O que é substituição nucleofílica?
A substituição nucleofílica é uma reação orgânica na qual um nucleófilo substitui um átomo ou grupo de átomos chamado grupo de saída em uma molécula.
De maneira geral:
R–X + Nu⁻ → R–Nu + X⁻
Onde:
- R–X = substrato;
- Nu⁻ = nucleófilo;
- X = grupo de saída;
- R–Nu = produto da substituição.
Um exemplo simples é:
CH₃Br + OH⁻ → CH₃OH + Br⁻
Nesse caso, o íon hidróxido (OH⁻) substitui o bromo (Br) no bromometano.
O que é um nucleófilo?
O termo nucleófilo significa, literalmente, uma espécie que possui afinidade por regiões positivas ou deficientes em elétrons.
Nucleófilos são espécies ricas em elétrons e geralmente possuem:
- carga negativa; ou
- pares de elétrons livres.
Alguns exemplos são:
| Nucleófilo | Característica |
|---|---|
| OH⁻ | Íon hidróxido |
| CN⁻ | Íon cianeto |
| NH₃ | Amônia |
| H₂O | Água |
| RO⁻ | Íon alcóxido |
| I⁻ | Íon iodeto |
| Br⁻ | Íon brometo |
O nucleófilo utiliza um par de elétrons para formar uma nova ligação com o carbono do substrato.
Onde ocorre o ataque nucleofílico?
Em muitos casos, o nucleófilo ataca um carbono que apresenta deficiência de elétrons.
Por exemplo:
CH₃–Br
A ligação C–Br é polarizada porque o bromo é mais eletronegativo que o carbono:
Cδ+–Brδ−
O carbono fica parcialmente positivo, tornando-se uma região favorável ao ataque do nucleófilo.
Assim:
OH⁻ → Cδ+
O nucleófilo fornece um par de elétrons para formar uma nova ligação com o carbono.
O que é um grupo de saída?
O grupo de saída é o átomo ou grupo que abandona o substrato durante a reação.
Na reação:
CH₃Br + OH⁻ → CH₃OH + Br⁻
O Br⁻ é o grupo de saída.
Um bom grupo de saída é aquele que consegue sair da molécula de maneira relativamente estável.
Entre os haletos, uma tendência comum de capacidade de saída é:
I⁻ > Br⁻ > Cl⁻ >> F⁻
Por isso, iodetos e brometos geralmente são bons grupos de saída em reações de substituição nucleofílica.
Principais mecanismos de substituição nucleofílica
Existem dois mecanismos principais:
- SN1 — substituição nucleofílica unimolecular
- SN2 — substituição nucleofílica bimolecular
Apesar de ambos produzirem uma substituição, seus mecanismos são diferentes.
Reação SN2
A reação SN2 ocorre em uma única etapa.
O nucleófilo ataca o carbono enquanto o grupo de saída deixa a molécula simultaneamente.
De forma geral:
Nu⁻ + R–X → R–Nu + X⁻
Não existe formação de um carbocátion intermediário.
Mecanismo SN2
Considere:
CH₃Br + OH⁻ → CH₃OH + Br⁻
O mecanismo ocorre assim:
OH⁻ → CH₃–Br
O OH⁻ ataca o carbono pelo lado oposto ao grupo Br.
Ao mesmo tempo:
C–Br → Br⁻
A ligação entre carbono e bromo é rompida enquanto a nova ligação C–OH é formada.
Tudo acontece em uma única etapa.
Ataque pelo lado oposto na SN2
Uma característica muito importante da reação SN2 é o ataque por trás, também chamado de ataque pelo lado oposto ou backside attack.
Isso acontece porque o nucleófilo precisa se aproximar do orbital adequado do carbono enquanto o grupo de saída está no lado oposto.
Em moléculas quirais, esse processo pode provocar inversão da configuração do carbono atacado.
Esse fenômeno é conhecido como inversão de Walden.
Cinética da reação SN2
A velocidade da reação SN2 depende de duas espécies:
v = k[R–X][Nu⁻]
Por isso, a reação é chamada de bimolecular.
Se a concentração do substrato ou do nucleófilo aumentar, a velocidade da reação também pode aumentar.
Substratos favorecidos pela SN2
A reação SN2 é favorecida quando o carbono que sofre o ataque apresenta pouco impedimento estérico.
Uma ordem comum de reatividade é:
metila > primário > secundário >> terciário
Por exemplo:
CH₃Br é muito favorável à SN2.
Já um haleto terciário apresenta grande impedimento estérico, dificultando o ataque do nucleófilo.
Portanto:
CH₃–X > 1° > 2° >> 3°
Reação SN1
A reação SN1 possui um mecanismo diferente.
Nesse caso, a reação ocorre em etapas e envolve a formação de um carbocátion como intermediário.
