Reações de Substituição Nucleofílica e de Eliminação

DQOI - UFCProf. Nunes

Reações de Substituição Nucleofílica em Carbonos Saturados

Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr.

Universidade Federal do CearáCentro de CiênciasDepartamento de Química Orgânica e InorgânicaQuímica Orgânica II

1 Atualizado em abr/2017

https://www.youtube.com/watch?v=kNI4JCsGx7M


Reações de Substituição Nucleofílica envolver a troca de um grupo funcionalpor outro:

Em cada reação de substituição, existe um eletrófilo, um nucleófilo e umgrupo abandonador.

nucleófilo

Nu R X: + R Nu + X-

grupo abandonadorheterólise

Substituição NucleofílicaSubstituição Nucleofílica

2


Um grupo abandonador exerce duas funções importantes:

1) Retira densidade eletrônica por efeito indutivo, tornando o átomocarbono adjacente eletrofílico. Isto pode ser visualizado através dosmapas de potencial eletrostático dos haletos de alquila.

2) Pode estabilizar qualquer carga negativa que se desenvolve comoresultado da saída do grupo do substrato.

Substituição NucleofílicaSubstituição Nucleofílica

3carga estabilizada


Os nucleófilos mais freqüentes encontrados em transformações de gruposfuncionais são ânions, os quais são usados na forma de sais com seuscontra-íons (metais, M) mais comuns: Li+, Na+, K+.

MOCR (carboxilato, RCO-)MOR (alcóxido, RO-)MSH (hidrogeno sulfeto, HS-)MCN (cianeto, -C≡N)MN3 (azoteto, N3

-)

A porção aniônica dos sais substitui o halogênio nos haletos de alquila.

NucleófilosNucleófilos

4

O O


1) Mecanismo Concertado: ataque nucleofílico sobre o carbono eletrofílicopromove a quebra da ligação entre o carbono o grupo abandonador

2) Mecanismo em duas etapas (a): Grupo abandonador sai, gera um carbocátionque é atacado pelo nucleófilo.

3) Mecanismo em duas etapas (b): Ocorreria a adição do nucleófilo composterior saída do grupo abandonador. Impossível, pois implicaria naformação de um carbono com 5 ligações.

Possíveis Mecanismos de SubstituiçãoPossíveis Mecanismos de Substituição

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ataquenucleofílico

saída dogrupo

abandonador

saída dogrupo

abandonadorataque nucleofílico

Carbono teria 5 ligações


Durante a década de 1930, Sir Christopher Ingold e Edward D.Hughes (University College, Londres) investigaram as reaçõesde substituição para elucidarem o seu mecanismo.

Com base em dados cinéticos e observações estereoquímicas,Ingold e Hughes

� propuseram um mecanismo concertado paramuitas das reações de substituição queinvestigaram.

Mecanismos SN2Mecanismos SN2

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ataquenucleofílico

saída dogrupo

abandonador


Dados cinéticos:

V = K [substato] [nucleófilo]


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H3C Br + HO- H3C OH Br -+

experimento [CH3Br] [OH-] Velocidade inicial

01 0,001 1,0 4,8 x 10-7

02 0,002 1,0 9,8 x 10-7

03 0,001 2,0 9,8 x 10-7

04 0,002 2,0 19,6 x 10-7

A variação da velocidade mostrou-se diretamente proporcional à variaçãodas concentrações dos reagentes, definindo uma ordem 1 para cadareagente e ordem geral 2 para a lei de velocidade para a reação.

Substituição

Nucleofílica

Bimolecular



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Mecanismos SN2 - Diagrama de EnergiaMecanismos SN2 - Diagrama de Energia

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A estereoespecificidade das reações foi outra evidencial crucional quelevou os pesquisadores a proporem o mecanismo concertado.

� Quando a posição α é um centro de quiralidade, observa-se umainversão de configuração no produto, em relação ao reagente.

A inversão de configuração significa que o nucleófilo só pode atacar a partirdo lado de trás (lado oposto ao do grupo de saída), e nunca a partir do ladoda frente.

