segunda-feira, 4 de maio de 2009

INTRODUÇÃO AO ESTUDO DA QUÍMICA ORGÂNICA


1- Efeito Indutivo na cadeia carbônica

Analise o esquema abaixo:

efeito indutivo

Na ligação C - C numa sucessão só de átomos de carbono os elétrons da ligação estão equidistantes de cada átomo. Já numa sucessão de carbonos terminada por um elemento muito eletronegativo, como o cloro, por exemplo, ocorre uma deslocalização de elétrons das ligações C - C por causa do efeito da ligação C - Cl. Esse efeito é chamado efeito indutivo. O cloro funciona com um ponto de atração eletrônica, "puxando" para si os elétrons da ligação com o carbono ligado a ele. É como uma trilha de dominó em que as peças caem umas sobre as outras: o cloro atrai para si os elétrons da ligação com o carbono ligado a ele; este, por sua vez, fica com uma certa "deficiência eletrônica" e, por isso, atrai para si os elétrons da ligação com o carbono seguinte, tentando compensar essa deficiência, e assim sucessivamente. Isso acaba gerando uma polarização na cadeia carbônica.

Do ponto de vista do efeito indutivo, existem duas espécies de grupos que podem se ligar a uma cadeia carbônica:

Grupos elétron-atraentes (efeito indutivo -I): São aqueles que atraem os elétrons das ligações em sua direção. Os mais importantes grupos elétron-atraentes são aqueles que possuem elementos muito eletronegativos em relação ao carbono (F, O, N, Cl, Br, I etc.) ou radicais insaturados. Os radicais insaturados possuem ligações pi, que por efeito de ressonância, irão atrair os elétrons das ligações em sua direção.

Grupos elétron-repelentes (efeito indutivo +I): São aqueles que "empurram" os elétrons das ligações em direção oposta a eles. Os mais importantes grupos elétron-repelentes são os radicais saturados (alquila) e os que possuem carga elétrica negativa. Nos radicais alquila, quanto mais átomos de C e H (com simples ligações) tiver o radical mais elétron-repelente ele será.


2- Algumas consequências do Efeito Indutivo


2.1) A estabilidade dos carbocátions:

Uma consequência importantíssima do efeito indutivo relaciona-se com a estabilidade do carbocátion numa reação química em que há formação desta espécie como intermediária no processo. O tipo de carbocátion formado pode determinar que produtos serão formados e em que proporções relativas. O carbocátion é um íon que possui um carbono com apenas três ligações (sp2), isto é, possui uma carga positiva. Experimentalmente verifica-se uma grande facilidade de se formarem carbocátions terciários (cuja carga positiva está num carbono terciário) em relação a carbocátions secundários ou primários. Essa estabilidade diminui do carbocátion terciário para o secundário e deste para o primário. Veja abaixo a possível explicação para esse fato:

a estabilidade dos carbocátions

Nesse caso, a carga positiva funciona como o centro de atração eletrônica na cadeia. Perceba que no carbocátion primário apenas um sentido de corrente eletrônica está disponível para compensar a deficiência de elétrons do carbono sp2. Já no secundário existem dois sentidos de corrente, e no terciário, três sentidos. Logicamente, quanto maior a disponibilidade eletrônica para compensar a carga positiva, maior a facilidade do carbocátion e maior a facilidade de ser formado. Muitas vezes, devido à alta instabilidade, os carbocátions primários nem chegam a se formar. A não ser que as condições do meio em que ocorre a reação sejam favoráveis à sua formação. Maiores detalhes serão vistos adiante nas reações químicas que passam por carbocátions.


2.2) Força de ácidos e bases:

Outra consequência interessante do efeito indutivo relaciona-se com a força de ácidos e bases orgânicos.

Caráter ácido - Vejamos um ácido carboxílico que possui um grupo de indução ligado à cadeia. Esse grupo pode ser elétron-atraente ou elétron-repelente:

efeito indutivo em ácidos carboxílicos

No primeiro caso (a) o grupo X é elétron-atraente. O efeito indutivo é -I e, portanto, deixa a carbonila com déficit eletrônico, o que leva a um enfraquecimento da ligação com o hidrogênio ácido. Logo, será mais fácil a liberação do próton. Assim, o caráter ácido aumenta.

No segundo caso (b) o grupo X é elétron-repelente. O efeito indutivo é +I e, portanto, deixa a carbonila com superávit eletrônico, o que leva a um aumento da força de ligação com o hidrogênio ácido. Logo, será mais difícil a liberação do próton. Assim, o caráter ácido diminui.

