Roteiros de Química - Farmácia

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

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

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

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

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

Mecanismo E2Mecanismo E2
6

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

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.
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.

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.
9
reatividade aumenta
1o 2o 3o

10
reatividade aumenta
∆G
Coordenada da reação
Estado de transição

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

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

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

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

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.

Identifique o produto majoritário em cada caso.
Br
Cl
16
Zaitsev x HofmannZaitsev x Hofmann

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)
majoritário minoritário

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.
18
majoritário minoritário

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:
19
Por que o outro estereoisômero (Z) possível não é obtido?
(E)

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.
20

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.
21

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:
22
anti-coplanar syn-coplanar
girar a ligação C-C
alternada eclipsada
Mais estável

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.
23
anti-coplanar syn-coplanar
alternada eclipsada

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.
24
anti-coplanar
eliminação

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:
25

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.
26

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.
27

Esteroespecificidade em E2Esteroespecificidade em E2
Conceitos:
28
EstereoespecificidadeEstereosseletividade
Majoritário
Minoritário

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

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.
30

Se não existirem tais prótons, uma reação E2
não pode ocorrer a uma velocidade apreciável.
Este composto não sofrerá E2.
31

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:
32
não
observado

Qual isômero reagirá mais rapidamente em uma reação E2?
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

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

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

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
menos
reativo
mais
reativo
substrato 2o substrato 3o
Energia
Livre (G)
Energia
Livre (G)

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

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

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

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

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

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
Transferência
de próton
Transferência
de próton
Perda do
grupo abandonador
Transferência
de próton
Transferência
de próton
Perda do
grupo abandonador

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

O mecanismo E1 envolvendo álcoois:
48
Rearranjo
C+
Transferência
de próton
Perda do
grupo
abandonador
Carbocátion
2o
Carbocátion
3o
Transferência
de próton
calor

49
Rearranjo
C+
Transferência
de próton
Perda do
grupo
abandonador
Transferência
de próton
Energia
Livre
(G)

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

Outro exemplo:
51
Rearranjo
C+
Transferência
de próton
Perda do
grupo
abandonador Carbocátion
2o
Carbocátion
3o
Transferência
de próton
calor

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

Desenhe o mecanismo para cada um dos processos:
ExercíciosExercícios
53
calor
calor
calor
calor

ExercíciosExercícios
Identifique qual dos seguintes métodos é mais eficiente para a produção
do 3,3-dimetilciclohexeno.
Explique sua escolha.
54
calor

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)

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.
56

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.
57

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

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