Prof. Hugo Braibante-UFSM Acidez & Basicidade Química Orgânica Estrutural ÁCIDO-BASE Prof. Hugo Braibante-UFSM ÁCIDO-BASE INTRODUÇÃO ÁCIDO-BASE Prof. Hugo Braibante-UFSM Módulo 1 Revisão da teoria de ácidos de Arrenhius, Brönsted-Lowry e de Lewis. Estes conceitos foram abordados em Química Geral, iniciaremos com uma breve revisão. e Você deve revisar os cálculos. Um novo conceito será abordado: “pKa” Módulo 2 Aspectos físico-químicos das reações ácido-base Módulo 3 Fatores que influenciam na acidez Revisar em Química Geral - Forças London, interações dipolo-dipolo, interações de van der Waal’s. Ligação de hidrogênio. (pontes de H) ÁCIDO-BASE Prof. Hugo Braibante-UFSM REVISÃO PRINCIPAIS TEORIAS ISTO VOCE ESTUDOU EM QUÍMICA GERAL TEORIA DE ARRHENIUS (1887) Prof. Hugo Braibante-UFSM Ácidos Monoprótico H2O O N+ O H+ + Cl- HCl ácido clorídrico HO Ácidos Polipróticos HO H2O -O OH HO Cl O HO O H+ + - O Cl O- O O H2O ácido nítrico H2O S O O- O 2H+ + -O ácido sulfúrico N+ O- O O O H+ + S H2O O 2H+ + - OH O- O ácido carbônico O O O ácido perclórico H2O O O H2O OH ácido acético HO P OH O 3H+ + -O H+ + OH O- ácido fosfórico ácidos : quando em solução aumentam a concentração de íons H+ ARRHENIUS Substâncias neutras dissolvidas em água formam espécies carregadas “íons” Dissociação Iônica ou Ionização em Solução bases : quando em solução aumentam P O- O- TEORIA DE ARRHENIUS (1887) Prof. Hugo Braibante-UFSM Bases Monoidroxilada Bases Polidroxilada H2O Na+ + HO- NaOH Ca(OH)2 Al(OH)3 H2O H2O Ca2+ + Al3+ + 2 HO- 3 HO- bases : quando em solução aumentam a concentração de ânions HO- ARRHENIUS Substâncias neutras dissolvidas em água formam espécies carregadas “íons” Dissociação Iônica ou Ionização em Solução TEORIA DE BRONSTED-LOWRY (1923) Prof. Hugo Braibante-UFSM ácido HA + base base conjugada ácido conjugado B A BH + -H+ +H+ ácido = doador de próton base = aceptor de próton Definição em termos de próton, que é a única espécie ácida referida na Teoria de B.L. TEORIA DE BRONSTED-LOWRY (1923) Prof. Hugo Braibante-UFSM ácido HA + base base conjugada ácido conjugado B A BH -H+ +H+ + TEORIA DE BRONSTED-LOWRY (1923) Prof. Hugo Braibante-UFSM Aplicação da teoria de Brönsted-Lowry (BL) H O + H H H H H H + Cl- O O H N O+ Cl O ácido acético se dissocia em Água ou em amônia, porém a dissociação em amônia é completa, em água é parcial. Porque ? H + H H + N Cl H H + Cl- OH + H2O H3O+ + OO H O base ácido Ácido conjugado Base conjugada + + NH3 NH4 + OH Por convenção da IUPAC representamos por seta curva o movimento de elétrons Anfótero Água como Bases de BL : H2O + HCl H3O+ + Cl- Água como Ácido de BL : NH3 + H2O NH4+ + HO- O- TEORIA DE LEWIS (1923) Prof. Hugo Braibante-UFSM mais geral que a teoria de Brönsted Substâncias Doadoras do par de elétrons são base de Lewis e as