Estabilidade dos cicloalcanos

RK1JV - Houve um tempo em que se pensava que o cicloalcanos eram todos os planos. Então, ciclopropano seria um triângulo plano, o ciclobutano seria um quadrado plano, o ciclopentano um pentágono plano e o ciclohexano um hexágono plano. Para analisar isto, a ideia de tensão angular surgiu. A tensão angular é um aumento na energia associada com o ângulo de uma ligação que desvia do ângulo ideal de 109,5 graus. Este número deveria soar familiar a vocês, este é o ângulo encontrado em ligações para um anel carbônico de geometria tetraédrica. Então, se analisarmos aqui o ciclopropano, o ângulo da ligação deverá ser de 60 graus. Se você se lembra das suas aulas de Matemática, a soma dos ângulos internos de um triângulo deve corresponder a 180 graus e 60 graus está muito longe, ainda, de 109,5 graus. Então, o ciclopropano ainda tem uma ligação bastante forte. Para o ciclobutano, este ângulo seria de 90 graus, a soma dos ângulos internos de um quadrilátero deve ser 360 graus, então, ainda está bem longe de 109,5 graus, então, o ciclobutano ainda tem bastante tensão angular. Para o ciclopentano, nós temos 108 graus, o que está bem próximo de 109,5 graus, está mais próximo do que os 120 graus encontrados para o ciclohexano, Então, seguindo essa ideia, o ciclopentano seria o mais estável dos cicloalcanos, porque 108 graus está muito mais próximo de 109,5 graus do que qualquer um desses outros ângulos. Mas esta conclusão não se sustenta, se olharmos para o calor de combustão do cicloalcano. Vamos começar pelo ciclopropano, então, se definirmos calor de combustão como sendo menos a variação de entalpia, o ciclopropano libera 2.091 quilojoules por mol de ciclopropano que participa de combustão. Se contarmos o número de grupos CH₂ do ciclopropano, vamos dar uma olhada aqui em cima, então, nós temos 1, 2 e 3, por isso, temos o 3 aqui. Bem, nós não podemos olhar somente para o calor de combustão, se nós olharmos para isso, você vai ver um aumento aqui, 2.091 para 2.721, 3.291 e 3.920. Mas isso é o que esperamos que aconteça, porque é assim que vamos do ciclopropano para o ciclobutano, pentano e hexano, aumentamos o número de carbonos. Nós sabemos já, de outros vídeos, que, à medida que aumentamos o número de carbonos, o calor de combustão aumenta. Então, não podemos comparar o cicloalcano simplesmente usando o calor de combustão. Nós temos que levar em conta, na verdade, também, o número de grupos CH₂, então, nós fazemos o calor de combustão dividido pelo número de CH₂, e isso vai te dar uma ideia melhor sobre a estabilidade do composto. Então, se pegarmos 2.091 quilojoules, que é o calor de combustão do ciclopropano, e dividirmos por três grupos CH₂, nós vamos ter aproximadamente 697 kJ/mol que é o calor de combustão dividido pelo número de grupos de CH₂ em quilojoules por mol. Esta é uma forma muito melhor de comparar a instabilidade entre o cicloalcano. Veja que o ciclopropano tem o valor maior aqui, 697, o ciclobutano 680, o ciclo pentano 658 e o ciclohexano aproximadamente 653. Se olharmos para este valor de 653, é aproximadamente o mesmo valor encontrado para alcanos de cadeia linear quando adicionamos um grupo CH₂, então, cada adição de grupos CH₂ aumenta em aproximadamente 653 quilojoules por mol. Isso nos diz que, no ciclohexano, praticamente não existe tensão, o ciclohexano é tão estável quanto uma cadeia aberta, uma cadeia linear de um alcano. Então, essa ideia dos ciclohexano ser plano não deve ser verdadeira, de fato, o ciclo hexano não é plano, que é algo que nós vamos ver em vídeos futuros. Então, o ciclohexano é o mais estável dentre os cicloalcanos, o ciclopentano tem um pouquinho mais de energia e é um pouco mais instável, o ciclobutano mais ainda, e o ciclopropano com 697, que é o seu calor de combustão dividido pelo número de grupos CH₂, é o mais instável dentre os compostos. Vamos analisar, então, por que o ciclopropano possui um calor de combustão relativamente maior por grupo CH₂. Aqui, nós temos um modelo do ciclopropano, se eu virá-lo para o lado, você vai perceber que os carbonos estão no mesmo plano, então, o ciclo propano é mais plano. Você também pode ver que essas ligações estão curvadas, a tensão angular alta faz com que os orbitais não se intercalem muito bem, faz com que essas ligações fiquem curvadas. Uma outra fonte de tensão associada ao ciclopropano, nós podemos ver se nós virarmos aqui, e dá para ver que os hidrogênios da parte da frente estão encobrindo, estão eclipsando os hidrogênios de trás, e o ciclopropano fica preso nesse tipo de conformação de eclipse. Isso significa que um anel de 3 carbonos é muito reativo e muito suscetível a reações que envolvem a abertura deste anel do carbono, então, veja aqui, vou abrir a estrutura, aqui nós podemos ver que a tensão diminui, as ligações parecem agora mais retilíneas. Aqui, nós temos o ciclobutano, e podemos ver que existe uma tensão angular aqui, embora não tanto quanto aconteceu no ciclopropano, se girarmos ela aqui para o lado, nós também podemos ver que os hidrogênios da frente estão eclipsando os hidrogênios de trás. Para sair desta tensão decorrente da conformação, o ciclobutano pode adotar esta conformação chamada de conformação borboleta ou barco também, e se nós giramos aqui a molécula, dá para perceber um pouco dessa tensão devido à conformação, porque agora os hidrogênios não estão mais eclipsando os de trás. Finalmente, temos a molécula do ciclopentano, possui muito menos tensão angular que o ciclopropano ou ciclobutano, e se nós a virarmos aqui de lado, podemos perceber que a conformação plana é desestabilizada pela força de tensão. Então, nós temos alguns hidrogênios eclipsados, uma parte dessa força de tensão pode ser diminuída em uma conformação não plana e uma delas é rotacionar este carbono assim, esta conformação chamada de conformação envelope. Agora, nós temos quatro carbonos no mesmo plano, então, este está no mesmo plano que este e estes dois e este quinto carbono está acima do plano, parece um pouco um envelope. Agora que entendemos a estabilidade dos cicloalcanos, vamos dar uma olhada em um problema aqui. Nós temos aqui o etilciclopropano de cá e o metilciclobutano de cá, eles são isômeros, possuem a mesma fórmula. E a primeira pergunta é: qual dos dois é mais estável? Bem, comparando este alcano de 3 carbonos, e este de 4 carbonos, nós acabamos de ver que o ciclopropano possui mais energia, tem mais tensão associada a ele. Então, o etilciclopropano deve ser o menos estável entre os dois, o que faz o ciclobutano mais estável. Então, a primeira pergunta está respondida. A segunda pergunta: qual dos dois tem o calor de combustão mais alto? Nós sabemos que compostos mais estáveis possuem calor de combustão mais baixo, isso significa que o metilciclobutano tem o calor de combustão mais baixo, e é mais estável, e o etilciclopropano possui um calor de combustão mais alto. Bem, pessoal, por hoje é só, espero que vocês tenham gostado, e até o próximo vídeo!