6- Faça a análise conformacional (usando a representação de Newman) do composto 2-metilpentano em torno da ligação entre os carbonos C3-C4 e apresente o diagrama de energia. (2 pontos)

Passo 1

O enunciado pede: fazer a análise conformacional (usando projeção de Newman) do composto 2‑metilpentano em torno da ligação entre os carbonos \mathrm{C}_3 \mathrm{C}_4 e apresentar o diagrama de energia.
Informações dadas e necessárias (listadas claramente):
  • O composto é 2‑metilpentano (cadeia pentana com um metil ligado ao carbono 2).
  • Devemos olhar a rotação em torno da ligação \mathrm{C}_3 \mathrm{C}_4.
  • Resultado pedido: projeções de Newman que mostrem as conformações relevantes e um diagrama de energia (energia ao longo da rotação 0°–360°).

Passo 2

Identificar os grupos ligados a \mathrm{C}_3 e \mathrm{C}_4 — isso é crucial para desenhar Newman.
  • A cadeia pentana numerada é: \mathrm{C}_1- \mathrm{C}_2- \mathrm{C}_3- \mathrm{C}_4- \mathrm{C}_5. Em \mathrm{C}_2 há um metil substituinte.
  • Portanto:
    • \mathrm{C}_3 é um grupo \mathrm{CH}_2 e está ligado a: \mathrm{C}_2 (o lado que leva o metil em \mathrm{C}_2) e a dois \mathrm{H}.
    • \mathrm{C}_4 é um \mathrm{CH}_2 ligado a: \mathrm{C}_5 (metil terminal) e a dois \mathrm{H}.
  • Conclusão importante: olhando pela ligação \mathrm{C}_3 \mathrm{C}_4, o substituinte “grande” do lado de \mathrm{C}_3 é o grupo vindo de \mathrm{C}_2. Esse grupo em \mathrm{C}_2 é um grupo do tipo isopropilido quando visto a partir de \mathrm{C}_3, porque \mathrm{C}_2 é \mathrm{CH} ligado a dois metis ( \mathrm{CH(CH_3)_2}). Do lado de \mathrm{C}_4 o substituinte “grande” é o metil terminal ( \mathrm{C}_5, um \mathrm{CH}_3).
  • Resumo: frente ( \mathrm{C}_3 ) → substituintes: isopropil (grande) + H + H. fundo ( \mathrm{C}_4 ) → substituintes: methyl ( \mathrm{C}_5) + H + H.

Passo 3

Breve aula: como fazer projeção de Newman (passo a passo, sem pular etapas)
  • A projeção de Newman representa a ligação \mathrm{C}_3 \mathrm{C}_4 olhando ao longo do eixo da ligação: o carbono da frente (mais próximo do observador) é \mathrm{C}_3, o carbono de trás é \mathrm{C}_4.
  • No desenho:
    • O carbono da frente ( \mathrm{C}_3) é representado por um ponto ou pequeno círculo com três ramos saindo a 120^\circ (posições “frente”).
    • O carbono de trás ( \mathrm{C}_4) é representado por um círculo maior atrás com três ramos também a 120^\circ, mas deslocados 60^\circ para representar a conformação staggered (se for staggered).
  • Para cada rotação de 60^\circ obtém‑se uma nova conformação (há 6 conformações distintas em 360°: 3 staggered (mínimos locais) e 3 eclipsed (máximos locais)).
  • Conceitos de energia:
    • Staggered (desfasado): geralmente é mais estável porque reduz tensão torsional (menor sobreposição eletrônica direta entre ligações).
    • Eclipsed: menos estável por tensão torsional; se dois grupos volumosos se eclipsam, custa energia extra (repulsão estérica).
    • Gauche: em staggered, se dois grupos volumosos ficam a 60^\circ (gauche), há uma penalidade estérica moderada; se ficam a 180^\circ (anti) é a melhor situação estérica entre si.

