1. Qual dos compostos em cada um dos pares reagirá mais rapidamente com \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} em uma reação \mathrm{S}_{\mathrm{N}} 2 ? Justifique suas respostas.
c. \mathrm{CH}_{3} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{Cl} ou \mathrm{CH}_{3} \mathrm{CHClCH}_{3}

Passo 1

O enunciado pergunta qual dos dois compostos reagirá mais rapidamente com \mathrm{H_2O} numa reação do tipo \mathrm{S_N2}, e pede justificativa. Os compostos dados são:
  • \mathrm{CH_3CH_2Cl}
  • \mathrm{CH_3CHClCH_3}
Informações relevantes fornecidas (explicitadas):
  • A reação considerada é do tipo \mathrm{S_N2}.
  • O nucleófilo é a própria água \mathrm{H_2O} (um nucleófilo relativamente fraco e o solvente é protíco).
  • Os dois substratos são cloretos de alquila (mesmo grupo saída: \mathrm{Cl^-}).

Passo 2

O que é uma reação \mathrm{S_N2} (explicação didática e passo a passo)
  • A sigla \mathrm{S_N2} significa substituição nucleofílica, bimolecular. “Bimolecular” quer dizer que a etapa lenta (determinante da velocidade) envolve simultaneamente duas espécies: o substrato (R–LG) e o nucleófilo (Nu).
  • A lei de velocidade da \mathrm{S_N2} é
\text{velocidade}_{\mathrm{SN2}} = k\,[\mathrm{R{-}LG}]\,[\mathrm{Nu}]
onde \mathrm{R{-}LG} é o substrato (a parte orgânica ligada ao grupo saída) e \mathrm{Nu} é o nucleófilo.
  • Mecanisticamente, a reação ocorre por ataque “backside” (por trás do carbono ligado ao grupo saída). O nucleófilo ataca o carbono com ligação ao \mathrm{Cl} formando um estado de transição pentacovalente parcial, enquanto o \mathrm{Cl} está saindo. Não há formação isolada de carbocátion nesse caminho.

Passo 3

Quais fatores controlam a velocidade da \mathrm{S_N2} (com explicações simples)
  • Estérica (impedimento estérico): quanto mais volumosos os grupos ligados ao carbono que vai receber o ataque, mais difícil o nucleófilo “entrar” por trás. Portanto, substratos menos substituídos (primário) reagem mais rápido que secundários, que por sua vez são mais rápidos que terciários (nos quais \mathrm{S_N2} praticamente não ocorre).
  • Força do nucleófilo: nucleófilos fortes atacam mais rápido. A água é um nucleófilo fraco (é neutra e, em solvente protíco, ainda mais desativada por solvatação).
  • Qualidade do grupo saída: aqui ambos têm o mesmo grupo saída ( \mathrm{Cl^-}), então esse fator não diferencia os dois casos.
  • Solvente: solventes protícos (como água) solvatam nucleófilos e diminuem sua reatividade; mas isso afeta ambos os substratos de forma similar, não mudando a ordem relativa por impedimento estérico.

Passo 4

Identificar os substratos (o passo-chave que muitos esquecem)
  • \mathrm{CH_3CH_2Cl} é o cloreto de etila (1-cloroetano). O carbono ligado ao \mathrm{Cl} está ligado a apenas um outro carbono (um grupo etila tem a forma \mathrm{CH_3{-}CH_2{-}Cl}), portanto esse carbono é primário.
  • \mathrm{CH_3CHClCH_3} é o 2-cloropropano (ou cloreto de isopropila). O carbono ligado ao \mathrm{Cl} está ligado a dois outros carbonos (dois grupos metila), portanto é um carbono secundário.
Dica prática para a prova: sempre olhe o carbono que tem o grupo saída e conte quantos carbonos substituem esse carbono. 0 carbonos = primário? Não: 0 carbonos significa metílico; 1 carbono = primário; 2 = secundário; 3 = terciário. Métodos rápidos: desenhe a vizinhança do C–LG.

Passo 5

Aplicando os conceitos ao caso concreto (por que um é mais rápido)
  • Em \mathrm{S_N2} o ataque vem por trás do carbono ligado ao \mathrm{Cl}. Em \mathrm{CH_3CH_2Cl} (primário) esse carbono está cercado por grupos pequenos ( \mathrm{H} e um \mathrm{CH_3}), então o nucleófilo consegue atacar com menos impedimento estérico.
  • Em \mathrm{CH_3CHClCH_3} (secundário) o carbono portador do \mathrm{Cl} tem dois grupos \mathrm{CH_3} adjacentes, o que cria mais bloqueio estérico ao ataque por trás; o estado de transição fica mais congestionado e, portanto, de maior energia, diminuindo a velocidade da \mathrm{S_N2}.
  • Como ambos têm o mesmo leaving group ( \mathrm{Cl^-}) e o mesmo nucleófilo ( \mathrm{H_2O}), o fator decisivo aqui é o impedimento estérico do substrato. Logo, o primário reage mais depressa que o secundário em \mathrm{S_N2}.

Passo 6

Observações adicionais úteis para a prova (pra te deixar confiante)
  • Mesmo com água (solvente protíco e nucleófilo fraco), a ordem de reatividade por impedimento estérico permanece: metílico > primário > secundário >> terciário, no contexto de \mathrm{S_N2}.
  • Em substratos secundários, dependendo das condições (solvente, temperatura, força do nucleófilo), pode haver competição entre \mathrm{S_N2}, \mathrm{S_N1} e eliminação ( \mathrm{E2}). Mas a pergunta fixa o mecanismo \mathrm{S_N2}, então não precisamos considerar \mathrm{S_N1} aqui.
  • Exemplo rápido para fixar: um cloreto terciário não sofre \mathrm{S_N2} porque o nucleófilo não consegue atacar por trás — muito bloqueio.

Resposta

\mathrm{CH_3CH_2Cl}

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