CH2COOHH

CH3

(S)-3-Bromobutanóico

CH2COOHH

Br

CH3

HOOCCH2H

CH3

Estado de transição

H3N

Nucleófilo retirante

(R)-3-Aminobutanóico protonado

δ δ

228

δ

OCH3

+ Br-Br

CH2COOHH

CH3

(S)-3-Bromobutanóico

CH2COOHH

Br

CH3

HOOCCH2H

CH3

Estado de transição (R)-3-Metóxibutanóico

CH3O CH3Oδ δ

δ

OCH3

+ Br-Br

CH2CHH

CH3

(S)-3-Bromobutanal

CH2CHH

Br

CH3

HCCH2H

CH3

Estado de transição (R)-3-Metóxibutanal

CH3O CH3O

OOO

δδ

δ

NH2

+ Br-Br

CH2CHH

CH3

(S)-3-Bromobutanal

CH2CHH

Br

CH3

HCCH2H

CH3

Estado de transição(R)-3-Aminobutanal

H2N H2N

OOO

δδ

229

14 Substituição nucleofílica unimolecular

14.1 Cisão heterolítica da ligação C-X

A grande reatividade dos haletos de alquila é explicada pela forte polaridade da molécula, que é causada pelo fato do halogênio ser muito mais eletronegativo do que o carbono. O halogênio por ser mais eletronegativo irá deslocar os elétrons sigma da ligação carbono-halogênio para si, permitindo assim a ocorrência na estrutura de um dipolo elétrico. A molécula fica então polarizada e pode sofrer uma cisão heterolítica iniciando assim, a reação de substituição nucleófilica unimolecular (SN1). Este processo reacional ocorre com formação de intermediário denominado de carbocátion. Substratos permitidos no processo unimolecular favorecem a formação de carbocátions estáveis. No caso do iodo, que possui valor de eletronegatividade igual ao do carbono, a formação do dipolo é explicada através da alta polarizabilidade do iodo. Para facilitar a cisão na ligação C-X é importante utilizar um solvente polar prótico, este ajudará a estabilizar a separação de cargas no estado de transição. Quanto maior a estabilidade do carbocátion formado, maior será a velocidade de reação, sendo assim, o haloalcano tem que ser um substrato com região de retaguarda bloqueada, que de preferência possua um halogênio de alta polarizabilidade, tal como o iodo.

Haloalcano terciário permite maior velocidade de reaçãoCH3

CH3

H3CBr

CH3

H3C

CH3

Formação de carbocátion terciário, mais eatável

O bromo é despedido na forma de ânionbrometo

BrH

CH3

H3C

CH3

H3C

H

Permite a formação de carbocátion secundário

230

A cisão heterolítica na ligação carbono-halogênio, depende da energia de ligação e do comprimento da ligação Carbono-halogênio, estes parâmetros mostram que a cisão da ligação é mais favorecida quando o halogênio é o iodo, pois este mostra uma menor energia de ligação C-X e um maior comprimento de ligação. Os modelos químicos mostram o aumento progressivo no comprimento da ligação carbono-halogênio.

CH3F CH3Cl

CH3Br CH3I

Comprimento da ligação = 1,39AoComprimento da ligação = 1,78Ao

Comprimento da ligação = 1,93Ao Comprimento da ligação = 2,14Ao

Substrato proibido no processo unimolecular

H

H

H

Br

H

H

H

Não se forma como intermediário,a carga positiva não é estabilizadaSubstrato proibido

Br -

Este substrato se torna proibido por não permitir a formação de um carbocátion estável.

14.2 Mecanismo SN1

A primeira etapa do mecanismo é a cisão heterolítica entre o carbono-halogênio. Esta etapa é endotérmica e leva a formação do carbocátion. O carbocátion formado possui geometria trigonal plana, sendo assim, a conexão do nucleófilo pode ser realizada pelos dois lados da estrutura catiônica. Na segunda etapa ocorre a conexão do nucleófilono metanol no carbocátion t-butil, através de um processo exotérmico. Como o carbono do substrato é aquiral, não é necessário efetuar a conexão do nucleófilo pelos dois lados da estrutura do carbocátion.

231

Reação.

