Introdução à estabilidade de carbocátions e reorganizações

RKA3JV - Aqui nós temos três imagens do mesmo carbocátion. E um carbocátion é um carbono carregado positivamente. Em Química, nós chamamos isso de cátion. E se você combinar essas duas palavras, que é o carbono mais o cátion, você vai ter um carbocátion. Aqui nós temos três imagens de carbocátion. Vamos começar por essa imagem aqui do meio. E se você observar, este carbono está fazendo três ligações. 1, 2, 3 ligações. E por ele estar fazendo três ligações, isso significa que ele tem uma carga formal de +1. Ou seja, este carbono aqui tem uma carga formal de +1, e aí nós temos um carbocátion. Carbocátions são muito reativos, porque o carbono gosta de formar 4 ligações. Vamos olhar agora para este composto aqui da direita, este carbocátion, e esta carga positiva se refere a este carbono aqui. E muitas vezes os alunos se esquecem, ou olham para essa estrutura de linha e se esquecem que nós temos um hidrogênio. Ou seja, este hidrogênio aqui faz com que o carbono tenha três ligações e por isso ele fica com essa carga formal. Então, não se esqueça disso quando você estiver olhando para a estrutura de linhas. Vamos olhar agora para este carbocátion da direita. E este em carbono rosa está fazendo três ligações, por isso ele tem essa carga formal positiva. E o carbono em rosa também é sp² hibridizado. E nós sabemos de vídeos anteriores que um carbono sp² hibridizado tem um orbital não hibridizado "p" aqui. E que a geometria em torno desse carbono sp² hibridizado é plana. Deixe-me tentar desenhar um plano para mostrar os carbonos que estão diretamente ligados ao carbono rosa. Vamos olhar para o nosso conjunto de peças, e aqui eu tenho o carbono em rosa e aqui eu tenho o orbital "p". Do lado esquerdo nós tem os um grupo de metil, e do lado direito nós também temos outro grupo de metil. E nós chamamos esse carbocátion de secundário, uma vez que ele tem dois grupos de alquilo, diretamente ligados à carga positiva. E estes grupos de alquilo podem ajudar a estabilizar o nosso carbocátion. Deixe-me mostrar isso para vocês, estes elétrons dessa ligação aqui podem ir para este orbital "p" vazio, este orbital aqui, já que os opostos se atraem, e isso ajuda a estabilizar o carbocátion. E depois que isso acabar, estes alquilos, aqui de baixo, também podem doar uma densidade de elétrons para ajudar a estabilizar o nosso carbocátion. Mas, observe o hidrogênio que está lá atrás, este hidrogênio aqui, estes elétrons dessa ligação não podem ser doados para o orbital "p", por isso a geometria não é correta. E, por isso, os grupos de alquilo, estabilizam o carbocátion, já os hidrogênios não. Faz muito sentido que quanto mais grupos de alquilo você tem, mais estável vai ser o seu carbocátion. Nós acabamos de ver grupos de alquilo estabilizando carbocátions, doando densidade de elétrons para um orbital "p" vazio. Isso é chamado de hiperconjugação, ou seja, à medida que você aumenta o grupo de alquilos, você aumenta na estabilização do seu carbocátion. Vamos olhar para este carbocátion da esquerda, e nele só possuímos um grupo de alquilo, ou seja, está ligado a este carbono aqui que está carregado com uma carga positiva. E, por isso, nós chamamos isso de um carbocátion primário. E nesta figura aqui do meio, nós temos dois grupos de alquilo que estão ligados a este carbono aqui que está carregado positivamente. E, por isso, nós temos um carbocátion secundário, como nós vimos aqui nessa figura. Este terceiro exemplo da direita, nós temos três grupos de alquilo e eles estão ligados diretamente a este carbono aqui que tem uma carga positiva. E isso daqui é um carbocátion terciário. E se você comparar, aqui nós temos mais alquilos, e por isso o carbocátion terciário é mais estável. Então, quanto maior o número de alquilos, mais estável ele é. Então, o carbocátion terciário é mais estável do que um carbocátion secundário, que é mais estável do que um carbocátion primário. Então, estes carbocátions são tão instáveis que podem até não existir. E, por isso, nós vamos nos concentrar apenas nos carbocátions secundário e terciário. Agora que nós aprendemos sobre a estabilidade do carbocátion, nós vamos olhar para os rearranjos dos carbocátions. E um possível rearranjo é o que chamamos de mudança de hidreto. Primeiro, nós vamos estudar o que é um íon hidreto. E nós sabemos que um hidrogênio tem apenas um elétron de valência, e se você retira estes elétrons de valência, você fica apenas com uma carga positiva. E nós sabemos que isso é um próton, mas se você adicionar um elétron ao hidrogênio, você vai ter um hidrogênio com 2 elétrons de valência. Isso vai dar ao hidrogênio uma carga formal negativa. E este íon nós chamamos de hidreto, ou seja, é o hidrogênio que