aceptoras de par de elétrons são consideradas como ácidos de Lewis. BASE B: Por convenção da IUPAC representamos por uma seta curva o movimento de elétrons Doador do par de elétrons A ÁCIDO Aceptor do par de elétrons exemplos Ácidos de Lewis : Bases de Lewis : Fe3+ BF3 AlCl3 NH3 H2O (CH3)2S TEORIA DE LEWIS (1923) Prof. Hugo Braibante-UFSM mais geral que a teoria de Brönsted Substâncias Doadoras do par de elétrons são base de Lewis e as aceptoras de par de elétrons são consideradas como ácidos de Lewis. Doador do par de elétrons BASE Bases de Lewis : B: A Ácido de Lewis : Base de Lewis : ÁCIDO Aceptor do par de elétrons Por convenção da IUPAC representamos por uma seta curva o movimento de elétrons TEORIA DE LEWIS (1923) Prof. Hugo Braibante-UFSM N O S + + + F F F F F F N: + Cl Cl B B B Al N F + O F + O+ F Br F B F F O - F - F B F Cl +N Al Cl Cl Cl Seletividade: Compare os grupos funcionais F B F F - doador de elétron aceptor de elétron base ácido R Bases de Lewis Moles I- , Br: , H- , R2S: RC=CR Mg O Br Mg Br Ac Hg OAc Ac Hg OAc Br Mg Br O O Ac Hg OAc R Pt, Pd BF3, ZnCl2 afinidade com carbonílicos afinidade com olefinas Seletividade de Ácidos de Lewis frente a bases Exemplos Teoria de Pearson Br Bases de Lewis Duras F- , Cl: , HO: , H2N- , OH2 Prof. Hugo Braibante-UFSM pKa’s e Força dos Ácidos pKa – aspectos físico-químicos das reações ácido-base. DEFINIÇÃO DE pKa Prof. Hugo Braibante-UFSM (Maneira de expressar a força de um ácido) H3 HA + H2O [H3O+] [A-] Ka = O+ + A Você sempre deve saber qual é o Ka ? [HA] pKa Compare com a Definição de pH pKa = - log Ka pH = - log[H+] %i = 100 1+ 10(pKa-pH) Exemplo: O ácido tem pKa =5,2 qual o grau de ionização em solução a pH=6 % = 100/1 + 10-0,8 = 100/1+ 0,1585 = 86,3% Calcular: O AcOH a pH 6 estará 95% ionizado pKa x Ka RELAÇÃO ENTRE pKa and Ka Prof. Hugo Braibante-UFSM pKa = - log Ka Ácidos fortes pKa Ka -2 102 0 Ácidos Fracos 2 10-2 4 6 10-6 8 10 10-10 Quanto menor o valor de pKa Mais forte o ácido Usaremos pKa para expressar a força dos ácidos. Que é um simples número sem expoentes. 12 14 10-14 DEFINIÇÃO DE pKa Prof. Hugo Braibante-UFSM (Calculo pKa) Cálculo usando pKa pKa = -log Ka K= [H][B] / [HB].[H2O] Kd = x2 / c pH = – log (x) Ionização a = [(x) / c].100 Água Ka = 10-14 / 55.5 = 1,8.10-16 pois 55.5 M = 1000/18 pKa = -log 1,8.10-16 = 15,7 Ácido Acético Ka = 1,75.10-5 pKa = 4,75 pH c.Ka = x2 ou 𝑥 = c. Ka sendo 1,75.10-5 1,75.10-7 e –log(x) - pH raiz x = 4,18.10-4 e -log 1,75.10-7 = 3,378 raiz x = 1,32.10-3 e -log 1,75.10-6 = 2,878 raiz x = 4,18.10-3 e -log 1,75.10-5 = 2,378 0,01. = 0,1. 