Aula_7_-_Reacoes_de_Substituicao_Nucleofilica

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Reações de Substituição Nucleofílica (SN)
Haletos de Alquila
Por que os haletos são tão reativos ?
Devido à polaridade da ligação causada pela eletronegatividade do halogênio –
carbono eletrofílico
Polaridade 
da ligação
(vermelho-alta / azul-baixa)
Densidade eletrônica
A polaridade da ligação permite que a mesma seja quebrada facilmente
Reação de Substituição Nucleofílica (SN) no Carbono Saturado
É a substituição de um grupo (grupo de saída ou grupo abandonador) por outro 
(nucleófilo)
Exemplos:
X = F-, Cl-, Br-, I-
(grupo de saída)
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Dois diferentes mecanismos são possíveis. O grupo abandonador sai primeiro e o
nucleófilo ataca depois, ou os dois eventos ocorrem ao mesmo tempo. Mecanismo
SN1 ou Mecanismo SN2.
SN1
SN2
Qual o mecanismo SN1 ou SN2 ?
Depende:
-Estrutura do haleto de alquila
-Reatividade do nucleófilo
-Concentração do nucleófilo
-Solvente da reação
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A Reação SN2 – Fatos experimentais e mecanismo
1- A velocidade da reação depende da concentração do haleto de alquila e da
concentração do nucleófilo;
2- Quando os hidrogênios do haleto de alquila são trocados por grupos metila a
velocidade da reação torna-se mais lenta;
3- A reação de um haleto quiral em que o halogênio é ligado a um carbono
assimétrico leva à formação de apenas um estereoisômero, e a configuração do
carbono quiral no produto é invertida;
Mecanismo SN2:
Os Mecanismos SN1 e SN2 para a Substituição Nucleofílica
Velocidade da reação
Algumas substituições nucleofílicas são de primeira ordem, ou seja, a velocidade
depende somente da concentração do haleto e não depende da concentração do
nucleófilo, enquanto em outras reações a velocidade depende da concentração do
haleto e do nucleófilo.
O mecanismo SN2: reação do n-bromo-butano com o íon hidróxido
Esta etapa determina a velocidade da reação, chamada também de etapa lenta.
A velocidade da reação depende somente desta etapa. A teoria cinética diz que a
velocidade de uma reação é proporcional às concentrações das espécies
reagentes.
Velocidade da reação = k [n-BuBr][HO–]
Segunda-ordem (proporcional às duas concentrações) chamado de: Substituição 
Nucleofílica de Segunda Ordem ou SN2
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•A velocidade da reação SN2 depende de:
• Nucleófilo
• Esqueleto carbônico
• Grupo de saída
Segunda-ordem (a velocidade da reação é proporcional às duas concentrações) 
chamado de: Substituição Nucleofílica de Segunda Ordem ou SN2
A Reação SN2
Pequenas estruturas favorecem a reação SN2
Grupos metila e grupos alquila primários sempre reagem por mecanismo SN2
A ordem de reatividade dos haletos na reação SN2 é: metílico > 1o> 2o> 3o, que 
oposta à ordem de reatividade na reação SN1. 
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Estereoquímica da Substituição – SN2 – Inversão de Configuração
Em uma reação SN2, o grupo de saída (ou
abandonador) parte do átomo de carbono
assimétrico ao mesmo tempo que o
nucleófilo ataca. O grupo de saída bloqueia
o acesso pela “frente” do carbono, o
nucleófilo tem que atacar por trás do
carbono. Este ataque por trás causa a
inversão da estereoquímica.
Assim, reações SN2 gera inversão de
configuração.
Quando uma reação produz uma quantidade maior de um estereoisômero do que
outro, a reação é estereoespecífica ou estereoseletiva. Uma reação SN2 é
estereospecífica porque seu produto é uma inversão. Uma reação estereoseletiva é
semelhante a uma racemização exceto porque produz quantidades diferentes dos
enentiômeros.
O Grupo Abandonador (ou Grupo de Saída)
É mais fácil quebrar uma ligação C–I e mais
difícil quebrar uma ligação C–F. O Iodeto é o
melhor grupo de saída. A mesma conclusão
pode ser tirada a partir dos valores de pKa:
HI é o ácido mais forte, ioniza mais
facilmente a H+ e I–. Logo o iodeto é um
excelente grupo de saída e o fluoreto ruim.
