Química Orgânica

Reacções características dos compostos orgânicos Reacções de substituição Reacções de eliminação Reacções de adição

Química da ligação s Os alcanos são compostos pouco reactivos porque têm apenas ligações s entre os átomos que os constituem Reagem com Cl2 and Br2

Mecanismo início propagação finalizar

Substituição: A substituição do halogéneo em haletos de alquilo por outro grupo é uma das reacções mais importantes em Química Orgânica; OH- + CH3Cl H2O CH3OH + Cl- CH3CH2Br + KI CH3CH2I + KBr acetona

Exemplos de reacções de substituição com brometo de etilo (CH3CH2Br): Nestas reacções existe a substituição de uma base de Lewis por outra base de Lewis; As bases de Lewis nas reacções anteriores são reagentes nucleófilos. Por isso, a reacção designa-se por substituição nucleófila. Exemplos de reacções de substituição com brometo de etilo (CH3CH2Br): OH- C2H5O- CN- NH3 CH3CH2OH CH3CH2OCH2CH3 CH3CH2CN CH3CH2NH3+ Br-

Vamos analisar exemplos E o mecanismo desta reacção? OH- + CH3Br CH3OH + Br- A velocidade duplica quando se duplica, quer a concentração de OH- quer a concentração de CH3Br v = K [OH-] [CH3Br] Reacção com cinética de segunda ordem

Mecanismo? Br E O passo que comanda a velocidade da reacção consiste no choque de duas espécies. Logo temos uma substituição nucleófila bimolecular, usualmente representada por SN2.

Vamos analisar exemplos E o mecanismo desta reacção? H2O + (CH3)3CBr (CH3)3COH + Br- A velocidade duplica quando se duplica a concentração de (CH3)3CBr A velocidade não se altera quando se adiciona mais H2O v = K [(CH3)3CBr] Reacção com cinética de primeira ordem

Mecanismo?

E A velocidade da reacção é determinada pela cisão da ligação C-Br, com formação do carbocatião correspondente. O passo limitante da velocidade da reacção produz-se apenas com uma espécie. Logo temos uma substituição nucleófila unimolecular, usualmente representada por SN1.

Consequências estereoquímicas destas reacções? O ataque do nucleófilo não ocorre pelo mesmo lado do grupo que está de saída; O ataque do nucleófilo ocorre pelo lado oposto ao do grupo que está de saída; As reacções SN2 são estereosselectivas e ocorrem com inversão da configuração, isto é, inversão da orientação relativa dos substituintes em torno do carbono sp3.

Consequências estereoquímicas destas reacções? As reacções SN1 não são estereosselectivas

Se há carbocatião há rearranjos? CH3 C H CHCH3 Br H2O OH CH2CH3 (93%) CH3 C H CHCH3 + -Br- -H+ CH3 C CHCH3 H + H2O

Resumindo

Resumindo

Eliminação: Nas reacções de substituições temos dois possíveis mecanismos. E nas de eliminação?

E o mecanismo desta reacção? A reacção de eliminação bimolecular (E2) E o mecanismo desta reacção?

Reactividade dos haletos de alquilo em reacções de eliminação E2

Vejamos o seguinte exemplo

Alexander M. Zaitsev (1841-1910) The more substituted alkene product is obtained when a proton is removed from the b-carbon that is bonded to the fewest hydrogens The most stable alkene is generally (but not always) the most substituted alkene Regra de Zaitsev: o alceno mais substituído é obtido quando é removido um protão do carbono b que está ligado a menos hidrogénios.

E o mecanismo desta reacção? A reacção de eliminação unimolecular (E1) E o mecanismo desta reacção?

E

Como prever quando estamos em presença de reacções de substituição ou de eliminação? Existem muitos factores que influenciam a competição entre substituição e eliminação. No entanto, os mais importantes são: Estrutura do haleto de alquilo Basicidade da base de Lewis

Sumário Reacção de Substituição podem ser fracos 3º >2º polares próticos bom 1ª ordem, K[RX] mistura de isómeros comuns SN1 forte CH3 > 1º >2º grande variedade bom 2ª ordem, K[RX][Nu-] estereoespecífica impossíveis SN2 Factores favoráveis nucleófilo substrato (RX) solvente grupo que parte Características cinética estereoquímica rearranjos