tem uma carta formal negativa. E uma mudança de hidreto pode acontecer para formar um carbocátion mais estável. Então, vamos olhar para este carbocátion aqui. E este carbono aqui é o carbocátion, porque ele está carregado positivamente. E nós temos aqui o nosso primeiro grupo de alquilo e aqui o nosso segundo grupo, por isso, nós temos um carbocátion secundário. Nós podemos desenhar uma mudança de hidreto, mas antes de mostrar esse desenho, vamos ver um vídeo com um conjunto de "molymod". E aqui está o carbocátion secundário, você pode ver a geometria plana em torno do nosso carbono sp² hibridizado. Você também pode ver o nosso orbital "p", e aqui tem os dois grupos de alquilo ligados diretamente a este carbono. À direita tem um grupo de metil e à esquerda tem um grupo de alquilo grande, e aqui na parte de trás nós temos um grupo de hidrogênio. E observe que nós estamos doando elétrons a partir desta ligação, para o nosso orbital "p" vazio. Nós sabemos que isso ajuda a estabilizar o nosso carbocátion. Deixe-me tirar essa peça aqui e vamos mostrar uma mudança de hidreto. E lembre-se, um hidreto é um hidrogênio que tem 2 elétrons. Então, eu vou retirar este hidrogênio aqui, com os seus elétrons, e vou colocar aqui no carbono para formar essa ligação. E vou mostrar uma mudança a partir deste carbono. E isso é uma mudança de hidreto, ou seja, agora à esquerda nós temos uma ligação longe deste carbono, de modo que deve ser carregado positivamente, e a geometria deve ser plana ou lisa. Mas, não é por causa do conjunto molymod, eu tive que usar um carbono tetraédrico aqui. Então, eu vou te mostrar em um minuto um novo modelo definido, para te mostrar, na verdade, que a geometria é plana. Ou seja, este carbono aqui deixou de ser sp² hibridizado, para ser um carbono sp³. Então, este carbono aqui é o nosso carbono sp² hibridizado, agora. Temos estes dois grupos de metil e este grupo de halogeneto de alquilo. Você pode ver que a geometria é planar em torno dele. E este aqui é um carbocátion terciário. Assim, um carbocátion terciário é mais estável do que um secundário. Você também pode ver que agora temos um carbono sp³ hibridizado aqui, de modo que a geometria em torno dele é uma geometria tetraédrica. Vamos desenhar a mudança de hidreto que nós vimos no vídeo. E este carbono aqui em vermelho está ligado a um hidrogênio, este hidrogênio aqui. E os elétrons, estes elétrons aqui, podem ser doados para este carbono, para formar um carbocátion mais estável. Eu posso redesenhar aqui a minha estrutura. Agora, colocando o hidrogênio em outro lugar, aplicando a mudança de hidreto, que significa o quê? Que o hidrogênio, em vermelho, agora veio parar aqui, formando uma ligação com este carbono. E o que aconteceu aqui foi que este carbono perdeu o hidrogênio para esse outro carbono. E aí nós temos um carbocátion terciário. E nós precisamos colocar uma carga formal positiva neste carbono, porque ele perdeu os elétrons. Você pode ver melhor que é um carbocátion terciário, porque nós ainda temos este hidrogênio aqui que ainda foi mantido e agora está aqui. E você pode ver isso melhor no vídeo. E nosso grande objetivo com isso é ir de um carbocátion secundário para um carbocátion terciário, porque nós sabemos que um carbocátion terciário é mais estável. Finalmente, vamos fazer outro tipo de rearranjo, só que dessa vez nós chamamos de mudança de metil. Novamente, nós temos um carbocátion secundário, e dessa vez este carbono aqui, que tem uma carga positiva, ele está ligado a um grupo de metil aqui e a um grupo de alquilo aqui. Então, nós poderíamos pegar este grupo de metil e levá-los do carbono da esquerda, para o carbono da direita. E eu vou colocar o carbono da esquerda em vermelho e o carbono da direita eu vou colocar em azul. E o resultado dessa mudança de metil, eu vou colocar aqui, é que agora este carbono em azul vai ter mais uma ligação e o carbono em vermelho vai perder uma ligação. E, por isso, ele vai ficar com essa carga positiva. E este carbono em vermelho era tetraédrico e era sp³ hibridizado. Mas, quando perde uma ligação, ele passa a ser sp² hibridizado e agora tem uma geometria planar. E este carbono em azul tinha uma carga positiva, era sp² hibridizado e tinha uma geometria planar, mas agora ele ganhou um grupo de metil. Ou seja, este carbono ganhou este grupo de metil, agora ele tem uma geometria tetraédrica e é um carbono sp³ hibridizado. E nós também temos um hidrogênio aqui, que continuou ligado ao carbono, ou seja, esse hidrogênio continuou ligado. E, por isso, nós sabemos que este carbocátion é um carbocátion terciário. E sabemos também que um carbocátion terciário é mais estável do que um carbocátion secundário. E aí uma mudança de metil resultou em um carbocátion mais estável.