7.8 Determinação de qual Mecanismo Predomina

• Observe que os grupos OH (normalmente encontrados na glicose) foram convertidos em

grupos acetato (OAc). Isso foi feito a m de minimizar as reações secundárias. Esses grupos

acetato podem ser removidos com facilidade por meio de tratamento com ácido aquoso

(vamos explorar este processo, chamado de hidrólise, com mais detalhes na Seção 21.11, do

Volume 2).

 

A aplicação efetiva de FDG em PET certamente requer a contribuição de muitas disciplinas

diferentes, mas a química orgânica tem desempenhado o papel mais crítico: A síntese de FDG é

realizada através de um processo SN2!

 

7.8 Determinação de qual Mecanismo

Predomina

 

A fim de representar os produtos de uma reação de substituição específica é

preciso primeiro identificar o mecanismo de reação como S 2 ou S 1. Essa N N

informação é importante nos dois casos vistos a seguir:

 

• Se a substituição estiver ocorrendo em um centro de quiralidade,

então teremos de saber se deveremos esperar inversão de

configuração (SN2) ou racemização (SN1).

 

• Se o substrato for suscetível a rearranjo de carbocátion, então

teremos de saber se deveremos esperar rearranjo (S 1) ou se o N

rearranjo não será possível (SN2).

Quatro fatores têm um impacto sobre se uma determinada reação irá ocorrer

através de um mecanismo S N2 ou de um mecanismo SN1: (1) o substrato,

(2) o grupo de saída, (3) o nucleófilo e (4) o solvente (Figura 7.24). Temos que aprender a olhar para todos os quatro fatores, um por um, e determinar

se eles favorecem S N1 ou SN2.

 

FIGURA 7.24

Os quatro fatores que determinam qual mecanismo predomina.

 

O Substrato

A natureza do substrato é o fator mais importante na distinção entre S 2 e N

SN1. No início do capítulo, vimos tendências diferentes para reações SN2 e

S 1. Essas tendências são comparadas nos gráficos da Figura 7.25. N

 

FIGURA 7.25

Efeitos do substrato sobre as velocidades dos processos S 2 e S 1. N N

 

A tendência em reações S 2 está associada ao impedimento estérico no N

estado de transição, enquanto a tendência em reações S N1 está associada à

estabilidade do carbocátion. A questão fundamental é que os substratos

metila e primários favorecem S 2, enquanto os substratos terciários N

favorecem S N1. Substratos secundários podem avançar através de qualquer

mecanismo, portanto um substrato secundário não indica qual o mecanismo

que irá predominar. Nesse caso, temos que passar para o próximo fator, o

nucleófilo (será visto na próxima seção).

Haletos alílicos e haletos benzílicos podem reagir, quer através de SN2

ou através de S 1: N

 

Esses substratos podem reagir por meio de um mecanismo S N2, porque são

relativamente desimpedidos, e eles podem reagir por meio de um

mecanismo S 1, porque a perda de um grupo de saída gera um carbocátion N

estabilizado por ressonância:

 

Ao contrário, haletos vinílicos e haletos arílicos não são reativos nas

reações de substituição:

 

Reações S 2 N 2 geralmente não são observadas em centros de hibridização sp,

porque o ataque pelo lado de trás é estericamente impedido. Além disso, os

haletos de vinila e os haletos de arila também não são reativos em processos

SN1, porque a perda de um grupo de saída iria gerar um carbocátion

instável:

Resumindo:

 

• Substratos metila e primários favorecem S 2. N

 

• Substratos terciários favorecem SN1.

 

• Substratos secundários e substratos alílicos e benzílicos muitas

vezes podem reagir através de qualquer um dos dois mecanismos.

 

• Substratos vinílicos e arílicos não reagem através de nenhum dos

dois mecanismos.

