Substituição Nucleofílica.ppt

Reações iônicas: Reações de Substituição Nucleofílica

Prof. Iago Maciel

Setembro/2018 1

Cinética - Mecanismo

Cinética - Mecanismo

Cinética - Concentração

Cinética - Concentração

Cinética - Mecanismo

NO2 (g)

+

CO (g)



NO (g)

+

CO2 (g)

Quando efetuada a 200 °C, essa reação ocorre, na realidade, em duas etapas:

• 1a etapa: • 2ª etapa:

2 NO2 (g)  NO3 (g) + NO (g) (etapa lenta) NO3 (g) + CO (g)  NO2 (g) + CO2 (g) (etapa rápida)

Cinética - Mecanismo

NO2 (g)

+

CO (g)



NO (g)

+

CO2 (g)

O pedágio seria a etapa lenta

Cinética - Mecanismo NO2 (g)

• 1a etapa: • 2ª etapa:

+

CO (g)



NO (g)

+

CO2 (g)

2 NO2 (g)  NO3 (g) + NO (g) (etapa lenta) NO3 (g) + CO (g)  NO2 (g) + CO2 (g) (etapa rápida)

Cinética – Ordem e molecularidade

NO2 (g)

+

CO (g)



NO (g)

v = k[NO2]2

+

CO2 (g)

Reações de substituição SN2

Reações de substituição Mas como será que essa reação acontece?

As condições favoráveis à ocorrência da reação dependem da estabilidade do estado de transição (ET)

• Natureza do Substrato (molécula a sofrer substituição) • Natureza do Nucleófilo (grupo que entra para substituir) • Natureza do Grupo abandonador (grupo que sai da molécula)

• Solvente e Temperatura (condição de solvatação e energia)

Mecanismo SN2 diagrama de energia para reação SN2

energia estado de transição: o mais alto estado energético da reação

material de partida: nucleófilo

produtos

progresso da reação

Reações de substituição Natureza do Nucleófilo

Polarizabilidade do grupo que substitui (nucleófilo)

Nucleófilos polarizáveis “transferem” densidade eletrônica ao orbital anti-ligante com mais facilidade

Mecanismo SN2 A cinética (velocidade da reação) é um fator que determina o mecanismo da reação.

• O nucleófilo ataca o carbono sp3 pelo lado oposto ao que se encontra o grupo de saída; • A ligação C-Nu é formada ao mesmo tempo em que a

ligação C-X é rompida: Estado de transição; • A reação é um processo de uma única etapa, sem

intermediários: reação concertada.

Lei de velocidade: 2a ordem V = K [OH-]1 [CH3Cl]1 Ordem= 1+1=2

A cinética da reação de SN2 é de segunda ordem 3

Cinética SN2 • Cinética da reação  Se a velocidade da reação é dependente da concentração de ambos os reagentes, pode-se afirmar que a reação acontece em uma única

etapa, a qual é a etapa determinante da velocidade.

V = K [CHCl3]

[OH-]

Se a [ ] de qualquer um dos reagentes aumentar, a colisão entre as moléculas torna-se mais provável.

Substituição Nucleofílica Bimolecular

SN2

SN 2 Substituição nucleofílica bimolecular

Lei de velocidade: 2a ordem V = K [OH-]1 [CH3Cl]1 Ordem= 1+1=2

A etapa lenta (etapa determinante) é dada pela formação de um ET onde encontra-se o nucleófilo e o substrato.

Orbitais Moleculares

Exemplos de SN2

Estereoquímica da SN2

Vamos relembrar de estereoquímica!!!

Substituição Nucleofílica Unimolecular (SN1) 1a. Ordem SN1: Características

- Acontece em duas etapas (ionização e adição); - Há formação de carbocátion; - Velocidade depende somente da concentração do substrato (haleto de alquila); - SUBSTRATO TERCIÁRIO.

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Mecanismo SN1

Diagramas de energia para as Reações de Substituição Nucleofílica

SN2

SN1 26

Lei de velocidade: 1a ordem

V = K [t-butCl]1 Ordem= 1

V = K [Hal de alquila]

A cinética da reação de SN1 é de primeira ordem A etapa de formação do carbocátion se processa de forma muito lenta, de modo que esta etapa determina a velocidade da reação. A formação do carbocátion não depende do nucleófilo.

A cinética da reação é de primeira ordem, pois a sua velocidade é dependente apenas da concentração do

substrato (etapa de ionização lenta).

Substituição Nucleofílica Unimolecular

SN1

Mecanismo SN1 -Ocorre em duas etapas: (1) saída do grupo abandonador → etapa de ionização; lenta. (2) o nucleófilo ataca o carbocátion → etapa de adição; rápida.

