Aula 7: Reações de Substituição

Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr Aula 7 Reações de Substituição Prof Pedro Gregório Vieira Aquino Universidade Federal do Agreste de Pernambuco GaranhunsPE Brasil 1 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr Sumário As Reações de Substituição SN2 SN1 SN1 x SN2 Precisa Estudar Mais Referências Sugestões de Leitura Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr As Reações de Substituição Essa reação é característica mas não exclusiva dos haletos de alquila Basicamente temos a substituição do haleto por um nucleófilo São possíveis dois mecanismos para esta reação 1 SN1 substituição nucleofílica unimolecular É uma reação que acontece em duas etapas a primeira sendo a saída do halogênio grupo abandonador ou grupo de saída com formação de um carbocátion e a segunda a ligação do nucleófilo ao carbocátion 2 SN2 substituição nucleofílica bimolecular É uma reação que acontece em única etapa onde o nucleófilo realiza um ataque nucleofílico no carbono alfa forçando a saída do halogênio Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN2 Este mecanismo de reação é um mecanismo de segunda ordem Velocidade k haleto de alquila nucleófilo Podemos dizer que o haleto de alquila é o substrato da reação Velocidade k substrato nucleófilo Fonte KLEIN David Química Orgânica Vol 1 2ª edição LTC 2016 Retrieved from vbk97885216319272016 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN2 Devido o fato de o grupo de saída halogênio e o nucleófilo serem espécies ricas em elétrons estas reações acontecem de modo estereoespecífico ou seja se o substrato for quiral somente um enantiômero é formado com a configuração inversa àquela do substrato se o substrato for R o produto será S Na figura do próximo slide vemos que a aproximação do nucleófilo pela frente da molécula é impedida pela repulsão entre as nuvens eletrônicas dos dois grupos forçando ele a se aproximar e fazer o ataque por trás com uma trajetória de ângulo aproximado de 180º Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN2 Et etil CH3CH2 Me metil CH3 Fonte KLEIN David Química Orgânica Vol 1 2ª edição LTC 2016 Retrieved from vbk97885216319272016 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN2 A estereoespecificidade também pode ser explicada pela teoria do orbital molecular que nos mostra que o ataque pela frente atingiria um nó e não um orbital vazio como deve ser Fonte KLEIN David Química Orgânica Vol 1 2ª edição LTC 2016 Retrieved from vbk97885216319272016 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN2 Finalmente a representação completa do mecanismo envolve também o desenho do estado de transição que deve ser representado entre colchetes e com uma cruz de dois braços no lado superior direito Fonte KLEIN David Química Orgânica Vol 1 2ª edição LTC 2016 Retrieved from vbk97885216319272016 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN2 As reações SN2 acontecem em uma única etapa ao mesmo tempo que se forma a ligação com o nucleófiloé quebrada a ligação com o grupo de saída Sendo assim seu estado de transição envolve um átomo de carbono rodeado por cinco grupos e sua energia vai depender da repulsão que existe entre estes grupos Em outras palavras quanto mais volumosos forem estes 5 grupos mais alto será a energia do estado de transição mais alta a Ea energia de ativação e mais difícil será a ocorrência da reação Portanto há uma preferência de substrato para que a reação SN2 aconteça Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN2 A reatividade de substratos terciários é tão baixa que dizemos que eles não reagem por um mecanismo SN2 Fonte KLEIN David Química Orgânica Vol 1 2ª edição LTC 2016 Retrieved from vbk978852163192 72016 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN2 A diferença de energia entre os estados de transição fica evidente nos gráficos abaixo Fonte KLEIN David Química Orgânica Vol 1 2ª edição LTC 2016 Retrieved from vbk97885216319272016 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN2 Às vezes a velocidade de reação também é afetada pelo substituinte na posição beta Observe o estado de transição mostrado no exemplo abaixo O grupo tercbutil é grande o suficiente para que sua nuvem eletrônica repila as nuvens do nucleófilo de do átomo de bromo Fonte KLEIN David Química Orgânica Vol 1 2ª edição LTC 2016 Retrieved from vbk97885216319272016 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN1 Esse mecanismo é composto por duas etapas uma primeira onde há a saída do grupo de saída e formação do carbocátion e uma segunda onde há a ligação do nucleófilo Fonte KLEIN David Química Orgânica Vol 1 2ª edição LTC 2016 Retrieved from