1.2 O DESENVOLVIMENTO COMO CIÊNCIA DA QUÍMICA ORGÂNICA

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1 DQ-FCT-UNL QUÍMICA II RESUMOS DE QUÍMICA ORGÂNICA CAPÍTULO I JOÃO PAULO NORONA 2012

2 Capítulo 1 - COMPOSTOS E LIGAÇÕES QUÍMICAS Química II INTRODUÇÃO 1. A Química Orgânica consiste no estudo dos compostos de carbono. 2. Os compostos de carbono são as substâncias centrais da composição de todos os seres vivos no nosso planeta. 1) DNA: moléculas gigantes que contêm toda a informação genética para uma determinada espécie. 2) Proteínas: sangue, músculo e pele. 3) Enzimas: catalisam as reações que ocorrem no nosso organismo. 4) Fornecer a energia que sustenta a vida. 3. á um bilião de anos atrás a maioria dos átomos de carbono na terra existia como C 4 : 1) C 4, 2 O, N 3, 2 foram os componentes principais da atmosfera primordial. 2) As descargas elétricas e outras formas de radiação de elevada energia levaram estes compostos simples se fragmentar em pedaços altamente reativos que se combinam em compostos mais complexos, tais como aminoácidos, formaldeído, cianeto de hidrogénio, purinas e pirimidinas. 3) Aminoácidos reagem uns com os outros para formar a primeira proteína. 4) O formaldeído reage com o outro para originar açúcares, e alguns destes açúcares, juntamente com os fosfatos inorgânicos, combinados com purinas e pirimidinas para se tornarem moléculas simples de ácidos ribonucleico (ARN) e DNA. 4. Vivemos numa Era de Química Orgânica: 1) roupa: composição substância natural ou sintética. 2) artigos para o lar. 3) automóveis. 4) medicamentos. 5) pesticidas. 5. Poluição: 1) Os inseticidas: substância natural ou sintética. 2) PCBs (bifenilos policlorados) 3) dioxinas 4) CFCs (clorofluorcarbonetos) 1.2 O DESENVOLVIMENTO COMO CIÊNCIA DA QUÍMICA ORGÂNICA 1. Os egípcios usavam índigo e alizarina para tingir tecidos. 2. Os fenícios usavam como um corante a famosa "púrpura real", obtida a partir de moluscos. Como ciência, a química orgânica tem menos de 200 anos de idade. 1.2A O vitalismo "Orgânico" - derivado de organismo vivo (em 1770, Torbern Bergman, químico sueco) o estudo de compostos extraídos a partir de organismos vivos para criar tais compostos seria necessária "força vital" 2

3 1. Em 1828, Friedrich Wöhler descobriu: cianato de amónio (inorgânico) Ureia (orgânico) 1.2B Fórmulas Empíricas e Moleculares 1. Em 1784, Antoine Lavoisier mostrou pela primeira vez que os compostos orgânicos eram principalmente constituídos por carbono, hidrogénio e oxigénio. 2. Entre 1811 e 1831, os métodos quantitativos para determinar a composição de compostos orgânicos foram desenvolvidos por Justus Liebig, JJ Berzelius, JBA Dumas. 3. Em 1860 Stanislao Cannizzaro mostrou que a hipótese anterior de Amedeo Avogadro (1811) poderia ser usada para distinguir entre fórmulas empíricas e moleculares. As fórmulas moleculares C 2 4 (etileno), C 5 10 (ciclopentano), e C 6 12 (ciclo-hexano) têm a mesma fórmula empírica C A TEORIA ESTRUTURAL DA QUÍMICA ORGÂNICA 1.3A. A Teoria estrutural: ( ) Augusto Kekulé (alemão), Archibald Scott Couper (britânico) e Alexander M. Butlerov 1. Os átomos podem formar um número fixo de ligações (valência): Os átomos de carbono Os átomos de oxigénio Os átomos de hidrogénio e halogénio são tetravalentes são divalentes são monovalentes 2. Um átomo de carbono pode usar uma ou mais da sua valência para formar ligações com outros átomos: Ligações carbono-carbono ligação simples ligação dupla ligação tripla 3. Química orgânica: Um estudo dos compostos de carbono (Kekulé, 1861). 3

