aula cap 09 (1)

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Química Orgânica - Uma 
Aprendizagem Baseada 
em Solução de 
Problemas 
 
Capítulo 9 
 
 Reações de 
Substituição 
 
Versão: Prof. Leandro Ferreira Pedrosa 
Universidade Federal Fluminense 
Química Orgânica I 
2018 
1 
• Nas reações de substituição, um grupo é trocado por 
outro. 
 
• As reações de eliminação são caracterizadas pela 
formação de uma ligação . 
 
 
 
 
 
 
• Na química orgânica 95% das reações ocorrem entre um 
nucleófilo e um eletrófilo. 
Química Orgânica 
 Reações de Substituição 
2 
• Um nucleófilo é um composto que ou tem carga negativa 
ou tem uma região de alta densidade eletrônica. 
 
• Um eletrófilo é um composto que ou é positivamente 
carregado ou tem uma região de baixa densidade 
eletrônica. 
 
• Quando um nucleófilo encontra um eletrófilo, pode 
ocorrer uma reação. 
Química Orgânica 
 Reações de Substituição 
3 
• Em ambas as reações SN2 e SN1, um nucleófilo está 
atacando um eletrófilo, dando uma reação de 
substituição. 
 
• Isto explica a parte SN do nome. Mas o que significam o “1” 
e o “2”? 
 
• Precisamos examinar os mecanismos. Comecemos com o 
SN2: 
 
 
 
 
• O nucleófilo está atacando um composto que tem um 
átomo de carbono eletrofílico que está ligado a um grupo 
de saída (GS). 
Os Mecanismos SN2 e SN1 
4 
• Um grupo de saída é qualquer grupo que pode ser 
removido. 
 
• Duas funções importantes: 
 
1) ele remove densidade eletrônica do átomo de carbono 
ao qual está ligado, tornando o átomo de carbono 
eletrofílico. 
5 
Grupo de saída 
6 
2) É capaz de estabilizar a carga negativa após ser retirado. 
 
 
 
 
 
• Os halogênios (Cl, Br e I) são grupos de saída muito 
comuns. 
 
• No mecanismo SN2 há duas setas curvas: uma indo de um 
par isolado no nucleófilo para formar a ligação entre o 
nucleófilo e o carbono, e a outra indo da ligação entre o 
átomo de carbono e o GS formando um par isolado no GS. 
Grupo de saída 
Três Evidências Experimentais que Suportam o Mecanismo 
de Reação SN2: 
 
1. A velocidade da reação depende da concentração do 
nucleófilo e do eletrófilo (reação de segunda ordem). 
 
2. A velocidade da reação com determinado nucleófilo 
diminui com o aumento do tamanho dos haletos de 
alquila (eletrófilo). 
 
3. A configuração no produto substituído é invertida em 
relação à configuração no reagente eletrofílico quiral. 
7 
O Mecanismo SN2 
• A reação de SN2 se passa numa única etapa de modo que 
não há intermediários (concertada). 
 
• O nucleófilo ataca o carbono tendo o grupo de saída, e 
desloca o grupo de saída (para não violar a regra do 
octeto). 
 
• Para que ocorra uma colisão produtiva o nucleófilo atinge 
o carbono no lado oposto ao do grupo de saída. 
 
• A explicação mais simples é que o grupo de saída bloqueia 
a abordagem do nucleófilo pela parte da frente da 
molécula. 
8 
O Mecanismo SN2 
• A Teoria de Orbital Molecular também explica o ataque 
pelo lado de trás. 
 
• Para formar uma ligação, o LUMO de uma espécie deve 
interagir com o HOMO da outra. 
 
• Quando o nucleófilo aproxima-se do haleto de alquila, o 
orbital HOMO do nucleófilo deve interagir com o orbital 
antiligante * vazio (LUMO) da ligação C-Br. 
9 
O Mecanismo SN2 
10 
O Mecanismo SN2 
11 
• Considere a cinética da reação: 
 
Velocidade = k [eletrófilo][nucleófilo] 
 
• A velocidade da reação SN2 depende das concentrações 
de ambos os reagentes. 
 
• Se a concentração do nucleófilo é dobrada, a velocidade de 
reação dobra. 
 
• Se a concentração do eletrófilo é duplicada, a velocidade 
da reação também dobra. 
 
• Se as concentrações de ambos os reagentes são 
dobrados, a velocidade da reação quadruplica. 
O Mecanismo SN2 
12 
• Observe que a configuração no átomo de carbono fica 
invertida nesta reação. 
 
