Reação de substituição - Substitution reaction
Uma reação de substituição (também conhecida como reação de deslocamento único ou reação de substituição única) é uma reação química durante a qual um grupo funcional em um composto químico é substituído por outro grupo funcional. As reações de substituição são de primordial importância na química orgânica . As reações de substituição em química orgânica são classificadas como eletrofílicas ou nucleofílicas, dependendo do reagente envolvido, se um intermediário reativo envolvido na reação é um carbocátion , um carbanião ou um radical livre e se o substrato é alifático ou aromático . A compreensão detalhada de um tipo de reação ajuda a prever o resultado do produto em uma reação. Também é útil para otimizar uma reação em relação a variáveis como temperatura e escolha do solvente .
Um bom exemplo de reação de substituição é a halogenação . Quando o gás cloro (Cl 2 ) é irradiado, algumas das moléculas são divididas em dois radicais de cloro (Cl •) cujos elétrons livres são fortemente nucleofílicos . Um deles quebra uma ligação covalente C – H em CH 4 e agarra o átomo de hidrogênio para formar o HCl eletricamente neutro. O outro radical reforma uma ligação covalente com o CH 3 • para formar CH 3 Cl ( cloreto de metila ).
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| cloração do metano pelo cloro |
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Substituição Nucleofílica
Na química orgânica (e inorgânica), a substituição nucleofílica é uma classe fundamental de reações em que um nucleófilo se liga seletivamente ou ataca a carga positiva ou parcialmente positiva em um átomo ou grupo de átomos. Ao fazer isso, ele substitui um nucleófilo mais fraco que então se torna um grupo de saída ; O restante átomo positivo ou parcialmente positivo torna-se um eletrófilo . Toda a entidade molecular da qual o eletrófilo e o grupo de saída fazem parte é normalmente chamada de substrato.
A forma mais geral para a reação pode ser dada como onde R-LG indica o substrato.
- Nuc : + R-LG → R-Nuc + LG :
O par de electrões ( : ) a partir do nucleófilo (Nuc :) ataques o substrato (R-LG) formando uma nova ligação covalente Nuc-R-LG. O estado anterior de carga é restaurado quando o grupo de saída (LG) parte com um par de elétrons. O principal produto neste caso é o R-Nuc. Em tais reações, o nucleófilo é geralmente eletricamente neutro ou carregado negativamente, enquanto o substrato é tipicamente neutro ou carregado positivamente.
Um exemplo de substituição nucleofílica é a hidrólise de um brometo de alquila , R-Br, sob condições básicas, em que o nucleófilo de ataque é a base OH - e o grupo de saída é Br - .
- R-Br + OH - → R-OH + Br -
As reações de substituição nucleofílica são comuns na química orgânica e podem ser amplamente categorizadas como ocorrendo em um carbono de um carbono composto alifático saturado ou (menos frequentemente) em um centro de carbono aromático ou outro insaturado.
Mecanismos
As substituições nucleofílicas em centros de carbono alifáticos podem ocorrer por dois mecanismos diferentes, substituição nucleofílica unimolecular ( S N 1 ) e substituição nucleofílica bimolecular ( S N 2 ).
O mecanismo S N 1 tem duas etapas. Na primeira etapa, o grupo de saída se afasta, formando um carbocátion C + . Na segunda etapa, o reagente nucleofílico (Nuc :) liga-se ao carbocátion e forma uma ligação sigma covalente. Se o substrato tiver um carbono quiral , esse mecanismo pode resultar na inversão da estereoquímica ou na retenção da configuração. Normalmente, ambos ocorrem sem preferência. O resultado é racemização .
O mecanismo S N 2 possui apenas uma etapa. O ataque do reagente e a expulsão do grupo de saída acontecem simultaneamente. Este mecanismo sempre resulta em inversão de configuração. Se o substrato que está sob ataque nucleofílico for quiral, a reação irá, portanto, levar a uma inversão de sua estereoquímica , chamada de inversão de Walden .
O ataque S N 2 pode ocorrer se a rota de ataque posterior não for estericamente impedida por substituintes no substrato. Portanto, esse mecanismo geralmente ocorre em um centro de carbono primário desimpedido. Se houver aglomeração estérica no substrato próximo ao 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 poderia ser formado.
Quando o substrato é um composto aromático , o tipo de reação é a substituição nucleofílica aromática , que ocorre com vários mecanismos. Derivados de ácido carboxílico reagem com nucleófilos na substituição de acila nucleofílica . Este tipo de reação pode ser útil na preparação de compostos.
Substituição eletrofílica
Eletrófilos estão envolvidos em reações de substituição eletrofílica , particularmente em substituições aromáticas eletrofílicas .
Neste exemplo, a estrutura de ressonância de elétrons do anel de benzeno é atacada por um eletrófilo E + . A ligação ressonante é rompida e resulta uma estrutura ressonante carbocitária. Finalmente, um próton é expulso e um novo composto aromático é formado.
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| Substituição eletrofílica aromática |
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Reações eletrofílicas a outros compostos insaturados que não arenos geralmente levam à adição eletrofílica ao invés de substituição.
Substituição radical
Uma reação de substituição radical envolve radicais . Um exemplo é a reação de Hunsdiecker .
Substituição organometálica
As reações de acoplamento são uma classe de reações catalisadas por metal envolvendo um composto organometálico RM e um haleto orgânico R′X que, juntos, reagem para formar um composto do tipo RR ′ com a formação de uma nova ligação carbono-carbono . Exemplos incluem a reacção de Heck , reacção de Ullmann , e reacção Wurtz-Fittig . Existem muitas variações.
Compostos substituídos
Os compostos substituídos são compostos químicos em que um ou mais átomos de hidrogênio de uma estrutura central foram substituídos por um grupo funcional como alquil , hidroxi ou halogênio , ou com grupos substituintes maiores .
Por exemplo, o benzeno é um anel aromático simples . Benzenes que sofreram substituição são um grupo heterogêneo de produtos químicos com um amplo espectro de usos e propriedades:
| Exemplos de compostos de benzeno substituídos | ||
| composto | Fórmula geral | estrutura geral |
| Benzeno | C 6 H 6 |
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| Tolueno | C 6 H 5 -CH 3 |
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| o-xileno | C 6 H 4 (-CH 3 ) 2 |
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| Mesitileno | C 6 H 3 (-CH 3 ) 3 |
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| Fenol | C 6 H 5 -OH |
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