De maneira simplificada:
R–X → R⁺ + X⁻
Depois:
R⁺ + Nu → R–Nu
O mecanismo pode ser dividido em duas etapas principais.
Mecanismo SN1
Considere um haleto orgânico:
R–Br
Etapa 1: saída do grupo abandonador
A ligação C–Br é rompida e forma-se um carbocátion:
R–Br → R⁺ + Br⁻
Essa etapa é a etapa lenta e determinante da velocidade.
Etapa 2: ataque do nucleófilo
O nucleófilo ataca o carbocátion:
R⁺ + Nu → R–Nu
Se o nucleófilo for neutro, pode ocorrer ainda uma etapa de desprotonação para formar o produto final.
Formação do carbocátion
A formação do carbocátion é o ponto central do mecanismo SN1.
A estabilidade do carbocátion influencia fortemente a possibilidade de a reação ocorrer.
Em geral:
terciário > secundário >> primário > metila
Isso significa que carbocátions terciários são muito mais estáveis que carbocátions primários.
Por isso, substratos terciários são particularmente favoráveis ao mecanismo SN1.
Cinética da reação SN1
A velocidade da SN1 depende apenas da concentração do substrato:
v = k[R–X]
O nucleófilo não aparece na expressão da velocidade porque ele não participa da etapa lenta determinante.
Por isso, a reação é chamada de unimolecular.
SN1 vs. SN2
A principal diferença entre os dois mecanismos está na forma como a substituição ocorre.
| Característica | SN1 | SN2 |
|---|---|---|
| Número de etapas | Duas ou mais | Uma |
| Carbocátion | Sim | Não |
| Lei de velocidade | v = k[R–X] | v = k[R–X][Nu⁻] |
| Molecularidade | Unimolecular | Bimolecular |
| Ataque do nucleófilo | Após a formação do carbocátion | Simultâneo à saída |
| Substrato favorecido | Terciário | Metila e primário |
| Impedimento estérico | Menos importante | Muito importante |
| Inversão de configuração | Pode ocorrer racemização | Inversão de Walden |
Solvente e substituição nucleofílica
O solvente também influencia o mecanismo.
Solventes próticos
Solventes como:
- H₂O
- CH₃OH
- CH₃CH₂OH
podem formar ligações de hidrogênio e estabilizar íons.
Esses solventes frequentemente favorecem condições nas quais mecanismos SN1 podem ocorrer, especialmente quando ajudam a estabilizar o carbocátion e o grupo de saída.
Solventes apróticos polares
Exemplos:
- DMSO
- DMF
- acetona
- acetonitrila
Esses solventes podem aumentar a reatividade de determinados nucleófilos aniônicos e frequentemente favorecem reações SN2.
Nucleofilicidade e basicidade
Nucleofilicidade e basicidade são conceitos relacionados, mas não são iguais.
Basicidade
É a tendência de uma espécie aceitar um próton:
B⁻ + H⁺ → BH
Nucleofilicidade
É a tendência de uma espécie atacar um centro eletrofílico para formar uma nova ligação.
Nu⁻ + R–X → R–Nu + X⁻
Uma espécie pode ser uma base forte sem ser necessariamente o melhor nucleófilo para uma determinada reação.
Exemplos de substituição nucleofílica
Exemplo 1: Bromometano e hidróxido
CH₃Br + OH⁻ → CH₃OH + Br⁻
O OH⁻ substitui o Br.
Como o substrato é um haleto de metila, a reação é favorecida pelo mecanismo SN2.
Exemplo 2: Cloroetano e hidróxido
CH₃CH₂Cl + OH⁻ → CH₃CH₂OH + Cl⁻
O OH⁻ substitui o Cl, formando etanol.
Por ser um substrato primário, o mecanismo SN2 é favorecido.
Exemplo 3: Haleto terciário
Um haleto terciário pode sofrer SN1 devido à possibilidade de formação de um carbocátion terciário relativamente estável.
De forma geral:
R₃C–X → R₃C⁺ + X⁻
Depois:
R₃C⁺ + Nu → R₃C–Nu
O que determina se a reação será SN1 ou SN2?
Para prever o mecanismo, é importante analisar vários fatores.
1. Estrutura do substrato
Metila e primário → SN2 favorecida
Terciário → SN1 favorecida
Substratos secundários podem apresentar maior competição entre mecanismos, dependendo das condições.
2. Nucleófilo
Nucleófilos fortes favorecem especialmente SN2.
Exemplos:
OH⁻, CN⁻, RO⁻, I⁻
3. Solvente
Solventes próticos tendem a favorecer SN1 em muitas situações.
Solventes polares apróticos geralmente favorecem SN2.
4. Grupo de saída
Um bom grupo de saída facilita a substituição.
