Haletos de alquilo

Haletos de Alquilo: Substituição nucleofílica e eliminação

Sumário:

1- Nomenclatura

2- Estrutura dos haletos de alquilo

3- Propriedades físicas

4- Preparação dos haletos de alquilo:

a. Halogenação por radicais livres

b. Halogenação alquilica

5- Reacções dos haletos de alquilo: generalidades

a. Reacção SN2: generalidades; factores que a afectam; força do

nucleofilo; efeitos estéreos e efeitos do solvente na nucleofilidade;

reactividade do substrato na SN2: efeito do grupo abandonante e

efeitos estéreos; estereoquímica.

b. Reacção SN1: generalidades; efeitos do substituinte; efeitos do

grupo abandonante; efeitos do solvente; estereoquímica;

rearrangos na reacção SN1.

c. Comparação entre as reacções SN1 e SN2.

Nomenclatura

Existem 3 classes de haletos de alquilo:

1- Haletos de alquilo: o halogéneo está directamente ligado ao carbono com

hibridação sp3

2- Haletos de vinil: o halogéneo está directamente ligado ao carbono sp2 do

alceno

Química Orgânica I 1

Haletos de alquilo

3- Haletos de arilo: o halogéneo está ligado ao carbono sp2 do anel

benzénico.

Os haletos de alquilo também podem ser classificados de acordo com a

natureza do átomo de carbono ligado ao halogéneo:

1- Haletos primários:

2- Haletos secundários:

3- Haletos terciários:

Dihaletos de alquilo podem ser:

a) Geminal: os dois halogéneos ligados ao mesmo carbono

b) Vicinal: os dois halogéneos ligados a carbonos vizinhos

Estrutura dos haletos de alquilo

Os halogéneos são mais electronegativos que o carbono pelo que a ligação C-X

apresenta um momento dipolar em que carga parcial positiva fica no átomo de

carbono e a carga parcial negativa fica no halogéneo:

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Variação da electronegatividade:

I (2,7) < Br (3,0) < Cl (3,2)< F (4,0)

Variação do comprimento da ligação C-X

C-F (1,38 Å) < C-Cl (1,78 Å) < C-Br (1,94 Å) < C-I (2,14 Å)

Estes dois efeitos opõem pelo que o resultado final é o aumento do momento

dipolar na seguinte ordem:

C-I (1,29 D) < C-Br (1,48 D) < C-F (1,51 D) < C-Cl (1,56 D)

O dipolo molecular depende da forma

Propriedades físicas

Duas forces intermoleculares influenciam os pontos de ebulição:

1-as forças de dispersão de London: aumentam com o aumento do tamanho dos

átomos e da superfície

2- atracção dípolo-dípolo: não é significativamente diferente para os diferentes

halogéneos

O aumento da massa molecular também ocorre um aumento dos pontos de

ebulição.

Química Orgânica I 3

Haletos de alquilo

Quanto às densidades os fluoretos e os cloretos de alquilo são menos densos

que a água já os dicloretos, os brometos e os iodetos de alquilo são mais

densos que a água.

Preparação dos haletos de alquilo:Muita da síntese de alcanos utiliza a química dos grupos funcionais que ainda

não estudamos pelo que apenas vamos rever a halogenação de alcanos.

Halogenação de alcanos

(já foi dada)

Halogenação alilica

Produz haletos de alquilo com dupla ligação no átomo de carbono vizinho.

Química Orgânica I 4

Haletos de alquilo

Mecanismo:

A halogenação alilica é selectiva porque o intermediário é estabilizado por

ressonância. O uso de elevada quantidade de bromo deve ser evitado pois

pode adicionar à dupla ligação. O N-bromosuccimide pode ser usado como

fonte de bromo pois combina-se com o HBr gerando baixa concentração de

brometo.

