Química Orgânica IV (3)
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HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONOHIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO((OU HIBRIDAÇÃOOU HIBRIDAÇÃO))
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONOHIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Introdução
Foi Kekulé, 1858, quem estabeleceu a tetravalênciatetravalência do elemento carbono.
Friedrich August KEKULE (1829 – 1896)
Introdução
Assim, a molécula de metanometano (CH4) costuma ser representada como . . .
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
HI
H – C – HIH
Fórmula estrutural plana do metano.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Introdução
Com a descoberta de novos fenômenos químicos, como por exemplo isomeria isomeria
ópticaóptica, houve necessidade de aperfeiçoar o modelo de molécula plana apresentado.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Introdução
Desse modo, Le Bel e Van’t Hoff, em 1874, lançaram a idéia do carbono tetraédricocarbono tetraédrico,
portanto espacialespacial.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Jacobus van’t Hoff (1852 - 1911).Jacobus van’t Hoff (1852 - 1911).
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Joseph Le Bel (1847 - 1930).Joseph Le Bel (1847 - 1930).
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Modelo de molécula de metano com carbono tetraédrico.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Introdução
Assim, devemos pensar na molécula de metanometano como sendo tridimensionaltridimensional, onde o átomo de carbono está no centro e os quatro
átomos de hidrogênio ao redor.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Introdução
Completando a concepção de Van’t Hoff e Le Bel, assinalamos que o carbono não forma apenas ligação simplesligação simples, gerando moléculas moléculas
tetraédricastetraédricas.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Introdução
Há, também, ligação duplaligação dupla e ligação triplaligação tripla, as quais geram moléculas trigonaismoléculas trigonais e
lineareslineares.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Introdução
Como explicar satisfatoriamente cada uma dessas ligações?
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Introdução
Isso pode ser feito através da Teoria da Teoria da Hibridização ou HibridaçãoHibridização ou Hibridação, que consiste na passagem de um elétron de orbital 2sorbital 2s
para orbital 2porbital 2pzz que está vazio.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
O carbono no estado fundamental
Para entender melhor a hibridização do carbono, relembramos a configuração desse configuração desse elementoelemento e as formas dos orbitais “s” e p”formas dos orbitais “s” e p”.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
O carbono no estado fundamental
A configuração eletrônica é obtida através do Diagrama de Pauling . . .
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
O carbono no estado fundamental
: 1s2 2s2 2p2.
Esta é a configuração eletrônicaconfiguração eletrônica do carbono.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
O carbono no estado fundamental
O gráfico energético é . . .
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
1s
2s
2p
Ground state
1s
2s
2p
Excited state
1s
4sp3
sp2-Hybridized state
Promotion of electron Hybridization
O carbono no estado fundamental
As formas dos orbitais “s’ e “p” são . . .
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
O carbono no estado fundamental
Orbital “s” ...
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
O carbono no estado fundamental
. . . e orbital “p”.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
O carbono no estado fundamental
Assim, o átomo de carbonocarbono em seu estado normalestado normal tem a forma segundo o modelo . . .
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
O carbono no estado fundamental
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
O carbono hibridizado
Porém, sabemos que o carbono quando combinado com hidrogênio pode ter forma
tetraédrica.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
O carbono hibridizado
No modelo, o carbono é tetraédrico.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridizações do carbono
Há três maneiras diferentes de ocorrer hibridização do carbono.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp3
Na hibridização sp3 um elétron “s” é promovido para o orbital “p” vazio,
originando o carbono no estado ativado (intermediário).
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp3
Estado ativado
(gráfico energético)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp3
Em seguida, há “fusão” entre o orbital “s” e os três obtitais “p”.
Daí, hibridização sp3.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp3
Carbono hibridizado
(gráfico energético)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp3
Carbono hibridizado
(formas dos orbitais híbridos)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp3
Orbital sp3 resulta de uma combinação de um orbital s com três orbitais p Caráter de um orbital p
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp3
Nas ligações com outros átomos, forma quatro ligações “sigma”.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp3
Carbono hibridizado
(na molécula de metano)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp3
Carbono hibridizado
(na molécula de metano)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp3 (na molécula de etano)
A ligação C–C do etano é formada por 2 orbitais sp3 dos C sobrepostos.