Em muitos casos:
I⁻ > Br⁻ > Cl⁻ >> F⁻
5. Impedimento estérico
Quanto mais congestionado estiver o carbono atacado, mais difícil será o ataque SN2.
Substituição nucleofílica em haletos orgânicos
Os haletos orgânicos são alguns dos substratos mais importantes para estudar substituição nucleofílica.
Eles apresentam a estrutura:
R–X
onde X pode ser:
F, Cl, Br ou I
Um nucleófilo pode substituir o halogênio:
R–X + Nu⁻ → R–Nu + X⁻
Por exemplo:
CH₃CH₂Br + CN⁻ → CH₃CH₂CN + Br⁻
O grupo CN substitui o Br.
Substituição nucleofílica em álcoois
O grupo –OH de um álcool não é, por si só, um grupo de saída particularmente bom.
Por isso, em determinadas reações, o álcool pode ser previamente protonado, transformando:
–OH → –OH₂⁺
A água é então uma espécie muito melhor como grupo de saída.
Por exemplo, em meio ácido:
R–OH + H⁺ → R–OH₂⁺
Depois:
R–OH₂⁺ → R⁺ + H₂O
Dependendo da estrutura do álcool e das condições, a reação pode prosseguir por mecanismos associados a SN1 ou SN2.
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Reações de Substituição: O que são, Tipos e Exemplos
Diferença entre substituição nucleofílica e eliminação
Substituição e eliminação frequentemente competem entre si.
Na substituição:
R–X + Nu⁻ → R–Nu + X⁻
O nucleófilo substitui o grupo de saída.
Na eliminação:
R–CH₂–CH₂–X → R–CH=CH₂ + HX
Um hidrogênio e o grupo de saída são removidos, formando uma ligação dupla.
De forma simples:
Substituição → troca
Eliminação → formação de ligação dupla
Como identificar uma substituição nucleofílica?
Para identificar esse tipo de reação, procure três elementos:
- Um substrato eletrofílico, frequentemente um haleto orgânico;
- Um nucleófilo, rico em elétrons;
- Um grupo de saída que será substituído.
Por exemplo:
CH₃CH₂Br + OH⁻ → CH₃CH₂OH + Br⁻
Temos:
- Substrato: CH₃CH₂Br
- Nucleófilo: OH⁻
- Grupo de saída: Br⁻
- Produto: CH₃CH₂OH
Portanto, é uma reação de substituição nucleofílica.
Resumo: substituição nucleofílica
A substituição nucleofílica ocorre quando um nucleófilo substitui um grupo de saída em uma molécula orgânica.
Existem dois mecanismos principais:
SN1
R–X → R⁺ + X⁻
R⁺ + Nu → R–Nu
- Ocorre em etapas;
- Forma um carbocátion;
- É favorecida por substratos terciários;
- A velocidade depende do substrato.
SN2
Nu⁻ + R–X → R–Nu + X⁻
- Ocorre em uma única etapa;
- Não forma carbocátion;
- É favorecida por substratos de metila e primários;
- A velocidade depende do substrato e do nucleófilo;
- Ocorre ataque pelo lado oposto ao grupo de saída.
A ideia principal é:
Nucleófilo entra → grupo de saída sai.
Exercícios sobre substituição nucleofílica
1. Identifique o nucleófilo:
CH₃Br + OH⁻ → CH₃OH + Br⁻
Resposta: OH⁻.
2. Identifique o grupo de saída:
CH₃CH₂Cl + CN⁻ → CH₃CH₂CN + Cl⁻
Resposta: Cl⁻.
3. Qual mecanismo é favorecido por um haleto de metila?
A) SN1
B) SN2
C) Apenas eliminação
D) Nenhum
Resposta: B) SN2
O substrato apresenta pouco impedimento estérico e favorece o ataque direto do nucleófilo.
4. Qual mecanismo envolve a formação de um carbocátion?
Resposta: SN1.
5. Qual mecanismo ocorre em uma única etapa?
Resposta: SN2.
6. Complete a reação:
CH₃CH₂Br + OH⁻ → ? + ?
Resposta:
CH₃CH₂Br + OH⁻ → CH₃CH₂OH + Br⁻
O OH⁻ substitui o Br e forma etanol.
Conclusão
A substituição nucleofílica é uma das reações mais importantes da Química Orgânica. Ela ocorre quando uma espécie rica em elétrons, o nucleófilo, substitui um grupo de saída presente no substrato.
Os dois mecanismos fundamentais são SN1 e SN2. Na SN1, ocorre a formação de um carbocátion, enquanto na SN2 o nucleófilo ataca diretamente o carbono e o grupo de saída deixa a molécula simultaneamente.
Para diferenciar os dois mecanismos, observe principalmente o substrato, o nucleófilo, o solvente, o grupo de saída e o impedimento estérico.