Reações SN1 e SN2 - Conceitos básicos e ligação com Físico-Química.

Um dos bichos-papões da química se encontra na interação entre orgânica e físico-química, a chamada Dinâmica das Reações Orgânicas. Obviamente a química orgânica somente é um estudo orientado ao carbono e, isso se dá pois, o carbono é um dos elementos mais comuns no universo e consequentemente no nosso planeta. O grande interesse sobre esse elemento também se passa por ele ser relacionado com a vida, uma vez que, tudo o que tem vida é formado a base de carbono.

Portanto poderia existir um estudo específico sobre o oxigênio, ou hidrogênio, ou qualquer outro elemento da mesma forma que existe para o carbono. Logo a química orgânica engloba um conjunto de observações sobre o carbono e seus compostos, observações essas que passam pela físico-química.

Dessa forma torna-se claro que a existem áreas mais específicas e gerais dentro da química, sendo que, as áreas em que existem mais variáveis e que podem ser utilizadas como tendências, essas são as áreas mais gerais como analítica e físico-química. Já a química orgânica, como comentamos até aqui, essa é uma área muito específica. Porém, existe a necessidade de mesclarmos a área mais específica com as áreas mais gerais. E é dessa forma que se desenvolve a Dinâmica das Reações Orgânicas.

Dentro da Dinâmica das Reações Orgânicas existe a necessidade de entendermos que dinâmica está relacionada com movimento e um movimento organizado se relaciona com mecanismo, logo, os mecanismos são essenciais na química, sejam eles dentro do estudo do carbono, ou de qualquer outro elemento.

Um mecanismo tenta explicar como uma reação ocorre, ou seja, como os reagentes se comportam, qual o composto que tem mais importância na reação (substrato), como ocorrem as ligações, dentre outras coisas.

Os mecanismos mais importantes são conhecidos como Substituição Nucleofílica de Primeira Ordem (SN1) ou Substituição Nucleofílica de Segunda Ordem (SN2).

A SN1 é um mecanismo em que o existe a formação de uma espécie catiônica do carbono, conhecida como carbocátion, onde o substrato fica com uma carga positiva, ou seja, pode fazer ainda uma ligação, isso indica que o carbono se encontra deficiente em elétrons (6 elétrons). Dessa forma os carbocátions são conhecidos como ácidos de Lewis e são eletrófilos. Logo os chamados nucleófilos são as bases de Lewis, ou seja, íons carregados negativamente.

Obviamente existem substratos bons para que aconteça a formação do carbocátion, sendo que os melhores são os que tem carbono terciário ligado a um haleto, pois os haletos são boas espécies abandonadoras, ou seja, que levam um elétron quando deslocados e, assim estabilizam e contribuem para a formação dos carbocátions.

Nas reações SN1, além de haver a importância do substrato, existe também, a necessidade do uso de um bom solvente, que consiga estabilizar o carbocátion. Os solventes bons para a SN1 são aqueles que garantem a possibilidade de formação de ligações de hidrogênio, ou seja, compostos conhecidos  como Solventes Polares Próticos. Esses compostos que são bons para solvatar os carbocátions em geral são solventes de caráter mais ácido, como por exemplo água, metanol e ácido fórmico.

A fase lenta é quando ocorre a formação do carbocátion, com o haleto abandonando o substrato terciário (usando cetona como solvente). A fase rápida se dá com o ataque do nucleófilo (hidroxila) ao eletrófilo (carbocátion). Essa reação é conhecida como uma reação de primeira ordem pois somente depende da concentração do substrato (V=k[Cloreto de Terc Butila])

Por outro lado a SN2 é uma reação em que existe a formação de uma espécie intermediária, onde o substrato (geralmente carbono primário ou secundário), fica parcialmente ligado ao nucleófilo. Para que ocorra a SN2, o solvente tem que ser do tipo polar aprótico, ou seja, solventes que não são bons para a formação de ligações de hidrogênio. Alguns exemplos desses solventes são o Dimetilsulfóxido (DMS), Dimetilformamida (DMF) e o Metanotiol.

Diferente da SN1, que ataca o eletrófilo pela frente, devido ao impedimento estérico, a SN2 pelo fato de formar o intermediário, o nucleófilo ataca por trás e então após a liberação do grupo de saída, temos a inversão da configuração.

