7.4 O Mecanismo SN2

7.5 Para a reação de substituição mostrada a seguir, admita que um processo em múltiplas

etapas está ocorrendo e represente o mecanismo. (Sugestão: Revise as regras para

representação de estruturas de ressonância, Seção 2.10.)

 

é necessário PRATICAR MAIS? Tente Resolver o Problema 7.64a

 

7.4 O Mecanismo SN2

 

Durante a década de 1930, Sir Christopher Ingold e Edward D. Hughes

(University College, Londres) investigaram as reações de substituição em

um esforço para elucidar seu mecanismo. Com base em observações

cinéticas e estereoquímicas, Ingold e Hughes propuseram um mecanismo

concertado para muitas das reações de substituição que eles investigaram.

Vamos agora explorar as observações que os levaram a propor um

mecanismo concertado.

 

Cinética

Para a maioria das reações que eles investigaram, Ingold e Hughes

verificaram que a velocidade de reação era dependente das concentrações

tanto do substrato quanto do nucleófilo. Essa observação está resumida na

seguinte equação de velocidade:

 

Velocidade = k [substrato] [nucleófilo]

 

Especificamente, eles descobriram que a duplicação da concentração de

nucleófilo provocava a duplicação da velocidade de reação. Da mesma

forma, a duplicação da concentração do substrato também causava a duplicação da velocidade. A equação de velocidade anterior é descrita como

de segunda ordem porque a velocidade é linearmente dependente da

concentração das duas diferentes substâncias. Com base nas suas

observações, Ingold e Hughes concluíram que o mecanismo tinha de

apresentar uma etapa em que o substrato e o nucleófilo colidiam um com o

outro. Como essa etapa envolve duas entidades químicas, ela é chamada de

bimolecular. Ingold e Hughes criaram o termo S N2 para as reações de

substituição bimoleculares:

 

As observações experimentais para as reações S 2 são consistentes com um N

mecanismo concertado, pois um mecanismo concertado mostra apenas uma

etapa mecanística, envolvendo tanto o nucleófilo quanto o substrato:

 

Faz sentido que a velocidade seja dependente das duas concentrações, do

nucleófilo e do substrato.

 

VERIFICAÇÃO CONCEITUAL

 

7.6 A reação vista a seguir apresenta uma equação de velocidade de segunda ordem:

 

(a) O que acontece com a velocidade se a concentração de 1-iodopropano for triplicada e a

concentração de hidróxido de sódio permanecer constante?

(b) O que acontece com a velocidade se a concentração de 1-iodopropano pemanecer constante

e a concentração de hidróxido de sódio for duplicada?

 

(c) O que acontece com a velocidade se a concentração de 1-iodopropano for duplicada e a

concentração de hidróxido de sódio for triplicada?

 

Estereoespecificidade das Reações S N2

Há outra evidência crucial que levou Ingold e Hughes a proporem o

mecanismo concertado. Quando a posição α é um centro de quiralidade,

geralmente é observada uma mudança na configuração, como ilustrado no

seguinte exemplo:

 

FIGURA 7.4

Os lados da frente e de trás de um substrato.

 

O reagente apresenta a configuração S, enquanto o produto apresenta a

configuração R. Ou seja, esta reação é dita avançar com inversão de

configuração. Este resultado estereoquímico é frequentemente chamado de

inversão de Walden, em homenagem a Paul Walden, o químico alemão que

foi o primeiro que a observou.

O requisito de inversão de configuração significa que o nucleófilo pode

atacar apenas a partir do lado de trás (o lado oposto ao do grupo de saída) e

não a partir do lado da frente (Figura 7.4). Há duas maneiras para explicar

por que a reação avança através do ataque pelo lado de trás:

 

1. Os pares de elétrons isolados do grupo de saída criam regiões de alta

densidade eletrônica que efetivamente bloqueiam o lado da frente do

substrato, de modo que o nucleófilo só pode se aproximar a partir do

lado de trás.

2. A teoria do orbital molecular (OM) oferece uma resposta mais

sofisticada. Lembre-se de que orbitais moleculares estão associados à

molécula inteira (em oposição aos orbitais atômicos que estão

associados a átomos individuais). De acordo com a teoria OM, a

densidade eletrônica flui do HOMO do nucleófilo para o LUMO do

eletrófilo. Como exemplo, vamos concentrar a nossa atenção sobre o

LUMO do brometo de metila (Figura 7.5). Se um nucleófilo ataca o

brometo de metila a partir do lado da frente, o nucleófilo vai encontrar

um nó, e como resultado nenhuma ligação líquida irá resultar da

sobreposição entre o HOMO do nucleófilo e o LUMO do eletrófilo. Em

contraste, o ataque do nucleófilo a partir do lado de trás permite a

sobreposição eficiente entre o HOMO do nucleófilo e o LUMO do

eletrófilo.