Sumário Reacção de Eliminação podem ser fracas 3º >2º polares próticos bom 1ª ordem, K[RX] alceno mais substituído comuns E1 fortes 3º > 2º >1º grande variedade bom 2ª ordem, K[RX][B-] alceno mais substituído impossíveis E2 Factores favoráveis base substrato (RX) solvente grupo que parte Características cinética orientação rearranjos

Preparação de compostos organometálicos Reagentes de Grignard Os reagente de Grignard são um grupo particular de reagentes organometálicos preparados a partir de haletos de alquilo São nucleófilos muito fortes: Nos haletos de alquilo o carbono está polarizado positivamente, ou seja, é um electrófilo Francis August Victor Grignard (1871-1935) CH3MgI Iodeto de metilmagnésio R X d+ d– Nos reagentes de Grignard, devido à baixa electronegatividade do metal, o carbono está polarizado negativamente, ou seja, é um nucleófilo R Mg─X d– d+

I > Br > Cl >> F Síntese: Os reagentes de Grignard são preparados por reacção entre haletos de alquilo e Magnésio metálico R─Mg─X Et2O R X + Mg Ar—X + Mg Ar─Mg─X Et2O Sendo nucleófilos muito fortes a sua síntese tem de ocorrer em meios totalmente apróticos (incluindo a absoluta ausência de água!) Tipicamente são utilizados o éter etílico ou o tetra-hidrofurano como solventes I > Br > Cl >> F RX > ArX

Que tipo de reacções apresentam os álcoois? Oxidação Álcoois como electrófilos e como nucleófilos Desidratação

Oxidação Oxidação de álcoois primários [O] = K2Cr2O7, KMnO4, CrO3, H2CrO4

Oxidação Não há reacção Oxidação de álcoois secundários Oxidação de álcoois terciários Não há reacção

Oxidação

Álcoois como electrófilos e como nucleófilos Cisão desta ligação quando o álcool reage como nucleófilo (comportamento como ácido) Cisão desta ligação quando o álcool reage como electrófilo (reacções de substituição)

Br H O R . .. H R . O Br – .. + Ka= 10-16 a 10-18 Reacções ácido-base Têm um comportamento ácido-base comparável ao da água Comportamento como base: Br H O R . .. H R . O Br – .. + Comportamento como ácido: Ka= 10-16 a 10-18 Os álcoois são ácidos muito fracos

2CH3OH + 2Na  2CH3ONa + H2 2CH3CH2OH + 2K  2CH3CH2OK + H2 Reacções ácido-base R-O- ião alcóxido: Métoxido Étóxido Propóxido... Reacção com metais alcalinos (Na, K) 2CH3OH + 2Na  2CH3ONa + H2 2CH3CH2OH + 2K  2CH3CH2OK + H2

R3COH < R2CHOH < RCH2OH Reacções ácido-base Reacção com hidretos( espécies dadoras de H-) CH3OH + NaH  CH3ONa + H2 Reactividade dos álcoois na preparação de alcóxidos: R3COH < R2CHOH < RCH2OH usar K Fáceis de preparar com Na

E o mecanismo destas reacções? Com haletos de hidrogénio Cisão da ligação C OH E o mecanismo destas reacções?

Com haletos de hidrogénio SN2 SN1 E rearranjos?

Com haletos de hidrogénio O ião cloreto é um nucleófilo mais fraco do que o ião brometo, por isso, exige condições mais enérgicas: o reagente de Lucas (HCl + ZnCl2)

primário secundário terciário > 6 1 - 5 < 1 Com haletos de hidrogénio Teste de Lucas: Álcool tempo de reacção(min.) primário secundário terciário > 6 1 - 5 < 1 Pouco eficientes na preparação de iodetos de alquilo Fracos rendimentos de cloretos de alquilo secundários e primários Eliminações Rearranjos Limitações

Com cloreto de tionilo (SOCl2) Catalisador da reacção de substituição e neutraliza o ácido produzido

Com cloreto de tionilo (SOCl2) Mecanismo

Com haletos de fósforo (PX3) Mecanismo

Com haletos de fósforo (PX3)

Desidratação de álcoois Desidratação de álcoois: formação de éteres e alcenos álcoois primários Mecanismo:

Desidratação de álcoois a temperaturas superiores (170 oC), os álcoois primários também sofrem eliminação

Desidratação de álcoois geralmente os álcoois secundários e terciários originam produtos de eliminação

Reacções regiosselectivas Desidratação de álcoois Reacções regiosselectivas Novamente a regra de Zaitsev: a reacção de desidratação de álcoois origina, como produto maioritário, o alceno com maior número de substituintes.