CH3

CH3CH3

CH3CH3

I CH3OH

CH3

OCH3HI

Mecanismo. Primeira etapa: formação do carbocátion

CH3

CH3CH3

CH3 CH3

I

CH3

I-E L

∆ H >0Intermediário carbocátion

Segunda etapa: conexão do nucleófilo no carbocátion

CH3 CH3

CH3

∆ H <0Intermediáriocarbocátion H-OCH3

CH3

CH3CH3

OCH3

H Éter protonado

A terceira e última etapa é uma reação de desprotonação do éter, através de um processo ácido-base. Nesta desprotonação utiliza-se a base mais forte presente no meio reacional. O HI tem pKa de -10, enquanto que o CH3O

+H2 tem pKa de –2,5, sendo assim, a base mais forte é o metanol.

CH3

CH3CH3

OCH3

Éter 2-etóxi-2-metilpropano

CH3

CH3CH3

OCH3

H

Éter protonado

CH3OH

CH3O+H2

CH3O+H2 + I- CH3OH + HI

Os próximos mecanismos seguem a mesma seqüência de reações sucessivas.

Br

CH3

CH3C2H5

CH3C2H5

CH3OH

CH3

OCH3HBr

Br

232

Mecanismo para a reação entre o 2-bromo-2-metilbutano e o metanol. Na primeira etapa é formado o carbocátion.

CH3

CH3C2H5

CH3 C2H5

Br

CH3

Br-E L

∆ H >0Intermediário carbocátion

Na reação a seguir, o carbocátion recebe o para de elétrons do oxigênio do metanol e forma uma nova ligação química, dando origem ao éter protonado.

CH3 C2H5

CH3

∆ H <0

Intermediário carbocátion H-OCH3

CH3

CH3C2H5

OCH3

HÉter protonado

Nesta próxima etapa, ocorre a desprotonação do éter.

CH3

CH3C2H5

OCH3

Éter 2-metóxi-2-metilbutano

CH3

CH3C2H5

OCH3

H

Éter protonado

Br -

CH3OH

CH3OH2

CH3OH2 + CH3OH + HBr No próximo mecanismo será formado um éster. Observe que o carbono que esta

diretamente conectado ao cloro é um carbono sp3 com quatro ligantes diferentes, sendo, portanto um carbono assimétrico ou quiral, também denominado de estereocentro tetraédrico. Este substrato leva a formação de uma mistura racêmica, isto é, quantidades equimoleculares dos estereoisômeros R e S.

CH3

C2H5

C3H7

CH3

Cl

C3H7

C2H5

OOCCH3Na OOCCH3 + NaCl

carbono quiral

S

Mistura racêmica

CH3CO

O

C3H7

CH3

C2H5

S R

Primeira etapa, etapa lenta e determinante da velocidade da reação, forma-se o carbocátion.

233

Cl

CH3

C2H5 C2H5 CH3

Cl-E L

∆ H >0 Intermediário carbocátion

C3H7C3H7

Na segunda e última etapa, o nucleófilo ânion acetato é conectado no carbocátion.Como o substrato é quiral, formou-se um carbocátion com três ligantes diferentes, nesta situação, a conexão do nucleófilo deve ser efetuada tanto pela direita quanto pela esquerda.

C2H5 CH3

∆ H <0

Intermediário carbocátion

-OOCCH3

CH3

C2H5

C3H7C3H7

-OOCCH3

OOCCH3

C3H7

C2H5CH3

CH3COO

E R

+ NaClS R

Mistura racêmica

14.3 Estabilidade do intermediário

Os efeitos eletrônicos que estabilizam o carbocátion são a hiperconjugação e a ressonância.

CCH3

CCH3

H

Orbital p vazioH H

Hiperconjugação

C

H

HC

H

H

Ressonância

No efeito eletrônico de ressonancia, o par de elétrons pi é deslocalizado para o orbital p vazio do carbono catiônico. Observe as estruturas a seguir.

234

14.3.1 Estabilidade de carbocátions com de ligação pi.

CH2

Benzílico terciário Benzílico secundário Benzílico primário

alílico terciário alílico secundário

CH2

alílico primário

> >Benzílico terciário

alílico terciário

Benzílico secundárioalílico secundário

Benzílico primário

alílico primário

+++

14.3.2 Carbocátions alifáticos

CH3CH2>>Alquila terciário Alquila secundário Alquila primário

+++

Esses carbocátions alquilas são estabilizado pelo efeito de hiperconjigação.