Quanto mais fraca a basicidade de um grupo, melhor é a sua habilidade
de saída. Bases fracas são bases estáveis.
Haletos como grupos de saída (ou abandonador) em reações SN1 e SN2
Átomos maiores estabilizam melhor suas cargas negativas.
Basicidade: -I < -Br < -Cl < -F
Habilidade de saída: -I > -Br > -Cl > -F
Reatividades relativas de haletos de alquila em SN2:
R-I > R-Br > R-Cl > R-F
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4- A basicidade é pouco afetada por fatores estéricos.
5- A nucleofilicidade é muito afetada por fatores estéricos. 
Efeito da natureza do Nucleófilo
Tanto o nucleófilo como o grupo de saída são bases. Em uma reação de substituição
o nucleófilo é geralmente uma base mais forte do que o grupo de saída. Nucleófilos
são bons elétrons doadores, bases de Lewis.
1- Pouco afeta SN1
2- Quanto maior a nucleofilicidade, maior a velocidade por SN2
3- Nem sempre a nucleofilicidade (doação de par de elétrons ao carbono) é 
proporcional à basicidade (doação de par de elétrons ao H+)
Quando comparamos espécies
similares ao longo da tabela
periódica, a basicidade, e a
nucleofilicidade se correlacionam.
NH3 é uma base e um nucleófilo
mais forte que a H2O. E H2O é
uma base e um nucleófilo mais
forte que HF.
Efeito da natureza do Nucleófilo
Basicidade: Medida da facilidade com que uma substância (uma base) compartilha
seu par de elétrons livres com um próton. É medida pelo Ka do ácido conjugado, que
éa tendência do ácido conjugado em perder um próton.
Nucleofilicidade: Medida da rapidez com que uma substância (um nucleófilo) é capaz
de atacar um átomo deficiente em elétrons (eletrófilo). É medida pela constante de
velocidade (k). No caso de uma reação SN2, a nucleofilicidade é a medida da
facilidade de o nucleófilo atacar o carbono hibridizado sp3 ligado ao grupo de saída.
Para um mesmo átomo atacante: a nucleofilicidade acompanha a basicidade 
– bases fortes serão nucleófilos melhores
Base forte, melhor nucleófilo Base fraca, nucleófilo pobre
-OH H2O
-OCH3 CH3OH
-NH2 NH3
-NHCH2CH3 CH3CH2NH2
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Com o aumento do número atômico em um mesmo grupo, a basicidade diminui e a
nucleofilicidade aumenta. Ex: H2S é um nucleófilo melhor mas é uma base mais fraca
do que a H2O.
Para átomos atacantes de tamanhos similares: As bases fortes são, 
novamente, os melhores nucleófilos
-NH2 > -OH > -F
Base mais forte, melhor nucleófilo
Átomos atacantes de tamanhos diferentes: POLARIZABILIDADE
Em um átomo grande, os elétrons estão afastados, eles não são mantidos
com tanta firmeza e podem, se movimentar mais livremente em direção a
uma carga positiva.
-F
-Cl
-Br
-I
Aumento 
do 
tamanho
Aumento 
do 
basicidade
Aumento do 
nucleofilicidade
O conceito de ácidos de bases macios e duros também ajuda a diferenciar bases
de nucleófilos porque a nucleofilicidade aumenta a medida que a base é mais
macia. Ex: o íon fluoreto é a base mais dura do grupo dos halogênios e o iodeto é a
base mais macia. Logo, o iodeto é um nucleófilo melhor do que o fluoreto.
Nucleófilos duros (ou bases 
duras)
Nucleófilos macios (ou bases 
macias)
Pequenos Grandes 
carregados neutros
Básicos (HX ácido fraco) Não básicos (HY ácido forte)
Atacam C=O Atacam carbonos saturados
Ex: -OR, -NH2 Ex: -SR, -I
A nucleofilicidade é afetada por fatores estéricos
Íon etóxido –
melhor nucleófilo
Íon terc-butóxido 
– base forte
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Nucleófilos na Reação SN2
Nitrogênio
Nucleófilos de Enxofre são melhores que Nucleófilos de Oxigênio
O ânion tiolato produzido atua como nucleófilo na Reação de SN2
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Epóxidos - Substratos na Reação SN2
Compostos Alílicos - reagem rapidamente por mecanismo SN2 porque a dupla
ligação estabiliza o estado de transição por conjugação.