As ligações C–H são formadas da mesma maneira que no metano.
A molécula é tetraédrica (cf. metano)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp3 (na molécula de etano)
•Ligações : simetria cilíndrica ao longo do eixo da ligação
•rotação de grupos ligados por uma ligação não requer muita E
Rotação relativamente livre
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp3 (na molécula de etano)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp3 (na molécula de dimetil-éter)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp2
Na hibridização sp2 um elétron “s” é também promovido para o orbital “p” vazio, originando
o carbono no estado ativado (intermediário).
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp2
Entretanto, a “fusão” de orbitais ocorre entre o orbital “s” e dois “p”.
Daí, hibridização sp2.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp2
Carbono hibridizado
(gráfico energético)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp2
Note que um dos orbitais “p” permaneceu puro.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp2
(molécula dos alcenos)
Quando dois átomos de carbono compartilham doispares de elétrons o resultado é uma ligação dupla:Alcenos.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp2
(molécula do eteno)
No eteno a única ligação carbono-carbono é uma ligação dupla.
•Arranjo espacial é diferente daquele dos alcanos (metano, etano, p.ex.).
•Átomos:−Coplanares;−Cada átomo de carbono é triangular−Ângulo de ligação 120°
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp2
Por quê?
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp2
(molécula do eteno)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp2
(molécula do eteno)
Três ligações sigma formados por orbitais sp2 do C
−hibridização de um orbital 2s e dois orbitais 2p
−Um orbital 2p é deixado sem hibridizar:
−Orbitais sp2 resultando estão dirigidos na direção dos vértices de um triangulo regular (ângulo de 120°),
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp2
(molécula do eteno)
−Orbital 2p não hibridizado é perpendicular ao plano formado pelos orbitais sp2.
−Superposição de dois orbitais sp2 de cada carbono forma a ligação C–C;
−Orbitais sp2 restantes do carbono formam ligações com os 4 átomos de hidrogênio;
−Orbitais p de cada carbono formam uma ligação por superposição lateral;
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp2
(molécula do eteno)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp2
(molécula do eteno)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp2
Carbono hibridizado
(formas dos orbitais híbridos)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp2
Nas ligações com outros átomos, forma três ligações “sigma” e uma “pi”.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp2
Carbono hibridizado
(na molécula de eteno)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp2
Diferença entre ligações (sigma) e ligações (pi)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp2
Se dois orbitais interagem: combinação ligante e antiligante:
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp2
Superposição de orbitais de sinal semelhante: orbital ligante −superposição de orbitais de sinal diferente: orbital antiligante *
•orbital ligante (no estado fundamental da molécula):−é mais baixo em energia do que o *−contém ambos os elétrons No estado excitado (absorção de luz etc.): um dos elétrons é promovido para o orbital *
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp2
(Rotação Restrita)
Existe uma grande barreira de energia para a rotação associada com os grupos unidos por uma ligação dupla.:
Erot (C=C) = 264 kJmol-1.
Erot (C–C) = 13-26 kJmol-1
•Superposição máxima: eixos dos orbitais p paralelos.•Rodando uma ligação por 90°: quebra da ligação
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp2
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp
De forma semelhante, na hibridização sp um elétron “s” é também promovido para o orbital
“p” vazio, originando o carbono no estado ativado (intermediário).
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
C C HHEthyne
(acetylene)
(C2H2)
C C HH3CPropyne
(C2H2)
Hibridização sp
Agora, a “fusão” de orbitais ocorre entre o orbital “s” e um “p”, permanecendo dois
orbitais “p” puros.
