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Roteiros de Química - Farmácia

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Roteiros de Química - Farmácia

  1. 1. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Prof. Nunes Reações de Eliminação Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr. Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Química Orgânica II 1 Atualizado em abr/2017
  2. 2. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes As reações de eliminação são normalmente observadas em compostos com bons grupos abandonadores para gerar alcenos. Em uma reação de eliminação, um próton localizado no carbono beta (β) é removido juntamente com o abandonador, formando uma ligação dupla. Este tipo de reação é chamado de eliminação beta ou eliminação 1,2. Reações de EliminaçãoReações de Eliminação 2 substituição eliminação
  3. 3. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Alcenos podem ser preparados através de reações de eliminação, em que um próton e um grupo abandonador (LG) são removidos para formar uma ligação π: Todas as reações de eliminação exibem pelo menos dois padrões: (1) transferência de prótons e (2) perda de um grupo abandonador: Reações de Eliminação – Possíveis MecanismosReações de Eliminação – Possíveis Mecanismos 3 alceno Eliminação de H e LG transferência de próton saída do grupo abandonador
  4. 4. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Cada reação de eliminação apresenta uma transferência de próton, assim como a saída de um grupo de abandonador. Mas considere a ordem dos eventos destas duas etapas. Na figura abaixo, ocorrem simultaneamente, de forma concertada. Alternativamente, podemos imaginá-los ocorrendo separadamente, de forma gradual. Reações de Eliminação – Possíveis MecanismosReações de Eliminação – Possíveis Mecanismos 4 transferência de próton saída do grupo abandonador transferência de próton saída do grupo abandonador E2 E1
  5. 5. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Estudos cinéticos mostram que muitas reações de eliminação apresentam uma cinética de segunda ordem com uma velocidade de reação: V = K [substrato] [base] Isto é consistente com um mecanismo concertado em que existe apenas uma etapa mecanística, envolvendo tanto o substrato como a base. Uma vez que este passo envolve duas entidades químicas, dizemos ser bimolecular. Mecanismo E2 - Evidência CinéticaMecanismo E2 - Evidência Cinética 5 transferência de próton saída do grupo abandonador E2 Eliminação Bimolecular
  6. 6. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo E2Mecanismo E2 6
  7. 7. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Na unidade anterior, vimos que a velocidade de um processo SN2 com um substrato terciário é geralmente tão lenta que pode ser assumido que o substrato é inerte sob estas condições de reação. Portanto, é uma surpresa observar que os substratos terciários sofressem reações E2 muito rapidamente. A diferença-chave entre substituição e eliminação é o papel desempenhado pelo reagente. Substituição: a reação ocorre quando o reagente atua como um nucleófilo, atacando o centro eletrofílico, Eliminação: ocorre quando o reagente atua como uma base, abstraindo o próton. Efeito do Substrato - E2Efeito do Substrato - E2 7
  8. 8. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Com um substrato terciário, o impedimento estérico impede o reagente de funcionar como um nucleófilo a uma velocidade apreciável, mas o reagente pode ainda funcionar como uma base, sem encontrar muito impedimento estérico. Efeito do Substrato - E2Efeito do Substrato - E2 8 substituição eliminação Hidróxido atua como um nucleófilo Hidróxido atua como uma base Um substrato terciário é também estericamente impedido. O nucleófilo não pode penetrar e atacar. Um próton β pode ser facilmente abstraído mesmo que o substrato seja terciário.