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ataque por trás

ataque pela frente

α

Estereoquímica de Reações SN2Estereoquímica de Reações SN2


1) Os pares de elétrons livres do grupo abandonador criam uma região dealta densidade eletrônica que efetivamente bloqueia o lado da frente dosubstrato.

2) A Teoria do Orbital Molecular fornece uma resposta mais sofisticada.Lembre-se que os orbitais moleculares estão associados com amolécula inteira. De acordo com a TOM, a densidade de elétrons flui doHOMO do nucleófilo para o LUMO do eletrófilo.


ataque por trás

ataque pela frente

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nodo


Se um nucleófilo ataca o brometo de metila a partir do lado da frente, onucleófilo vai encontrar um nodo e, como resultado, não haverá ligação apartir da sobreposição entre o HOMO do nucleófilo e o LUMO do eletrófilo.

Em contraste, o ataque nucleófilo pelo lado de trás

� permite a sobreposição eficiente entre o HOMO do nucleófilo eo LUMO do eletrófilo.


ataque por trás

ataque pela frente

12

nodo


O resultado estereoquímico observado para um mecanismo SN2 (inversãode configuração) é consistente com um mecanismo concertado.

� O ataque nucleófilo (pelo lado de trás) com perda simultânea dogrupo abandonador.

� Isso faz com que o centro de quiralidade se comportecomo um guarda-chuva invertido pelo vento:

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Em reações SN2, Ingold e Hughes também verificou que:

� a velocidade era sensível à natureza do haleto de alquila.

Estrutura do Substrato – SN2Estrutura do Substrato – SN2

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Reatividaderelativa

Maisreativo

Menosreativo

Lento demaispara medir

Metil Primário Secundário Terciário


Para compreender a natureza dos efeitos estéricos que governam asreações SN2, devemos explorar o estado de transição da reação.

Lembre-se que um estado de transição é representado por um máximo deenergia em um diagrama de energia.


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EnergiaLivre (G)

Coordenada da reação

“quanto maior a energia do estado de

transição (Ea), mais lenta será a

velocidade da reação.”

Com isto em mente, poderemos explorar o efeito do impedimento estérico sobre a

diminuição da velocidade da reação.


Observe com atenção o estado de transição.

O nucleófilo (N≡C-) está no processo de formação de um ligação com osubstrato, e o grupo abandonador quebrando sua ligação com o substrato.

Note que há uma carga parcial negativa em ambos os lados do estado detransição.


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Se os átomos de hidrogênio forem substituídos por grupos alquila,interações estéricas gerarão um estado de transição de maior em energia,aumentando a Ea para a reação e, consequentemente, diminuindo avelocidade da reação.


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EnergiaLivre (G)


EnergiaLivre (G)

EnergiaLivre (G)

Coordenada da reação Coordenada da reação

NC-

NC-

NC-


O impedimento estérico na posição β também pode diminui a velocidade dareação. Por exemplo, considere a estrutura de brometo de neopentila.

Ele é um haleto de alquila primário, mas tem três grupos metila ligados aocarbono β. Estes grupos metila proporcionarão impedimento estéricofazendo com que a energia do estado de transição seja muito elevada, e avelocidade da reação muito lenta.

A velocidade de reação de um substrato neopentilo é semelhante à taxa deum substrato terciário em reações SN2. é Um exemplo de um haleto dealquilo primária que, essencialmente, não sofre uma reação SN2.


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Mecanismo – SN1Mecanismo – SN1

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O segundo mecanismo possível para uma reação de substituição é ummecanismo multi-etapas em que há

1) a perda do grupo abandonador, para formar um intermediáriocarbocátion,

2) seguido por ataque nucleofílico ao carbocátion intermediário.

saída dogrupo

abandonadorataque nucleofílico

carbocátionintermediário



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Muitas reações parecem seguir este mecanismo. Mais uma vez, existemvárias evidências que suportam este mecanismo nesses casos.

Evidências cinéticas: Muitas reações de substituição não exibem umacinética de segunda ordem. Considere o seguinte exemplo:

Nestas reações, a concentração do nucleófilo é completamente irrelevante.