4 1.3B Isómeros: A Importância das fórmulas estruturais 1. Isómeros: compostos diferentes que têm a mesma fórmula molecular 2. Existem dois compostos isoméricos com fórmula molecular C 2 6 O: 1) éter dimetílico: um gás à temperatura ambiente, não reage com o sódio. 2) álcool etílico: um líquido à temperatura ambiente, que reage com o sódio. Tabela 1.1 Propriedades do álcool etílico e éter dimetílico Álcool etílico C 2 6 O Éter dimetílico C 2 6 O Ponto de ebulição, C a 78,5 24,9 Ponto de fusão, C 117,3 138 Reação com sódio Liberta hidrogénio Não há reação a Salvo indicação em contrário todas as temperaturas no presente texto são dadas em graus Celsius. 3. Os dois compostos diferem na sua conectividade: C-O-C e C-C-O Álcool etílico Éter dimetílico Figura 1.1 Modelos pau-e-bola (ball-and-stick) e fórmulas estruturais para o álcool etílico e éter dimetílico. 1) O-: razões para o facto de álcool etílico ser um líquido à temperatura ambiente. 2) C : normalmente não reativo 4

5 4. Isómeros constitucionais:* compostos diferentes que têm a mesma fórmula molecular, mas diferem na sua conectividade (a sequência na qual os átomos são ligados entre si).* Um termo mais antigo, isómeros estruturais, é recomendado pela União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) para ser abandonada. 1.3C A FORMA TETRAÉDRICA DO METANO 1. Em 1874, Jacobus. Van't off (holandês) e Joseph A. Le Bel (francês): As quatro ligações do átomo de carbono do metano apontam para os cantos de um tetraedro regular, com o átomo de carbono colocado no seu centro. Figura 1.2 A estrutura tetraédrica de metano. Eletrões ligantes no metano ocupam principalmente o espaço dentro da malha de arame. 1.4 LIGAÇÕES QUÍMICAS: A REGRA DO OCTETO Por que se ligam os átomos? Como descrever a ligação? mais estável (possuem menos energia) 1. GN Lewis (da Universidade da Califórnia, Berkeley; ) e Walter Kössel (da Universidade de Munique; ) propuseram em 1916: 1) A ligação iónica (ou eletrovalente): formada pela transferência de um ou mais eletrões a partir de um átomo para o outro para criar iões. 2) A ligação covalente: resulta quando os átomos compartilham eletrões. 2. Átomos sem a configuração eletrónica de um gás nobre geralmente reagem para produzir essa configuração. 1.4A LIGAÇÕES IÓNICAS 1. A eletronegatividade mede a capacidade de um átomo de atrair eletrões. 5

6 Tabela 1.2 Eletronegatividades de alguns dos elementos 2.1 Li 1.0 Be 1.5 B 2.0 C 2.5 N 3.0 O 3.5 F 4.0 Na 0.9 Mg 1.2 Al 1.5 Si 1.8 P 2.1 S 2.5 Cl 3.0 K 0.8 Br 2.8 1) A eletronegatividade aumenta na horizontal (período) da tabela periódica a partir da esquerda para a direita: 2) A eletronegatividade diminui ao descer uma coluna vertical (grupo): 3) 1916, Walter Kössel (da Universidade de Munique; ) 4) As substâncias iónicas, devido às suas fortes forças eletrostáticas internas, são geralmente sólidos de ponto de fusão muito elevado, muitas vezes com pontos de fusão acima de 1000 C. 5) Em solventes polares, tais como a água, os iões são solvatados, e tais soluções geralmente conduzem a corrente elétrica. 1.4B LIGAÇÕES COVALENTES 1. Átomos alcançam configurações de gases nobres por partilha de eletrões. 1) Estruturas de Lewis: 2) 6

7 : eletrões não-ligantes afetam a reatividade do composto 1.5 DESENAR ESTRUTURAS LEWIS 1.5A Estrutura de Lewis do C 3 F 1. O número de eletrões de valência de um átomo é igual ao número do grupo do átomo. 2. Para um ião, adicionar ou subtrair os eletrões para lhe dar a carga adequada. 3. Usar ligações múltiplas para dar aos átomos a configuração de gás nobre. 1.5B Estrutura de Lewis do ClO 3 - e CO 3 2-7