  9. 9. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Substratos terciários reagem ais rapidamente que os secundários que, por sua vez, reagem mais rapidamente que substratos os primários em reações E2. Para entender a razão para esta tendência, vamos analisar o diagrama de energia de um processo de E2. Efeito do Substrato - E2Efeito do Substrato - E2 9 reatividade aumenta 1o 2o 3o
  10. 10. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Efeito do Substrato - E2Efeito do Substrato - E2 10 reatividade aumenta ∆G Coordenada da reação Estado de transição
  11. 11. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Efeito do Substrato - E2Efeito do Substrato - E2 11 3o 2o 1o No estado de transição, uma ligação dupla C=C está se formando. Para um substrato terciário, o estado de transição exibe uma ligação dupla parcial que é mais altamente substituída e, portanto, o estado de transição será de menor em energia. reatividade aumenta 1o 2o 3o Estado de transição
  12. 12. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Em muitos casos, uma reação de eliminação pode produzir mais de um produto. Neste exemplo, as posições β não são idênticas, de modo que a ligação dupla pode se formar em duas regiões diferentes da molécula. Ambos os produtos são formados, mas o alceno mais substituído é geralmente observado como o principal produto: Regiosseletividade em E2Regiosseletividade em E2 majoritário 12 β β
  13. 13. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Ambos os produtos são formados, mas o alceno mais substituído é geralmente observado como o principal produto: A reação é dita ser regiosseletiva. Regra de ZaitsevRegra de Zaitsev Em 1875, em seus estudos empíricos, Zaitsev observou que os alcenos formados em maior quantidade eram sempre aqueles formados a partir da remoção dos hidrogênios dos carbonos-β menos hidrogenados. 13
  14. 14. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes No entanto, muitas exceções foram observadas, e o produto de Zaitsev era o produto minoritário. Por exemplo, quando tanto o substrato e a base são estericamente impedidos, o alceno menos substituído é o produto principal: O alceno menos substituído é chamado frequentemente de produto de Hofmann. Produto de HofmannProduto de Hofmann 14
  15. 15. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes A distribuição dos produtos (Zaitsev:Hofmann) é dependente de um número de fatores, e é frequentemente difícil de se prever. A escolha de uma base (estericamente impedida) certamente desempenha um papel importante. Zaitsev x HofmannZaitsev x Hofmann 15 Zaitsev Hoffman Distribuição dos produtos de uma reação E2 como uma função da base.
  16. 16. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Identifique o produto majoritário em cada caso. Br Cl 16 Zaitsev x HofmannZaitsev x Hofmann
  17. 17. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes O 3-bromopentano tem duas posições β idênticas, assim a regioquímica não é um problema neste caso. A desprotonação de qualquer posição β produz o mesmo resultado. Todavia, neste caso, a estereoquímica deve ser observada porque dois alcenos estereoisoméricos são possíveis e podem ser obtidos: Esterosseletividade em E2Esterosseletividade em E2 17 Energia Livre (G) Coordenada da reação majoritário minoritário
  18. 18. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes No exemplo anterior, a posição β tinha dois prótons diferentes: Em tal caso, ambos os isômeros cis e trans foram produzidos, com o isômero trans sendo favorecido. Esterosseletividade em E2Esterosseletividade em E2 18 majoritário minoritário
  19. 19. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Agora, vamos considerar um caso em que a posição β contém apenas um próton. Por exemplo, considere a realização de uma reação eliminação com o seguinte substrato: Esterosseletividade em E2Esterosseletividade em E2 19 Por que o outro estereoisômero (Z) possível não é obtido? (E)
  20. 20. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Para entender a resposta a esta pergunta, devemos explorar o alinhamento de orbitais no estado de transição. No estado de transição, uma ligação π está se formando. Esterosseletividade em E2Esterosseletividade em E2 20
  21. 21. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Portanto, o estado de transição deve envolver a formação de orbitais p que são posicionados de tal modo que eles possam se sobrepor à medida que se formam. os quatro átomos devem estar no mesmo plano: o próton na posição β, o grupo de saída, e o dois átomos de carbono que, no final, formarão a ligação π. devem estar coplanares. Esterosseletividade em E2Esterosseletividade em E2 21
