Em sistemas acíclicos, a conformação gauche é menos estável que a antiperiplanar. Explique, utilizando um exemplo adequado.
Passo 1
O enunciado pede para explicar por que, em sistemas acíclicos, a conformação gauche é menos estável que a conformação antiperiplanar, usando um exemplo adequado. Informações/dados fornecidos (implícitos no enunciado) que vou usar:
- Comparar duas conformações rotacionais de uma cadeia acíclica simples.
- Usar um exemplo real para ilustrar (vou usar o butano, o exemplo clássico).
- Explicar as razões físicas/eletrônicas da diferença de energia entre gauche e anti.
Passo 2
Apresentando o exemplo e as noções básicas (Newman, ângulo diedro, staggered/eclipsed).
- O exemplo escolhido é o butano, fórmula condensada CH3–CH2–CH2–CH3. Para analisar conformações rotacionais usamos a projeção de Newman olhando ao longo da ligação central C2–C3.
- Definição: o ângulo diedro (torsional) entre os grupos metil é o ângulo entre planos formados pelos átomos ligados aos carbonos ligados pela ligação rotacional. Na projeção de Newman isso aparece como a posição relativa dos substituintes no círculo da frente em relação aos do círculo de trás.
- Duas conformações importantes:
- anti: os dois grupos metil estão opostos, com ângulo diedro
(estaggered). - gauche: os dois grupos metil estão a
ou (estaggered também).
- anti: os dois grupos metil estão opostos, com ângulo diedro
- Observação importante: tanto anti quanto gauche são conformações staggered (ou seja, sem eclipsamento direto entre os grupos principais), então a diferença entre elas NÃO vem de simples torsão eclipsada/estaggered — temos que procurar outras fontes de energia.
Passo 3
Descrevendo visualmente as conformações de butano e apontando a diferença física óbvia.
- Newman do butano, visão simplificada:
- Anti: metil frontal apontando entre os substituintes do carbono traseiro; os dois metis ficam em lados opostos.
- Gauche: metis deslocados de modo que fiquem mais próximos espacialmente (separados por
).
- A diferença que salta aos olhos: na conformação gauche os dois grupos metil ficam mais próximos no espaço, enquanto no anti estão o mais afastados possível.
- Conclusão visual: a conformação gauche terá maior interação “próxima” entre os átomos dos dois metis do que a conformação anti.
Passo 4
Explicando a razão principal: repulsão estérica (interações de van der Waals / sobreposição de esferas de van der Waals).
- O que é repulsão estérica? Cada átomo possui uma “camada” de exclusão (raio de van der Waals). Quando dois grupos substituintes ficam tão próximos que suas esferas de van der Waals se sobrepõem, há energia de repulsão (a chamada interação de sobreposição desfavorável).
- No butano gauche, os átomos dos dois grupos metil chegam a distâncias menores entre si do que no anti; isso gera repulsão de curto alcance e aumenta a energia da conformação.
- Consequência numérica conhecida (valor experimental/computacional): a conformação anti é mais estável que a gauche por aproximadamente
(aprox. ). Ou seja, a energia adicional da gauche deve-se principalmente a essa repulsão estérica entre os metis.
Passo 5
Explicando razões eletrônicas complementares (hiperconjugação e repulsão de Pauli) de forma simples.
- Hiperconjugação (explicação amigável): é a doação parcial de densidade eletrônica de uma ligação
(por exemplo C–H) para uma orbital antissorvente vizinha quando a geometria permite boa sobreposição. Essa doação estabiliza quando a orientação é favorável. - No butano, conformações staggered (tanto anti quanto gauche) beneficiam-se de hiperconjugação em comparação às eclipsadas. Entre anti e gauche, existe uma pequena diferença na eficiência dessas interações hiperconjugativas: a conformação anti tende a permitir um arranjo ligeiramente mais favorável das interações
entre grupos adjacentes, contribuindo para sua estabilização adicional. - Repulsão de Pauli / sobreposição de orbitais preenchidos: quando grupos substituintes se aproximam demais (como em gauche), orbitais eletrônicos ocupados podem se sobrepor desfavoravelmente, aumentando a energia. Essa é uma forma eletrônica de “repulsão estérica”.
- Resumindo: além da repulsão steric (van der Waals), efeitos eletrônicos (hiperconjugação ligeiramente melhor em anti; repulsão de orbitais preenchidos em gauche) também ajudam a explicar por que anti é mais estável.
Passo 6
Como usar essa ideia na prova — receita prática passo a passo.
- Desenhe a projeção de Newman ao longo da ligação relevante.
- Identifique a posição relativa dos maiores substituintes (por exemplo, grupos metil). Compare a distância espacial entre eles: se estiverem opostos (
) é anti; se a é gauche. - Pergunte-se: haverá sobreposição das esferas de van der Waals entre substituintes grandes na conformação proposta? Se sim, a conformação será menos estável por causa de repulsão estérica.
- Lembre da exceção: se houver grupos com interações específicas (ligações de hidrogênio intramolecular, interações eletrostáticas favoráveis ou o chamado “gauche effect” com substituintes eletronegativos), a gauche pode ser relativamente favorecida — então cheque substituintes além do tamanho.
Passo 7
Observações sobre exceções e quando a regra pode falhar (importante na prova).
- Em muitos sistemas com substituintes eletronegativos (por exemplo, 2-fluoroetanol, ou alguns halogênios) existe o “gauche effect”: a conformação gauche pode ser mais estável por causa de interações eletrônicas favoráveis (ex.: estabilização por dipolo-dipolo ou doações
específicas) ou por interações intramoleculares (como ponte de hidrogénio interna). - Portanto: regra prática — em hidrocarbonetos acíclicos simples (como butano) anti é mais estável que gauche por razões estéricas/electrônicas; mas sempre verifique se há substituintes que criem interações adicionais que invertam essa ordem.
Passo 8
Resumo didático final (como eu explicaria rápido na prova ou oral):
- Use butano como exemplo: anti (
) é mais estável que gauche ( ). - Razão principal: repulsão estérica entre os dois grupos metil na conformação gauche (sobreposição das esferas de van der Waals) aumenta a energia da gauche em relação ao anti.
- Contribuições eletrônicas (hiperconjugação mais favorável no anti; repulsão de orbitais preenchidos em gauche) reforçam a diferença.
- Valor típico da diferença para butano: aproximadamente
(anti mais estável).
Resposta
No butano, a conformação anti (
) é mais estável que a conformação gauche (
) por aproximadamente
; isso se explica principalmente pela repulsão estérica (sobreposição das esferas de van der Waals) entre os dois grupos metil na conformação gauche, com contribuições eletrônicas secundárias (diferenças em hiperconjugação e repulsão de orbitais preenchidos).