reacoes_de_substituicao_nucleofilica

Prévia do material em texto

Química Orgânica I 
Profa. Dra. Alceni Augusta Werle 
Profa. Dra. Tania Márcia do Sacramento Melo 
Reações de Substituição 
Nucleofílica em Carbono 
Saturado 
R CH2 Y + Nu
Solvente
R CH2 Nu + Y
Substrato Produto
NucleófiloGrupo
Abandonador
1- Reações de substituição nucleofílica em carbono 
saturado - Definição 
NUCLEÓFILOS E BASES - a diferença fundamental 
• NUCLEOFILICIDADE – verificado por parâmetros cinéticos. 
 v = k [substrato]. [Nu] ou v = k [substrato] 
 
 
• BASICIDADE - parâmetros termodinâmicos. 
 
 
Todos os Nucleófilos são Bases ? 
E todas as Bases são Nucleófilos ? 
 
Nota: Uma boa base não é necessariamente 
um bom nucleófilo, e vice-versa 
SN1 
SN2 
Respostas reacionais em função de basicidade e 
nucleofilicidade 
Nucleofilicidade = cinética 
v= k [substrato] [Nu] (SN2) 
 
Bom Nu aumenta k 
Basicidade = termodinâmica 
 
 
Base forte desloca o 
equilíbrio para os produtos 
B + H B H
Ponto de avaliação 
de velocidade 
e nucleofilicidade 
Energia de ativação 
e velocidade (cinética) 
Quanto mais rápida : melhor 
A Basicidade é 
determinada aqui 
Força da ligação 
E ponto de 
equilíbrio 
Menor Energia é 
melhor 
2- Reações de Substituição Nucleofílica Bimolecular 
(SN2) - mecanismo 
• Reação ocorre em uma única etapa e a velocidade da 
reação depende tanto da concentração do substrato 
quanto do nucleófilo. 
v = k [subst.][Nu] 
 
 Arranjo Estado de transição Arranjo 
tetraédrico Arranjo planar tetraédrico 
O Nu ataca o OM s* da ligação entre o carbono e o grupo abandonador (Y) 
Ataque do nucleófilo é sincronizado com a saída do grupo abandonador. 
Exemplo: HO- + CH3Cl CH3OH + Cl
-
Diagrama de 
energia livre 
Reações de Substituição Nucleofílica Bimolecular (SN2) 
- estereoquímica 
• Devido ao ataque do Nu pelo orbital molecular antiligante ao grupo 
abandonador a configuração do carbono reativo do reagente inverte 
no produto. 
Configuração inverte 
Por que a configuração inverte? 
O que aconteceria se o Nu atacasse pelo mesmo lado 
do grupo abandonador? 
Interação fora 
de fase C-Nu. 
Antiligante 
Interação em fase 
C-Br 
Ligante 
3- Reações de Substituição Nucleofílica Unimolecular 
(SN1) - mecanismo 
• Reação ocorre em duas etapas e a velocidade da 
reação depende somente da concentração do 
substrato. 
v = k [subst.] 
 
Intermediário 
Carbocátion – 
Formado na 
etapa lenta 
Exemplo – 
(CH3)3C-Br (CH3)3C-OH + Br
-H2O
Forma clássica de representação mecanística 
Lenta 
Rápida 
Br 
-
 ? 
 
Diagrama de energia livre 
 
R = C(CH3)3 
Estereoquímica das reações SN1 
A reação ocorre com racemização, mas esta pode não ser total. 
Por que ocorre racemização? 
Por que esta racemização pode ser parcial? 
• Extensão da inversão depende do grupo de partida, 
estabilidade do carbocátion, qualidade do nucleófilo e do 
solvente. 
• NUNCA pode ocorrer retenção da configuração. 
A Estereoquímica de Reações SN1: Efeito da Solvatação 
R X R X+ R X R XSolvente Solvente
Substrato ìon par intimo íon par intimo íons dissociados
separado pelo solvente
4- Aspectos importantes em reações SN1 e SN2 
 
