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 + NuSolvente

R CH2 Nu + Y

Substrato Produto

NucleófiloGrupoAbandonador

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 SolventeSubstrato 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 + NaYMetanol

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

Acetonitrila CH3C=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

ClV2 106 vezes maior do que V1

H2O

OHv1

H2O

O OHv2

Efeito de grupo vizinho

PhSCl

S

Ph

Nu

PhS

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

Velocidadesrelativas

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

AcetonaCl + 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

HCH3

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 reaçõesmuiiiiiiiiiiiito 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

HBr

CH Br

H3C

H3C

H2O CH3+

OHH3C + OH2 + Br

OH2CBr

H

HH

Br C

H

HH

+ 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)3CO

(H3C)3CO

OH

Br

C(CH3)3

HO

AcetonaO

C(CH3)3