Preveja o(s) produto(s) das seguintes reações. Se mais de um produto for formado, diga qual será 0 ma. joritário. \mathrm{BrCH}_{2} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{Br}+1 \mathrm{molCH}_{3} \mathrm{NH}_{2} \xrightarrow[\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}]{\mathrm{NaOH}} ?
Passo 1
O enunciado pede para prever o(s) produto(s) da reação entre o di-brometo linear e metilamina sob meio básico. Informações dadas:
Nucleófilo: 1 mol de \mathrm{CH_3NH_2} (metilamina).
Condições: \mathrm{NaOH} em \mathrm{H_2O}.
Pergunta: quais produtos se formam e, se houver mais de um, qual é majoritário.
Passo 2
Conceitos importantes (explicação didática, sem pular etapas):
Substituição nucleofílica do tipo \mathrm{S_N2}: ocorre preferencialmente em carbonos primários/menos impedidos; o nucleófilo ataca o carbono ligado ao grupo de saída (aqui \mathrm{Br}) formando ligação enquanto o grupo de saída parte. Características: ataque por trás, inversão de configuração (não relevante aqui porque carbono primário), sensível à força do nucleófilo e ao bom grupo de saída (brometo é bom grupo de saída).
Nucleófilo no meio básico: \mathrm{NaOH} ajuda a manter a metilamina em sua forma livre (não protonada) ou a neutralizar o sal amônio se houver protonação; a forma livre \mathrm{CH_3NH_2} é nucleófila no nitrogênio.
Reações intramoleculares (ciclizações) são frequentemente mais rápidas que intermoleculares quando formam anéis de tamanho favorável (5 e 6 membros são especialmente favorecidos por menores tensões). A taxa de uma ciclagem intramolecular é favorecida porque o grupo nucleófilo e o centro eletrofílico já estão ligados pela cadeia (ganho entropico/entalpico).
Possíveis caminhos gerais aqui:
Monossubstituição intermolecular: uma \mathrm{CH_3NH_2} ataca um dos carbonos bromo, formando um aminohaleto linear \mathrm{Br-(CH_2)_4-NHCH_3}.
Ciclagem intramolecular: o nitrogênio do aminohaleto interno pode atacar a outra extremidade (carbono ligado a Br) por \mathrm{S_N2}, fechando um anel de cinco membros nesse caso.
Reações secundárias possíveis: dialquilação externa do nitrogênio por outra molécula do dibrometo (precisaria mais nucleófilo ou condições diferentes) ou eliminação (menos provável em carbono primário via base forte com nucleófilo).
Passo 3
Primeiro passo da reação (mecanismo e produto intermediário):
A metilamina livre atua como nucleófilo e faz um ataque \mathrm{S_N2} a um dos carbonos primários ligados a \mathrm{Br}. O brometo sai.
Produto imediato (mono-substituição) é o amino-haleto linear:
\mathrm{Br-(CH_2)_4-NHCH_3}.
Nome simples: 4-bromobutilmetilamina (ou \gamma-bromobutil metilamina).
Observação didática: esta etapa é favorecida porque o carbono atacado é primário (facilita \mathrm{S_N2}) e \mathrm{Br^-} é bom grupo de saída.
Passo 4
Segundo passo provável: ciclagem intramolecular para um anel de cinco membros:
No intermediário \mathrm{Br-(CH_2)_4-NHCH_3}, o nitrogênio tem um par de elétrons livre e pode atacar intramolecularmente o carbono terminal ligado ao \mathrm{Br} pela via \mathrm{S_N2}.
Esse ataque fecha um anel de cinco membros formando a amina cíclica N-metilada. A saída de \mathrm{Br^-} completa a substituição intramolecular.
Produto cíclico formado:
\text{N-metilpirrolidina (estrutura: um anel pentagonal saturado com um } \mathrm{N}\text{, ligado a um grupo } \mathrm{CH_3)}.
Fórmula estrutural simples: o anel (CH_2)_4N com o N ligado a \mathrm{CH_3}.
Passo 5
Por que a ciclagem para dar \mathrm{N}-metilpirrolidina é majoritária?
Formação de anéis de cinco membros é energeticamente favorecida (baixa tensão de anel comparada a anéis de 3 ou 4 membros).
A ciclagem é intramolecular: a velocidade efetiva é maior que uma segunda substituição intermolecular, porque a probabilidade de ataque intramolecular é alta (grupo nucleófilo e eletrofílico já estão na mesma molécula).
Como só foi fornecido 1 mol de \mathrm{CH_3NH_2} por mol de di-brometo, não há excesso de nucleófilo para favorecer produtos polialquilados intermoleculares; assim a via intramolecular compete muito bem e normalmente domina.
Condições básicas e aquosas mantêm o nitrogênio desprotonado e nucleofílico para promover a reação intramolecular.
Passo 6
Outros produtos possíveis (mas menores / minoritários):
O intermediário mono-substituído \mathrm{Br-(CH_2)_4-NHCH_3} pode persistir parcialmente; portanto, em mistura, pode haver uma fração deste composto linear.
Se houvesse excesso grande de \mathrm{CH_3NH_2} e condições que favorecessem reações intermoleculares, poderia ocorrer ligação adicional ao nitrogênio por outra molécula do dibrometo formando produtos poli-alkilados; com apenas 1 mol de \mathrm{CH_3NH_2} isso é pouco provável.
Eliminações (forma alcenos) são pouco prováveis aqui porque os carbonos são primários e a via \mathrm{S_N2} é preferida.