Química dos compostos aromáticos A perda de aromaticidade é desfavorável Substituição electrofílica aromática

Mecanismo H E + H E+ Ataque do sistema p do anel aromático ao electrófilo E + H E + H O carbocatião formado é alílico (estabilizado por ressonância), mas não aromático

Eliminação do protão do carbocatião intermediário Mecanismo H E + H - H+ E E+ Eliminação do protão do carbocatião intermediário Ao eliminar H+ o composto recupera a aromaticidade

O benzeno participa em reacções de substituição sem perda de aromaticidade H E + Y d+ d– Nitração Sulfonação Halogenação Alquilação de Friedel-Crafts Acilação de Friedel-Crafts Nas várias reacções de substituição muda apenas a natureza do electrófilo

Estabilizado por ressonância Nitração H + H2O H2SO4 HONO2 NO2 Nitrobenzeno Mecanismo H NO2 + H NO2+ - H+ NO2 Estabilizado por ressonância O electrófilo é o ião nitrónio O N •• + •

Reacção catalisada por ácido Nitração Formação do ião nitrónio O N H + •• • – O N H + •• • – H2SO4 O N •• + • H Reacção catalisada por ácido

Ácido benzenossulfónico Sulfonação H + H2O D HOSO2OH SO2OH Ácido benzenossulfónico De entre os vários electófilos presentes o mais importante é o SO3 O S + •• • – reacção reversível; contudo, há técnicas que possibilitam a obtenção do ácido benzenossulfónico em bons rendimentos: removendo a água que se forma usando uma solução de trióxido de enxofre em ácido sulfúrico

Estabilizado por ressonância Sulfonação Mecanismo H SO3- + H SO3 SO2OH - H+ O S + •• • – Estabilizado por ressonância

Estabilizado por ressonância Halogenação H + HBr FeBr3 Br2 Br Mecanismo Br―Br...... FeBr3 d+ d- H Br + H - H+ Br Estabilizado por ressonância

Torna o bromo mais electrofílico Halogenação Base de Lewis Ácido de Lewis Complexo base de Lewis-ácido de Lewis Torna o bromo mais electrofílico A cloração do benzeno é efectuada de forma semelhante, usando FeCl3 como catalisador. A iodação e fluoração do benzeno são efectuadas de forma diferente, porque: O fluor é muito reactivo como electrófilo, de forma que é difícil de controlar a sua reacção com o benzeno. A iodação é muito lenta e caracterizada por uma constante de equilíbrio desfavorável.

Alquilação de Friedel Crafts H + HCl AlCl3 (CH3)3CCl C(CH3)3 t-butilbenzeno Charles Friedel (1832-1899) James Mason Crafts (1839-1917) Mecanismo H C(CH3)3 + H - H+ C(CH3)3 +C(CH3)3 O electrófilo é o carbocatião t-butilo Estabilizado por ressonância

Alquilação de Friedel Crafts O AlCl3 actua como ácido de Lewis promovendo a ionização do haleto de alquino + (CH3)3C Cl AlCl3 – (CH3)3C Cl + AlCl3 Cl AlCl3 – + (CH3)3C + Os haletos de alquilo não são suficientemente electrófilos para reagir com o benzeno. O tricloreto de alumínio é o catalisador da reacção e como ácido de Lewis aumenta o carácter electrófilo do agente alquilante.

Alquilação de Friedel Crafts Com haletos de alquilo secundários ou terciários, a adição de cloreto de alumínio pode originar os carbocatiões correspondentes. Sendo estes as espécies electrófilas que atacam o benzeno. Se o mecanismo envolve carbocatiões podem ocorrer rearranjos H (CH3)2CHCH2Cl AlCl3 1-cloro-2-metilpropano t-Butilbenzeno C(CH3)3 + Ocorre rearranjo do carbocatião (CH3)2CHCH2 +

Acilação de Friedel Crafts H + HCl AlCl3 CH3COCl COCH3 acetofenona Mecanismo CCH3 + H O +CCH3 O - H+ CCH3 O H Estabilizado por ressonância O electrófilo é o catião acilo •• CH3CH2C O • +

Acilação de Friedel Crafts O AlCl3 actua como ácido de Lewis promovendo a ionização do haleto de acilo CH3CH2C Cl + AlCl3 O + Cl AlCl3 – CH3CH2C O Cl AlCl3 – CH3CH2C O • + •• CH3CH2C O • +