14.4 Mecanismo de solvólise A reação de substituição nucleofílica a ser analisada será a do brometo de t-butila

com a água, neste processo ocorre a formação do carbocátion t-butila (carbocátion terciário). A primeira etapa do mecanismo é lenta e, portanto endotérmica, nela ocorre à formação do intermediário carbocátion. A etapa seguinte mostra uma reação rápida entre o carbocátion e o nucleófilo, é uma reação exotérmica. Nesta reação a água tem duas funções, de solvente e de nucleófilo, quando isto acontece à reação é chamada de solvólise.

O mecanismo de solvólise para o brometo de t-butila acontece em varias etapas e será descrito a seguir. Na primeira etapa o solvente ajuda na ocorrência da cisão heterolítica permitindo a formação do carbocátion, intermediário de reação.Esta etapa é a lenta e

235

determinante da velocidade da reação. O carbocátion formado nesta etapa é estabilizado pelo efeito de hiperconjugação. A próxima etapa mostra a conexão do nucleófilo no carbocátion, e é denominada de etapa rápida. Neste processo forma-se o álcool protonado. A etapa de desprotonação do álcool é realizada por uma base e leva a formação do álcool.

CH3

CH3

CH3H3CH3C

Brδ δ δδn(H2O) (H2O)n n(H2O) (H2O)nBr

CH3

CH3

n(H2O) (OH2)n

H3C

CH3

Substrato e solvente Estado de transição Br-

E L

O intermediário carbocátion se encontra simetricamente solvatado

CH3

n(H2O) (OH2)n

H3C

CH3H3CCH3

CH3

CH3CH3

H2O

CH3

Intermediário simetricamentesolvatado

Produto álcool protonadoBr-

O

H

H

E R

A água é um solvente polar prótico de alta constante dielétrica sendo, portanto capaz de isolar cargas opostas uma das outras. A molécula do solvente isola a carga através de uma atração íon-dipolo, perceba que os hidrogênios da água abraçam a parte de maior densidade eletrônica do substrato, que se localiza no halogênio, enquanto que o oxigênio envolve através da atração íon-dipolo o carbono que possui menor densidade eletrônica, esta interação substrato-água promove a cisão heterolítica da ligação carbono-halogênio, etapa lenta do mecanismo.

O carbocátion terciário formado se encontra simetricamente solvatado por moléculas de água, permitindo a formação da ligação química entre os elétrons não-ligantes do oxigênio e o orbital p vazio localizado no carbono catiônico. A reação a seguir utiliza o metanol como solvente e como nucleófilo e recebe por este motivo à denominação de metanólise.

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3CH3

Br CH3OH OCH3 HBr

Mecanismo

+

236

CH3

CH3

CH3 CH3 CH3

CH3

Br Br-

1a etapa : cisão heterolítica e formação do carbocátion

E L+

2a etapa :interação entre carbocátion e nucleófilo

CH3

CH3 CH3

HOCH3

CH3

CH3 CH3

OCH3

H

E R

Éter protonado

Esta etapa mostra a conexão do nucleófilo com o carbocátion, é uma etapa rápida e leva a formação de um éter protonado, pelo simples fato de ter sido utilizado um dos pares de elétrons não-ligantes do oxigênio na formação da ligação, essa deslocalização eletrônica do par de elétrons deixa o oxigênio positivo, formando o que se chama em química de éter protonado, que na etapa seguinte é desprotonado através de uma reação ácido-base.

CH3

CH3 CH3

OCH3

H

Éter protonado

3a etapa : desprotonação do éter

CH3OH

CH3

CH3 CH3

OCH3

Éter

CH3OH2

CH3OH2 + Br- CH3OH + HBr

Observe que nesta etapa, o metanol portador de elétrons livres no oxigênio, é uma base de Lewis e por este motivo captura o hidrogênio ionizável do éter protonado, levando a formação do éter. O mecanismo a seguir mostra a formação de um produto racêmico através da hidrólise de um substrato quiral.

