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REAÇÕES ORGÂNICAS AULA 1 (UM) PROF. EDUARDO MORAES ARAUJO 2 CONVERSA INICIAL Muitas substâncias que nos cercam no nosso cotidiano têm caráter orgânico, sendo que a formação de muitas delas é realizada através de reações. Nessa etapa iremos analisar os assuntos que abordarão as reações orgânicas. Nessa primeira aula veremos alguns conceitos básicos que serão divididos como ordem abaixo: • Princípios de Kekulé • Conceitos modernos de ácido e base • Definição de nucleófilos e eletrófilos • Acidez e basicidade de compostos orgânicos TEMA 1 – CONCEITOS BÁSICOS SOBRE REAÇÕES ORGÂNICAS 1.1 Princípios de Kekulé Kekulé (Friedrich August Kekulé, 1829 – 1896) foi um químico alemão, sendo um dos grandes nomes da Química Orgânica, estudando as principais características do carbono, e escrevendo três postulados que são: • O carbono é tetravalente • As quatro valências do carbono são iguais • O carbono pode encadear-se (formar longas cadeias de carbono) 1.1.1 O carbono é tetravalente A distribuição eletrônica do carbono é: 1s2 2s2 2p2 Pensando em subníveis teríamos, tanto para o estado fundamental quanto para o excitado do carbono teríamos como mostrado na figura 1. Figura 1 – Estado fundamental e excitado da distribuição eletrônica do carbono Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 3 Os elétrons desemparelhados são os que fazem ligações, no caso do fundamental (mais instável) o carbono faria apenas duas ligações, mas no estado excitado (mais estável), como possui 4 elétrons desemparelhados, faria então 4 ligações, ou seja, tetravalente. 1.1.2 As 4 valências do carbono são iguais Visto que o carbono faz 4 ligações, pode-se afirmar, segundo Kekulé, que as 4 valências são iguais, conforme pode ser visto na figura 2. Figura 2 – Demonstração da igualdade das valências do carbono Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 1.1.3 O carbono pode encadear-se (formar longas cadeias de carbono) O carbono é um dos elementos existentes que tem a característica de poder se encadear, que significa disposição, ligação de coisas da mesma natureza, no caso da orgânica, seria do carbono, como pode ser visualizado na figura 3. Figura 3 – Encadeamento de uma cadeia carbônica Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 4 TEMA 2 – CONCEITOS MODERNOS ÁCIDO-BASE 2.1 Conceitos de ácido e base Para a Química orgânica, os conceitos de Bronsted-Lowry e de Lewis são os mais importantes, e são esses que veremos a seguir. 2.1.1 Conceito de Bronsted-Lowry Esse conceito é também conhecido como teoria protônica, ou seja, relacionado a possibilidade de recebimento ou doação de prótons. Mas o que seria o próton nesse contexto? Seria o átomo de hidrogênio que perdeu um elétron, se transformando em seu cátion. Escrevemos esse hidrogênio da seguinte forma: H+ Mas o que são ácidos e bases de acordo com essa teoria? A figura 4 mostra um exemplo de uma reação, demonstrando os pares conjugados. Figura 4 – Exemplo de pares conjugados de acordo com a teoria protônica Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 Em relação a força dos ácidos e bases, são inversos, ou seja, um ácido forte terá a sua base conjugada fraca, e vice versa, que pode ser visualizado na figura 5, em alguns exemplos. Ácidos: substâncias capazes de ceder prótons Bases: substâncias capazes de receber prótons 5 Figura 5 – Exemplos de ácidos e suas bases conjugadas e a relação de força Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 2.1.2 Conceito de Lewis Esse conceito é também conhecido como teoria eletrônica, ou seja, relacionado a possibilidade de recebimento ou doação de elétrons. A figura 6, demonstra um ácido e uma base conforme definição de Lewis. Figura 6 – Ácido e base de Lewis Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 ácidos: substâncias capazes de receber par de elétrons Bases: substâncias capazes de doar par de elétrons 6 TEMA 3 – HIBRIDAÇÃO A palavra hibridação (ou hibridização), literalmente falando, seria equivalente a junção. 3.1 Formação dos híbridos A hibridação do carbono é formada pela junção dos subníveis da camada de valência (2s² e 2p²) em seu estado ativado (ou estado excitado), conforme pode ser visualizado na figura 7. Figura 7 – Subníveis que formam o estado híbrido do carbono Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 As possíveis hibridações são visualizadas na figura 8 a seguir, sendo possível visualizar também o tipo de ligação em que o carbono faz em cada uma das diferentes hibridações. Figura 8 – Possíveis hibridações do carbono e o tipo de ligação realizada Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 7 O quadro 1 demonstra os tipos de ligações (sigma ou pi) que o carbono faz nas diferentes hibridações, bem como o ângulo de ligação e a geometria molecular com seus ângulos de ligação. Quadro 1 – Hibridações, tipo de ligações e sua geometria molecular Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 3.2 Força da ligação As