Reacções dos haletos de alquilo - reacção SN2

Generalidades

Os haletos de alquilo facilmente se convertem noutros grupos funcionais. O

átomo de halogéneo é um bom grupo abandonante, uma vez que forma um ião

haleto estável acumulando o par de electrões da ligação até então formada com

o carbono. Quando ocorre a substituição por outro átomo estamos na presença

de uma reacção de substituição. Quando o ião haleto sai da molécula com outro

átomo (normalmente o hidrogénio) a reacção é de eliminação. Nestas situações

forma-se um alceno e a eliminação chama-se deshidrohalogenação.

Substituição e eliminação normalmente competem entre si.

Química Orgânica I 5

Haletos de alquilo

Substituição nucleofílica

Na substituição nucleofílica, o nucleofilo (Nuc-) substitui o grupo abandonante

(X-) no átomo de carbono. Na eliminação o ião haleto e outro substituinte são

perdidos.

Exemplo de substituição nucleofílica:

Mecanismop da reacção (SN2)

A reacção decorre num único passo. Trata-se de um mecanismo concertado.

Diagrama de energia mostra apenas um máximo de energia que corresponde ao

estado de transição. Não existe intermediários.

Química Orgânica I 6

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O mecanismo é suportado pelos dados cinéticos:

, o kr é a constante de velocidade e depende da

energia do estado de transição e da temperatura.

SN2 significa Substituição Nucleofílica Bimolecular. Bimolecular significa que no

estado de transição do passo limitante envolve a colisão de duas moléculas.. As

reacções bimolecular são de ordem total igual a dois.

Reacções de troca de halogéneos

A síntese de iodetos e fluoretos de alquilo é mais difícil que a síntese de cloretos

e brometos pelo que a reacção SN2 permite esta conversão. O iodeto é um bom

nucleofilo pelo que a reacção ocorre directa entre o iodeto de sódio e o cloreto

ou brometo de alquilo. Já o fluoreto é mau nucleófilo pelo que é necessário

utilizar um solvente aprótico e um éter coroado para “aumentar” a sua

nucleofilidade.

Química Orgânica I 7

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Síntese de outras classes de compostos usando a reacção SN2

Factores que a afectam a reacção SN2

1- força do nucleofilo;

2- efeitos estéreos na nucleofilidade

3- efeitos do solvente na nucleofilidade;

4- reactividade do substrato na SN2:

a. efeito do grupo abandonante

b. efeitos estéreos

Força do nucleófilo

Nucleófilos fortes reagem mais rapidamente. Bases fortes são nucleófilos

fortes, mas nem todos os nucleófilos são bases.

A base é sempre um nucleófilo mais forte que o seu ácido conjugado.

Química Orgânica I 8

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Basicidade é definida por uma constante de equilibrio para a abstracção do

hidrogénio. Nucleofilidade é definida pela velocidade de ataque no átomo de

carbono electrofilico. Em ambos os casos , o nucleófilo (ou base) forma uma

ligação nova. Se a nova ligação é a um protão, quem reage é a base, se a nova

ligação é a um carbono, quem reagiu foi um nucleófilo.

A tabela mostra os nucleófilos mais comuns por ordem decrescente de

nucleofilidade nos solventes como álcoois e água.

Na tabela periódica:

1- diminui da direita para a esquerda; quanto mais electronegativos são os

átomos menos ligações tendem a formar: OH- > F-, NH3 > H2O

2- Aumenta no grupo de cima para baixo, à medida que o tamanho e a

polarizabilidade aumenta: I- > Br- > Cl-

Química Orgânica I 9

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O efeito da polarizabilidade pode ser verificado comparando as reacções com o

fluor e o iodo e um mesmo substrato. O fluor é um nucleófilo de baixa

polarizabilidade, pelo que o seu núcleo tem que se aproximar muito do átomo de

carbono para que haja sobreposição de orbitais de modo a formar a ligação. Em

oposição , o iodo tem 5 camadas, pelo que é um nucleófilo de elevada

polarizabilidade. A sobreposição de orbitais entre I e carbono começa com os

átomos ainda longe.

