Para cada reação a seguir, dê os produtos de substituição; se os produtos podem existir como estereoisômeros, mostre os estereoisômeros obtidos.
(2S,3S)-2-cloro-3-metilpentano + alta conc. de \mathrm{CH}_{3} \mathrm{O}^{-}

Passo 1

O enunciado nos dá o reagente e as condições:
  • Reagente: (2S,3S)-2-cloro-3-metilpentano.
  • Reagente nucleófilo/base em alta concentração: \mathrm{CH}_{3}\mathrm{O}^{-} (metóxido).
O que é pedido:
  • Determinar os produtos de substituição (isto é, quando o \mathrm{Cl} é substituído por \mathrm{OCH}_3).
  • Se os produtos podem existir como estereoisômeros, mostrar quais estereoisômeros são obtidos.
Lista das informações relevantes dadas:
  • O haleto de alquila é secundário (o cloro está em \mathrm{C}_2 de uma cadeia pentana).
  • A configuração inicial é (2S,3S) (ambos os centros quirais em \mathrm{C}_2 e \mathrm{C}_3 estão especificados).
  • O nucleófilo/base é forte e está em alta concentração: \mathrm{CH}_{3}\mathrm{O}^{-}.

Passo 2

Identificar o centro de substituição e escrever a transformação química esperada (sem ainda discutir estereoquímica):
  • O grupo que sai é \mathrm{Cl} em \mathrm{C}_2. A substituição por \mathrm{OCH}_3 gera o éter correspondente.
  • Fórmula condensada do substrato (para visualizar): \mathrm{CH_3-CH(Cl)-CH(CH_3)-CH_2-CH_3}.
  • Produto de substituição (substituição nucleofílica): \mathrm{CH_3-CH(OCH_3)-CH(CH_3)-CH_2-CH_3}, nome IUPAC: 2-metoxi-3-metilpentano.

Passo 3

Explicar os mecanismos possíveis e qual predomina em alta concentração de \mathrm{CH_3O^{-}}:
  • Dois mecanismos comuns para substituição em haletos secundários são S_\mathrm{N}2 e S_\mathrm{N}1.
  • S_\mathrm{N}2: ataque direto do nucleófilo ao carbono ligado ao \mathrm{Cl} com saída simultânea do \mathrm{Cl}^{-}. Característica importante: inversão da configuração no centro onde ocorre a substituição (inversão de Walden). O S_\mathrm{N}2 é favorecido por nucleófilos fortes e em concentrações altas do nucleófilo.
  • S_\mathrm{N}1: o carbono perde \mathrm{Cl}^{-} formando um carbocátion planar; o nucleófilo ataca o carbocátion de ambos os lados, dando racemização no centro afetado. S_\mathrm{N}1 costuma ser favorecido por solventes polares proticos e por carbocátions estáveis (terciários > secundários). Um haleto secundário pode seguir S_\mathrm{N}1 se as condições favorecem formação de carbocátion, mas com nucleófilo forte em alta concentração o S_\mathrm{N}2 frequentemente domina.
  • Conclusão para este caso: com \mathrm{CH_3O^{-}} em alta concentração (nucleófilo forte), o caminho predominante para substituição será S_\mathrm{N}2. Portanto devemos esperar inversão configuracional em \mathrm{C}_2, não racemização.

Passo 4

Detalhar como a inversão acontece e aplicar ao caso concreto:
  • No mecanismo S_\mathrm{N}2 o nucleófilo ataca o carbono ligado ao \mathrm{Cl} do lado oposto ao \mathrm{Cl} (ataque de “backside”), formando um estado de transição pentacoordenado e depois o \mathrm{Cl}^{-} sai. Geometricamente isso corresponde a uma inversão da disposição dos quatro substituintes ao redor do carbono (como uma sombrinha virando do avesso) — é a inversão de Walden.
  • Apenas o centro onde ocorre a substituição muda sua configuração; outros centros quirais distantes (aqui \mathrm{C}_3) permanecem com a mesma configuração.
  • Aplicando ao nosso substrato: início (2S,3S). A substituição em \mathrm{C}_2 por S_\mathrm{N}2 inverte \mathrm{C}_2 de S para R; \mathrm{C}_3 permanece S.
  • Logo o produto principal por substituição S_\mathrm{N}2 será (2R,3S)-2-metoxi-3-metilpentano.
  • Em fórmula condensada com notação de ligação: começando de \mathrm{CH_3-CH(Cl)-CH(CH_3)-CH_2-CH_3} \mathrm{CH_3-CH(OCH_3)-CH(CH_3)-CH_2-CH_3} com inversão em \mathrm{C}_2.

Passo 5

Observações sobre alternativas e estereoisomeria possível:
  • Se, contrariamente ao esperado, o mecanismo fosse S_\mathrm{N}1 (formação de carbocátion em \mathrm{C}_2), o ataque nucleofílico ocorreria de ambos os lados do plano do carbocátion, levando a racemização parcial ou total em \mathrm{C}_2. Nesse cenário os produtos de substituição seriam uma mistura de (2R,3S)-2-metoxi-3-metilpentano e (2S,3S)-2-metoxi-3-metilpentano (isto é, retenção parcial + inversão → mistura racêmica em \mathrm{C}_2, mantendo \mathrm{C}_3 como S).
  • Entretanto, dadas as condições (nucleófilo forte, alta concentração de \mathrm{CH_3O^{-}}), o produto observado majoritariamente será o do tipo S_\mathrm{N}2 com inversão estereoquímica: somente (2R,3S).
  • Quanto a outros tipos de isomeria: o produto contém dois centros quirais? Não — somente \mathrm{C}_2 e \mathrm{C}_3 continuam sendo quirais; começando com (2S,3S) e invertendo \mathrm{C}_2 obtém-se um par de diastereômeros entre reagente e produto. O produto isolado (se S_\mathrm{N}2 puro) será um único diastereômero (2R,3S).

Resposta

(2R,3S)-2-metoxi-3-metilpentano (produto principal por S_\mathrm{N}2, inversão em \mathrm{C}_2).\newline
(se ocorrer S_\mathrm{N}1 em vez disso, obter-se-ia uma mistura racêmica em \mathrm{C}_2: (2R,3S) + (2S,3S)).

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