ligações sigma (σ) e a pi (π) são diferentes em suas forças de ligação, o que influencia nas reações orgânicas como um todo. Quanto maior a quantidade de ligações mais fortes, mas energia será necessário para ocorrer uma reação, e quanto maior a quantidade de ligações mais fracas, menor energia será necessário. A ligação sigma é mais forte que a ligação pi, e a distância entre os átomos de carbono nas diferentes ligações também é diferente, conforme pode ser visualizado no quadro 2. Quadro 2 – Energia de ligação e distância dos átomos de carbono Ligação C-C Energia de Ligação (kJ/mol) Comprimento de ligação (Angstrom) Simples 345 1,54 Dupla 612 1,33 Tripla 809 1,20 Fonte: Eduardo Moraes Araujo, (adaptado de BRUICE (2006, p.27, 29, 31)) 8 TEMA 4 – NUCLEÓFILO E ELETRÓFILO Algumas substâncias que participam das reações podem ser denominadas nucleófilas ou eletrófilas, sendo que essas classificaram o tipo de reação orgânica. 4.1 Substâncias nucleófilas Para correta compreensão, é necessário a separação da palavra em duas. Quando analisamos a palavra “NÚCLEO”, deve-se lembrar dos constituintes básicos de um núcleo, que seriam, prótons e neutros, e lembrando que os prótons são dotados de carga positiva e a palavra “FILO” significa afinidade, então na figura 9, é possível identificar a relação da palavra com a sua característica. Figura 9 – Relação das palavras com seus significados Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 Depois de entendido o significado na palavra, fica fácil entender a definição de eletrófilos, que seria: Exemplo de alguns eletrófilos são: OH-, Cl-, CH3NH2, H2O que podem ser analisados eletronicamente na figura 10. Nucleófilos: Substância que tem afinidade por carga positiva (ácidos de Bronsted-Lowry). São dotados de carga negativa ou sendo neutros, possuem um par de elétrons que pode ser compartilhado (que seriam as bases de Lewis) 9 Figura 10 – Representações eletrônicas de nucleófilos Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 4.2 Substâncias eletrófilas Para correta compreensão, é necessário a separação da palavra em duas. Quando analisamos a palavra “ELETRO”, deve-se lembrar dos constituintes básicos da eletrosfera, que seriam basicamente os elétrons, que são dotados de carga negativa, e a palavra “FILO” significa afinidade, então na figura 10, é possível identificar a relação da palavra com a sala característica. Figura 10 – Relação das palavras com seus significados Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 Depois de entendido o significado na palavra, fica fácil entender a definição de eletrófilos, que seria: Eletrófilos: Substância que tem afinidade por carga negativa (bases de Bronsted-Lowry).São dotados de carga positiva ou sendo neutros, podem receber um par de elétrons, por serem deficientes de elétrons (que seriam as bases de Lewis) 10 Exemplo de alguns eletrófilos são: H+, CH3CH2+, BF3 que podem ser analisados eletronicamente na figura 11. Figura 11 – Representações eletrônicas de eletrófilo Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 O boro está com 6 elétrons (representado pelas “bolinhas”) após os compartilhamentos, ou seja, pela regra do octeto, poderia ainda receber mais 2 elétrons, para fechar o octeto. TEMA 5 – EFEITO INDUTIVO O efeito indutivo, que pode ser classificado como efeito indutivo positivo ou efeito indutivo negativo, de uma forma geral, seria a movimentação de elétrons dentro de uma cadeia carbônica, sendo que essa movimentação é derivada da diferença de eletronegatividade entre os elementos envolvidos. A importância do efeito indutivo está na formação de regiões de maior e menor densidade eletrônica, ou seja, uma região negativa e uma positiva, respectivamente, facilitando as reações. 5.1 Efeito indutivo negativo (I-) O efeito indutivo negativo é provocado pela presença de um elemento muito eletronegativo, ou seja, com forte tendência de atração de elétrons. Esse elemento (ou grupo substituinte) atrai os elétrons de uma cadeia carbônica, conforme pode ser visualizado na figura 12. 11 Figura 12 – Deslocalização dos elétrons em uma cadeia carbônica Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 Essa deslocalização de nuvem eletrônica, altera propriedades, como a acidez, por exemplo, conforme pode ser visto na figura 13. Figura 13 – Deslocalização da nuvem eletrônica em um ácido carboxílico, pela presença de um grupo elétron-atraente. Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 O efeito se prolonga na cadeia inteira, porém sendo com intensidade menor, quanto maior for a distância do elemento causador da deslocalização, conforme mostrado na figura 14. 