8 1.6 EXCEÇÕES À REGRA DO OCTETO 1.6A PCl5 1.6B SF 6 1.6C BF 3 1.6D NO 3 (ONO 2 ) 1.7 CARGA FORMAL 1.7A Na ligação covalente normal: 1. Eletrões ligantes são compartilhados por ambos os átomos. Cada átomo ainda "possui" um eletrão. 2. A "Carga formal" é calculada subtraindo-se o número de eletrões de valência atribuídos a um átomo no seu estado ligado a partir do número de eletrões de valência que possui como átomo neutro livre. 1.7B Para o Metano: 1. O átomo de carbono tem quatro eletrões de valência. 2. O átomo de carbono no metano ainda possui quatro eletrões. 3. O átomo de carbono no metano é eletricamente neutro. 1.7C Para a Amónia: 1. O átomo de azoto tem cinco eletrões de valência. 2. O azoto da amónia ainda possui cinco eletrões. 3. O átomo de azoto na amónia é eletricamente neutro. 1.7D Para o Nitrometano: 1. Átomo de azoto: 1) o átomo do azoto atem cinco eletrões de valência. 2) o azoto do nitrometano tem apenas quatro eletrões. 3) O azoto perdeu um eletrão e deve ter uma carga positiva. 2. Átomo de oxigénio ligado por ligação simples: 1) o átomo de oxigénio tem seis eletrões de valência. 2) o oxigénio ligado por ligação simples tem sete eletrões. 3) o oxigénio ligado por ligação simples ganhou um e - e deve ter uma carga negativa. 1.7E Resumo das Cargas Formais 8

9 1.8 RESSONÂNCIA Ver Tabela A As regras gerais para o desenho "realista" de estruturas de ressonância: 1. Deve ser estruturas de Lewis válidas. 2. Os núcleos não podem ser movidos e os ângulos de ligação deve permanecer os mesmos. Somente pode ser deslocados eletrões. 3. O número de eletrões desemparelhados deve permanecer o mesmo. Todos os eletrões devem permanecer emparelhados em todas as estruturas de ressonância. 4. Um bom contribuinte tem todos os octetos satisfeitos, máximas ligações possíveis, máxima separação de carga possível. Carga negativa sobre os átomos mais eletronegativos. 5. A estabilização por ressonância é mais importante quando permite deslocalizar uma carga por dois ou mais átomos. 6. Equilíbrio: 7. Ressonância: 1.8B CO 3 2- Figura 1.3 Um mapa potencial eletrostático calculado para o dianião carbonato, mostrando a distribuição de carga igual para os três átomos de oxigénio. Em mapas de potencial eletrostático como este, as cores com tendência para o vermelho significam o aumento da concentração de carga negativa, enquanto as de tendência para o azul significam menos carga negativa (ou mais positiva). 9

10 1.9 MECÂNICA QUÂNTICA 1.9A Erwin Schrödinger, Werner eisenberg e Paul Dirac (1926) 1. Onda mecânica (Schrödinger) ou mecânica quântica (eisenberg) Química II ) Equação de onda função de onda (solução da equação de onda, indicada pela letra grega psi ( ). 2) Cada função de onda corresponde a um estado diferente para o eletrão. 3) Corresponde a cada estado, e calculável a partir da equação de onda para o estado, é uma energia particular. 4) O valor de uma função de onda: sinal de fase 5) Reinforça: uma crista encontra uma crista (ondas do mesmo sinal de fase encontram-se umas às outras) somam-se uma à outra a onda resultante é maior do que qualquer onda individual. 6) Interfere: uma crista encontra um vale (ondas de sinal fase oposta encontram-se umas às outras) subtraem-se somam-se uma à outra a onda resultante é menor do que qualquer onda individual. 7) Nódulo: o valor da função de onda é zero maior o número de nódulos, maior a energia. Figura 1.4 Uma onda movendo-se através de um lago é vista ao longo de uma fatia através do lago. Para esta onda a função de onda,, é mais (+) em cristas e menos (-) em depressões. No nível médio do lago é zero; esses locais são chamados de nódulos ORBITAIS ATÓMICAS 1.10A DENSIDADE DE PROBABILIDADE ELETRÓNICA: 1. 2 para uma localização particular (x, y, z) expressa a probabilidade de encontrar um eletrão nesse local específico no espaço (Max Born). 1) 2 é grande: grande densidade de probabilidade eletrónica. 2) Gráficos a três dimensões de 2 geram as formas conhecidas das orbitais atómicas s, p, e d orbitais. 3) Uma orbital é uma região do espaço onde a probabilidade de encontrar um electrão é grande (os volumes devem conter o electrão 90-95% do tempo). 10

