Reações de Substituição Nucleofílica e de Eliminação - Organica 2

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DQOI - UFC
Prof. Nunes
Reações de Substituição Nucleofílica 
em Carbonos Saturados
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 set/2016
Assista a video-aula
https://www.youtube.com/watch?v=kNI4JCsGx7M
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Reações de Substituição Nucleofílica envolvem a troca de um grupo
funcional por outro:
Em cada reação de substituição, existe um eletrófilo (Csp3), um nucleófilo e
um grupo abandonador.
nucleófilo
Nu R X: + R Nu + X
-
grupo abandonadorheterólise
Substituição NucleofílicaSubstituição Nucleofílica
2
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Um grupo abandonador exerce duas funções importantes:
1) Retira densidade eletrônica por efeito indutivo, tornando o átomo
carbono adjacente eletrofílico. Isto pode ser visualizado através dos
mapas de potencial eletrostático dos haletos de alquila.
2) Pode estabilizar qualquer carga negativa que se desenvolve como
resultado da saída do grupo do substrato.
Substituição NucleofílicaSubstituição Nucleofílica
3
carga estabilizada
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Os nucleófilos mais freqüentes encontrados em transformações de grupos
funcionais são ânions, os quais são usados na forma de sais com seus
contra-íons (metais, M) mais comuns: Li+, Na+, K+.
MOCR (carboxilato, RCO-)
MOR (alcóxido, RO-)
MSH (hidrogeno sulfeto, HS-)
MCN (cianeto, -C≡N)
MN3 (azoteto, N3-)
A porção aniônica dos sais substitui o halogênio nos haletos de alquila.
NucleófilosNucleófilos
4
O O
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1) Mecanismo Concertado: ataque nucleofílico sobre o carbono eletrofílico
promove a quebra da ligação entre o carbono o grupo abandonador
2) Mecanismo em duas etapas (a): Grupo abandonador sai, gera um carbocátion
que é atacado pelo nucleófilo.
3) Mecanismo em duas etapas (b): Ocorreria a adição do nucleófilo com
posterior saída do grupo abandonador. Impossível, pois implicaria na
formação de um carbono com 5 ligações.
Possíveis Mecanismos de SubstituiçãoPossíveis Mecanismos de Substituição
5
ataque
nucleofílico
saída do
grupo 
abandonador
saída do
grupo 
abandonador
ataque nucleofílico
Carbono teria 
5 ligações
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Durante a década de 1930, Sir Christopher Ingold e Edward D.
Hughes (University College, Londres) investigaram as reações
de substituição para elucidarem o seu mecanismo.
Com base em dados cinéticos e observações estereoquímicas,
Ingold e Hughes
� propuseram um mecanismo concertado para
muitas das reações de substituição que
investigaram.
Mecanismos SN2Mecanismos SN2
6
ataque
nucleofílico
saída do
grupo 
abandonador
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Dados cinéticos:
V = K [substato] [nucleófilo]
Mecanismos SN2Mecanismos SN2
7
H3C Br + HO
- H3C OH Br -+
experimento [CH3Br] [OH-] Velocidade inicial
01 0,001 1,0 4,8 x 10-7
02 0,002 1,0 9,8 x 10-7
03 0,001 2,0 9,8 x 10-7
04 0,002 2,0 19,6 x 10-7
A variação da velocidade mostrou-se diretamente proporcional à variação
das concentrações dos reagentes, definindo uma ordem 1 para cada
reagente e ordem geral 2 para a lei de velocidade para a reação.
Substituição
Nucleofílica
Bimolecular
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A estereoespecificidade das reações foi outra evidencia crucial que levou
os pesquisadores a proporem o mecanismo concertado.
� Quando a posição α é um centro de quiralidade, observa-se uma
inversão de configuração no produto, em relação ao reagente.
A inversão de configuração significa que o nucleófilo só pode atacar a partir
do lado de trás (lado oposto ao do grupo de saída), e nunca a partir do lado
da frente.
Mecanismos SN2Mecanismos SN2
8
ataque por trás
ataque pela frente
α
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O resultado estereoquímico observado para um mecanismo SN2 (inversão
de configuração) é consistente com um mecanismo concertado.
� O ataque nucleófilo (pelo lado de trás) com perda simultânea do
grupo abandonador.
� Isso faz com que o centro de quiralidade se comporte
como um guarda-chuva invertido pelo vento:
Mecanismos SN2Mecanismos SN2
9
Estado de transição
pentacoordenado
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Nas reações SN2, Ingold e Hughes também verificou que:
� a velocidade era sensível à natureza do haleto de alquila.