V = K [haleto de alquila]

Substituição

Nucleofílica

Unimolecular



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V = K [haleto de alquila]

Etapa determinanteda velocidade da reação

A velodicade da reação SN1 é afetada apenas por fatores que afetam a velocidade de saída do grupo abandonador.

O aumento da concentração de nucleófilo não possui nenhum impacto sobre a velocidade da etapa lenta.

Portanto, a reação SN1 é consistente com um mecanismo multi-etapa, no qual a primeiro etapa é a determinante da velocidade.

EnergiaLivre (G)



Mecanismo – SN1 – Diagrama de EnergiaMecanismo – SN1 – Diagrama de Energia

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Mecanismo SN1 – EstereoquímicaMecanismo SN1 – Estereoquímica

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Lembre-se que as reações SN2 ocorrem com inversão de configuração:

Em contraste, as reações SN1 envolve a formação de um intermediáriocarbocátion, que pode, então, ser atacado por ambos os lados pelonucleófilo, que provoca tanto a inversão de configuração como a retençãode configuração nos produtos.

inversão daconfiguração

50%

retenção daconfiguração

50%



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Na prática, no entanto, as reações SN1 raramente produzem quantidadesexatamente iguais de produtos de inversão e de retenção de configuração.

Geralmente, há uma ligeira preferência para o produto de inversão.

A explicação aceita envolve a formação depares de íons.

Quando o grupo abandonador sai, ele ficamuito perto do carbocátion, formando umpar iônico.

Se o ataque nucleofílico ao carbocátionocorrer enquanto ele ainda estiverparticipando do par iônico, o grupo quesaiu bloqueará o ataque do nucleófilo poraquela trajetória.

Como resultado, o nucleófilo vai atacarmais vezes pelo lado oposto ao grupo desaída, levando a uma ligeira preferênciapor inversão sobre o de retenção.

grupo abando-

nador

grupo abando-nador

par iônico

Produto de retenção

<50%

Produto de inversão

>50%



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29

Desenhe o produto da seguinte reação SN1.

Produto de retenção

<50%

Produto de inversão

>50%


Mecanismo SN1 – Estrutura do SubstratoMecanismo SN1 – Estrutura do Substrato

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A velocidade de uma reação SN1 é

� altamente dependente da natureza do substrato,

� mas a tendência é o inverso da tendência que vimos parareações SN2.

� Em reações SN1, substratos terciários reagem mais rapidamente,que os substratos de metila, e os haletos de alquila primáriossão, na sua maioria, não reativos.



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Em reações SN2, o impedimento estérico era o problema porque o nucleófiloestava atacando diretamente o substrato.

Em contraste, em reações SN1, o nucleófilo não ataca o substratodiretamente.

� Em vez disso, o grupo abandonador sai primeiro, resultando naformação de um carbocátion. Esta etapa é a etapa determinanteda velocidade da reação .

Uma vez que o carbocátion é formado, ele é capturado rapidamente pelonucleófilo.

A velocidade da reação é de apenas dependente da rapidez com que o grupoabandonador forma o carbocátion.

� O fator dominante torna-se agora a estabilidade carbocátion.



32

� O fator dominante torna-se agora a estabilidade carbocátion.

Lembre-se que os carbocátions são estabilizadas por grupos alquilavizinhos.



33

Portanto, a formação de uma carbocátion terciário terá um Ea menor do quea formação de uma carbocátion secundário.

A maior Ea associada à formação de uma carbocátion secundário pode serexplicado pelo postulado de Hammond.

� o estado de transição para a formação de um carbocátionterciário terá energia próxima à do próprio carbocátion terciário.Portanto, a formação de uma carbocátion terciário envolverá umaEa menor.

EnergiaLivre (G)


EnergiaLivre (G)


substrato 2o substrato 3o


Mecanismo SN1 – Transferência de Próton no InícioMecanismo SN1 – Transferência de Próton no Início

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Antes das duas etapas fundamentais de um mecanismo SN1,

� uma transferência de próton será necessária sempre o grupo desaída for um grupo OH.

� O íon hidróxido é um grupo de saída ruim e não vai sairá por si só.

� Será necessário protonar a hidroxila antes. Desta, o grupo abandonadorserá uma molécula de água muito mais estável que o íon hidróxido.