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Efeitos estéreos na nucleofilidade

Um nucleófilo muito impedido torna-o mais fraco. Exemplo o t-butoxido é uma

base mais fraca mas um nucleófilo mais fraco que o etóxido.

CH3 CH2 O ethoxide (unhindered)weaker base, but stronger nucleophile

Efeitos do solvente na nucleofilidade

Os solventes polares próticos, têm hidrogénios acidicos na forma de O-H ou N-H

reduzem a força do nucleófilo. As ligações de hidrogénio têm que ser quebradas

antes de haver o ataque nucleófilo.

Os iões mais pequenos são solvatados mais fortemente que os maiores pelos

solventes próticos porque o solventes aproxima-se mais do ião e forma pontes

de hidrogénio mais fortes. A polarizabilidade aumenta com o número atómico

enquanto a energia de solvatação diminui com o aumento do número atómico .

Portanto a nucleofilidade (em solventes próticos) geralmente aumenta ao longo

da coluna na tabela periódica , desde que comparemos especies semelhantes

com cargas semelhantes.

Em contraste com os solventes próticos, os solventes apróticos aumentam a

nucleofilidade dos aniões. Não há formação de pontes de hidrogénio.

Química Orgânica I 11

C

CH3

H3C

CH3

O

t-butoxide (hindered)stronger base, but weaker nucleophile

Haletos de alquilo

Os solventes polares apróticos tem um grande momento dipolar contudo não

têm grupos O-H nem N-H pelo que não formam pontes de hidrogénio com

aniões. Ex: acetonitrilo, dimetilformamida e acetona. Podem ser usados para

aumentar a solubilidade sem afectar a reactividade do nucleófilo.

CH3 C Nacetonitrile

dimethylformamide (DMF)

CH

O

NCH3

CH3

O uso de éteres coroados permite que a solubilização dos nucleófilos nos

solventes apróticos. Exemplo é o uso do acetonitrilo como solvente reacção em

que o fluor é o nucleófilo.

O

O

O

O

OO

K+

18-crown-6

Reactividade do substrato na SN2

O substrato é o haleto de alquilo ou seja o composto que é atacado pelo

reagente. Existem outros substratos para além do haletos de alquilo. Para ser

um bom substrato na reacção SN2, a molécula tem que ter um carbono

electrofílico com um bom grupo abandonante e não pode ser impedido

estereamente para o nucleófilo poder atacar.

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C

O

H3C CH3

acetone

CH2ClKF, (18-crown-6)

CH3CN

CH2F

Haletos de alquilo

O efeito dos grupos abandonantes no substrato

O grupo abandonante tem dois efeitos nas reacções SN2: (a) polariza a ligação

C-X tornando o átomo de carbono mais electrofílico; (b) e leva o par de electrões

que estabelecia a ligação com o átomo de carbono electrofilico.

Características de um bom grupo abandonante:

(a) Electrão atractor de modo a polarizar o átomo de carbono criando uma

carga parcialmente positiva. Estabiliza a carga negativa do estado de

transição;

(b) Estável (uma base fraca), pelo que favorece energeticamente o estado de

transição;

Moléculas neutras podem ser bons grupos abandonantes. Elas formam-se

apartir de electrófilos carregados positivamente. Exemplo:o álcool em

solução acidica o grupo hidroxilo é protonado e a água é o grupo

abandonante.

(c) polarizável, de modo a estabilizar o estado de transição e reduzir a

energia de activação. O iodo é um bom nucleófilo e um bom grupo

Química Orgânica I 13

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abandonante. Já o flúor é um mau nucleófilo (em solventes próticos) e

um mau grupo abandonante nas reacções SN2.

Efeitos estereos no substrato

É o factor mais importante na reactividade na SN2. A velocidade relativa para a

reacção SN2 é: CH3X > 1° > 2° >> 3°

A parte de trás do átomo de carbono é muito impedida estereamente pela

presença de grupos volumosos, no caso de carbonos terciários. O impedimento

estéreo diminui quando se fala dos carbonos secundários e depois primários.

