Substituição Nucleofilica

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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MATO GROSSO
CAMPUS AVANÇADO LUCAS DO RIO VERDE
BACHARELADO EM BIOTECNOLOGIA
WESLEY DA SILVA SANTOS
MECANISMOS DE SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFILICA
Componente Curricular: Química Orgânica Experimental
Docente: Prof.: Erica Santos
LUCAS DO RIO VERDE
	
	
	
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2018
INTRODUÇÃO
	
A técnica de cromatografia foi desenvolvida por Mikhael Semenovich Tswett, filho de imigrantes russos nascido em Asti, Itália. Tswett era botânico e em seu doutorado em ciências descreve sua invenção para separação de substâncias coloridas presentes em vegetais. Ele também criou o termo utilizando as palavras gregas chroma (cor) e graph (grafia), Cromatografia (grafia das cores).
A cromatografia é um método físico-químico de separação de misturas, realizada por meio de distribuição desses componentes em duas fases, a estacionária é constituída por adsorventes sólidos como a Sílica e a Alumina. Na fase móvel utilizam-se solventes que podem ser denominados efluentes, como Álcool, Água e Metanol, que movimentam- se por gravidade.
A cromatografia teve um desenvolvimento maior em meados do século XX com as diversas técnicas como cromatografia de papel, em camada delgada, em fase gasosa e cromatografia líquida de alta eficiência. A cromatografia é uma técnica analítica tem diversas aplicações desde o refinamento do petróleo à pericia criminal. 	 	
REAÇÕES DE SUSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA
As reações de substituição nucleofílica, estão entre os tipos mais fundamentais de reações orgânicas, em geral, podemos representar as reações de substituição nucleofílica da seguinte forma:
 Fonte: Solomons 2001
Neste tipo de reação um nucleófilo (Nu:) substitui um grupo abandonadonador molécula que sofre a substituição chamada de substrato. O nucleófilo é sempre uma base de Lewis e pode ser negativamente carregado ou neutro. O grupo abandonador é sempre uma espécie que carrega um par de elétrons quando sai. 
Nas reações de substituição nucleofílica a ligação entre o carbono do substrato e o grupo abandonador sofre clivagem hetereolítica, e o par de elétrons não compartilhado do nucleófilo forma uma nova ligação com o átomo de carbono. (Solomons 2012).
 Fonte: Solomons 2001
REAÇÃO DE SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA SN2
Para entendermos as reações Sn2, precisamos saber como a velocidade desta reação pode ser medida. Isso pode ser determinado experimentalmente medindo-se a velocidade da reação entre o clorometano e o íon hidróxido em solução aquosa:
 Fonte: Solomons 2012
Medimos a velocidade desta reação a medida que o clorometano desaparece da solução ou a velocidade com que o íon cloreto aparece na solução. Retirando da solução uma pequena amostra logo após o início da reação podemos realizar quaisquer dessas medidas. Analisando as concentrações da amostra tanto do CH3Cl ou do OH- e do CH3OH ou do Cl-, é de interesse conhecer a velocidade inicial, porque com passar do tempo a concentração dos reagentes variam. Como as concentrações iniciais dos reagentes são conhecidas, pois são medidas no início do preparo da solução, se torna fácil calcular a velocidade com que os reagentes estão desaparecendo da solução ou os produtos estão aparecendo na solução. Podemos observar isso na imagem abaixo.
 Fonte: Solomons 2012
Observa-se no experimento que a velocidade depende da concentração inicial do clorometano e da concentração do íon hidróxido. Quando a concentração do clorometano é dobrada no experimento 2, a velocidade duplica. Quando a concentração do íon hidróxido é dobrada a velocidade do experimento 3 duplica. Quando a concentração de ambos e dobrada a velocidade no experimento 4 e quadriplicada.
Esta reação é conhecida como reação bimolecular, onde duas espécies estão envolvidas na etapa cuja a velocidade está sendo medida. Esse tipo de reação é chamado de reação Sn2, que significa: substituição, nucleofílica, bimolecular. (Solomons 2012).
 Mecanismo para reação Sn2
As reações Sn2 foram baseadas em ideias propostas por Hughes e Ingold em 1937, podemos de acordo com o mecanismo proposto observar:
Fonte: Solomons 2012
Estereoquímica das Reações Sn2
A estereoquímica das reações Sn2 está diretamente relaciona com as principais características vistas anteriormente. Ocorre um ataque por trás com inversão de configuração.
Este processo é muito semelhante à forma como um guarda-chuva é invertido sob um vento forte. Como podemos observar abaixo.
 Fonte: Solomons 2012
Com uma molécula como o clorometano, não há como provar que o ataque por um nucleófilo envolveu inversão de configuração do átomo de carbono, pois a molécula do cloreto de metila é idêntica à sua forma invertida. Mais com uma molécula que contém centros de quiralidade, como o cis – 1 – cloro 3 metilciclopentano, podemos observar os resultados de uma inversão de configuração através da mudança que ocorre na estereoquímica, como podemos observar:	
Fonte: Solomons 2012
Reações Sn2 sempre ocorrem com inversão de configuração, podemos observar está inversão quando ela ocorre em um centro de quiralidade em uma molécula acíclica. A reação do (R) - (-) – 2- bromo-octano com o hidróxido de sódio que fornece um exemplo.
Fonte: Solomons 2012
REAÇÃO DE SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA SN1
Vamos considerar outro mecanismo de substituição nucleofílica a reação Sn1 utilizando como exemplo a reação do cloreto terc-butila que quando reage com hidróxido de sódio em uma mistura de água e acetona, os resultados são bastante diferentes daqueles para a reação com o clorometano com o hidróxido. A velocidade de formação do álcool terc-butílico é dependente da concentração do cloreto de terc-bultila, mas é independente da concentração do íon hidróxido. Quando a concentração do cloreto de terc-butila é dobrado a velocidade da reação também dobra, mas a variação da concentração do íon hidróxido não tem efeito na velocidade.
Assim a velocidade para essa substituição é de primeira ordem relação ao cloreto terc-butila e de primeira a ordem global:
 Fonte: Solomons 2012
Podemos concluir, portanto que os íons hidróxido não participam do estado de transição da etapa que controla a velocidade da reação e que apenas moléculas de cloreto de terc-butila estão envolvidas. Essa é uma reação unimolecular, chamamos esse tipo de reação Sn1 que significa, Susbstituição Nucleofílica Unimolecular. (Solomons 2012).
	 
