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.

Leia também: Quais são os tipos de reações orgânicas?

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:

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

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

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

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

5. 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

1. 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.

2. 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.

3. 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.

Leia também: Reações de adição — exemplos e mecanismos

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.

1. Adição, chamada de alquilação de Friedel-Crafts.
2. Adição, chamada de reação de Diels-Alder.
3. Substituição, chamada de acilação de Friedel-Crafts.
4. Eliminação, chamada de acilação de Friedel-Crafts
5. 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?

1. 1
2. 2
3. 3
4. 4
5. 5

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.