SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA (SN1 e SN2)a) substituição nucleofílica monomolecular ou de primeira ordem (SN1):

 

A reação ocorre em duas etapas: a primeira etapa é a ionização do haleto orgânico (etapa lenta); a segunda é uma reação entre íons, ataque do nucleófilo ao carbocátion (etapa rápida).

1-primeira etapa: ionização do haleto orgânico (etapa lenta). Nessa etapa ocorre heterólise do haleto, formando-se um carbocátion estável. 

2-segunda etapa: ataque nucleófilo (hidroxila) ao carbocátion (etapa rápida).

Considerações importantes:i. O ataque do nucleófilo é frontal, não ocorre “por trás” da molécula, pois há impedimento espacial (estérico).

ii. O mecanismo sn1 ocorre principalmente nos haletos terciários, pois, neste caso, o carbocátion formado é bastante estável. Essa maior estabilidade do carbocátion terciário é justificada pelos efeitos indutivos negativos dos grupos alquilas, a ele ligados.

 iii. Nesse caso, a velocidade global da reação dependerá só da primeira etapa da reação, que é a etapa lenta do processo, isto é, dependerá apenas da concentração do haleto, e não dependerá da concentração da hidroxila.

2 - SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA BIMOLECULAR OU DE SEGUNDA ORDEM (SN2)

b) substituição nucleofílica bimolecular ou de segunda ordem(SN2)

A reação ocorre em uma única etapa. Nesse caso não ocorre ionização do haleto de alquila. O mecanismo para a reação de substituição nucleofílica bimolecular, consiste na formação de um estado ativado no qual o carbono realiza “5 ligações”. Na verdade, formam-se 2 ligações parciais e planificação de 3 ligações reais. No estado de transição ocorre a formação de uma nova ligação Nu-C, ao mesmo tempo em que a ligação CX(halogênio) vai sendo rompida.

Nesse processo, o átomo de carbono que tinha hibridação sp3 sofre planificação e passa a ter hibridação sp2 no momento de transição. Um aspecto importante nesse mecanismo é que o nucleófilo ataca o carbono pelo lado oposto ao do grupo abandonador (“por trás da molécula”), forma-se o complexo ativado,com saída do cloro e entrada

simultânea da hidroxila. Em seguida ocorre um fenômeno de inversão na configuração estrutural da molécula, que é denominada inversão de walden.

Isso significa dizer que caso a molécula tenha algum carbono quiral, o poder de rotação da luz polarizada será modificado, de alguma forma, após o ataque nucleofílico.

Considerações importantes:

i. Não há impedimento espacial. O ataque nucleófilo ocorre” por trás” da molécula.

ii. O mecanismo SN2 ocorre principalmente nos haletos primários (haletos de etila) e haletos de metila. Esse fato é perfeitamente explicável se levarmos em consideração que os haletos de etila e metila formam carbocátions muito instáveis, justificando a simultaneidade da reação.

iii. O nucleófilo ataca o carbono ao mesmo tempo que o grupo x (halogênio) se desprende da molécula. Nessa reação não se observa um intermediário iônico. A reação é elementar e, por ter uma única etapa, sua velocidade depende dos 2 componentes que participam da reação, o haleto de alquila e o nucleófilo.

Comentário:

As reações orgânicas e “uma salada de produtos”.

Substituição Nucleofílica X Eliminação Nucleofílica:

Além das reações de substituição, os haletos de alquila podem sofrer reações de eliminação, uma vez que essas reações ocorrem em condições praticamente iguais. Geralmente esses processos (substituição e eliminação) competem entre si,de modo que é comum,no final da reação obter-se uma mistura de produtos resultante das duas reações.

As reações de substituição são favorecidas por: bases fracas (AgOH) ou bases fortes (NaOH ou KOH), porém em soluções aquosas muito diluída. Já as reações de eliminação são favorecidas por: bases fortes (NaOH ou KOH) em solução alcoólica.

SN2: Substituição nucleofílica bimolecular

De uma forma geral, quando um nucleófilo encontra um haleto de alquila ele pode fazer duas coisas: atacar o carbono diretamente e deslocar o íon haleto, ou atuar como uma base, induzindo a de-hidro-halogenação do haleto de alquila e produzir um alceno. O último caso, refere-se à eliminação bimolecular (E2). O primeiro, à substituição nucleofílica bimolecular - SN2. 