 

VERIFICAÇÃO CONCEITUAL

 

7.26 Identi que se cada um dos seguintes substratos favorece SN2, SN1, ambos, ou nenhum:

 

O Nucleófilo

Lembre-se de que a velocidade de um processo S 2 é dependente da N

concentração do nucleófilo. Pela mesma razão, os processos SN2 também

são dependentes da força do nucleófilo. Um nucleófilo forte vai acelerar a

velocidade de uma reação S 2, enquanto um nucleófilo fraco irá diminuir a N

velocidade de uma reação S N2. Ao contrário, um processo SN1 não é afetado pela concentração ou pela força do nucleófilo porque o nucleófilo não

participa da etapa determinante da velocidade. Em resumo, o nucleófilo tem

o seguinte efeito sobre a competição entre SN2 e SN1:

 

• Um nucleófilo forte favorece S 2. N

 

• Um nucleófilo fraco desfavorece SN2 (e, assim, permite SN1

competir com sucesso).

 

Devemos, portanto, aprender a identificar os nucleófilos como forte ou

fraco. A força de um nucleófilo é determinada por vários fatores que foram

inicialmente discutidos na Seção 6.7. A Figura 7.26 mostra alguns

nucleófilos fortes e fracos que vamos encontrar.

 

FIGURA 7.26

Alguns nucleófilos comuns agrupados de acordo com a sua força. Observação: A designação do flúor como um nucleófilo fraco é verdade somente em solventes próticos. Em solventes polares apróticos, o flúor é, na realidade, um nucleófilo forte. Esta questão

será discutida com mais detalhes mais adiante nesta seção, um pouco antes da Tabela 7.3.

 

VERIFICAÇÃO CONCEITUAL

 

7.27 Cada um dos nucleó los vistos a seguir favorece SN2 ou SN1?

(d) NaOH

 

(e) NaCN

 

O Grupo de Saída

Ambos os mecanismos SN1 e SN2 são sensíveis à natureza do grupo de

saída. Se o grupo de saída não é um bom grupo de saída, então nenhum dos

dois mecanismos pode operar, mas as reações S 1 são geralmente mais N

sensíveis ao grupo de saída do que as reações S N2. Por quê? Lembre-se de

que a etapa determinante da velocidade de um processo S 1 é a perda de um N

grupo de saída para formar um carbocátion e um grupo de saída:

 

Nós já vimos que a velocidade desta etapa é muito sensível à estabilidade

do carbocátion, mas que ela também é sensível à estabilidade do grupo de

saída. O grupo de saída tem que ser altamente estabilizado para que um

processo SN1 seja efetivo.

O que determina a estabilidade de um grupo de saída? Como regra

geral, bons grupos de saída são as bases conjugadas de ácidos fortes. Por

exemplo, o iodeto (I−) é a base conjugada de um ácido forte (HI):

 

O iodeto é uma base muito fraca, porque é altamente estabilizado. Em

consequência, o iodeto pode se comportar como um bom grupo de saída.

Na verdade, o iodeto é um dos melhores grupos de saída existentes. A

Figura 7.27 apresenta uma lista de bons grupos de saída, que são as bases

conjugadas de ácidos fortes. Ao contrário, o hidróxido não é um bom grupo

de saída, porque não é uma base estabilizada. Na verdade, o hidróxido é

uma base relativamente forte e, portanto, raramente se comporta como um

grupo de saída. Ele não é um bom grupo de saída.

 

FIGURA 7.27

A base conjugada de um ácido forte será geralmente um bom grupo de saída. A base conjugada de um ácido fraco não vai ser um bom grupo de saída.

Os grupos de saída mais comumente utilizados são os haletos e os íons

sulfonato (Figura 7.28). Entre os haletos, o iodeto é o melhor grupo de

saída, pois é uma base mais fraca (mais estável) do que o brometo ou o

cloreto. Entre os íons sulfonato, o melhor grupo de saída é o grupo triflato,

mas o mais comumente utilizado é o grupo tosilato. Este grupo é abreviado

como OTs. Quando você vê o OTs ligado a uma substância, você deve

reconhecer a presença de um bom grupo de saída.