H3C

C2H5

C3H7

Br

H2O

C3H7

HO C2H5

CH3

C3H7

H3C

C2H5

OH

S SR + H3O+ + Br-

237

C3H7

CH3C2H5

Br Br-

1a etapa : cisão heterolítica e formação do carbocátion

E L

C3H7

CH3C2H5

2a etapa : Conexão do carbocátion no nucleófilo

C3H7

C2H5 CH3

HOH

CH3

OH

H

E R

Álcool protonado

C3H7

H5C2

HOH

HO

H

C3H7

C2H5

CH3

HOHCH3

OH

H

C3H7

H5C2

HOH

HO

H

C3H7

C2H5

CH3

Etapa de desprotonação

CH3

OH

C3H7

H5C2

HO

C3H7

C2H5

CH3

A reação a seguir mostra a solvólise de um haloalcano quiral, formando 2% de inversão e 98% de racemato.

CH3CH3

CH3

Brδ δ δ

δn(H2O) (H2O)n n(H2O) (H2O)nBr

CH3

CH2CH3

n(H2O) (OH2)n

CH3

Substrato e solvente Estado de transição Intermediáriosolvatado

Br-

H H H CH2CH3

S

δ δn(H2O) (H2O)nBr

CH3

CH2CH3

Estado de transição

H

H2O

CH2CH3

CH3

HR

2% de inversão

238

CH3 CH3

H2O 98% de mistura racêmica

HH

CH2CH3

R S

CH2CH3

CH3CH3

CH3

Brδ δδδδ δδδδδδδδ

n(H2O) (H2O)n n(H2O) (H2O)nBr

CH3

CH2CH3

n(H2O) (OH2)n

CH3Substrato e solvente

Estado de transição

Intermediário solvatado

Br-

H H H CH2CH3

S

OH2

2-butanol protonado

O haloalcano quiral, na primeira etapa mostra a formação de um estado de transição efetuado pela interação do solvente polar com os centros eletropositivos e eletronegativos do substrato, observe que a água volta seus hidrogênios para abraçar o lado da estrutura que contém o bromo eletronegativo, enquanto que através de uma inversão de posição outras moléculas de água voltam o oxigênio para o lado do carbono eletropositivo. Assim a água isola as cargas opostas e leva a formação do carbocátion simetricamente solvatado e do ânion brometo. Do estado de transição é possível se formar 2% de produto de inversão, isto é, um produto obtido pelo mecanismo de substituição bimolecular. Esta próxima reação, não envolve a formação de produto de inversão, forma-se somente a mistura dos enanciômeros R e S.

Br

CH3

Mecanismo de reação com o ácido fórmico

C2H5

H7C3

H-C=O

_

OH?

1

2

S

Br

CH3

C2H5

H7C3

Primeira etapa : formação do carbocátionH7C3

C2H5CH3

+ Br -

intermediário

O carbocátion formado tem geometria planar, o que permite o ataque do nucleófilo pelos dois lados. O nucleófilo tem dois centros responsáveis pela maior densidade

239

eletrônica, um é o oxigênio que faz parte do grupo carbonila e o outro é o oxigênio da hidroxila. Devido o efeito de ressonância no grupo carbonila, o oxigênio que faz parte deste grupo, terá maior densidade eletrônica.

A conexão do nucleófilo no carbocátion ocorre através de um dos pares de elétrons não ligantes do oxigênio da carbonila. Após a conexão, o oxigênio fica catiônico favorecendo o processo de ressonância, que desloca um dos pares de elétrons não ligantes do oxigênio da hidroxila para o carbono, que em seguida transfere seus elétrons pi para o oxigênio catiônico, desta forma o par de elétrons do oxigênio é recuperado e este deixa de ser catiônico. Neste momento forma-se o éster protonado.

O = CH/OH

H7C3

H5C2CH3

HC = O/OH

H7C3

C2H5CH3

S R

H7C3

H5C2CH3

O - CH

HC - O

H

H7C3

C2H5CH3

R

S

Éster protonado

Éster protonado

OH

OH

O ânion brometo é o veículo de retirada do hidrogênio passível de ionização. O hidrogênio ionizável abandona a estrutura, permitindo assim, o deslocamento do par de elétrons para o oxigênio da carbonila que se encontra catiônico. Desta forma é restabelecida a volta do par de elétrons para o oxigênio e assim, se obtém o produto neutro em sua forma mais estável. O próximo passo é desprotonação do éster realizada pelo anion brometo.

