Acidez Basicidade e pKa

Prévia do material em texto

ACIDEZ; BASICIDADE; E pKa
M. M. Murta
IQ/UnB_2018
Substâncias orgânicas são mais solúveis em H2O como íons
A maioria das substâncias orgânicas são insolúveis em água. Para dissolvê-la, como no caso de medicamentos, sua conversão a ânions ou cátions permite que a água possa fazer a solvatação de ambos, tornando-os solúveis .
Uma boa maneira de dissolver um ácido orgânico é colocá-lo em uma solução básica: a base desprotona o ácido formando o sal, como é o caso da aspirina.
Por outro lado, para dissolvermos uma base orgânica, tais como aminas, podemos abaixar o pH da solução. Exemplo: a codeína.
Aspirina e Codeína
ACIDEZ; BASICIDADE; E pKa
Os conceitos de acidez e basicidade são importantes pois muitas reações orgânicas e biológicas são catalisadas por ácidos ou bases.
O pKa é o parâmetro que indica a força de um ácido (o pH varia com a concentração do ácido).
O valor do pKa de ácido depende da estabilidade da base conjugada.
Conceitos Ácido-Base: Breve Revisão
Ácido
Base
Primeira definição: Arrhenius (1884) 
5
Por que estes íons são tão importantes em solução aquosa?
O produto de ionização da água e a escala de pH.
Conceito ácido-base de Brönsted-Lowry (1923)
HA + B A + BH
ácido
base
base
conjugada
ácido 
conjugado
+H+
-H+
ácido = doador de próton
base = aceptor de próton
Tudo é definido em função do próton, o único ácido 
reconhecido na teoria de Brönsted-Lowry
ácido conj. = base protonada
base conj. = ácido desprotonado
7
Definição de pKa
ácido 
base
ácido conjugado 
base conjugada
pKa = 15,7
pKa = 4,75
pKa = - 7
Íon hidrônio solvatado
8
pKa = - log Ka
pKa
14
12
10
8
6
4
2
0
ácidos fortes
ácidos fracos
Ka
10-14
10-10
10-6
10-2
Comparação dos valores de pKa and Ka
Quanto menor o valor do pKa
mais forte será o ácido, ou seja, maior o Ka
-2
102
Os valores numéricos do pKa não envolvem expoentes como os de Ka. Esse é um bom motivo para usarmos pKa ao invez de Ka!!!
9
Dissociação de eletrólitos fortes e fracos
pKa = 4,75
pKa = - 7
Em resumo:
Dissociação total
Dissociação parcial
10
pKa X pH
Pelo fato de os valores pH variarem com a concentração do ácido, o pKa é o parâmetro que indica a força de um ácido 
Como calcular o pH de uma solução de um ácido fraco usando-se os valores de pKa?
A partir dos dados de pKa podemos preparar soluções tampão de ácidos fraco e bases fracas.
Curvas de Titulação- Soluções Tampão
http://s3.amazonaws.com/magoo/ABAAAfRpEAD-26.jpg
Dissociação de eletrólitos fortes e fracos
pKa = 4,75
pKa = - 7
Em resumo:
Dissociação total
Dissociação parcial
14
Valores de pKa de alguns compostos: força ácido-base relativa
Ácido forte
Ácido fraco
Base fraca
Base forte
↑pKaH ↑ basicidade
↓pKa ↑ acidez
*pKaH (ácido conjugado) 
15
HA + H2O 
H3O+ + A- 
Em água, todos os ácidos formam o íon hidrônio.
A diferença entre um ácido forte e um ácido fraco estará na estabilidade da base conjugada.
Avaliando a força de ácidos
HA
A-
A-
base conj. forte
(= alta energia)
Ácido Fraco
Ácido Forte
E
N
E
R
G
I
A
Fácil ionização
base conj. fraca
(= baixa energia)
16
Estabilização na base conjugada torna o ácido mais forte
A-
HA
estabilização
Fatores que contribuem para estabilização
1 Eletronegatividade
2 Tamanho dos Átomos
3 Hibridização
4 Efeitos Indutivos
5 Ressonância
6 Cargas
 7 Solvatação
8 Efeitos Estéreos*
* geralmente desestabiliza
Como a estrutura afeta a força ácida (acidez) de uma espécie?
