Escreva as fórmulas estruturais quando o propanal reage com cada um dos seguintes reagentes: e apresente o mecanismo detalhado para os itens b, d, e, h.
\mathrm{NH}_{2} \mathrm{OH} (hidroxilamina), \mathrm{H}^{+}

Passo 1

O que o enunciado dá e pede (claro e simples):
  • Reagente orgânico: propanal, cuja fórmula estrutural é \mathrm{CH_{3}CH_{2}CHO} (ou seja, \mathrm{CH_{3}-CH_{2}-C(=O)H}).
  • Reagente nucleófilo: hidroxilamina, \mathrm{NH_{2}OH}.
  • Condição ácida: presença de \mathrm{H^{+}} (catalisador ácido).
    O pedido: escrever a(s) fórmula(s) estrutural(is) do produto quando o propanal reage com \mathrm{NH_{2}OH} em meio ácido e apresentar o mecanismo detalhado da reação.

Passo 2

Visão geral da reação (o que ocorre, sem contas ainda)
  • A reação entre uma aldeído e hidroxilamina forma uma oxima (mais precisamente, uma aldoxima). No caso do propanal, o produto principal é a propanal-oxima (também chamada propionaldoxima).
  • Em linguagem curta: \mathrm{R-CHO + NH_{2}OH \xrightarrow{H^{+}} R-CH=NOH + H_{2}O}.
  • Para o nosso R = \mathrm{CH_{3}CH_{2}-}, o produto é \mathrm{CH_{3}CH_{2}CH=NOH}.
    Observação importante: o grupo \mathrm{C=N} pode apresentar isomeria geométrica (denotada como (E) e (Z) para oximas), então existem dois isômeros geométricos possíveis da oxima.

Passo 3

Conceitos necessários (explicadinhos e com exemplos)
  • O que é nucleófilo: espécie com par de elétrons livres que pode doar esses elétrons para um centro eletrofílico (ex.: o nitrogênio em \mathrm{NH_{2}OH} tem um par livre → nucleófilo).
  • O que é eletrofílico: átomo deficiente em elétrons que aceita um par (ex.: o carbono carbonílico \mathrm{C=O} tem caráter eletrofílico, e fica mais eletrofílico quando o oxigênio é protonado).
  • Por que usamos ácido ( \mathrm{H^{+}}): protona o oxigênio do carbonila, aumentando a polarização da ligação \mathrm{C=O} e tornando o carbono mais suscetível ao ataque nucleofílico; também ajuda a transformar grupos \mathrm{OH} em boa saída (água) por protonação.
  • Tipo de mecanismo: adição nucleofílica seguida por eliminação (adição–eliminação), com transferências de prótons ao longo do processo.

Passo 4

Etapa 0 — escrever as estruturas iniciais (para visualização)
  • Propanal: \mathrm{CH_{3}-CH_{2}-C(=O)-H}, escrita compacta \mathrm{CH_{3}CH_{2}CHO}.
  • Hidroxilamina: \mathrm{H_{2}N-OH} (nitrogênio com um par livre; o nitrogênio é o nucleófilo mais nucleofílico que o oxigênio aqui).

Passo 5

Mecanismo passo a passo — etapa 1: protonação do oxigênio carbonílico
  • O ácido protona o oxigênio da carbonila, aumentando a polaridade da ligação \mathrm{C=O}.
  • Equação representativa:
\mathrm{CH_{3}CH_{2}C(=O)H + H^{+} \longrightarrow CH_{3}CH_{2}C(=O\!H)H^{+}}
(essa notação indica que o oxigênio agora carrega carga positiva parcial/total; a espécie global está protonada no oxigênio)
  • Explicação do efeito: ao protonar o oxigênio, os elétrons da ligação \mathrm{C=O} ficam mais atraídos, tornando o carbono ainda mais deficiente em elétrons → alvo do ataque nucleofílico.

Passo 6

Mecanismo passo a passo — etapa 2: ataque nucleofílico do nitrogênio da hidroxilamina
  • O nitrogênio de \mathrm{NH_{2}OH} usa seu par livre para atacar o carbono carbonílico protonado, formando uma ligação \mathrm{C-N} e levando os elétrons da ligação \mathrm{C=O} para o oxigênio.
  • Representação esquemática da adição (espécie tetraédrica intermediária):
\mathrm{CH_{3}CH_{2}C(=O\!H)H^{+} + H_{2}N-OH \longrightarrow CH_{3}CH_{2}C(OH)(NH_{2}OH)H^{+}}
  • Observação sobre cargas: logo após a adição o nitrogênio frequentemente aparece protonado (ou haverá um desafio de distribuição de prótons), então a forma com carga positiva local ou protonações adicionais é comum. O importante: forma-se um intermediário tipo hemiaminal (um carbono com quatro ligações: H, OH, N-substituído e o resto da cadeia).