  22. 22. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Lembre-se que a ligação simples C-C é livre para rodar antes que ocorra a reação. Se rodarmos esta ligação, veremos que há duas maneiras de conseguir um arranjo coplanar: Esterosseletividade em E2Esterosseletividade em E2 22 anti-coplanar syn-coplanar girar a ligação C-C alternada eclipsada Mais estável
  23. 23. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Podemos ver que a conformação anti-coplanar é alternada, enquanto a conformação syn-coplanar é eclipsada. A eliminação através da conformação syn-coplanar iria envolver um estado de transição de energia mais elevada, como resultado da geometria eclipsada. Portanto, a eliminação ocorre mais rapidamente através da conformação anti-coplanar. De fato, na maioria dos casos, a eliminação ocorre exclusivamente através da conformação anti-coplanar, o que leva a um produto estereoisomérico específico. Esterosseletividade em E2Esterosseletividade em E2 23 anti-coplanar syn-coplanar alternada eclipsada
  24. 24. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes A exigência de coplanaridade não é inteiramente absoluta. pequenos desvios de coplanaridade podem ser tolerados. Se o ângulo diedro entre o próton e o grupo abandonador não é exatamente 180°, a reação pode ainda prosseguir. O termo periplanar (em vez de no mesmo plano) é usado para descrever uma situação em que o próton e o grupo abandonador são quase coplanares (por exemplo, um ângulo diedro de 178° ou 179°). O próton e o grupo abandonador devem ser anti-periplanares. Esterosseletividade em E2Esterosseletividade em E2 24 anti-coplanar eliminação
  25. 25. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes O requisito para um arranjo anti-periplanar irá determinar o estereoisomerismo do produto. Em outras palavras, o produto estereoisomérico de um processo E2 depende da configuração do haleto de alquila de partida: Esterosseletividade em E2Esterosseletividade em E2 25
  26. 26. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes A reação E2 é dita ser estereoespecífica, porque o estereoisomerismo do produto é dependente do estereoisomerismo do substrato. A estereoespecificidade de uma reação E2 é relevante apenas quando a posição β tiver apenas um próton: Em tal caso, o próton β deve estar arranjado anti-periplanar em relação ao grupo abandonador, a fim de que a reação ocorra, determinando produto obtido. Esterosseletividade em E2Esterosseletividade em E2 26
  27. 27. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes No entanto, quando a posição β tiver dois prótons, então, qualquer um destes dois prótons pode ser disposto de modo que esteja anti-periplanar com o grupo abandonador. Como resultado, serão obtidos os dois produtos estereoisoméricos: Em tal caso, o alceno mais estável predominará. Esterosseletividade em E2Esterosseletividade em E2 27
  28. 28. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Esteroespecificidade em E2Esteroespecificidade em E2 Conceitos: 28 EstereoespecificidadeEstereosseletividade Majoritário Minoritário
  29. 29. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Na seção anterior, exploramos a exigência de que uma reação E2 conformação antiperiplanar. Esta exigência tem um significado especial quando se lida com cicloexanos substituídos. Lembre-se que um anel cicloexânico substituído pode adotar duas conformações cadeiras diferentes. Estereoespecificidade em derivados de CicloexanosEstereoespecificidade em derivados de Cicloexanos 29 Quando Cl é axial, ele pode estar antiperiplanar com um átomo de hidrogênio vizinho Quando Cl é equatorial, ele NÃO pode estar antiperiplanar com nenhum dos átomos de hidrogênio vizinhos
  30. 30. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Portanto, com um anel cicloexânico, uma reação E2 ocorre apenas a partir de conformação cadeira na qual o grupo de saída está na posição axial. Sendo assim, segue-se que uma reação E2 só pode ocorrer quando o grupo abandonador e o próton estiverem em lados opostos do anel. Somente os hidrogênios vermelhos poderão ser abstraídos. Estereoespecificidade em derivados de CicloexanosEstereoespecificidade em derivados de Cicloexanos 30
  31. 31. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Se não existirem tais prótons, uma reação E2 não pode ocorrer a uma velocidade apreciável. Este composto não sofrerá E2. Estereoespecificidade em derivados de CicloexanosEstereoespecificidade em derivados de Cicloexanos 31
  32. 32. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Este composto tem duas posições β, e cada posição β carrega um próton. Mas, nenhuma destes prótons pode estar anti-periplanar com o grupo de saída. Uma vez que o grupo de saída está na frente do plano, uma reação E2 só ocorrerá se houver o próton vizinho estiver atrás do plano. Veja outro exemplo: Estereoespecificidade em derivados de CicloexanosEstereoespecificidade em derivados de Cicloexanos 32 não observado