Mas a pergunta é: por quê cargas d'água iria um nucleófilo atacar um carbono?! A resposta está no simples fato de que cargas opostas se atraem. Um nucleófilo é uma espécie química que é atraída por cargas positivas - algumas vezes, chega a possuir, de fato, carga negativa. Como o grupo de saída ligado ao carbono que irá sofrer o ataque do nucleófilo invariavelmente saca elétrons do carbono, deixa-o com uma carga parcialmente positiva - um forte candidato para a substituição nucleofílica. 

O ataque do nucleófilo sempre é ao longo do eixo de ligação C-X - o caminho de menos energia para a reação. Uma das principais características da SN2 é que o processo provoca uma inversão da configuração do átomo de carbonoligado ao grupo de saída (inversão de Walden). Se o reagente de partida for um composto quiral e na forma pura, o produto também será quiral, mas com a configuração oposta.

Mec.ANIMAÇÃO:// SN2

Veja uma simulação da

reação SN2: click na figura acima!

Por exemplo: a reação entre o íon acetato e o (S)-2-bromo-1-fenilpropano produz o composto (R)-2-acetato-1-fenil-propano. A inversão da estereoquímica em átomos de carbonos assimétricos durante uma reação SN2 é um forte indício de que a reação passa por um mecanismo concertado, envolvendo a formação de um estado de transição onde o átomo de carbono faz "5 ligações"! Na verdade, existe a formação de duas ligações parciais (Nu-C e C-X). Outro detalhe importante nesta reação é que não se observa a formação de um intermediário iônico. Como consequência, nos casos onde, via SN1, o haleto de alquila formasse um carbocátion primário - altamente instável - as reações parecem optar pelo mecanismo SN2. Em solventes menos polares, também, onde o carbocátion do SN1 é pouco estável, a reação ocorre preferencialmente via SN2. 

Efeitos que influenciam o mecanimos SN2Solventes Nucleófilo Grupo de saída

Os solventes próticos, com grupos N-H ou O-H, não são favoráveis ao mecanismo SN2, pois estabilizam o nucleófilo. Para satisfazer este mecanismo, o ideal é o uso de solventes polares apróticos, que, embora não establizem tanto o nucleófilo, podem estabilizar o grupo de saída, deslocando o equilíbrio para a direita.

Nucleofilicidade não é sinônimo de basicidade: é a velocidade de ataque de um nucleófilo sobre um carbono eletrófilo. Por exemplo: o t-butóxido é uma base forte mas um péssimo nucleófilo, devido a impedimentos

O grupo de saída é extremamente importante neste mecanismo. Um bom grupo de saída deve possuir um ânion estável após deixar o carbono. Os haletos são excelentes grupos de saída, por que eles atendem aos principais

estéricos ao ataque. Para favorecer o mecanimo SN2, o nucleófilo deve ser forte ou moderado. Nucleófilos bons: MetO-, HO-, I-, CN-

Nucleófilos ruins:MetOH, H2O, F-, HCN

requisitos:1. capacidade de sacar elétrons do carbono2. não ser uma base forte ao deixar o C3. ser polarizável (para estabilizar o estado de transição)Os haletos atendem a estes critérios, mas um dos melhores grupos de saída é o tosilato (um tioéster) que, devido à ressonância do anel, possui um ânion muito estável.

SN1: Substituição nucleofílica unimolecular

Os produtos de uma reação SN1 são similares aos da reação SN2, mas o mecanismo é completamente diferente. Nesta reação, não ocorre inversão do configuração do carbono eletrófilo, e pode acontecer rearranjos do carbocátion: neste mecanismo, há a formação de um intermediário iônico. 

Embora a velocidade da reação dependa da concentração do substrato, a alteração da concentração do nucleófilo não tem qualquer efeito na velocidade da reação. Isto significa que a etapa limitante não envolve a participação do nucleófilo. Neste mecanimo, a velocidade segue a seguinte lei:v=k.[substrato].

Mec.ANIMAÇÃO:// SN1

Veja uma simulação da

reação SN1: click na figura acima!

Como o nucleófilo não participa da etapa limitante da velocidade, a nucleofilicidade do nucleófilo não tem efeito sobre a reação: isto significa que nucleófilos pobres, como

água e álcools, podem reagir via SN1. 

Esta reação envolve a formação de um carbocátion na etapa determinante da velocidade. Neste caso, podem ocorrer rearranjos na estrutura do carbocátion - como a migração de um grupo metila ou de um próton ligados aos carbonos adjacentes - no sentido da formação do carbocátion mais estável. Por isso, a estrutura do produto nem sempre se assemelha a do substrato de partida.