vbk97885216319272016 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN1 Como a energia de ativação da primeira etapa é muito maior do que a segunda etapa dizemos que a velocidade da reação como um todo depende somente da primeira etapa ela será a etapa determinante limitante da velocidade da reação As reações SN1 seguem uma cinética de primeira ordem Velocidade k substrato Como não temos aqui um impedimento estérico para aproximação do nucleófilo os fatores que determinam a velocidade da reação serão aqueles associados à estabilidade do carbocátion Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN1 Essa ordem de reatividade em SN1 está associada à estabilidade do carbocátion Quanto mais estável mais facilmente ele se forma menor vai ser a Ea Fonte KLEIN David Química Orgânica Vol 1 2ª edição LTC 2016 Retrieved from vbk97885216319272016 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN1 Observe que no carbocátion terciário a carga positiva região marcada em roxo fica bem menos intensa que no metil o que indica uma maior estabilidade Fonte KLEIN David Química Orgânica Vol 1 2ª edição LTC 2016 Retrieved from vbk97885216319272016 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN1 Os carbocátions metil e primário são muito instáveis para que sejam formados então na prática esse mecanismo só funciona com substratos secundários e terciários Fonte KLEIN David Química Orgânica Vol 1 2ª edição LTC 2016 Retrieved from vbk9788521631927201 6 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN1 Essas reações acontecem com racemização ou seja são formados os dois enantiômeros possíveis em quantidades parecidas Isso acontece porque o carbocátion tem geometria triangular plana com o orbital p vazio acima e abaixo desse plano não havendo preferência pelo lado do ataque nucleofílico Fonte KLEIN David Química Orgânica Vol 1 2ª edição LTC 2016 Retrieved from vbk97885216319272016 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN1 Imediatamente após a saída do grupo de saída é formado um par iônico com o carbocátion Este par impede um pouco o ataque nucleofílico do lado negativo fazendo com que a SN1 exiba uma leve preferência pelo produto com a configuração invertida Fonte KLEIN David Química Orgânica Vol 1 2ª edição LTC 2016 Retrieved from vbk97885216319272016 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN1 x SN2 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN1 x SN2 Para saber por qual dos dois mecanismos uma reação de substituição vai acontecer devemos analisar alguns aspectos Eles também vão te ajudar a saber que mecanismo vai sofrer um substrato secundário Aspecto 1 O Substrato Substratos metila e primários favorecem SN2 e os terciários favorecem SN1 Substratos alílicos e benzílicos carbono sp³ vizinho a carbono sp² fazendo ligação dupla geralmente reagem por qualquer mecanismo pois não tem impedimento estérico e estabilizam carbocátions por ressonância Substratos vinílicos e arílicos grupo de saída ligado a carbono sp² de cadeia aberta ou sistema arila não sofrem substituição pois são estericamente impedidos e não estabilizam carbocátions Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN1 x SN2 Apecto 2 Natureza do nucleófilo Nucleófilos fortes favorecem SN2 e fracos favorecem SN1 pois os fracos demoram a reagir dando tempo à formação do carbocátion e os fortes reagem rápido não dando este tempo Fonte KLEIN David Química Orgânica Vol 1 2ª edição LTC 2016 Retrieved from vbk97885216319272016 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN1 x SN2 Aspecto 3 Natureza do Grupo de Saída Ambas são sensíveis à natureza do grupo de saída Se tivermos um bom grupo de saída a reação se processa mais rapidamente Entretanto como a etapa determinante da velocidade da reação SN1 é a saída deste grupo ela é mais sensível a este efeito do que a SN2 De um modo geral bons grupos de saída são aqueles que saem na forma de uma base fraca Nos próximos slides temos exemplos de grupos de saída Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN1 x SN2 Fonte KLEIN David Química Orgânica Vol 1 2ª edição LTC 2016 Retrieved from vbk97885216319272016 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN1 x SN2 Os grupos de saída mais comuns estão abaixo Fonte KLEIN David Química Orgânica Vol 1 2ª edição LTC 2016 Retrieved from vbk97885216319272016 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN1 x SN2 Aspecto 4 Natureza do solvente Em reações iônicas nós normalmente utilizamos solventes polares E estes podem ser próticos capazes de doar ligaçãodehidrogênio ou seja tem átomo de hidrogênio diretamente ligado a um átomo eletronegativo ou apróticos incapazes disso Os solventes próticos têm a tendência de