Desenhe a fórmula estrutural dos carbocátions mais estáveis para cada fórmula molecular:
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Passo 1
O enunciado pede: desenhar a(s) fórmula(s) estrutural(is) dos carbocátions mais estáveis cuja fórmula molecular é
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Informações dadas (explícitas ou implícitas):
significa que temos três átomos de carbono, sete de hidrogênio, um de oxigénio e carga total
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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).
Informações dadas (explícitas ou implícitas):
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:
- Hiperconjugação (mais grupos alquila ligados ao C
→ mais doadores por efeito indutivo e mais C–H que podem hiperconjugar), - Efeito indutivo (grupos doadores estabilizam, grupos retiradores desestabilizam),
- Ressonância (se o elétron doador de um heteroátomo vizinho, como O, puder estabilizar o centro positivo por conjugação, isso é muito importante).
- Hiperconjugação (mais grupos alquila ligados ao C
- 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 e sinalizar se o carbono carregado está ligado diretamente ao O (portanto α‑oxigenado, com ressonância) ou não.
Vou escrever as estruturas compatíveis com
Possíveis carbocátions α‑oxigenados (O ligado diretamente ao C
):
- (A) cation vindo de
-propanol (C no carbono que tem o OH):
(o Cestá diretamente ligado ao O — estabilização por ressonância; este é um centro carbonílico do tipo secundário α‑oxigenado) - (B) cation vindo de
-propanol (C no carbono que tem o OH, extremidade):
(Cligado ao O, mas é primário α‑oxigenado) - (C) cation vindo de éter etil–metílico (cation no carbono adjacente ao O do lado etílico):
(Cligado diretamente ao O, primário α‑oxigenado)
Possibilidades sem ligação direta O–C (menor estabilização por ressonância):
- (D)
(C não é diretamente ligado ao O; apenas β em relação ao O) - (E)
(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)
: o carbono positivo é ligado a dois grupos metila ( ) → 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)
: o C é ligado apenas a um grupo alquila ( ) 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)
: 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 doa por ressonância também. Tem menos hiperconjugação que (A).
- (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:
Forma canônica principal:
Doação de um par livre do oxigénio gera a forma ressonante:
(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
, 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.