Estrutura do Substrato – SN2Estrutura do Substrato – SN2
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Reatividade
relativa
Mais
reativo
Menos
reativo
Lento demais
para medir
Metil Primário Secundário Terciário
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Para compreender a natureza dos efeitos estéricos que governam as
reações SN2, devemos explorar o estado de transição da reação.
Lembre-se que um estado de transição é representado por um máximo de
energia em um diagrama de energia.
Estrutura do Substrato – SN2Estrutura do Substrato – SN2
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Estado de transição
pentacoordenado
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Estrutura do Substrato – SN2Estrutura do Substrato – SN2
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Energia
Livre (G)
Coordenada da reação
“quanto maior a energia do estado de
transição (Ea), mais lenta será a
velocidade da reação.”
Com isto em mente, poderemos explorar o efeito do impedimento estérico sobre a
diminuição da velocidade da reação.
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Observe com atenção o estado de transição.
O nucleófilo (N≡C-) está no processo de formação de um ligação com o
substrato, e o grupo abandonador quebrando sua ligação com o substrato.
Note que há uma carga parcial negativa em ambos os lados do estado de
transição.
Estrutura do Substrato – SN2Estrutura do Substrato – SN2
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Se os átomos de hidrogênio forem substituídos por grupos alquila,
interações estéricas gerarão um estado de transição de maior em energia,
aumentando a Ea para a reação e, consequentemente, diminuindo a
velocidade da reação.
Estrutura do Substrato – SN2Estrutura do Substrato – SN2
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Energia
Livre (G)
Coordenada da reação
Energia
Livre (G)
Energia
Livre (G)
Coordenada da reação Coordenada da reação
NC-
NC-
NC-
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O impedimento estérico na posição β também pode diminui a velocidade da
reação. Por exemplo, considere a estrutura de brometo de neopentila.
Ele é um haleto de alquila primário, mas tem três grupos metila ligados ao
carbono β. Estes grupos metila proporcionarão impedimento estérico
fazendo com que a energia do estado de transição seja muito elevada, e a
velocidade da reação muito lenta.
A velocidade de reação de um substrato neopentilo é semelhante à taxa de
um substrato terciário em reações SN2. é Um exemplo de um haleto de
alquilo primária que, essencialmente, não sofre uma reação SN2.
Estrutura do Substrato – SN2Estrutura do Substrato – SN2
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Mecanismo – SN1Mecanismo – SN1
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O segundo mecanismo possível para uma reação de substituição é um
mecanismo multi-etapas em que há
1) a perda do grupo abandonador, para formar um intermediário
carbocátion,
2) seguido por ataque nucleofílico ao carbocátion intermediário.
saída do
grupo 
abandonador
ataque nucleofílico
carbocátion
intermediário
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Mecanismo – SN1Mecanismo – SN1
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Muitas reações parecem seguir este mecanismo. Mais uma vez, existem
várias evidências que suportam este mecanismo nesses casos.
Evidências cinéticas: Muitas reações de substituição não exibem uma
cinética de segunda ordem. Considere o seguinte exemplo:
Nestas reações, a concentração do nucleófilo é completamente irrelevante.
V = K [haleto de alquila]
Substituição
Nucleofílica
Unimolecular
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Mecanismo – SN1Mecanismo – SN1
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V = K [haleto de alquila]
Etapa determinante
da velocidadeda reação
A velodicade da reação SN1 é 
afetada apenas por fatores 
que afetam a velocidade de 
saída do grupo abandonador.
O aumento da concentração 
de nucleófilo não possui 
nenhum impacto sobre a 
velocidade da etapa lenta. 
Portanto, a reação SN1 é 
consistente com um 
mecanismo multi-etapas, no 
qual a primeira etapa é a 
determinante da velocidade.
Energia
Livre (G)
Coordenada da reação
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Mecanismo SN1 – Estrutura do SubstratoMecanismo SN1 – Estrutura do Substrato
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A velocidade de uma reação SN1 é
� altamente dependente da natureza do substrato,
� mas a tendência é a inversa da tendência que vimos para reações
SN2.
� Em reações SN1, substratos terciários reagem mais rapidamente,
que os substratos de metila, e os haletos de alquila primários
são, na sua maioria, não reativos.
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Mecanismo SN1 – Estrutura do SubstratoMecanismo SN1 – Estrutura do Substrato
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Em reações SN2, o impedimento estérico era o problema porque o nucleófilo
estava atacando diretamente o substrato.