Passo 4

Escolher uma convenção de ângulo e identificar as conformações relevantes
  • Defino o ângulo diedro \varphi como o ângulo entre o substituinte isopropil no \mathrm{C}_3 (frente) e o substituinte metil no \mathrm{C}_4 (fundo), medido do grupo do frente para o grupo do fundo no sentido positivo até 360°.
  • Com essa definição:
    • Quando \varphi = 180^\circ: isopropil e metil estão anti (opostos) → conformação staggered e normalmente a mais estável (menor energia).
    • Quando \varphi = 60^\circ ou \varphi = 300^\circ (ou -60^\circ): isopropil e metil estão em posição gauche → conformações staggered, mas com energia maior que a anti por causa da interação estérica isopropil–metil.
    • Quando \varphi = 0^\circ: isopropil e metil eclipsam-se → conformação eclipsed com forte penalidade energética (máximo mais alto).
    • Existem mais duas conformações eclipsed a cada +120° ( \varphi = 120^\circ e \varphi = 240^\circ ), correspondendo a outras combinações de eclipses (isopropil‑H, H‑H, etc.).

Passo 5

Desenhar (descrever) as projeções de Newman para as três conformações staggered (detalhe didático)
  • Staggered (anti, \varphi=180^\circ) — desenho mental / descrição:
    • Frente ( \mathrm{C}_3): colocamos o grupo isopropil apontando para cima (posição às 12h) e dois H às 4h e 8h.
    • Fundo ( \mathrm{C}_4): colocado de forma desfasada 60° para que o metil \mathrm{C}_5 fique exatamente embaixo da visão (6h), e os dois H em 10h e 2h.
    • Resultado: isopropil e metil estão em oposição (anti) → melhor acomodação estérica.
  • Staggered (gauche, \varphi=60^\circ) — descrição:
    • Frente: isopropil às 12h; Fundo: metil às 2h (isto coloca isopropil e metil a 60^\circ → gauche).
    • Há interação estérica isopropil–metil (gauche), portanto energia maior que anti.
  • Staggered (gauche, \varphi=300^\circ ou -60^\circ) — descrição:
    • Frente: isopropil às 12h; Fundo: metil às 10h (isopropil–metil a 60^\circ no outro lado) → energia igual (ou praticamente igual) à outra gauche.
  • Observação: as duas conformações gauche são enantioméricas? Não — aqui são conformações diferentes mas energeticamente equivalentes (simetria local), portanto têm a mesma energia aproximada.

Passo 6

Analisar os eclipsados (os máximos) e explicar por que alguns máximos são mais altos que outros
  • Eclipsed em \varphi=0^\circ: isopropil (frente) eclipsa metil (fundo) diretamente. Essa é a situação mais penalizada porque envolve o encontro de dois grupos volumosos ao se sobreporem — energia máxima mais alta.
  • Eclipsed em \varphi=120^\circ (e \varphi=240^\circ): aqui as sobreposições são do tipo isopropil–H (ou metil–H) e H–H. Essas têm penalidade menor que isopropil–metil; entre elas, a combinação com H–H é a menor penalidade e a combinação H–CH3 é intermediária.
  • Portanto ordem das alturas dos máximos (do maior para o menor):
    • Eclipsed isopropil // metil (máximo global)
    • Eclipsed isopropil // H e eclipsed metil // H (intermediários)
    • Eclipsed H // H (menor máximo entre eclipsados)
  • Conclusão: ao rodar, a energia oscila com três picos: pico maior quando isopropil eclipsa metil e picos menores quando ocorrem eclipses envolvendo hidrogênios.

Passo 7

Construir o diagrama de energia qualitativo (descrição do gráfico)
  • Eixo horizontal: rotação \varphi de 0^\circ a 360^\circ.
  • Eixo vertical: energia relativa E.
  • Padrão típico ao longo da rotação (começando em \varphi=0^\circ):
    • \varphi=0^\circ: pico máximo (isopropil eclipsa metil).
    • \varphi\approx 60^\circ: mínimo local (staggered, conformação gauche).
    • \varphi\approx 120^\circ: pico médio (eclipsed; inclui eclipses como isopropil–H ou H–H conforme a posição).
    • \varphi\approx 180^\circ: mínimo global (staggered anti: isopropil anti a metil).
    • \varphi\approx 240^\circ: pico médio (outro eclipsed).
    • \varphi\approx 300^\circ: mínimo local (staggered, outro gauche).
    • \varphi\approx 360^\circ(=0^\circ): volta ao pico máximo inicial.
  • Assim o diagrama tem três vales (dois iguais gauche e um anti mais profundo) e três picos (um máximo maior e dois picos menores).

