Dada a reação do 2-bromo-2-metilpropano com a água, demonstre o mecanismo pelo qual a reação ocorre e os produtos formados.
Passo 1
O enunciado pede: demonstrar o mecanismo da reação entre (CH_3)_3CBr (2-bromo-2-metilpropano, também chamado de terc-butil brometo) e água, e indicar os produtos formados.
Informações dadas (explicitadas):
Reagente orgânico: (CH_3)_3CBr.
Reagente/nucleófilo/solvente: H_2O (água).
Não foram fornecidas outras condições (temperatura, ácido, etc.), então assumir condição aquosa comum.
Perguntas explícitas que devo responder:
Qual o mecanismo passo a passo (setas de elétrons, intermediários)?
Quais são os produtos (principais e possíveis concorrentes)?
Passo 2
Conceitos fundamentais que vou usar (explicação didática e simples):
Grupo de saída (leaving group): é o átomo ou grupo que sai com o par de elétrons da ligação. Um bom leaving group é aquele que forma um íon estável ao receber esse par (por exemplo Br^-).
Nucleófilo: espécie com par de elétrons livres que pode doar para formar uma ligação (a água tem pares não ligantes e é nucleófila fraca).
Carbocátion: intermediário positivo (\dots C^+) onde o carbono tem apenas seis elétrons ao seu redor; sua estabilidade depende de substituintes (terciário > secundário > primário) por efeitos indutivo e por hiperconjugação.
Mecanismo S_N1: reação de substituição nucleofílica unimolecular em que o passo limitante é a formação do carbocátion por saída do leaving group. Características típicas: substrato terciário, solvente polar prótico (como água), nucleófilo fraco. A lei de velocidade é v = k[\text{substrato}] (depende só da concentração do substrato).
Vou aplicar esses conceitos ao caso: o substrato é terciário ((CH_3)_3C- ligado a Br), o leaving group Br é bom e a água é solvente polar prótico e nucleófilo fraco — tudo indica mecanismo S_N1.
Passo 3
Passo elementar 1: ionização (formação do carbocátion) — etapa lenta e determinante da velocidade.
Escrever a transformação como reação de heterólise:
Explicação do que acontece: a ligação (C\!-\!Br) rompe heteroliticamente — o par de elétrons da ligação vai todo para o bromo, formando Br^-. Isso gera o carbocátion terciário (CH_3)_3C^+, que é relativamente estável por causar hiperconjugação dos três grupos metila. No exame, desenhe a seta curva saindo da ligação C–Br e indo para o bromo; escreva claramente que esta é a etapa RDS porque quebra uma ligação e gera íons.
Por que isso favorece S_N1 e não S_N2 aqui? Porque o carbono é terciário e fica muito impedido estéricamente — num S_N2 seria necessário ataque direto no carbono e deslocamento do Br em um único passo; a estérica torna S_N2 lento/impossível, enquanto a formação de um carbocátion é favorecida.
Passo 4
Passo elementar 2: ataque nucleofílico da água sobre o carbocátion — etapa rápida.
Escreve-se a adição de H_2O ao carbocátion:
Explicação: o oxigénio da água possui pares solitários; um desses pares ataca o carbono carregado positivamente, formando uma nova ligação C–O. O produto imediato é o álcool protonado (CH_3)_3C\!-\!OH_2^+ (álcool com oxigénio protonado), porque a água doou um par e ficou ligada com um H extra (positiva).
Dica prática de prova: sempre desenhe o ataque com uma seta curva do par não ligante do oxigénio de H_2O indo para o centro positivo do carbocátion.
Passo 5
Passo elementar 3: desprotonação (neutralização) — etapa rápida, gera o álcool neutro.
A desprotonação pode ser feita por outra molécula de água (mais comum) ou por Br^-. Reação típica:
Explicação: uma base remove um protão do oxigénio protonado, restaurando o álcool neutro. Assim obtemos o produto principal: o tert-butanol (CH_3)_3COH. Se Br^- aceitar o próton, forma-se HBr como subproduto; em meio aquoso isso aparece como H_3O^+ e Br^- (ou HBr dissolvido).
Passo 6
Esquematizando o mecanismo com comentários práticos para a prova (resumo didático que você pode reproduzir no caderno):
Heterólise (seta do par de elétrons da ligação C–Br para Br):
No desenho, colocar as setas curvas e indicar que o primeiro passo é determinante de velocidade. Escreva também o estado de carga de cada espécie (carbocátion +, brometo -, etc.).
Passo 7
Produtos e possíveis concorrentes — interpretação e previsão de rendimento:
Produto principal (substituição nucleofílica S_N1): tert-butanol, que é (CH_3)_3COH. Em solução aquosa, o par iônico formado será Br^- e H_3O^+ (ou HBr dissolvido).
Produto concorrente (eliminação E1): após formação do carbocátion pode ocorrer perda de um próton por uma base e formação de um alceno. No caso, a eliminação gera 2-metilpropeno (isobutileno), que é (CH_3)_2C=CH_2 (nome IUPAC: 2-metilprop-1-eno). O mecanismo E1 também passa pelo mesmo carbocátion; calor e bases mais fortes favorecem E1.
Qual predominará com água? Em água à temperatura moderada, com nucleófilo fraco e solvente prótico, o S_N1 que gera o álcool costuma predominar; aumentos de temperatura favorecem E1 (eliminação).
Passo 8
Por que isso é S_N1 e não S_N2 — dica de “decoração de prova”:
Carbono terciário → estérica desfavorece S_N2.
Brometo é um bom leaving group → facilita heterólise.
Água é solvente polar prótico → estabiliza íons e favorece formação de carbocátion.
Núcleo fraco (água) → prefere atacar um carbocátion já formado do que expulsar Br concomitantemente.
Logo, reescreva na folha: “mecanismo S_N1 (ionização → ataque nucleofílico → desprotonação).”
Passo 9
Exemplos rápidos para fixar (sem desenho):
Substrato terciário + solvente protico/água → pensar imediatamente em S_N1.
Se o problema pedir taxa de reação: escrever v = k[(CH_3)_3CBr].
Se o enunciado mencionar aquecimento: mencionar competição E1.