ESTRUTURA DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS

Universidade Federal do Maranhão – DEQUI

Centro de Ciências Exatas e Tecnologia - CCET

Prof. Dr. Odair dos Santos Monteiro                    

Química Orgânica

                        ESTRUTURA DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS

Ligações simples C – C, C – O e C – N:

O elemento C possui número atômico 6, e sua configuração eletrônica é: 1s2 2s2 2px1 2py1. O fato dos orbitais px e py sustentarem 1 elétron cada, “indicaria uma valência 2 para o C.”

O elemento H possui número atômico 1, e sua configuração eletrônica é portanto 1s1.

As formas dos orbitais presentes em ambas às configurações são: orbital s circular e orbital p com 2 lóbulos equivalentes.

[pic 1]

Analisando a molécula orgânica mais simples, o metano, de fórmula condensada CH4, observa-se que o C tem valência 4 (já que o H tem valência 1), portanto pode-se supor que as 4 ligações seriam produto de que 1 dos 2 elétrons localizados no orbital 2s deva ter se deslocalizado para o orbital 2pz inicialmente não ocupado na configuração eletrônica. Ou seja, a nova proposta de configuração eletrônica para o C seria a seguinte: 1s2 2s1 2px1 2py1 2pz1. Isto explicaria a valência 4 para o C, no caso do metano e outros compostos semelhantes.

Continuando com a análise para o metano (CH4), poderíamos inicialmente propor que as 4 ligações C – H seriam da seguinte forma: 2s1-1s1, 2px1-1s1, 2py1-1s1, 2pz1-1s1. Isto levaria a pensar que haveria 3 ligações energeticamente semelhantes e perpendiculares entre si, correspondentes às ligações entre orbitais 2p com o 1s; e uma quarta totalmente diferente tanto energeticamente como quanto a distribuição espacial, que seria aquela entre o orbital 2s com o 1s. No entanto, estudos posteriores mostraram que no metano, as 4 ligações são equivalentes nas suas propriedades físicas e químicas, e que estão distribuídas na forma de um tetraedro regular, com ângulos de 109,5º° entre si. Tornou-se necessário então melhorar a explicação da distribuição dos elétrons no átomo de C, o que levou a utilizar o conceito de hibridização orbital, no qual através da mistura do orbital 2s com os 3 orbitais 2p, são formados 4 novos orbitais, todos iguais entre si e cada um carregando 1 elétron.

Como cada um desses novos orbitais foi formado pela mistura de 1 orbital s com 3 orbitais p, o nome de cada um desses 4 novos orbitais é sp3; e a sua forma é também uma mistura das formas dos orbitais que o formaram: [pic 2], e como dito, sua distribuição espacial será a de um tetraedro regular.

Segundo isto, podemos representar a molécula de metano com as formas e distribuição dos orbitais envolvidos. Seria aproximadamente a seguinte:

[pic 3]

As ligações C – H são do tipo sigma σ, e são consideradas ligações fortes devido a existir uma boa sobreposição entre os 2 orbitais que as formam (sp3 e s).

No caso do etano (CH3 – CH3), em que está se substituindo um átomo de H do metano por um grupamento metila, a ligação C – C será entre 2 orbitais do tipo sp3 (um de cada C); e será também uma ligação sigma, mas ainda mais forte que a ligação C – H já que a sobreposição de 2 orbitais sp3 é ainda melhor que entre um s e um sp3.

Uma representação do etano seria a seguinte:

[pic 4]

De forma semelhante podemos analisar a participação orbital na molécula de água (H2O). O átomo de O tem número atômico 8. A configuração eletrônica é: 1s2 2s2 2px2 2py1 2pz1. Os dois últimos orbitais explicam a valência 2 para o O, mas segundo isto as ligações O – H deveriam estar em ângulo de 90°. Porém, o ângulo H – O – H é de aprox. 104,5º(próxima da tetraédrica), indicando haver neste caso também uma hibridização do tipo sp3; formando então 4 novos orbitais, 2 deles com 1 elétron cada para se ligar aos correspondentes átomos de H, e 2 deles carregando 1 par de elétrons cada (chamados de elétrons desemparelhados, ou livres, ou não compartilhados).

Uma representação da molécula de água seria a seguinte:

[pic 5]

Uma projeção semelhante para o metanol (CH3OH) seria então:

[pic 6]

No amoníaco (NH3), sabendo que o N tem número atômico 7, podemos resolver o seguinte:

Configuração eletrônica do N = 1s2 2s2 2px1 2py1 2pz1

A equivalência das 3 ligações N – H, e a geometria tetraédrica com ângulos de 107,3° indica uma hibridização do tipo sp3 entre os orbitais do nível 2, deixando 3 orbitais sp3 para se ligar a os 3 átomos de H, e o quarto orbital sp3 para sustentar o par de elétrons não compartilhados no N.

Seguindo os exemplos anteriores, o amoníaco pode ser representado por:

[pic 7]

e a metil amina (CH3NH2) por:

[pic 8]

Ligações duplas C = C e C = O:

Um átomo de C pode se ligar duplamente a um outro átomo de C (alcenos), e também a um átomo de O (grupamento carbonila); e nesses casos as duas ligações são diferentes entre si. Nas porções estruturais em que há ligações duplas, tanto o átomo de C como o de O apresentam uma hibridização do tipo sp2, ou seja participam somente 3 orbitais, sendo o orbital 2s e só 2 orbitais p (o px e o py), dando então lugar a 3 novos orbitais chamados de sp2. O orbital pz, que não participou da hibridização, formará uma ligação com o orbital pz do outro átomo (C ou O), diferente daquela ligação sigma, sendo chamada neste caso de ligação pi. Os 3 orbitais híbridos se distribuirão num plano e estarão separados por ângulos de 120º° entre si (distribuição trigonal planar). O orbital pz ficará perpendicular a esse plano, com um lóbulo acima e o outro lóbulo abaixo do plano trigonal planar.