Estereoquímica da reacção SN2

Ocorre a inversão da configuração, dado que ocorre o ataque do nucleófilo pela

parte de trás no átomo de carbono e o grupo abandonante encontra-se na

posição estereoquimicamente oposta.

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Substituição nucleofílica de 1ª Ordem: reacção SN1Um exemplo é a reacção entre brometo de t-butilo com o metanol que

além de solvente é nucleófilo. Neste a caso a reacção é uma solvólise.

Neste caso o nucleófilo é fraco e o substrato é impedido estereamente,

pelo que a reacção só ocorre praticamente por o mecanismo SN1. A sua

velocidade depende apenas da concentração do substrato.

Velocidade = kr[(CH3)3C-Br)]

A velocidade da reacção é de primeira ordem e depende apenas do

substrato. Sendo assim o nucleófilo não está presente na formação do estado

de transição do passo limitante da velocidade da reacção.

Mecanismo da reacção

Em termos gerais o mecanismo é:

Química Orgânica I 15

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Diagrama de energia da reacção SN1:

1- A formação do carbocatião é endotérmica;

2- Tem dois estados de transição

3- Tem um carbocatião como intermediário

A SN2 tem apenas um estado de transição e não tem intermediário.

Os reagentes e condições de reacção que favorecem a formação do

carbocatião (o passo lento) aceleram a reacção SN1.

Vamos ver o efeito dos substituintes, efeito do grupo abandonante e o

efeito do solvente na velocidade da reacção SN1.

Efeito dos substituintes na SN1

A velocidade da reacção depende grandemente da estabilidade do carbocatião.

Os grupos alquilo estabilizam o carbocatião devido ao efeito doador de electrões

através da ligação sigma (efeito indutivo) e por sobreposição das orbitais

preenchidas com as orbitais p vazias do carbocatião (hiperconjugação). Pelo

que carbocatiões substituídos são mais estáveis.

A reactividade dos haletos de alquilo via SN1 é igual à ordem de estabilidade dos

carbocatiões e é inversa aquela via SN2.

Química Orgânica I 16

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O efeito de ressonância do carbocatião também promove a reacção SN1.

O efeito do grupo abandonante

O grupo abandonante quebra a sua ligação no passo determinante da reacção

do mecanismo SN1. Um grupo abandonante altamente polarizável ajuda a

estabilizar o estado de transição.

O grupo abandonante deve ser uma base fraca, muito estável depois o substrato

com o par de electrões que estabeleciam a ligação ao carbono.

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Estereoquímica da reacção SN1

A reacção SN1 não é estereoespecifica como a SN2. O carbocatião intermediário

é planar com hibridação sp2 podendo o nucleófilo atacar pela parte da frente (o

mesmo lado do grupo abandonante) formando-se um produto com retenção da

configuração, se o nucleófilo atacar por trás o produto formado tem inversão da

configuração. Ocorre então racemização. Contudo a racemização raramente é

completa ocorrendo normalmente mais inversão da configuração do que

retenção, já que o grupo abandonante bloqueia parcialmente a parte da frente

do carbocatião.

A figura que se segue mostra este processo de racemização com o substrato

quiral.

Exemplo com cis-1-bromo-3-deuteriociclopentano com substrato em metanol

Química Orgânica I 18

Haletos de alquilo

Rearranjos na reacção SN1

Os carbocatiões podem rearranjar tornando-se mais estáveis. Podem ocorrer

migração de hidretos (H-) ou migração de grupos metil.

1º Caso: migração de hidreto

2º Caso: migração do grupo metil

Química Orgânica I 19

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Comparação entre SN1 e SN2

SN2 SN1

Primário ou metil Terciário

Nucleófilo forte Nucleófilo fraco (pode ser o solvente)

Solvente polar aprótico Solvente polar prótico

Velocidade = k[haleto][Nuc]

Inversão no carbono quiral

Velocidade = k[haleto]

Racemização composto ópticamente

activo

Não existe rearranjos Produtos rearranjados

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Eliminação de 1ª Ordem: Reacção E1

A eliminação envolve a perda de dois átomos do substrato com a formação da

ligação pi. Dependendo dos reagentes e condições envolvidas a eliminação

pode ser um processo de 1ª ordem (E1) ou de 2ª ordem (E2).

