Disciplina: Mecanismos de Reações Orgânicas 1 – QB52C-N61

Ministério da EducaçãoUniversidade Tecnológica Federal do Paraná

Campus de CuritibaGerência de Ensino e Pesquisa

Departamento Acadêmico de Química e Biologia

Bibliografia

�Vollhardt, K. P. C., Schore, N. E., Química Orgânica – Estrutura e Função. 4a Ed., 2004.

�Bruice, P. Y., Organic Chemistry, 4ª Ed., Prentice Hall, 2003.�Bruice, P. Y., Organic Chemistry, 4ª Ed., Prentice Hall, 2003.

�Solomons, T.W., Fryhle, C. B. Organic Chemistry, 8a Ed. (2004).

�Carey, F.A., Organic Chemistry, 4ª Ed., McGraw-Hill, New York, 2000.

�Morrinson, R. Boyd, R., Química Orgânica, 13a Ed., Calouste Gulbenkian, Lisboa, 1996.

�Allinger,N.L., Cava, M.P., Química Orgânica, 2a Ed., Guanabara Dois, Rio de Janeiro, 1978

�Sykes, P., A Guidebook to Mechanism in Organic Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 1993.

�McMurry, Organic Chemistry, 5ª Ed., Brookscole, 1999;

Tópicos que serão estudados

� Relação entre a Estrutura e a Reatividade de Compostos Orgânicos

� Estabilidade e reatividade de Intermediários Orgânicos

� Substituição Alifática Nucleofílica

� Reações de Substituição SN1 e SN2

� Reações de Eliminação E1 e E2

� Substituição Nucleofílica e Eletrofílica em Sistemas Aromáticos

Homólise e Heterólise de ligações covalentes

A ligação covalente pode ser quebrada de duas maneiras diferentes.

Quebra Homolítica (Grego: Homo = igual; lise = perca ou clivagem): É a quebra de uma

ligação covalente na qual ambos os fragmentos saem com um elétron da ligação. Ocorre a

geração de radicais.

Quebra Heterolítica (Grego: Hetero = diferente; lise = perca ou clivagem): É a quebra de

uma ligação covalente onde os dois elétrons da ligação vão para o mesmo fragmento.

Ocorre à formação de íons positivos e negativos

Heterólise de Ligações envolvendo um Carbono

Formação de Carbocátions e Carbânions

A Heterólise de uma ligação contendo um carbono pode gerar dois tipos de íons. Os comcarga positiva (carbocátions) e os com carga negativa (carbânions).

Os radicais livres, os carbocátions e os carbânions são:

� Espécies altamente reativas.

� Atuam como intermediários transitórios em reações orgânicas.

� Os cátions de carbono são chamados de carbocátions

� Os ânions de carbono são chamados de carbânions.

� Os radicais livres e os carbocátions são espécies deficientes em elétrons.

� Os carbânions são espécies ricas em elétrons.

O que são nucleófilos?

O que são eletrófilos? São reagentes que procuram elétrons, ou seja, gostam de elétrons.

São reagentes que procuram prótons ou centros positivos.

Os ácidos de Lewis são eletrófilos ou nucleófilos?

Qual é a definição para ácidos de Lewis? São espécies capazes de receber um parde elétrons

Qual é a definição para bases de Lewis? São espécies capazes de doar um par deelétrons

Os ácidos de Lewis são eletrófilos ou nucleófilos?

As bases de Lewis são eletrófilos ou nucleófilos?

Os ácidos de Lewis são eletrófilos, ou seja, procuram elétrons

As bases de Lewis são nucleófilos, ou seja, doam elétrons para um núcleo.

Estrutura do CH4, CH3+, CH3

- e .CH3

Metano (CH4)

Carbocátion de metila (CH3+) Hibridização sp2

Configuração eletrônica igual a do boro: 6C+ 1s2 2s2 2p1Configuração eletrônica igual a do boro: 6C 1s 2s 2p

Os carbocátions: Evidências experimentais indicam que a estrutura dos carbocátions é trigonal plana.Está estrutura pode ser explicada com base na hibridização de orbitais. O carbono central possuihibridização sp2, é deficiente em elétrons, com seis elétrons no seu nível de energia mais externo. Estesseis elétrons formam as ligações covalentes com os hidrogênios (ou com os grupos alquila), do tipo sigma(σ). O orbital p não contém elétrons.