  33. 33. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Qual isômero reagirá mais rapidamente em uma reação E2? Estereoespecificidade em derivados de CicloexanosEstereoespecificidade em derivados de Cicloexanos 33 Mais estável Mais estável Neste caso, um processo E2 só pode ocorrer a partir da conformação cadeira de maior energia, cuja concentração é pequena no estado de equilíbrio. Como resultado, o cloreto de mentila será submetido a uma reação E2 mais lentamente. cloreto de mentila cloreto de neomentila
  34. 34. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo E1Mecanismo E1 Estudos cinéticos mostram que muitas reações de eliminação apresentam uma cinética de primeira ordem, com uma equação de velocidade que tem a seguinte forma: Velocidade = k [substrato] 34 Eliminação Unimolecular
  35. 35. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo E1Mecanismo E1 35
  36. 36. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo E1 – Efeito do SubstratoMecanismo E1 – Efeito do Substrato Para as reações E1, a velocidade é muito sensível à natureza do haleto de alquila de partida. Haletos terciários reagem mais prontamente. Esta tendência é idêntica à tendência que se observa em reações SN1, e a razão desta tendência é a mesma também. O mecanismo envolve a formação de um intermediário carbocátion, e a velocidade da reação é dependente da estabilidade da carbocátion. 36 menos reativo mais reativo
  37. 37. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo E1Mecanismo E1 O mecanismo envolve a formação de um intermediário carbocátion, e a velocidade da reação é dependente da estabilidade da carbocátion. 37 menos reativo mais reativo menos reativo mais reativo
  38. 38. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo E1Mecanismo E1 38 menos reativo mais reativo substrato 2o substrato 3o Energia Livre (G) Coordenada da reação Energia Livre (G) Coordenada da reação
  39. 39. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo E1Mecanismo E1 O primeiro passo de um processo de E1 é idêntico ao do primeiro passo de um processo de SN1. Em cada processo, o primeiro passo envolve a perda do grupo de saída, para formar um intermediário carbocátion. 39 Perda de um Grupo abandonador Carbocátion intermediário nucleófilo base Substituição Eliminação
  40. 40. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo E1Mecanismo E1 Na parte anterior desta unidade, vimos que um grupo OH é um péssimo grupo abandonador, e que um reação SN1 pode ocorrer apenas se o grupo OH for protonado antes, para gerar um melhor grupo de saída: O mesmo é verdade com um mecanismo E1. Se o substrato é um álcool, será necessário um ácido forte, a fim de protonar o grupo OH. O ácido sulfúrico é geralmente utilizado para este propósito: Reação de desidratação40 calor grupo abandonador RUIM grupo abandonador EXCELENTE
  41. 41. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo E1 - RegiosseletividadeMecanismo E1 - Regiosseletividade Mecanismos E1 exibem uma preferência para o produto regioquímico de Zaitsev, como foi observado para reações E2. Por exemplo: O alceno mais substituído (produto Zaitsev ) é o produto principal. No entanto, existe uma diferença crítica entre os resultados regioquímicos entre as reações E1 e E2. alceno mais substituído 41
  42. 42. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo E1 - RegiosseletividadeMecanismo E1 - Regiosseletividade Especificamente, vimos que o resultado regioquímico de uma reação E2 muitas vezes pode ser controlada escolhendo cuidadosamente a base: estericamente impedida ou não estericamente impedida. Em contraste, o resultado regioquímico de um processo E1 NÃO pode ser controlado. O produto Zaitsev geralmente é obtido. alceno mais substituído 42
  43. 43. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo E1 - RegiosseletividadeMecanismo E1 - Regiosseletividade Identifique o produto majoritário na seguinte reação: Obtém-se uma mistura majoritário 43 Abstraindo um próton a partir desta posição..... Estes dois desenhos representam o mesmo produto Gera este produto Abstraindo-se um próton de uma destas 2 posições gera o mesmo produto
  44. 44. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo E1 - EstereosseletividadeMecanismo E1 - Estereosseletividade Reações E1 não são estereoespecíficas. Isto é, elas não necessitam de anti-periplanaridade para que ocorram. No entanto, as reações são E1 estereosseletivas. Quando os produtos cis e trans são possíveis, geralmente verifica-se uma certa preferência para a formação do estereoisômero trans: 44 calor