4.1- Nucleófilos - importância em reações SN1 e SN2 
O nucleófilo é importante na reação SN2. 
 Velocidade SN2 = K2 [RY][Nu] 
 
 
 
Nucleófilos NÃO são importantes em reações SN1; 
Porque não participam da etapa determinante da velocidade 
 Velocidade SN1 = K1 [RY] 
Em reações que seguem o mecanismo SN1 o nucleófilo 
não participa da velocidade da reação. 
- Exemplo 
C Cl
CH3
H3C
CH3
+ OH(aq.)
H2O
C OH
CH3
H3C
CH3
+ Cl(aq.)
O NUCLEÓFILO IDEAL - Reações SN2 
Tamanho do nucleófilo 
Avaliando os haletos como possíveis nucleófilos 
Raio 1.36 1.81 1.95 2.16 
iônico (Ao) 
F- Cl- Br- 
 
I - 
 
Considerando meramente o tamanho o fluoreto deveria 
ser o melhor nucleófilo. 
 
….. Mas experimentalmente para reações em solução 
isto não é observado. Veja os dados experimetais!!!! 
Velocidade relativa de reações com haletos como 
nucleófilos 
CH3-Y + NaX CH3-X + NaY
Metanol
velocidade = k [CH3Y] [X
-] 
SN2 
Estudo do efeito da solvatação sobre nucleófilos 
A interação entre o 
íon e o solvente é 
uma interação fraca 
porém quando 
ocorre libera energia. 
 
A solvatação 
diminui a energia 
potencial do 
nucleófilo diminuindo 
a sua reatividade. 
Raio 1.36 1.81 1.95 2.16 
iônico (Ao) 
F- Cl- Br- 
 
I - 
 
- 65 - 75 - 90 - 120 
Calor de 
solvatação 
em H2O 
Kcal/mol 
 
X(H2O)n 
Solvatação aumenta 
“n” pequeno “n” grande 
Qual a resposta da solvatação sobre a nucleofilicidade 
Fluoreto Iodeto 
...menor camada 
 de solvente 
...maior energia 
 potencial, por 
 isso tem 
 maior grau 
 de liberdade 
É muito difícil o Nucleófilo fortemente 
solvatado sair da camada de solvente 
Neste contexto, quem é o melhor nucleófilo ? 
 
Conclusão: ions grandes 
são melhores nucleófilos 
em solventes próticos 
Justificativa para a conclusão anterior 
• Em solventes próticos os íons maiores são menos 
solvatados (menor interação com a camada do 
solvente), maior Energia Potencial. 
• Menor interação com a camada do solvente durante a 
reação aumenta a Energia potencial. 
• Os íons maiores tendem a ser (alguns) mais 
“polarizáveis”. 
Polarizabilidade: propriedade 
que íons tem de distorcerem a 
nuvem eletrônica da camada de 
valência. 
 
Íons grandes: FACIL 
Íons pequenos: DIFÍCIL 
 
Nucleofilicidade e basicidade em um mesmo período 
• No mesmo período, as bases mais fortes são melhores 
Nucleófilos. Por que? 
 
 
No mesmo período, onde os átomos variam muito 
pouco de tamanho a solvatação será muito similar. 
OH- é melhor Nucleófilo que F 
Por quê? 
Conclusão sobre a nucleofilicade em solventes 
próticos 
Maior solvatação, 
Maior superfície de contato, 
Menor Energia potencial 
Exemplos: Velocidades relativas (Nucleófilos variados) 
Nucleofilicidade em solventes apróticos 
• Solventes apróticos: não tem OH, NH, ou SH. 
• Não formam ligação de hidrogênio. 
Solventes apróticos solvatam cátions, mas não anions 
(NUCLEÓFILOS) 
O nucleófilo está 
“livre” (não solvatado) 
É pequeno e não 
“afetado” pela camada 
do solvente. 
Nucleofilicidade solventes apróticos 
Por que não usar sempre solventes aproticos em SN2 ? 
• Questão de custos: água, etanol, metanol e acetona são 
muito baratos. 
Menor cotação disponível, Aldrich Chemical Co., 2015 
4.2- Estudos dos solventes 
Qual o melhor Solvente para SN1 e SN2 ? 
 