Radical de metila (CH3.) Hibridização sp2

Os radicais: Evidências experimentais indicam que a estrutura dos radicais é trigonal plana. Esta estruturapode ser alterada para pirâmidal se os grupos que estão ligados ao carbono central forem volumosos. Ocarbono central possui hibridização sp2. Entretanto, o orbital p não está vazio, mas contém um elétroncarbono central possui hibridização sp2. Entretanto, o orbital p não está vazio, mas contém um elétron

desemparelhado.Carbânion de metila (CH3

:-) Hibridização sp3

Os carbânions: Evidências experimentais indicam que a estrutura dos carbânions é piramidal. O carbonocentral possui hibridização sp3. Está estrutura lembra a estrutura da amina (NH3), só que com carga.

Energias de Dissociação das Ligações e Estabilidades Relativas dos Radicais Livres

As energias de dissociação das ligações permitem avaliar as estabilidadesrelativas dos radicais livres. Os radicais livres são classificados como terciários (3º),secundários (2º), primários (1º) e de metila, com base na natureza do carbono queapresenta o elétron desemparelhado.

Qual é a ordem de estabilidade destes radicais?

A Estabilidade dos Carbocátions

As estabilidades relativas dos carbocátions são paralelas às dos radicaislivres. A ordem geral de estabilidade é:

Como justificar esta ordem de estabilidade?

Esta ordem de estabilidade dos carbocátions está relacionada com o EfeitoIndutivo (possibilidade de dispersão da carga positiva) e com o Efeito Hiperconjugativo.

Como justificar esta ordem de estabilidade?

Efeito Indutivo - Dispersão da Carga Positiva:

� Quanto maior o número de grupos alquilas ligados ao carbono positivo, maior será a

dispersão desta carga.

� Os grupos alquila adquirem parte da carga positiva e estabilizam o carbocátion.

� A ordem de estabilidade dos carbocátions é paralela ao número de grupos metila (alquila)

presentes.

� Os carbonos com hibridização sp2 são mais eletronegativos que os com hibridização sp3.

C+

H

HH

H

H

H C

C

C

H

H

H+

C C+

H

C

H

H

HH

H

H

HH

H

H

H

H

C

H

H

+C

C

Efeito Hiperconjugativo: Representação Completa

Quanto maior o número de metilas ligadas ao carbono carregado positivamente(carbocátion) maior será a interação do orbital p do carbocátion com o orbital sp3 da ligaçãoC-H da metila. Está interação favorece a distribuição da carga positiva.

HH

+ + +

Quanto mais distribuída a carga positiva, mais estável é o carbocátion

C+

H

HH

H

H

H C

C

C

H

H

H

C C+

C

H

H

HH

H

H

HH

H

H

H

H

C

H

+C

C

δδδδ++δδδδδδδδ++δδδδ ++δδδδ

δδδδ+δδδδ+

+δδδδ

+δδδδ

+δδδδ

3 ário21carbocátion de metila ário ário

Resposta: Ambos são importantes, e como os dois efeitos funcionam na mesma direção. Ateoria nos diz que eles devem ter mais ou menos a mesma importância.

A estabilização resulta da indução ou da hiperconjugação?

Comparação da Acidez dos compostos CH4, NH3, H2O e HF.

Estes compostos possuem em comum um elemento da mesma linha da Tabela Periódica.

Sabendo que a eletronegatividade aumenta da esquerda para a direita.

Qual é a ordem de Acidez dos compostos CH4, NH3, H2O e HF?

Comparação da Acidez dos compostos HF, HCl, HBr e HI, Qual é mais Ácido?

Tipos de Reações Orgânicas

As Reações de Substituição Nucleofílica e de Eliminação em Carbonos Saturados

Exemplo Geral

As reações de Substituição e de Eliminação ocorrem geralmente ao mesmo tempo.

Começando pelas Reações de Substituição Nucleofílicas

Tipos de Reações de Substituição Nucleofílica

Começando pelas Reações de Substituição Nucleofílicas

As reações de substituição ocorrem porque o grupo abandonador (geralmentehalogênios) é mais eletronegativo que o carbono, deixando este mais deficiente emelétrons.