Compostos Benzílicos - reagem rapidamente por mecanismo SN2 porque anel
benzeno estabiliza o estado de transição por conjugação.
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α-Halo-cetonas - Mecanismo SN2
Variação da velocidade da reação SN2 com a estrutura substrato
Cloreto de alquila menos impedido estericamente
Cloretode alquila secundário; lenta por causa do 
impedimento estérico
Cloreto de alila, acelerada pela conjugação π no 
estado de transição
Cloreto de benzila, mais reativo que alila: anel benzeno é 
melhor para a conjugação π do que a dupla isolada
Conjugação com o par de elétrons do oxigênio acelera a 
reação
Conjugação com a carbonila é melhor do que um alceno 
simples ou benzeno. Estes haletos α-carbonílicos são os mais 
reativos de todos
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Exemplos de transformações de grupos funcionais usando reação SN2
R-X
(R = Me; 1o ou 2o)
HO-
R’O-
HS-
RS-
CN-
R’CC-
R’COO-
R3N
-
N3
-
R-OH Álcool
R-OR’ Éter
R-SH Tiol
R-SR’ Tioéter
R-CN Nitrila
RCCR’ Alcino
R-COOR’ Éster
R-NR’3X
- amônio quaternário
R-N3 Azida
Haleto de alquila
O Mecanismo SN1 para Substituição Nucleofílica no Carbono Saturado
Etapa 1: Formação do Carbocátion
Etapa 2: Ataque Nucleofílico no Carbocátion
Estabilidade dos carbocátions:
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Para facilitar algumas reações, os químicos usam métodos para converter grupos de 
saída ruins em bons grupos de saída.
Álcoois que reagem rapidamente com HBr (Via SN1)– Formação de 
carbocátions estáveis
Álcoois terciários
Álcoois alílicos
Álcoois benzílicos
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Estrutura e Estabilidade dos Carbocátions
Etapa lenta
Etapa rápida
Por exemplo, um carbocátion primário ou secundário pode sofrer rearranjo para
formar um carbocátion terciário (de menor energia). O rearranjo do carbocátion 3-
metil-2-butil (secundário) para o 2-metil-2-butil (terciário) mostra isto.
Estabilidade dos carbocátions
Rearranjo dos carbocátions:
Hiperconjugação ocorre devido a
sobreposição parcial do orbital vazio no
carbono elétron deficiente e o orbital
molecular ligante da ligação carbono-
hidrogênio adjacente.
Densidade eletrônica é doada
do carbono adjacente ao
carbocátion
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Rearranjo dos carbocátions: Um carbocátion frequentemente sofre mudanças
estruturais, chamadas de rearranjo, para formar um carbocátion mais estável.
Rearranjos ocorrem depois da formação carbocátion ou enquanto o grupo
abandonador sai.
Quando não há hidrogênio adjacente, um grupo metila com seu par de elétrons se
move do seu carbono para o carbono positivo adjacente.
Cinética da reação SN1
O mecanismo SN1: reação do t-BuBr (brometo de terc-butila) com o íon hidróxido
velocidade = k[t-BuBr]
Etapa 1: Formação do 
carbocátion - Etapa lenta
Etapa 2: Ataque nucleofílico no 
carbocátion – Etapa lenta
Primeira-ordem (a velocidade da reação é proporcional à concentração do haleto) 
chamado de: Substituição Nucleofílica de Primeira Ordem ou SN1
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Qual mecanismo SN1 ou SN2 ?
Esqueleto carbônico:
Geralmente compostos que formam cátions relativamente estáveis reagem por
SN1.
Cátions são mais estáveis quanto mais substituídos, isto é, terciário, o que é ruim
para uma SN2 porque é difícil para o nucleófilo acessar o carbono. O melhor para
uma reação SN2 é que haja apenas átomos de hidrogênio no átomo de carbono —
grupos metila reagem mais rápido por mecanismo SN2.
Duas reações idênticas com o íon brometo
Quando o cátion alílico não é simétrico uma mistura de produtos pode se formar.