Grupo abandonador

ruim

Grupo abandonador

excelente


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Ataquenucleofílico

Saída dogrupo

abandonador

Transferênciado próton



Mecanismo SN1 – Transferência de Próton no FinalMecanismo SN1 – Transferência de Próton no Final

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Após as duas etapas principais de um mecanismo SN1, uma transferênciade próton será necessária sempre que o nucleófilo for neutro (não carregadonegativamente).

Ataquenucleofílico

Saída dogrupo

abandonador Transferênciado próton



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Sempre que o nucleófilo que ataca for neutro, uma transferência de prótonserá necessária, no final do mecanismo.

Abaixo está mais um exemplo. As reações como esta, em que os solventesatuam como nucleófilo, são chamados de reações de solvólise.

Ataquenucleofílico

Saída dogrupo

abandonador Transferênciado próton


Mecanismo SN1 – Rearranjo do CarbocátionMecanismo SN1 – Rearranjo do Carbocátion

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Rearranjodo

carbocátion

Saída dogrupo

abandonador Carbocátion2o

Carbocátion3o

Ataquenucleofílico




Mecanismo SN1 – Rearranjo do CarbocátionMecanismo SN1 – Rearranjo do Carbocátion

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Rearranjodo

carbocátion

Saída dogrupo

abandonador

Ataquenucleofílico



EnergiaLivre

(G)




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Uma transferência de próton também é necessária no início de um processoSN2, se o grupo de saída for uma hidroxila.

AtaqueNucleofílico

e

Saída dogrupo

abandonador




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Uma transferência de próton também é necessária no início de um processoSN2, se o grupo de saída for uma hidroxila.

AtaqueNucleofílico

e

Saída dogrupo

abandonador




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Uma transferência de próton vai ocorrer no final de um processo SN2 se onucleófilo for neutro. Por exemplo, considere a seguinte reação de solvólise:

AtaqueNucleofílico

e

Saída dogrupo

abandonador



Qual Mecanismo Predomina?Qual Mecanismo Predomina?

43

A fim de desenhar os produtos de uma reação de substituição específica,

� é preciso primeiro identificar o mecanismo da reação

� como sendo SN1 ou SN2.

� Se a substituição estiver ocorrendo em um centro de quiralidade,então temos de saber se ocorreu

� inversão de configuração (SN2) ou� racemização (SN1).

� Se o substrato é susceptível a rearranjo de carbocátion, então temosde saber

� se ocorreu rearranjo (SN1) ou� se rearranjo não é possível (SN2).


Qual Mecanismo Predomina?Qual Mecanismo Predomina?

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Quatro fatores têm um impacto sobre se uma reação particular irá ocorreratravés de um mecanismo SN2 ou um SN1:

1) o substrato,2) o grupo de saída,3) o nucleófilo, e4) o solvente

Devemos aprender a olhar para todos os quatro fatores, um a um, paradeterminar se os fatores favorecem o mecanismo SN1 ou SN2.


Qual Mecanismo Predomina? O SubstratoQual Mecanismo Predomina? O Substrato

45

A identidade do substrato é o fator mais importante na distinção entre SN2 eSN1.

� SN2 > substrato influencia no impedimento estereoquímico no estado detransição,

� SN1 > substrato influencia na estabilidade do carbocátion.

Para resumir:� metila e substratos primários favorecem SN2.� substratos terciárias favorecem SN1.� substratos secundários e alílicos e benzílicos podem reagir por

meio de qualquer um dos mecanismos.� substratos vinílicos e arila não reagem através de qualquer

mecanismo.

velocidade velocidade

substrato substrato


Lembre-se que a velocidade de um processo SN2

� é dependente da concentração de nucleófilo.� é dependente da força do nucleófilo.

Em contraste, um processo SN1 a velocidade da reação

� não é afetada pela concentração ou força do nucleófilo� porque o nucleófilo não participa da etapa determinante

da velocidade e da reação.