Passo 8

Explicar numericamente, de forma aproximada, como estimar diferenças de energia (para quem quer números rápidos na prova)
  • Podemos estimar qualitativamente por somatório das penalidades de eclipsamento e penalidades gauche (valores típicos conhecidos para substituintes orgânicos):
    • Penalidade de eclipsamento típica: \text{H--H} \approx 1{,}0\\ \text{kcal·mol}^{-1}, \text{H--CH}_3 \approx 1{,}4\\ \text{kcal·mol}^{-1}, \text{CH}_3\!-\!CH_3 \approx 3{,}8\\ \text{kcal·mol}^{-1}.
    • Penalidade gauche típica para pares volumosos (por ex. \text{CH}_3\!-\!CH_3 em butano) \approx 0{,}9\\ \text{kcal·mol}^{-1}.
  • Aplicando isso qualitativamente aqui:
    • Anti ( \varphi=180^\circ): referência E=0.
    • Gauches ( \varphi=60^\circ,\\\ 300^\circ): cada um tem uma penalidade devido à interação gauche isopropil–metil; estimativa qualitativa: E \approx 0{,}8\text{–}1{,}5\\ \text{kcal·mol}^{-1} acima do anti (depende do tamanho efetivo do isopropil).
    • Eclipsed isopropil//metil ( \varphi=0^\circ): soma de penalidades grande (algo como \approx 3{,}5\text{–}5{,}0\\ \text{kcal·mol}^{-1} ou mais; é o pico global).
    • Outros eclipsados (isopropil//H, metil//H, H//H): picos menores, tipicamente entre 1{,}0 e 3{,}0\\ \text{kcal·mol}^{-1} dependendo da combinação.
  • Observação empática: não precisa decorar números exatos; na prova, o importante é ordenar corretamente (anti < gauche < eclipsed, com o maior pico quando os maiores grupos eclipsam).

Passo 9

Resumo prático para a prova — o que desenhar e o que dizer (passo a passo que você copia)
  • Desenhe a projeção de Newman olhando do \mathrm{C}_3 para o \mathrm{C}_4.
  • Marque no desenho os substituintes: no frente ( \mathrm{C}_3 ): isopropil (grande) e dois H; no fundo ( \mathrm{C}_4 ): metil ( \mathrm{C}_5) e dois H.
  • Desenhe e rotule as três conformações staggered: \varphi=60^\circ (gauche), \varphi=180^\circ (anti — mínimo global), \varphi=300^\circ (gauche).
  • Desenhe e rotule as três conformações eclipsed: \varphi=0^\circ (isopropil eclipsa metil — máximo global), \varphi=120^\circ e \varphi=240^\circ (picos menores: combinações de isopropil–H, metil–H, H–H).
  • Desenhe o diagrama de energia qualitativo com os três vales (vales em 60°, 180°, 300°; o mais baixo em 180°) e três picos (pico maior em 0°).

Resposta

Mínimo global: conformação staggered com \varphi=180^\circ (isopropil anti a metil) — energia mais baixa.
Mínimos locais: conformações staggered com \varphi=60^\circ e \varphi=300^\circ (isopropil e metil em posição gauche) — energia intermediária, iguais entre si.
Máximo global: conformação eclipsed com \varphi=0^\circ (isopropil eclipsa metil) — maior energia.
Máximos locais: conformações eclipsed em \varphi=120^\circ e \varphi=240^\circ (eclipses envolvendo isopropil–H, metil–H, H–H) — picos menores que o máximo global.

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