Passo 7

Mecanismo passo a passo — etapa 3: rearranjo de prótons (transferência interna de prótons)
  • Para que a água possa sair depois, é necessário que o grupo hidroxila ligado ao carbono vire uma boa saída — isto é conseguido por protonação dessa OH (ou por transferência de próton do nitrogênio para a oxigenação).
  • Uma sequência típica:
    • transferência de próton do nitrogênio (ou do ambiente) para o oxigênio tetraédrico: isso gera \mathrm{CH_{3}CH_{2}C(OH_{2}^{+})(NH_{2}OH)H} (onde a hidroxila tornou-se \mathrm{OH_{2}^{+}}, água protonada).
  • Em símbolos:
\mathrm{CH_{3}CH_{2}C(OH)(NH_{2}OH)H^{+} \longrightarrow CH_{3}CH_{2}C(OH_{2}^{+})(N H_{2}O H)H}
(ou seja, protona-se o oxigênio para convertê-lo em \mathrm{H_{2}O} ligado, boa saída).

Passo 8

Mecanismo passo a passo — etapa 4: eliminação de água (formação da ligação \mathrm{C=N})
  • A água protonada sai, levando consigo pares de elétrons, e forma-se uma ligação dupla entre carbono e nitrogênio; o produto inicial da eliminação é uma espécie nitrenium/imínio protonado \mathrm{C=N^{+}-OH}.
  • Representação:
\mathrm{CH_{3}CH_{2}C(OH_{2}^{+})(NH_{2}OH)H \longrightarrow CH_{3}CH_{2}C(=N^{+}HOH)H + H_{2}O}
(esta escrita indica que após perda de água a ligação dupla C=N está formada e o nitrogênio pode ainda estar protonado)
  • Em palavras: depois que a água sai, há uma espécie com \mathrm{C=N} e ainda um excesso de próton no nitrogênio ou oxigênio ligado (estado protonado do intermediário de Schiff/oxima).

Passo 9

Mecanismo passo a passo — etapa 5: desprotonação final para dar a oxima neutra
  • Finalmente, uma base (p.ex. molécula de \mathrm{H_{2}O} ou outra molécula na solução) remove um próton do nitrogênio (ou do oxigênio, dependendo da sequência de protonações), levando ao produto neutro:
\mathrm{CH_{3}CH_{2}C(=N^{+}HOH)H \xrightarrow{base} CH_{3}CH_{2}CH=NOH + H^{+}}
  • Essencialmente, chega-se ao produto neutro, a oxima: \mathrm{CH_{3}CH_{2}CH=NOH}, mais água formada como subproduto.

Passo 10

Resumo prático do mecanismo (linha por linha, para gravar na prova)
  1. Protonação do oxigênio carbonílico: aumenta a eletrofília do carbono.
  2. Ataque nucleofílico do nitrogênio de \mathrm{NH_{2}OH} ao carbono carbonílico → intermediário tetraédrico (hemiaminal).
  3. Rearranjo de prótons que protona a hidroxila ligada ao carbono (para torná-la água).
  4. Eliminação de \mathrm{H_{2}O} (saída de água) → formação da dupla \mathrm{C=N} (estado protonado).
  5. Desprotonação final para formar a oxima neutra \mathrm{RCH=NOH}.
    Dica para a prova: desenhe sempre as setas curvas: do par livre do N para o C; da dupla \mathrm{C=O} para o O; dos pares em O protonado para H quando sair; e seta de desprotonação da base para o H do N no fim.

Passo 11

Observações adicionais e comportamento estérico/estereoquímico
  • A oxima pode existir como dois isômeros geométricos em torno da ligação \mathrm{C=N}: (E)-oxima e (Z)-oxima — em provas o professor pode pedir que desenhe ambos.
  • Em muitos casos, a mistura (E)/(Z) depende de condições e de estabilizações por H-bond intramolecular; para propanal-oxima os dois isômeros são possíveis.
  • Papel do ácido: catalítico — não é consumido; facilita tanto a adição quanto a eliminação.

Resposta

(E)- \mathrm{CH_{3}CH_{2}CH=NOH}
(Z)- \mathrm{CH_{3}CH_{2}CH=NOH}

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