Reações de Substituição Nucleofílica

Reações de Substituição Nucleofílica

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Apostila: Reações de Substituição Nucleofílica – SN2 e SN1

9. Haletos de alquila

Os compostos orgânicos contendo halogênios são muito comuns na natureza e muito utilizado em vários processos industriais modernos. Milhares de organo-haletos são encontrados em algas e vários outros organismos marinhos. O clorometano, por exemplo, é liberado em grandes quantidades por um tipo de alga marinha, em queimadas e vulcões. Os organo-haletos são muito utilizados como solventes industriais, anestésicos de inalação em medicina, refrigerantes e pesticidas.

O átomo de halogênio do haleto de alquila é ligado a um carbono sp3. Por isso, a disposição dos grupos em torno do átomo de carbono é normalmente tetraédrica e o composto sempre é polarizado, pois os halogênios são mais eletronegativos que o átomo de carbono.

Os halogênios ligados a um carbono hibridizado em sp2, são chamados haletos vinílicos ou haletos de fenila. Os halogênios ligados a um carbono hibridizado em sp não ocorrem devido sua baixa estabilidade.

A ligação carbono-halogênio nos haletos de alquila é polar e que o átomo de carbono é deficiente em elétrons. Portanto, podemos dizer que os haletos de alquila sáo eletrófilos, e muito da química desses compostos envolve as reações polares com o nucleófilos e bases. Os haletos de alquila pordem reagir com o nucleófilos/base de duas maneiras: por meio de substituição do grupo X por um nucleófilo (Nu), ou pela eliminação de HX para formar um alceno:

As reações de substituição nucleofílica e eliminação na presença de base estão entre as reações mais versáteis e utilizadas em química orgânica.

9.1. Reações de substituição nucleofílica

Nesse tipo de reação, um nucleófilo, uma espécie com um par de elétrons não-compartilhados, reage com um haleto de alquila (chamado de substrato) pela reposição do halogênio substituinte. Acontece uma reação de substituição, e o halogênio substituinte, chamado de grupo retirante, se afasta como um íon haleto.

Como a reação de substituição é iniciada por um nucleófilo, ela é chamada de reação de substituição nucleofílica (SN).

Nas reações SN, a ligação C-X do substrato passa por uma heterólise, e o par não compartilhado do nucleófilo é usado para formar uma nova ligação para o átomo de carbono:

Os haletos de alquila não são as únicas substâncias que podem agir como substratos nas reações SN.

Para ser reativo, isto é, para ser capaz de agir como substrato em uma reação SN, uma molécula precisa possuir um bom grupo retirante. Nos haletos de alquila o grupo retirante é o halogênio, que se afasta como um íon haleto. Para ser um bom grupo retirante, o substituinte deve ser capaz de se afastar como um íon ou uma molécula básica fraca, relativamente estável.

Os melhores grupos retirantes são aqueles que se tornam os íons mais estáveis depois que se desprendem. Como a maioria dos grupos se desprendem como um íon com carga negativa, os melhores grupos retirantes são aqueles íons que estabilizam um carga negativa mais eficazmente.

Como as base fracas executam isso melhor, os melhores grupos retirantes são as bases fracas.

Dos halogênios, o íon íodeto é o melhor grupo retirante e o íon fluoreto o mais fraco:

I- > Br- > Cl- >> F-

Outras bases fracas que são bons grupos retirantes, e que iremos estudar mais adiante, são os íons alcanossulfonatos, íon sulfato de alquila e o p-toluenosulfonato.

Íons muito básicos, raramente atuam como um grupo retirante. O íon hidróxido, por exemplo, é um base forte e portanto reação como a apresentada abaixo, não ocorrem:

Não ocorre, pois OH­- é base forte

Entretanto quando um álcool é dissolvido em um ácido forte, ele pode reagir com o íon haleto (H+). Como o ácido protona o grupo –OH do álcool, o grupo retirante não necessita mais ser um íon hidróxido, ele agora é uma molécula de água, uma base muito mais fraca que o íon hidróxido.

