Explique por que o(S)-2-butanol racemiza lentamente quando em presença de solução aquosa diluída de ácido sulfúrico?

Passo 1

O enunciado pergunta por que o \mathrm{(S)}-2-butanol, em presença de solução aquosa diluída de ácido sulfúrico, sofre racemização lenta. O conteúdo principal aqui é o mecanismo de reação do tipo S_\mathrm{N}1 em meio ácido, que envolve protonação do grupo hidroxila, formação de carbocátion planar e ataque nucleofílico de água de ambos os lados do plano.

Passo 2

Em meio ácido, o primeiro evento é a protonação do grupo –OH, transformando-o num grupo –OH _2^+ que é um excelente grupo de saída. Escrevendo:
\mathrm{(S)\text{-}CH_3CH(OH)CH_2CH_3} + H_3O^+ \longrightarrow \mathrm{(S)\text{-}CH_3CH(OH_2^+)CH_2CH_3} + H_2O
Em seguida, ocorre a saída de uma molécula de água a partir do oxônio, gerando um carbocátion secundário. Esse carbocátion
\mathrm{CH_3\text{-}C^+(H)CH_2CH_3}
é planar (sp ^2), com o carbono carregado positivamente ficando num plano trigonal.

Passo 3

Como o carbocátion é planar, a molécula de água — que atua como nucleófilo — pode atacá-lo tanto pela “face superior” quanto pela “face inferior” do plano. Cada face leva a configuração distinta no produto.
Após o ataque da água forma-se um alcoxiônio protonado, que em seguida perde um próton para regenerar o –OH neutro. Como houve ataque a partir de ambas as faces, obtém-se mistura racêmica ( \mathrm{R} e \mathrm{S}):
\mathrm{C^+ + H_2O \longrightarrow [CH_3CH(OH_2^+)CH_2CH_3] \longrightarrow CH_3CH(OH)CH_2CH_3}

Passo 4

A velocidade é lenta porque a etapa lenta (determinante da velocidade) é a formação do carbocátion, que tem alta energia de ativação. Além disso, em meio aquoso diluído o equilíbrio de protonação e saída de água não favorece muito a geração do carbocátion.

Resposta

A racemização ocorre porque, em meio ácido, o \mathrm{(S)}-2-butanol sofre um mecanismo S_\mathrm{N}1 via carbocátion planar, permitindo que o nucleófilo (água) ataque igualmente de ambos os lados e forme uma mistura racêmica.

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