SR

H7C3

H5C2

CH3

O - C = O - H

Br

O = CH - O

Br

H7C3

CH3 C2H5

+ HBr

/H

H7C3

C2H5CH3

O =CH -OR

SO - HC = O

CH3

H5C2

H7C3

+ HBr

H

240

14.5 Rearranjo molecular

Substratos que permitem rearranjo molecular.

CH3

CH3

H

HCH3

Cl Carbono sp3 secundário halogenado

Carbono sp3 terciário

Nesta situação o carbocátion será formado no carbono secundário e posteriormente sofrerá rearranjo para um carbocátion terciário. Este rearranjo ocorrerá com a migração de hidreto.

CH3

CH3

H

HCH3

Cl CH3

CH3

H

HCH3

Cl-

Carbocátion secundário Rearranjo do carbocátion secundário para um terciário.

CH3

CH3

H

H CH3

Carbocátion secundário

CH3

CH3

H

HCH3

Carbocátion terciário

Pode ocorrer rearranjo em substratos portadores de carbono quaternário vizinho a carbono halogenado.

CH3

CH3 HCH3

Cl

Carbono sp3 secundário halogenado

Carbono sp3 quaternário

CH3

CH3 HCH3

ClH-

Carbocátion secundário

CH3 CH3

O rearranjo ocorre com migração de carbânion metila.

241

CH3

CH3 HCH3

Carbocátion secundário

CH3

CH3 HCH3

Carbocátion terciário

CH3 CH3

A reação a seguir ocorre com rearranjo, vamos descobrir os produtos formados.

CH3

CH3

H

HCH3

Cl

H2O ?

CH3

CH3

H

H CH3

Cl

Primeira etapa : formação do carbocátion

H2O

OH2

H 2O

CH3

CH3

CH3

H

H

OH2H2O Cl

Carbocátion secundáriosimetricamente solvatado

E L

H 2O

H2OOH

2

As moléculas de água posicionam o centro de maior densidade eletrônica para perto do centro positivo parcial do substrato (representado pelo ponto azul), favorecendo a cisão heterolítica da ligação carbono-halogênio.

CH3

CH3

H

HCH3

Carbocátion secundário

CH3

CH3

H

HCH3

Carbocátion terciário

Etapa de rearranjo do carbocátion .

CH3

CH3

H

HCH3

Carbocátion secundário

CH3

CH3

H

HCH3

Etapa de conexão entre o nucleófilo água e o carbocátion.

OH2OH2

Álcool secundário protonado

242

CH3

CH3

H

HCH3

Carbocátion terciário

OH2HCH3

CH3CH3

H

OH2

Álcool terciário protonado

CH3

CH3

H

HCH3

Álcool secundário protonado

O

H

H

Desprotonação do álcool secundário

Cl CH3

CH3

H

HCH3

Álcool secundário

O

H

H Cl

HOCH3

CH3CH3H

Álcool terciário protonado

HHHCH3

CH3CH3

HÁlcool terciário

OH

Cl

Desprotonação do álcool terciário

+ HCl

O processo reacional abaixo tem rearranjo molecular, vamos descobrir os produtos formados.

CH3

CH3 HCH3

Cl

CH3OH ?

CH3

+

CH3

CH3 HCH3

Cl

Primeira etapa : formação do carbocátion

CH3CH3

CH3H

Cl

Carbocátion secundário simetricamente solvatado

E L

CH3

CH3

CH3O

HH

OCH3

243

CH3

CH3 HCH3

Carbocátion secundário

CH3

CH3 HCH3

Carbocátion terciário

Etapa de rearranjo, ocorre a migração de -CH3 .

CH3 CH3

CH3

CH3 HCH3

Carbocátion secundário

CH3

CH3 HCH3

Etapa de conexão entre o nucleófilo metanol e os carbocátions formados.