11 Figura 1.5 As formas de algumas orbitais s e p. Pura, As orbitais p puras, não hibridizada são esféricas. As orbitais p em átomos hibridizados são em forma de lobo (Seção 1.14). 1.10B Configuração eletrónica: 1. O princípio de Aufbau (termo alemão para "construir"): 2. O princípio de exclusão de Pauli: 3. Regra de und: 1) Orbitais de mesma energia são ditas orbitais degeneradas. Figura 1.6 As configurações eletrónicas de alguns elementos do segundo período. 11

12 1.11 ORBITAIS MOLECULARES 1.11A Energia potencial: Figura 1.7 A energia potencial da molécula de hidrogénio em função da distância internuclear. 1. Região I: os átomos estão afastados Não há atração. 2. Região II: cada núcleo cada vez mais atrai eletrões do outro a atração mais do que compensa a força repulsiva entre os dois núcleos (ou dos dois eletrões) a atração diminui a energia total do sistema. 3. Região III: os dois núcleos estão à distância de 0,74 Å comprimento da ligação atinge-se o estado mais estável (menor energia). 4. Região IV: a repulsão dos dois núcleos predomina a energia do sistema aumenta 1.11B Princípio da Incerteza de eisenberg 1. Não podemos saber simultaneamente a posição e o momento de um eletrão. 2. Descrevemos o eletrão em termos de probabilidades ( 2 ) de o encontrar em determinado lugar. 1) densidade de probabilidade eletrónica orbitais atómicas (OAs) 1.11C Orbitais Moleculares 1. As OAs combinam-se (sobreposição) para tornarem-se orbitais moleculares (OMs). 1) As OMs que se formam englobam ambos os núcleos e, em si mesmas, os eletrões podem mover-se em volta de ambos os núcleos. 2) As OMs podem conter um máximo de dois eletrões de spin-emparelhado. 3) O número de OMs resultantes é sempre igual ao número de AOs que se combinam. 12

13 2. Orbital Molecular Ligante ( molec ): 1) As OAs do mesmo sinal de fase sobrepõem-se leva ao reforço da função de onda o valor é maior entre os dois núcleos contém ambos os eletrões no estado de menor energia, o estado fundamental. Figura 1.8 A sobreposição de duas orbitais atómicas 1s de dois hidrogénios com o mesmo sinal de fase (indicado pela sua cor idêntica) para formar uma orbital molecular ligante. 3. Orbital Molecular Antiligante ( * molec ): 1) As OAs de sinal de fase oposta sobrepõem-se leva à interferência da função de onda na região entre os dois núcleos é produzido um nódulo o valor é menor entre os dois núcleos estado de maior energia, estado excitado não contém eletrões Figura 1.9 A sobreposição de orbitais atómicas 1s de dois hidrogénios com sinais fase opostos (indicado pelas suas cores diferentes) para formar uma orbital molecular antiligante. 4. CLOA (LCAO, combinação linear de orbitais atómicos): 5. OM: 1) A energia relativa de um eletrão na OM ligante da molécula de hidrogénio é substancialmente menor do que a sua energia numa OA 1s. 2) A energia relativa de um eletrão na OM antiligante da molécula de hidrogénio é substancialmente maior do que a sua energia numa OA 1s. 13

