Desenhe a fórmula estrutural dos carbocátions mais estáveis para cada fórmula molecular:
\mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{7} \mathrm{O}^{+}.

Passo 1

O enunciado pede: desenhar a(s) fórmula(s) estrutural(is) dos carbocátions mais estáveis cuja fórmula molecular é \mathrm{C_3H_7O^+}.
Informações dadas (explícitas ou implícitas):
\mathrm{C_3H_7O^+} significa que temos três átomos de carbono, sete de hidrogênio, um de oxigénio e carga total +\;1.
O que é pedido: identificar quais estruturas (isômeros carregados positivamente em carbono) compatíveis com essa fórmula são as mais estáveis e desenhá‑las (aqui, representar em fórmulas lineares).

Passo 2

Conceitos essenciais (mini‑aula, sem pular etapas):
  • Um carbocátion é uma espécie com carga positiva localizada em um átomo de carbono; esse carbono tem apenas três ligações formais e uma lacuna eletrônica.
  • Estabilidade de carbocátions depende principalmente de:
    1. Hiperconjugação (mais grupos alquila ligados ao C ^+ → mais doadores por efeito indutivo e mais C–H que podem hiperconjugar),
    2. Efeito indutivo (grupos doadores estabilizam, grupos retiradores desestabilizam),
    3. Ressonância (se o elétron doador de um heteroátomo vizinho, como O, puder estabilizar o centro positivo por conjugação, isso é muito importante).
  • Quando o oxigénio está diretamente ligado ao carbono positivo (ou seja, o C ^+ é adjacente ao oxigénio por ligação direta), há estabilização por ressonância: a lone pair do oxigénio pode doar e produzir uma estrutura ressonante com carga concentrada no oxigénio (oxônio). Esse tipo é chamado de carbocátion α‑oxigenado e é mais estável do que um carbocátion simples sem ressonância.

Passo 3

Listagem das possibilidades (estrutura do esqueleto C–C–C com um O presente, e onde a carga + pode estar num átomo de C):
Vou escrever as estruturas compatíveis com \mathrm{C_3H_7O^+} e sinalizar se o carbono carregado está ligado diretamente ao O (portanto α‑oxigenado, com ressonância) ou não.
Possíveis carbocátions α‑oxigenados (O ligado diretamente ao C ^+):
  • (A) cation vindo de 2-propanol (C ^+ no carbono que tem o OH):
    \mathrm{CH_3}-\mathrm{C}^+(\mathrm{OH})-\mathrm{CH_3}
    (o C ^+ está diretamente ligado ao O — estabilização por ressonância; este é um centro carbonílico do tipo secundário α‑oxigenado)
  • (B) cation vindo de 1-propanol (C ^+ no carbono que tem o OH, extremidade):
    \mathrm{CH_3}-\mathrm{CH_2}-\mathrm{CH}^+(\mathrm{OH})
    (C ^+ ligado ao O, mas é primário α‑oxigenado)
  • (C) cation vindo de éter etil–metílico (cation no carbono adjacente ao O do lado etílico):
    \mathrm{CH_3}-\mathrm{O}-\mathrm{CH}^+-\mathrm{CH_3}
    (C ^+ ligado diretamente ao O, primário α‑oxigenado)
Possibilidades sem ligação direta O–C (menor estabilização por ressonância):
  • (D) \mathrm{CH_3}-\mathrm{CH}^+-\mathrm{CH_2OH} (C ^+ não é diretamente ligado ao O; apenas β em relação ao O)
  • (E) \mathrm{CH_2}^+-\mathrm{CH_2}-\mathrm{CH_2OH} (idem, cation primário distante do O)

Passo 4

Análise qualitativa de estabilidade (passo a passo usando os conceitos):
  • Ressonância com O (α‑oxigenado) é um efeito forte e tende a superar diferenças puras de substituição alquila. Portanto qualquer carbocátion com C ^+ ligado diretamente ao oxigénio será muito mais estável que aqueles onde o O está a duas ligações de distância. Logo (A), (B) e (C) são claramente melhores que (D) e (E).
  • Entre (A), (B) e (C) precisamos comparar hiperconjugação (número de substituintes alquila ligados ao C ^+) e doação por ressonância do O:
    • (A) \mathrm{CH_3}-\mathrm{C}^+(\mathrm{OH})-\mathrm{CH_3}: o carbono positivo é ligado a dois grupos metila ( \mathrm{CH_3}) → é um carbocátion secundário em termos de substituição por carbono; além disso ele é α‑oxigenado (donor por ressonância). Então soma dois efeitos benéficos: hiperconjugação razoável (mais C–H vizinhos para hiperconjugação) + ressonância com O.
    • (B) \mathrm{CH_3}-\mathrm{CH_2}-\mathrm{CH}^+(\mathrm{OH}): o C ^+ é ligado apenas a um grupo alquila ( \mathrm{CH_2}) e a um H (é primário por contagem de carbonos), mas é α‑oxigenado. Ganha ressonância, mas perde em hiperconjugação em relação a (A).
    • (C) \mathrm{CH_3}-\mathrm{O}-\mathrm{CH}^+-\mathrm{CH_3}: o C ^+ é ligado a um grupo metila e a oxigénio (e a um H) — em termos de contagem de carbonos ligados é primário (apenas um grupo carbonado), mas o grupo O–CH _3 doa por ressonância também. Tem menos hiperconjugação que (A).
  • Conclusão da comparação: (A) > (C) ≈ (B) > (D),(E). Em palavras: o carbocátion secundário α‑oxigenado (A) é o mais estável porque soma ressonância (do O) com maior estabilização por hiperconjugação (dois grupos metila ligados ao C ^+). Os outros α‑oxigenados primários são menos estabilizados.

Passo 5

Mostrando a ressonância para (A) (isso explica por que a presença de O ao lado é tão poderosa):
Forma canônica principal:
\mathrm{CH_3}-\mathrm{C}^+(\mathrm{OH})-\mathrm{CH_3}
Doação de um par livre do oxigénio gera a forma ressonante:
\mathrm{CH_3}-\mathrm{C}(=\mathrm{O}^\!{}^+)-\mathrm{CH_3}
(nesta forma o oxigénio fica com carga formal + e o carbono ganha dupla ligação com O; a carga efetiva é delocalizada sobre o O — por isso a estabilização é grande).

Passo 6

Resposta prática para desenhar: como o pedido é desenhar os carbocátions mais estáveis para \mathrm{C_3H_7O^+}, a estrutura que devemos dar como mais estável é a (A). Como auxiliares (segundo nível de estabilidade) podemos também mostrar as formas α‑oxigenadas primárias (B) e (C) — mas elas são menos estáveis que (A). Na prova, se pedirem “o(s) mais estável(is)”, indique preferencialmente (A) como resposta principal.

Resposta

\mathrm{CH_3}-\mathrm{C}^+(\mathrm{OH})-\mathrm{CH_3}
\mathrm{CH_3}-\mathrm{O}-\mathrm{CH}^+-\mathrm{CH_3}

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