  45. 45. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo E1Mecanismo E1 45 Transferência de próton Transferência de próton Perda do grupo abandonador Transferência de próton Transferência de próton Perda do grupo abandonador
  46. 46. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo E1 - RearranjoMecanismo E1 - Rearranjo O mecanismo E1 envolve a formação de um intermediários de carbocátions, os quais são susceptíveis a rearranjos, quer através de uma transferência de hidreto ou de metila. 46 Rearranjo C+ Transferência de próton Perda do grupo abandonador Carbocátion 2o Carbocátion 3o
  47. 47. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo E1 - RearranjoMecanismo E1 - Rearranjo 47
  48. 48. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo E1 - RearranjoMecanismo E1 - Rearranjo O mecanismo E1 envolvendo álcoois: 48 Rearranjo C+ Transferência de próton Perda do grupo abandonador Carbocátion 2o Carbocátion 3o Transferência de próton calor
  49. 49. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo E1 - RearranjoMecanismo E1 - Rearranjo 49 Rearranjo C+ Transferência de próton Perda do grupo abandonador Transferência de próton Coordenada da reação Energia Livre (G)
  50. 50. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo E1 - RearranjoMecanismo E1 - Rearranjo Nos casos em que um rearranjo de carbocátion é possível, esperamos obter o produto de rearranjo, bem como o produto sem rearranjo. No exemplo anterior, os seguintes produtos são obtidos: 50 Produtos a partir do rearranjo Produtos a partir de nenhum rearranjo calor
  51. 51. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Mecanismo E1 - RearranjoMecanismo E1 - Rearranjo Outro exemplo: 51 Rearranjo C+ Transferência de próton Perda do grupo abandonador Carbocátion 2o Carbocátion 3o Transferência de próton calor
  52. 52. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes H CH2 CH2 OH2 + Álcoois 1os não formam carbocátions (mecanismo E1), pois os mesmos seriam muito instáveis. Todavia, eles sofrem reações de desidratação. É verdade, porém que o mecanismo proposto é diferente. Acredita-se que um próton é abstraído a partir do íon alquiloxônio na mesma etapa em que acontece a clivagem da ligação C-OH2 +, sem a formação do carbocátion. .. .. H O H íon alquil oxônio Mecanismo de Desidratação de Álcoois 1osMecanismo de Desidratação de Álcoois 1os 52
  53. 53. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Desenhe o mecanismo para cada um dos processos: ExercíciosExercícios 53 calor calor calor calor
  54. 54. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes ExercíciosExercícios Identifique qual dos seguintes métodos é mais eficiente para a produção do 3,3-dimetilciclohexeno. Explique sua escolha. 54 calor
  55. 55. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Reações de substituição e eliminação quase sempre estão em competição entre si. Para se prever os produtos de uma reação, é necessário determinar quais são os prováveis mecanismos que ocorrerão. Em alguns casos, apenas um mecanismo vai predominar: Substituição x EliminaçãoSubstituição x Eliminação 55 a partir de E2 (único produto)
  56. 56. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Às vezes, há vários produtos possíveis e temos que prever quais serão os majoritários. Para alcançar este objetivo, três etapas são necessárias: 1. Determinar a função do reagente. 2. Analisar o substrato e determinar o mecanismo(s) esperado(s). 3. Considerar todas as exigências regioquímica e estereoquímica relevantes. Substituição x EliminaçãoSubstituição x Eliminação 56
  57. 57. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Uma reação de substituição ocorre quando o reagente atua como um nucleófilo, enquanto uma reação de eliminação ocorre quando o reagente atua como uma base. Consequentemente, o primeiro passo em qualquer caso é para determinar se o reagente é um nucleófilo forte ou fraco e se trata-se de uma base forte ou uma base fraca. Nucleofilicidade e basicidade não são os mesmos conceitos. A nucleofilicidade é fenômeno cinético e refere-se à velocidade da reação. A basicidade é um fenômeno termodinâmico e refere-se à posição de equilíbrio. Substituição x EliminaçãoSubstituição x Eliminação 57
  58. 58. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes A nucleofilicidade refere-se à velocidade com que um nucleófilo particular irá atacar um eletrófilo. Há muitos fatores que contribuem para nucleofilicidade. Um desses fatores é a carga, a qual é responsável pelo íon hidróxido ser mais nucleofílico que a água. NucleofilicidadeNucleofilicidade 58 Nucleófilo forte Nucleófilo fraco
