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Universidade Federal de Ouro Preto
Reações de Substituição
Nucleofílica em Carbono Saturado
Aula 11
Flaviane Francisco Hilário
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1 - Reação de Substituição Nucleofílica e
Reação de Eliminação
SUBSTITUIÇÃO
Grupo abandonador
ELIMINAÇÃO
2
2 - Reações de Substituição Nucleofílica
(SN)
Nu 
+
Nucleophile
HO 
+
CH3O  +
CH3
R
R
X
Product
Alkyl halide
(substrate)
CH3
Cl
CH3CH2
Br
Nu
OH
CH3CH2
OCH3
X
+
Halide ion
+
Cl 
+
Br 
• Como são nucleófilos que substituem os halogênios, essas
reações são conhecidas como reações de substituição
nucleofílica.
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2.1 – Tipos de mecanismos de SN
2.1.1 - Substituição Nucleofílica Bimolecular (SN2)
• Bimolecular = duas espécies estão envolvidas na etapa que
determina a velocidade da reação.
Velocidade = k . [haleto de alquila] . [nucleófilo]
Nu

+ R X

Nu

R
X
Nu R +
Produto de substituição
X
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2.1.2 - Substituição Nucleofílica Unimolecular (SN1)
• Unimolecular = uma espécie está envolvida na etapa que
determina a velocidade da reação.
Velocidade = k . [haleto de alquila]
R+ +
R X
Nu

+
+ R
X
Nu R
Produto de substituição
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Nucleófilos
 Íon ou molécula neutra com pelo menos um par de elétrons
não ligante.
Íon hidróxido
H
O

+
Nucleophile
R
X
H
Alkyl halide
O
X
+
R
Alcohol
Leaving group
Molécula de água
H
O
H
Nucleophile
+
R
X
Alkyl halide
H
O+ R
+
X
H
Alkyloxonium ion
H2O
H
O
+
R + H3O +
X
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Grupo abandonador
 Base fraca que pode ser um íon ou uma molécula neutra relativamente
estável.
HO
H3N

+
+
CH3
CH3
Cl
Br
CH3
CH3
OH
+
NH 3
+
+
Cl 
Br 
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2.1.1 - Substituição Nucleofílica Bimolecular – SN2
Velocidade relativa de várias reações SN2 de haletos de alquila
Haleto de alquila
classe
velocidade relativa
Metila
Primário
Primário
Secundário
Terciário
pequena demais
para ser medida
 A velocidade de reação com um dado nucleófilo diminui com
o aumento do volume do haleto de alquila.
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 Mecanismo de reação SN2
AnInversão
inversion
configuration
deof
configuração
HO

H3C
H
+
C

Br

HO
C6H13
(R)-(–)-2-Bromooctane
Enantiomeric purity = 100%
CH3
C
CH3

Br
HC H
6 13
HO
C
H
C6H13
Br
+
(S)-(+)-2-Octanol
Enantiomeric purity = 100%
 É sincronizado.
 É uma reação concertada.
 A configuração do produto é invertida quando comparada à
configuração do haleto de alquila quiral.
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 Inversão de Walden
Três ligações no mesmo plano
An
inversion
configuration
Inversão
de of
configuração
H3C
Cl
+
H
H3C
OH
+
SN2
H
cis-1-Chloro-3-methylcyclopentane
H 3C
H
H
H
Cl 
OH
trans-3-methylcyclopentanol

