Proponha pelo menos duas estruturas diferentes para um composto com seis átomos de carbono que apresenta as seguintes características (cada item abaixo é uma questão diferente):
Todos os seis carbonos são sp e não há átomos de hidrogênio (lembre que como uma ligação tripla é linear não há como fazer um anel de seis membros com átomos com essas características.

Passo 1

O que o enunciado pede e os dados que temos:
  • Pedem pelo menos duas estruturas diferentes para um composto com seis átomos de carbono.
  • Condições obrigatórias: todos os seis carbonos são hibridizados \mathrm{sp} e não há átomos de hidrogênio no composto.
  • Observação do enunciado: uma ligação tripla é linear, por isso não é possível fechar um anel de seis membros com átomos todos \mathrm{sp}. Logo, devemos pensar em estruturas não aneladas (ou em espécies onde terminais sejam carbanions/lone pairs, etc.), não em um anel regular de 6 carbonos todos \mathrm{sp}.

Passo 2

Conceitos úteis (aula rápida e prática sobre hibridação \mathrm{sp} e implicações)
  • Hibridação \mathrm{sp}: um átomo de carbono \mathrm{sp} tem dois orbitais híbridos \mathrm{sp} (colineares, formando aproximadamente 180^\circ) e dois orbitais \mathrm{p} não hibridados, que formam ligações \pi.
  • O que um carbono \mathrm{sp} pode ter nesses dois orbitais \mathrm{sp}:
    • dois orbitais \mathrm{sp} ocupados por ligações \sigma (por ex. em uma ligação tripla C \equivC cada carbono faz uma \sigma com o outro e conserva um segundo orbital \mathrm{sp} que pode formar outra \sigma com outro átomo); ou
    • um orbital \mathrm{sp} ocupando uma dupla ligação ( \sigma) com um vizinho e o outro orbital \mathrm{sp} contendo um par eletrônico não ligante (lone pair) — exemplo real: o ânion acetilida \mathrm{RC}\equiv\mathrm{C}^- tem o carbono terminal \mathrm{sp} com um lone pair ocupando um orbital \mathrm{sp}.
  • Importante para o problema: não é necessário que ambos os orbitais \mathrm{sp} sejam usados em ligações \sigma; um pode abrigar um par eletrônico (carbanion). Assim é possível ter cadeias lineares de carbonos \mathrm{sp} sem hidrogênios, desde que os terminais sejam carbanions (ou radicais/ligados a outros átomos que não sejam H). Essa é a chave para fugir da obrigatoriedade do anel de 6 membros.
  • Em resumo prático: para ter todos os carbonos \mathrm{sp} e nenhum H num composto de só carbonos, as soluções viáveis incluem cadeias poliinicas (polyyne) ou cumulênicas (cumulene) cujos terminais sejam carbanions (pares isolados) — ou outras formas isoelectrônicas — porque cada átomo precisa de duas ocupações em orbitais \mathrm{sp} (duas “coisas”: ligações \sigma ou par não ligante).

Passo 3

Implicações estruturais e estratégia para propor estruturas
  • Cada carbono \mathrm{sp} precisa de duas ocupações nos orbitais \mathrm{sp}. Em uma cadeia linear sem hidrogênio, os carbonos internos podem fazer duas ligações \sigma a outros carbonos (por exemplo \sigma de uma ligação tripla e \sigma de uma ligação simples) e os carbonos terminais precisam de algo que preencha o segundo orbital \mathrm{sp}: isso pode ser um par não ligante (carbanion) ou uma ligação a outro átomo que não seja H (não pedido aqui).
  • Assim duas classes óbvias de conectividade que mantêm todos os carbonos \mathrm{sp} são:
    1. estrutura do tipo “polyyne” (ligações alternadas \equiv e -), com os terminais na forma de carbanions (análogos de acetilidas), e
    2. estrutura do tipo “cumuleno” (cadeia de duplas consecutivas =\;=\;=), também com terminais na forma de carbanions.
  • Essas duas são conectividades diferentes (isômeros de ligação): no polyyne as múltiplas são triples intercaladas por singles; no cumulene todas as ligações centrais são duplas cumulares. Ambas podem acomodar hibridação \mathrm{sp} em todos os carbonos se os terminais tiverem pares solitários (ânions) em orbitais \mathrm{sp}.