• SN1 – melhor solvente = POLAR 
• Reações SN1 preferem solvente polar-prótico pois 
podem solvatar o ânion e o cátion formado na etapa 
determinante da velocidade. 
 
 
• SN2 melhor solvente = APOLAR OU POLAR-APRÓTICO 
• Reações SN2 preferem solvente “apolar”, ou solvente 
polar-aprótico pois não solvatam o Nucleófilo. 
 
 
Quanto menor o Nu, 
menos solvatado 
melhor será a vel. da 
Reação, em solvente 
apolar ou polar aprótico. 
Resumindo 
A avaliação dos solventes também pode ser feita com 
base nas constantes dielétricas – mede o poder 
ionizante. 
Exemplo: velocidades das reações SN1 com um mesmo 
substrato e nucleófilo, variando o solvente. 
Solvente Constante 
dielétrica 
Velocidade 
relativa 
Água 78,0 8000 
Metanol 33,0 1000 
Etanol 24,0 200 
Acetona 21,0 1 
Éter etílico 4,3 0,001 
Hexano 2,0 < 0,0001 
Exemplo: velocidades de uma reações SN2 com variação 
do solvente. 
Solvente Fórmula Constante 
Dielétrica 
Tipo de 
solvente 
Vel. 
relativa 
Metanol CH3OH 32,6 Polar prótico 1 
Água H2O 87,5 Polar prótico 7 
Dimetil sulfóxido (CH3)2S=O 48,5 Polar 
aprótico 
 
1300 
N,N-Dimetilformamida (CH3)2NCH=O 
 
36,5 Polar 
aprótico 
2800 
AcetonitrilaCH3C=N 34,5 Polar 
aprótico 
5000 
CH3CH2CH2CH2 Br + NaN3 CH3CH2CH2CH2 N
N
N
+ NaBr
4.3- Natureza do substrato 
Para as reações de SN é importante analisar a 
estrutura do substrato em duas ópticas: Grupo R, Ar 
ou vinil e grupo abandonador. 
 
• Os grupos R, Ar, vinil e outros afetam tanto as 
velocidades de SN2 quanto de SN1, em cada tipo de 
mecanismo com aspectos específicos. 
• O grupo abandonador afeta tanto as velocidades de SN2 
quanto de SN1 pois em ambos os tipos de reações 
deverá formar um espécie estável no meio que se 
encontra. 
Efeitos estruturais em reações do tipo SN2 
 
Devido a natureza do ET das reações do 
tipo SN2, o acesso estérico promovido 
pela porção ligada ao grupo 
abandonador tem grande influência 
(impedimento espacial). 
Efeito de grupos vizinhos - O entrosamento dos OM 
adjacentes pode facilitar o ataque do Nu. 
Exemplo: SN em carbono a carbonila. 
O C
C
Br
+ Nu O C
C
Nu
+ Br
a
Exemplos de contribuição de grupos vizinhos na 
velocidade de reações do tipo SN2. 
Cloreto de alquila Veloc. relativa Comentário 
200 Baixa interação estérica. 
 
 
0,02 Os dois grupos metil causam um 
impedimento estérico. 
 
 
79 Velocidade é acelerada devido a 
conjugação do sistema p no ET 
 
 
 
 
200 
O anel benzênico contribui melhor com 
a conjugação do sistema p no ET 
 
 
 
920 
A conjugação com o par de elétrons 
não ligantes do oxigênio no ET é mais 
efetiva do que os elétrons de um 
sistema p. 
 