Caráter básico - Vejamos agora o que ocorre com uma amina (base orgânica):

efeito indutivo em aminas

Segundo a teoria de Lewis, base é uma espécie química que possui um ou mais pares eletrônicos não-ligantes, ou seja, é capaz de coordenar pares eletrônicos. Dessa forma, assim como a força de um ácido está relacionada com a sua capacidade de receber elétrons, a "força" de uma base relaciona-se com sua capacidade de coordenar elétrons. Logo, quanto maior a disponibilidade eletrônica em uma espécie química, maior será seu caráter básico.

No primeiro caso (a) o grupo X é elétron-atraente. O efeito indutivo é -I e, portanto, deixa o grupo amino com déficit eletrônico, o que leva a uma diminuição do seu caráter básico.

No segundo caso (b) o grupo X é elétron-repelente. O efeito indutivo é +I e, portanto, deixa o grupo amino com superávit eletrônico, o que leva a um aumento do seu caráter básico.


3- Efeito Mesomérico na cadeia carbônica

O efeito mesomérico está diretamente relacionado com o fenômeno da ressonância. Para que exista ressonância é preciso que haja na espécie química uma movimentação de elétrons que resulte em duas ou mais estruturas equivalentes, isto é, estruturas idênticas, mas que possuem arranjos eletrônicos diferentes. E sempre que essas estruturas tiverem aproximadamente o mesmo conteúdo energético, a ressonância será muito importante na estabilidade da espécie química. Veja o esquema abaixo:

ressonância da nuvem pi

Com o deslocamento do par de elétrons da ligação pi, aparece uma carga positiva em um carbono e uma carga negativa no outro. Embora a estrutura carregada eletricamente (da direita) não contribua para a estabilidade da molécula, ela é possível, e a estrutura real da molécula seria um híbrido das duas estruturas acima - uma estrutura parcialmente ionizada. As setas indicam apenas uma movimentação de elétrons e não a transformação de uma estrutura na outra. Essa polarização foi provocada pelo fenômeno da ressonância. Se a carbonila estiver ligada a outros átomos ela poderá transmitir essa polarização através da cadeia. Esse fenômeno é chamado efeito mesomérico ou efeito mesômero.


3.1) Efeito mesomérico em fenóis e aminas aromáticas:

Uma consequência muito interessante do efeito mesômero relaciona-se com a força ácido-básica dos fenóis e das aminas aromáticas. Por efeito de ressonância, o anel aromático é um híbrido de várias estruturas equivalentes. Esse fenômeno irá acarretar algumas consequências nestes compostos. O esquema abaixo mostra um exemplo de cada um destes compostos (fenol e anilina), descrevendo as possíveis estruturas de ressonância em cada um deles:

mesomeria em aminas aromáticas e fenóis

No primeiro caso (a) os pares eletrônicos não-ligantes do oxigênio participam da ressonância do anel aromático. O efeito mesomérico é +M, porque "empurra" os elétrons para o anel e, portanto, deixa a hidroxila com déficit eletrônico. Isso leva a um enfraquecimento da ligação O-H, dando assim um caráter ligeiramente ácido aos fenóis.

O segundo caso (b) é semelhante ao primeiro: o par eletrônico não-ligante do nitrogênio também participa da ressonância do anel, porém, a consequência disso é diferente, por se tratar de uma base. O efeito +M diminui a capacidade do grupo amino de coordenar elétrons. Assim, seu caráter básico é baixo.


4- Comparação da força ácida

Façamos agora uma comparação do caráter ácido entre algumas espécies químicas. Vejamos as bases conjugadas do fenol, do ácido acético e do etanol:

comparação da força ácida

Veja que, para o fenol existem três estruturas de ressonância possíveis para estabilizar o ânion. Para o ácido acético existem apenas duas estruturas, e para o álcool, não há estruturas de ressonância. Sabemos que a ressonância é um importante fator de estabilidade química. Logo, quanto maior o número de estruturas possíveis de ressonância, mais estável deverá ser a espécie. Assim, a força ácida do fenol é realmente maior que a do etanol, porém, menor do que a do ácido acético. Ora, pelo número de estruturas, deveríamos esperar justamente o contrário, ou seja, que o fenol fosse mais ácido que o ácido acético. no entanto, um outro fator predomina nessa disputa: a semelhança canônica - quando as estruturas de ressonância são equivalentes (como no caso do ácido acético), a espécie adquire uma incrível estabilidade se comparada a uma espécie cujas estruturas canônicas apresentam diferenças (como no fenol).

É claro que, numa espécie química, a presença ou ausência de grupos de indução poderá determinar uma força ácida mais ou menos intensa. Um bom exemplo é o 2,4,6 - trinitrofenol (ácido pícrico): seu caráter ácido é tão forte quanto os ácidos inorgânicos. Normalmente, porém, em espécies mais simples, pode-se generalizar:

força ácida: ácido carboxílico > fenol > álcool

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