1,75.10-5 = 1,75.10-6 1,0 x 1,75.10-5 = 1,75.10-5 Grau de ionização a = [(x) / c].100 a = (4,18.10-4 / 0,01).100 = 4,2 (1,32.10-3 / 0,1).100 = 1,32 (4,18.10-3 /1).100 = 0,4 C 0,01 0,1 1 pH 3,4 2,9 2,4 a (%) 4,2 1,3 0,4 pKa 4,75 4,75 4,75 16 ENERGIA LIVRE Prof. Hugo Braibante-UFSM ENERGIA LIVRE (Maneira de expressar a força de um ácido) ∆G = - RTln Ka ∆G = - 2,3.RT.log Ka R=1,98 cal.mol-1.k-1 T=298 K pKa = -log Ka ∆G = 1,36.pKa Correlação entre Energia livre e Ka ∆G x Ka ENERGIA LIVRE Prof. Hugo Braibante-UFSM ENERGIA LIVRE (Equilíbrio) Reagentes Produtos Prof. Hugo Braibante-UFSM AVALIAÇÃO DA FORÇA DO ÁCIDO ESTABILIDADE DA BASE CONJUGADA FORÇA DO ACIDO Prof. Hugo Braibante-UFSM AVALIAÇÃO DA FORÇA DE UM ÁCIDO HA + H2O H3O+ + A- Em água os ácidos formam o íon hidrônio, a diferença é a base conjugada A diferença entre um ácido forte e um ácido fraco é a estabilidade da base conjugada A força do ácido depende da estabilidade da base conjugada E N E R G I A A- ÁCIDO FRACO Tem base conjugada forte (= alta Energia) AHA fácil ionização ÁCIDO FORTE Tem base conjugada fraca (= baixa Energia) FORÇA DO ACIDO Prof. Hugo Braibante-UFSM SOLVATAÇÃO SEGUIDA DE IONIZAÇÃO - A E N E R G I A ÁCIDO FRACO Solvatação AHA ÁCIDO FORTE endergônica Solvatação exergônica Observe que os íons tem maior energia que o ácido não ionizado, mas a Solvatação envolvida no processo diminui a Energia do íon (ácido forte, processo exotérmico). A ÁCIDO FORTE Observe que DG é exergônica ou endergônica. Quando usamos DH indicamos exotérmica ou endotérmica . FORÇA DO ACIDO Prof. Hugo Braibante-UFSM Força de ácidos - Reação pKa = - 7 DG = -1,36.logKa DGº = 1,36.pKa DGº = 1,36.(-7) DGº = -9,5 Kcal/mol FORÇA DO ACIDO Prof. Hugo Braibante-UFSM Força de ácidos - Reação pKa = 4,75 DG = -1,36.logKa DGº = 1,36.pKa DGº = 1,36.4,75 DGº = 6,5 Kcal/mol FORÇA DO ACIDO Prof. Hugo Braibante-UFSM FATORES QUE AUMENTAM A ACIDEZ ESTABILIZAÇÃO DA BASE CONJUGADA FORÇA DO ACIDO Prof. Hugo Braibante-UFSM Fatores que diminuem a Energia (estabilizam) a base conjugada. estabilização A- FATORES DE ESTABILIZAÇÃO 1. Ressonância 2. Eletronegatividade 3. Tamanho do Átomo 4. Hibridização 5. Efeito Indutivo HA Quanto maior a Estabilização da Base Conjugada mais forte Será o Ácido. 6. Carga 7. Solvatação 8. *Efeito Estérico * geralmente desestabiliza FORÇA DO ACIDO Prof. Hugo Braibante-UFSM 1. RESSONÂNCIA Mais estruturas de ressonância, ou uma maior contribuição de ressonância, na base conjugada leva a formação do Ácido mais forte. EFEITOS DE RESSONÂNCIA Prof. Hugo Braibante-UFSM Ressonância Maior contribuição Valores de pKa R OH 18 R CH3 45 R NH2 28 OH 10 CH3 30 NH2 25 R C NH2 15 O R C OH O O 5 CH3O C CH3 25 O R C CH3 20 O R C CH2 C O R 9 RESSONÂNCIA NO ÍON ACETATO Prof. Hugo Braibante-UFSM estruturas equivalentes com carga no oxigênio O CH3 C O H Ácido acético CH3 O C O _ -H+ base _ O CH3 C O Íon acetato RESSONÂNCIA NO ÍON ACETATO Prof. Hugo Braibante-UFSM RESONÂNCIA NO ÍON FENOLATO O _ O O O _ _ _ O O Mais estruturas, mas com menor