Qual Mecanismo Predomina? O NucleófiloQual Mecanismo Predomina? O Nucleófilo

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Em resumo, o nucleófilo tem o seguinte efeito sobre a concorrência entre osSN2 e SN1:

� Um nucleófilo forte favorece SN2.� Um nucleófilo fraco desfavorece SN2 (e, assim, permite que

SN1 compita com sucesso)

Portanto, devemos aprender a identificar nucleófilos fortes e fracos.

Qual Mecanismo Predomina? O NucleófiloQual Mecanismo Predomina? O Nucleófilo

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Fortes Fracos


Ambos os mecanismos SN1 e SN2 são sensíveis à identidade do grupoabandonador.

Se o grupo abandonador é ruim, então

� nenhum mecanismo pode operar, mas reações SN1 sãogeralmente mais sensíveis ao grupo abandonador do que asreações SN2.

� Por quê?

� Recorde-se que a etapa determinante da velocidade deum processo SN1 é a saída do grupo abandonador, paraformar uma carbocátion e um grupo de saída.

Qual Mecanismo Predomina? O Grupo AbandonadorQual Mecanismo Predomina? O Grupo Abandonador

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Nós já vimos que a velocidade desta etapa é muito sensível

� à estabilidade do carbocátion,� mas também é sensível à estabilidade do grupo de saída.

O grupo de saída deve ser altamente estabilizado,

� para que um processo SN1 seja eficaz.


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O que determina a estabilidade de um grupo abandonador?

Como regra geral,� bons grupos abandondores são bases conjugadas de

ácidos fortes. Por exemplo, iodeto (I-) é uma baseconjugada de um muito ácido forte (HI).


50

ácido forte base conjugada(fraca)


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ácido pka base conjugada

ácido+ forte

ácido+ fraco

base + estável

base- estável

Bonsgrupos

abandonadores

Ruinsgrupos

abandonadores


Os grupos abandonadores mais utilizados são

� os halogenetos e� os íon sulfonato.


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haletos Íons sulfonato

Iodeto brometo cloreto tosilato mesilato triflato


As reações de substituição nucleofílica ocorrem em soluções homogêneas apartir de solventes

� capazes de solubilizar tanto o haleto de alquila comoo sal do nucleófilo.

As misturas de solventes (EtOH+H2O) podem, frequentemente,� dissolver quantidade suficiente de ambos.

Muitos sais, bem como a maioria dos haletos de alquila,� são solúveis em DMSO (dimetil sulfóxido).

Os solventes orgânicos solubilizam os haletos de alquila,� mas não solubilizam os sais iônicos (nucleófilos).

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O SolventeO Solvente


A escolha de solvente pode ter um efeito profundo� sobre as velocidades de reações SN2 e SN1.

Os solventes polares podem ser classificados como� próticos (conter pelo menos um átomo de hidrogênio ligados

diretamente a um átomo eletronegativo) e

� apróticos (não contêm átomos de hidrogênio ligadosdiretamente a um átomo eletronegativo).

Estes dois diferentes tipos de solventes� têm efeitos diferentes sobre as velocidades de processos SN1 e SN2.

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Os solventes polares podem ser classificados como

� próticos (contêm pelo menos um átomo de hidrogênio ligadodiretamente a um átomo eletronegativo) e

� apróticos (não contêm átomos de hidrogênio ligadosdiretamente a um átomo eletronegativo).

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DMSO (dimetil sulfóxido)

DMF (dimetilformamida)

acetonitrila

HMPA(hexametilfosforamida)


Solventes Próticos:

� estabilizam cátions e ânions.� cátions são estabilizadas por pares de elétrons livres do

solvente,� ânions são estabilizados por ligação-H com o solvente.

Como resultado, os ânions e cátions estão rodeados por um invólucro desolvente.

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Solventes Apróticos:

� estabilizam somente cátions.� cátions são estabilizadas por pares de elétrons livres do

solvente,� ânions não são estabilizados pelo solvente.

Como resultado, nucleófilos são mais elevados em energia quando colocadoem um solvente aprótico polar.

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Solventes Próticos favorecem SN1,

� intermediários polares e estados de transição:

Solventes Apróticos favorecem SN2,

� aumentando a energia do nucleófilo,� resultando em uma Ea menor.

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