17
>45
34
16
3.5
 45
35
18
 20
15
 5
Efeito da Eletronegatividade
ELETRONEGATIVIDADE
AUMENTANDO
DIMINUIÇÃO pKa/AUMENTO DA ACIDEZ
Compostos / Valores de pKa
18
Aumento da Estabilidade das Bases Conjugadas 
Eletronegatividade
A base conjugada que contêm a carga negativa no átomo mais eletronegativo, é a base conjugada mais estável.
Ao comparar dois ácidos do mesmo período da tabela periódica temos átomos de tamanhos semelhantes ligados ao átomo de hidrogênio. 
Neste situação, a força da ligação X-H e, consequentemente, a força do ácido estará diretamente associada com a eletronegatividade.
19
Efeito do Tamanho do Átomo
(polarizabilidade)
Aumentando o tamanho do átomo
Valores de pKa
3,5
-7
-9
-10
16
 7
 4
 3
5
4
DIMINUIÇÃO pKa/AUMENTO DA ACIDEZ
20
Polarizabilidade (a): momento de dipolo induzido por unidade campo (m=a.F)
Tamanho do Átomo
A base conjugada que contém a maior nuvem eletrônica, ou seja, mais polarizável é a que comporta melhor a carga negativa, sendo portanto a base conjugada mais estável.
Ao comparar dois ácidos da mesma família da tabela periódica temos átomos de tamanhos diferentes ligados ao átomo de hidrogênio. 
Nesta situação, quanto maior o átomo, menor será a sobreposição de sua nuvem eletrônica com a do hidrogênio e, consequentemente, mais fraca será a ligação HX e mais forte será o ácido.
Aumento da Estabilidade das Bases Conjugadas 
F
-
Cl
-
Br
-
I
-
0,136nm
0,181nm
0,195nm
 0,216nm
22
Eletronegatividade
Tamanho
Acidez
Acidez
Dependência da acidez com o tamanho de átomos e sua eletronegatividade
PERÍODO
GRUPO
23
Efeito da Hibridização
sp3
sp2
sp
≈ 50
35
25
Elétrons tem menor
energia em orbitais sp,
pois ficam mais próximos ao núcleo.
pKa 
Quanto maior o caráter s, mais eletronegativo é o átomo
(maior acidez)
-1,74
-7
pKa
Efeito da hibridização na acidez (reatividade relativa)
pKa = 25
pKa = 33
Par isolado do CH3CH2-
em orbital sp3
Par isolado do H2C=CH-
em orbital sp2
Par isolado do HC≡C-
em orbital sp
25
CH3
d-
d+
C
R, CH3, B, Si
Efeitos Indutivos
Atuando sobre o sistema de ligações s, estendendo-se ao longo da cadeia.
Grupos Doadores de Elétrons
Grupos alquila e elementos menos eletronegativos que o carbono doam densidade eletrônica para o carbono
Cl
d-
d+
C
Grupos Retiradores de Elétrons
F, Cl, Br, N, O
Elementos mais eletronegativos que o carbono retiram densidade eletrônica do carbono
26
3,13
2,87
2,81
2,66
4,75
2,81
1,29
0,65
Valores pKa
Aumento da 
eletronegatividade
Aumento do número de substituintes mais eletronegativos que carbono
Efeito Indutivo em Haloácidos
27
Efeito Indutivo em Haloácidos
O efeito reduz com a distância, sendo importante ao longo de até 3 ligações.
O átomo de cloro ajuda a estabilizar -CO2- ao retirar densidade eletrônica.