Passo 4

Primeira proposta — isômero polyyne (forma “di-acetilida” de C6, dianião)
  • Fórmula estrutural proposta (mostrando cargas nos terminais): \mathrm{^-C}\equiv\mathrm{C}-\mathrm{C}\equiv\mathrm{C}-\mathrm{C}\equiv\mathrm{C^-}.
  • Explicação passo a passo do porquê todos os C são \mathrm{sp}:
    • Considere a sequência em carbono: C_1\equiv C_2 - C_3 \equiv C_4 - C_5 \equiv C_6, com carga negativa formal em C_1 e C_6 (representado acima como \mathrm{^-C} nas extremidades).
    • Cada ligação tripla \mathrm{C\equiv C} envolve uma \sigma (formada por orbitais \mathrm{sp} nos dois carbonos) e duas \pi (orbitais p). Assim ambos os carbonos envolvidos numa triple são naturalmente \mathrm{sp}.
    • Os carbonos que participam da ligação simples entre tríplices (ex.: C_2 C_3) também são \mathrm{sp} se ligados por \sigma feitas por orbitais \mathrm{sp} (é uma ligação \mathrm{sp}- \mathrm{sp} simples, possível e comum em diacetileno, por exemplo).
    • Nas extremidades C_1 e C_6 temos apenas uma ligação covalente para o resto da cadeia (a \sigma da triple), mas o segundo orbital \mathrm{sp} está ocupado por um par eletrônico (carbanion), como no ânion acetilida \mathrm{C}\equiv\mathrm{C}^-. Esse par preenchendo o orbital \mathrm{sp} garante hibridação \mathrm{sp} nessas extremidades.
  • Assim, contabilizando \sigma-bonds e pares isolados, cada carbono tem dois ocupantes nos orbitais \mathrm{sp} → todos \mathrm{sp}. Não há átomos de H (aparecem somente carbons e cargas negativas nos terminais).

Passo 5

Segunda proposta — isômero cumuleno (cadeia de duplas cumulares, dianião)
  • Fórmula estrutural proposta (dianião com pares terminais): \mathrm{^-C}=\mathrm{C}=\mathrm{C}=\mathrm{C}=\mathrm{C}=\mathrm{C^-}.
  • Explicação passo a passo do porquê todos os C são \mathrm{sp}:
    • Cumuleno linear: uma sequência de duplas conjugadas do tipo =\;=\;= (cada carbono interno participa de duas duplas) faz com que esses carbonos tenham geometria linear e sejam \mathrm{sp} — o exemplo mais simples é o alleno \mathrm{C}=\mathrm{C}=\mathrm{C}, cujo carbono central é \mathrm{sp}.
    • Na cadeia de seis carbonos aqui, cada carbono interno (por exemplo C_2 a C_5) tem duas ligações duplas: cada uma fornece uma \sigma (cada \sigma usando um orbital \mathrm{sp}), então esse carbono tem dois orbitais \mathrm{sp} empregados em \sigma — fica \mathrm{sp}.
    • As extremidades C_1 e C_6 têm apenas uma dupla com o vizinho (uma \sigma em orbital \mathrm{sp}) e o outro orbital \mathrm{sp} está ocupado por um par eletrônico (ânion), exatamente como no caso anterior. Esse lone pair no orbital \mathrm{sp} mantém a hibridação \mathrm{sp} nas extremidades.
  • Resultado: todos os seis carbonos são \mathrm{sp}, não há hidrogênios, e a conectividade é distinta da do polyyne — portanto são duas estruturas diferentes (isômeros de conectividade).

Passo 6

Comentários finais, realismo e dicas para a prova
  • Química prática: as formas acima são fórmulas de conectividade plausíveis do ponto de vista eletrónico (cada carbono tem ocupação apropriada: \sigmas e pares) — na prática a estabilidade e existência isolada dependem de ambiente (contra-íons, solvente, complexação) e de deslocalização eletrônica; mas para um exercício teórico estrutural estas duas propostas são aceitas como soluções que obedecem às restrições dadas.
  • Como identificar no tempo de prova: pense “cada C \mathrm{sp} precisa de duas ocupações sp” → isso ajuda a decidir se a extremidade precisa de um H, uma ligação a outro C ou um lone pair (ânion). Se H é proibido, a alternativa natural para os terminais é o par isolado (ânion) ou outra ligação a carbono; com isso surgem polyyne vs cumulene como candidatos óbvios.
  • Motivação: se ficar angustiado, lembre-se: decupar o problema em “o que exige a hibridação” e “onde posso pôr os elétrons restantes (H, par isolado, ligação)” resolve quase todo problema de desenho estrutural rápido.

Resposta

\mathrm{^-C}\equiv\mathrm{C}-\mathrm{C}\equiv\mathrm{C}-\mathrm{C}\equiv\mathrm{C^-}
\mathrm{^-C}=\mathrm{C}=\mathrm{C}=\mathrm{C}=\mathrm{C}=\mathrm{C^-}

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