 

FIGURA 7.28

Grupos de saída comuns.

 

VERIFICAÇÃO CONCEITUAL

 

7.28 Considere a estrutura da substância vista a seguir.

 

(a) Identi que cada posição em que uma reação S N2 é provável de ocorrer se a substância fosse

tratada com hidróxido.

 

(b) Identi que cada posição em que uma reação S N1 é provável de ocorrer se a substância fosse

tratada com água.

Efeitos do Solvente

A escolha do solvente pode ter um profundo efeito sobre as velocidades de

reações SN1 e SN2. Vamos nos concentrar especificamente sobre os efeitos

dos solventes próticos e apróticos polares. Solventes próticos contêm pelo

menos um átomo de hidrogênio ligado diretamente a um átomo

eletronegativo. Solventes apróticos polares não contêm átomos de

hidrogênio ligados diretamente a um átomo eletronegativo. Estes dois tipos

de solventes têm efeitos diferentes sobre as velocidades dos processos S 1 e N

SN2. A Tabela 7.2 resume esses efeitos.

A questão fundamental é que solventes próticos são usados para reações

S 1, enquanto solventes apróticos polares são usados para favorecer reações N

SN2.

O efeito de solventes apróticos polares sobre a velocidade de reações

S 2 é significativo. Por exemplo, considere a reação entre bromobutano e N

um íon azida:

 

A velocidade dessa reação é muito dependente da escolha do solvente. A

Figura 7.29 apresenta as velocidades relativas dessa reação S N2 em vários

solventes. A partir desses dados, vemos que as reações S 2 são N

significativamente mais rápidas em solventes apróticos polares do que em

solventes próticos.

FIGURA 7.29

Velocidades relativas de um processo S 2 em vários solventes. Solventes próticos são N mostrados em azul. Solventes apróticos polares são mostrados em vermelho.

 

VERIFICAÇÃO CONCEITUAL

 

7.29 Cada um dos solventes vistos a seguir favorece uma reação SN2 ou uma reação SN1? (Veja a

Tabela 7.2.)

 

(e) MeOH

 

(f) CH 3CN

 

(g) HMPA

 

(h) NH3

 

7.30 Quando usado como um solvente, a acetona favorecerá um mecanismo SN2 ou um

mecanismo SN1? Explique.

 

TABELA 7.2 OS EFEITOS DE SOLVENTES PRÓTICOS E SOLVENTES APRÓTICOS POLARES

 

PRÓTICO APRÓTICO POLAR

 

De nição Solventes próticos contêm pelo menos Solventes apróticos polares não

um átomo de hidrogênio ligado contêm átomos de hidrogênio ligados

diretamente a um átomo eletronegativo. diretamente a um átomo

eletronegativo.

 

Exemplos

 

Função Solventes próticos estabilizam cátions e Solventes apróticos polares

ânions. Cátions são estabilizados por estabilizam cátions, mas não ânions.

pares de elétrons isolados do solvente, Os cátions são estabilizados por pares

enquanto os ânions são estabilizados por de elétrons isolados do solvente,

interações de ligação de H com o enquanto os ânions não são

solvente: estabilizados pelo solvente:

 

Em consequência, os ânions e cátions Os cátions são solvatados e rodeados

estão ambos solvatados e rodeados por por uma camada de solvente, mas os

uma camada de solvente. ânions não são. Em consequência

disso, os nucleó los têm mais energia

quando são colocados em um

solvente aprótico polar.

