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.
d. cloreto de n-pentila ou cloreto de tert-butila.

Passo 1

O enunciado pergunta qual dos dois compostos reage mais rapidamente com H2O por uma reação SN2 e pede justificativa. Os dados que temos são:
  • Compostos a comparar (dados diretamente no enunciado):
    • cloreto de n-pentila (substrato primário, cadeia linear de 5 carbonos ligada ao C que contém o Cl);
    • cloreto de tert-butila (substrato terciário, carbono ligado a Cl é ligado a três grupos metila).
  • Reagente/nucleófilo: \mathrm{H_2O}.
  • Tipo de mecanismo imposto: \mathrm{S_N2}.

Passo 2

O que é uma reação \mathrm{S_N2} — explicação passo a passo e importante para a prova.
  • Em \mathrm{S_N2} (substituição nucleofílica bimolecular) o nucleófilo ataca o carbono ligado ao grupo deixante (aqui o Cl) ao mesmo tempo em que o grupo deixante sai. Não há formação estacionária de carbocátion.
  • Característica-chave: ataque de retaguarda (backside attack), isto é, o nucleófilo deve aproximar-se do lado oposto ao Cl para sobrepor os orbitais e formar a ligação nova enquanto a antiga se rompe.
  • Consequência prática: a reação precisa de espaço livre no carbono atingido para o nucleófilo se aproximar. Assim, estericamente menos congestionado → mais fácil o ataque → maior velocidade em \mathrm{S_N2}.

Passo 3

Lei de velocidade da \mathrm{S_N2} e interpretação intuitiva.
  • A equação de velocidade típica é
v = k[\text{substrato}][\text{nucleófilo}],ó
onde k é a constante de velocidade que depende, entre outras coisas, da facilidade do ataque do nucleófilo ao carbono.
  • Para comparar dois substratos com o mesmo nucleófilo em mesmas condições, a diferença principal vem do valor de k: substratos menos impedidos estéricamente têm k maior porque o estado de transição é mais acessível.

Passo 4

Efeito da estrutura do substrato na reatividade \mathrm{S_N2}.
  • Ordem prática de reatividade em \mathrm{S_N2} (mantendo mesmo nucleófilo/solvente):
    • metílico > primário > secundário > terciário.
  • Por que isso ocorre (explicação didática): imagine o carbono com o Cl rodeado por grupos. Quanto mais e maiores forem esses grupos, menor o espaço para o nucleófilo se aproximar pelo lado oposto; além disso, grupos volumosos criam repulsão com o nucleófilo no estado de transição, aumentando sua energia e diminuindo a velocidade.
  • Portanto, um substrato terciário é fortemente desfavorável para \mathrm{S_N2}.

Passo 5

Papel do nucleófilo e do solvente (por que mencionar água é importante).
  • Água é um nucleófilo relativamente fraco e é um solvente prótico (forma ligações de hidrogénio). Solventes próticos solvatam (estabilizam) nucleófilos carregados e reduzem sua nucleofilicidade.
  • Em presença de água, \mathrm{S_N2} fica mais lenta do que em solventes apróticos fortes; contudo, essa consideração afeta ambos os substratos. O fator decisivo para diferenciar primário vs terciário continua sendo o impedimento estérico.
  • Observação extra útil para prova: substratos terciários, em solvente prótico, geralmente reagem por \mathrm{S_N1} (formação de carbocátion) em vez de \mathrm{S_N2}.

Passo 6

Aplicando tudo aos dois compostos do enunciado.
  • cloreto de n-pentila: o carbono ligado ao Cl é primário — ou seja, apenas um grupo orgânico grande (cadeia pentila) e dois hidrogênios. Espaço suficiente para que \mathrm{H_2O} ataque por retaguarda.
  • cloreto de tert-butila: o carbono ligado ao Cl é terciário — ligado a três grupos metila volumosos. Esse carbono está muito congestionado; ataque por retaguarda é praticamente bloqueado.
  • Conclusão qualitativa imediata: para o mecanismo \mathrm{S_N2} com água como nucleófilo, o cloreto de n-pentila terá uma constante de velocidade k muito maior que a do cloreto de terc-butila, logo reagirá muito mais rápido.

Passo 7

Comentário extra (útil na prova para mostrar domínio): alternativa de mecanismo para o terciário.
  • O cloreto de terc-butila, embora reaja pouco (quase nada) por \mathrm{S_N2}, é exatamente o tipo de substrato que favorece \mathrm{S_N1} em solventes polares próticos como água, porque forma um carbocátion terciário relativamente estável. Assim, na presença de água, o cloreto de terc-butila tende a reagir (se reagir) por \mathrm{S_N1}, não por \mathrm{S_N2}.
  • Esse ponto ajuda a justificar por que não escolher o terciário quando a questão pede especificamente velocidade em \mathrm{S_N2}.

Passo 8

Resumo final didático e motivador: como lembrar disso rápido na prova.
  • Regra prática: para \mathrm{S_N2} olhe primeiro o tipo de carbono (metílico/primário/…) — quanto menos substituído, melhor. Se o substrato for terciário, descarte \mathrm{S_N2} e pense em \mathrm{S_N1}.
  • Neste par: primário (n-pentila) ganha fácil sobre terciário (tert-butila) em \mathrm{S_N2} com água.

Resposta

cloreto de n-pentila

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