OCH3OCH3

Éter protonado

CH3CH3

HH

CH3

CH3 HCH3

Éter protonado

O

CH3

H

Desprotonação do éter

Cl CH3

CH3 H CH3

Éter

O

HCl

CH3CH3 CH3

CH3

CH3 HCH3

Carbocátion terciário

OCH3

CH3

CH3CH3

H

OCH3

Éter protonado

Conexão do nucleófilo com carbocátion terciário

HH

CH3 CH3

OCH3

CH3 CH3HÉter protonado

HH3C

CH3

CH3CH3

HÉter

OH3C

Cl

Desprotonação do éter

+ HCl

CH3 CH3

244

14.5.1 Rearranjo com aumento de anel

O substrato a seguir possui um carbono terciário vicinal ao carbono halogenado, favorecendo a estrutura um rearranjo molecular com migração de hidreto. É possível também a migração de um par de elétrons sigma formador da ligação carbono-carbono vicinal ao carbono halogenado, para o centro catiônico, nesta situação ocorre aumento de anel.

Br OCH3

CH3OHÁcido bromídrico

Produtos de rearranjo.

OCH3

C2H5

C2H5

OCH3

H

CH3

OCH3

H H

CH3

H

OCH3

CH3

OCH3

OCH3

CH3

H

H

CH3

H

OCH3

H CH3

OCH3

H

H

Este rearranjo leva a formação de um anel de seis carbonos que possui maior estabilidade que o anel de cinco. Na primeira etapa do mecanismo, o metanol por ser um solvente polar ajuda no isolamento das cargas opostas, formando assim o carbocátion secundário que possibilita várias formas de rearranjo levando a diversos produtos. O primeiro produto mostra a saída do brometo e a entrada do ânion metóxi.

O intermediário formado na primeira etapa do mecanismo é um carbocátion secundário que possibilita duas formas de rearranjo molecular. O primeiro acontece com a migração de hidreto, H- do carbono terciário do anel, indicado pela reação “a”. Este rearranjo forma um carbocátion terciário mais estável. O hidrogênio migra na forma de hidreto, pelo fato de levar consigo o par de elétrons da ligação, sendo assim, o carbono terciário do anel se torna deficiente de elétrons e portanto, catiônico.

245

Br

E.L

H

Br -a

b

Rearranjo que favorece a migração de hidreto do carbono terciário para o carbocátionsecundário.

+

H

H

Carbocátion secundário Carbocátion terciário

a

O rearranjo “b” ocorre com a migração do par de elétrons da ligação carbono-carbono do anel. Para esta situação forma-se um anel de seis que apresenta maior estabilidade que um de cinco.

Br

E.L

H

Br -a

b

Rearranjo que favorece o aumento de anel

Anel de cinco Anel de seis

b

Migração de hidreto do carbono terciário

As próximas reações sucessivas mostram a conexão do nucleófilo com os carbocátions através de uma reação rápida.

A conexão acontece com a deslocalização dos elétrons não-ligantes do oxigênio do metanol para o orbital p vazio do carbocátion, gerando como produto éter protonado. A ultima reação do mecanismo mostra o processo de desprotonação do éter por meio de uma reação ácido–base.

246

H

aa

E.R

H

OCH3

OCH3

C2H5

OCH3

CH3OH e desprotonação

OCH3

C2H5

CH3OH

CH3OH

+ CH3OH2

+ CH3OH2

Produtos formados com o intermediário cíclico de seis membros.

H

OCH3

CH3OHCH3OH

CH3 CH3

CH3

OCH3

OCH3

OCH3

CH3

CH3

Transdiaxial

Transdiequatorial Cis axial-equatorial

+ CH3OH2

CH3

CH3OH

desprotonação CH3

CH3OCH3

OCH3

OCH3

CH3

Cis equatorial-axial

A reação seguinte exibe um rearranjo com migração de carbânion metila.

Cl

H2O

OH

OH

HCl

Mecanismo. Primeira etapa, formação do carbocátion.

247

ClE L Cl

Carbocátion secundário

Rearranjo do carbocátion secundário para carbocátion terciário.

Rearranjo

Carbocátion terciário Conexão do nucleófilo seguido de desprotonação.