 
 
 
100.000 
A conjugação com os elétrons p da 
carbonila é mais efetiva do que de um 
sistema p. 
 
H3C Cl
Cl
Cl
Cl
O Cl
O
Cl
Efeitos estruturais em reações do tipo SN1 
• Como na etapa lenta das reações do tipo SN1 ocorre a 
formação de carbocátion, a estabilidade destes afeta 
enormemente a velocidade da reação. 
• Todo fator estrutural que aumenta a estabilidade do 
carbocátion provocará aumento da velocidade da 
reação. 
• Quando o aumento da estabilidade ocorrer por 
assistência de grupo vizinho o fenômeno é chamado de 
assistência anquimérica. 
Fatores que estruturais que aumentam a estabilidade 
de carbocátions 
• Efeito Indutivo (revisar); 
• Efeito de Hiperconjugação (revisar); 
• Efeito de Ressonância (revisar); 
• Rearranjo (revisar). 
C
H
H
H
C
CH3
H
H
C
CH3
H
CH3
C
CH3
H3C
CH3
V 
E 
L 
O 
C 
I 
D 
A 
D 
E 
 
Efeito Indutivo e Hiperconjugação em reações SN1 
Efeito de ressonância 
O Cl
Cl
V2 10
6 vezes maior do que V1
H2O
OH
v1
H2O
O OH
v2
Efeito de grupo vizinho 
PhS
Cl
S
Ph
Nu
Ph
S
Nu
Cl
PhS
Cl
v1 v2
V1 600 vezes maior do que v2
Exemplos de respostas reacionais devido a natureza do substrato 
Exemplo de rearranjo 
Estrutura do substrato SN1 x SN2 
• SN2 
SN1 
log k1 
SN2 
5 + log k2 
4.4- Natureza do grupo de partida (grupo abandonador) 
• Bons grupos abandonadores (Grupo de Partida –– 
GP)são aqueles que apresentam estabilidade. 
• Este quesito é atendido por espécies neutras e bases 
fracas. 
• Bons grupos de partida contribuem com o aumento da 
velocidade de reações SN2 e SN1. 
 Exemplos: 
 RCH2 IHO + RCH2 OH2+ I
RCH2 BrHO + RCH2 OH2+ Br
RCH2 ClHO + RCH2 OH2+ Cl
RCH2 FHO + RCH2 OH2+ F
30.000
10.000
200
1
Velocidades
relativas
A qualidade do 
grupo abandor 
se correlaciona 
diretamente 
com 
estabilidade e 
esta com 
basicidade. 
• Numa reação SN2 e SN1, o grupo retirante começa a 
adquirir uma carga negativa quando de atinge o estado 
de transição. 
• A estabilização desta carga negativa pelo retirante, 
contribui para estabilizar o estado de transição (pois 
diminui a sua energia potencial) e assim diminui a 
energia de ativação e, por isto, aumenta a velocidade da 
reação. 
 SN2 SN1 
• A natureza do grupo abandonador pode determinar 
reversibilidade de reações. 
• Íons haletos são bons nucleófilos e bons grupo de saída, 
por isso as reações SN2 que envolvem estas espécies 
podem ser reversíveis. 
Exemplos: 
I + LiCl
Acetona
Cl + LiI
Justifique os comportamentos distintos. 
Cl + OH
Acetona
H3C OH + ClH3C
???? 
Estudo de casos 
Para os pares de reações SN2 a seguir: 
 a) discuta qual apresenta maior velocidade; 
 b) apresente as respectivas propostas mecanisticas; 
 c) apresente os respectivos diagrama de energia. 
 
 
 
 
 
 
 
(nucleofilicidade, natureza do GP, impedimento estérico) 
Discuta: 
a) qual dos haletos de alquila a seguir formam um produto de substituição em 
uma reação SN1 que é diferente do produto de substituição em uma reação 
SN2 (Nu = hidroxila - SN2 e água - SN1 ); 
b) apresente as respectivas propostas mecanisticas; 
c) caso sejam formados estereoisômeros estimar a razão de concentração entre 
eles; 
d) caso sejam formados compostos quirais, determinar a configuração absoluta. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(estereoquimica, rearranjo, conformações adequadas para SN em compostos 
cíclicos) 
H3C CH3
Br
CH3
H
H
CH3
H
CH3
Cl
Cl CH3
CH3
H
H
H
CH3
H
H CH3
Br
CH3
H
H3C
H
H C
CH3
Br
Br
H H
 