 
 
 
 
• A estereoquímica desta reação é a inversão de 
configuração, consistente com um mecanismo concertado. 
 
• É como um guarda-chuva virando em um vento forte. 
 
• Esta reação é dita estereoespecífica, porque a 
configuração do produto depende da configuração do 
material de partida. 
O Mecanismo SN2 
13 
• Substituintes volumosos ligados ao carbono eletrofílico 
torna mais difícil o ataque do nucleófilo, retardando a 
velocidade da reação de substituição. 
 
• O efeito estérico que diminui a reatividade é chamado de 
impedimento estérico. 
O Mecanismo SN2 
14 
• Com um substrato terciário, o estado de transição é tão alto 
em energia que a reação ocorre muito lentamente para 
observar. 
 
O Mecanismo SN2 
• O impedimento estérico na posição b também 
pode diminuir a taxa de reação. 
15 
• Nesta reação, há duas etapas. 
 
• A primeira etapa tem o GS se afastando por si só, sem 
nenhuma ajuda do nucleófilo que está atacando. 
 
• O carbocátion gerado é atacado pelo nucleófilo na 
segunda etapa. 
 
• Esta é a principal diferença entre reações SN2 e SN1. 
O Mecanismo SN1 
16 
• Portanto, a velocidade da segunda etapa é irrelevante. 
 
Velocidade = k [substrato] 
O Mecanismo SN1 
• A velocidade da reação 
depende somente da 
concentração do substrato. 
 
• A primeira etapa é muito 
lenta e a segunda etapa é 
muito rápida. 
17 
• O carbocátion possui hibridização sp2 (geometria 
triangular plana). 
 
• Quando o nucleófilo ataca, não há preferência quanto ao 
lado que ele pode atacar, e temos ambas as 
configurações possíveis em quantidades iguais. 
 
• Metade da molécula teria uma configuração e a outra 
metade teria a outra configuração (mistura racêmica). 
O Mecanismo SN1 
18 
O Mecanismo SN1 
19 
O Mecanismo SN1 
• Nas reações SN1, o nucleófilo não ataca o substrato 
diretamente. 
 
• Uma vez formado o carbocátion, o nucleófilo ataca muito 
rapidamente. 
 
• O fator dominante e a estabilidade do carbocátion. 
 
• Carbocátions são estabilizados por grupos alquílicos 
vizinhos. 
20 
O Mecanismo SN1 
21 
O Mecanismo SN1 
22 
O Mecanismo SN1 
A hidroxila é um 
péssimo GS. 
 
O grupo OH pode ser 
protonado, tornando-se 
um excelente GS. 
23 
O Mecanismo SN1 
• Toda vez que o nucleófilo é neutro, uma transferência de 
prótons é necessária no final do mecanismo. 
 
• Reações onde o solvente funciona como nucleófilo, são 
chamadas de reações de solvólise. 
24 
O Mecanismo SN1 
Rearranjos de carbocátion durante uma reação SN1. 
 
• Os carbocátions são suscetíveis a rearranjo via 
deslocamento de hidreto ou de metila. 
25 
O Mecanismo SN1 
• Em reações onde um rearranjo de carbocátion é possível, 
uma mistura de produtos é geralmente obtida. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
• A distribuição do produto (proporção de produtos) depende 
da rapidez com que o rearranjo ocorre e da rapidez com que 
o nucleófilo ataca o carbocátion. 
Produto se o 
carbocátion é 
capturado pelo 
nucleófilo antes 
rearranjo. 
Produto se o 
carbocátion é 
capturado pelo 
nucleófilo depois 
rearranjo. 
26 
O Mecanismo SN1 
• Se o rearranjo ocorrer mais rapidamente que o ataque do 
nucleófilo, então o produto rearranjado predominará. 
 
• Se o nucleófilo ataca a carbocátion mais rápido do que o 
rearranjo, então o produto sem rearranjo predominará. 
 
• Na maioria dos casos, o produto rearranjado predomina. 
 
• Um rearranjo de carbocátion é um processo intramolecular, 
enquanto o ataque nucleofílico é um processo 
intermolecular. 
 
• Em geral, os processosintramoleculares ocorrem mais 
rapidamente que os processos intermoleculares. 
27 
• Possíveis etapas adicionais 
Se o substrato for 
um álcool, então o 
grupo OH deve ser 
protonado antes. 
Se o carbocátion 
inicialmente formado 
pode reorganizar e 
gerar um carbocátion 
mais estável, então um 
o rearranjo ocorrerá. 
Se o nucleófilo é 
neutro, uma 
transferência de 
prótons é necessário 
para remover o carga 
positiva gerada. 
28 
• O carbocátion 3º tem energia mais baixa que o carbocátion 2º. 
 