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Carbocátion: Intermediário de Reação • Como há formação de carbocátions, a facilidade (VELOCIDADE) com que a reação acontece depende da estabilidade deste

intermediário. • Ocorrência de REARRANJOS (Haletos 2os.) R C

+

R > R

Carbocátion terciário (+ estável)

R C

+

R > H

Carbocátion secundário

R C

+

H > H

Carbocátion primário

H C

+

H H

Metila (- estável)

Primeira etapa: SOLVÓLISE

- Ionização do haleto de alquila (quebra heterolítica C-X); - Formação do carbocátion “intermediário” (etapa lenta) - A ionização é facilitada em solventes polares que ajudam a solvatar o carbocátion e estabilizá-lo (além do efeito de hiperconjugação)

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Segunda etapa: ADIÇÃO

- Adição do nucleófilo ao carbocátion “intermediário”; - Reação Ácido-Base de Lewis; - Produto intermediário: álcool protonado.

Finalização: NEUTRALIZAÇÃO

- Água age como base e captura um hidrogênio do álcool protonado;

- Os produtos da reação são, ao final, álcool terc-butílico e HCl.

Poderia ser o Cl- ?

Estereoquímica da reação SN1

Configuração oposta em relação ao reagente

Mesma configuração em relação ao reagente

• Reação SN1 leva a formação de um intermediário (carbocátion); Carbocátions são planares: Csp2

Produto de SN1 é uma mistura racêmica

Estereoquímica da SN1

Vamos relembrar de estereoquímica!!!

Fatores que influenciam SN1 e SN2 - Estrutura do substrato (haleto de alquila); - Natureza do nucleófilo: forte ou fraco; - Natureza do grupo de saída; - Condições reacionais (solvente, temperatura etc).

Estrutura do Substrato Natureza do substrato está relacionada diretamente com a possibilidade de estabilizar o carbocátion (SN1) e de formar um estado de transição com o nucleófilo que seja realmente estável para (SN2).

SN2 SN2/SN1

SN1

A troca de um átomo de hidrogênio por um grupo alquila, torna a velocidade da reação mais LENTA

• O impedimento estérico aumenta a energia de ativação para formação do estado de transição:

Haleto de metila Haleto de alquila 2o.

Impedimento Estérico

• A aproximação do nucleófilo se dá pela face oposta ao grupo de saída:

Haleto de metila

Haleto de alquila 1o.

Haleto de alquila 2o.

Haleto de alquila 3o.

O emprego de reagentes (substratos) quirais torna a reação SN2

ESTEREOESPECÍFICA “Processo cujo mecanismo requer que um estereoisômero do reagente se transforme em um estereoisômero específico no produto”

R→S S→R

As reações de SN2 acontecem com inversão de configuração

→ Se o carbono suscetível à substituição for estereogênico, observa-se inversão de configuração durante a reação de SN2.

O ataque do nucleófilo na face oposta ao grupo de saída promove a inversão da configuração do centro quiral

aquiral

46

Natureza do Nucleófilo • Tem efeito apenas sobre as reações de SN2 Basicidade & Nucleofilicidade

Grau de facilidade com que

Medida da rapidez com que

uma substância compartilha

uma substância (Nu) é capaz

seu par de elétrons

de

atacar

uma

espécie

deficiente em elétrons (E). Quanto mais forte, maior facilidade de compartilhamento

Bases fortes são Nu melhores

Espécie carregada vs Espécie neutra Base forte/Nu rico

Base fraca/Nu pobre

Basicidade / Nucleofilicidade

SN2: Características - Acontece em uma única etapa; - Não forma carbocátion; - Velocidade depende da concentração do nucleófilo e

do substrato; - SUBSTRATO PRIMÁRIO.

Que tipo de base (Nu) é recomendada para SN2? Espécie carregada ou Espécie neutra

Efeito do Solvente Reações de substituição ocorrem bem em solventes polares. Solvente polar prótico: são aqueles que possuem H ionizáveis, ou seja, ligado a átomo bastante eletronegativo. O solvente polar prótico é capaz de solvatar o nucleófilo dificultando a sua trajetória para reações de SN. (reage mais rápido) SH- > CN- > I- > OH- > NH3- > CH3CO2- > Cl- > F- > H2O

* Par iônico quiral (enfraquece a ligação Csp3-X)

Quanto menor e mais eletronegativo for o nucleófilo mais solvatado ele será. Solventes polares próticos favorecem SN1 Desfavorecem SN2 porque solvatam o Nu:

* Par iônico quiral (enfraquece a ligação Csp3-X)

Solvente polar aprótico: São aqueles que não possuem H ligado a elemento eletronegativo. Eles não conseguem solvatar o nucleófilo favorecendo assim a reação SN2, à medida que não favorecem a formação do par iônico quiral para formar o carbocátion.