A Molecularidade e Cinética das Reações de Substituição Nucleofílica

O que é Molecularidade de uma reação?

É o número de moléculas ou íons que participam do estado de transição da etapa

determinante da velocidade (etapa lenta).

O que é uma Reação Unimolecular?

É a reação em que somente uma espécie (molécula ou íon) está envolvida no estado de

transição da etapa determinante da velocidade (etapa lenta).

O que é uma Reação Bimolecular?

É a reação em que duas espécie (molécula ou íon) estão envolvidas no estado de

transição da etapa determinante da velocidade (etapa lenta).

O que é um Estudo Cinético?

É o estudo da medida da variação da velocidade de uma reação quando se varia a

concentração de cada reagente. A cinética determina a molecularidade de uma reação

química.

� Pode-se medir a velocidade do desaparecimento dos íons haletos por sua

A velocidade da reação será igual:

� A velocidade na qual o reagente Nu:-, ou R-L, desaparece da mistura ou,

� A velocidade na qual L:-, ou Nu-R, se forma na mistura produto.

� Pode-se medir a velocidade do desaparecimento dos íons haletos por sua

precipitação com nitrato de prata e pesando o precipitado.

� Pode-se medir a velocidade de desaparecimento dos íons hidróxido,

titulando as amostras com ácido.

� Pode-se seguir a velocidade de muitas reações espectroscopicamente.

A Reação é Bimolecular se a velocidade de reação é diretamente proporcional à

concentração do Nu:- e do R-L. Portanto, o Nu:- e o R-L estão envolvidos no estado de

transição da etapa determinante da velocidade.

Reação Bimolecular

Pode-se representar esta proporcionalidade por uma equação da velocidade:

k (Constante da velocidade).

ou

A equação da velocidade é de primeira ordem em relação ao [Nu:-] e ao [R-L].A equação da velocidade é de primeira ordem em relação ao [Nu: ] e ao [R-L].

Mas globalmente é de segunda ordem porque depende de duas concentrações.

Reação SN2 - Exemplo

Observou-se que se dobrando a concentração do cloreto de etila e se mantendo

a concentração do íon hidróxido constante a velocidade da reação é dobrada. Observou-se

também que se dobrando a concentração do íon hidróxido, enquanto se mantém constante

a concentração do cloreto de etila, a velocidade é dobrada. E, finalmente que se dobrando

simultaneamente as duas concentrações (do íon hidróxido e do cloreto de etila) a

� A expressão da velocidade para esta reação é de segunda ordem.

� O estado de transição para a etapa determinante da velocidade da reação depende

tanto da concentração do cloreto de etila quanto da concentração do íon hidróxido e que

esta reação é bimolecular.

� Chama-se este tipo de reação de uma reação SN2 que significa Substituição

Nucleofílica Bimolecular.

velocidade quadruplica.

Mecanismo:

3 átomos de hidrogênio estão no mesmo plano

A energia de ativaçãopara a reação SN2 de umhaleto de alquilasecundário é maior doque para um primáriodevido ao efeito estérico.

Tipos de Compostos que podem ser obtidos a partir das reações SN2

A Estereoquímica e os Mecanismos das Reações SN2

A reação SN2 ocorre com inversão de configuração do carbono que sofre a

substituição, quando este carbono for quiral.

Exemplos: 2-bromo-octano e o álcool 2-octanol apresentam pares de enantiômeros.

C

C6H13

H Br

CH3 CH3

Br H

C6H13

C C

C6H13

H OH

CH3 CH3

HO H

C6H13

C

Exemplos de Reação que ocorre com inversão de configuração (SN2).

Mecanismo:

CH3

BrH

C6H13

C

CH3

HO H

C6H13

C

HOH

C6H13

CBrH

C6H13

C C

C6H13H

BrHOδδδδ−−−−

δδδδ−−−−

HO- + Br-

� O nucleófilo aborda o carbono que sustenta o grupo abandonador por trás, isto é, do lado diretamente

oposto ao grupo abandonador.