  59. 59. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Outro fator que impacta sobre a nucleofilicidade é a polarizabilidade, que muitas vezes é ainda mais importante que a carga. Recorde-se que a polarizabilidade descreve a capacidade de um átomo de distribuir a sua densidade eletrônica de forma irregular, como resultado de influências externas. A polarizabilidade está diretamente relacionada ao tamanho do átomo e, mais especificamente, ao número de elétrons que se encontram distante do núcleo. Um átomo de enxofre é muito grande e tem muitos elétrons que estão afastados do núcleo, e por isso é altamente polarizável. A maioria dos halogênios compartilham essa mesma característica. Por esta razão, o H2S é um nucleófilo muito mais forte do que a H2O: NucleofilicidadeNucleofilicidade 59 Nucleófilo forte Nucleófilo fraco
  60. 60. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Note que o H2S não tem uma carga negativa, mas é, no entanto, um nucleófilo forte, porque é altamente polarizável. A relação entre a polarizabilidade e nucleofilicidade também explica por que o íon hidreto (H-) do NaH não funciona como um nucleófilo, mesmo que tenha uma carga negativa. O íon idreto é extremamente pequeno e não é suficientemente polarizável para funcionar como um nucleófilo. Veremos, no entanto, que o íon hidreto funciona como uma base muito forte. NucleofilicidadeNucleofilicidade 60
  61. 61. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Ao contrário da nucleofilicidade, a basicidade não é um fenômeno cinético e não se refere à velocidade de um processo. Em vez disso, é um fenômeno termodinâmico e refere-se à posição de equilíbrio: Em um processo de transferência de próton, o equilíbrio favorece a base mais fraca. BasicidadeBasicidade Base forte Base fraca
  62. 62. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Há vários métodos para determinar se uma base é forte ou fraca. Dois desses métodos são: a) abordagem quantitativa: exige acesso aos valores de pKa. Especificamente, a força de uma base é determinada pela avaliação do pKa de seu ácido conjugado. b) abordagem qualitativa: envolve a utilização de quatro fatores para a determinação da estabilidade relativa de uma base, contendo uma carga negativa. Por exemplo, um íon cloreto tem uma carga negativa e um grande átomo eletronegativo e é, portanto, altamente estabilizado (uma base fraca). Note-se que tanto a abordagem quantitativa quanto a abordagem qualitativa fornecem a mesma previsão: a de que um íon cloreto é uma base fraca. BasicidadeBasicidade 62
  63. 63. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Nucleofilicidade x BasicidadeNucleofilicidade x Basicidade Depois de analisar os principais fatores que contribuem para nucleofilicidade e basicidade, agora podemos classificar todos os reagentes em quatro grupos. I) Apenas nucleófilos: são nucleófilos fortes porque eles são altamente polarizáveis, mas eles são bases fracas porque o seus ácidos conjugados são bastante ácidos. A utilização de um reagente a partir desta categoria significa que uma reação de substituição está ocorrendo (não ocorre eliminação). 63 Nucleófilos (apenas) Bases (apenas) Nucleófilos fortes Bases fortes Nucleófilos fracos Bases Fracas haletos Nucleófilos enxofre
  64. 64. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Nucleofilicidade x BasicidadeNucleofilicidade x Basicidade II) Apenas bases: O primeiro reagente desta lista é o íon hidreto. Como mencionado anteriormente, o íon hidreto não é um nucleófilo, porque não é suficientemente polarizável. No entanto, é uma base muito forte porque o seu ácido conjugado (H2) é um ácido muito fraco. A utilização de um íon hidreto como o reagente indica que a eliminação ocorra em vez de substituição. 64 Nucleófilos (apenas) Bases (apenas) Nucleófilos fortes Bases fortes Nucleófilos fracos Bases Fracas haletos Nucleófilos enxofre
  65. 65. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes De fato, há muitos reagentes, além de hidreto, que também funcionam exclusivamente como bases (e não como nucleófilos). Dois exemplos utilizados são DBN e DBU: Estes dois compostos são muito semelhantes em estrutura. Quando qualquer um destes compostos é protonado, a carga positiva resultante é estabilizada por ressonância. 65 Estabilizado por ressonância 1,5-diazobibiclo[4.3.0]non-5-eno (DBN) 1,8-diazobibiclo[5.4.0]undec-7-eno (DBU) Nucleofilicidade x BasicidadeNucleofilicidade x Basicidade
  66. 66. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes III) Nucleófilos e bases fortes: A terceira categoria contém reagentes que são nucleófilos fortes e bases fortes. Estes reagentes incluem o hidróxido (OH-) e os alcóxidos (RO-). Tais reagentes são geralmente utilizados para processos bimoleculares (SN2 e E2). 66 Nucleófilos (apenas) Bases (apenas) Nucleófilos fortes Bases fortes Nucleófilos fracos Bases Fracas haletos Nucleófilos enxofre Nucleofilicidade x BasicidadeNucleofilicidade x Basicidade