contribuição do que o Íon acetato. _ Estruturas Não-equivalente Com carga no carbono e no oxigênio ELETRONEGATIVIDADE Prof. Hugo Braibante-UFSM 2. ELETRONEGATIVIDADE Quando temos dois ácidos no mesmo período, A estrutura com a carga negativa no elemento mais Eletronegativo da base conjugada leva a estrutura do ácido mais forte. ELETRONEGATIVIDADE Prof. Hugo Braibante-UFSM aumenta eletronegatividade Valores de pKa O CH4 >50 RCH3 45 R C CH3 O NH3 34 RNH2 35 R C NH2 15 O H2O 15,7 ROH 18 R C OH HF 3.5 H bases conjugadas H C H N H H _ _ _ _ H O F 20 5 ELETRONEGATIVIDADE ( revisão ) H 2.2 Prof. Hugo Braibante-UFSM C N O F 2.5 3.0 3.5 4.0 Si 1.9 P S Cl 2.2 2.5 3.0 Br 2.8 F aumenta I 2.5 Variação na Tabela periódica TAMANHO Prof. Hugo Braibante-UFSM 3. TAMANHO Quando comparamos dois ácidos do mesmo grupo... Colocar a carga negativa no átomo maior Esta será a base conjugada do ácido mais forte TAMANHO Aumento tamanho da base Prof. Hugo Braibante-UFSM Valores de pKa O F 1.36 A HOH 16 R C OH O HCl -7 HSH 7 R C S SH HBr -9 HSeH 4 R C SH HI HTeH 3 HF 3.5 Cl 1.81 A Br 1.95 A I 2.16 A -10 4.7 TAMANHO PERÍODO Prof. Hugo Braibante-UFSM Acidez Eletronegatividade CH4 NH3 H2O HF SiH4 PH3 H2S HCl 50 35 36 27 15,7 7 3.2 -7 GeH4 AsH3 H2Se HBr 25 23 3.7 -8 H2Te HI 3.0 -10 GRUPO Tamanho Acidez HIBRIDIZAÇÃO Prof. Hugo Braibante-UFSM 4. HIBRIDIZAÇÃO Quanto maior o caráter “s” do orbital contendo a carga Negativa na base conjugada forma o ácido mais forte. HIBRIDIZAÇÃO Prof. Hugo Braibante-UFSM : Valores de pKa Valores de pKa H sp3 H C H 50 sp3 C: H H C C H : 35 sp2 sp H C C H H O H -1.74 H H H sp2 + C: 25 elétrons tem menor energia na hibridização sp ; mais próximo ao núcleo : sp C: R C O H + R -7 EFEITO INDUTIVO Prof. Hugo Braibante-UFSM 5. EFEITO INDUTIVO Pequeno, mas efeito aditivo. EFEITO INDUTIVO Prof. Hugo Braibante-UFSM GRUPOS QUE DIMINUEM A DENSIDADE ELETRÔNICA dCl d+ C F, Cl, Br, N, O Elementos eletronegativo retiram a densidade Eletrônica do Carbono GRUPOS QUE AUMENTAM A DENSIDADE ELETRÔNICA d+ CH3 dC R, CH3, B, Si Grupos alquilas e elementos menos Eletronegativo aumentam a densidade Eletrônica do Carbono Efeito INDUTIVO ocorre quando Grupos aumentam ou diminuem a densidade Eletrônica através da ligação sigma, similar ao efeito de ressonância que é a alteração da densidade eletrônica através do sistema de ligações p . EFEITO INDUTIVO Prof. Hugo Braibante-UFSM EFEITO INDUTIVO DOS HALOACIDOS d- d + C Cl Cloro estabiliza CO2ao diminuir a densidade eletrônica O O dCl d+ C d- d+ d- O d+ C O efeito diminui com a distância é efetivo ~ de 3 ligações. C O EFEITO INDUTIVO Prof. Hugo Braibante-UFSM Aumenta a eletronegatividade pKa múltiplos substituintes pKa I CH2COOH 3.13 CH3 COOH 4.75 Br CH2COOH 2.87 Cl CH2 COOH 2.81 Cl Cl CH2COOH F CH2COOH 2.81 2.66 Cl CH COOH 1.29 