• Ea para o rearranjo de carbocátions é muito pequena é o 
processo muito rápido. 
 
• Os íons oxônio possui energia mais baixa que os carbocátions (o 
átomo de O tem o octeto completo, já o carbocátion não). 
29 
• São 4 os fatores que influenciam as reações de 
substituição: 
 Substrato (Eletrófilo) 
 Nucleófilo 
 Grupo de saída 
 Solvente 
 
Se a substituição está ocorrendo em um centro de 
quiralidade, devemos esperar inversão de configuração (SN2) 
ou racemização (SN1). 
 
Se o substrato é suscetível ao rearranjo de carbocátion, 
devemos esperar rearranjo (SN1) ou se o rearranjo não é 
possível (SN2). 
Fatores que afetam as reações SN1 e SN2 
30 
O SUBSTRATO 
 
• A identidade do substrato é o fator mais importante na 
distinção entre SN2 e SN1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
• SN2  Problemas de impedimento estérico no estado 
de transição 
 
• SN1  Estabilidade do carbocátion. 
Fatores que afetam as reações SN1 e SN2 
31 
• Substratos metil e primário favorecem SN2, enquanto 
substratos terciários favorecem SN1. 
 
• Substratos secundários podem prosseguir através dos 2 
mecanismos. 
 
• Halogenetos alílicos e haletos benzílicos podem reagir 
via SN2 ou SN1: 
 
 
 
 
 
• Podem reagir através de um mecanismo SN2 porque são 
relativamente livres de impedimento estérico. 
Fatores que afetam as reações SN1 e SN2 
32 
• Reagem através de um mecanismo SN1 porque a perda de 
um GS gera uma carbocátion estabilizado por ressonância: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
• Em contraste, halogenetos de vinila e haletos de arila 
não são reativos em reações de substituição: 
 
Fatores que afetam as reações SN1 e SN2 
33 
• As reações SN2 geralmente não são observadas em 
centros hibridizados sp2, porque o ataque do lado de 
oposto é estéreo impedido. 
 
• Haletos de vinila e haletos de arila também não são 
reativos para SN1, porque a perda de um GS geraria uma 
carbocátion instável. 
Fatores que afetam as reações SN1 e SN2 
34 
O NUCLEÓFILO 
 
• A velocidade de uma reação SN2 depende da 
concentração do nucleófilo. 
 
• Pela mesma razão, as reações SN2 também dependem da 
força do nucleófilo. 
 
• Um nucleófilo forte irá acelerar a taxa de uma reação 
SN2, enquanto um nucleófilo fraco irá desacelerar a taxa 
de uma reação SN2. 
 
• Uma reação SN1 não é afetada pela concentração ou força 
do nucleófilo porque o nucleófilo não participa do passo 
determinante da taxa. 
Fatores que afetam as reações SN1 e SN2 
35 
O nucleófilo tem o seguinte efeito na competição entre SN2 e 
SN1: 
 
• Nucleófilo forte favorece o SN2. 
 
• Nucleófilo fraco desfavorece o SN2 (e, portanto, permite a 
competição com SN1 com sucesso). 
 
• A força de um nucleófilo é determinada por muitos fatores. 
Fatores que afetam as reações SN1 e SN2 
36 
O GRUPO DE SAÍDA 
 
• Os mecanismos SN1 e SN2 são sensíveis à identidade do 
grupo de saída. 
 
• Se o grupo que está saindo é ruim, então nenhum dos dois 
mecanismos pode operar. 
 
• As reações SN1 são geralmente mais sensíveis ao GS do 
que as reações SN2. 
 
• A etapa determinante da taxa de um processo SN1 é a 
perda de um GS para formar uma carbocátion. 
Fatores que afetam as reações SN1 e SN2 
37 
• A taxa desta etapa é muito sensível à estabilidade do 
carbocátion e também é sensível à estabilidade do GS. 
 
• O GS deve ser altamente estabilizado para que um 
processo SN1 seja efetivo. 
 
• Bons GS são as bases conjugadas de ácidos fortes. 
 
• Ex: O iodeto (I−) é a base conjugada de um ácido muito 
forte (HI) 
 
• O iodeto é uma base muito fraca porque é altamente 
estabilizado. 
 