Em contraste, em reações SN1, o nucleófilo não ataca o substrato
diretamente.
� Em vez disso, o grupo abandonador sai primeiro, resultando na
formação de um carbocátion. Esta etapa é a etapa determinante
da velocidade da reação .
Uma vez que o carbocátion é formado, ele é capturado rapidamente pelo
nucleófilo.
A velocidade da reação é de apenas dependente da rapidez com que o grupo
abandonador forma o carbocátion.
� O fator dominante torna-se agora a estabilidade carbocátion.
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Mecanismo SN1 – Estrutura do SubstratoMecanismo SN1 – Estrutura do Substrato
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� O fator dominante torna-se agora a estabilidade carbocátion.
Lembre-se que os carbocátions são estabilizadas por grupos alquila
vizinhos.
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Mecanismo SN1 – Estrutura do SubstratoMecanismo SN1 – Estrutura do Substrato
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Portanto, a formação de uma carbocátion terciário terá um Ea menor do que
a formação de uma carbocátion secundário.
A maior Ea associada à formação de uma carbocátion secundário pode ser
explicado pelo postulado de Hammond.
� o estado de transição para a formação de um carbocátion
terciário terá energia próxima à do próprio carbocátion terciário.
Portanto, a formação de uma carbocátion terciário envolverá uma
Ea menor.
Energia
Livre (G)
Coordenada da reação
Energia
Livre (G)
Coordenada da reação
substrato 2o substrato 3o
C+
C+
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Mecanismo SN1 – EstereoquímicaMecanismo SN1 – Estereoquímica
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Lembre-se que as reações SN2 ocorrem com inversão de configuração:
Em contraste, as reações SN1 envolve a formação de um intermediário
carbocátion, que pode, então, ser atacado por ambos os lados pelo
nucleófilo, que provoca tanto a inversão de configuração como a retenção
de configuração nos produtos.
inversão da
configuração
50% 
retenção da
configuração
50% 
(S)-2-bromobutano (R)-2-bromobutano
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Mecanismo SN1 – EstereoquímicaMecanismo SN1 – Estereoquímica
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Na prática, no entanto, as reações SN1 raramente produzem quantidades
exatamente iguais de produtos de inversão e de retenção de configuração.
Geralmente, há uma ligeira preferência para o produto de inversão.
A explicação aceita envolve a formação de
pares de íons.
Quando o grupo abandonador sai, ele fica
muito perto do carbocátion, formando um
par iônico.
Se o ataque nucleofílico ao carbocátion
ocorrer enquanto ele ainda estiver
participando do par iônico, o grupo que
saiu bloqueará o ataque do nucleófilo por
aquela trajetória.
Como resultado, o nucleófilo vai atacar
mais vezes pelo lado oposto ao grupo de
saída, levando a uma ligeira preferência
por inversão sobre o de retenção.
grupo 
abando-
nador
grupo 
abando-
nador
Par iônico
Produto de 
retenção 
<50%
Produto de 
inversão
>50%
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Mecanismo SN1 – EstereoquímicaMecanismo SN1 – Estereoquímica
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Desenhe o produto da seguinte reação SN1.
Produto de 
retenção 
<50%
Produto de 
inversão
>50%
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Mecanismo SN1 – Transferência de Próton no InícioMecanismo SN1 – Transferência de Próton no Início
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Antes das duas etapas fundamentais de um mecanismo SN1,
� uma transferência de próton será necessária sempre o grupo de
saída for um grupo OH.
� O íon hidróxido é um grupo de saída ruim e não vai sairá por si só.
� Será necessário protonar a hidroxila antes. Desta, o grupo abandonador
será uma molécula de água muito mais estável que o íon hidróxido.
Grupo 
abandonador 
ruim
Grupo 
abandonador 
excelente
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Ataque
nucleofílico
Saída do
grupo
abandonador
Transferência
do próton
Mecanismo SN1 – Transferência de Próton no InícioMecanismo SN1 – Transferência de Próton no Início
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Mecanismo SN1 – Transferência de Próton no FinalMecanismo SN1 – Transferência de Próton no Final
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Após as duas etapas principais de um mecanismo SN1, uma transferência
de próton será necessária sempre que o nucleófilo for neutro (não carregado
negativamente).