1) H2O2) desprotonação OH

OH1) H2O2) desprotonação

Na primeira etapa a água por ser um isolante de cargas opostas, ajuda na formação do carbocátion secundário, que por ser vicinal a um carbono quaternário sofre rearranjo, que é efetuado através da migração de carbânion metila para o centro catiônico localizado no carbono secundário. Ao termino da deslocalização do carbânion metila forma-se o carbocátion terciário mais estável. A etapa seguinte, mostra a conexão dos elétrons não-ligantes do oxigênio no centro positivo localizado no carbono terciário, carbocátion mais estável e no secundário, carbocátion menos estável. Este movimento eletrônico é característico de uma reação acido-base, assim a forma-se o álcool protonado.A ultima reação denominada de desprotonação ocorre através da base de Lewis ânion brometo, que participa da reação final capturando um dos hidrogênios ionizáveis do álcool protonado. E assim acaba a busca incansável de elétrons por centros catiônicos e nasce à nova estrutura, um álcool. O produto majoritário (formado em maior quantidade) é oriundo do carbocátion mais estável. 14.6 Substrato benzílico A solvólise do brometo de benzila fornece álcool benzílico e ácido bromídrico.

CH2Br CH2OH

HBrH2OE.L

248

CH2Br CH2

Br -E.L

Intermediário

Primeira etapa: formação do carbocátion intermediário

CH2CH2 CH2 CH2 CH2

Estabilidade por ressonância do intermediário

+

+

+

+

+

O intermediário formado é estabilizado por ressonância. Na próxima etapa a água participa como nucleófilo (base de Lewis) e faz a conexão no carbocátion benzila, dando origem a um álcool protonado.

CH2

O H2 E.R

CH2

OH

H

Br -CH2OH

desprotonação+ HBr

Segunda etapa: formação do álcool protonado

Este caso é interessante pelo fato de permitir a formação de carbocátion primário, não permitido nas reações SN1. A sua formação tem o apoio dos elétrons pi do anel aromático, que estabiliza por ressonância este carbocátion assim que ele se forma. As outras etapas envolvem procedimentos descritos anteriormente. O álcool formado é denominado de álcool benzílico. Ressonância orbitalar, mostra a movimentação da nuvem eletrônica nos orbitais p (figura 14.01).

CH2 CH2

CH2 CH2

Figura 14.01. Ressonância nos orbitais p da benzila.

249

Este movimento eletrônico ao longo dos orbitais p, é permitido devido a disposição espacial desses orbitais p, que se encontram perpendiculares a cada carbono sp2 formador do anel, como mostra a figura abaixo.

orbital híbrido sp2,formam as 3 ligações sigma do anel120o

orbital p , forma a ligação pi

Este carbono forma três ligações sigmas: uma com o hidrogênio e duas com os carbonos vizinhos.

ligação pi

O movimento eletrônico é permitido devido à proximidade dos orbitais p. Essa movimentação eletrônica levará a formação de um orbital p vazio no interior do anel, ocasionado pelo movimento de elétrons pi do orbital p do interior do anel para o orbital p vazio localizado fora do anel. Na reação a seguir, o substrato mostra a formação de um cabocátion secundário que se rearranja para um carbocátion benzílico terciário.

CH3

NH3 ?

Br

CH3

Br

Primeira etapa: formação do carbocátion

Br -

CH3

Secunda etapa: rearranjo do carbocátion secundário para carbocátionbenzílico terciário.O hidrogênio terciário migra na forma de hidreto .

CH3

NH3

Terceira etapa: conexão do nucleófilo nos carbocátion terciário e secundário

CH3NH3

250

CH3

Conexão do nucleófilo no carbocátion secundário

NH3

NH3

A reação nos forneceu duas aminas primárias protonadas, é necessário realizar a etapa de desprotonação para a obtenção dos produtos neutros. A etapa de desprotonação deve ser executada pela base mais forte presente no meio reacional.

Para esta reação, temos no meio reacional as bases NH3 e Br -, nesta situação, deve ser escolhida a base mais forte para a desprotonação. NH3 é uma base oriunda do NH4

+ que

possui pka= 9,2 enquanto que a base Br – é originada do HBr que possui pka= -9. O ácido mais forte vai dar origem a base mais fraca, sendo assim, a base mais forte é o NH3 .

CH3

H

H

H

+N NH3 CH3 NH2

+ NH4

Quarta etapa. Etapa de desprotonação.

