Desenhe a fórmula estrutural para a conformação mais estável do cis-1-terc-butil-4-metilcicloexano e cis-1-terc-butil-3-metil-cicloexano.
Passo 1
O que o problema pede:
- Desenhar a fórmula estrutural (ou seja, indicar a conformação cadeira) para a conformação mais estável de duas moléculas:
- cis-1-terc-butil-4-metilcicloexano;
- cis-1-terc-butil-3-metilcicloexano.
Informações que nos são dadas (sem ambiguidade):
- Os substituintes são
(grupo terciário butila) e (metila). - As posições na molécula são
e no primeiro composto, e e no segundo. - A palavra “cis” significa que os dois substituintes estão no mesmo lado do anel (mesma face: ambos apontando para cima ou ambos para baixo).
Passo 2
Conceitos essenciais (explicados passo a passo, sem pressupor conhecimento prévio)
- O cicloxetano (na verdade cicloxano) prefere a conformação cadeira porque ela minimiza tensões geométricas. Nessa conformação existem dois tipos de posições para um substituinte ligado a um carbono do anel:
- posição axial: um substituinte aponta perpendicularmente ao plano médio do anel (para cima ou para baixo). Vou representar verticalmente com
(para cima) ou (para baixo). - posição equatorial: um substituinte aponta mais para fora, aproximadamente ao redor do “meio” do anel (também pode estar inclinado para cima ou para baixo, mas é menos perpendicular).
- posição axial: um substituinte aponta perpendicularmente ao plano médio do anel (para cima ou para baixo). Vou representar verticalmente com
- Em uma cadeira padrão, os axiais alternam de sentido ao longo do anel. Um exemplo de padrão de axiais é:
Isso quer dizer que e têm axiais no mesmo sentido ( ), enquanto e têm axiais em sentidos opostos. - Importante: num mesmo carbono, axial e equatorial têm faces opostas. Se em
o axial é , então o equatorial associado a está no sentido em termos de “face”. - Por que isso importa para estabilidade? Grupos volumosos (como
) sofrem forte interação estérica se ficam em axial por causa das interações 1,3-diaxiais com hidrogênios axiais nas posições duas carbonos adiante. Por isso um grupo volumoso prefere a posição equatorial (menos aperto). Grupos pequenos (como ) têm menor penalidade axial, embora ainda prefiram equatorial.
Passo 3
Regra prática usada para decidir a conformação mais estável
- Sempre que for possível, coloque o maior grupo em equatorial, porque isso reduz bastante as interações estéricas (principalmente para
— ele “obriga” a ficar equatorial). - A relação cis/trans entre substituintes determina que posições (axial/equatorial) são possíveis numa mesma cadeira:
- Para dois substituintes em posições 1 e 4 (
e ): num dado conformador cadeira eles não podem estar ambos equatoriais com a mesma face; na verdade, para e a configuração cis exige que um esteja axial e o outro equatorial no mesmo conformador (porque as direções axiais em e são opostas). - Para dois substituintes em posições 1 e 3 (
e ): a configuração cis permite que ambos estejam equatoriais (ou ambos axiais) em um mesmo conformador, porque e têm axiais no mesmo sentido. Assim, consegue-se uma conformação em que ambos os grupos grandes ficam equatoriais (ideal).
- Para dois substituintes em posições 1 e 4 (
Passo 4
Aplicando a regra ao primeiro caso: cis-
1-terc-butil-4-metilcicloexano
- Dados: substituintes em
( ) e ( ), com relação cis (mesma face). - Pelo padrão axial que eu dei, suponha o conformador em que
tem axial . Então em a posição equatorial corresponde à face . - Como os axiais em
e são opostos ( , ), para que os dois substituintes estejam cis (mesma face) um deve estar em equatorial e o outro em axial no mesmo conformador. Para colocar o grupo maior ( ) em equatorial (preferível), escolhemos: -
: em posição equatorial (que aqui é ); -
: em posição axial (aqui ) — assim ambos ficam na mesma face ( ) e são cis.
-
- Conclusão prática para desenhar: desenhe a cadeira; em
coloque na posição equatorial apontando para fora e para baixo; em coloque axial apontando para baixo. Essa conformação é a mais estável possível dado o requisito cis, porque o maior grupo está equatorial.
Passo 5
Aplicando a regra ao segundo caso: cis-
1-terc-butil-3-metilcicloexano
- Dados: substituintes em
( ) e ( ), com relação cis. - Pelo padrão axial,
e têm axiais no mesmo sentido (por exemplo, ambos ), portanto há um conformador cadeira em que: -
e têm equatoriais no mesmo sentido oposto (ambas se seguir o mesmo exemplo).
-
- Como ambos podem ser equatoriais ao mesmo tempo mantendo a relação cis, a escolha óbvia e mais estável é:
-
: equatorial (por exemplo, ); -
: equatorial (também ).
-
- Conclusão prática para desenhar: desenhe a cadeira; coloque
equatorial em e equatorial em , ambos apontando para a mesma face (para baixo no exemplo). Essa conformação minimiza interações estéricas e é, portanto, a mais estável.
Passo 6
Resumo qualitativo de estabilidade e dicas de desenho
- cis-1-terc-butil-4-metilcicloexano: não existe conformação cadeira em que ambos os substituintes sejam equatoriais mantendo a relação cis; portanto a conformação mais estável é aquela com
equatorial e axial (ambos na mesma face). - cis-1-terc-butil-3-metilcicloexano: existe conformação cadeira em que ambos são equatoriais e cis; essa é a mais estável (colocar
e equatoriais, mesma face). - Dica de desenho passo a passo (para ambas): desenhe o esqueleto cadeira clássico; num vértice marque
e coloque o grupo na posição equatorial; localize ou seguindo o anel e coloque o conforme axial/equatorial indicado acima; sinalize com setas para cima ( ) ou para baixo ( ) se quiser explicitar a face.
Resposta
cis-1-terc-butil-4-metilcicloexano: conformação cadeira com
-
em posição equatorial (para baixo) e
-
em posição axial (para baixo).
cis-1-terc-butil-3-metilcicloexano: conformação cadeira com
-
e
-
ambos em posição equatorial (mesma face, por exemplo para baixo).