Apresente um método viável para a obtenção do n-heptano.

Passo 1

O enunciado pede: apresentar um método viável para a obtenção do n-heptano.
Informações dadas (implícitas): queremos sintetizar o alcano linear de fórmula molecular C _7 (ou seja, o n-heptano) a partir de reagentes comuns de laboratório; o enunciado não fixa reagentes iniciais nem restrições (por isso posso escolher uma rota prática).
Observação: não há figura nem outras condições fornecidas.

Passo 2

Escolha da estratégia (resumo antes de ir aos detalhes): vou escolher uma rota de formação de ligação carbono–carbono C(sp ^3)–C(sp ^3) confiável em laboratório orgânico: acoplamento nucleofílico usando um reagente de Gilman (organocuprato), que permite unir um grupo n-butila a um grupo n-propila para formar o alcano linear de sete carbonos. Em linguagem simples: vamos montar C _4 + C _3 → C _7.
Por que essa escolha? Porque o reagente de Gilman \mathrm{R_2CuLi} (onde R é um grupo alquila) é clássico para fazer acoplamentos entre um nucleófilo alquila e um haleto alquila primário, com poucas reações laterais quando bem conduzido. Outras rotas (p.ex. hidrogenação de alceno, Kolbe eletrolítico, acoplamentos catalíticos mais modernos) também são possíveis — eu explico uma alternativa ao final — mas o Gilman é direto e didático para entender formação de C–C.

Passo 3

Lista dos reagentes e equipamentos principais (o que você precisa preparar/ter):
  • haletos alquila: \mathrm{n\!-\!PrBr} (brometo de propila, fonte do fragmento C _3) e \mathrm{n\!-\!BuBr} (brometo de butila, fonte do C _4 caso você quiser preparar o organolitio a partir dele).
  • ou: solução comercial de \mathrm{n\!-\!BuLi} (ex.: 1{,}6\\ \mathrm{M} em hexano) é mais prática e segura.
  • iodeto de cobre anidro \mathrm{CuI}.
  • solvente anidro: éter dietílico (Et _2O) ou THF anidro.
  • atmosfera inerte (N _2 ou Ar), banho de -78^\circ\mathrm{C} (banho de gelo seco/acetona) e banho de 0^\circ\mathrm{C} (banho de gelo) conforme necessário.
  • vidraria seca, agitação magnética, sistema de separação, secante anidro (Na _2SO _4), coluna/evaporação e destilador para purificação.

Passo 4

Esquema reacional geral (equação que resume a rota escolhida):
2\,\mathrm{n\!-\!BuLi} + \mathrm{CuI} \longrightarrow \mathrm{(n\!-\!Bu)_2CuLi} + \mathrm{LiI}
\mathrm{(n\!-\!Bu)_2CuLi} + \mathrm{n\!-\!PrBr} \longrightarrow \text{n-heptano} + \text{byproducts (LiBr, LiI, etc.)}
Explicação: primeiro formamos o organocuprato (reagente de Gilman) a partir de \mathrm{n\!-\!BuLi} e \mathrm{CuI}. Em seguida, esse organocuprato reage com o haleto \mathrm{n\!-\!PrBr} para transferir um grupo \mathrm{n\!-\!Bu} ao grupo propila, formando a nova ligação C–C e, por consequência, o n-heptano: C _4–C _3.