14 1.11D Diagrama de Energia para a Molécula de idrogénio Figura 1.10 Diagrama de energia para a molécula de hidrogénio. Combinação de duas orbitais atómicas, 1s, origina duas orbitais moleculares, molec e * molec. A energia de molec é menor do que a das orbitais atómicas separadas, e no estado eletrónico mais baixo do hidrogénio molecular contém os dois eletrões A ESTRUTURA DO METANO E ETANO: IBRIDAÇÃO sp 3 1. ibridação Orbital: uma abordagem matemática que envolve a combinação das funções de onda individuais para as orbitais s e p para obter funções de onda para as novas orbitais orbitais atómicas híbridas 14

15 1.12A A Estrutura do Metano 1. A hibridação de OAs de um átomo de carbono: Figura 1.11 ibridação de orbitais atómicas puras de um átomo de carbono para produzir orbitais híbridas sp As quatro orbitais sp 3 devem ser orientadas entre si em ângulos de 109,5 um carbono hibridado sp 3 origina uma estrutura tetraédrica para o metano. Figura 1.12 A formação hipotética de metano a partir de um átomo de carbono hibridado sp 3. Na hibridação orbital combinamos orbitais, e não eletrões. Os eletrões podem então ser colocados nas orbitais híbridas de acordo com a necessidade para a formação de ligações, mas sempre de acordo com o princípio de Pauli de não mais de dois eletrões (com spins opostos) em cada orbital. Nesta ilustração colocámos um eletrão em cada uma das orbitais híbridas do carbono. Além disso, apenas mostramos a orbital molecular ligante de cada ligação C- porque estes são as orbitais que contêm os eletrões da molécula no estado de energia mais baixo. 15

16 3. Sobreposição de orbitais hibridados: 1) O lóbulo positivo da orbital sp 3 é grande e estende-se para bastante longe no espaço. Figura 1.13 A forma de uma orbital sp 3. Figura 1.14 Formação de uma ligação C-. 2) Sobreposição integral: uma medida da extensão da sobreposição de orbitais em átomos vizinhos. 3) Quanto maior for a sobreposição alcançada (maior parte integrante), mais forte a ligação formada. 4) Foram calculadas as forças de sobreposição relativas de orbitais atómicas como se segue: 4. Ligação Sigma ( ): s: 1,00 p: 1,72 sp: 1,93 sp 2 : 1,99 sp 3 : 2,00 1) Uma ligação que é de secção transversal circularmente simétrica quando vista ao longo do eixo da ligação. 2) Todas as ligações simples puras são ligações sigma. Figura 1.15 Uma ligação (sigma). 16

17 Figura 1.16 (a) Nesta estrutura do Metano, com base em cálculos de mecânica quântica, a superfície interna sólida representa uma região de alta densidade de eletrões. A alta densidade de eletrões é encontrada em cada região de ligação. A superfície exterior de malha representa aproximadamente a medida mais afastada da densidade eletrónica global para a molécula. (b) Este modelo pau-e-bola (balland-stick) do metano é do tipo que pode construir com um kit de modelos moleculares. (c) Esta é a estrutura é como deve desenhar o metano (traço-cunha). As linhas a cheio são utilizadas para mostrar as duas ligações que estão no plano do papel, uma cunha sólida é usada para mostrar a ligação que fica para a frente do papel, e uma cunha tracejada é usada para mostrar a ligação que está para trás do plano do papel. 1.12B A Estrutura do Etano Figura 1.17 A formação hipotética das orbitais moleculares ligantes do etano a partir de dois átomos de carbono hibridados sp 3 e seis átomos de hidrogénio. Todas as ligações são ligações sigma. (Orbitais moleculares sigma antiligante - são chamadas orbitais * - são também formadas em cada caso, mas para simplificar estas não são mostradas.) 17

