Reação S N 2 -SN2 reaction

Representação bola-e-stick da reação S N 2 de CH 3 SH com CH 3 I produzindo dimetilsulfônio. Observe que o grupo de ataque ataca pela parte de trás do grupo de saída
Estrutura do estado de transição S N 2

A reação S N 2 é um tipo de mecanismo de reação comum em química orgânica . Nesse mecanismo, uma ligação é quebrada e uma ligação é formada de forma síncrona, ou seja, em uma etapa. S N 2 é um tipo de mecanismo de reação de substituição nucleofílica , cujo nome se refere ao símbolo de Hughes-Ingold do mecanismo. Uma vez que duas espécies reagentes estão envolvidos na lenta ( determinante da velocidade passo), isto conduz à prazo s ubstitution n ucleophilic ( bi -molecular ) ou S N 2 ; o outro tipo principal é S N 1 . Muitos outros mecanismos mais especializados descrevem reações de substituição.

O tipo de reação é tão comum que tem outros nomes, por exemplo, "substituição nucleofílica bimolecular" ou, entre os químicos inorgânicos, " substituição associativa " ou "mecanismo de intercâmbio".

Mecanismo de reação

A reação ocorre mais freqüentemente em um centro de carbono alifático sp 3 com um grupo de saída estável e eletronegativo ligado a ele (frequentemente denominado X), que é freqüentemente um átomo de haleto . A quebra da ligação C – X e a formação da nova ligação (freqüentemente denotada C – Y ou C – Nu) ocorrem simultaneamente por meio de um estado de transição no qual um carbono sob ataque nucleofílico é pentacoordenado e aproximadamente sp 2 hibridizado. O nucleófilo ataca o carbono a 180 ° em relação ao grupo de saída , uma vez que isso fornece a melhor sobreposição entre o par solitário do nucleófilo e o orbital anticoagulante C – X σ *. O grupo de saída é então empurrado para o lado oposto e o produto é formado com a inversão da geometria tetraédrica no átomo central.

Se o substrato sob ataque nucleofílico for quiral , isso geralmente leva à inversão de configuração ( estereoquímica ), chamada de inversão de Walden .

Num exemplo do S N 2 de reacção, o ataque de Br - (o nucleilo) em um cloreto de etilo (electrófilo) resulta em brometo de etilo , com cloreto de ejectado como o grupo de saída.

Reação S N 2 de cloroetano com íon brometo

O ataque S N 2 ocorre se a rota de ataque posterior não for estereoquimicamente impedida por substituintes no substrato (cloreto de etila sendo o substrato acima). Portanto, esse mecanismo geralmente ocorre em centros de carbono primário e secundário desimpedidos . Se houver aglomeração estérica no substrato perto do grupo de saída, como em um centro de carbono terciário, a substituição envolverá um mecanismo S N 1 em vez de um S N 2, (um S N 1 também seria mais provável neste caso porque um intermediário carbocátion suficientemente estável pode ser formado).

Fatores que afetam a taxa da reação

Quatro fatores afetam a taxa da reação:

Substrato

O substrato desempenha o papel mais importante na determinação da taxa da reação. Isso ocorre porque o nucleófilo ataca da parte de trás do substrato, quebrando assim a ligação do grupo de saída do carbono e formando a ligação carbono-nucleófilo. Portanto, para maximizar a taxa de reação S N 2, a parte de trás do substrato deve ser tão desimpedida quanto possível. No geral, isso significa que o metil e os substratos primários reagem mais rapidamente, seguidos pelos substratos secundários. Substratos terciários não participam das reações S N 2, devido ao impedimento estérico . Estruturas que podem formar cátions altamente estáveis ​​pela simples perda do grupo de saída, por exemplo, como um carbocátion estabilizado por ressonância, são especialmente prováveis ​​de reagir por meio de uma via S N 1 em competição com S N 2.

Nucleófilo

Como o substrato, o impedimento estérico afeta a força do nucleófilo. O ânion metóxido , por exemplo, é uma base forte e um nucleófilo porque é um metil nucleófilo e, portanto, é muito desimpedido. O terc- butóxido , por outro lado, é uma base forte, mas um nucleófilo pobre, pois seus três grupos metil dificultam sua aproximação com o carbono. A força do nucleófilo também é afetada pela carga e pela eletronegatividade : a nucleofilicidade aumenta com o aumento da carga negativa e a diminuição da eletronegatividade. Por exemplo, OH - é um nucleófilo melhor que água, e I - é um nucleófilo melhor que Br - (em solventes próticos polares). Em um solvente polar aprótico, a nucleofilicidade aumenta em uma coluna da tabela periódica, pois não há ligação de hidrogênio entre o solvente e o nucleófilo; neste caso, a nucleofilicidade reflete a basicidade. I - seria, portanto, um nucleófilo mais fraco do que Br - porque é uma base mais fraca. Veredicto - Um nucleófilo forte / aniônico sempre favorece o modo S N 2 de substituição nucleofílica.

Solvente

O solvente afeta a taxa de reação porque os solventes podem ou não circundar um nucleófilo, dificultando ou não sua aproximação com o átomo de carbono. Os solventes polares apróticos, como o tetra-hidrofurano , são melhores para essa reação do que os solventes próticos polares porque os solventes próticos polares se ligam por hidrogênio ao nucleófilo, impedindo-o de atacar o carbono com o grupo de saída. Um solvente polar aprótico com baixa constante dielétrica ou uma extremidade dipolo impedida favorecerá o modo S N 2 da reação de substituição nucleofílica. Exemplos: dimetilsulfóxido , dimetilformamida , acetona , etc.

