Substituições nucleófilas

Prof. Doutor Pedro Silva

Professor Associado, Universidade Fernando Pessoa

Um nucleófilo (base de Lewis) é um anião ou molécula neutral que possui um par de electrões não-compartilhados. P. ex. quer HO^- quer H₂O podem actuar como nucleófilos reagindo com alcanos halogenados para produzir álcoois:

Muitas substâncias podem actuar como substratos de substituições nucleófilas, além dos derivados halogenados dos alcanos. Para ser reactiva, uma molécula deve possuir bons grupos migrantes. Nos alcanos halogenados o halogénio substituinte é o grupo migrante: deixa a molécula sob a forma de anião. Para ser um bom grupo migrante, o substituinte deve ser capaz de deixar a molécula sob a forma de ião (ou molécula) relativamente estável, fracamente básico. Os halogenetos são relativamente estáveis e são bases muito fracas, pelo que constituem bons grupos migrantes.

Substituições nucleófilas unimoleculares (SN₁).

Uma reacção diz-se unimolecular quando (a pressão e temperatura constantes) a sua velocidade só depende da concentração de um dos reagentes. Isto significa que o passo limitante da reacção, i.e., o passo mais lento, não envolve colisão de moléculas. P. ex. a reacção do cloreto de terc-butilo com a água.

A reacção é iniciada pela saída do anião cloreto. Forma-se então um carbocatião (electrófilo muito forte), que será facilmente atacado pela água. A água substitui assim o Cl que estava ligado à molécula. A desprotonação final dá origem ao álcool.

Substituições nucleófilas bimoleculares (SN₂).

Uma reacção diz-se bimolecular quando (a pressão e temperatura constantes) a sua velocidade depende da concentração de dois reagentes. Isto significa que o passo limitante da reacção, i.e., o passo mais lento, envolve colisão de duas moléculas. P.ex. a reacção do anião hidróxido com a clorometano:

No estado de transição o carbono está rodeado por cinco substituintes: existe uma ligação parcialmente formada entre o carbono e o oxigénio, ao mesmo tempo que a ligação entre o carbono e o cloro se rompe. Nesta reacção ocorre inversão de configuração.

Quais os factores que favorecem as SN₁?

Todos os factores que estabilizem o estado de transição (ET) mais do que o estado inicial aceleram a reacção por diminuírem a energia de activação:

Analogamente, os factores que instabilizem mais o estado inicial do que o ET aceleram a reacção.

Portanto serão favoráveis à reacção SN₁:

• Grupos dadores de electrões, capazes de estabilizar a carga do carbocatião por efeitos indutor ou mesomérico. Este tipo de reacção será portanto favorecido em carbonos terciários>secundários >primários
• Grupos capazes de deslocalizar a carga por deslocalização electrónica.
• Grupos volumosos, por instabilizarem o estado inicial mais do que o estado de transição: no estado de transição os grupos volumosos estão mais afastados uns dos outros, diminuindo as repulsões das suas nuvens electrónicas.
• Grupos migrantes muito estáveis na forma livre, como por exemplo bases fracas. Um grupo X sairá tanto mais facilmente quanto mais fraca for a base X. É por isso que a ordem de facilidade para os halogéneos é: I^- >Br^- >Cl^- >F^-
• Solventes mais ionizantes (i.e. mais polares) favorecem as SN₁ em que existe formação de partículas carregadas a partir de um reagente neutro, uma vez que vão estabilizar mais o estado de transição (carregado) do que o estado inicial neutro. Estes solventes desacelerarão as reacções em que o estado inicial contém cargas mais concentradas do que o estado de transição:

Neste caso o estado inicial (que tem a carga mais concentrada no S) será mais estabilizado por um solvente polar do que o estado de transição em que o S se está a afastar do carbono, uma vez que neste estado a carga se encontra mais dispersa.

Quais os factores que favorecem as SN₂?

Em primeira aproximação, basta escolher condições menos propícias a SN₁:

• Os nucleófilos deverão ser muito activos. P. ex: RO^-, HO^-, I^-, CN^-. Nestes casos, os nucleófilos têm tendência a reagir com o átomo central ainda antes do grupo migrante sair.
• Os carbonos atacados não deverão ter grupos capazes de estabilizar cargas positivas. Portanto, SN₂ ocorrerá bem em carbonos primários.
• Os grupos que rodeiam o carbono devem ser pequenos, para permitir a presença simultânea de cinco grupos em torno do átomo central.
• Quanto ao solvente, a reacção tanto pode ser acelerada como retardada. Tudo depende da comparação dos estados inicial e de transição. Se se forma carga, solventes polares favorecerão SN2. Nas outras situações, a reacção será retardada por solventes polares.

Efeito da força da base nos grupos migrantes

Forças dos nucleófilos

O efeito de solventes apróticos nas reacções de SN₂

Um solvente designa-se prótico se possui hidrogénios ligados a átomos bem electronegativos (normalmente oxigénio). P. Ex:

Estes hidrogénios têm todos um certo carácter ácido, pelo que podem formar pontes de hidrogénio e solvatar espécies com carga negativa:

Os nucleófilos bem solvatados são menos reactivos: a carga encontra-se mais deslocalizada, e a camada de moléculas de solvente à sua volta dificulta o ataque nucleofílico: é necessário retirar moléculas de solvente para haver espaço para ceder o par de electrões a outra espécie.

Um solvente aprótico não tem este tipo de hidrogénios. P. Ex.:

Portanto, os nucleófilos carregados negativamente não sofrerão perda de reactividade nestes solventes. Por isso, realiza-se SN₂ preferencialmente em solventes polares apróticos. Os solventes polares apróticos mantêm a capacidade de estabilizar espécies de carga positiva, pelo que além disso ajudarão a estabilizar o estado de transição.

Bibliografia

	Organic Chemistry, 7th Edition, Solomons & Fryhle Um texto clássico, pormenorizado e escrito de forma muito clara.		Organic Chemistry: a Brief Course, Carey & Atkins Um bom resumo de química orgânica.
	Organic Chemistry, Francis Carey Bastante pormenorizado, este livro inclui um óptimo programa de construção tridimensional de moléculas, bastante útil para o estudo da estereoquímica, conformações, etc.		"Química Orgânica", Carlos Corrêa Centro de Investigação em Química da Universidade do Porto