� A configuração do átomo de carbono se inverte da mesma maneira que uma sombrinha se inverte

quando é apanhada por um vento forte.

� O estado de transição é aquele em que o nucleófilo e o grupo abandonador estão parcialmente

ligados ao carbono que sofre a inversão.

� Uma vez que este estado de transição envolve tanto o nucleófilo quanto o substrato, este mecanismo

explica a cinética de segunda ordem da reação observada.

CH3

HC

CH3

C C Br

CH3

HOHO- + Br

A Reação SN1 - Exemplo

+ Br+C

CH3

H3C

CH3

OHH2OC

CH3

H3C

CH3

Br_

+ H3O+

� O estudo cinética da reação do brometo de terc-butila com água mostrou que a velocidade de

reação é de primeira ordem, ou seja, só depende da concentração do brometo de terc-butila.

� Quando se dobra a concentração do brometo de terc-butila, observa-se que a velocidade da reação

dobra. Mas, quando se dobra, ou mesmo triplica, a quantidade de água a velocidade da reação não se

altera.

� Portanto, o brometo de terc-butila é a única espécie que está envolvida no estado de transição da

etapa que define a velocidade.

� Esta reação é Unimolecular. Chama-se este tipo de reação de reação SN1 (Substituição

Nucleofílica Unimolecular).

Mecanismo:

vídeo

É uma reação em que o nucleófilo é uma molécula do solvente.

Solvólise (Grego: Solvó = solvente; lise = quebra ou clivagem). Quebra pelo solvente.

O que é Solvólise?

A Estereoquímica e os Mecanismos das Reações SN1

A reação seguinte depende somente da concentração do 3-bromo-3-metil-hexano. Portanto a

velocidade da reação é de primeira ordem. Neste caso ocorre a Racemização Total.

Mecanismo: Primeira Etapa (Lenta)

Segunda Etapa (Rápida)

Talidomida (Desenvolvido na Alemanha, em 1954)

Por que é importante saber a estereoquímica de uma substância quiral?

É uma substância usualmente utilizada como medicamento sedativo, anti-

inflamatório e hipnótico (induz o sono). Devido a seus efeitos teratogênicos

(anomalias), tal substância deve ser evitada durante a gravidez, pois causa

malformação ou ausência de membros no feto.

A talidomida é um derivado do ácido glutâmico e estruturalmente contém dois

anéis amida e um único centro quiral. Este composto existe na forma de mistura

equivalente dos enantiômeros S e R que se interconvertem rapidamente em condições

fisiológicas. O enantiômero S está relacionado com os efeitos teratogênicos da talidomida

enquanto que o enantiômero R é responsável pelas propriedades sedativas da mesma.

Fatores que Afetam as Velocidades das Reações SN1 E SN2

1. A estrutura do carbono que sustenta o grupo abandonador.

2. O Efeito eletrônico (Indutivo)

3. A concentração do nucleófilo.

4. A reatividade do nucleófilo (só para reações bimoleculares).

5. A polaridade e a natureza do solvente.

6. O tamanho do nucleófilo:

7. A natureza do grupo abandonador.

Os fatores mais importantes são:

� Os haletos de alquila simples apresentam a seguinte ordem geral de reatividade nas

reações SN2.

� Os haletos alílicos e benzílicos simples são geralmente mais reativos do que os

haletos primários ou mesmo do que os haletos de metila em reações SN2.

� Os haletos de neopentila, apesar de serem haletos primários são pouco reativos em

reações SN2.

7. A natureza do grupo abandonador.

1. A estrutura do carbono que sustenta o grupo abandonador.

A diminuição na reatividade para as reações SN2 é principalmente decorrente dos

efeitos estéricos. Os substituintes volumosos ligados ao carbono ou próximo dele têm um

efeito inibidor na reação SN2. O aumento do efeito estérico favorece o mecanismo SN1.

Vídeo 1

2 – Efeito Eletrônico (Indutivo)

� O Fator Eletrônico (Indutivo) é o fator mais importante na determinação da reatividade

dos substratos orgânicos, numa reação SN1.

� Os únicos compostos orgânicos que sofrem reação por um caminho SN1 são aqueles

que são capazes de formar carbocátions relativamente estáveis.