Ataque
nucleofílico
Saída do
grupo
abandonador Transferência
do próton
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Mecanismo SN1 – Transferência de Próton no FinalMecanismo SN1 – Transferência de Próton no Final
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Sempre que o nucleófilo que ataca for neutro, uma transferência de próton
será necessária, no final do mecanismo.
Abaixo está mais um exemplo. As reações como esta, em que os solventes
atuam como nucleófilo, são chamados de reações de solvólise.
Ataque
nucleofílico
Saída do
grupo
abandonador Transferência
do próton
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Mecanismo SN1 – Rearranjo do CarbocátionMecanismo SN1 – Rearranjo do Carbocátion
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Rearranjo
do 
carbocátion
Saída do
grupo
abandonador Carbocátion
2o
Carbocátion
3o
Ataque
nucleofílico
Transferência
do próton Transferência
do próton
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Mecanismo SN1 – Rearranjo do CarbocátionMecanismo SN1 – Rearranjo do Carbocátion
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Rearranjo
do 
carbocátion
Saída do
grupo
abandonador
Ataque
nucleofílico
Transferência
do próton
Transferência
do próton
Energia
Livre
(G)
Coordenada da reação
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Mecanismo SN2 – Transferência de Próton no InícioMecanismo SN2 – Transferência de Próton no Início
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Uma transferência de próton também é necessária no início de um processo
SN2, se o grupo de saída for uma hidroxila.
Ataque
Nucleofílico
e
Saída do
grupo
abandonador
Transferência
do próton
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Mecanismo SN2 – Transferência de Próton no InícioMecanismo SN2 – Transferência de Próton no Início
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Uma transferência de próton também é necessária no início de um processo
SN2, se o grupo de saída for uma hidroxila.
Ataque
Nucleofílico
e
Saída do
grupo
abandonador
Transferência
do próton
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Mecanismo SN2 – Transferência de Próton no FinalMecanismo SN2 – Transferência de Próton no Final
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Uma transferência de próton vai ocorrer no final de um processo SN2 se o
nucleófilo for neutro. Por exemplo, considere a seguinte reação de solvólise:
Ataque
Nucleofílico
e
Saída do
grupo
abandonador
Transferência
do próton
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Qual Mecanismo Predomina?Qual Mecanismo Predomina?
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A fim de desenhar os produtos de uma reação de substituição específica,
� é preciso primeiro identificar o mecanismo da reação
� como sendo SN1 ou SN2.
� Se a substituição estiver ocorrendo em um centro de quiralidade,
então temos de saber se ocorreu
� inversão de configuração (SN2) ou
� racemização (SN1).� Se o substrato é susceptível a rearranjo de carbocátion, então temos
de saber
� se ocorreu rearranjo (SN1) ou
� se rearranjo não é possível (SN2).
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Qual Mecanismo Predomina?Qual Mecanismo Predomina?
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Quatro fatores têm um impacto sobre se uma reação particular irá ocorrer
através de um mecanismo SN2 ou um SN1:
1) o substrato,
2) o grupo de saída,
3) o nucleófilo, e
4) o solvente
Devemos aprender a olhar para todos os quatro fatores, um a um, para
determinar se os fatores favorecem o mecanismo SN1 ou SN2.
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Qual Mecanismo Predomina? O SubstratoQual Mecanismo Predomina? O Substrato
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A identidade do substrato é o fator mais importante na distinção entre SN2 e
SN1.
� SN2 > substrato influencia no impedimento estereoquímico no estado de
transição,
� SN1 > substrato influencia na estabilidade do carbocátion.
Para resumir:
� metila e substratos primários favorecem SN2.
� substratos terciárias favorecem SN1.
� substratos secundários e alílicos e benzílicos podem reagir por
meio de qualquer um dos mecanismos.
� substratos vinílicos e arila não reagem através de qualquer
mecanismo.
velocidade velocidade
substrato substrato
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Lembre-se que a velocidade de um processo SN2
� é dependente da concentração de nucleófilo.
� é dependente da força do nucleófilo.
Em contraste, um processo SN1 a velocidade da reação
� não é afetada pela concentração ou força do nucleófilo
� porque o nucleófilo não participa da etapa determinante
da velocidade e da reação.
Qual Mecanismo Predomina? O NucleófiloQual Mecanismo Predomina? O Nucleófilo
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Em resumo, o nucleófilo tem o seguinte efeito sobre a concorrência entre os
SN2 e SN1:
� Um nucleófilo forte favorece SN2.
� Um nucleófilo fraco desfavorece SN2 (e, assim, permite que
SN1 compita com sucesso)
Portanto, devemos aprender a identificar nucleófilos fortes e fracos.