solvatar o nucleófilo diminuindo sua reatividade e favorecendo a reação por um mecanismo SN1 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN1 x SN2 Observe abaixo a influência de diversos solventes em uma reação tipo SN2 Fonte KLEIN David Química Orgânica Vol 1 2ª edição LTC 2016 Retrieved from vbk97885216319272016 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr SN1 x SN2 Aqui vão resumidos os fatores citados nos slides anteriores Fonte KLEIN David Química Orgânica Vol 1 2ª edição LTC 2016 Retrieved from vbk97885216319272016 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr As Reações SN em Meio Biológico Um grupo de reações SN bastante comuns em meios biológicos são aquelas catalisadas por enzimas chamadas metiltransferases dependentes de Sadenosilmetionina SAM A SAM é o que chamamos de coenzima e funciona como um doador de grupos metila Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr As Reações SN em Meio Biológico Em bactérias por exemplo há uma reação em seu DNA chamada Nmetilação onde é transferido um grupo metil para um átomo de nitrogênio da adenina Observe que a ação do aminoácido aspartato presente no sítio ativo da enzima catalisando uma reação ácidobase e aumentando a nucleofilicidade do N acontece na mesma etapa do ataque nucleofílico Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr As Reações SN em Meio Biológico Um provável estado de transição para o processo é mostrado aqui Observe que o eletrófilo da reação é o grupo metila bastante desimpedido ao ataque nucleofílico Observe que o grupo de saída tem carga positiva o tornando um excelente grupo de saída Temos também um excelente nucleófilo o N favorecido pela base catalítica Tudo favorece uma reação SN2 Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr As Reações SN em Meio Biológico Outra reação de substituição dependente de SAM é catalisada por uma enzima chamada Ometiltransferase em uma das etapas da degradação do neurotransmissor adrenalina Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr As Reações SN em Meio Biológico As reações SN também estão presentes no metabolismo de nucleotídeos do DNARNA como a reação mostrada abaixo uma das etapas de biossíntese de nucleotídeos Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr As Reações SN em Meio Biológico Interessante observar que o substrato da equação anterior é resultado da transformação do grupo hidroxila em um bom grupo de saída por reação com ATP Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr As Reações SN em Meio Biológico Outra reação importante é a modificação de resíduos de cisteína em proteínas por adição de uma cadeia de isopreno de 15 carbonos Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr As Reações SN em Meio Biológico As proteínas que sofrem este processo geralmente estão envolvidas na sinalização celular e só funcionam quando estão ancoradas em uma membrana celular funcionando aí a cadeia de isopreno como âncora Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr As Reações SN em Meio Biológico Algumas destas proteínas estão envolvidas por exemplo no surgimento de tumores Assim a inibição deste processo poderia levar ao desenvolvimento de medicamentos antitumorais As evidências experimentais indicam que a barreira de energia para esta reação é diminuída pela enzima devido a interação do grupo difosfato com diversos aminoácidos no sítio ativo da enzima o que diminui sua força básica e o torna um grupo de saída melhor Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr As Reações SN em Meio Biológico Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr Precisando Estudar Mais Segue um material que traz os temas discutido nesta aula httpsptkhanacademyorgscienceorganic chemistrysubstitutioneliminationreactions sn1sn2tutorialvalkylhalidenomenclature Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr Referências Esta aula tomou por base o livro KLEIN David Química Orgânica Vol 1 2ª edição LTC 2016 Retrieved from vbk97885216319272016 Os exemplos de reações em meio biológico podem ser encontrados em httpschemlibretextsorgCoursesOregonInstituteofTechnologyOIT3ACH E332OrganicChemistryIILund83ANucleophilicSubstitutionReactio ns083ABiologicalNucleophilicSubstitutionReactions Prof Pedro Gregório Vieira Aquino pedroaquinoufapeedubr Sugestões de Leitura 1 KLEIN D Química Orgânica Rio de Janeiro LTC 2016 Capítulo 7 2 SOLOMONS T W G FRYHLE C B Química Orgânica Rio de Janeiro LTC 2021 Capítulo 6 3 VOLLHARDT P SCHORE NE Química Orgânica Estrutura e Função Porto Alegre Bookman 2013 Capítulo 6 4 CAREY F A Química Orgânica Porto Alegre AMGH 2011 Capítulo 8 5 MCMURRY J Química Orgânica São Paulo Cengage Learning 2016 Capítulos 10 e 11