 	
Mecanismo para reação Sn1
As reações para o cloreto terc-butila pode ser descrita em três etapas. A primeira etapa é a etapa lenta, determinante da velocidade, as etapas dois e três são rápidas devido as constantes de velocidades serem grandes. Abaixo temos mecanismo para reação Sn1.
 Fonte: Solomons 2012
 Carbocátions
São formados na primeira etapa de uma reação Sn1, são trigonais planos com hibridização Sp2. O átomo central em carbocátion é deficiente em elétrons, ele tem apenas seis elétrons na sua camada de valência. Seu orbital p não hibridizado fica vazio e pode aceitar um par de elétrons em reação posterior.
 Fonte: Solomons 2012
A ordem de estabilidade relativa dos carbocátions é: 
 Fonte: Solomons 2012
4.3 Estereoquímica das reações Sn1
O carbocátion formado na primeira etapa de uma reação Sn1 por ter uma estrutura trigonal plana pode reagir com o nucleófilo tanto pela frente como por trás.
 Fonte: Solomons 2012 
Quando uma reação Sn1 ocorre em moléculas quirais, há uma formação de um intermediário aquiral que resulta em uma racemização parcial ou completa. Por exemplo, o aquecimento do (S)-3-bromo-3metil-hexano opticamente ativo com acetona aquosa resulta na formação do 3-metil-3-hexanol na forma de uma mistura com 50% (R) e 50% (S).
Fonte: Solomons 2012
 