Daí, hibridização sp.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp
Carbono hibridizado
(gráfico energético)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp
Nas ligações com outros átomos, forma duas ligações “sigma” e
duas “pi”.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp
Carbono hibridizado
(a molécula de etino)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp
Carbono hibridizado (a molécula de etino)
Dois átomos de carbono superpõem dois orbitais sp:
•ligação (sigma) carbono-carbono - Dois orbitais sp restantes se superpõem com orbitais s do hidrogênio:
•ligação (sigma) carbono-hidrogênio - Dois orbitais p em cada carbono se superpõem:
•duas ligações (pi) carbono-carbono - ligação + 2 ligações = ligação tripla carbono-carbono
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Hibridização sp
Carbono hibridizado (a molécula de etino)
Circular symmetry exists along the length of a triple bond no restriction of rotation for groups joined by a triple bond.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
HibridizaçãoComparação do comprimento de ligação de Etino, Eteno e Etano
Ligações carbono-carbono estão mais fortes quando existem mais ligações:CC < C=C < C–CLigações carbono-hidrogêniosH–C< H–C= < H–C–
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Salientamos que o fenômeno da hibridização não é exclusividadenão é exclusividade do elemento carbonocarbono.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Salientamos que o fenômeno da hibridização não é exclusividadenão é exclusividade do elemento carbonocarbono.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Geometria MolecularO Modelo de Repulsão do Par de Elétrons no Nível de
Valência
Teoria da repulsão do par de elétrons no nível de valência
1. Consideramos moléculas (ou íons) nas quais o átomo central está ligado covalentemente a dois ou mais átomos ou grupos.
2. Consideramos todos os pares de elétrons de valência do átomo central – tanto aqueles que são compartilhados nas ligações covalentes (pares ligantes), quanto aqueles que não estão compartilhados (elétrons não-ligantes ou pares não-compartilhados)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Geometria MolecularO Modelo de Repulsão do Par de Elétrons no Nível de Valência
Teoria da repulsão do par de elétrons no nível de valência
3. Uma vez que os pares de elétrons se repelem, os pares de elétrons do nível de valência tendem a ficar o mais afastado possível. A repulsão entre pares nãoligantes geralmente é maior do entre pares ligantes.
4. Chegamos na geometria da molécula considerando todos os pares de elétrons, ligantes e não -ligantes, mas descrevemos a forma da molécula ou íon, levando em consideração as posições dos núcleos (ou átomos) e não através das posições dos pares de elétrons.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
O Modelo de Repulsão do Par de Elétrons no Nível de Valência
MetanoQuatro pares de elétrons
Orientação tetraédrica permita que quatro pares de elétrons tenham a separação máxima possível
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
O Modelo de Repulsão do Par de Elétrons no Nível de Valência
AmôniaTrês pares de elétrons ligantes um par não-ligante
Arranjo tetraédrico dos pares de elétrons
Arranjo piramidal trigonal dos quatro átomos
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
O Modelo de Repulsão do Par de Elétrons no Nível de Valência
Trifluoreto de boroTrês pares de elétrons ligantes
Separação máxima: elétrons ocupando os vértices de um triângulo eqüilátero
Geometria trigonal plana
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
O Modelo de Repulsão do Par de Elétrons no Nível de Valência
ÁguaDois pares de elétrons ligantes
Dois pares não-ligantes
Arranjo tetraédrico dos pares de elétrons
Arranjo angular dos três átomos
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
O Modelo de Repulsão do Par de Elétrons no Nível de Valência
Hidreto de berílioDois pares de elétrons ligantes
Geometria linear (ângulo H–B–H = 180°)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
H Be H H Be H
180o
O Modelo de Repulsão do Par de Elétrons no Nível de Valência
Dióxido de carbonoLigações múltiplas: todos elétrons de uma
ligação múltipla atuam como se eles fossem uma unidade única
Os quatro elétrons de cada ligação dupla agem como uma unidade única e estão separados ao máximo um do outro.
Geometria linear (ângulo de ligação O=C=O = 180°)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
O C O O C O
180o
O Modelo de Repulsão do Par de Elétrons no Nível de Valência
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Representação de Fórmulas Moleculares
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Representação de Fórmulas Moleculares
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Representação de Fórmulas Moleculares
Fórmulas Estruturais de Traços•Cada traço = um par de elétrons
Átomos ligados por ligações simples podem rodar relativamente livres uns em relação aos outros.
