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Acidez e basicidade em Química Orgânica IC 370 // Química Orgânica I DQO // Inst. Química Conteúdo deste tópico: • Modelos de acidez e basicidade • Carbânions e carbocátions • Eletrófilos e nucleófilos • Força de ácidos e bases • Acidez e basicidade de moléculas orgânicas Modelos de acidez e basicidade em Química • Modelos históricos: Lavoisier (ca. 1776) e Liebig (1838) • Modelo de Arrhenius (ca. 1884) • Modelo de Brønsted-Lowry (1923) • Modelo de Lewis (ca. 1938) Modelo de Arrhenius • Svante Arrhenius • Ácido: substância que, ao ser dissolvida em água, forma íons H+ • Um ácido aumenta a [H+] em uma solução aquosa • Base: substância que, ao ser dissolvida em água, forma íons OH- • Uma base aumenta a [OH-] em uma solução aquosa • Limitações • Meio aquoso (incomum em Química Orgânica) • Ácidos minerais e alguns ácidos orgânicos • Neste exemplo: • HCl é ácido de Arrhenius, pois forma H+ (mais corretamente: H3O +, que é a espécie que existe em solução) ao ser dissolvido em água • NaOH é base de Arrhenius, pois forma OH- ao ser dissolvido em água Brønsted-Lowry • Proposto de modo independente por J.N. Brønsted (Dinamarca) e M. Lowry (Inglaterra) • Ácido: substância capaz de doar prótons (H+) para outra em uma reação • Ao doar prótons, um ácido torna-se uma base conjugada • Base: substância capaz de receber prótons de outra em uma reação • Ao receber prótons, uma base torna-se um ácido conjugado • Vantagens • Mais abrangente que Arrhenius • Permite outros solventes que não água • Usando o exemplo anterior: • HCl é ácido, pois doa prótons para a água; • A água é a base, pois recebe prótons do HCl • O ácido de Arrhenius também é ácido no modelo de Brønsted-Lowry • O contrário pode não acontecer • Outro exemplo: • Ácido acético dissolvido em amônia líquida • O modelo de Arrhenius permite explicar essa reação? Modelo de Lewis • Proposto por Gilbert Lewis por volta de 1938 • Ácido: substância capaz de receber um par de elétrons • Base: substância capaz de doar um par de elétrons • HCl é ácido pelos modelos de Arrhenius, Brønsted-Lowry e Lewis O que significam as setas curvas de ponta dupla? • O modelo de Lewis é o mais abrangente dos três • Acomoda espécies que são ácidas sem doarem prótons • É possível explicar essa reação pelos modelos de Arrhenius e Brønsted- Lowry? Lembretes • Qualquer ácido de Arrhenius ou de Brønsted-Lowry é, por definição, um ácido de Lewis (aceptor de par de elétrons) • O mesmo raciocínio vale para bases • O oposto pode não ser verdadeiro • Não utilizamos o modelo de Arrhenius em Química Orgânica devido à suas grandes limitações • Em geral utilizamos: • Modelo de Brønsted-Lowry • Modelo de Lewis Carbânions e carbocátions • Ambos surgem da heterólise de ligações covalentes Carbênium é o nome dado para o carbocátion com número de coordenação 3Heterólise: quebra da ligação covalente onde o par de elétrons se desloca junto para um dos átomos Carbocátions aceitam facilmente doação de par de elétrons no orbital 2p vazio. São ácidos de Lewis. Carbânions são capazes de doar o par de elétrons ocupando o orbital sp3. São bases de Lewis. Nucleófilos e eletrófilos • Eletrófilos: espécies deficientes em elétrons • São ácidos de Lewis • Nucleófilos: espécies ricas em elétrons • Quando doam o par de elétrons para átomos de carbono deficientes • São bases de Lewis Denominamos as espécies de nucleófilos ou eletrófilos se e somente se átomos de carbono estão envolvidos na doação ou acepção de elétrons Força de ácidos e bases: pKa • A maioria das moléculas orgânicas são ácidos ou bases fracas • i.e.: muitas das reações ácido-base em Química Orgânica estão em condições de equilíbrio químico • pKa é uma medida da ionização de um ácido em um solvente • É empregado como uma medida da força de um ácido • Outra alternativa: função de acidez de Hammett (H0) • Em geral: ácidos fortes apresentam pKa < -1,74 (H3O +) Ácido pKa Base conjugada HSbF6 < -12 SbF6 - CF3SO3H -15 CF3SO3 - HClO4 -14 ClO4 - HI -10 I- H2SO4 -9 HSO4 - HBr -9 Br- HCl -7 Cl- A ci d ez B asicid ad e Ácido pKa Base conjugada H3O + -1,74 H2O HNO3 -1,4 NO3 - CF3COOH 0,18 CF3COO - HF 3,2 F- CH3COOH 4,75 CH3COO - NH4 + 9,2 NH3 HCO3 - 10,2 CO3 2- CH3NH3 + 10,6 CH3NH2 H2O 15,7 OH - CH3CH2OH 16 CH3CH2O - HCC-H 25 HCC- NH3 38 NH2 - H2C=CH2 ~44 H2C=CH - H3CCH3 ~50 H3CCH2 - A ci d ez B asicid ad e Ácido pKa Base conjugada HSbF6 < -12 SbF6 - CF3SO3H -15 CF3SO3 - HSbF6 e o ácido trifluorometanosulfônico são considerados superácidos Alguns superácidos são fortes o suficiente para protonarem hidrocarbonetos! Ácido pKa Base conjugada HI -10 I- HBr -9 Br- HCl -7 Cl- HF 3,2 F- A acidez da espécie aumenta com a diminuição da força da ligação H-X (maior a tendência em doar prótons, maior a acidez). É uma consequência do raio atômico maior. p.s.: HF é ácido fraco quando diluído em água; é um superácido quando utilizado puro e anidro Ácido pKa Base conjugada HF 3,2 F- H2O 15,7 OH - NH3 38 NH2 - H3CCH3 ~50 H3CCH2 - A acidez também aumenta junto com a eletronegatividade do átomo ligado ao hidrogênio. Ácido pKa Base conjugada HC≡C-H 25 HCC- H2C=CH2 ~44 H2C=CH - H3CCH3 ~50 H3CCH2 - A acidez também aumenta conforme aumenta o caráter s do orbital híbrido do carbono na ligação C-H Acidez: Csp > Csp2 > Csp3 Efeito indutivo e acidez A presença de grupos eletronegativos próximos ao grupamento ácido aumenta a acidez deste grupo Causa: efeito indutivo Efeito indutivo: transmissão da carga através de uma cadeia de átomos em uma molécula por indução eletrostática A nuvem eletrônica do ânion carboxilato está deslocada em direção dos grupos retiradores de elétrons (estabilizando a base conjugada)