� As reações SN1 estão limitadas a compostos tais como: carbonos terciário, alílico,

benzílico ou algum outro grupo estabilizador.

Regra Geral de Reações SN2 e SN1

Os substratos alílicos e benzílicos substituídos bloqueiam acentuadamente a

aproximação do nucleófilo, reagindo somente através de um mecanismo SN1.

Comparação entre as reações SN2 e SN1.

SN2 SN1

Mecanismo em uma única etapa Mecanismo em várias etapas

É uma reação Bimolecular É uma reação Unimolecular

Não ocorre rearranjo de carbocátion Ocorre rearranjo de carbocátion

O produto apresenta a configuração

invertida com relação ao reagente

O produto apresenta uma

configuração invertida e outra retida

com relação ao reagente

Ordem de reatividade Ordem de reatividade

3 - O Efeito da Concentração do Nucleófilo

� As velocidades das reações SN1 não são afetadas pela concentração do nucleófilo.

� As velocidades das reações SN2 dependem de ambos.

Tipos de Nucleófilos

4 - O Efeito da Força do Nucleófilo

Nucleófilo forte: Reage rapidamente com o substrato

Nucleófilo fraco: Reage lentamente com o substrato.

Força dos Nucleófilos. Afeta o mecanismo e a velocidade das reações SN2 e SN1.

Nucleófilos fortes favorecem o mecanismo SN2 e os Nucleófilos fracos favorecem o

mecanismo SN1 quando existe a possibilidade de formação de um carbocátion estável.

Um nucleófilo carregado negativamente é sempre mais forte do que o seu ácido conjugado.

Exemplos: OH- é um nucleófilo mais forte do que o H2O

RO- é mais forte do que ROH.

CH3Cl + HO - CH3OH

-+

+ Cl - Rápido

Muito Lento

Qual reação é mais rápida?

SN2

H2O Cl - CH3OH2+

CH3Cl + + Muito Lento

H2N -

H3N

CH3NH2

CH3NH3+

CH3Cl

CH3Cl

+

+ +

+ Cl -

Cl -

Muito Rápido

Mais Lento

SN2

Em um grupo de nucleófilos no qual o átomo nucleofílico é o mesmo, a

nucleofilicidade é paralela à basicidade. Exemplo para compostos oxigenados:

Está é a ordem de reatividade e de basicidade.

A nucleofilicidade decresce da esquerda para a direita na Tabela Periódica.

CH3CH2OH16,0

CH3OH2+H3O+

-2,5-1,7 10,04,8 15,7 16pKa

CH3COOH ArOH H2O CH3OH

A nucleofilicidade decresce da esquerda para a direita na Tabela Periódica.

Exemplo:

CH3CH2Br

H3N CH3CH2NH3+

CH3CH2Br +

H2O Br - CH3CH2OH2++ +

+ Br - Rápido

Muito Lento

Tipos de Solventes

� Solventes próticos: têm um hidrogênio ligado a um átomo fortemente eletronegativo

(oxigênio, nitrogênio, etc.). Exemplos: H2O, CH3CH2OH, CH3OH, NH3, etc.

� Solventes apróticos: Não têm um hidrogênio ligado a um elemento fortemente

eletronegativo. Exemplos: Benzeno, alcanos, DMSO, DMA, DMF, etc.

Exceções:

Para compostos que tem em comum átomos de um mesmo grupo da tabela

periódica, em solventes próticos (água, etanol, etc.) a força do nucleófilo não é paralela à

sua basicidade, mas sim ao seu tamanho.

� Os tióis (R-SH) são nucleófilos mais fortes do que os álcoois (R-OH)

� Os íons RS- são nucleófilos mais fortes do que os íons RO-.

� Os íons haletos mostram a seguinte ordem:

Em solventes próticos, o nucleófilo (que tem em comum átomos de um mesmo

grupo da tabela periódica) mais forte é o nucleófilo maior. Isto se deve ao Efeito da

Solvatação.

O Efeito da Solvatação nos Nucleófilos Pequenos.

Os ânions menores são mais solvatados por

solventes próticos porque possuem a carga negativa mais

concentrada.

Quanto menor o ânion mais forte é a Ligação de

hidrogênio, consequentemente maior será o efeito da

solvatação.

