Desenhe as conformações cadeira e barco do ciclohexano. Compare suas energias e explique a diferença.

Passo 1

O que o enunciado pede:
  • Desenhar as conformações “cadeira” e “barco” do ciclohexano.
  • Comparar as energias dessas conformações e explicar por que uma é mais estável que a outra.
Informações dadas (implícitas no enunciado):
  • A molécula é o ciclohexano simples (seis carbonos saturados ligados em anel).
  • Não foram dados substituintes nem condições extras, então trataremos do ciclohexano não substituído (apenas hidrogênios ligados aos carbonos).
  • Não há figura fornecida pelo enunciado; vou orientar passo a passo como desenhar cada conformação e explicar as razões energéticas.

Passo 2

Conceitos fundamentais que vamos usar (explicados com atenção):
  • O carbono sp ^3 tem geometria tetraédrica, com ângulo ideal \;109,5^\circ. Quando átomos formam um anel, podem aparecer tensões se esses ângulos se desviarem muito do ideal — isso é “tensão angular”.
  • “Tensão torcional” vem de interações entre ligações que podem estar em conformação eclipsada (maior energia) ou staggered/defasada (menor energia). Ligações C–C em staggered têm energia menor.
  • “Tensão estérica” ou repulsão de van der Waals ocorre quando átomos (por exemplo H) ficam muito próximos em espaço e se “chocam”.
  • Objetivo das conformações é minimizar soma dessas tensões. Vou mostrar como cadeira e barco se comportam segundo essas tensões.

Passo 3

Como desenhar a conformação cadeira (passo a passo e interpretação):
  1. Esboço básico do anel: desenhe um hexágono não plano — em vez de um hexágono regular, imagine uma “cadeirinha”. Uma forma simples para desenhar:
\begin{array}{c} \quad\\ \mathrm{C}_1\\ \\ \\ \\ \\ \\ \mathrm{C}_2\\[2pt] \quad\\ /\quad\quad\\ \\ /\\ \\[2pt] \mathrm{C}_6\quad\\ \\ \\ \mathrm{C}_3\\[2pt] \quad\\ \backslash\quad\quad\\ /\\ \\[2pt] \quad\\ \mathrm{C}_5\\ \\ \\ \\ \\ \\ \mathrm{C}_4 \end{array}
  1. Numere os carbonos \mathrm{C}_1 a \mathrm{C}_6 ao redor do anel conforme o esboço acima. A ideia é que \mathrm{C}_1,\mathrm{C}_3,\mathrm{C}_5 fiquem “para cima/para fora” e \mathrm{C}_2,\mathrm{C}_4,\mathrm{C}_6 “para baixo/para dentro” (alternância de posições acima/abaixo do plano médio).
  2. Para cada carbono há duas ligações C–H: uma axial (perpendicular ao plano aproximado do anel) e uma equatorial (aproximadamente tangente/para fora do anel). Numere os axiais assim:
\text{Axiais: }\mathrm{C}_1\\ (\uparrow),\\ \mathrm{C}_2\\ (\downarrow),\\ \mathrm{C}_3\\ (\uparrow),\\ \mathrm{C}_4\\ (\downarrow),\\ \mathrm{C}_5\\ (\uparrow),\\ \mathrm{C}_6\\ (\downarrow).
  1. Interpretação estrutural importante: na conformação cadeira todas as ligações C–C estão praticamente em arranjo staggered (defasadas), então a tensão torcional é mínima. Além disso, os ângulos de ligação ficam muito próximos de \;109{,}5^\circ, então não há tensão angular significativa. Por isso a cadeira é a conformação de menor energia.]

Passo 4

Desenho e interpretação da conformação barco (passo a passo):
  1. Esboço do barco: imagine que dois carbonos opostos do anel (os “bow” e “stern”) ficam ambos para cima, formando a proa e a popa do barco. Um esboço simples:
\begin{array}{c} \\ \\ \mathrm{C}_1\\ \\ \\ \\ \mathrm{C}_2\\[2pt] \\ \\ / \quad\quad\\ \\ \backslash\\[2pt] \mathrm{C}_6\quad\\ \\ \\ \\ \mathrm{C}_3\\[2pt] \\ \\ \backslash\quad\quad/\\[2pt] \\ \\ \mathrm{C}_5\\ \\ \\ \\ \mathrm{C}_4 \end{array}
  1. Nos carbonos da “proa” ( \mathrm{C}_1) e da “popa” ( \mathrm{C}_4 no esquema típico) há hidrogênios que ficam muito próximos espacialmente — esses são chamados de “flagpole hydrogens” (hidrogênios mastros). Eles sofrem repulsão estérica forte.
  2. Além disso, na conformação barco há várias ligações C–C com interações eclipsadas — isto é, há aumento de tensão torcional em comparação com a cadeira.
  3. Conclusão estrutural para o barco: por causa da combinação de repulsões estéricas (flagpoles) e maior número de interações eclipsadas, o barco tem energia bem maior que a cadeira.]