18 1. Rotação livre sobre C-C: 1) Uma ligação sigma tem simetria cilíndrica ao longo do eixo da ligação a rotação de grupos unidos por uma ligação simples, normalmente, não exige uma grande quantidade de energia rotação livre. Figura 1.18 (a) Nesta estrutura do etano, com base em cálculos de mecânica quântica, a superfície interna sólida representa uma região de alta densidade de eletrões. A alta densidade de eletrões é encontrada em cada região de ligação. A superfície exterior de malha representa aproximadamente medida a mais afastada da densidade eletrónica global para a molécula. (b) Um modelo de pau-e-bola de etano, como o tipo que você pode construir com um kit de modelo molecular. (c) A fórmula estrutural do etano como deve desenhar (traço-cunha) usando linhas, cunhas e cunhas tracejadas para representar a três dimensões a sua geometria tetraédrica em cada carbono. 2. Superfície de densidade eletrónica: 1) Uma superfície densidade eletrónica mostra locais no espaço que podem ter a mesma densidade eletrónica. 2) A superfície de "elevada" densidade eletrónica (também chamada de "ligação" superfície de densidade eletrónica) mostra o cerne de densidade de eletrónica em torno de cada núcleo atómico e regiões vizinhas, onde os átomos compartilham eletrões (regiões de ligação covalente). 3) A superfície de "baixa" densidade de eletrónica mostra aproximadamente o contorno da nuvem eletrónica da molécula. Esta superfície dá informação sobre a forma e volume molecular, e geralmente, é a mesma de um modelo space-filling ou de van der Waals da molécula. Éter dimetílico (C 3 -O-C 3 ) 18

19 1.13 A ESTRUTURA DO ETENO (ETILENO): IBRIDAÇÃO sp 2 Figura 1.19 A estrutura e ângulos de ligação do eteno. O plano dos átomos é perpendicular ao papel. A cunha tracejada projecta as ligações para trás do plano do papel e a cunha sólida projecta as ligações para a frente do plano do papel. Figura 1.20 Um processo para a obtenção de átomos de carbono hibridados sp Uma orbital 2p é deixada não hibridada. 2. As três orbitais sp 2 que resultam da hibridação são dirigidas para os vértices de um triângulo regular. Figura 1.21 Um átomo de carbono hibridado sp 2. 19

20 Figura 1.22 Um modelo para as orbitais moleculares ligantes do etano formadas a partir de dois átomos de carbono hibridados sp 2 e quatro átomos de hidrogénio. 3. As ligações : 4. A ligação Pi ( ): 1) As orbitais p paralelas sobrepõem-se acima e abaixo do plano das ligações. 2) A sobreposição lado a lado das orbitais p resulta na formação de uma ligação. 3) Uma ligação tem um plano nodal que passa através dos dois núcleos ligados e entre os lóbulos moleculares orbitais. Figura 1.23 (a) Uma fórmula traço-cunha para as ligações sigma no etano e uma representação esquemática da sobreposição das orbitais p adjacentes que formam a ligação. (b) Estrutura calculada para o eteno. As cores azul e vermelho indicam fases de sinal oposto em cada lóbulo da orbital molecular. Observa-se um modelo de pau-e-bola (ball-and-stick) para as ligações no etano através da tela que indica a ligação. 20

21 4. Orbitais moleculares ligante e antiligante: Figura 1.24 Como duas orbitais de carbono p isoladas se combinam para formar duas orbitais moleculares (pi). A OM ligante possui menor energia. A OM antiligante de maior energia contém um nódulo adicional. (Ambas as orbitais possuem um nódulo no plano que contém o C e os átomos de.) 1) No estado fundamental da molécula, a orbital ligante é a orbital de mais baixa energia e contém ambos os eletrões (com spins opostos). 2) A orbital antiligante é de energia mais elevada, e não é ocupada por eletrões quando a molécula está no estado fundamental. 1.13A Rotação Restrita e a Ligação Dupla 1. Existe uma grande barreira de energia para rotação associada a grupos ligados por uma ligação dupla. 1) A máxima sobreposição entre as orbitais p de uma ligação ocorre quando os eixos das orbitais p são exatamente paralelos a ligação. A rotação de 90 de um carbono da ligação dupla quebra 2) A força da ligação é 264 kj mol -1 (63,1 kcal mol -1 ) barreira de rotação da ligação dupla. 3) A barreira de rotação de uma ligação C-C simples é kj mol -1 (3,1-6,2 kcal mol -1 ). 21