Mecanismo e cinética da reacção E1

Eliminação unimolecular: a formação do estado de transição limitante da

velocidade da reacção envolve apenas uma única molécula, o subtrato. O

passo lento da reacção é a formação do carbocatião. O segundo passo da

reacção é rápido e consiste na abstracção do protão de um átomo de carbono

adjacente ao C+ - o nucleófilo funciona como base. Os electrões que formavam

a ligação C-H passam a formar a ligação pi entre os dois átomos de carbono. O

mecanismo geral é

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Haletos de alquilo

Competição com a reacção SN1

A eliminação E1 quase sempre ocorre com a SN1. Existe competição entre as

duas reacções. Exemplo é o brometo de t-butilo com etanol.

Este tipo de reacções não são usadas em síntese orgânica, porque conduzem a

uma mistura de produtos.

Orbitais e energia

No segundo passo do mecanismo E1, o átomo de carbono seguinte ao C+

rehibrida para sp2 enquanto a base ataca o protão e os electrões formam a

ligação pi.

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O carbocatião que se forma pode sofrer rearranjo:

O diagrama de energia potencial na E1mostra que o passo da ionização é

fortemente endotérmico, com o estado de transição limitante da velocidade da

reacção. O segundo passo de desprotonação pela base é rápido e exotérmico.

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Eliminação de 2ª Ordem: Reacção E2

A eliminação bimolecular ocorre quando a base é forte e dá-se a saída em

simultâneo do haleto e a abstracção do protão. O exemplo é brometo de t-butilo

e o metóxido em metanol. Neste caso não se observa produtos resultantes de

substituição uma vez que o haleto de alquilo terciário é muito impedido

estereamente.

Mecanismo da reacção E2

Existem casos que pode ocorrer a formação de uma mistura de produtos:

isto ocorre quando existe protões “iguais” em átomos de carbono vizinhos do

átomo com o halogéneo.

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Orientação posicional da eliminação: Regra de Saytzeff

Se é possível obter mais do que um produto resultante da eliminação, forma-se

em maior quantidade o produto cuja dupla ligação é mais substituida (Regra de

Saytzeff). As reacções em que se forma o alceno mais substituido seguem uma

orientação Saytzeff.

Ordem de estabilidade dos alcenos:

Estereoquímica das reacções E2

A E2 segue um mecanismo concertado: a formação e quebra da ligação ocorre

simultâneamente.

Para ocorrer eliminação via E2 é necessário um arranjo coplanar das orbitais. A

figura que se segue mostra as duas conformações possíveis para um

alinhamento coplanar do grupo abandonante, do hidrogénio e dos dois átomos

de carbono. Quando o hidrogénio e o halogénio são anti (θ = 180º) as suas

orbitais estão alinhadas. A conformação chama-se anti-coplanar. Quando o

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R2C=CR2 > R2C=CHR > RHC=CHR > H2C=CHR tetra > tri > di > mono

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hidrogénio e o halogéneo estão em eclipse (θ = 0º) uma vez mais as suas

orbitais estão alinhadas. Esta conformação chama-se sin-coplanar.

Dentro destas duas conformações o arranjo mais comum nas reacções E2 é o

anti-coplanar, dado que o estado de transição é de mais baixa energia.

A reacção E2 é estereoespecífica.

E1 E2

Terciários > Secundários Terciários > Secundários

Base fraca Base forte

Solvente polar A polaridade do solvente não é

importante

Velocidade = k[haleto] Velocidade = k[haleto][base]

Produto Saytzeff Produto Saytzeff

Não requer geometria Grupos abandonantes coplanares

(normalmente anti)

Há rearranjos Não há rearranjos

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