Solventes polares próticos favorecem SN2

Efeito do Grupo Abandonador Nas reações de SN o grupo abandonador fica com os pares de elétrons depois da quebra heterolítica (C-X), assim, um bom grupo abandonador é aquele que consegue estabilizar bem a carga negativa tornando-se uma base de Lewis mais estável.

P-tolueno sulfonato

alquil sulfonato

Grupo abandonador em reação SN2

Nu

-

H3C

H3C

OH

-

H3C

OH

+

Nu

OH

-

Nu H3C

O

-

+

HNu

Grupo abandonador em reação SN2 O

NH3 OMe

? MeOH

O NH2

Conclusões sobre a Estereoquímica: SN2 e SN1

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• Numa reação SN2 a concentração do nucleófilo é tão importante quanto a efetividade do grupo abandonador • É necessário um nucleófilo forte para que uma reação

SN2 ocorra.

H3C

Cl

+

I

-

KI C2H5OH

H3C

I

+

Cl

-

• Numa reação SN2, nucleófilos com átomo de oxigênio, são bem efetivos. Já os de enxofre atuam melhor por serem maiores, polarizáveis e consequentemente maior HOMO.

OH- > PhO- > AcO- > H2O > ClO4Dos de enxofre

PhS- > PhO-

Ex.: 2-bromobutano (Haleto de alquila 2o.) Configuração oposta em relação ao reagente

ISN2: Inversão da configuração

Configuração oposta em

Mesma configuração do

relação ao reagente

reagente

ISN1: Formação de Racemato 61

Concluindo: Reatividade de Haletos de Alquila 100%

0%

100%

0% Resumo das características: SN1 e SN2 SN1

SN2

Mecanismo de duas etapas (ionização é a etapa lenta)

Reação concertada (mecanismo em uma única etapa)

Há formação de carbocátions

Não há formação de carbocátions

Possibilidade de rearranjos

Não há rearranjos

Cinética unimolecular v = k[RX]

Cinética bimolecular v = k[RX][Nu]

Racemização do centro estereogênico

Inversão de configuração do centro estereogênico

Reatividade: 3º > 2º > 1º > CH3X

Reatividade: CH3X > 1º > 2º > 3º 62

SN2 e SN1 Os números NÃO DIZEM RESPEITO ao número de etapas envolvidas nos mecanismos

CINÉTICA

De que maneira esses compostos podem reagir com OH- como nucleófilo?

H3C

CH3 CH3 Cl

CH3

H3C Cl

Cl H3C

Será uma reação de 1ª ou 2ª ordem?

O aumento da concentração de OH- para uma reação SN1 favorece a eliminação

H3C

CH3

+

H2O

+

Cl

CH3

H3C

CH3

+

H2O

+

Cl

-

-

Efeito do nucleófilo

CH3 H3C

CH3 H3C

EtOH

OEt

SN1

CH3

Cl CH3

CH2 E1

H3C

CH3

Efeito do nucleófilo OH-

H3C

Br

t-ButO-

As reações E2 são favorecidas com uso de nucleófilos ruins e volumosos

1) Esboce as sínteses de cada um dos seguintes compostos: a) CH3I b) b)CH3CH2I c) CH3OH d) CH3CH2OH

e) CH3SH f) CH3CH2SH g) CH3OCH3 h) Ciclopenteno

2) Tendo em mente que os carbocátions têm estrutura trigonal plana, responda a) escreva a estrutura para o carbocátion intermediário; b) escreva as estruturas para o ácool (ou alcoóis) que você esperaria a partir da seguinte reação:

I

H2O

CH3 C(H 3C) 3

SN1

3) Qual(ais) produto(s) você esperaria da metanólise do derivado de cicloexânio de iodo dado como reagente na questão anterior? 4) As velocidades relativas da etanólise de quatro haletos de alquila primários são como se seguem: CH3CH2Br

1,0

CH3CH2 CH2Br

0,28

(CH3) 2CHCH2Br

0,030

(CH3) 3CCH2Br

4,2 x 10-7

a) Cada uma dessas reações é mais provável ser SN1 ou SN2? b) Forneça uma explicação para as reatividades relativas observadas

5) Você esperaria que a reação de brometo de propila com cianeto de sódio (NaCN), que é: CH3CH2 CH2Br

+

NaCN

CH3CH2 CH2CN

+

NaBr

Ocorra mais rapidamente em DMF ou em etanol? Justifique sua resposta

6) Relacione os seguintes compostos em ordem crescente de reatividade frente ao CH3O- em uma reação SN2 realizada em CH3OH: •CH3F, •CH3Cl, •CH3Br, •CH3I, •CH3OSO2CF3, •14CH3OH