O ataque do nucleófilo (Metanotiol) se dá por trás da estrutura em um carbono primário, levando à formação dos estado de transição, onde temos a ligação com o metanotiol parcialmente concluída e a saída do cloro parcialmente finalizada. Após isso temos a inversão da estrutura do substrato e a formação de ácido clorídrico. A SN2 é uma reação de segunda ordem, pois a lei de velocidade das reações que seguem esse tipo de mecanismo respeita do seguinte formalismo:
V=[substrato][nucleófilo].

 Obviamente temos diversos outros tipos de reações que representam uma SN1 e uma SN2, porém as mais simples são as com haletos terciários para a SN1 e haletos primários para SN2. Podemos ver que nessas reações existem muitas abordagens de físico-química, como os mecanismos de reação e a dependência das leis de velocidade.

Por isso durante um curso de química é mais coerente se estudar físico-química antes de partirmos para frentes que necessitam de um entendimento mais coerente do que é mecanismo, cinética química e leis de velocidade.

O maior desafio acadêmico para um licenciado - Mestrado em quântica!

Olá a todos!

Fiquei alguns meses sem trabalhar aqui no blog pois estava finalizando meu mestrado em química quântica pelo Instituto de Química de São Carlos (IQSC-USP). Agora que terminei essa pós-graduação na área de química teórica, pretendo fazer um doutorado na área de educação. Hoje vou tentar abordar um pouco sobre a subjetividade do que é um mestrado numa área um tanto quanto nebulosa para pessoas que se formam em licenciatura.

A química quântica realmente é uma área que está em amplo crescimento no mundo, e todo instituto ou departamento de química que preze por seu nome, atualmente, tem um bom grupo de pesquisa nessa área. Logo torna-se comum entre os laboratórios cheios de vidrarias, encontrarmos algumas "salas" com cara de escritório, com muitos computadores e pessoas trabalhando arduamente. Muitos podem estranhar o fato dos teóricos ficarem na frente de computadores e explicarem tudo baseado em níveis abstratos, com metodologias onde somente vemos equações como passos de trabalho e uma abordagem mais física frente ao comportamento químico das substâncias.

Obviamente, pelo fato da quântica ser uma vertente científica mais moderna, nós ainda estamos engatinhando frente a resolução de muitos problemas, sendo que as metologias de pesquisa estão a cada dia se fundamentando mais e mais, até que um dia, toda a pesquisa tenha como necessidade passar por um tratamento quântico para ser considerada como válida.

Porém, para conseguir um mínimo de abstração frente aos chamados problemas que fogem a metologia clássica, existe grande necessidade de um conhecimento bom em física e obviamente em cálculo. E é bem aí nesse ponto, que muitos de nós que viemos de um curso de licenciatura, encontramos a grande barreira frente a essa área. 

Digo isso, pelo fato dos cursos de licenciatura não prepararem solidamente a ementa para que os alunos adentrem no "mundo quântico" sem os traumas e preconceitos que adquirem durante os anos de faculdade. Eu escolhi fazer uma pós-graduação nessa área, pois, me sentia muito incompleto em físico-química e, então, resolvi sanar essa deficiência com um desafio... Talvez o maior desafio acadêmico que tive na minha vida de estudante... O Mestrado em Teoria do Funcional da Densidade (DFT - Density Functional Theory).

O primeiro entrave é o fato de toda a DFT ser embasada em língua inglesa, então, havia a necessidade de adquirir conhecimento sobre quântica em língua estrangeira e, isso, não é nem um pouco trivial. O segundo entrave foi a compreensão da simbologia, uma vez que o meu nível de conhecimento matemático não era muito profundo em cálculo numérico, então, a compreensão no cálculo variacional foi extremamente prejudicada. O terceiro entrave foi a pouca prática em lidar com o sistema operacional Linux (na realidade foi o menor dos entraves). Ou seja, a maior dificuldade que nós, alunos de química (Licenciatura e também Bacharel) temos em relação à quântica, permeia às linguagens que envolve essa área.

Portanto, aos estudantes que visam fazer uma pós-graduação na área de quântica, a primeira coisa que eu aconselho buscarem é um bom domínio de inglês. A segunda coisa será conhecer um mínimo de lógica de programação. Quem dominar essas duas características, aliado a um curso relativamente bom em química, tem boas chances de se sair bem nessa área que tanto amedronta as pessoas. É claro que essas características subjetivas, ou seja, as dificuldades notadas, se mostram referente aos problemas que encontrei, porém, ao questionar diversas pessoas que estavam trabalhando nessa área, notei que, a dificuldade relacionada com as linguagens existentes dentro dessa área eram comum a todos.