22 Figura 1.25 Descrição estilizada de como a rotação de um ângulo de 90 de um átomo de carbono de uma ligação dupla resulta na quebra da ligação. 1.13B Isomeria Cis-Trans cis-1,2-dicloroetano trans-1,2-dicloroetano 1. Estereoisómeros 1) cis-1,2-dicloroetano e trans-1,2-dicloroetano são não-sobreponíveis compostos diferentes não são isómeros constitucionais 2) Latim: cis, do mesmo lado; trans, transversalmente (lados opostos). 3) Estereoisómeros diferem apenas no arranjo dos seus átomos no espaço. 4) Se um átomo de carbono da ligação dupla tem dois grupos idênticos não é possível isomeria cis-trans. 22

23 1,1-dicloroetano (sem isomeria cis-trans) 1,1,2-tricloroetileno (sem isomeria cis-trans) 1.14 A ESTRUTURA DO ETINO (ACETILENO): IBRIDAÇÃO sp 1. Alcinos 2. ibridação sp: Figura 1.26 Um processo para a obtenção de átomos de carbono com hibridação sp. 3. As orbitais híbridas sp têm os seus grandes lóbulos positivos orientados segundo um ângulo de 180 uns em relação aos outros. 23

24 Figura 1.27 Um átomo de carbono hibridado sp. 4. A ligação tripla carbono-carbono consiste em duas ligações e uma ligação. Figura 1.28 Formação dos orbitais moleculares ligantes do etino a partir de dois átomos de carbono hibridados sp e dois átomos de hidrogénio. (As orbitais antiligantes são também formadas, mas estas foram omitidas para simplicidade.) 5. Existe simetria circular ao longo do comprimento de uma ligação tripla (Fig. 1.29b) não há restrição de rotação para os grupos ligados por uma ligação tripla. 24

25 Figura 1.29 (a) A estrutura do etino (acetileno) mostrando a ligação sigma e uma representação esquemática dos dois pares de orbitais p que se sobrepõem para formar as duas ligações no etino. (b) A estrutura do etino mostrando as orbitais moleculares calculadas. Estão presentes dois pares de lóbulos orbitais moleculares, um par para cada ligação. Os lobos vermelhos e azuis em cada ligação representam fases de sinal oposto. Os átomos de hidrogénio do etino (esferas brancas) podem ser vistos em cada extremidade da estrutura (os átomos de carbono estão escondidos pelos orbitais moleculares). (c) A superfície de malha desta estrutura representa aproximadamente o ponto mais afastado da densidade eletrónica global do etino. Note-se que a densidade eletrónica global (mas não os eletrões ligantes ) estende-se sobre ambos os átomos de hidrogénio. 1.14A Comprimentos de ligação do Etino, Eteno e Etano 1. As ligações C- mais curtas estão associadas com as orbitais de carbono com maior carácter s. Figura 1.30 Ângulos e comprimentos de ligação do etino, eteno e etano RESUMO DOS CONCEITOS IMPORTANTES QUE VÊM DA MECÂNICA QUÂNTICA 1.15A Orbitais atómicas (OA): 1. A OA corresponde a uma região do espaço com elevada probabilidade de encontrar um eletrão. 2. Forma das orbitais: s, p, d 3. As orbitais podem conter um máximo de dois eletrões quando os seus spins estão emparelhados. 4. As orbitais são descritas por uma função de onda,. 5. Sinal de fase de uma orbital: "+", "-" 25

26 1.15B Orbital molecular (OM): 1. A OM corresponde a uma região do espaço englobando dois (ou mais) núcleos onde são encontrados os eletrões. 1) A ligação molecular orbital: 2) Orbital molecular antiligante: * 3) Nódulo: 4) Energia dos eletrões: 5) Número de orbitais moleculares: 6) Ligações sigma ( ): 7) Ligações Pi ( ): 1.15C Orbitais atómicas híbridas: 1. Orbitais sp 3 tetraédrico 2. Orbitais sp 2 trigonal planar 3. Orbitais sp linear 1.16 GEOMETRIA MOLECULAR: TEORIA DA REPULSÃO ENTRE OS PARES DE ELETRÕES DA CAMADA DE VALÊNCIA (VSEPR, Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory) 1. Considerar todos os pares de eletrões de valência do átomo "central" - pares ligantes, pares nãoligantes (pares solitários, pares não compartilhados) 2. Pares de eletrões repelem-se uns aos outros Os pares de eletrões de valência tendem a ficar tão distantes quanto possível. 1) A geometria da molécula - considerando "todos" os pares de eletrões. 2) A forma da molécula - referindo-se às "posições" dos "núcleos (ou átomos)". 26