Cl C COOH 0.65 Cl Cl EFEITO INDUTIVO Prof. Hugo Braibante-UFSM Valor Potencial Eletrostático +33 +37 Vermelho = negativo Azul = positivo O CH3 pKa : C O OH 4.8 Cl +43 CH2 C Cl O OH 2.8 Cl C C Cl OH 0.7 EFEITO INDUTIVO Prof. Hugo Braibante-UFSM pKa H COOH CH3 COOH pKa 3.75 CH3CH2CH2 COOH 4.8 4.75 CH2CH2CH2 COOH 4.5 Cl CH3CH2 COOH 4.87 CH3 COOH 4.0 CH COOH 2.9 CH CH2 Cl CH3CH2CH2 COOH 4.81 Cl CH3 CH3 C COOH CH3CH2 5.02 CH3 Efeito de solvatação distância EFEITO INDUTIVO Prof. Hugo Braibante-UFSM Ácido cloro acético Base conjugada EFEITO INDUTIVO Prof. Hugo Braibante-UFSM Ácido cloro acético Base conjugada Grupos retiradores de elétrons: Efeito Indutivo (-I) Grupo alquila Grupos doadores de elétrons: Efeito Indutivo (+I) SOLVATAÇÃO 6. SOLVATAÇÃO Prof. Hugo Braibante-UFSM SOLVATAÇÃO Prof. Hugo Braibante-UFSM SOLVATAÇÃO DIMINUI A ENERGIA Cl- (g) + n H2O Cl- (aq) + DH Solvatação é uma interação fraca. Quando um íon é solvatado libera Energia. A solvatação diminui a energia do íon. + (H2O)n Cl O H H O H H O HCl H H O H O HH O Cl- (aq) H Cl- (g) H E N E R G I A Íon solvatado SOLVATAÇÃO Prof. Hugo Braibante-UFSM Água é um SOLVENTE Polar A água Solvata tanto cátions como anions CATIONS Ligação Polar em água torna a molécula polar. d+ H + ANIONS d- - O dH d+ TAMANHO E SOLVATAÇÃO Prof. Hugo Braibante-UFSM CH3 COOH 4.75 CH3CH2 COOH CH3CH2CH2 COOH 4.87 4.81 Estes ácidos tem pKa similar CH3 CH3 CH3 ….mas este tem um pKa maior Isto se deve ao efeito de solvatação. Solvatação estabiliza o íon. Diminui a energia do íon. Impedimento estérico H O H Ácido Forte H O H O H O C Linear O H H - H O O H H H O O H H O 5.02 C COOH O volumoso Grupo t -butil Não é bem Solvatado. C H -O H H O H H O O H H Ácido Fraco EFEITO DA CARGA Prof. Hugo Braibante-UFSM 7. EFEITO DA CARGA ÁCIDOS CONJUGADOS CARGA x SEM CARGA Prof. Hugo Braibante-UFSM ácido conjugado (próton extra) H O H pKa Molécula neutra 15.7 H N H + H O H - 1.74 H + R O H R + R C O H -6 R Ar NH3 H + 25 4 9.24 H R NH3 + + R C N H -7 Ar NH2 H H N H OH + R C O H 34 + -3.5 pKa pKa 10 -10 Ácidos conjugados São sempre ácidos Muito mais forte que Compostos de origem ÁCIDOS CONJUGADOS Prof. Hugo Braibante-UFSM base fraca = ácido conjugado forte O ácido conjugado de uma base fraca deve ser um ácido forte. base forte = ácido conjugado fraco O ácido conjugado de uma base forte deve ser um ácido fraco Bases fortes geralmente tem cargas negativas. Bases fracas são geralmente moléculas neutras sem par de elétrons. Prof. Hugo Braibante-UFSM QUADRO COMPARATIVO INFLUÊNCIAS NO VALOR DE pKa Prof. Hugo Braibante-UFSM sp sp2 H C C H 25 H C C H H H sp3 35 Eletronegatividade CH4 NH3 50 CH3 H2O 34 10 O O CH3 20 CH3 Ressonância NH2 CH3 15 3 HBr Tamanho -9 -10 HI OH 4.8 I Efeito Indutivo HF OH 25 O 16 HCl -7 NH2 30 CH3 O sentido da seta indica