? Qual é o efeito dos substituintes na velocidade da substituição electrofílica aromática? A velocidade relativa de nitração: CH3 20-25 x mais rápida CF3 40 000 x mais lenta

? Qual é o efeito dos substituintes na regiosselectividade da substituição electrofílica aromática? Os produtos da reacção de nitração são: CH3 HNO3 Anidrido acético NO2 + 34% 3% 63%

? Qual é o efeito dos substituintes na regiosselectividade da substituição electrofílica aromática? Os produtos da reacção de nitração são: CF3 HNO3 Anidrido acético NO2 + 3% 91% 6%

Resumindo O grupo metilo aumenta a reactividade do anel; O grupo metilo orienta a substituição para as posições “orto” e “para”; O grupo trifluorometilo diminui a reactividade do anel; O grupo trifluorometilo orienta a substituição para a posição “meta” . Orientadores orto-para: a reacção de substituição ocorre preferencialmente nas posições orto e para relativamente ao substituinte. Desactivante: a reacção de substituição ocorre preferencialmente na posição meta relativamente ao substituinte. Activantes: aumentam a reactividade do composto face ao benzeno Desactivantes: diminuem a reactividade do composto face ao benzeno

orto meta para No caso da substituição em meta todos os híbridos de ressonância são carbocatiões secundários, sendo menos estáveis do que os resultantes da substituição em orto e para O efeito orientador e activante/desactivante dos substituintes está relacionado com a capacidade destes contribuirem (ou não) para a estabilidade do carbocatião formado no passo limitante O efeito activante do metilo ou outros grupos alquilo de estes poderem ceder electrões ao anel por indução contribuindo assim para a estabilização do carbocatião Em ambos os casos o carbocatião tem um carácter parcialmente terciário e consequentemente é mais estável

Diagramas de energia para o ataque do ião nitrónio

A elevada electronegatividade do fluor faz com que o grupo CF3 tenha um efeito “sacador” de electrões contribuindo para instabilizar o carbocatião intermediário C + F3C Um grupo desactivante reduz a reactividade de todas as posições mas afecta de forma mais acentuada as posições orto e para O carbocatião tem um carácter parcialmente terciário mas é instabilizado pelo efeito sacador de electrões do CF3 A substituição em meta é a menos instabilizada dado que em nenhum dos híbridos de ressonância a carga está localizada em C-CF3

Diagramas de energia para o ataque do ião nitrónio

? Qual é o resultado quando temos a nitração do benzaldeído?

A ressonância do anel aromático com o carbonilo leva a uma diminuição da densidade electrónica no anel , que diminui a reactividade, mas que afecta sobretudo as posições orto e para. Grupos sacadores de electrões (SE): desactivantes e orientadores meta SE

? Qual é o resultado quando temos a nitração do fenol?

Ataque orto Ataque para Ataque meta

Então é esta a explicação: os pares de electrões do oxigénio podem estabilizar o intermediário quando temos um ataque orto e/ou para, originando uma forma de ressonância mais estável. os pares de electrões do oxigénio não podem ser usados na estabilização do intermediário quando temos um ataque meta . Grupos doadores de electrões (DE): activantes e orientadores orto/para DE

? Qual é o resultado quando temos a nitração do clrobenzeno?

? Efeito dos halogénios é contraditório?

Então é esta a explicação: os halogénios são desactivantes dado que sendo electronegativos “sacam” electrões do anel por indução (efeito comparável ao CF3. possuem pares de electrões não partilhados que podem ceder por ressonância estabilizando preferencialmente os carbocatiões que resulta de substituição em orto e para.

Conclusões Se tivermos substituintes que partilhem electrões com o intermediário, teremos a possibilidade de formar mais uma estrutura de ressonância, logo a reacção é favorecida. Este tipo de substituintes são orientadores orto-para e são considerados activantes fortes do anel; Se tivermos substituintes que não partilhem electrões, mas não sejam sacadores de electrões, também são orientadores orto-para e são considerados activantes mais fracos do anel; Se tivermos substituintes que não partilhem electrões e sejam sacadores de electrões, teremos uma maior desestabilização do intermediário sempre que a carga positiva estiver junto do substituinte. Então são orientadores meta e são considerados desactivantes do anel;

Conclusões O caso particular dos halogénios: temos substituintes que são sacadores de electrões; os híbridos de ressonância, aquando do ataque orto e para, podem ser estabilizados pelos electrões não compartilhados dos halogénios no caso do ataque meta essa estabilização não é possível deste modo os halogénios são desactivantes do anel , mas orientadores orto-para