Não importa qual dos dois butenóis for tratado com HBr; teremos o mesmo cátion.
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A regiosseletividade (onde o nucleófilo ataca) é determinada por fatores
estéricos: o ataque será mais rápido na posição menos impedida do sistema
alílico
Deslocalização no cátion benzílico
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Carbocátions estáveis como intermediários em reações SN1
Estereoquímica da Substituição – SN1 - Racemização
Na reação SN1 o nucleófilo pode atacar em ambos os 
lados (ou faces) do carbocátion. Dessa forma o produto 
será racêmico.
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Conclusão:
• A reação SN2 ocorre com inversão de configuração no carbono que sofre o
ataque, e a reação SN1 ocorre com racemização;
Sumário da reatividade dos haletos na substituição nucleofílica 
(SN1/SN2)
Haletos de metila e haletos de alquila 1 Somente SN2
Haletos vinílicos e haletos de arila Nem SN1 nem SN2
Haletos de alquila 2˚ SN1 e SN2
Haletos benzílicos 1˚ e 2˚, e alílicos 1˚ e 2˚ SN1 e SN2
Haletos de alquila 3˚ Somente SN1
Haletos benzílicos 3˚ e alílicos 3˚ Somente SN1
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Efeito do Solvente – Solventes próticos e apróticos
Solvente polar para reação SN2 (apenas polar o suficiente para solubilizar os
reagentes iônicos) e solvente polar prótico para a reação SN1. A reação SN1 precisa
de um solvente polar porque a etapa que determina a velocidade envolve a formação
de íon e a velocidade irá aumentar em solvente polar. Mais precisamente, o estado
de transição é mais polar do que os materiais de partida e então é estabilizado por
solventes polares.
As reações SN2 mais comuns usam um ânion como nucleófilo e o estado de transição
é menos polar do que o ânion localizado como a carga está dividida entre dois
átomos.
Um solvente polar solvata o nucleófilo aniônico e diminui a velocidade da reação. Um
solvente apolar desestabiliza os materiais de partida mais do que desestabiliza o
estado de transição e aumenta a velocidade da reação.
Efeito do solvente
•Muito mais drástico em SN1 do que em SN2
•Em SN1, a velocidade depende de dois fatores:
-polaridade do solvente (polaridade ↑⇒veloc. ↑)
-poder de solvatação (solvatação↑⇒veloc. ↑)
•Em SN2: Melhor é solvente polar aprótico (DMSO, DMF, H3CCN, acetona, etc)
•Solventes polares próticos (H2O,MeOH, HCCl3, etc.)
•Na SN2 em geral a velocidade é menor quanto maior a polaridade do solvente
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Velocidade relativa da reação SN2 com vários nucleóficos com iodeto de metila
em DMF. Note que o iodeto de metila não tem nenhum impedimento estérico,
assim mesmo nucleófilos grandes reagem bem com ele.
Velocidade relativa da reação SN2 do ideto de metila (H3CI) em MeOH: Bases
fracas interagem fracamente com solventes próticos.
RS- > I- > -CN > CH3O- > Br- > NH3 > Cl- > F- > CH3OH
Fator SN1 SN2
Substrato 3o (requer formação de 
carbocátion estável)
Metílico>primário>secundári
o (requer substratos não 
impedidos)
Nucleófilo Bases de lewis fracas, 
moléculas neutras, 
núcleófilo pode ser o 
solvente (solvólise)
Bases de Lewis fortes, 
velocidade aumentada pela 
concentração do nucleófilo
Solvente Polar prótico (álcoois, água) Polar aprótico (DMF, 
DMSO)
Grupo abandonador I>Br>Cl>F para SN1 e SN2
Melhor se for uma base mais fraca do que o nucleófilo.
Fatores que favorecem SN1 x SN2
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Características SN1 x SN2
SN2 SN1
Mecanismo em uma etapa Mecanismo em etapas, formação de 
carbocátion
Etapa determinante da velocidade é 
bimolecular
Etapa determinante da velocidade é 
unimolecular
Sem carbocátion Rearranjo de carbocátion
O produto tem configuração invertida em 
relação ao reagente
Racemização
Ordem de reatividade:
Metílico >1˚> 2˚> 3˚
Ordem de reatividade:
3˚ > 2˚ > 1˚ >Metílico