CH3

NH3 NH2N+

HH

H

CH3

NH4

14.7 Substrato alílico

Este mecanismo mostra na primeira etapa, etapa lenta, a formação do carbocátion alila, que permite a deslocalização de elétrons por ressonância, se tornando por este motivo um carbocátion estável.

Na etapa lenta, também chamada de etapa determinante da velocidade da reação, ocorre a participação efetiva da água ajudando no isolamento das cargas opostas, formando assim o carbocátion.

Primeira etapa: formação do carbocátion alila primário.

251

C C

H

H H

CH2Br

E.LC C

H

H H

CH2

Br -C

H

H H

CH2

Intermediário carbocátion alila

C

Segunda etapa: conexão do nucleófilo no carbocátion. Nesta reação ácido-base, a

água desloca o par de elétrons do oxigênio rumo ao centro catiônico deficiente de elétrons e assim, a ligação química é formada entre o oxigênio da água e o carbono do intermediário. Desta forma é formado o álcool alílico protonado que após desprotonação fornece finalmente o álcool alílico.

C C

H

H H

CH2

E.R

H2O

C C

H

H H

CH2O

C C

H

H H

CH2OHH

Br -

Intermediáriocarbocátion alila

Desprotonação + Br -

H

A seguir vamos observar a deslocalização de elétrons nos orbitais p, neste processo é possível perceber a movimentação da nuvem eletrônica nos orbitais p.

14.8 Assistência anquimérica

A assistência anquimérica é o movimento de elétrons, oriundos de um heteroátomo localizado em carbono beta ao carbono halogenado, ou ainda de um anel aromático ligante de carbono beta ao carbono halogenado. Esse par de elétrons migra formando uma nova ligação com a liberação imediata do halogênio, que parte na forma de íon haleto. Terminado os movimentos eletrônicos forma-se o intermediário.

252

CH3CH2 S CH2CH2Xβ α

Carbono alfa conectado ao halogênio.

Carbono beta conectado ao heteroátomo portador de pares de elétrons não ligantes

X

α

β

HH

HH

CH3

No lugar do enxofre podemos ter oxigênio ou nitrogênioS

X

α

β

HH

HH

CH3

Veja como ocorre a assistência anquimérica.O par de elétrons do enxofre se conecta no Calfa que imediatamente despede o halogênio

S

α

β

HH

HH

CH3 intermediário

S

Após a formação do intermediário, o nucleófilo pode atacar tanto o carbono primário quanto o secundário e efetua a abertura do anel.

α

β

HH

HH

CH3H

H

HH

CH3Intermediário

OH

OH

Produto

S S

Nucleófilo efetuando ataque no carbono secundário.

α

β

HH

HH

CH3H

H

HH

CH3 Intermediário

OH

OH

Produto

S S

Prosseguindo, vamos visualizar a assistência anquimérica realizada pelos elétrons pi

do anel.

253

β α

X

H3C HH

β

α

H3C

H

H

X-

Pares de elétrons do anel prestando assistência anquimérica.

Intermediário

+

A reação a seguir mostra assistência anquimérica dos elétrons pi do anel. A formação do composto intermediário permite duas possibilidades de abertura para o anel de três formado, o que possibilita a formação de dois produtos diferentes.

CH3CHCH2 ClCH3CH

CH2

δ δ

H2O/ -OH Cl

Formação do intermediário. Os eletrons pi do anel se deslocam e ajudam na saída do cloro.

O nucleófilo promove a abertura do anel por dois caminhos diferentes, que foram

denominados de a e b.

CH3CHCH2 ClCH3CH

CH2

δ δ

a-OH

CH3CHCH2OH

aH2O/ -OH Cl

a

CH3CHCH2 ClCH3CH

CH2

δ δb

-OH

CH3CHCH2

bH2O/ -OH Cl

b

OH

A abertura do anel pelo caminho a, leva a formação de um álcool primário, observe

que a hidroxila efetua a conexão no carbono que antes continha o halogênio. Já a abertura do anel pelo caminho b, permite a formação de um álcool secundário,que aparece como produto majoritário, pois o nucleófilo hidroxila ataca o carbono menos hidrogenado.