..X

H

O

H

:..

: - H

H

H O

O

O

H

H

H

Ânion cloreto em água (Solvente Prótico)

ME

CA

NIS

MO

SN1

ME

CA

NIS

MO

SN2

CH3CH2SH (pKa=10,5)

CH3CH2OH (pKa=16,0)

Quanto maior a constante dielétrica, maior será a polaridade do solvente e

maior será a sua capacidade para solvatar os íons. A constante dielétrica é a habilidade

Constante dielétrica

Os solventes polares solvatam e estabilizam mais os íons do que os solventes não-polares.

Polaridade do Solvente

5 - O Efeito da Polaridade e da Natureza do Solvente

maior será a sua capacidade para solvatar os íons. A constante dielétrica é a habilidade

de separar cargas.

O Efeito do Solvente na velocidade das Reações SN2As reações SN2 aumentam a velocidade de reação, em solventes apróticos

altamente polares porque os ânions não são solvatados.

..

�A Reação SN1 será favorecida por um nucleófilo fraco em um solvente polar prótico.

6 - O Tamanho do Nucleófilo:

Os nucleófilos Estericamente Impedidos são menos reativos. Exemplo:

Entre os ânions etóxido e terc-butóxido, qual é a base mais forte? e qual é o melhor nucleófilo?

A base mais forte é o terc-butóxido porque ele doa o par de elétrons com maior facilidade.

O melhor nucleófilo é o etóxido porque ele é menor e menos impedido estericamente.

7 - A Natureza do Grupo Abandonador

� Os melhores grupos abandonadores são aqueles que produzem as moléculas ou íons

mais estáveis, depois de sua separação.

� Quanto menos básico é o grupo, mais facilmente ele se desliga do carbono.

Exemplo: A água é um grupo abandonador melhor do que o íon hidróxido. Os álcoois

não reagem com íons haleto em

meio neutro, porque, sob estas

condições, o grupo abandonador

seria um íon hidróxido. Os

álcoois, entretanto, reagem

facilmente com os íons haleto em

meio ácido. Em meio ácido o

grupo abandonador é a água.

Para os halogênios, a ordem do melhor grupo abandonador é inversa a dabasicidade, ou seja, quanto menos básico melhor é o grupo abandonador:

I- > Br- > Cl- > F-

Outros Bons Grupos Abandonadores

A reação SN1 é favorecida por melhores grupos de saída (Ver estado de transição), mas deve existir a possibilidade de gerar um carbocátion estável e o solvente ser prótico.

Qual reação ocorrerá pelo mecanismo SN2?

__+ : Br

..:..CH3S..

..C

CH3

CH3

H

..:..+.. :

..

H

Propano (acetona)CH3S

CH3

CH3

BrCCH3SNa / CH3SH

C

CH3

CH3H

+O S CF3

O

O

OH O S CF3

O

O

HH2O

HCH3

CH3

C

As reações SN1 ocorrem geralmente quando o solvente prótico é o nucleófilo

Qual reação ocorrerá pelo mecanismo SN2?

Quanto mais forte for o nucleófilo, mais favorecida será o mecanismo SN2

Esta reação pode ocorrer por um mecanismo SN1 porque o nucleófilo é fraco, o

solvente é prótico e principalmente porque o cátion benzílico (cátion primário) é

estabilizado por ressonância.

+2-bromobutano H2O Qual é o mecanismo? O que será formado?

H

CH3CH2

CH3

CBr+

.CH3CH2 O

.

...._

CH3CH2O

H

C Brδδδδ−−−−δδδδ−−−−

CH3CH2

CH3

C

CH3

CH2CH3

H+ Br-CH3CH2O

+2-bromobutano etóxido de sódio Qual é o mecanismo? O que será formado?etanol

S R

BrC

CH3

CH3CH2

C

H

H

CH3

CH3CH2

+

+ Br-O

H H

.. ..+

H

CH3CH2C C

CH3+

CH3

HHO+

CH3CH2

H

O+ HH

....

HHO+

+ OH H

H

+

O

H

CH3CH2O

H

H

CH3+ CH3

CCCH3CH2

H

S

R S