Saindo do grupo

A estabilidade do grupo de saída como um ânion e a força de sua ligação ao átomo de carbono afetam a taxa de reação. Quanto mais estável for a base conjugada do grupo de saída, maior será a probabilidade de ela levar os dois elétrons de sua ligação ao carbono durante a reação. Portanto, quanto mais fraco for o grupo de saída como uma base conjugada e, portanto, quanto mais forte for o ácido correspondente, melhor será o grupo de saída. Exemplos de bons grupos de saída são, portanto, os haletos (exceto fluoreto, devido à sua forte ligação ao átomo de carbono) e tosilato , enquanto HO - e H 2 N - não o são.

Cinética de reação

A taxa de uma reação S N 2 é de segunda ordem , pois a etapa de determinação da taxa depende da concentração de nucleófilos, [Nu - ], bem como da concentração de substrato, [RX].

r = k [RX] [Nu - ]

Esta é uma diferença chave entre os mecanismos S N 1 e S N 2. Na reação S N 1, o nucleófilo ataca após o término da etapa de limitação de velocidade, enquanto que em S N 2 o nucleófilo força o grupo de saída na etapa de limitação. Em outras palavras, a taxa de reações S N 1 depende apenas da concentração do substrato, enquanto a taxa de reação S N 2 depende da concentração do substrato e do nucleófilo.

Foi demonstrado que, exceto em casos incomuns (mas previsíveis), os substratos primários e secundários passam exclusivamente pelo mecanismo S N 2, enquanto os substratos terciários passam pela reação S N 1. Existem dois fatores que complicam a determinação do mecanismo de reações de substituição nucleofílica em carbonos secundários:

  1. Muitas reações estudadas são reações de solvólise em que uma molécula de solvente (geralmente um álcool) é o nucleófilo. Embora ainda seja uma reação de segunda ordem mecanicamente, a reação é cineticamente de primeira ordem, pois a concentração do nucleófilo - a molécula do solvente, é efetivamente constante durante a reação. Esse tipo de reação é freqüentemente chamado de reação de pseudo primeira ordem.
  2. Em reações em que o grupo de saída também é um bom nucleófilo (brometo, por exemplo), o grupo de saída pode realizar uma reação S N 2 em uma molécula de substrato. Se o substrato for quiral, isso inverte a configuração do substrato antes da solvólise, levando a um produto racemizado - o produto que seria esperado de um mecanismo S N 1. No caso de um grupo abandonante de brometo em solvente alcoólico Cowdrey et al. mostraram que o brometo pode ter uma constante de taxa S N 2 100-250 vezes maior do que a constante de taxa do etanol. Assim, após apenas alguns percentuais de solvólise de um substrato enantioespecífico, ele se torna racêmico.

Os exemplos em livros didáticos de substratos secundários que passam pelo mecanismo S N 1 invariavelmente envolvem o uso de brometo (ou outro bom nucleófilo), pois o grupo de saída confundiu a compreensão das reações de substituição nucleofílica alquil em carbonos secundários por 80 anos [3] . Trabalhar com o sistema 2-adamantyl (S N 2 não é possível) por Schleyer e colegas de trabalho, o uso de azida (um excelente nucleófilo, mas grupo de saída muito pobre) por Weiner e Sneen, o desenvolvimento de grupos de saída de sulfonato (não nucleofílicos bons grupos de saída), e a demonstração de problemas experimentais significativos na reivindicação inicial de um mecanismo S N 1 na solvólise de 2-bromooctano opticamente ativo por Hughes et al. [3] demonstraram conclusivamente que substratos secundários passam exclusivamente (exceto em casos incomuns, mas previsíveis) pelo mecanismo S N 2.

Competição E2

Uma reação colateral comum que ocorre com as reações S N 2 é a eliminação de E2 : o ânion de entrada pode atuar como uma base em vez de um nucleófilo, abstraindo um próton e levando à formação do alceno . Essa via é favorecida por nucleófilos estericamente impedidos. As reações de eliminação são geralmente favorecidas em temperaturas elevadas devido ao aumento da entropia . Este efeito pode ser demonstrado na reação em fase gasosa entre um sulfonato e um brometo de alquila simples ocorrendo dentro de um espectrômetro de massa :

Experiência de competição entre SN2 e E2

Com o brometo de etila , o produto da reação é predominantemente o produto de substituição. À medida que o impedimento estérico em torno do centro eletrofílico aumenta, como ocorre com o brometo de isobutila , a substituição é desfavorecida e a eliminação é a reação predominante. Outros fatores que favorecem a eliminação são a força da base. Com o substrato de benzoato menos básico , o brometo de isopropila reage com 55% de substituição. Em geral, as reações da fase gasosa e as reações da fase de solução desse tipo seguem as mesmas tendências, embora na primeira os efeitos do solvente sejam eliminados.

Mecanismo de rotatória

Um desenvolvimento que chamou a atenção em 2008 diz respeito a um mecanismo de desvio S N 2 observado em uma reação em fase gasosa entre íons cloreto e iodeto de metila com uma técnica especial chamada imagem de feixe molecular cruzado . Quando os íons cloreto têm velocidade suficiente, a colisão inicial deles com a molécula de iodeto de metila faz com que o iodeto de metila gire uma vez antes que ocorra o mecanismo real de deslocamento do S N 2.

Veja também

Referências