Reação de substituição

Reações de substituição são reações orgânicas em que um grupo específico de uma molécula-alvo é substituído pela ação de um grupo reativo, o qual pode ser um eletrófilo, um nucleófilo ou um radical. Por conta disso, as substituições são separadas em nucleofílicas, eletrofílicas ou radicalares.

Resumo sobre reações de substituição

Reações de substituição são reações orgânicas em que um grupo reativo substitui um grupo em uma molécula-alvo.
Esse grupo reativo pode ser um nucleófilo (base de Lewis), um eletrófilo (ácido de Lewis) ou um radical.
As substituições nucleofílicas ocorrem quando um nucleófilo substitui um grupo eletronegativo de uma molécula-alvo.
Existem de dois tipos de reações de substituição nucleofílica, os mecanismos S_N1 e S_N2.
As substituições eletrofílicas são mais comuns em cadeias aromáticas, dada grande densidade eletrônica dessas cadeias.
As reações de substituição via radicais explicam as reações de substituição que ocorrem entre alcanos e halogênios; nesse tipo de reação, a formação de radicais propicia a substituição dos grupos na molécula-alvo.

Videoaula sobre reações de substituição

O que são reações de substituição?

As reações de substituição estão entre os tipos mais fundamentais de reações dentro da Química Orgânica. Existem três tipos de reações de substituição: as nucleofílicas, as eletrofílicas e as halogenações radicalares.

Reação de substituição nucleofílica

Nas substituições nucleofílicas, um nucleófilo (Nu⁻) substitui um grupo na molécula-alvo, que será tratado como um grupo de saída. Sobre as características de cada um, vale dizer que:

O nucleófilo é sempre uma base de Lewis (tem capacidade de doar pares de elétrons) e pode ser tanto carregado negativamente quanto neutro;
o grupo de saída carrega consigo um par de elétrons quando é substituído da molécula e, por conta disso, é um grupo eletronegativo.

De modo geral, podemos representar uma reação de substituição nucleofílica da seguinte forma:

R−CH₂−X + Nu⁻ → R−CH₂−Nu + X⁻

“X” é o grupo de saída.

Pelo fato de essa reação ocorrer mediante um ataque nucleofílico, essa reação é conhecida como uma substituição nucleofílica. É comum chamar a molécula-alvo da substituição de substrato, sendo que, frequentemente, o substrato é um haleto de alquila, ou seja, um derivado de hidrocarboneto que possui um halogênio. Os halogênios são bons grupos de saída, pois são átomos com alta eletronegatividade.

Reação de substituição eletrofílica

Já as reações de substituição eletrofílica são mais comuns de ocorrerem em cadeias aromáticas, como o benzeno. Nesse caso, um eletrófilo (E⁺), atraído pela grande densidade eletrônica das cadeias aromáticas, faz a substituição de um grupo (em geral, hidrogênio) que está ligado ao anel.

De modo geral, podemos representar uma reação de substituição eletrofílica da seguinte forma:

Ar−H + E⁺ → Ar−E + H⁺

As cinco reações de substituição eletrofílica mais comum em cadeias aromáticas são:

Halogenação: um halogênio (X = cloro, bromo ou iodo) substitui um grupo ligado à cadeia aromática.

Nitração: um grupo nitro (−NO₂) substitui um grupo ligado à cadeia aromática.

Sulfonação: um grupo ácido sulfônico (−SO₃H) substitui um grupo ligado à cadeia aromática.

Alquilação de Friedel-Crafts: um grupo alquila (R) substitui um grupo ligado à cadeia aromática.

Acilação de Friedel-Crafts: um grupo acila (RC=O) substitui um grupo ligado à cadeia aromática.

Reação de substituição do tipo halogenação radicalar

As halogenações radicalares são reações de substituição entre um alcano e um halogênio, com respectiva formação de um haleto de alquila. A reação geral é a que se segue:

R−H + X₂ → R−X + HX

Nessa reação, os halogênios (em geral, cloro e bromo) são capazes de substituir um ou mais átomos de hidrogênio de um alcano. Ela é assim chamada porque envolve a formação de espécies radicalares, que são espécies que possuem elétrons desemparelhados.

São exemplos de reações de halogenação em alcanos:

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

CH₃CH₃ + Br₂ → CH₃CH₂Br + HBr

Tipos de reação de substituição

Substituição nucleofílica

As reações de substituição nucleofílica podem ocorrer por meio de dois mecanismos, conhecidos como S_N1 e S_N2, em que “S” significa substituição, “N” significa nucleofílica e os números “1” e “2” fazem referência aos termos unimolecular e bimolecular, respectivamente, por conta do número de moléculas envolvidas no estado de transição da reação da etapa determinante para a velocidade da reação química.

Nas reações do tipo S_N1, a substituição ocorre em diversas etapas, e o nucleófilo é o próprio solvente da reação. Eis um exemplo:

1ª etapa: é a etapa mais lenta do processo, sendo altamente endotérmica e necessitando da quebra heterolítica da ligação carbono-halogênio (no caso do exemplo, cloro). Apesar de não ser demonstrado, os íons estão sendo solvatados e estabilizados pela água, um solvente polar.

2ª etapa: a água atua como base de Lewis frente ao carbocátion (ácido de Lewis), restabelecendo o octeto do carbono. Há a formação de um íon oxônio (um íon em que o oxigênio está positivo e com três ligações).

