Quando o 1,2-dimetil-ciclopenteno reage com o hidrogênio na presença de platina finamente dividida, um só isômero do 1,2-dimetil-ciclopentano é formado. Qual é ele? (Descreva o mecanismo).

Passo 1

O enunciado dá as seguintes informações e pede claramente isto:
  • O reagente é o composto chamado 1,2-dimetil-ciclopenteno — isto é, um ciclo-penteno cuja dupla ligação está entre os carbonos 1 e 2 e esses mesmos carbonos têm cada um um grupo metil.
  • O reagente que reage com ele é o hidrogénio ( H_2) na presença de platina finamente dividida (catalisador heterogéneo \text{Pt (s)}).
  • Afirma-se que, após a hidrogenação, forma-se apenas um único isómero do produto 1,2-dimetil-ciclopentano.
  • O que se pede:
    1. Identificar qual isómero do 1,2-dimetilciclopentano é formado.
    2. Descrever o mecanismo da reação, explicando por que só aparece esse isómero.

Passo 2

Conceitos essenciais (aula curtinha e prática) — o que acontece, em palavras simples.
  • Hidrogenação heterogénea com platina: H_2 dissocia-se sobre a superfície metálica formando átomos de hidrogénio adsorvidos ( \text{Pt}-H). O alceno também adsorbe-se pelo par \pi à superfície do metal, ficando “deitado” sobre a superfície. A consequência chave é que os dois átomos de hidrogénio que entram na dupla ligação são transferidos a partir da superfície do metal para a mesma face da dupla ligação — isto chama-se adição síncrona ou adição syn (adição do mesmo lado).
  • Para um alceno cíclico, essa adição syn converte a ligação \text{C}=\text{C} em duas ligações \text{C}-\text{H} ambas vindo do mesmo lado do anel. Logo, os substituintes que já estavam ligados aos carbonos da dupla tendem a ficar do mesmo lado do anel no produto saturado — isto é, dão o produto cis relativo.
  • Por isso, hidrogenações heterogéneas (Pt, Pd, Ni) normalmente dão produtos de adição syn e, em anéis, isso implica preferência por isômeros cis quando há dois substituintes nos carbonos que participaram da dupla ligação.

Passo 3

Mecanismo passo a passo (quatro etapas simples), explicando o que ocorre em cada etapa e o porquê:
  1. Dissociação do H_2 sobre platina:
    • O hidrogénio molecular aproxima-se da superfície metálica e quebra a ligação \text{H}-\text{H}. Formam-se dois átomos de hidrogénio ligados à superfície: \text{Pt}-H (há muitos sítios de hidrogénio na superfície).
    • Ensino rápido: a platina baixa a barreira para quebrar \text{H}_2; isto não é uma reação radical livre livre no vazio — os H ficam “adsorvidos” na superfície.
  2. Adsorção do alceno (1,2-dimetilciclopenteno) na superfície:
    • A dupla ligação \text{C}=\text{C} aproxima-se e estabelece interacção π com átomos de Pt. O par π do alceno “deita-se” sobre a superfície, fazendo que os dois carbonos da dupla fiquem próximos ao metal.
    • Ensino rápido: essa adsorção aproxima os carbonos do hidrogénio adsorvido e impede livre rotação — a geometria do alceno fica fixa relativamente à superfície.
  3. Transferência do primeiro átomo de hidrogénio (primeiro passo de hidrogenação):
    • Um átomo adsorvido \text{Pt}-H é transferido a um dos carbonos da dupla, formando uma ligação \text{C}-\text{H} e deixando o outro carbono ainda ligado ao metal (intermédio do tipo alcóxido/alcano ligado ao metal).
    • Ensino rápido: esta transferência ocorre diretamente para a face do anel que está virada para a superfície; ou seja, o primeiro H entra “por baixo” (ou “por cima”), dependendo de como o alceno está apoiado.
  4. Transferência do segundo átomo de hidrogénio (segundo passo) e dessorção:
    • Um segundo átomo \text{Pt}-H é transferido ao outro carbono da dupla, novamente da mesma face do anel (porque os H estão na superfície e o alceno permanece adsorvido). Após isso, o produto saturado (1,2-dimetilciclopentano) perde a ligação ao metal e desorve.
    • Ensino rápido: ambas as adições de H ocorreram do mesmo lado do anel (adição syn), portanto o arranjo espacial final dos grupos no anel é aquele imposto por essa adição sincronizada.

Passo 4

Consequência estereoquímica — por que forma-se apenas um isómero:
  • Antes da reação, os carbonos 1 e 2 do alceno são trigonal-planar; os grupos metil estão ligados a esses carbonos. Na superfície do metal o alceno prende-se por baixo (ou por cima) e os dois carbonos recebem os hidrogénios pela mesma face.
  • Depois da hidrogenação syn, os dois hidrogénios acrescentados ficam do mesmo lado do anel. Isso significa que os dois grupos metil, que já estavam ligados aos mesmos carbonos, ficam no lado oposto desses hidrogénios — em termos de relatividade, os dois metis ficam no MESMO lado do anel (ambos “para cima” ou ambos “para baixo”) — ou seja, o produto é o isómero cis relativo dos dois metil.
  • Para obter o isómero trans 1,2-dimetilciclopentano seria necessário adicionar os hidrogénios em faces opostas (adição anti) ou haver uma inversão/rotações impossíveis durante a adsorção. Na hidrogenação heterogénea na superfície metálica isso não acontece: a via é sincrónica e fixa a geometria; por isso só se forma o isómero cis.
  • Observação prática: em condições típicas de hidrogenação com \text{Pt} não há liberdade suficiente na superfície para que ocorra um passo anti que dê mistura; por isso obtém-se um único estereoisómero.

Passo 5

Resumo intuitivo, para você lembrar na prova (frase curta e eficaz):
  • Heterogeneous hydrogenation on Pt = dissociação de H_2 + adsorção do alceno + transferência de dois H da superfície para a mesma face → adição syn → em ciclo, isso gera o produto cis relativo entre os substituintes dos carbonos da dupla.

Resposta

cis-1,2-dimetilciclopentano

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