Interações

Introdução Quando moléculas, átomos ou íons aproximam-se uns dos outros, dois fenômenos po- dem ocorrer: (i) eles podem reagir ou (ii) eles podem interagir. Uma reação química por definição requer que ligações químicas sejam quebradas e/ ou formadas. Usualmente as energias envolvidas neste processo variam en- tre 50 e 100 kcal.mol-1. Uma interação química significa que as moléculas se atraem ou se repelem entre si, sem que ocorra a quebra ou formação de no- vas ligações químicas. Estas intera- ções são freqüentemente chamadas de interações não covalentes ou inte- rações intermoleculares. As energias envolvidas em tais tipos de interações são muito menores que aquelas envol- vidas em processos reativos, variando usualmente entre 0,5 a 10 kcal.mol-1. As interações intermoleculares estão intimamente relacionadas com as propriedades termodinâmicas de líquidos, sólidos e gases. Logo, o en- tendimento de tais forças intermo- leculares é de extrema relevância se quisermos entender o comportamento de sistemas químicos a nível molecu- lar. Como exemplo, a Figura 1 mostra como a temperatura de ebulição de hidrocarbonetos (compostos contendo somente carbono e hidrogênio) varia com o número de átomos de carbono

Willian R. Rocha

Este artigo tem por objetivo fornecer uma descrição qualitativa dos principais tipos de interações intermoleculares que atuam nos sistemas químicos, e mostrar como o entendimento de tais interações pode auxiliar na racionalização de propriedades macroscópicas observáveis.

propriedades termodinâmicas, forças intermoleculares

presentes na molécula. A temperatura de ebulição de um composto é a tem- peratura na qual um sistema líquido passa para a fase gasosa, que tem uma relação direta com as forças entre as molé- culas constituintes do líquido. Pode-se ver na Figura 1 que a tem- peratura de ebulição varia linearmente com o número de átomos de carbono. É interessante per- ceber na Figura 1 que o único fator diferenciador entre uma molécula e outra é a quantidade de átomos de carbono presentes. Entre- tanto, estas moléculas possuem um comportamento macroscópico com- pletamente diferente. CH4 é um gás à

temperatura ambiente e C8H18 é um lí- quido. Esta e outras característica, co- mo será mostrado adiante, estão inti- mamente relaciona- das com a natureza das interações exis- tentes entre as molé- culas. A Tabela 1 ilustra como as propriedades de um sistema quí- mico estão intimamen- te relacionadas com a sua composição e es- trutura tridimensional. Nesta tabela, são mostrados compostos com massas moleculares aproxima- damente iguais mas, que à tempera- tura ambiente existem em diferentes fases: butano (gás), acetona e álcool isopropílico (líquidos). É interessante perceber que dos dois líquidos, aceto- na e álcool isopropílico, a única diferen- ça entre eles é a substituição de um grupo C=O por um grupo C-OH. Esta mudança é suficiente para alterar com- pletamente as características dos dois líquidos. Como pode ser visto, a aceto- na é um líquido muito mais volátil que o álcool isopropílico. A substituição dos grupos funcionais é acompanhada de uma mudança na estrutura tridimensio- nal da molécula, que irá afetar com- pletamente a maneira na qual elas irão interagir no líquido. Também é

Figura 1: Variação da temperatura de ebu- lição com o número de átomos de carbono para os hidrocarbonetos lineares.

Uma interação química significa que as moléculas se atraem ou se repelem entre si, sem que ocorra a quebra ou formação de novas ligações químicas. Estas interações são freqüentemente chamadas de interações não covalentes ou interações intermoleculares

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mostrado na Tabela 1, os diferentes tipos de interação intermolecular, que serão explicados adiante, para os três compostos. Para finalizar com os exemplos, cabe salientar que as interações intermoleculares e seu entendimento ganham sua expressão máxima em sistemas biológicos. As moléculas da vida (DNA, RNA, proteínas etc.) são mantidas em suas estruturas tridimensionais através de interações intra e intermoleculares. Uma vez que a estrutura tridimensional molecular é responsável pela atividade bioló- gica específica destas moléculas, percebe-se então a importância do entendimento de tais interações. Um fato interessante, que até hoje não é bem entendido, é o porquê ou como estas moléculas biológicas adquirem sua estrutura tridimensional. Como exemplo, uma proteína é sintetizada como uma seqüência linear de ami- noácidos que se enovelam no espa- ço dando origem à sua estrutura tridi- mensional única, que irá ditar se esta proteína terá características estru- turais ou enzimáticas. Um outro fato interessante a ser mencionado é que todos os processos orgânicos vitais estão relacionados com o reconhe- cimento molecular específico inter e intramolecular. Estes processos po- dem ser definidos como sendo

interações fracas, usualmente rever- síveis e altamente seletivas entre duas moléculas (intermolecular) ou dentro da macromolécula biológica (intramolecular). Um exemplo das interações intermoleculares especí- ficas que mantém a estrutura tridi- mensional em hélice do DNA é mos-

trado na Figura 2. Este artigo tem por objetivo fornecer uma descrição qualitativa dos princi- pais tipos de interações intermolecu- lares que atuam nos sistemas quími- cos, e mostrar como o entendimento de tais interações pode auxiliar na racionalização de propriedades ma-

Tabela 1: Relação entre a estrutura e propriedades químicas.

Nome butano acetona alcool isopropílico Fórmula molecular C4H10 C3H6OC 3H8O Massa molecular (g/mol) 58 58 60

Estrutura bidimensional

Estrutura tridimensional

Temperatura de ebulição (oC) -0,6 56 82

Tipo de interação Dispersão Dipolo - Dipolo Ligação de hidrogênio

Figura 2: Estrutura tridimensional da molécula de DNA. (A) modelo de espaço preenchido. (B) modelo bola e vareta. (C) interações intermoleculares específicas (ligações de hidrogê- nio) entre os pares de bases.

Interações intermoleculares

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croscópicas observáveis. Descrição das forças intermoleculares