 

RELEMBRANDO

Para uma revisão da teoria do orbital molecular e dos termos HOMO e LUMO, veja a

Seção 1.8.

FIGURA 7.5

O orbital molecular desocupado de menor energia (LUMO) do brometo de metila.

 

O resultado estereoquímico observado para um processo S 2 (inversão de N

configuração) é consistente com um mecanismo concertado. O nucleófilo

ataca com a perda simultânea do grupo de saída. Isso faz com que o centro

de quiralidade se comporte como um guarda-chuva que inverte com o

vento:

 

O estado de transição (representado entre colchetes) será discutido em mais

detalhes na próxima seção. Esta reação é chamada de estereoespecífica

porque a configuração do produto é dependente da configuração do material

de partida.

 

DESENVOLVENDO A APRENDIZAGEM

7.2 REPRESENTAÇÃO DO PRODUTO DE UM PROCESSO SN2

APRENDIZAGEM

Quando o (R)-2-bromobutano é tratado com um íon hidróxido, é obtida uma mistura de

produtos. Um processo S N2 é responsável pela geração de um dos produtos secundários,

enquanto o produto principal é produzido através de um processo de eliminação, como será

discutido no capítulo seguinte. Represente o produto do processo SN2 que é obtido quando o

(R)-2-bromobutano reage com um íon hidróxido.

 

SOLUÇÃO

 

Primeiro representamos os reagentes descritos no problema:

 

ATENÇÃO

Em uma reação S 2, se a posição α for um centro de quiralidade, certifique-se de N

representar uma inversão de configuração no produto.

 

Agora identi camos o nucleó lo e o substrato. O bromobutano é o substrato e o hidróxido é o

nucleó lo. Quando o hidróxido ataca, ele irá ejetar o íon brometo como um grupo de saída. O

resultado líquido é que o Br será substituído por um grupo OH:

 

Neste caso, a posição α é um centro de quiralidade, de modo que esperamos uma inversão:

 

PRATICANDO

o que você aprendeu

 

7.7 Represente o produto para cada uma das seguintes reações SN2:

 

(a) (S)-2-cloropentano e NaSH

 

(b) (R)-3-iodo-hexano e NaCl

 

(c) (R)-2-bromo-hexano e hidróxido de sódio

 

APLICANDO

o que você aprendeu

 

7.8 Quando o (S)-1-bromo-1- uoroetano reage com metóxido de sódio, ocorre uma reação

SN2 em que o átomo de bromo é substituído por um grupo metóxido (OMe). O produto desta

reação é o (S)-1- uoro-1-metoxietano. Como pode ser que o material de partida e o produto

tenham a con guração S? O processo SN2 não deve envolver uma mudança na con guração?

Represente o material de partida e o produto de inversão e, em seguida, explique a anomalia.

 

é necessário PRATICAR MAIS? Tente Resolver os Problemas 7.45, 7.56, 7.61

 

Estrutura do Substrato

Para as reações SN2, Ingold e Hughes também verificaram que a velocidade

era sensível à natureza do haleto de alquila de partida. Em particular, os

haletos de metila e os haletos de alquila primários reagem mais rapidamente

com nucleófilos. Haletos de alquila secundários reagem mais lentamente, e

haletos de alquila terciários são essencialmente não reativos em processos

S 2 (Figura 7.6). Essa tendência é consistente com um processo concertado N

em que se espera que o nucleófilo encontre impedimento estérico quando se

aproxima do substrato.

Para compreender a natureza dos efeitos estéricos que governam as

reações SN2, temos de explorar o estado de transição de uma reação SN2

típica, mostrado de forma geral na Figura 7.7. Lembre-se de que um estado de transição é representado por um pico em um diagrama de energia.

Considere, por exemplo, um diagrama de energia que mostre a reação entre

um íon cianeto e o brometo de metila (Figura 7.8). O ponto mais elevado da

curva representa o estado de transição. O símbolo sobrescrito fora dos

parênteses, que se parece com um poste de telefone, indica que a

representação mostra um estado de transição, em vez de um intermediário.

A energia relativa desse estado de transição determina a velocidade da

reação. Se o estado de transição tem energia elevada, então Ea será grande e

a velocidade será lenta. Se o estado de transição tem energia baixa, então Ea

será pequena e a velocidade será rápida. Com isso em mente, podemos

agora explorar os efeitos do impedimento estérico na diminuição da

velocidade de reação e explicar por que substratos terciários são inertes.

 

FIGURA 7.6

A reatividade relativa de vários substratos em relação ao processo S 2. N

 

FIGURA 7.7

A forma genérica de um estado de transição em um processo S 2. N

FIGURA 7.8

 

Um diagrama de energia da reação S 2 que ocorre entre o brometo de metila e um íon N cianeto.