 
 
 
 
 
(Natureza do grupo abandonador) 
H3C CH2
CH OH
H3C
H3C
OH
C OH
CH3
H3C
CH3
+ NaCl
+ NaCl
+ NaCl
Acetona
Acetona
Acetona
todas reações
muiiiiiiiiiiiito lentas.
JUSTIFIQUE
H3C CH2
CH OH
H3C
H3C
OH
C OH
CH3
H3C
CH3
+ PCl3
v1 ~ v2 >>>> v3
Justifique
+ PCl3
+ PCl3
v1
v2
v3
Refluxo
Refluxo
Refluxo
CH O
H3C
H3C
+ 2 NaBrCH3 CH Br
H3C
H3C
Br CH3+
H2O
CH O
H3C
H3C
+ 2 HBrCH3 CH Br
H3C
H3C
Br CH3+
Muiiiiiiito lenta
Rápida
CH
O
H3C
CH3
H3C
+ HBr
CH
O
H3C
CH3
H3C
H + Br
CH
O
H3C
CH3
H3C
H
Br
CH Br
H3C
H3C
H2O CH3+
OHH3C + OH2 + Br
OH2C
Br
H
H
H
Br C
H
H
H
+ H2O
1)
2)
3)
4)
Justificativa: 
Proposta 
mecanística 
Natureza do grupo 
abandonador 
Rearranjo 
Qual reação em cada um dos pares ocorrerá mais 
rapidamente? 
Natureza do nucleófilo 
 
Efeito do solvente 
Qual dos haletos de alquila a seguir formam um produto 
de substituição em uma reação SN1 que é diferente do 
produto de substituição em uma reação SN2 ? 
Estereoquímica e rearranjo 
Proponha um mecanismo para cada uma das reações a 
seguir: 
 
Rearranjo, estabilidade de intermediários 
Explique por que o haleto de alquila a seguir não sofre 
uma reação de substituição, mesmo em condições 
reacionais adequadas. 
Como os seguintes éteres poderiam ser preparados com o 
uso de um haleto de alquila e de um álcool (ou fenol)? 
Mostre dois caminhos e entre estes, indique o melhor 
quando for o caso. Apresente o solvente mais adequado 
para cada situação. 
Fator estérico, estabilidade de intermediário – SN1 X SN2 
Mostre como o 1-butanol pode ser transformado nas 
seguintes substâncias (nucleófilo e solvente mais 
adequado. 
Transformações do grupo abandonador – Reações com haletos 
de fósforo e tosilação ou mesilação. 
Qual é o produto quando a substância a seguir é tratada 
com: a) metóxido de sódio/metanol b) metanol 
Estabilidade conformacional, estabilidade de intermediário 
Qual dos compostos a seguir é de se esperar seja mais 
reativo frente a uma reação do tipo SN2? 
Explique como ocorre a formação de cada um dos 
produtos obtidos nas reações mostradas abaixo. 
Sistemas trans-decalina são extremamente rígidos, e 
dificilmente trocam de conformação. Sabe-se que, em 
anéis de seis membros, epóxidos tendem a sofrer 
abertura, levando preferencialmente ao produto cis-diaxial. 
Sabendo disso, qual dos produtos (A ou B) deve ser obtido 
como produto majoritário na reação mostrada abaixo? 
Justifique sua resposta. 
H
H
H
H
H
H
CH3
CH3
O H
H
CH3
CH3
OH
OH
H
H
OH
CH3
CH3
OH
+
H2SO4
H2O/Acetona
A B
Qual das seguintes reações ocorre mais rapidamente? 
Reações ácido base, estereoquímica de reações SN2, 
análise conformacional. 
(H3C)3C
OH
Br
(H3C)3C
OH
Br
HO
Acetona
HO
Acetona
(H3C)3C
O
(H3C)3C
O
OH
Br
C(CH3)3
HO
Acetona
O
C(CH3)3