Desenhe a fórmula estrutural dos carbocátions mais estáveis para cada fórmula molecular:
.
Passo 1
O enunciado pede para desenhar a fórmula estrutural dos carbocátions mais estáveis cuja fórmula molecular é
.
Informações relevantes dadas pelo enunciado: a única restrição é a fórmula molecular . Isso significa que estamos procurando, entre todos os carbocátions possíveis com cinco carbonos e carga positiva total, quais estruturas são as mais estáveis (ou seja, qual(is) isômero(s) do carbocátion tem maior estabilidade). Nada mais foi fornecido.
Informações relevantes dadas pelo enunciado: a única restrição é a fórmula molecular
Passo 2
O que é um carbocátion e como julgar estabilidade (aula rápida e prática):
- Um carbocátion é um carbono com carga positiva, representado por
. Esse carbono tem apenas três ligações sigma e um orbital p vazio. - Classificação por vizinhança de carbonos: um carbocátion é
- primário se o carbono carregado está ligado a 1 outro carbono,
- secundário se ligado a 2 carbonos,
- terciário se ligado a 3 carbonos.
- Regra prática de estabilidade (ordem geral):
. Por quê? Dois efeitos principais: - Hiperconjugação: as ligações C–H dos carbonos vizinhos podem estabilizar o orbital p vazio por sobreposição parcial. Quanto mais hidrogênios β disponíveis em átomos ligados ao carbono carregado, maior o número de estruturas de hiperconjugação e maior a estabilização.
- Ex.: um carbonio terciário com três grupos metila tem mais hidrogênios β do que um secundário, logo mais hiperconjugação.
- Efeito indutor (+I) dos grupos alquila: grupos alquila doam densidade eletrônica por efeito indutor, ajudando a dispersar a carga positiva; mais grupos alquila = maior estabilização.
- Hiperconjugação: as ligações C–H dos carbonos vizinhos podem estabilizar o orbital p vazio por sobreposição parcial. Quanto mais hidrogênios β disponíveis em átomos ligados ao carbono carregado, maior o número de estruturas de hiperconjugação e maior a estabilização.
- Conclusão útil para prova: para hidrocarbonetos saturados simples (sem ressonância), busque o carbocátion terciário sempre que possível — ele será o mais estável.
Passo 3
Quais carbocátions existem para
(enumeração qualitativa):
- Existem isômeros primários, secundários e terciários derivados de diferentes esqueletos de cinco carbonos (cadeia linear e ramificadas).
- Para obter um carbocátion terciário em um esqueleto de cinco carbonos precisamos de um carbono que esteja ligado a três outros carbonos. Entre os isômeros de
esse requisito é atendido no esqueleto do 2‑metilbutano (isopentano): o carbono 2 (o carbono com a metila ligada) é ligado a três carbonos e, removendo-se um próton desse carbono, obtemos um carbocátion terciário. - Esqueletos como n‑pentano só dão carbocátions secundários ou primários; o 2,2‑dimetilpropano (neopentano) tem um carbono quaternário (sem H) e as possiblidades diretas são cátions primários que são menos estáveis. Portanto o único carbocátion terciário possível com fórmula
— sem invocar rearranjos complexos ou estruturas não-clássicas — é o derivado do 2‑metilbutano, isto é, o carbocátion terciário chamado comumente de “tert‑amyl” (ou 2‑metil‑2‑butil cation). - Razoamento por número de hidrogênios β (hiperconjugação) para comparar: no carbocátion terciário de
(ver passo seguinte) há ) hidrogênios β que podem participar de hiperconjugação (três das duas metilas = e dois do grupo etila adjacente = , total ). Um carbocátion secundário típico em C5 terá menos hidrogênios β, logo será menos estabilizado.
Passo 4
Desenho e explicação concreta da estrutura mais estável:
- A estrutura mais estável é o carbocátion terciário onde o carbono carregado está ligado a dois grupos metila e a um grupo etila. Em forma condensada essa estrutura é:
- Explicando a notação: o carbono central
tem duas ligações a (dois grupos metila) e uma ligação a (grupo etila). Esse arranjo dá um carbono com três vizinhos de carbono (terciário) e, conforme explicado, máxima estabilização por hiperconjugação e efeito indutor entre os isômeros possíveis de . - Observação prática para prova: se te derem
e pedirem o carbocátion mais estável, busque sempre a possibilidade de ter um carbono ligado a três carbonos; aqui isso acontece apenas no esqueleto do 2‑metilbutano, levando à estrutura acima.