Passo 5

Comparação qualitativa das tensões entre cadeira e barco (passo a passo didático):
  • Tensão angular:
    • Cadeira: ângulos muito próximos de \;109{,}5^\circ → praticamente sem tensão angular.
    • Barco: também razoavelmente próximos, mas esse não é o fator principal para a diferença.
  • Tensão torcional:
    • Cadeira: todas (ou quase todas) as ligações C–C estão em conformação staggered → mínima tensão torcional.
    • Barco: várias ligações em eclipsing → tensão torcional aumentada.
  • Tensão estérica:
    • Cadeira: hidrogênios não ficam tão próximos; no ciclohexano simples a estérica direta entre hidrogênios é pequena.
    • Barco: hidrogênios “flagpole” (dos carbonos da proa e popa) ficam muito próximos → forte repulsão estérica.
  • Resultado: cadeira minimiza simultaneamente tensão torcional e estérica, por isso é muito mais estável que o barco.

Passo 6

Valores energéticos típicos (e como interpretá-los):
  • Para o ciclohexano não substituído, valores experimentais e de teoria indicam que a conformação barco é aproximadamente \approx 6{,}9\\ \text{kcal mol}^{-1} mais alta em energia do que a cadeira. Em unidades do Sistema Internacional isso é cerca de \approx 29\\ \text{kJ mol}^{-1}.
  • Há também a conformação “twist-boat” (barco torcido) que alivia parte das tensões do barco puro; o twist-boat fica entre cadeira e barco em energia, mas ainda significativamente acima da cadeira.
  • Interpretação prática para a prova: a cadeira é a conformação padrão e mais estável do ciclohexano; estados de energia mais alta (barco, twist-boat) existem mas são pouco populados à temperatura ambiente por causa da diferença energética citada.

Passo 7

Observações sobre substituintes (conceito útil para provas):
  • Se houver substituintes no anel, as interações 1,3-diaxiais (quando um substituinte ocupa posição axial e “bate” contra hidrogênios axiais nos carbonos \;1,3) introduzem repulsões estéricas que podem tornar uma conformação com o substituinte equatorial preferida.
  • Regra prática: substituintes volumosos preferem posição equatorial para minimizar 1,3-diaxial. Isso é consequência do mesmo tipo de análise energia = soma (tensão torcional + estérica + angular).

Passo 8

Resumo final (para memorizar e usar na prova):
  • Desenhe a cadeira como uma estrutura alternando carbonos “para cima” e “para baixo”, com ligações C–C em staggered; destaque axiais e equatoriais.
  • Desenhe o barco com dois carbonos projetados para o mesmo lado formando proa/popa; mostre hidrogênios “flagpole” próximos e algumas eclipsagens.
  • Explique que a cadeira é a conformação mais estável porque minimiza tensão torcional e estérica; o barco é menos estável principalmente por repulsões estéricas (flagpoles) e interações eclipsadas.
  • Memorize a diferença energética típica: \approx 6{,}9\\ \text{kcal mol}^{-1} ( \approx 29\\ \text{kJ mol}^{-1}) entre cadeira (mais baixa) e barco (mais alta).

Resposta

Cadeira: esboço com carbones alternando para cima/para baixo e hidrogênios axiais/equatoriais; conformação com ligações C–C staggered e mínima tensão → conformação de menor energia.
Barco: esboço com dois carbonos na proa/popa (ambos projetados para o mesmo lado), hidrogênios “flagpole” próximos e várias eclipsagens → maior tensão estérica e torcional.
Comparação/explicação da diferença: a cadeira é mais estável porque minimiza tensão torcional (ligações staggered) e evita grandes repulsões estéricas; o barco é menos estável devido a repulsões dos “flagpole hydrogens” e interações eclipsadas. Diferença energética típica: \approx 6{,}9\\ \text{kcal mol}^{-1} ( \approx 29\\ \text{kJ mol}^{-1}), cadeira mais baixa em energia.

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