12 Figura 14 – Relação de pka com a posição do grupo substituinte na cadeia Fonte: BRUICE (2006, p.47) Então é possível concluir que o efeito do substituinte é mais eficiente quanto mais perto do centro reacional. A presença desses grupos substituintes aumenta a força de ácidos orgânicos, sendo que quanto maior for a eletronegatividade do grupo, maior a acidez, o que pode ser analisado na figura 15. Figura 15 – Relação de pka com o tipo de grupo substituinte na cadeia Fonte: BRUICE (2006, p.46) Na figura 16, é possível notar que o tamanho da cadeia também influencia na acidez. Quanto maior a cadeia carbônica, menor a acidez e quanto menor a cadeia, maior a acidez. Figura 16 – Relação do tamanho da cadeia carbônica com a acidez Fonte: BRUICE (2006, p.43) A figura 17 demonstra que quanto maior o número de grupos substituintes eletroatraentes, maior será a acidez da substância orgânica. 13 Figura 17 – relação da quantidade de grupos eletroatraentes com a acidez Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 É possível notar, que quanto maior o número de grupos substituintes eletroatraentes, maior será a deslocalização dos elétrons, ou seja, maior o efeito indutivo negativo, e consequentemente, maior a acidez da substância. Alguns grupos eletroatraentes são apresentados abaixo: E um último fator a ser analisado no efeito indutivo negativo, seria o tipo de ligação, conforme figura 18. Figura 18 – Efeito da acidez pelo tipo de ligação da cadeia carbônica Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 Quanto maior for a quantidade de ligação do tipo π, maior será o efeito indutivo negativo, e maior a acidez. 5.2 Efeito indutivo positivo (I+) O efeito indutivo positivo é provocado pela presença de um elemento ou grupo substituinte muito eletropositivo, ou seja, com forte tendência de repulsão de elétrons. Esse elemento (ou grupo substituinte) “empurra” os elétrons para a cadeia carbônica, conforme pode ser visualizado na figura 19. -X – (halogênios); -OH-, C6H5 (benzeno); -NO2; -SO3H; -COOH; -NH2 14 Figura 19 – Demonstração do efeito indutivo positivo (I+) Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 Os valores apresentados são os nox de cada átomo de carbono. É possível notar que o carbono terciário é o de menor nox (-1), sendo então, esse átomo o responsável pelo maior efeito indutivo positivo da cadeia, o segundo maior nox é o secundário, sendo então o segundo maior responsável pelo efeito e o menor nox, são os carbonos primários, sendo os menores responsáveis, chegando na seguinte ordem de estabilidade: Outro fator é o tamanho da cadeia, a figura 20 demonstra que quanto maior for a cadeia carbônica de um ácido carboxílico, ou seja, maior for o grupo Alquila formador do grupo substituinte, menor a acidez. Figura 20 – Relação do tamanho da cadeia com a acidez Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 C terciário > C secundário > C primário 15 5.3 Ressonância O efeito da ressonância seria a deslocalização das ligações do tipo pi (π), sendo que essa deslocalização influencia na acidez dos compostos orgânicos. A ressonância tem o objetivo de estabilizar as substâncias. A seguir nas figuras 21, 22 e 23 será possível identificar as estruturas de ressonância de ácidos carboxílicos (2 estruturas de ressonância), fenol (3 estruturas de ressonância) e a demonstração de ausência de ressonância do álcool devido a não ter dupla ligação. Figura 21 – Estruturas de ressonância do ácido carboxílico Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 Figura 22 - Estruturas de ressonância do Fenol Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 Figura 23 - Estrutura do álcool, que não possui ressonância Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020 16 Pela quantidade de estruturas de ressonância, o fenol deveria ser o mais ácido, devido a ser mais estável, porém, devido a igualdade do tipo de ressonância do ácido, esse adquire uma maior estabilidade, se tornando o ácido mais forte. Ficando então a seguinte ordem de força: Na prática Agora é sua vez. 1) Considerando a tabela a seguir: Responda os itens a seguir: a) Qual a substância com maior acidez? Justifique. b) Quantas estruturas de ressonância possuem as substâncias orgânicas apresentadas na tabela? Desenhe-as. c) Pesquise pelo menos 4 substâncias eletroatraentes e eletrorepelentes e monte uma tabela como a descrita a seguir. Eletroatraentes Eletrorepelentes 2) Entre os ácidos fórmico, acético, propanoico e butanoico, indique qual o mais ácido e qual o menos ácido. Justifique. Força ácida: ácido carboxílico > fenol > álcool 17 3) Entre os ácidos propanoico, 3 cloro propanóico, 3,3 dicloro propanóico e 3,3,3 tri coloro propanóico, indique qual o mais ácido e qual o menos ácido. Justifique. FINALIZANDO Nessa fase foi determinado conceitos básicos para o bom andamento do estudo das reações orgânicas, que serão vistas nas próximas fases. É de grande importância que os assuntos aqui abordados tenham ficado claros, pois a acidez, basicidade, quantidade de ligações pi (π), quantidade de estruturas de ressonância, tipo de carbono e seu nox, ou mesmo a função orgânica presente influencia grandemente no tipo de reação orgânica a qual poderá ocorrer. REFERÊNCIAS BRUICE, Paula Yurkanis. Química Orgânica. 4ºed., volume 1. São Paulo-SP. Edit. Pearson Prentice Hall, 2006.