  67. 67. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes IV) Nucleófilos e bases fracas: A quarta categoria contém reagentes que são nucleófilos fortes e bases fracas. Estes reagentes incluem a água (H2O) e álcoois (ROH). Estes reagentes são geralmente utilizados para processos unimoleculares (SN1 e E1). 67 Nucleófilos (apenas) Bases (apenas) Nucleófilos fortes Bases fortes Nucleófilos fracos Bases Fracas haletos Nucleófilos enxofre Nucleofilicidade x BasicidadeNucleofilicidade x Basicidade
  68. 68. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Fixando.... Identifique a categoria a que o íon fenolato pertence. (a) nucleófilo forte e base fraca (b) nucleófilo fraco e base forte (c) nucleófilo forte e base forte (d) nucleófilo fraco e base fraca (a) Nucleófilo muito forte e uma base muito fraca. Carga: negativa – nucleófilo forte Basicidade: Fenol é muito ácido. Base conjugada fraca. Polarizabilidade: oxigênio não é altamente polarizável, mas não é suficientemente pequeno para torná-lo não nucleofílico 68 Nucleofilicidade x BasicidadeNucleofilicidade x Basicidade
  69. 69. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Nucleofilicidade x BasicidadeNucleofilicidade x Basicidade Identifique se cada um dos seguintes reagentes seria um nucleófilo forte ou fraco, e uma base forte ou fraca: nucleófilo fraco base fraca nucleófilo forte base fraca nucleófilo forte base forte nucleófilo fraco base fraca nucleófilo forte base forte nucleófilo fraco base fraca nucleófilo forte base forte nucleófilo fraco base forte 69
  70. 70. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Substituição x EliminaçãoSubstituição x Eliminação Um haleto de alquila e uma base podem reagir através de uma reação de: substituição eliminaçãoSN1/SN2 E1/E2 Como podemos predizer qual será a principal reação que ocorrerá??? CH3 CH3 H H C CH3 CH3 ClH3C EtOH : HOH (8:2) C CH3 CH3 OHH3C + C CH3 CH3 OEtH3C 83% 17% 25 o C 70
  71. 71. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Na seção anterior, nós exploramos o primeiro passo (identificando a função do reagente). Nesta seção, vamos agora explorar o segundo passo do processo em que se analisa o substrato para se identificar qual o mecanismos operantes. Conforme descrito na seção anterior, há quatro categorias de reagentes. Para cada categoria, devemos explorar o resultado esperado com um substrato primário, secundário ou terciário. Então, vamos resumir toda a informação em um fluxograma mestre. Vamos começar com os reagentes que funcionam apenas como nucleófilos. Substituição x EliminaçãoSubstituição x Eliminação 71
  72. 72. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Substituição x EliminaçãoSubstituição x Eliminação Quando o reagente funciona exclusivamente como um nucleófilo, somente reações de substituição ocorrerão. O substrato vai determinar qual o mecanismo operar. A velocidade de um processo SN2 pode ser melhorada através da utilização de um solvente polar aprótico. 72 Nucleófilo (somente) Exemplos:
  73. 73. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Substituição x EliminaçãoSubstituição x Eliminação Quando o reagente funciona exclusivamente como uma base, somente a reações de eliminação ocorrerão. Tais reagentes são geralmente bases fortes, resultando em processos E2. Este mecanismo não é sensível à obstáculos estéricos e pode ocorrer tanto para substratos primários, secundários ou terciários. 73 Base (somente) Exemplos:
  74. 74. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Substituição x EliminaçãoSubstituição x Eliminação Note-se que quando um substrato primário é tratado com um íon alcóxido o mecanismo SN2 predomina sobre o E2. Há uma notável exceção a esta regra geral. Especificamente, o terc-butóxido de potássio é um alcóxido impedido estereoquimicamente, e favorece E2 sobre SN2, mesmo quando o substrato é primário. 74 Nucleófilo Base forte forte Exemplos: majoritário majoritário minoritário minoritário velocidade
  75. 75. DQOI - UFC Prof. Nunes DQOI - UFC Prof. Nunes Substituição x EliminaçãoSubstituição x Eliminação Estas condições não são práticas para substratos primários e secundários. Substratos primários geralmente reagem lentamente com nucleófilos fracos e bases fracas, e substratos secundários produzem uma mistura de muitos produtos. É eficaz utilizar um reagente que é tanto uma base fraca quanto um nucleófilo fraco quando o substrato é terciário. Em tal caso, os caminhos unimoleculares predominam (SN1 e E1). Uma mistura de produtos de substituição e eliminação é geralmente obtido, embora o processo E1 seja frequentemente favorecido a altas temperaturas.75 Exemplos: não é prático não é prático Nucleófilo Base fraco fraca

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