Passo 5

Protocolo experimental prático e passo a passo (escala exemplo: alvo 10 mmol de produto):
  1. preparo/medida: para obter 10\\ \mathrm{mmol} de n-heptano, faça 10\\ \mathrm{mmol} de \mathrm{n\!-\!PrBr}. Para preparar 10\\ \mathrm{mmol} de \mathrm{(n\!-\!Bu)_2CuLi} são necessários 20\\ \mathrm{mmol} de \mathrm{n\!-\!BuLi} e 10\\ \mathrm{mmol} de \mathrm{CuI}. Exemplos de quantidades: 10\\ \mathrm{mmol} de \mathrm{n\!-\!PrBr}\approx 1{,}23\\ \mathrm{g}; 10\\ \mathrm{mmol} de \mathrm{CuI}\approx 1{,}90\\ \mathrm{g}; se usar \mathrm{n\!-\!BuLi} comercial 1{,}6\\ \mathrm{M}, precisará de 20\\ \mathrm{mmol}/1{,}6\\ \mathrm{M}=12{,}5\\ \mathrm{mL} da solução.
  2. secagem: certifique-se que todo o sistema é seco e em atmosfera inerte — organolitio e organocuprato são destruídos por água/oxigênio.
  3. formação do organocuprato: em um balão seco e sob Ar/N _2, coloque THF anidro (prox. 10{-}20\\ \mathrm{mL} para escala) e resfrie a -78^\circ\mathrm{C} ou a 0^\circ\mathrm{C} (muitos procedimentos usam -78^\circ\mathrm{C} ao adicionar o \mathrm{n\!-\!BuLi}). Adicione a solução de \mathrm{n\!-\!BuLi} (volume calculado) ao balão; em seguida adicione \mathrm{CuI} (sólido) lentamente. Deverá formar-se o complexo \mathrm{(n\!-\!Bu)_2CuLi} segundo a estequiometria mostrada. Agite por alguns minutos até completar a formação.
  4. acoplamento: mantendo temperatura baixa (tipicamente -78^\circ\mathrm{C} a 0^\circ\mathrm{C}), adicione lentamente a solução (em THF) de \mathrm{n\!-\!PrBr} (1 equiv, 10\\ \mathrm{mmol}) ao balão contendo a cuprato. Agite a mistura por 30–60 minutos, e então deixe subir lentamente à temperatura ambiente se o procedimento indicar. O acoplamento é na prática rápido em baixas temperaturas e minimiza reações secundárias.
  5. trabalho (work-up): depois de completar, faça quench com solução saturada de \mathrm{NH_4Cl} ou água fria cuidadosamente (cuidado: reatividade de resíduos organometálicos). Separe a fase orgânica, lave com água, seque sobre Na _2SO _4, filtre e evapore o solvente sob redução de pressão. Purifique por destilação fracionada a pressão reduzida. O ponto de ebulição do n-heptano é cerca de 98{,}4^\circ\mathrm{C} (à pressão atmosférica); em laboratório use destilação a pressão reduzida para facilitar.
  6. rendimento esperado e notas: rendimentos típicos para acoplamentos Gilman podem variar, digamos, 50\% 80\% dependendo da pureza dos reagentes e do controle das condições. Impurezas típicas: alcanelas menores (por redução), haletos não consumidos e sais inorgânicos.

Passo 6

Mecanismo e conceitos envolvidos (aula rápida, explicando cada conceito):
  • o que é \mathrm{n\!-\!BuLi}: é um organolitio, um forte base e forte nucleófilo que tem um caráter altamente reativo com água, O2, CO2. Por isso exige condições anidras e atmosfera inerte.
  • formação do organocuprato (Gilman): ao misturar 2\,\mathrm{RLi} com \mathrm{CuI} forma-se \mathrm{R_2CuLi}. Esse complexo é menos reativo que o organolitio puro, tornando-o seletivo para substituição nucleofílica de haletos primários, sem promover tanto eliminação nem rearranjos.
  • como ocorre o acoplamento: o organocuprato ataca o haleto alquila por um tipo de mecanismo que lembra SN2 (transferência de um R para o carbono eletrófilo), liberando o produto R\!-\!R'. Por isso haletos primários e secundários reativos funcionam bem; haletos terciários dão problemas.
  • por que temperatura baixa: reduz reações de decomposição do organometálico e elimina reações laterais (eliminação, polimerização, rearranjo).
  • por que atmosfera inerte e solvente anidro: água/oxigênio destroem organolitios e organocupratos formando hidrocarbonetos indesejados, álcoois e sais.

Passo 7

Cuidados práticos, segurança e dicas para a prova/recado amigo:
  • sempre avise que organolitios e cupratos são sensíveis/pyrofóricos — use capela, EPI, e adicione reagentes lentamente.
  • observe medidas estequiométricas: excesso muito grande de organolitio pode levar a subprodutos; excesso pequeno diminui rendimento.
  • purificação por destilação fracionada é a forma comum para alcanos.
  • se em prova te pedirem uma rota “viável” e sem muitos reagentes sofisticados, explique a escolha e escreva as equações de formação do organocuprato e do acoplamento, como fiz acima — isso mostra entendimento do método.

Passo 8

Alternativa simples (rota de “transformação funcional” mais direta, caso o examinador aceite): partir de 1-hepteno e hidrogenar.
  • obtenção de 1-hepteno: pode-se obter por eliminação de 1-bromoheptano ou por outros métodos de extensão de cadeia dependendo do reagente inicial.
  • hidrogenação catalytic: \mathrm{1\text{-}hepteno} + \mathrm{H_2} (Pd/C, 1 atm, RT) \longrightarrow n-heptano.
    Essa alternativa é conceitualmente mais simples (apenas quebra de dupla ligação e adição de H _2) mas pressupõe acesso prévio ao alceno de cadeia correta.

Resposta

Rota proposta: formar o organocuprato \mathrm{(n\!-\!Bu)_2CuLi} a partir de \mathrm{n\!-\!BuLi} e \mathrm{CuI}, e então reagir esse cuprato com \mathrm{n\!-\!PrBr} para realizar o acoplamento C _4+C _3 \to n-heptano; trabalho e purificação por extração e destilação.

Exercícios relacionados