(a) Uma solução contendo íons metóxidos, \mathrm{CH}_{3} \mathrm{O}^{-}(como no \mathrm{CH}_{3} \mathrm{ONa} ), em metanol pode ser preparada pela adição de hidreto de sódio ( NaH ) ao metanol \left(\mathrm{CH}_{3} \mathrm{OH}\right). O outro produto é um gás inflamável. Escreva a reação ácido-base que ocorre. (b) Escreva a substituição nucleofílica que ocorre quando o \mathrm{CH}_{3} \mathrm{I} é adicionado e a solução resultante é aquecida.

Passo 1

O enunciado pede duas coisas claras:
  • (a) Escrever a reação ácido–base que ocorre quando se adiciona hidreto de sódio ao metanol e indicar o gás formado (o enunciado diz que o outro produto é um gás inflamável).
  • (b) Escrever a reação de substituição nucleofílica que ocorre quando se adiciona \mathrm{CH_3I} à solução resultante e se aquece.
Informações fornecidas (diretamente do enunciado):
  • Há metanol: \mathrm{CH_3OH}.
  • É adicionado hidreto de sódio: \mathrm{NaH}.
  • O ânion metóxido está presente como em \mathrm{CH_3ONa} (ou seja, \mathrm{CH_3O^-} com contra-íon \mathrm{Na^+}).
  • Ao reagir \mathrm{NaH} com \mathrm{CH_3OH} forma-se um gás inflamável (preciso identificar qual é).
  • Depois adiciona-se \mathrm{CH_3I} e se aquece, espera-se uma substituição nucleofílica da espécie gerada.

Passo 2

Entendendo a reação ácido–base (conceito e identificação das espécies ácido/base).
  • Regra rápida (Brønsted): um ácido doa próton \mathrm{H^+} e uma base o aceita.
  • O metanol \mathrm{CH_3OH} tem um hidrogênio acidificável no oxigênio; pode atuar como ácido doando \mathrm{H^+}.
  • O cátion/hidreto \mathrm{H^-} presente em \mathrm{NaH} é uma base muito forte (aceita próton facilmente).
  • Quando \mathrm{H^-} aceita um próton de \mathrm{CH_3OH} forma-se \mathrm{H_2} (molécula diatômica de hidrogênio), que é um gás e é inflamável. Essa é a razão química do gás inflamável do enunciado.
Escrevendo a reação ácido–base balanceada (colocando contra-íon \mathrm{Na^+} quando apropriado):
\mathrm{NaH} + \mathrm{CH_3OH} \longrightarrow \mathrm{CH_3O^-Na^+} + \mathrm{H_2}\uparrow
Explicação detalhada do que acontece:
  • \mathrm{H^-} retira o próton do grupo \mathrm{OH} do metanol, formando \mathrm{H_2} e deixando o íon metóxido \mathrm{CH_3O^-}.
  • O sódio \mathrm{Na^+} permanece como contra-íon formando \mathrm{CH_3O^-Na^+} (hidróxido metílico ou metóxido de sódio dissolvido).
  • A formação e liberação de \mathrm{H_2} desloca o equilíbrio para a direita (gás escapa), tornando a reação efetiva.

Passo 3

Identificando a etapa de substituição nucleofílica: quem é nucleófilo, quem é eletrofílico, e qual mecanismo esperar.
  • Depois da etapa (a) a solução contém \mathrm{CH_3O^-} (metóxido), que é um nucleófilo forte (par de elétrons no oxigênio pronto para atacar carbonos eletrofílicos).
  • O reagente adicionado é \mathrm{CH_3I}. Nesse composto o carbono metílico ligado ao iodo é eletrofílico porque o iodo é um bom grupo abandônador (good leaving group): \mathrm{I^-} é grande e estável ao deixar.
  • Para um substrato metílico ( \mathrm{CH_3-}), a substituição via mecanismo \mathrm{S_N2} é favorecida: ataque concertado do nucleófilo no carbono e saída simultânea do grupo abandônador.
Características do mecanismo \mathrm{S_N2} que nos interessam:
  • É bimolecular na etapa determinante de velocidade (velocidade depende da concentração de nucleófilo e de substrato).
  • O ataque ocorre por trás (backside attack) e passa por um estado de transição pentacoordenado; para carbonos metílicos não há problema estérico.
  • Para o caso metílico não há questão de inversão esterequímica relevante (não há centro quiral), então apenas formação do produto acontece rapidamente.
  • O solvente e a temperatura importam: metanol é solvente prótico e pode solvar parcialmente o nucleófilo, tornando a reação mais lenta; aquecer ajuda a acelerar a reação e obter rendimento razoável.

Passo 4

Escrevendo a equação da substituição nucleofílica (apresentando o produto principal).
  • O nucleófilo \mathrm{CH_3O^-} ataca o carbono de \mathrm{CH_3I} e desloca \mathrm{I^-}, formando o éter dimetílico \mathrm{CH_3OCH_3} (éter simples) e \mathrm{I^-} que fica como sal com \mathrm{Na^+} se considerarmos todo o sistema iônico presente.
As equações que descrevem essa etapa são:
\mathrm{CH_3O^-} + \mathrm{CH_3I} \xrightarrow{\mathrm{S_N2}} \mathrm{CH_3OCH_3} + \mathrm{I^-}
ou, colocando o sódio explícito antes da reação:
\mathrm{CH_3O^-Na^+} + \mathrm{CH_3I} \longrightarrow \mathrm{CH_3OCH_3} + \mathrm{NaI}
Observações práticas:
  • O produto orgânico é \mathrm{CH_3OCH_3} (éter dimetílico, às vezes chamado de éter metílico).
  • O sal inorgânico gerado é \mathrm{NaI}.
  • Aquecer a mistura favorece a reação cineticamente (aumenta a taxa); em metanol protico a nucleofilicidade do metóxido é parcialmente reduzida por solvatação, mas para \mathrm{CH_3I} (substrato muito reativo) a \mathrm{S_N2} ainda ocorre bem com aquecimento.

Passo 5

Resumo da lógica (como raciocinar rápido numa prova):
  • Primeiro identifique ácido e base: \mathrm{NaH} tem \mathrm{H^-} que é base forte → desprotona \mathrm{CH_3OH} → forma \mathrm{CH_3O^-} e \mathrm{H_2}.
  • Veja que \mathrm{CH_3O^-} é um bom nucleófilo; com \mathrm{CH_3I} (bom leaving group \mathrm{I^-}) o mecanismo mais provável é \mathrm{S_N2} porque o carbono é metílico (sem impedimento estérico).
  • Escreva as equações balanceadas e indique estados físicos quando relevante ( \mathrm{H_2} como gás).
  • Se pedirem mecanismo desenhe o ataque do par de elétrons do oxigênio sobre o carbono e a saída simultânea de \mathrm{I^-} (transição única, concertada).

Resposta

(a) \mathrm{NaH} + \mathrm{CH_3OH} \longrightarrow \mathrm{CH_3O^-Na^+} + \mathrm{H_2}\uparrow
(b) \mathrm{CH_3O^-Na^+} + \mathrm{CH_3I} \longrightarrow \mathrm{CH_3OCH_3} + \mathrm{NaI}

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