 

Dê uma olhada de perto no estado de transição. O nucleófilo está no

processo de formação de uma ligação com o substrato, e o grupo de saída

está no processo de quebrar a sua ligação com o substrato. Observe que há

uma carga parcial negativa em ambos os lados do estado de transição. Isso

pode ser visto mais claramente em um mapa de potencial eletrostático do

estado de transição (Figura. 7.9). Se os átomos de hidrogênio na Figura 7.9

são substituídos por grupos alquila, interações estéricas fazem com que o

estado de transição tenha uma energia mais elevada, aumentando E a para a

reação. Compare os diagramas de energia para as reações que envolvem

substratos metila, primário e secundário (Figura 7.10). Com um substrato

terciário, o estado de transição tem uma energia tão elevada que a reação

ocorre muito lentamente para ser observada.

 

FIGURA 7.9

Um mapa de potencial eletrostático do estado de transição a partir da Figura 7.7. As áreas em vermelho representam regiões de alta densidade eletrônica.

 

FIGURA 7.10

Diagramas de energia comparando processos S 2 para substratos metila, primário e N secundário.

 

O impedimento estérico na posição beta também pode diminuir a

velocidade de reação. Por exemplo, considere a estrutura do brometo de

neopentila:

Essa substância é um haleto de alquila primário, mas tem três grupos metila

ligados à posição beta. Esses grupos metila proporcionam impedimento

estérico que faz com que a energia do estado de transição seja muito

elevada (Figura 7.11). Mais uma vez, a velocidade é muito lenta. De fato, a

velocidade de um substrato neopentila é semelhante à velocidade de um

substrato terciário em reações S 2. Este é um exemplo interessante, porque N

o substrato é um haleto de alquila primário que, essencialmente, não sofre

uma reação S N2. Esse exemplo ilustra por que é melhor entender conceitos

de química orgânica, em vez de memorizar regras sem saber o que elas

significam.

 

FIGURA 7.11

O estado de transição para um processo S 2 envolvendo um substrato neopentila. N

 

DESENVOLVENDO A APRENDIZAGEM

 

7.3 REPRESENTAÇÃO DO ESTADO DE TRANSIÇÃO DE UM PROCESSO S 2 N

APRENDIZAGEM

Represente o estado de transição da seguinte reação:

SOLUÇÃO

 

Primeiro identi camos o nucleó lo e o grupo de saída. Esses são os dois grupos que estarão em

ambos os lados do estado de transição:

 

ETAPA 1

Identi cação do nucleó lo e do grupo de saída.

 

O estado de transição terá que mostrar uma ligação se formando com o nucleó lo e uma ligação

quebrando com o grupo de saída. As linhas tracejadas são utilizadas para mostrar as ligações

que estão se quebrando e se formando:

 

ETAPA 2

Representação de um átomo de carbono ligado por linhas tracejadas ao nucleó lo e ao grupo de

saída.

 

O símbolo δ − é colocado no nucleó lo entrando e no grupo de saída saindo para indicar que a

carga negativa está distribuída ao longo das duas posições.

Agora, temos de representar todos os grupos alquila ligados à posição α. No nosso exemplo,

a posição α tem um grupo CH3 e dois átomos de H:

 

ETAPA 3

Representação dos três grupos ligados ao átomo de carbono.

Assim, representamos esses grupos no estado de transição ligados à posição α. Um grupo é

colocado em linha reta, e os outros dois grupos são colocados sobre uma cunha cheia e uma

cunha tracejada:

 

ETAPA 4

Colocação de colchetes, bem como do símbolo que indica um estado de transição.

 

Não importa se o grupo CH 3 é colocado sobre a linha reta, sobre a cunha cheia ou a cunha

tracejada. Mas não se esqueça de indicar que a representação é um estado de transição

envolvendo-a com colchetes e usando o símbolo que indica um estado de transição.

 

PRATICANDO

o que você aprendeu

 

7.9 Represente o estado de transição para cada uma das seguintes reações SN2:

APLICANDO

o que você aprendeu

 

7.10 No Problema 7.4, vimos que uma reação de substituição intramolecular pode ocorrer

quando o centro nucleofílico e o centro eletrofílico estão presentes na mesma substância.

Represente o estado de transição da reação no Problema 7.4.

 

7.11 O tratamento de 5-hexen-1-ol com bromo dá origem a um produto cíclico:

 

O mecanismo desta reação envolve várias etapas, uma das quais é semelhante a um processo

SN2 intramolecular:

 

Nesta etapa, uma ligação está em processo de quebra, enquanto a outra ligação está em

processo de formação. Represente o estado de transição desse processo tipo SN2, e identi que