Questão 1 (1,5 ponto)
A isomeria é um fenômeno no qual dois ou mais compostos diferentes apresentam a mesma fórmula molecular, mas diferentes fórmulas estruturais. Represente a estrutura condensada de todos os isômeros constitucionais e estereoisômeros que têm a fórmula molecular
.
Passo 1
O enunciado pede: representar a estrutura condensada de todos os isômeros constitucionais e dos estereoisômeros que têm a fórmula molecular
.
Informações dadas:
- Fórmula molecular:
. - É preciso listar TODOS os isômeros constitucionais (cada esqueleto de carbono diferente e cada posição de Br distinta por simetria) e, quando houver, listar também os estereoisômeros (enantiômeros) gerados por centros quiralidade.
Passo 2
Primeira ideia prática para enumerar isômeros: listar os esqueletos de carbono diferentes de cinco carbonos e, em cada esqueleto, identificar as posições de carbono não equivalentes (pela simetria) onde o átomo de bromo pode se ligar. Os esqueletos distintos de cinco carbonos são (nomes comuns/estruturais):
- cadeia normal (n‑pentano);
- cadeia com uma ramificação simples: 2‑metilbutano (isopentano);
- cadeia altamente ramificada: 2,2‑dimetilpropano (neopentano).
Vou, em seguida, examinar cada esqueleto e listar as posições não-equivalentes para colocar o bromo.
Passo 3
Esqueleto: n‑pentano (cadeia linear de 5 carbonos).
- Na cadeia linear há, por simetria, três tipos distintos de posição para Br: carbono 1 (terminal), carbono 2 (próximo ao terminal) e carbono 3 (centro). Os carbonos 4 e 5 são equivalentes a 2 e 1, respectivamente, então não dão novos isômeros.
As estruturas condensadas (colocando o Br em cada posição inequivalente) são: - posição 1:
(1‑bromopentano). - posição 2:
(2‑bromopentano). - posição 3:
(3‑bromopentano).
Agora preciso verificar se algum desses apresenta centro quiral (ou seja, se gera estereoisômeros).
Passo 4
Critério de quiralidade (aula rápida e prática): um átomo de carbono é um centro quiral se (i) é tetraédrico (híbrido
) e (ii) está ligado a quatro substituintes diferentes. Para verificar isso num carbono ligado ao bromo devemos comparar os quatro grupos ligados a ele — se dois desses grupos forem idênticos (mesma sequência de átomos a partir do carbono), não é quiral.
Aplicando ao caso do n‑pentano:
- Em
(2‑bromopentano), o carbono ligado ao Br é e está ligado a: , , um grupo metila (lado C1) e um grupo propila (lado C3–C5). Esses quatro substituintes são todos diferentes → carbono quiral → existe par de enantiômeros (R e S) para 2‑bromopentano. - Em
(3‑bromopentano), o carbono ligado ao Br tem, nos dois lados da cadeia, grupos etila simétricos (à esquerda e à direita há identicamente substituídos) → dois substituintes iguais → não é quiral. - 1‑bromopentano tem carbono primário ligado a
portanto não é quiral.
Conclusão desta etapa: entre os isômeros do esqueleto linear somente 2‑bromopentano dá estereoisômeros (par R/S).
Passo 5
Esqueleto: 2‑metilbutano (
).
Identificar posições não equivalentes (pela simetria): existem — de modo prático — quatro tipos distintos de carbono onde o Br pode se ligar:
Identificar posições não equivalentes (pela simetria): existem — de modo prático — quatro tipos distintos de carbono onde o Br pode se ligar:
- um carbono terminal da cadeia principal (tipo A) — os dois terminais da cadeia principal são equivalentes, então dão um único isômero tipo;
- o carbono terciário da cadeia (o C2 que possui o metil em ramificação) — dá um isômero tipo;
- o carbono secundário C3 (o CH2 interno depois do C2) — dá um isômero tipo;
- o átomo do grupo metil ramificado (o CH3 que está ligado ao C2) — esse metil é diferente dos terminais da cadeia, logo é um tipo próprio (quando se substitui um H desse metil por Br, o grupo passa a ser
ligado ao C2).
Escrevendo as estruturas condensadas:
- Br em terminal da cadeia principal (1‑bromo‑2‑methylbutano):
. - Br no carbono terciário (substituindo o H de C2):
(2‑bromo‑2‑methylbutano). - Br no carbono secundário C3:
(3‑bromo‑2‑methylbutano). - Br no metil ramificado (transformando esse metil em bromometil ligado a C2):
(2‑(bromometil)butano).
Agora verificar quiralidade em cada caso (criterião do Passo 4):
-
: átomo ligado ao Br é primário ( ) → não quiral. -
: átomo ligado ao Br (C2) está ligado a dois grupos metila idênticos ( e outra ) → dois substituintes idênticos → não quiral. -
(3‑bromo‑2‑methylbutano): o carbono que carrega o Br é secundário e tem quatro ligantes distintos: , , um grupo metila e um grupo isopropila assimétrico do outro lado — portanto são quatro substituintes diferentes → esse carbono é quiral → existe par R/S. -
: o carbono com Br é primário (na porção ) → não quiral.
Conclusão desta etapa: do esqueleto 2‑metilbutano apenas 3‑bromo‑2‑methylbutano gera um par de enantiômeros (R e S). Os outros três são não quirais.
Passo 6
Esqueleto: 2,2‑dimetilpropano (neopentano,
).
- Aqui todos os quatro grupos metil ligados ao carbono central são equivalentes. Substituir um H em um desses metis por Br gera a mesma posição independentemente de qual metil se escolhe (simetria total).
A estrutura condensada é: -
(neopentil brometo, também escrito ). - O carbono que carrega o Br é primário (
) → não é quiral.
Passo 7
Resumo e contagem final (explicando o que foi encontrado):
- Isômeros constitucionais distintos encontrados (lista): 8.
- Do esqueleto n‑pentano: 1‑bromopentano, 2‑bromopentano, 3‑bromopentano (3 isômeros).
- Do esqueleto 2‑metilbutano: 1‑bromo‑2‑methylbutano, 2‑bromo‑2‑methylbutano, 3‑bromo‑2‑methylbutano, 2‑(bromometil)butano (4 isômeros).
- Do esqueleto neopentano: neopentil brometo
(1 isômero).
- Estereoisômeros (quiralidade): dois dos isômeros constitucionais são quirais e, portanto, cada um existe como par de enantiômeros:
- 2‑bromopentano → existe como
-2‑bromopentano e -2‑bromopentano. - 3‑bromo‑2‑methylbutano → existe como
-3‑bromo‑2‑methylbutano e -3‑bromo‑2‑methylbutano.
- 2‑bromopentano → existe como
- Assim, número total de espécies distintas (constitucionais + estereo adicionais) =
constitucionais, mas contabilizando enantiômeros chegamos a moléculas distintas.
Passo 8
Organizo agora a listagem final das estruturas condensadas (cada estrutura numa linha, e para os casos quirais listando explicitamente as duas formas
e
). Usei nas fórmulas a notação condensada com
e parênteses para grupos, conforme explicado nos passos anteriores.