A reação Sn1 avança da formação de um carbocátion intermediário e o carbocátion, por causa de sua configuraçãotrigonal, e aquiral. Ele reage com a água com velocidades iguais tanto de um lado como do outro para formar os enantiômeros do 3-metil-3-hexanol em quantidades iguais. 
 Fonte: Solomons 2012 
FATORES QUE AFETAM AS VELOCIDADES DAS REAÇÕES SN1 E SN2
Com o entendimento dos mecanismos das reações Sn1 e Sn2, o próximo objetivo é explicar por que o clorometano reage através de um mecanismo Sn2 e cloreto de terc-butila através de um mecanismo Sn1.
A resposta para esse tipo de pergunta será encontrada nas velocidades relativas das reações que ocorrem, e vários fatores afetam as velocidades relativas das reações Sn1 e Sn2 os mais importantes são:
A estrutura do substrato;
A concentração e a reatividade do nucleófilo (apenas para reações bimoleculares);
O efeito do solvente; 
A natureza do grupo abandonador;
Podemos resumir as reações:
	Fator
	Sn1
	Sn2
	Substrato
	Requer a formação de um caborcátion relativamente estável.
	Metila>primário>secundário>> (terciário-inerte)
	Nucleófilo
	Base de Lewis fraca, molécula neutra, o nucleófilo pode ser o solvente.
	Base de Lewis forte, a velocidade aumentada pela alta concentração do nucleófilo.
	Solvente
	Prótico polar. Ex: álcoois e H2O.
	Aprótico polar. Ex: DMF, DMSO.
	Grupo abandonador
	I>Br>Cl>F tanto para Sn1 quanto para Sn2. (Quanto mais fraca for a base após a saída do grupo, melhor é o grupo de saída).
6. CONCLUSÃO
As células dos organismos vivos sintetizam muitos dos compostos de que elas precisam a partir de moléculas menores. Geralmente essas biossínteses se assemelham às sínteses que os químicos orgânicos realizam nos seus laboratórios.
Muitas reações que ocorrem nas células de plantas e animais envolvem a transferência de um grupo metila de um aminoácido, chamado de metionina, para algum outro composto. A ocorrência dessa transferência pode ser demonstrada experimentalmente, fornecendo a uma planta ou animal metionina contendo um átomo de carbono marcado isotopicamente ou no grupo metila. Mais tarde, outros compostos contendo o grupo metila “marcado” podem ser isolados do organismo. Alguns dos compostos que obtêm seus grupos metila a partir da metionina são: Colina importante na transmissão de impulsos nervosos, Adrenalina que faz com que a pressão sanguínea aumente e a Nicotina é o composto contido no tabaco que torna o fumante viciado.
A transferência do grupo metila da metionina para esses outros compostos não ocorre diretamente. O agente de metilação real não é a metionina; é a S-adenosilmetionina, um composto produzido quando a metionina reage com o trifosfato de adenosina (ATP). 
Essa reação é uma reação de substituição nucleofílica. O átomo nucleofílico é o átomo de enxofre da metionina. O grupo abandonador é o grupo trifosfato fracamente básico do ATP. O produto, a S-adenosilmetionina, contém um grupo metilsulfônico.
Essas reações parecem complicadas por conta das estruturas dos nucleófilos e substratos que são complexas, mas são um conceito e ilustra os princípios que foram vistos neste trabalho de revisão. 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
SOLOMONS, T.W. Graham; 2001. Química Orgânica. 7º Ed. Rio de Janeiro. Editora: LTC.
SOLOMONS, T.W. Graham; 2012. Química Orgânica. 10º Ed. Rio de Janeiro. Editora: LTC.