Leaving group departs
from the top side.
H
 Nucleophile attacks
OH from the bottom side.
Cl
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Estado de transição
• Dura apenas 10-12s (tempo de uma vibração molecular).
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 Estrutura do substrato – SN2
 Um grupo substituinte volumoso no haleto de alquila reduz
sua reatividade: impedimento estérico.
Reatividades relativas para haletos de alquila em uma reação
SN2
Haleto de metila > haleto de alquila 1ário > haleto de alquila 2ário > haleto de alquila 3ário
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Velocidades relativas
Grupo
abandonador
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 Basicidade relativa dos íons haletos
Base mais fraca
Base mais forte
 Característica de grupo abandonador
Melhor grupo
abandonador
Pior grupo
abandonador
 Reatividade relativa em uma SN2
Mais reativo
Menos reativo
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 Nucleófilo – SN2
Espécies com carga negativa versus espécies neutras.
Base forte e melhor
nucleófilo
Base fraca e pior
nucleófilo
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 Efeito estérico sobre a nucleofilia
Base mais fraca
Base mais forte
Melhor nucleófilo
Pior nucleófilo
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 Solvente – SN2
Interações
íon-dipolo
entre um nucleófilo e a
água. – impedem o
nucleófilo de reagir.
 SN2 é favorecida por SOLVENTE POLAR APRÓTICO (Ex.:
DMF - dimetilformamida, DMSO - dimetilsulfóxido).
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Reversibilidade das reações SN2
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 Uma SN2 é reversível quando os grupos abandonadores são bases
de força semelhante.
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2.1.2 - Substituição Nucleofílica Unimolecular – SN1
Ataque nucleofílico ao carbocátion
lento
Quebra
heterolítica
rápido
rápido
Transferência de próton
 Quando o haleto de alquila é quiral, é obtido um par de
enantiômeros.
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Etapa determinante
da velocidade
Carbocátion
intermediário
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 Estrutura do substrato - SN1
 Haletos de alquila mais substituídos são mais reativos.
Velocidades relativas em uma SN1 de brometos de alquila com H2O
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 Estabilidade relativa de carbocátions
 Reatividade relativa de haletos de alquila em uma SN1
Haleto de alquila terciário > haleto de alquila secundário > haleto de alquila primário
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 Estereoquímica da reação – SN1
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H
26
 Grupo abandonador
Mais reativo
Menos reativo
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 Rearranjo de carbocátion
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 Solvente – SN1
Estado de transição
Intermediário
solvente
molécula
Par iônico
íntimo
Par iônico
separado por solvente
Íons dissociados
 SN1 é favorecida por SOLVENTE POLAR PRÓTICO (Ex.:
H2O, álcoois – CH3OH, CH3CH2OH.
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3 - SN1 X SN2
• Experimentalmente sabe-se que alguns fatores influenciam
a velocidade das reações e, conseqüentemente, o
caminho (uni ou bimolecular).
• Fatores que influenciam o caminho de reação (uni ou
bimolecular):
– Estrutura do substrato
– Concentração e a reatividade do nucleófilo (somente
para SN2)
– Efeito do solvente
– Natureza do grupo abandonador
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3.1.1 – Efeito do solvente
 Solvente polar prótico
 Solvente polar aprótico
 Solvente polar prótico
• Ex.: ROH, H2O, RCOOH, NH3.
• Solvatam eficientemente tanto o cátion quanto o ânion.
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EFEITO DO SOLVENTE
 Solvente polar aprótico
•
•
Ex.: DMF, DMSO, DMA
Solvatam eficientemente os cátions e deixam livre os
ânions (nucleófilos).
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Força
do
nucleófilo
 Nucleófilos com átomo da mesma coluna em solventes
polares próticos: o melhor nucleófilo é o átomo que possui
maior raio atômico.
 Nucleófilos pequenos são mais solvatados pelo solvente.
 Os átomos maiores são mais polarizáveis.
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 Nucleófilos com átomo da mesma coluna em solventes
polares apróticos: a nucleofilicidade é igual à basicidade.
pKa Ácido Base
-9,0 H-Br
Br-
-10,0
H-I
I-
Nucleofilicidade
FCl-
basicidade aumenta
3,2 H-F
-7,0 H-Cl
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3.1.2 – Natureza do grupo abandonador
O
O
• Carboxilatos
R
R
O-
O
O
• Sulfonatos
H3C
O
-
S
O
H3C
S
O
• Triflato
F
F
F
O
F
O
S
-
O
R
O
S
F
O
S
O
F
OCH2CH3
O
O
O
• Alconossulfonato
OCH3
O
-
R
S
OCH3
O
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 Em suma:
Fator
SN1
Substrato 3ário>2ário
(estabilidade do
carbocátion)
SN2
Metila>1ário>2ário
(impedimento estérico do
substrato)
Nucleófilo Base de Lewis fraca Base de Lewis forte
Molécula neutra
Solvente (hidrólise,
metanólise)
Solvente Polar prótico
Polar aprótico
GA
Bases fracas
Bases fracas
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4 – Bibliografia
- SOLOMONS, G.; FRYHLE, C. Química Orgânica, vol. 1, 7 ed. Rio de
Janeiro: LTC, 2001.
- BRUICE, P. Química Orgânica, vol.1, 4 ed. São Paulo, Pearson, 2006.
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