27 1.16A Metano Figura 1.31 A forma tetraédrica do metano permite a separação máxima dos quatro pares de eletrões ligantes. 1.16B Amoníaco Figura 1.32 Os ângulos de 109,5 da ligação do metano Figura 1.33 O arranjo tetraédrico dos pares de eletrões da molécula de amoníaco resulta do par de eletrões não-ligantes ocupar um canto. Este arranjo do par de eletrões explica a forma piramidal trigonal da molécula de N C Água Figura 1.34 Um arranjo aproximadamente tetraédrico dos pares de eletrões da molécula de água resulta quando os pares de electrões não-ligantes são considerados a ocupar cantos. Este arranjo representa a forma angular da molécula de 2 O. 27

28 1.16D Trifluoreto de Boro Figura 1.35 A forma triangular (trigonal planar) do trifluoreto de boro maximiza a separação dos três pares ligantes. 1.16E idreto de Berílio O 1.16F Dióxido de Carbono Geometria linear do Be 2 Os quatro eletrões de cada ligação dupla atuam como unidade única e estão maximamente separados uns dos outros. Tabela 1.4 Formas de moléculas e iões da Teoria VSEPR Número de Pares de Eletrões no Átomo Central Ligantes Não-ligantes Total Estado de ibridação do Átomo Central Forma da Molécula ou Ião a Exemplos sp Linear Be sp 2 Trigonal planar + BF 3, C sp 3 Tetraédrica + C 4, N ~sp 3 Trigonal piramidal N 3, C ~sp 3 Angular 2 O a Referindo-se às posições dos átomos e excluindo pares não-ligantes. 28

29 1.17 REPRESENTAÇÃO DE FÓRMULAS ESTRUTURAIS Modelo pau-e-bola (ball-and-stick) Fórmula de traço Fórmula condensada Fórmula ligação-linha (abreviada) Figura 1.36 fórmulas estruturais para álcool propílico. Estrutura com pontos Fórmula de traço Fórmula condensada 1.17A Fórmulas Estruturais de Traço 1. Átomos unidos por ligações simples podem rodar de forma relativamente livre em relação uns aos outros. Fórmulas de traço equivalentes para o álcool propílico mesma conectividade dos átomos 2. Isómeros constitucionais tem conectividade diferente e, portanto, devem ter diferentes fórmulas estruturais. 3. O álcool isopropílico (2-propanol) é um isómero constitucional do álcool propílico. 29

30 Fórmulas de traço equivalentes para álcool isopropílico conectividade mesmos átomos 4. Não cometa o erro de escrever várias fórmulas equivalentes. 1.17B Fórmulas Estruturais Condensadas 1.17C Moléculas Cíclicas 1.17D Fórmulas de Ligação-Linha (estrutura abreviada) 1. Regras para a estrutura abreviada: 1) Os átomos de carbono não são normalmente mostrados intersecções, final de cada linha 2) Os átomos de hidrogénio ligados a C não são mostrados. 3) São indicados todos os outros átomos para além C e. 30

31 Tabela 1.5 Estruturas de Kekulé e abreviadas para vários compostos Composto Estrutura Kekulé Estrutura abreviada Butano, C 4 10 C C C C C C C C Cloroetileno (cloreto de vinilo), C 2 3 Cl C C Cl Cl C C Cl 2-Metil-1,3-butadieno C (isopreno), C 5 8 C C C C 31

32 Ciclo-hexano, C 6 12 Vitamina A, C O C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C O C C C C O 1.17E Fórmulas Tridimensionais Figura 1.37 Fórmulas tridimensionais utilizando fórmulas traço-cunha. 32