Uma percepção que obtive dentro desse universo acadêmico, e que se mostra muitas vezes restritivo foi o fato das pessoas terem um certo orgulho em dizer que trabalha ou trabalharam com quântica, sendo esse, um quesito que causa intimidação. É claro que, na maioria das vezes, as pessoas não se utilizam desse status intimidador para sobreporem suas opiniões sobre a dos outros, porém, não foram raras as vezes que pude observar um teórico querendo colocar um ponto final em uma discussão somente com a intimidação desse "título" adquirido devido ao fato de outras pessoas não terem tanta intimidade com esse universo (Na realidade, nem mesmo o teórico muitas vezes tem intimidade com quântica, mas se utiliza dessa alcunha de poder para subjugar aqueles que não aceitam sua opinião).

O que posso adiantar a todos aqueles que pensam em rumar ao "mundo quântico" é que devem irem preparados para receberem críticas severas. Para um teórico, muitas vezes a licenciatura é uma área que serve de escape, até mesmo a docência dentro da acadêmia se mostra inferior ao seu trabalho, pois esse "título" adquirido, na área de quântica, garante ao indivíduo o status de verdadeiro paladino da ciência... Ledo engano!

Um requisito básico para um cientista é ter capacidade de transmitir informação em diversos níveis de abstração, ou seja, se eu sou um pesquisador, descubro algo e, não tenho capacidade de transmitir de forma escrita e oralmente o quão relevante é minha descoberta, eu só mostro que sou um profissional incompleto. O interessante é que a maioria dos profissionais, de todas as áreas de pesquisa avançada em química, acreditam que os licenciados são incompletos frente ao conhecimento científico, mas esquecem que esses alunos assim podem ser, devido às ementas de curso mal estruturadas e também às péssimas aulas oferecidas (por esses próprios pesquisadores, que ostentam também o título de docentes... Porém não merecem... já que não sabem o que é didática).

Algo que vai ganhando nível de revolta durante a pós-graduação é o fato de a todo instante, alguém ver seu currículo, ler "Licenciado em Química" e logo em seguida já falar: "Você tem muito à aprender!"... Obviamente todos temos muito à aprender, mas com certeza, a nós que viemos da licenciatura, existe este estigma, mais bem definido e presente em nossa vida. 

Portanto o que quero deixar a todos aqui, que estudam licenciatura em química (ou mesmo em outra área) é que o preconceito com a área é mais evidente nos primeiros ciclos da pós-graduação, sendo que até se torna algo a nível de abrandamento, quando o seu orientador vem a "passar vergonha" com algum conceito que possa ser considerado errado, e que o aluno oriundo da licenciatura diz na frente de outros "titulados"... (Ah! ... ele vem da licenciatura... não liguem!). Engana-se quem crê que as nossas dificuldades são superiores aos alunos do bacharel, na realidade as dificuldades de um licenciado acabam ficando hercúleas pelo fato dos preconceituosos infligirem mais problemas à nossa trajetória, ou seja, em vez de atacar ao ponto, que é a melhoria da abstração frente às linguagens específicas da área, preferem atacar o nosso orgulho, dizendo que vamos ter que dedicar muito mais de nosso tempo ao estudo do que um aluno que tenha vido de um nível "superior".

Minha dica é não ter medo e ir relevando, trabalhando normal ao nível de todos. No meu mestrado existiu disciplina de 8 horas de trabalho dentro do laboratório (Para todos os alunos, indiferente de formação), porém a demanda sempre foi maior do que conseguíamos dar conta, ou seja, era comum ter pessoas no laboratório até as 20:00 horas, e depois trabalhando de madrugada em casa... isso é trivial no mundo acadêmico (Quantas noites mal dormidas não tive... praticamente dois anos dormindo mal!... Por isso não consegui mais produzir conteúdo para esse blog durante esse tempo). Porém essa dedicação não escolhe formação, ela é implícita da ciência, tornado-se quase um sacerdócio. 

Não acreditem que em outras áreas se encontra refresco, isso não é verdade, sempre que se espera produzir algo a nível internacional e, assim ter uma boa formação, vai haver uma grande demanda de trabalho.

Hoje, rumo para a educação novamente, com uma formação mais consolidada em ciências... Todas as dificuldades, frustrações e também exaustão frente a essa área que era nebulosa para mim, garante uma melhor abstração do que é ciência. Então, obviamente, indico aos licenciandos, que é extremamente salutar, sair da zona de conforto e se desafiar procurando melhoria pessoal e profissional, pois somente assim, podemos nos considerar bons docentes.