aumento na acidez. Hibridização CH2 COOH 3.1 Br CH2 COOH Cl CH2 COOH Cl Cl 2.9 2.8 F Multiplo Indutivo CH2 COOH 2.7 CHCOOH Cl C Cl 1.3 Cl COOH 0.7 GENERALIZAÇÕES Prof. Hugo Braibante-UFSM EFEITOS PRINCIPAIS Eletronegatividade Tamanho Hibridização Ressonância Átomos carregados -(+)- EFEITO MINORITÁRIO Efeito Indutivo Estes cinco efeitos Causam grandes Alterações no pKa. Pequenas alterações, A menos que tenha vários associados Os efeitos não são listados em ordem de importância, não é possível estabelecer uma escala de grandeza. GENERALIZAÇÕES Prof. Hugo Braibante-UFSM CLASSIFICAÇÃO DE ÁCIDOS FORTES E FRACOS POR GRUPO FUNCIONAL Ácidos fracos Ácidos fortes 40 20 10 5 0 pKa HCl O R H C C R CH3 H OH R C CH3 di- e trinitrofenois R OH HI O H O R C NH2 R NH2 R C C H HBr O R O CH2 R C R H2SO4 OH HClO4 HNO3 alcanos alcenos aminas alcoóis cetonas amidas alcinos Fenóis b-dicetonas Nitrofenóis ácidos carboxílicos ácidos inorgânicos oxiacidos NITROFENÓIS NITROFENÓIS Prof. Hugo Braibante-UFSM NITROFENÓIS Prof. Hugo Braibante-UFSM NITROFENÓIS O grupo nitro no anel aromático de um fenol aumenta a sua acidez. O efeito é mais pronunciado quando o grupo nitro ocupa a posição ortho ou para no Anel e consideravelmente pequena na posição meta Polinitração em ortho e/ou para Aumenta o pKa do fenol a ponto de torná-lo um ácido muito forte. NITROFENÓIS Prof. Hugo Braibante-UFSM pKa DE NITROFENOIS OH 7.2 NO2 OH10 OH 9.3 OH 4.0 O2N O2N OH 7.3 NO2 OH 0.4 NO2 NO2 NO2 NO2 NITROFENÓIS Prof. Hugo Braibante-UFSM RESSONÂNCIA EM p-NITROFENOIS Quando na posição orto ou para o grupo nitro participa da ressonância. _ O O O _ _ _O N O NO2 NO2 O Estrutura extra O _ O _ NO2 _O N O_ NO2 + Ácido Benzóico Prof. Hugo Braibante-UFSM ÁCIDOS BENZÓICO SUBSTITUÍDO pKa Prof. Hugo Braibante-UFSM pKa DE ACIDOS BENZÓICOS SUBSTITUÍDOS COOH R R=H pKa = 4,2 o- m- p- CH3- 3,9 4,3 4,4 CH3O- 4,1 4,1 4,5 Cl- 2,9 2,9 4,0 O2N- 2,2 2,2 3,4 Grupos ativantes tem pequena influência. Grupos desativantes aumentam consideravelmente a força do ácido, especialmente quando em posição ortho . SOLVENTE Prof. Hugo Braibante-UFSM CONSTANTE DIELÉTRICA Prótico Polaridade H O 2 e = Poder do solvente em separar cargas O O THF Eter etílico HCO2H e25° 80 59 45 (CH3)2SO1 38 (CH3)CN 37 HCON(CH3)2 CH3OH 33 CH3CH2OH 24 CH2Cl2 = DCM 20 (CH3)3OH CH3)2C=O 11 7 C2H5COOH Aprótico THF 6 4 Éter, DCM Apolar Duro & Mole Prof. Hugo Braibante-UFSM ÁCIDOS DUROS E MOLES TEORIA DE PEARSON POLARIZABILIDADE Prof. Hugo Braibante-UFSM P + + + + + + + t - + + + + + + + + - E E t1 t2 - Duro - Mole Prof. Hugo Braibante-UFSM Índice de dureza Energia HOMO e LUMO para os halogenetos LUMO 0 HOMO -2 LUMO LUMO -4 LUMO -6 LUMO -8 Ácido (Ac) Base (B) AE= ELUMO PI= EHOMO n = PI-AE / 2 s = n -10 HOMO -12 HOMO -14 HOMO -16 -18 -20 HOMO F n=7 Cl 4,7 Br 4,2 3,7 I