• O iodeto (I−) é um dos melhores grupos de saída. 
Fatores que afetam as reações SN1 e SN2 
38 
39 
• Os GS mais comumente usados ​​são haletos e íons 
sulfonato. 
 
• Quanto mais fraca for a base, melhor ela será como grupo 
de saída. 
 
• Entre os íons sulfonato, o melhor GS é o grupo triflato 
(OTf), mas o mais comumente usado é o grupo tosilato 
(OTs). 
Fatores que afetam as reações SN1 e SN2 
40 
O EFEITO DO SOLVENTE 
 
• Solvente prótico é passível de formar ligação de 
hidrogênio entre um oxigênio, nitrogênio ou flúor. 
 
• Solvente aprótico não doadores de ligação de hidrogênio. 
Estes solventes geralmente têm altas constantes 
dielétricas e altas polaridades. 
 
• Solvente prótico pode prejudicar uma reação SN2, 
porque solvata fortemente o nucleófilo (por interação íon-
dipolo e ligação de hidrogênio), deixando-o menos livre 
para atacar diminuindo a velocidade da reação. 
Fatores que afetam as reações SN1 e SN2 
41 
• Solventes próticos - Diminui a velocidade da reação SN2 
Fatores que afetam as reações SN1 e SN2 
42 
• Solventes polares apróticos - Favorece a SN2. 
 
Os cátions são solvatados, mas ânions não são. Como 
resultado, os nucleófilos são mais ricos em energia quando 
colocados em um solvente polar aprótico. 
Fatores que afetam as reações SN1 e SN2 
43 
• Favorece SN1. 
Solventes próticos favorecem 
SN1 estabilizando intermediários 
polares e estados de transição. 
 
 
 
 
• Favorece SN2. 
Solventes apróticos polares 
favorecem SN2 aumentando a 
energia do nucleófilo, dando um 
Ea menor. 
Fatores que afetam as reações SN1 e SN2 
44 
• Os haletos de alquila secundários, assim como os haletos 
benzílicos e alílicos, podem sofrer tanto reações SN1 
quanto SN2. 
 
• As condições reacionais determinam quais reações 
predominam. 
 
 A concentração do nucleófilo 
 A reatividade do nucleófilo 
 O solvente da reação 
 
• SN2 é favorecida por uma alta concentração de um bom 
nucleófilo. 
 
• SN1 é favorecida por uma baixa concentração de um 
nucleófilo ou por um nucleófilo fraco. 
Competição entre reações SN1 e SN2 
45 
• PROBLEMAS. Identifique se é mais provável que cada um 
dos substratos vistos a seguir participe de uma reação SN2 
ou SN1. 
 
 
 
 
 
 
 
Exercícios 
9.6 No composto visto a seguir, 
circule os GS que são benzílicos 
ou alílicos: 
46 
• Para cada composto visto a seguir, determine se o GS, ao 
sair, formaria um carbocátion estabilizado por ressonância. 
Se não tiver certeza, tente representar estruturas de 
ressonância do carbocátion que você obteria se o grupo de 
saída fosse retirado. 
Exercícios 
47 
• Identifique se cada um dos nucleófilos vistos a seguir 
favorecerá uma reação SN2 ou SN1. 
Exercícios 
48 
• Identifique o melhor grupo de saída em cada um dos 
compostos vistos a seguir: 
Exercícios 
49 
• Identifique o melhor grupo de saída em cada um dos 
compostos vistos a seguir: 
Exercícios 
50 
• Compare as estruturas do 3-metoxi-3-metilpentano e do 3-
iodo-3-metilpentano e identifique que composto tem maior 
probabilidade de sofrer uma reação SN1. 
 
 
• Quando o 3-etil-3-pentanol é tratado com excesso de 
cloreto, não é observada nenhuma reação de substituição, 
porque o hidróxidoé um mau grupo de saída. Se você 
quisesse forçar uma reação SN1 utilizando o 3-etil-3-
pentanol como substrato, qual reagente você utilizaria para 
mudar o grupo de saída para um grupo de saída melhor e 
fornecer íons cloreto ao mesmo tempo? 
Exercícios 
51 
• Preveja se a reação vista a seguir vai ocorrer via 
mecanismo SN2 ou SN1: 
Exercícios 
• Para a reação vista a seguir, examine todos os reagentes e 
condições e determine se a reação se processará via SN2 
ou SN1, ou ambos ou nenhum deles. 
52 
• Para cada reação vista a seguir, examine todos os 
reagentes e condições e determine se a reação se 
processará via SN2 ou SN1, ou ambos ou nenhum deles. 
Exercícios 
53 FIM