Fórmulas equivalentes de álcool propílico
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
CC
C
H H
OHH
H HHH
CC
C
H H
OHH
H HHH
CC
C
H H
HH
H HOH
H
or or
Representação de Fórmulas Moleculares
Fórmulas Estruturais Condensadas•Fórmulas condensadas:
•Átomos de hidrogênio ligados a carbonos são escritos imediatamente depois do carbono
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Representação de Fórmulas Moleculares
Fórmulas Estruturais Condensadas•Fórmulas parcialmente condensadas:
•Átomos de hidrogênio ligados a carbonos são escritos imediatamente depois do carbono
•Algumas outras ligações podem ser escritas
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Representação de Fórmulas Moleculares
Moléculas Cíclicas (ciclopropano)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
C
C C
CH2
H2C CH2
HH
H
H H
H or Formulas for cyclopropane
Representação de Fórmulas Moleculares
Moléculas Cíclicas (cicloexano)
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Representação de Fórmulas Moleculares
Fórmulas de Linhas de Ligação
Mostra-se apenas o esqueleto de carbono
Supomos que o número de hidrogênios necessários para preencher as valências do carbono está presente, mas não os escrevemos;
Outros átomos (p.ex. O, Cl, N etc) são escritos na fórmula;
Cada interseção de duas ou mais linhas e a ponta de um alinha representa um átomo de carbono, a menos que um outro átomo esteja escrito nela.
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Representação de Fórmulas Moleculares
Fórmulas de Linhas de Ligação
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
CH3CHClCH2CH3CH
Cl
CH3
CH2H3C
Cl= =
CH3CH(CH3)CH2CH3CH
CH3
CH3
CH2H3C
= =
(CH3)2NCH2CH3N
CH3
CH3
CH2H3CN
= =
Bond-lineformulas
Representação de Fórmulas Moleculares
Fórmulas de Linhas de LigaçãoLigações múltiplas são indicadas nas fórmulas de linha:
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
CH2
H2C CH2= and =
H2C
H2C CH2
CH2
CH
CH3
CH2CHH3C CH3
= CH2=CHCH2OH OH=
Table:Kekulé and shorthand structures for several compounds
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
C o m p o u n d K e k u l é s t r u c t u r e S h o r t h a n d s t r u c t u r e
B u t a n e , C 4 H 1 0 H C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
H
CC
CC
C h l o r o e t h y l e n e ( v i n y l c h l o r i d e ) , C 2 H 3 C l
C CH
Cl
H
H
Cl
CC
Cl
2 - M e t h y l - 1 , 3 - b u t a d i e n e ( i s o p r e n e ) , C 5 H 8 C C
C HH
H
C
H
CH
H
H
H
C y c l o h e x a n e , C 6 H 1 2 C
CC
C
CC
H
H
HH
H
H
H
H
HH
H H
V i t a m i n A , C 2 0 H 3 0 O
C
CC
C
CC
CH
CC C
CC
CC
CC
O H
H
H
HH
H H H
H
H
HCC HH
H H H H
CH H H
H H
H CHH H
H
HH
OH
Representação de Fórmulas Moleculares
Fórmulas TridimensionaisQuase todos os compostos orgânicos possuem uma estrutura tridimensional.
•Para escrever fórmulas tridimensionais:
−ligações no plano do papel:−ligações para fora do plano do papel:−ligações para dentro do papel:
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
Representação de Fórmulas Moleculares
Representação de um átomo tetraédrico:
−Duas ligações no plano com ângulo de aproximadamente 109°
−Ligações de cunha
HIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO
C
H
HCH
H
H
H
H HC
H
HHH C
H
H
Methane
orBr HC
H
HBrH C
H
H
Ethane
or
Bromomethane
Br HC
H
ClBrH C
H
ClBromo-chloromethane
orBr IC
H
ClBrI C
H
Cl
or
Bromo-chloro-iodomethane
Representação de Fórmulas Moleculares
Representação de um átomo trigonal plano:
−Todas ligações no plano do papel
−Ângulo 120°
•Representação de um átomo linear:
−Todas as ligações no papelHIBRIDIZAÇÃO DO CARBONO