distância
28
Exemplos de outros grupos que diminuem a densidade eletrônica (elétron-retiradores), afetando a acidez 
em ácidos carboxílicos:
em álcoois:
29
Efeito Indutivo Positivo
pKa
3,75
4,75
4,87
4,81
5,02
pKa
15,7
15,5
16,0
17,1
19,2
Diminuição da acidez
30
Efeito Indutivo Positivo + Ressonância
Efeito Indutivo 
Compostos 1,3 dicarbonilados: Efeito Indutivo + Ressonância
31
Exemplos de Estabilização por Ressonância
Sistemas p conjugados e ressonância
Sistema p conjugado 
Sistemas p conjugados e ressonância = orbitais p paralelos em carbonos adjacentes
33
Benzeno e Aromaticidade
Os 6 elétrons presentes nos 3 orbitais p não estão localizados
Híbrido de Ressonância
Ligação C=C 1,39 Å
Estruturas de Ressonância
ou 
Formas Canônicas
Regra de Hückel (4n + 2) elétrons π, onde n = inteiro e positivo
34
Os seis grupos CN aumentam muito a acidez comparado com o ciclopentadieno (pKa 15.5)
O caráter aromático da base conjugada reflete no pKa da espécie
pKa ≈ – 11
Regra de Hückel (4n + 2) elétrons π, onde n = inteiro e positivo
pKa=8,5
35
Efeito de Ressonância
18
10
 5
45
30
25
20
 9
28
25
15
Valores de pKa
Aumenta o efeito de ressonância
36
Ressonância no íon fenolato
-
Estruturas não equivalentes
Carga no carbono e oxigênio
37
Ressonância no íon acetato
Estruturas equivalentes
Carga nos oxigêniosEtóxido: carga localizada no oxigênio
Acetato: carga localizada entre os dois oxigênios
38
Exemplos de outros carbonos ácidos
(Bases conjugadas e pKa)
39
Eletronegatividade
Tamanho
Efeito Indutivo
Vários Efeitos Indutivos
Hibridização
Ressonância
Comparação de Efeitos no valores de pKa.
50
34
16
3
-7
-9
-10
30
25
10
20
15
4.8
2.8
1.3
0.7
35
25
3.1
2.9
2.7
A direção das setas
Indica um aumento
na acidez.
sp
sp2
sp3
40
Espécies Carregadas versus Espécies Neutras
16
-1,74
-3,5
-6
-7
34
9,24
10
-10
25
4
Valores de pKa
Prótons excedentes em ácidos conjugados são sempre mais ácidos que os prótons originais da base.
41
Generalização
Efeitos mais pronunciados
Eletronegatividade
Tamanho do Átomo 
Hibridização
Ressonância
Átomo altamente carregado (+)
Estes cinco costumam causar grandes mudanças no pKa.
Efeitos Indutivos
Causam mudanças menores, a não ser que haja somatório de Efeitos Indutivos.
Efeitos menos pronunciados
42
Bases e a “constante de basicidade”, Kb
pKb = - log Kb
B: + H2O
BH+ + OH-
Kb = 
[BH+] [OH-]
[B:] 
Ao contrário do Ka, o Kb de uma base não é muito utilizado!
A constante Kb define força de uma base:
43
 ou pKa + pKb = 14
BH+ + H2O
B: + H3O+
Ka =
[B:] [H3O+]
[BH+]
KaKb = Kw = 10 -14
pKa = - log Ka
O Ka de uma base é o Ka de seu ácido conjugado BH+
As seguintes relações permitem converter um
Kb ou um pKb no correspondente valor de Ka ou pKa.
Onde Kw é o produto iônico da água. Assim, subtraindo-se o pKa de 14 temos o pKb. O pKa do ácido conjugado é em geral designado por pKaH 
Relação entre Kb e Ka
44
 Um valor pequeno de pKaH significa que B é uma base fraca. 
Se BH+ é um ácido forte, então B é uma base fraca que não segura fortemente o próton.
 Um valor grande de pKaH significa que B é uma base forte.
Se BH+ é um ácido fraco, então B é uma base forte que segura fortemente o próton.
O que pKaH de uma base significa ?
Por outro lado ... 
pKb pequeno = base forte » ácido conj. fraco
pKb grande = base fraca » ácido conj. forte
B H
B H
+
+
45
4,8 9,2
3,3 10,7
3,3 10,7
4,2 9,8
pKb pKaH
Valores de pKaH e pKb para algumas aminas simples
Aumenta a força da base
Trimetilamina está
fora da tendência.
Provavelmente, por efeito estéreo ou de solvatação.
pKaH do ácido conjugado 
(íon amônio)
Grupo doador de elétrons
pKaH maior = ác. conj. fraco
pKb menor = base forte
46
11,2
11,1
4,6
5,3
-0,3
menor pKaH diminui a
Basicidade aumenta a acidez 
sp3
sp2
O par de elétrons não está envolvido com a ressonância
sp2
O par de elétrons está envolvido com a ressonância
Algumas aminas cíclicas
pirrolidina
piperidina
anilina
piridina
pirrol
N
H
N
N
H
N
H
N
H
2
..