Bases muito poderosas, tais como os íons hidretos (H:-) e íons alcanido (R:-), quase nunca atuam como grupos retirantes portanto, reações do tipo que se segue não são possíveis:

O mecanismo das reações SN podem ocorrer de duas maneiras:

  1. Reações do tipo SN2: em que é necessário o choque do nucleófilo com o haleto de alquíla. Onde as ligações carbono-halogênio se rompem ao mesmo tempo em que uma nova ligação se forma entre o nucleófilo e o carbono.

  1. Reações do tipo SN1: onde é necessário apenas o haleto de alquila. Onde a ligação carbono-halogênio se rompe formando um carbocátion, que posteriormente reage com o nucleófilo.

Reações do tipo SN2

São reações de segunda ordem global. É razoável concluir, portanto, que para que a reação se realize, um íon hidróxido e uma molécula de cloreto de metila precisam colidir. Dizemos também que a reação é bimolecular (duas espécies estão envolvidas na reação) ou do tipo SN2, que significa substituição nucleofílica bimolecular.

De acordo com esse mecanismo (Hughes-Ingold), o nucleófilo aborda o carbono que carrega o grupo retirante por trás, isto é, pelo lado diretamente oposto ao grupo retirante. Com a ligação do nucleófilo ocorre uma inversão da configuração.

O mecanismo Hughes-Ingold para a reação SN2 envolve apenas uma etapa. Não há intermediários. A reação prossegue através da formação de uma disposição instável de átomos chamados estado de transição.

Estado de transição

Estereoquímica das reações SN2

Em uma reação SN2 o nucleófilo ataca por trás, isto é, pelo lado oposto ao grupo retirante. Esse modelo de ataque causa uma mudança na configuração do átomo de carbono que é o alvo do ataque nucleofílico.

À medida que ocorre o deslocamento, a configuração do átomo de carbono sob ataque se inverte, de dentro para fora, como um guarda-chuva que vira pelo avesso devido a uma ventania.

Com uma molécula do tipo cloreto de metila, não há como provar que o ataque pelo nucleófilo inverte a configuração do átomo de carbono, pois uma forma de cloreto de metila é idêntica à sua forma invertida.

Entretanto, com uma molécula cíclica, tal como cis-1-cloro-3-metil-ciclopentano reage com o íon hidróxido, em uma reação SN2, o produto é o trans-3-metilciclopentanol. O íon hidróxido acaba se ligando ao lado do anel oposto ao cloro que ele substitui.

Também podemos observar uma inversão de configuração com uma molécula acíclica, quando a reação SN2 ocorre em um estereocentro (carbono quiral). Aqui também descobrimos que as reações SN2 sempre levam a uma inversão da configuração.

Ex: 2-bromooctano

Reações SN1

Quando os íons hidróxido não participam no estado de transição da etapa que controla a velocidade da reação, e que apenas moléculas de cloreto de terc-butila são envolvidos. Essa reação é chamada de unimolecular. Denominamos esse tipo de reação de SN1, substituição nucleofílica unimolecular.

As reações SN1 são reações multietapas, onde existe uma etapa determinante da velocidade.

Se uma reação acontece em uma série de etapas, e se uma etapa é intrinsecamente mais lenta que todas as demais, então a velocidade da reação global será essencialmente a mesma velocidade dessa etapa mais lenta. Consequentemente, essa etapa lenta é chamada de etapa limitante da velocidade.

Figura 14 – Esquema da velocidade de reação (substituição nucleofílica unimolecular).

Exemplo:

Mecanismo para a reação SN1

Carbocátions

A partir de 1920, muita evidência começava a se acumular, sugerindo simplesmente que os cátions de alquila eram os intermediários em um variedade de reações iônicas. Em 1962 o pesquisador George A. Clah comprovou a existencia do carbocátion, elucidando diversos mecanismos de reação.

A estabilidade relativas dos carbocátions se refere ao número de grupos alquila ligados ao átomo de carbono trivalente carregado positivamente.

Estereoquímica das reações SN1

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