 

Efeitos Favorece SN1. Solventes próticos Favorece SN2. Solventes apróticos

favorecem processos SN1, estabilizando polares favorecem processos SN2,

intermediários polares e estados de aumentando a energia do nucleó lo,

transição: dando uma Ea menor:

 

A escolha do solvente também pode ter um impacto sobre a ordem de

reatividade dos haletos. Se compararmos a nucleofilicidade dos haletos, nós

descobrimos que ela é dependente do solvente. Em solventes próticos, a

seguinte ordem é observada:

 

O iodeto é o nucleófilo mais forte, e o flúor é o mais fraco. Entretanto, em

solventes apróticos polares a ordem é invertida:

 

Por que a inversão da ordem? O fluoreto é o mais forte, pois o ânion é

menos estável. Em solventes próticos, o fluoreto é o mais fortemente ligado à sua camada de solvatação e é o menos disponível para se comportar como

um nucleófilo (ele teria que se libertar de parte da sua camada de

solvatação, o que ele frequentemente não faz). Neste ambiente ele é um

nucleófilo fraco. Entretanto, quando um solvente aprótico polar é usado,

não existe uma camada de solvatação, e o flúor está livre para se comportar

como um nucleófilo forte.

 

Resumo dos Fatores que Afetam os Mecanismos SN2 e SN1

A Tabela 7.3 resume o que aprendemos nesta seção sobre os quatro fatores

que afetam os processos de S N2 e SN1. Agora vamos começar a praticar

analisando todos os quatro fatores:

 

TABELA 7.3 FATORES QUE FAVORECEM PROCESSOS S 2 E S 1 N N

 

FATOR FAVORECE S 2 FAVORECE S 1 N N

 

Substrato Metila ou primário Terciário

 

Nucleó lo Nucleó lo forte Nucleó lo fraco

 

Grupo de saída Bom grupo de saída Excelente grupo de saída

 

Solvente Aprótico polar Prótico

 

DESENVOLVENDO A APRENDIZAGEM

DETERMINANDO SE UMA REAÇÃO AVANÇA ATRAVÉS DE UM MECANISMO S 1 N

7.8 OU DE UM MECANISMO SN2

APRENDIZAGEM

Determine se as reações vistas a seguir avançam através de um mecanismo SN1 ou de um

mecanismo SN2 e, em seguida, represente o(s) produto(s) da reação:

 

SOLUÇÃO

 

Analisamos os quatro fatores, um por um:

(a) Substrato . O substrato é secundário. Se fosse primário, poderíamos prever SN2, e se fosse

terciário, poderiamos prever SN1. Mas, com um substrato secundário, poderia ser qualquer

um dos dois, de modo que passamos para o próximo fator.

 

(b) Nucleó lo. NaSH indica que o nucleó lo é HS− (lembre-se de que o Na+ é apenas o

contraíon). HS− é um nucleó lo forte, o que favorece S N2.

 

(c) Grupo de Saída . Br− é um bom grupo de saída. Este fator sozinho não indica uma

preferência por SN1 ou por SN2.

 

(d) Solvente. DMSO é um solvente aprótico polar, que favorece SN2.

 

Pesando todos os quatro fatores, há uma preferência por SN2 porque tanto o nucleó lo

quanto o solvente favorecem S N2. Portanto, esperamos inversão de con guração:

 

PRATICANDO

o que você aprendeu

7.31 Determine se cada uma das reações vistas a seguir avança através de um mecanismo SN1

ou SN2 e, em seguida, represente o(s) produto(s) da reação:

 

APLICANDO

o que você aprendeu

 

7.32 No Capítulo 23, iremos aprender vários métodos para produzir aminas primárias (RNH 2).

Cada um desses métodos utiliza uma abordagem diferente para a formação da ligação C—N.

Um desses métodos, chamado de síntese de Gabriel, forma a ligação C—N por tratamento de

ftalimida de potássio com um haleto de alquila:

 

A primeira etapa deste processo ocorre através de um mecanismo S N2. Usando esta informação,

determine se a síntese de Gabriel pode ser usada para preparar a amina vista a seguir. Justi que

sua resposta.