..
..
..
:
sp3
O par de elétrons está envolvido com a ressonância
menor pKaH = base fraca
47
O par de elétrons responsável pela basicidade faz parte do sistema em ressonância ( está em um orbital p puro).
PIRIDINA
PIRROL
pKb 8.75
pKb 14,3
Base forte
Base fraca
pKaH 5,3
pKaH -0,3
O par de elétrons responsável pela basicidade não faz parte do sistema em ressonância 
(está em um orbital híbrido sp2).
pKaH é maior
pKb é menor = base forte
pKaH é menor
pKb é maior = base fraca
48
C
3,30
8,90
9,37
13,0
Diminui a força da base
pKb
Cicloexilamina e algumas anilinas
10,7
5,10
4,63
 1,0
pKaH
ácido conjugate
base
Grupo retirador
O
N
H
2
H
3
N
H
2
N
H
2
2
N
N
H
2
..
..
..
..
p -metilanilina
anilina
p -nitroanilina
cicloexilamina
↑pKaH ↑ basicidade
↓ pKb ↑ basicidade
49
Anilina e a ressonância do par de elétrons não ligantes do nitrogênio.
Diminui a força da base
Conjugação
50
Efeito indutivo e solvatação afetam a basicidade de aminas
pKaH = 9.3
pKaH RNH2 > NH3 (mais básica) 
pKaH R2NH (pouco mais básica)
pKaH R3N (solvatação/efeito estéreo)
(solvatação pela água)
maior estabilização da carga positiva pelo grupo alquila
maior estabilização da carga positiva por ligação hidrogênio com solvente
Conclui-se que:
(efeito indutivo)
Ácido conjugado
NH3 (NH4+ )
↑pKaH ↑ basicidade
51
Aspirina 
(pouco solúvel em água)
Sal de sódio (solúvel em água)
Codeína (pouco solúvel em água)
Sal quaternário (solúvel em água)
Importância da Acidez e Basicidade: Solubilidade em Água
Anilina
Anilínio
Benzoato de sódio (solúvel em água)
Ácido Benzóico (pouco solúvel em água)
Tolueno (insolúvel em água)
Preparo de soluções aquosas: medicamentos
Processos extrativos: purificações;
 Processos biológicos (tampões, catálise enzimática, etc)
(solúvel em água)
52
Exercício
Uma mistura formada por aspirina, cafeína e acetanilida, dissolvida em CHCl3 (clorofórmio), pode ser separada em uma marcha química empregando o conceito de ácido-base. Estabeleça as estruturas moleculares das substâncias I, II, III, IV e V. Para cada etapa, descreva brevemente o raciocínio empregado na dedução das estruturas, apresentando equações químicas sempre que pertinente.
 
 
Teoria ácido-base de Lewis (1923)
B:
Doador de par de elétrons para formar ligação covalente
Base
A
Ácido
Ex. ácidos de Lewis:
AlCl3 FeBr3 BF3 H3O+ 
Ex. bases de Lewis:
NH3 H2O BH4-
Mais ampla que a teoria de Brönsted-Lowry
Uma base de Lewis é a mesma da base de Bronsted, ou seja, uma substância
 que tenha um par de elétrons disponível desemparelhado ou em um orbital p.
Um ácido de Lewis é qualquer espécie com um orbital vazio.
Aceptor de par de elétrons para formar ligação covalente
54
Nucleófilos e eletrófilos atuam como bases e ácidos de Lewis, respectivamente
trimetilfosfina
dimetilsulfeto
Nucleófilos doam elétrons de alta energia (HOMO) para eletrófilos (LUMO):
Nucleófilos: espécies carregadas negativamente ou neutras com par de elétrons (isolado, ligação π ou σ) em um orbital preenchido de alta energia (HOMO).
Eletrófilos: espécies positivamente carregadas ou neutras com orbital antiligante (π* ou σ*) vazio de baixa energia ou orbital não preenchido de baixa energia (LUMO).
nova ligação σ 
 
Nucleófilo
Eletrófilo
Ácido de Lewis
Eventualmente, alumina é formada
cianeto
Base de Lewis
orbital p
vazio
FeBr3
55
1. Para cada um dos derivados do aminoácido natural ácido glutâmico explique os vários valores de pKa. Diga que pKa pertence a que grupo funcional e explique por que variam nos diferentes derivados.