3ª etapa: por fim, outra molécula de água agora atua como base de Bronsted, aceitando um próton proveniente do íon oxônio e com a formação de um álcool e, assim, concluindo a substituição.

Já a reação S_N2 ocorre em uma única etapa, sem a formação de intermediários. É uma reação sincronizada em que a formação e a quebra da ligação ocorrem de forma simultânea, em um único estado de transição, conforme é possível ver no exemplo a seguir.

HO⁻ + CH₃Cl → CH₃OH + Cl⁻

Desse processo, podemos citar algumas coisas:

O íon hidróxido atua como nucleófilo e o carbono está com carga parcial positiva, uma vez que o cloro é mais eletronegativo.
O estado de transição é formado por meio de uma nova ligação entre oxigênio e carbono, com a ligação entre carbono e cloro quase se desfazendo. Nesse momento, a configuração do carbono começa a se inverter.
Por fim, a ligação oxigênio-carbono é formada com a expulsão do íon cloreto. A inversão da configuração espacial do carbono se conclui.

Substituição eletrofílica aromática

Para simplificarmos o processo de demonstração dessas reações, utilizaremos o benzeno como cadeia aromática. O grupo a ser substituído será sempre o hidrogênio (H).

De modo geral, o mecanismo de uma reação de substituição eletrofílica aromática é o que se segue:

É importante salientar alguns pontos:

O eletrófilo é adicionado ao anel aromático, com a consequente formação de um intermediário carbocátion (entre colchetes). Essa é uma etapa lenta do processo reacional, com alta energia de ionização e altamente endotérmica. Isso se deve ao fato de o carbocátion não apresentar aromaticidade, um efeito altamente estabilizante.
A estrutura do carbocátion formado é um conjunto de três estruturas de ressonância, conforme a imagem demonstra.
Uma base (:B) presente na mistura reacional consegue remover o hidrogênio do intermediário carbocátion, com o restabelecimento da aromaticidade do anel.

Halogenações radicalares

Os radicais são espécies que possum um elétron desemparelhado. Eles são formados via cisão homolítica da ligação covalente. Eis a cisão homolítica do cloro, formando dois radicais cloro.

Os radicais de cloro (ou bromo) podem atacar alcanos, com a formação de radicais alquil, conforme demonstra a reação a seguir.

Os radicais metil podem atacar outros Cl₂ (ou Br₂) que estejam no meio, formando CH₃Cl e mais radicais cloro. A reação termina quando os radicais se unem consigo mesmos, podendo formar, novamente, Cl₂ ou também CH₃Cl e CH₃CH₃.

É percebido que radicais de carbono terciário são mais estáveis que radicais de carbono secundário, que, por sequência, são mais estáveis que radicais de carbono primário. Isso ocorre porque o grupo alquila ligado ao carbono atua de modo a estabilizar o carbono com elétron desemparelhado:

Por isso que, quando temos halogenações radicalares em alcanos com três ou mais carbonos (onde há diferenciação no tipo de carbono), vemos rendimentos diferentes para os produtos de substituição:

No exemplo, anterior temos a bromação do propano. O produto 2-bromopropano possui maior rendimento que o produto 1-bromopropano, pelo simples fato de o 2-bromopropano ser formado a partir de um radical secundário, mais estável que um radical primário.

Exercícios resolvidos sobre reações de substituição

Questão 1

(UPE 3ª Fase 2º dia/2022) Observe a equação química a seguir:

O processo representado é, incluindo uma etapa posterior de tratamento aquoso, usual para a obtenção de cetonas aromáticas.

Assinale a alternativa que apresenta a classificação CORRETA da reação.

Adição, chamada de alquilação de Friedel-Crafts.
Adição, chamada de reação de Diels-Alder.
Substituição, chamada de acilação de Friedel-Crafts.
Eliminação, chamada de acilação de Friedel-Crafts
Substituição, chamada de reação de Diels-Alder.

Resposta: Letra C.

Percebe-se que se trata de uma substituição em um anel aromático (benzeno) por meio de um cloreto de etanoíla, com a substituição de um átomo de hidrogênio por um grupo etanoíla, que é um radical acila, com a respectiva formação de uma cetona aromática.

Questão 2

(Enem 2018) A hidroxilamina (NH₂OH) é extremamente reativa em reações de substituição nucleofílica, justificando sua utilização em diversos processos. A reação de substituição nucleofílica entre o anidrido acético e a hidroxilamina está representada.

O produto A é favorecido em relação ao B, por um fator de 10⁵. Em um estudo de possível substituição do uso de hidroxilamina, foram testadas as moléculas numeradas de 1 a 5.

Dentre as moléculas testadas, qual delas apresentou menor reatividade?

Resposta: Letra D.

Sendo uma substituição nucleofílica, quanto mais fraco for o nucleófilo, menos reativa será a reação. A presença de grupos alquila ligados ao nitrogênio e ao oxigênio diminuem sua nucleofilicidade, pois seu maior volume em relação aos átomos de hidrogênio dificultam a ligação com o eletrófilo (átomo de carbono).

Fontes:

SOLOMONS, T. W. G.; FRYHLE, C. B.; SNYDER, S. A. Química Orgânica: volumes 1 e 2. 12. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018.

BRUICE, P. Y. Organic Chemistry. 8. ed. Upper Saddle River, Nova Jersey: Pearson Education Inc., 2015.

Publicado por Stéfano Araújo Novais