Qual Mecanismo Predomina? O NucleófiloQual Mecanismo Predomina? O Nucleófilo
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Fortes Fracos
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Ambos os mecanismos SN1 e SN2 são sensíveis à identidade do grupo
abandonador.
Se o grupo abandonador é ruim, então
� nenhum mecanismo pode operar, mas reações SN1 são
geralmente mais sensíveis ao grupo abandonador do que as
reações SN2.
� Por quê?
� Recorde-se que a etapa determinante da velocidade de
um processo SN1 é a saída do grupo abandonador, para
formar uma carbocátion e um grupo de saída.
Qual Mecanismo Predomina? O Grupo AbandonadorQual Mecanismo Predomina? O Grupo Abandonador
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Nós já vimos que a velocidade desta etapa é muito sensível
� à estabilidade do carbocátion,
� mas também é sensível à estabilidade do grupo de saída.
O grupo de saída deve ser altamente estabilizado,
� para que um processo SN1 seja eficaz.
Qual Mecanismo Predomina? O Grupo AbandonadorQual Mecanismo Predomina? O Grupo Abandonador
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O que determina a estabilidade de um grupo abandonador?
Como regra geral,
� bons grupos abandondores são bases conjugadas de
ácidos fortes. Por exemplo, iodeto (I-) é uma base
conjugada de um muito ácido forte (HI).
Qual Mecanismo Predomina? O Grupo AbandonadorQual Mecanismo Predomina? O Grupo Abandonador
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ácido forte base conjugada
(fraca)
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ácido pka base conjugada
ácido
+ forte
ácido
+ fraco
base 
+ estável
base
- estável
Bons
grupos
abandonadores
Ruins
grupos
abandonadores
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Os grupos abandonadores mais utilizados são
� os halogenetos e
� os íon sulfonato.
Qual Mecanismo Predomina? O Grupo AbandonadorQual Mecanismo Predomina? O Grupo Abandonador
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haletos Íons sulfonato
Iodeto brometo cloreto tosilato mesilato triflato
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As reações de substituição nucleofílica ocorrem em soluções homogêneas a
partir de solventes
� capazes de solubilizar tanto o haleto de alquila como
o sal do nucleófilo.
As misturas de solventes (EtOH+H2O) podem, frequentemente,
� dissolver quantidade suficiente de ambos.
Muitos sais, bem como a maioria dos haletos de alquila,
� são solúveis em DMSO (dimetil sulfóxido).
Os solventes orgânicos solubilizam os haletos de alquila,
�mas não solubilizam os sais iônicos (nucleófilos).
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O SolventeO Solvente
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A escolha de solvente pode ter um efeito profundo
� sobre as velocidades de reações SN2 e SN1.
Os solventes polares podem ser classificados como
� próticos (conter pelo menos um átomo de hidrogênio ligados
diretamente a um átomo eletronegativo) e
� apróticos (não contêm átomos de hidrogênio ligados
diretamente a um átomo eletronegativo).
Estes dois diferentes tipos de solventes
� têm efeitos diferentes sobre as velocidades de processos SN1 e SN2.
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O SolventeO Solvente
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Os solventes polares podem ser classificados como
� próticos (contêm pelo menos um átomo de hidrogênio ligado
diretamente a um átomo eletronegativo) e
� apróticos (não contêm átomos de hidrogênio ligados
diretamente a um átomo eletronegativo).
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O SolventeO Solvente
DMSO 
(dimetil sulfóxido)
DMF 
(dimetilformamida)
acetonitrila
HMPA
(hexametilfosforamida)
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Solventes Próticos:
� estabilizam cátions e ânions.
� cátions são estabilizadas por pares de elétrons livres do
solvente,
� ânions são estabilizados por ligação-H com o solvente.
Como resultado, os ânions e cátions estão rodeados por um invólucro de
solvente.
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O SolventeO Solvente
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Solventes Apróticos:
� estabilizam somente cátions.
� cátions são estabilizadas por pares de elétrons livres do
solvente,
� ânions não são estabilizados pelo solvente.
Como resultado, nucleófilos são mais elevados em energia quando colocado
em um solvente aprótico polar.
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O SolventeO Solvente
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Solventes Próticos favorecem SN1,
� intermediários polares e estados de transição:
Solventes Apróticos favorecem SN2,
� aumentando a energia do nucleófilo,
� resultando em uma Ea menor.
50
O SolventeO Solvente