Exercícios
Ácido glutâmico: pkas 2,19; 4,25 e 9,67
Glutamina: pkas 2,17 e 9,13
Éster dietílico: pka 7,04
Éster monoetílico: 
pkas 2,15 e 9,19
Éster monoetílico: 
pkas 3,85 e 7,84
56
2. Os fenóis abaixo apresentados têm valores de pKa 4, 7, 9, 10 e 11. Correlacione o valor de pKa com o respectivo fenol. Justifique suas escolhas.
57
3. Explique a variação de pKa das seguintes espécies:
58
4. Indique quais produtos serão formados para cada uma dessas combinações de reagentes. Use o valor de pKa para saber qual espécie é a base e qual é o ácido, incluindo os correspondentes conjugados:
PhOH 10
AcOH 4,75
Imidazólium 7,1
Piridínium 5,2
CF3CO2H 0,23
59
5. A aspirina (ácido acetilsalicílico ou AAS) é um medicamento largamente utilizado como analgésico e antitérmico. Para ser absorvida na corrente sanguínea, a aspirina deve atravessar a membrana que reveste o estômago e o intestino delgado. Moléculas eletricamente neutras podem atravessar a membrana mais facilmente que as moléculas carregadas. A aspirina é um ácido fraco com pka = 3,5, que se dissocia de acordo com a reação abaixo:
(a) Indique as cargas elétricas predominantes da aspirina em pHs 1,5 , 7,0 e 10.
(b) Considerando-se que o pH da mucosa gástrica é aproximadamente 1,5 e o pH da mucosa intestinal é próximo a 7,0 e que substâncias eletricamente carregadas encontram mais dificuldade ematravessar a membrana plasmática das células, diga onde a aspirina será mais rapidamente absorvida, ou seja na mucosa intestinal ou na mucosa gástrica? Explique.
Equação de Henderson-Hasselbalch
60
6. Discuta a estabilização dos ânions formados por desprotonação de (a) e (b) e o cátion formado pela protonação de (c). Considere a deslocalização em geral e a possibilidade de aromaticidade em particular.
61
Bom grupo de saída 
(base fraca: estabilizada por ressonância)
Importância da Acidez e Basicidade: Reatividade Química
pKa = 25
pKa = 33
Ácido
Base mais forte
Base
Ácido fraco
Nucleófilo
(base forte)
Catalisador básico
Acetato
62
Para mais informações consulte:
Costa, P. R. R.; Ferreira, V. F.; Esteves, P. R. & Vasconcellos, M. L. A. Ácidos e Bases em Química Orgânica, 1a edição, Editora Bookman, Porto Alegre, 2005
Carey, F. A. Química Orgânica - volumes 1 e 2 7a Ed, Bookman, 2012. 
Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S. & Wothers, P. Organic Chemistry, 2a Ed, Oxford University Press Oxford, 2012.
Solomons, T. W. G. & Fryhle, C. B. Química Orgânica – tradução da 10ª Ed. Editora LTC. Volume 1 
Bruice, P. Y. Química Orgânica, 4ª Ed. Pearson Prentice Hall, São Paulo, 2006, Vol. 1.
Theodore L. Brown, T. L.; Lemay, H. E. & Bursten, B. E.. Química - A Ciência Central. 9ª Ed. Pearson Education, 2005.
Chagas, A. P. Teorias ácido-base do século XX, QNESC 1999, 9, 28. 
Fiorucci, A.R.; Herbert, Soares M.H. F. B.; Cavalheiro, E.T.G. O conceito de solução tampão, QNESC 2001, 13, 18.
Textos complementares:
63
Esterificação de ácidos carboxílicos.
Catálise ácida
Serina Protease – Tríade Catalítica
CH4
 50�
NH3
 36�
H2O
 16�
 HF
 3.2�
�
SiH4
 35�
PH3
 27�
H2S
 7�
HCl
 -7�
�
GeH4
 25�
AsH3
 23�
H2Se
 3.7 �
HBr
 -8�
�
�
�
H2Te
 3.0�
 HI
 -9�
