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QUÍMICA ORGÂNICA UNINASSAU PARTE3 Tópicos de estereoquímica A estereoquímica dos compostos orgânicos se baseia, principalmente, na análise do arranjo molecular em três dimensões, e em sua imagem espelhada, também denominada como imagem especular. Ao analisar uma molécula de forma espacial ou observar sua imagem especular (observar que as moléculas contêm átomos ligados na mesma sequência, mas que espacialmente são diferentes), pode-se afirmar que se trata de um estereoisômero. Os estereoisômeros podem ser classificados como enantiômeros e diastereoisômeros. Enantiômeros são compostos que possuem imagem especular não sobreponível. Para que fique mais claro, é possível fazer uma analogia ao observar as mãos: note que, quando ambas estão voltadas para baixo ou para cima, não é possível sobrepô-las perfeitamente. Os enantiômeros seguem o mesmo princípio, fazendo parte desse grupo compostos bioquímicos, como proteínas e DNA. Um outro bom exemplo é a estrutura do álcool 2-butanol, que possui uma hidroxila (-OH) ligada ao segundo carbono. Caso esta molécula seja refletida em um espelho, como mostrará a Figura 1, veremos que as ligações entre os átomos são semelhantes, mas que as moléculas (original e espelhada) não se sobrepõem. Portanto, essas moléculas são consideradas distintas. Além disso, os enantiômeros possuem as mesmas propriedades físicas e químicas, contudo, podem ser opticamente ativos, ou seja, podem desviar a luz polarizada. Quando a luz polarizada entra em contato com um enantiômero e é desviada para a direita, a molécula é denominada dextrogiro ou simplesmente D. Quando a luz desvia para a esquerda, a molécula é designada de levogiro ou L. As letras que simbolizam o desvio da luz, L ou D, devem ser expressadas na nomenclatura da molécula. Outra possibilidade é de a que a luz polarizada interaja com uma molécula e não cause o desvio da luz, mostrando-se uma molécula não opticamente ativa. ASSISTA A luz do Sol possui ondas eletromagnéticas que se propagam, de maneira não organizada, em diversos planos perpendiculares. Já a luz polarizada é resultado do isolamento de um único plano de luz, obtida ao passar uma fonte de luz por meio de um polarizador, produzindo, de maneira organizada, a luz plano-polarizada. Saiba mais assistindo ao vídeo “Luz polarizada e luz natural”. A mistura racêmica (presença uniforme de levogiro e dextrogiro) também pode fazer com que um enantiômero não desvie a luz polarizada. Isso ocorre, pois equimolaridade entre os estereoisômeros causa o não desvio da luz polarizada, visto que a atividade óptica de uma molécula cancela a da outra, resultando em um desvio de luz nulo. Os diastereoisômeros, por sua vez, são isômeros espaciais, cuja análise é realizada pela verificação da disposição de seus átomos. Os diastereoisômeros são isômeros do tipo cis e trans, como o 1,2 dicloroeteno, por exemplo, que pode ser cis e que, nesse caso, possui os átomos de cloro ligados ao carbono no mesmo lado do plano da molécula. Seu isômero trans possui os átomos de cloro ligados a lados opostos da molécula, como também poderá ser observado na Figura 1. Figura 1. À esquerda, exemplo de um enantiômero da molécula de 2-butanol; à direita, exemplo de um diastereoisômero do 1,2-dicloroeteno. A nomenclatura dos diastereoisômeros deve ser feita incluindo os prefixos cis ou trans, de acordo com a sua estrutura. Diferente dos enatiômeros, os diastereisômeros, geralmente, possuem propriedades físicas e químicas distintas, tais como ponto de fusão, ponto de ebulição, solubilidade e velocidade de reação. Além de moléculas contendo dois centros quirais, ou seja, carbonos ligados a diferentes átomos, também são considerados diastereoisômeros (SOLOMONS; FRYHLE, 2012). É importante ressaltar que, ainda que os enantiômeros possuam as mesmas propriedades físicas e químicas (mesma solubilidade, mesmos pontos de fusão e ebulição), um pode ser opticamente ativo ou até mesmo tóxico, enquanto o outro não o é. Portanto, quando se deseja separar os enantiômeros, a técnica de conversão da molécula de interesse em um diastereoisômero pode ser utilizada. Nesse processo, uma mistura racêmica interage com um enantiômero de outra molécula, produzindo diastereoisômeros que, por possuírem pontos de fusão, ebulição e solubilidade diferentes, podem ser separados por cromatografia e destilação, por exemplo. QUIRALIDADE Nas moléculas orgânicas, denomina-se quiral quando o carbono realiza quatro ligações com átomos diferentes. Observar a quiralidade de uma molécula é uma forma de determinar se ela é um enantiômero. O ácido 2-hidroxipropanóico, retratado na Figura 2A, apresenta um centro quiral no carbono central, que está ligado a uma hidroxila, um metil, uma carboxila e a um hidrogênio. Considerando o 2-propanol, pode-se notar que seu carbono central está ligado a uma hidroxila, dois radicais etil e a um hidrogênio, e que sua imagem espelhada é sobreponível, ainda que a molécula seja rotacionada, como será observado na Figura 2B. Uma molécula sobreponível não é considerada um enantiômero, mas uma aquiral, ou seja, sem quiralidade. Para considerar uma molécula como aquiral, como o 2-propanol, é preciso avaliar os planos de simetria, o que consiste em dividir, imaginariamente, a molécula. Assim, é possível perceber que um dos lados do 2-propanol é semelhante ao outro. Portanto, ao menos um plano de simetria deve estar presente, para que uma molécula seja considerada aquiral. CURIOSIDADE Como um dos princípios da quiralidade se relaciona com a imagem especular não sobreponível, é possível que uma molécula seja quiral sem possuir um centro de quiralidade, como é o caso do ligante 1,1'-binaftaleno-2,2'-diil-bis (difenilfosfina) ou simplesmente BINAP. Sua quiralidade se deve, basicamente, a altas barreiras rotacionais entre seus isômeros conformacionais, também denominados de atropisômero. A barreira rotacional dá alta estabilidade à molécula e também permite que esta seja isolada. Além das nomenclaturas L e D citadas anteriormente, outra nomenclatura utilizada para enantiômeros se relaciona com seu centro quiral e é baseada no sistema R, S. Para isso, o primeiro passo é localizar o centro quiral da molécula e representá-lo no centro de um tetraedro (os átomos ligados ao carbono ficam dispostos nos vértices de um tetraedro). Em seguida, os átomos ligados ao carbono quiral são organizados, de acordo com sua prioridade. Para tal, algumas regras devem ser seguidas: 1 Os átomos ligados ao carbono quiral que possuem maior número atômico são prioridade. Por exemplo, um -C tem maior prioridade do que um -H; 2 Se dois átomos ligados ao carbono quiral forem semelhantes, deve-se observar os átomos seguintes, até que um ponto de diferença seja encontrado. Por exemplo, um substituinte -CH2SH tem menor prioridade do que um substituinte -CH2-S-CH3. Após ordenar os substituintes do carbono quiral, posiciona-se a molécula de modo que o menor substituinte tenha a maior distância possível do observador, que terá a visão da base do tetraedro. Se os substituintes seguirem o sentido anti-horário, em ordem decrescente de prioridade, o centro quiral é denominado de S, que se relaciona à esquerda. Se a ordem decrescente dos substituintes estiver no sentido horário, o carbono quiral é denominado de R, que se relaciona à direita. Os símbolos R e S devem ser representados na nomenclatura em itálico. A Figura 2C apresenta como exemplo o 1-bromo-1-iodo-etano, demonstra a substituição que segue a ordem de prioridade e o fato de que, ao colocar o substituinte de menor prioridade -H mais distante do observador, pode-se designar a nomenclatura seguindo o sistema R, S. Figura 2. (A) Quiralidade da molécula ácido 2-hidroxipropanóico; (B) Imagem espelhada e plano de simetria do 2- propanol; (C) Substituição, seguindo a ordem de prioridade e determinação da nomenclaturapelo sistema R, S da molécula 1-bromo-1-iodo-etano. Outra forma de representar a molécula, para determinar se ela é R ou S, é pela utilização das projeções de Fischer, especialmente úteis quando a molécula possui mais de um centro quiral, como será observado na Figura 3A. Os centros quirais são muito comuns em moléculas biologicamente importantes, como o colesterol. Além disso, elimina a necessidade da visualização em três dimensões da molécula. Para moléculas que possuem mais de um centro quiral, a quantidade de estereoisômeros é facilmente determinada por 2n, em que n é a quantidade de centros quirais, sendo que a proporção resultante de 2n não é ultrapassada. Para moléculas, a projeção de Fisher segue alguns parâmetros importantes: sua estruturação vertical representa a cadeia principal de carbono; na horizontal, são dispostos os átomos que se ligam ao carbono quiral, de modo que toda a representação seja perpendicular ao plano do papel. Em molécula que possui apenas um centro quiral, a ordem na qual os átomos são ligados ao carbono quiral deve seguir as regras de prioridade descritas anteriormente. Portanto, o grupo de menor prioridade é colocado no topo da coluna. Em molécula com mais centros quirais, as possibilidades para as projeções de Fischer devem ser representadas. A análise que determina se o centro quiral é R ou S é realizada individualmente, como ilustrado na Figura 3B, em que o 2-bromo-3-cloro-butano é utilizado como exemplo. Figura 3. (A) Representação dos diastereoisômeros do 2-bromo-3-cloro-butano, utilizando a projeção de Fischer; (B) Determinação da configuração dos centros quirais, utilizando as projeções de Fischer. Na Figura 3B, ao posicionar o grupo de menor prioridade na vertical e para cima, perceba que os outros grupos (CH3 e CHBrCH3) também sofrem a troca de posição, sendo que, somente após a dupla troca, a configuração da molécula em R ou S é determinada. Considere o 2,3-dibromo-butano, possuidor de dois centros quirais e que, pela lógica, ao aplicar 2n, a molécula produziria quatro estereoisômeros. Entretanto, moléculas com substituintes iguais produzem menos estereoisômeros. No exemplo citado, apenas três. Ao utilizar um plano de simetria no meio dessa molécula, quando ela apresenta os átomos de bromo em apenas um lado, pode-se observar que as partes superior e inferior da molécula são idênticas. Nesse caso, a molécula é denominada Meso (SOLOMONS; FRYHLE, 2012). O mesmo é observado em moléculas cíclicas que contêm substituintes iguais, ao inserir um plano no meio da molécula, nota-se que ela possui ambos os lados iguais. Mas, caso a molécula cíclica apresente dois centros quirais distintos, sabe-se que esta terá quatro estereoisômeros: dois isômeros espelhados cis (que possuem a metila e hidroxila voltadas para frente) e dois isômeros espelhados trans (que possuem os substituintes voltados para trás, em relação ao plano). Por exemplo, um ciclo pentano com uma metil e uma hidroxila, originando o 2- metilciclopentanol, com a utilização da regra 2n. ISÔMEROS CONSTITUCIONAIS A isomeria constitucional, também conhecida como plana ou estrutural, relaciona-se fundamentalmente com a estrutura de uma molécula, ou seja, com o modo que os átomos estão dispostos e ligados entre si. Isso ocorre porque é comum que compostos apresentem fórmulas moleculares iguais, mas fórmulas estruturais diferentes. Além disso, isômeros também podem ter ponto de fusão, ebulição e densidade distintos. Os isômeros constitucionais são divididos em cinco categorias: isomeria de função, isomeria de cadeia, isomeria de posição, isomeria de compensação ou metameria e isomeria dinâmica, também conhecida como tautomeria. Clique nos botões para saber mais Isomeria de função – A isomeria de função está relacionada aos isômeros que possuem grupos funcionais diferentes. Por exemplo, a fórmula molecular C2H6O pode ser utilizada para o etanol, cujo o grupo funcional é o álcool (-OH), representado na extremidade da cadeia carbônica. O metoximetano possui a mesma fórmula, mas sua função orgânica é éter, ou seja, possui um oxigênio entre os grupos metil. As propriedades destes dois compostos também são muito diferentes: o ponto de ebulição do etanol é de 78,3 ºC e do metoximetano é de - 23 ºC. Isomeria de cadeia – Na isomeria de cadeia, as moléculas apresentam funções orgânicas similares, no entanto, suas cadeias apresentam diferenças. Portanto, um isômero pode ter uma cadeia aberta e outra fechada ou uma ramificada e a outra não. Por exemplo, o C4H10 pode ser relacionado com um butano ou ao 2-metilpropano, ambas as moléculas são hidrocarbonetos, com carbonos ligados apenas por ligações simples, sendo que o butano possui uma cadeia normal enquanto o 2-metilpropano é ramificado. Isomeria de posição – A isomeria de posição está associada à mudança de posição de grupos funcionais, insaturação (ligação dupla ou tripla) e ainda do substituinte ou ramificação. A fórmula molecular C3H8O pode ser utilizada tanto para o propanol que possui a hidroxila ligada ao primeiro carbono quanto para o propano-2-ol que apresenta a função álcool no segundo carbono. Isômeros de compensação – Se diferenciam pela mudança da posição dos heteroátomos, como o oxigênio e o nitrogênio, que devem estar especificamente entre os carbonos de uma cadeia. Essa isomeria ocorre majoritariamente em moléculas com funções orgânicas do tipo éter, éster, amina e amida. O C4H11N pode ser utilizado para representar tanto o metiletanamina quanto o etiletanamina. Tautomeria – A tautomeria ocorre, basicamente, quando isômeros de grupos funcionais diferentes estão em equilíbrio em uma solução, sendo comum a conversão de um isômero em outro. Usualmente, a tautomeria ocorre em moléculas que possuem átomos eletronegativos em suas funções orgânicas, como o oxigênio e o nitrogênio, ligados a um carbono insaturado. Por exemplo, nesse caso, devido a sua eletronegatividade, os átomos de oxigênio deslocam a nuvem eletrônica da molécula, possibilitando ao carbono realizar uma dupla ligação com outro carbono, e hora esta dupla ligação é realizada entre o carbono e o oxigênio. As tautomerias mais importantes estão ligadas ao equilíbrio entre aldeído e enol, conhecido como equilíbrio aldo-enólico, e ao equilíbrio entre cetona e enol, designado de equilíbrio aceto-enólico. A Figura 4 apresenta exemplos de isômeros das diferentes classes explicadas anteriormente. Figura 4. Exemplo das diferentes classes de isômeros constitucionais. VAMOS REFORÇAR O QUE APRENDEMOS ATÉ AGORA? A isomeria espacial se relaciona com as moléculas que possuem a mesma fórmula molecular, mas diferentes fórmulas espaciais. Considerando o que foi estudado, relacione as colunas: • • • • Enantiômero • 2-propanona • Dextrogiro • Quiral • Aquiral • Direita ENVIAR Correta 👍 Muito bem, a resposta está correta! Um enantiômero possui, necessariamente, um centro quiral, ou seja, um carbono ligado a quatro átomos deferentes; a 2-propanona é aquiral, porque os dois carbonos ligado ao átomo central são metilas; uma molécula que desvia a luz para a direita é denominada de dextrogiro. Acidez e basicidade de substâncias orgânicas Os conceitos de ácido e base podem ser descritos por três teorias: a de Arrhenius, a de Brønsted-Lowry e a de Lewis. A Figura 5 apresentará, de forma detalhada, reações que envolvem esses conceitos. Um dos primeiros cientistas a definir o conceito de ácido e base foi Arrhenius. Para ele, uma substância que produz íons H+, ao ser dissolvida em solução aquosa, é considerada um ácido. Portanto, ácidos carboxílicos, fenóis e álcoois são considerados ácidos. Porém, se íons OH- são produzidos em solução aquosa, tem-se uma base. Logo, as aminas, por exemplo, são consideradas bases, assumindo a teoria de Arrhenius, como demonstrará a Figura 5. Atualmente, sabe-se que íonsH+, em solução aquosa, interagem com a água e, como resultado, tem-se o íon hidrônio H3O+. Em solução aquosa, o íon hidrônio H3O+ é considerado um dos ácidos mais fortes, formado pela interação de um próton com água. Em termos de solução basicidade, o íon hidróxido é considerado a base mais forte, sendo que bases mais fortes do que o OH- realizam ligações de hidrogênio com a água, formando, por fim, íons hidróxidos. Tendo em vista as premissas anteriores, quando um composto iônico como o hidróxido de sódio (NaOH), que é uma base, é dissolvido em água, ocorre inicialmente a ionização, formando íons Na+. Tais íons interagem com o oxigênio das moléculas de água e são estabilizados, os íons OH-, por sua vez, interagem com os hidrogênios da água, por meio de ligações de hidrogênio. As interações dos íons com água são denominadas de solvatação. Considera-se que a definição de Arrhenius para ácido e base não é muito apropriada para descrever reações que ocorrem em solventes orgânicos. Para isso, são utilizadas as teorias de Brønsted-Lowry e de Lewis, consideradas mais adequadas. Um ácido de Brønsted-Lowry se relaciona com uma molécula doadora de prótons, enquanto a base é um aceptor de prótons. Além disso, no processo de transferência de prótons, um par de moléculas e/ou íons podem ser convertidos de doador para aceptor e vice-versa, estes são chamados de par conjugado ácido-base. Então, quando um ácido doa prótons, ele é convertido em uma base conjugada. Na reação que será apresentada na Figura 5, entre o ácido acético (doador de prótons) e a amônia (aceptor de prótons), são produzidos o íon acetato, que passa a ser um aceptor de prótons, e o íon amônio, que é um doador de prótons. Portanto, nesta interação, estão presentes dois pares conjugados ácido-base. Figura 5. Exemplos de ácido e base de Arrhenius, Brønsted-Lowry e Lewis. Outra definição que pode ser aplicada a diversas reações orgânicas é o conceito de ácido-base de Lewis, neste, um ácido é um aceptor de pares de elétrons, ou seja, são cátions ou até mesmo uma molécula neutra, que possuem menos elétrons na camada de valência e que, portanto, podem receber pares de elétrons. Uma base é doadora de pares de elétrons (ânions ou uma molécula neutra), que possui pelo menos um ou mais pares de elétrons disponíveis em sua camada mais externa. A Figura 5 expôs a interação entre um cloreto de alumínio e a amônia, as setas curvas indicam como ocorre a transferência de elétrons da amônia, que é uma base de Lewis, para o cloreto de alumínio, que age como aceptor de elétrons. Note que a teoria ácido-base de Lewis engloba, inclusive, as reações ácido-base propostas por Brønsted-Lowry. Isso ocorre devido à ampliação do conceito envolvido nessa teoria (CANTO, 2006). Outra perspectiva para a teoria ácido-base de Lewis esta associada à interação entre cargas opostas, ou seja, ao potencial eletrostático das moléculas. Por exemplo, em uma reação entre o trifluoreto de boro (BF3), que contém uma carga positiva no átomo de boro e cargas negativas do flúor; a amônia (NH3), cuja a carga negativa se dá devido ao par de elétrons não ligado do nitrogênio, uma ligação é formada quando o nitrogênio da amônia doa seus elétrons para o boro, formando o composto de coordenação F3BNH3. A interação entre esses compostos ficará mais clara na Figura 6, na qual um mapa de potencial eletrostático é apresentado. Figura 6. Mapa do potencial eletrostático do BF3 e NH3. Fonte: SOLOMONS; FRYHLE, 2012, p. 106. (Adaptado). Observe que nas estruturas de potencial eletrostático, a cor azul representa as áreas da molécula que são parcialmente positivas, enquanto as áreas parcialmente negativas são representas pela cor vermelha. Após a interação, a área da molécula F3BNH3 (em azul) se refere ao BF3 e a positiva ao NH3. AS REAÇÕES E SEUS MECANISMOS As reações orgânicas podem ser classificadas como de substituição, adição, eliminação e rearranjos. A reação de substituição geralmente ocorre em hidrocarbonetos saturados, como alcanos, e insaturados, como os hidrocarbonetos aromático e haletos orgânicos, trata-se de uma reação em que um grupo funcional é substituído por outro. A Figura 7 demonstrará uma reação de substituição, que ocorre pela interação de um etano e uma bromo, produzindo o bromo-etano. Neste caso, um hidrogênio ligado ao etano é substituído por um átomo de bromo. Além disso, há a formação de ácido bromídrico. A reação de adição ocorre quando os átomos de uma molécula são literalmente somados aos de outra molécula. Geralmente, essa reação ocorre pela interação de compostos que contém em sua estrutura ligações π, ou seja, ligações duplas e, ao interagir com uma outra molécula, como halogênio, por exemplo, sofre a quebra da ligação e, em seguida, a adição. A Figura 7 apresentará uma reação de adição entre um propeno e um cloro, que tem sua ligação dupla rompida e sofre a adição dos átomos de cloro, produzindo 1,2-dicloropropano. A reação de eliminação ocorre, geralmente, com hidrocarbonetos com ligações σ, como os alcanos, haletos orgânicos e álcoois, e consiste na eliminação de alguns átomos de uma molécula. De maneira geral, esta reação é utilizada na síntese de alcenos, uma vez a eliminação de hidrogênios e ou halogênios de hidrocarbonetos, em condições adequadas, facilitaria a formação da dupla ligação. No caso do álcool, a reação de eliminação pode ser utilizada tanto para a síntese de um alceno quanto para a síntese do éter. A Figura 7 apresentará a reação de eliminação de hidrogênios de um etanol que, em meio ácido e sob aquecimento, é convertido em um alceno e em água. Nas reações de rearranjos, a molécula em condições ideais, como na presença de um catalisador, tem seus átomos reorganizados e um isômero é, então, produzido. A Figura 7 apresenta uma reação na qual um 3-metil-1-buteno é rearranjado, produzindo o 2,3-dimetilbut-2- eno, na presença do ácido como catalisador. Figura 7. Exemplos de reação de substituição, adição, eliminação e rearranjo. REAÇÕES ÁCIDO-BASE Outro tipo de reação muito comum em química orgânica é a que ocorre entre um ácido e uma base, podendo resultar na neutralização ou ser apenas uma etapa dentre uma série de reações. Se consideramos o conceito de ácido e base descrito por Arrhenius, no qual, em meio aquoso, os compostos ácidos e básicos são ionizados, produzindo íons H+ e OH-, então, a interação entre ácidos e bases fortes resultará na neutralização. Portanto, como produto da reação, será observada a formação de um sal e água. Como exemplo, a Figura 8 trará a interação entre o ácido nítrico (HNO3) e hidróxido de potássio (KOH), que resulta na formação de um sal, o nitrato de potássio (KNO3) que, em meio aquoso, está presente na forma de aníon NO3- e cátion K+, e uma moléculas de água. Deve-se ressaltar que o pH da solução resultante é neutro. Para que haja a completa neutralização, a proporção entre o ácido e a base deve ser levada em consideração. Em outras palavras, se um mol de ácido nítrico interagir com um mol de hidróxido de potássio, tem-se a produção de um mol de nitrato de potássio. Se os íons H+ e OH-, em solução aquosa, estiverem em proporções diferentes, então, a neutralização parcial irá ocorrer. A Figura 8 apresentará uma reação entre um mol de ácido fosfórico (H3PO4) que, em solução aquosa, produz três íons H+ e um mol de hidróxido de sódio (NaOH), que produz apenas um íon OH-, e tem a formação de uma molécula de água e fosfato monossódico (NaH2PO4), um sal ácido. Em uma reação entre um mol de ácido clorídrico (HCl) e um mol de hidróxido de magnésio (Mg(OH)2), gera-se um mol de hidrocloreto de magnésio (Mg(OH)Cl), um sal básico. Outra definição também utilizada para descrever reações que ocorrem em meio aquoso é a de Brønsted-Lowry, na qual ácidos são doadores de prótons e bases são aceptoras de prótons. Em uma reação entre um ácidoetanoico (CH3COOH) e o hidróxido de sódio (NaOH), que é uma base, será produzida uma molécula de água que, nesta reação, é um ácido conjugado, e o etanoato de sódio (CH3COO-Na+), que é uma base conjugada. Portanto, tem-se os pares ácido- base conjugado. Ainda em solução aquosa, o etanoato de sódio sofre dissociação, produzindo o ácido etanoico e íons hidróxido, deixando a solução alcalina, ou seja, com pH acima de 7. Note que, no exemplo acima, a formação do sal orgânico, em meio aquoso, resulta em uma solução alcalina. De maneira geral, quando um ânion orgânico é uma base conjugada proveniente de um ácido orgânico fraco, a solução final se torna alcalina. Entretanto, se a reação ocorrer entre uma base fraca e um ácido forte, a solução resultante será ácida, portanto, com pH abaixo de 7. Uma forma de prever o pH da solução é conhecendo os reagentes da reação, se são ácidos fortes, como o ácido clorídrico, nítrico e sulfúrico ou se são bases fortes, como o hidróxido de sódio e hidróxido de potássio. Para Lewis, a definição de ácido e base é mais abrangente, envolvendo a transferência de elétrons, por exemplo, na interação entre um fenol (C6H5OH) e um hidróxido de sódio (NaOH), um ácido e uma base, respectivamente. Pela transferência do par de elétron do oxigênio para o hidrogênio do fenol, forma-se uma molécula intermediária do fenóxido de sódio (C6H5ONa) e uma água, como será apresentado na Figura 8. Basicamente, o que se observa nas reações ácido-base de Lewis é a interação entre espécies com excesso de elétrons, que reagem com espécies que possuem poucos elétrons. Em reações orgânicas, a teoria ácido-base de Lewis também pode ser aplicada. Contudo, tanto ácido quanto base podem assumir outra classificação, a de eletrófilo e nucleófilo, respectivamente. Os eletrófilos são aceptores de elétrons e interagem com o átomo mais negativo da outra molécula, sendo que o átomo aceptor de elétrons da molécula deve ser capaz de acomodar mais uma ligação σ. Basicamente, um centro eletrófilico possui baixa densidade de elétrons, como o H+, BF3 e AlCl3. Os nucleófilos são doadores de elétrons que, comumente, contêm pares de elétrons não compartilhados, como a H2O, OH-, NH3, RNH2 e CN-. Além disso, espécies eletronegativas também podem ser consideradas nucleófilos fortes. Moléculas que possuem ligações π e, consequentemente, maior densidade de elétrons na região da ligação também são consideradas nucleófilos, pois ligações do tipo π podem ser quebradas, utilizando-se menos energia (SOLOMONS; FRYHLE, 2012). Figura 8. Reações ácido-base, de acordo com as teorias de Arrhenius, Brønsted-Lowry e Lewis. A UTILIZAÇÃO DE SETAS CURVAS NA ILUSTRAÇÃO DE REAÇÕES A utilização de setas, em mecanismos de reação, é útil para demonstrar como ocorre a transferência de elétrons de um átomo com maior densidade eletrônica para outro de menor densidade eletrônica. Em outras palavras, é útil para rastrear as alterações que ocorrem em uma reação. Ao utilizar a seta, deve-se notar que os elétrons dos átomos se movem da cauda para a ponta da seta. A seta com duas farpas (seta completa) indica o deslocamento de dois elétrons, enquanto a meia seta indica o deslocamento de apenas um elétron. Em reações químicas, as setas curvas são utilizadas para indicar o deslocamento de elétrons em três situações de sua movimentação: • 1 De um átomo que contém elétrons para o outro, resultando na formação de uma ligação; • 2 De uma ligação para um átomo, devido à quebra da ligação; • 3 De uma ligação para a produção de outra. No processo de transferência de elétrons, deve-se notar que o átomo doador se torna mais positivo, isso porque possui elétrons a menos. Em contrapartida, o átomo aceptor de elétrons se torna mais negativo. A mudança de carga do átomo deve ser também ilustrada na reação. A seguir, serão apresentados exemplos referentes à transferência de elétrons. Clique nas abas para saber mais E XE MPLO 1E XE MPL O 2E XE M PL O 3 Considere uma hidroxila (OH-), o oxigênio possui excesso de elétrons e os doa para um hidrogênio (H+), resultando na formação de uma ligação H-O, gerando uma molécula de água, como mostrará a Figura 9. Observe que há a mudança da carga formal dos átomos envolvidos, pois, ao doar um elétron, o oxigênio se torna mais positivo e o hidrogênio, ao ganhar esse elétron, torna-se mais negativo. A molécula final não apresenta cargas positivas ou negativas, pois elas são equilibradas; Figura 9. Exemplos de utilização das setas em reações químicas. Lembre-se que, ao utilizar setas nas reações para indicar o caminho realizado por elétrons, as regras de valência devem ser verificadas. Em resumo, no caso de ligações, se elétrons são removidos de uma ligação, então ela é quebrada. Caso ocorra a inserção de elétrons entre dois átomos, então a ligação é formada (SCUDDERS, 2013). FORMAÇÃO DE CARBOCÁTIONS E CARBÂNIONS As reações químicas possuem processos de quebra e formação de novas ligações em uma molécula. No caso de moléculas orgânicas, a quebra e formação de ligações covalentes podem ocorrer de maneira simétrica, também denominada de homólise, ou assimétrica, que pode ser designada de heterólise. Na quebra da ligação via homólise, cada fração da molécula fica com um elétron, sendo que, devido à presença desse elétron desemparelhado, os fragmentos passam a ser denominados de radicais. Quando, no rompimento de uma ligação, o par de elétrons da ligação permanece com apenas um dos fragmentos, afirma-se que a quebra é heterolítica. Esse tipo de quebra requer que a molécula contenha átomos com diferentes eletronegatividades. Em outras palavras, requer que a ligação seja polarizada, sendo que parte da molécula é parcialmente negativa e se relaciona com a presença de um elemento mais eletronegativo, como halogênio, e que a outra parte seja parcialmente positiva, como o carbono. Na heterólise, o elemento mais eletronegativo recebe o par de elétrons. As frações geradas devido à quebra são, portanto, carregados positivamente ou negativamente, o que significa que íons são produzidos. A quebra de ligações em moléculas orgânicas pode gerar moléculas de carbono intermediárias, classificadas como carbocátions e carbânions. Os carbocátions são produzidos em decorrência da heterólise, que é a quebra de uma ligação ou saída de um grupo orgânico da molécula. Nesse caso, o átomo não permanece com os elétrons provenientes da quebra da ligação, o que faz com que o elemento químico fique positivamente carregado, ou seja, deficiente de elétrons. Além disso, um carbocátion também pode ser produzido a partir da adição de um grupo eletrofílico a uma ligação pi. https://sereduc.blackboard.com/courses/1/7.4906.1508/content/_3948673_1/scormcontent/index.html https://sereduc.blackboard.com/courses/1/7.4906.1508/content/_3948673_1/scormcontent/index.html https://sereduc.blackboard.com/courses/1/7.4906.1508/content/_3948673_1/scormcontent/index.html A alta reatividade dos carbocátions faz com que este intermediário reaja rapidamente com átomos que podem doar seus elétrons, para que ele atinja a estabilidade. Contudo, alguns fatores podem influenciar nesse processo, como o tipo de solvente, presença de ligação dupla e tipo de grupo ligado ao carbono, principalmente deficientes de elétrons. Em um solvente apolar, é raro se observar um carbocátion, pois não há estabilidade suficiente para sua existência. Em contrapartida, em um solvente polar, a estabilização ocorre devido à doação eletrônica intermolecular. A presença de dupla ligação entre carbonos também estabiliza o carbocátion, devido ao deslocamento da densidade eletrônica na molécula, por ressonância. O aumento da quantidade de substituintes também é fundamental para estabilizar o carbocátion, pois estes atuam como doadores de elétrons “diluindo” a carga positiva presente no carbono. Portanto, a estabilidadedecai na seguinte ordem: carbocátion terciário R3C+ > carbocátion secundário R2HC+ > carbocátion primário RH2C+ > metil H3C+. Os carbânions também são resultado da heterólise, entretanto, nesse caso, na quebra da ligação, os elétrons ficam no carbono, fazendo com que este apresente excesso de elétrons. A estabilidade destes intermediários está fundamentalmente ligada à hibridização e à ressonância. Por exemplo, um carbono hibridizado sp (≡) possui maior densidade eletrônica na ligação entre os carbonos, ou seja, é mais eletronegativo, o que tende a deslocar para essa região a nuvem eletrônica do átomo, favorecendo a estabilidade. Portanto, quando há hibridização sp2 e sp3 como substituinte, a redução da estabilidade é esperada. De maneira inversa aos carbocátions, os carbânions apresentam maior estabilidade com menos substituintes alquil, que agem como doadores de elétrons. Logo, um carbânion H3C- é mais estável. O efeito estabilizador da ressonância em um carbânion se dá, também, devido aos substituintes que contêm ligações duplas ou aromáticos, que distribuem a carga negativa. A presença de grupos mais eletronegativos também age deslocalizando os elétrons do intermediário. A Figura 10 demonstra como ocorre a quebra da ligação por homólise e heterólise, a formação de carbocátion e carbânion, além da variação da estabilidade dos intermediários com a quantidade de substituintes Figura 10. (A) Cisão de uma ligação por homólise e heterólise; (B) Formação de um carbocátion e carbânion; (C) Variação da estabilidade dos intermediários com a quantidade de substituintes. VAMOS REFORÇAR O QUE APRENDEMOS ATÉ AGORA? Em uma reação entre um mol de HCl e um mol de NaOH, qual é o resultado esperado? • Neutralização total com formação de um sal e água. • Neutralização parcial, pois o ácido ioniza parcialmente. • Formação de um óxido. ENVIAR Correta 👍 Muito bem, a resposta está correta! Em uma reação entre um ácido e base, ambos com concentração equimolar, espera-se que ocorra a neutralização total, com a formação de um sal, o cloreto de sódio, e uma molécula de água. Força dos ácidos e bases Considera-se que ácidos e bases inorgânicos são fortes quando, em meio aquoso, ocorre sua completa ionização. Por exemplo, ao adicionar ácido clorídrico (HCl) em água, sabemos que há a ionização e formação dos íons, interação do próton com a molécula de água, o que forma H3O+, e a presença do cloro na forma do ânion Cl. Essa reação não ocorre de maneira inversa, ou seja, após a dissociação, não há formação de HCl novamente. Contudo, nem todo ácido ou base ioniza totalmente em meio aquoso, e é nesta categoria que se inserem a maioria dos ácidos e bases orgânicas, além de alguns ácidos inorgânicos. Qualitativamente, considerando o conceito de Brønsted-Lowry, no qual em uma reação, é observada a formação de um par ácido-base conjugado. Uma base forte produz um ácido conjugado fraco, assim como um ácido forte produz, em uma reação, uma base conjugada fraca. Nesse caso, deve-se observar que a força de um ácido está relacionada com a sua capacidade de doação de prótons, enquanto a força de uma base está relacionada à propensão de obtenção de prótons. Por exemplo, o ácido sulfúrico (H2SO4), ao ser dissolvido em água, produz o íon HSO4-, portanto, tem maior tendência de doar prótons, sendo considerado um ácido forte. No entanto, seu íon é uma base fraca. Alguns pares de ácido-base conjugados têm suas forças relativas tabeladas, como será apresentado na Tabela 1. A força de um ácido está também associada à força de ligação, ou seja, à energia necessária para separar um próton de um ácido e transferi-lo para uma base. A família 7A dos halogênios tem, à medida que se desce a coluna, maior acidez, ou seja, o HI é mais ácido do que o HF. Isso ocorre devido à menor sobreposição entre os orbitais do hidrogênio e dos halogênios, cujo raio atômico aumenta ao longo da coluna. Quanto menor for a sobreposição, mais fraca será a ligação e, portanto, mais forte será o ácido, uma vez que ele irá ionizar mais facilmente em meio aquoso. A mesma regra se aplica a outras famílias da tabela periódica. Outro fator que altera a força de ligação e, consequentemente, a acidez, é a eletronegatividade, que aumenta da esquerda para a direita na tabela periódica. Ela atua na polarização da ligação do átomo com o próton e na estabilização da base conjugada, formada após a ionização de um ácido. Os hidretos CH3, NH3, H2O e HF pertencem ao mesmo período na tabela periódica. Sabe-se que, dentre eles, o que contem flúor é o mais eletronegativo, sua ligação com o hidrogênio também é a mais polarizada, seu próton possui maior carga parcial positiva, o que faz com que o HF seja facilmente ionizado e seja, portanto, o ácido mais forte. Sendo o HF o ácido mais forte, considerando o período analisado da tabela periódica, então, sua base conjugada será a mais fraca. Logo, a basicidade das bases conjugadas aumenta no sentido oposto e o íon metaneto (CH3-) é o mais básico no grupo de bases conjugadas, sendo que a basicidade diminui, então, na ordem CH3- > H2N- > HO- > F-. // Tabela 1. Força de alguns pares ácido-base conjugados Clique para fazer download do quadro abaixo: tabela1.pdf 48.6 KB Note que a força do ácido cresce de cima para baixo e a força da base segue o comportamento contrário. Na Tabela 1, o ácido iodídrico é apresentado como o mais forte, e seu íon I- é a base mais fraca. Uma maneira de saber a força do ácido ou da base quantitativamente é por meio das constantes de equilíbrio Ka para ácidos e Kb para bases. Considere como exemplo 0,1 M de ácido etanoico que, ao ser dissolvido em água a 25 ºC, ioniza aproximadamente 1% de suas moléculas, gerando como produtos os íons H3C2OO- e H3O+. Nesse caso, a constante de equilíbrio é descrita pela razão entre a concentração dos produtos e reagentes, como mostrará a Figura 11. Considera-se que, de maneira geral, em soluções aquosas muito diluídas, a concentração da água é de, aproximadamente, 55,5 M. Ainda é possível encontrar o equilíbrio pela constante de acidez, que consiste na razão entre a concentração dos produtos e a concentração do ácido etanoico. Como a constante ligada a ácidos fracos, geralmente, possui expoentes negativos, é comum que estes sejam convertidos para pKa (pKa = -log10Ka), sendo que, quanto maior o pKa, mais fraco é o ácido. Caso a conversão não seja realizada, deve-se observar que, quanto maior é o Ka, mais forte é o ácido. Figura 11. Exemplo de cálculo da constante de dissociação Ka e pKa. O cálculo da constante de dissociação de uma base Kb, em meio aquoso, é análogo ao do ácido. Portanto, é dado pela razão entre a concentração dos produtos de dissociação e da base, sendo https://sereduc.blackboard.com/courses/1/7.4906.1508/content/_3948673_1/scormcontent/assets/yoL-6295wv3sPagL_LgJm1wCwCqrwy-RF-tabela1.pdf https://sereduc.blackboard.com/courses/1/7.4906.1508/content/_3948673_1/scormcontent/assets/yoL-6295wv3sPagL_LgJm1wCwCqrwy-RF-tabela1.pdf https://sereduc.blackboard.com/courses/1/7.4906.1508/content/_3948673_1/scormcontent/assets/yoL-6295wv3sPagL_LgJm1wCwCqrwy-RF-tabela1.pdf https://sereduc.blackboard.com/courses/1/7.4906.1508/content/_3948673_1/scormcontent/assets/yoL-6295wv3sPagL_LgJm1wCwCqrwy-RF-tabela1.pdf que, quanto menor o valor obtido da constante Kb, menor será a força da base. Ademais, a força da base também pode ser analisada a partir da constante de dissociação do ácido, sendo que, quanto maior o pKa do ácido conjugado, mais forte é a base (BROWN; POON, 2016). A Tabela 2 apresentará a força dos ácidos e suas respectivas bases conjugadas, baseando-se em pKa. Note que esta tabela cita apenas alguns valores, pois existem outras mais extensas. Tendo em vista um ácido orgânico qualquer H-A, sendo um hidrocarboneto, sabe-se que fatores como força da ligação entre oH e o A, eletronegatividade de A, ressonância, efeito indutivo e solvente utilizado podem influenciar na acidez dos compostos de um composto orgânico. Note que, no início da Tabela 2, a acidez dos compostos é menor e, ao final, maior. Além disso, lembre-se que, quanto maior a força do ácido, menor a força da base conjugada. // Tabela 2. Força dos ácidos, de acordo com seu pKa, a 25 ºC Clique para fazer download do quadro abaixo: tabela2.pdf 77.5 KB EXPLICANDO O efeito indutivo está ligado ao fluxo de elétrons em uma molécula, cujas ligações são covalentes e ocorrem devido à presença de um átomo mais eletronegativo, como o flúor, cloro, nitrogênio, iodo, entre outros. Esse efeito produz o aumento da densidade eletrônica em uma região da molécula, tornando-a parcialmente negativa, enquanto o restante será parcialmente positivo. Essa diferença na densidade eletrônica das diferentes regiões da molécula facilitam a quebra de ligações e reações químicas. Outro fator que pode alterar a força dos ácidos é o estado físico, pois, de maneira geral, os ácidos se tornam mais fracos em fase gasosa do que em solução. Por exemplo, vimos que o pka do ácido acético é de 4,76 em solução. Em fase gasosa, seu pka é de 130, tal redução ocorre devido à dificuldade na separação dos íons. Uma das formas de prever os resultados das reações entre ácidos e bases é através da observação do equilíbrio, visto que reações equilibradas formam espécies mais estáveis que, usualmente, têm menor energia potencial. Assim, a interação em meio aquoso entre um ácido e uma base fortes sempre resultaram na formação de um ácido e uma base mais fracos. Isso ocorre na https://sereduc.blackboard.com/courses/1/7.4906.1508/content/_3948673_1/scormcontent/assets/HdyjpOD8s7or6-Zd_TgVl5YL_ejrjz75Q-tabela2.pdf https://sereduc.blackboard.com/courses/1/7.4906.1508/content/_3948673_1/scormcontent/assets/HdyjpOD8s7or6-Zd_TgVl5YL_ejrjz75Q-tabela2.pdf https://sereduc.blackboard.com/courses/1/7.4906.1508/content/_3948673_1/scormcontent/assets/HdyjpOD8s7or6-Zd_TgVl5YL_ejrjz75Q-tabela2.pdf https://sereduc.blackboard.com/courses/1/7.4906.1508/content/_3948673_1/scormcontent/assets/HdyjpOD8s7or6-Zd_TgVl5YL_ejrjz75Q-tabela2.pdf interação de um fenol (ácido forte, pKa=9,9) e hidróxido de sódio, que resulta na formação de um fenolato de sódio e água (ácido fraco, pKa=15,7) (SOLOMONS; FRYHLE, 2012). ACIDEZ E BASICIDADE DAS PRINCIPAIS FUNÇÕES ORGÂNICAS Vimos, anteriormente, que a acidez em qualquer reação pode ser determinada pela constante de equilíbrio ou seu pKa. Observando esse princípio, a acidez e basicidade de algumas funções orgânicas como os hidrocarbonetos, álcoois, aldeído, cetona, ácido carboxílico e aminas serão discutidas. Nos hidrocarbonetos, a acidez pode ser relacionada à hibridização do carbono e eletronegatividade da ligação entre os carbonos. O etino, por exemplo, tem o pKa = 25, hibridização sp e maior densidade eletrônica, fazendo com que sua eletronegatividade seja maior, se comparada com um etano pKa = 51, cuja a hibridização é sp3, possui densidade eletrônica distribuída pela molécula e apenas realiza ligações simples. Portanto, a acidez relativa dos hidrocarbonetos reduz na ordem HC ≡ CH > H2C = CH2 > H3C - CH3. O etino possui ligações mais polarizadas, o que faz com que seus hidrogênios possuam cargas parcialmente positivas mais elevadas, logo, em uma reação, essa molécula doa próton com mais facilidade para uma base, além de estabilizar mais facilmente a carga negativa. Os álcoois possuem o comportamento anfótero, ou seja, podem agir tanto como ácidos quanto como bases, em diferentes situações. De maneira geral, os álcoois são considerados ácidos fracos, no entanto, sua acidez é maior, se comparado a hidrocarbonetos como alcanos e haletos orgânicos. Isso ocorre, pois, ao ser dissociado em água, um álcool é convertido em íon alcóxido, que é uma base conjugada forte. Cabe ressaltar que o aumento da quantidade de hidrocarboneto, em uma molécula que contém a função álcool, reduz a força do ácido resultante. Por exemplo, o pKa do metanol é de 15,5, enquanto o pKa do terc-butanol é 18, ou seja, o butanol é um ácido mais fraco. Em fenóis, anéis aromáticos com uma hidroxila, o pKa é de 9,5 menor em comparação com os álcoois, o que dá a esta substância um caráter mais ácido. A presença, na mesma molécula, de substituintes eletronegativos, que contêm a função álcool, também atua diminuindo o pKa, devido ao efeito indutivo. A eletronegatividade do oxigênio é responsável pela estabilidade do íon produzido. Já o deslocamento do equilíbrio na direção da base conjugada (íon alcóxido), só é possível se uma base mais forte do que o alcóxido for utilizada na reação, ou seja, uma base proveniente de um ácido conjugado mais fraco do que o álcool. Como exemplo, considere a reação entre uma amida de sódio (NaNH2) e um metanol (CH3OH), que tem como produtos a amônia e metóxido de sódio. Nesse caso, o equilíbrio é deslocado para a direita, pois a amida é uma base forte que produz um ácido conjugado fraco (pKa = 35), em comparação com o álcool (pKa = 15,5). Vimos que álcoois são anfóteros, então, os álcoois também podem ser considerados bases fracas, sendo necessário um ácido mais forte para que a hidroxila seja protonada. O pKa de aldeído e cetonas são considerados ácidos fracos, portanto, ao interagir com uma base forte, remove-se um hidrogênio da molécula, resultando em um íon enonalo, ou seja, uma base conjugada que, devido ao efeito indutivo, estabiliza a carga negativa do íon, aumentando a acidez relativa da molécula de origem. Além disso, as estruturas de ressonância do íon também agregam na estabilização da carga negativa. A carbonila dos aldeídos apresenta carga parcial positiva maior do que a carbonila da acetona, o que faz com que o aldeído tenha maior acidez. Assim como os álcoois, os ácidos carboxílicos também são anfóteros, ou seja, apresentam caráter ácido ou básico. Em relação à acidez, os ácidos carboxílicos apresentam pKa que variam entre 3 e 5, valores menores do que observados para os álcoois. Isso ocorre devido à diferença estrutural, pois se tem a hidroxila ligada à carbonila, sendo que esta atua na retirada de elétrons por meio da polarização ou efeito indutivo, que atrai elétrons. Ademais, o íon carboxilato também é estabilizado por ressonância. Há a presença de substituintes eletronegativos, que deslocam a nuvem eletrônica, ou seja, atuam como captadores de elétrons, elevando a acidez dos ácidos carboxílicos. Isso pode ser observado pelas constantes de dissociação do ácido metanoico, que possui o pKa de 3,55, enquanto que um ácido cloro etanoico possui um pKa de 2,82. Quanto aos ácidos dioicos, estes possuem dois pKa, cada um se relaciona com um grupamento ácido. O ácido etanodioico, por exemplo, tem os pKa de 1,27 e 4,19, em que o valor relacionado ao primeiro é relativamente menor que ao segundo, devido ao efeito indutivo de retirada dos elétrons. De maneira análoga aos álcoois, os ácidos, especificamente o oxigênio da carbonila, também pode ser protonado, sendo que, nesse processo, a carga positiva se torna deslocalizada, por ressonância. Em contrapartida, a protonação do oxigênio da hidroxila não produz estabilidade. Aminas também podem atuar como ácidos e bases, contudo, seu caráter básico é mais elevado, em comparação aos demais anfóteros apresentados, porque o par de elétrons presentes no nitrogênio pode ser protonado com facilidade. Essa característica permite os íons amida sejam aplicados na desprotonação dos álcoois, enquanto sua desprotonação requer que bases fortes sejam utilizadas. O aumento da densidade eletrônica no nitrogênio, por substituição ou hibridização, aumenta a basicidade e o pKa, enquanto a redução da densidade eletrônica reduz a basicidade da amina. Isso pode ser notado ao comparar um sal de amônio substituído,como o CH3N+H3, cujo o pKa é de 10,64 com o íon amônio N+H4, que tem o pKa de 9,24. O grupo alquil, no CH3N+H3, atua como doador de elétrons, reduzindo a densidade eletrônica do nitrogênio da amina. Logo, se a amina apresentar mais alquil, sua basicidade tende a reduzir. A Figura 12 apresenta um esquema resumido de como a acidez e basicidade aumentam ou reduzem nas diferentes funções orgânicas discutidas anteriormente (BRUICE, 2006). Figura 12. Fatores que alteram acidez e basicidade em funções orgânicas. Além disso, a presença de substituintes captadores de elétrons, como o 2-[bis(2-hidróxi-etil)- amino]-etanol, por possuir três hidroxilas, reduz a basicidade das aminas. O efeito de ressonância observado na benzenamina também reduz o caráter básico da molécula, uma vez que reduz a disponibilidade dos elétrons no nitrogênio. Outro fator que afeta a basicidade é a hibridização do nitrogênio ligado ao carbono, sendo que esta tende a reduzir na ordem NH3 > R2C = NR’ > RC ≡ N (BRUICE, 2006). VAMOS REFORÇAR O QUE APRENDEMOS ATÉ AGORA? De acordo com o que foi estudado, assinale a(s) alternativa(s) correta(s) em relação ao ácido. • Será mais forte, quanto menor seu pKa. • É fraco se for totalmente ionizado. • Forte produz uma base conjugada fraca. ENVIAR Correta 👍 Muito bem, a resposta está correta! De acordo com a Tabela 2, pode-se observar que, quanto menor o pKa, mais forte é o ácido, visto que este se dissocia completamente. Além disso, em uma reação, um ácido forte produz uma base conjugada fraca, de acordo com a teoria de Brønsted-Lowry, fato que pode ser verificado na Tabela 1. TENTE NOVAMENTE Agora é a hora de sintetizar tudo o que aprendemos nessa unidade. Vamos lá?! SINTETIZANDO Nessa unidade, estudamos compostos orgânicos que possuem estereoisômero, que podem ser classificados em enantiômero e diastereoisômero. Vimos que os enantiômeros são compostos que possuem imagem especular não sobreponível e, para facilitar o entendimento desse conceito, comparamos com as palmas das mãos que, quando viradas para cima ou para baixo e colocadas uma sobre a outra, não se sobrepõem. Os enantiômeros são caracterizados por possuírem propriedades físicas e químicas semelhantes, entretanto, possuem atividade óptica, ou seja, desviam a luz para a direita ou para a esquerda e, nesse caso, são denominados de dextrogiro e levogiro, respectivamente. Os diasterereoisômeros, em contrapartida, não possuem atividade óptica e suas propriedades químicas e físicas são diferentes. Basicamente, estão relacionados com as diferentes formas espaciais com a qual os átomos de uma molécula são dispostos, podendo ser cis ou trans. Aprendemos que os enantiômeros têm como principal característica a quiralidade, ou seja, possuem um carbono ligado a quatro átomos diferentes, sendo que essa propriedade pode ser avaliada pela inserção dos planos de simetria. Além disso, os centros quirais podem ser classificados a partir da observação dos substituintes e suas prioridades, sendo que, se a prioridade segue o sentido anti-horário, o centro quiral é denominado de S e, se segue o sentido horário, é denominado de R. Uma molécula pode apresentar mais de um centro quiral e, para facilitar sua classificação utilizando o sistema R, S, utiliza-se a projeção de Fischer, que consiste em desenhar as moléculas no plano do papel e utilizar as regras para ordenar os substituinte do carbono e, assim, determinar se os centros quirais da molécula são R ou S. Outro aspecto avaliado em moléculas, é a existência de substituintes idênticos nos diferentes centros, o que reduz o número de estereoisômero. Estudamos, também, os isômeros constitucionais, que possuem a mesma fórmula molecular, mas, estruturas diferentes. Tais isômeros são divididos em cinco categorias: isômeros de função que, apesar da fórmula molecular análoga, possuem funções diferentes; isômeros de cadeia, que podem ter cadeia simples ou ramificada e até mesmo fechada, independente da fórmula molecular; isômeros de posição, que têm a posição de seus grupos funcionais ou insaturações alterados; isômeros de compensação, que se diferenciam entre si pela mudança da posição do heteroátomos, como oxigênio e nitrogênio, obrigatoriamente entre os carbonos de uma cadeia; tautomeria, que se relaciona com a existência de duas funções em uma solução equilibrada, sendo comum entre o enol e aldeído ou cetona. Quanto aos conceitos de acidez e basicidade que foram apresentados, vimos que Arrhenius considera como ácido a substância que produz íons H+, e base as que produzem íons OH-, ambos em solução aquosa. A teoria de Brønsted-Lowry diz que um ácido é um doador de prótons, enquanto uma base é um aceptor de prótons. Por fim, a definição de Lewis, que é considerada a mais abrangente, relaciona-se com transferência de pares de elétrons, na qual um ácido é um aceptor de pares de elétrons, enquanto a base atua como doadora de elétrons. Além disso, vimos as principais reações orgânicas: de substituição, que consiste em substituir um grupo funcional por outro, sendo muito comum em hidrocarbonetos e haletos orgânicos; de adição, que se relaciona com a soma dos reagentes da reação, produzindo apenas um produto; de eliminação, que é oposta à reação de adição, usualmente utilizada na síntese de alcenos; de rearranjo, que consiste no arranjo da molécula em outra fórmula estrutural. Pontuamos, também, que as reações entre um ácido e uma base, usualmente, produzem sais e uma molécula de água, se as concentrações entre os reagentes for equimolar. Entretanto, se a produção de íons não for na proporção de 1:1, pode-se ter como produto um sal ácido ou um sal básico. Demonstrou-se que, de acordo com a definição de Brønsted-Lowry, um ácido forte produz uma base conjugada fraca e uma base fraca produz um ácido conjugado forte. Uma outra classificação foi exposta, envolvendo a definição de Lewis para ácidos e bases, nela, um ácido pode ser denominado de eletrófilo, que é um aceptor de elétron, enquanto uma base, doadora de elétrons, é designada como nucleófilo. Além disso, vimos que uma das maneiras eficientes de rastrear a forma com a qual as reações de transferência de prótons ou elétrons ocorrem é a partir da utilização de setas curvas que, usualmente, saem de uma molécula com maior densidade eletrônica para um átomo de menor densidade eletrônica. Pode-se utilizar, também, a seta nas reações, para demonstrar um processo de protonação e ressonância. Estudamos que a quebra de ligações pode ser homolítica, em que cada fração da molécula fica com um elétron, ou heterolítica, sendo que apenas uma das frações fica com o par de elétrons e, nesse caso, é a fração mais eletronegativa. No processo de heterólise, pode gerar um carbocátion, no qual o carbono da molécula orgânica não fica com os elétrons da ligação, ou carbânio, no qual os carbonos ficam com os elétrons após a quebra da ligação. Evidenciamos, também, fatores que agem estabilizando esses intermediários, como solvente utilizado, presença de ligações duplas ou triplas e grupos deficientes de elétrons. Ressaltamos que é possível determinar qualitativamente e quantitativamente a força de ácidos e bases, sendo que uma das formas mais relevantes é avaliar o par ácido-base conjugado, por meio do cálculo da constante de equilíbrio e pKa. No cálculo do pKa para ácidos, demonstrou-se que, quanto maior é seu valor, mais fraco é o ácido. A partir da observação do pKa do ácido conjugado, pode-se determinar se a base é forte ou fraca, porque um ácido forte produz uma base conjugada fraca, enquanto uma base fraca produz um ácido conjugado forte. Além disso, estudamos sobre a acidez e basicidade de hidrocarbonetos, álcoois, aldeído, cetona, ácido carboxílico e aminas, e os fatores que afetam esses aspectos, como hibridização do orbital, ligantes que atuam como doadores ou receptores de elétrons,substituintes eletronegativos, efeito indutivo e ressonância.
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