Para cada uma das moléculas abaixo indique que orbitais, híbridos ou não, estão envolvidos na formação de cada ligação assinalada. Também indique que tipo de ligação está ocorrendo.
NHSHN

Passo 1

O que o enunciado pede: para cada molécula indicar, para cada ligação assinalada, quais orbitais (híbridos ou não) participam da formação dessa ligação e que tipo de ligação é (sigma, pi, simples, dupla, tripla, etc.).
Informações fornecidas:
  • Foi dada a cadeia por SMILES: \mathrm{CN[C@@H]\text{(C)}CCN=C\text{(C)}C}. A partir desse SMILES (informação extraída do enunciado):
    • A molécula contém uma porção amina secundária (N ligado a um metil e a um carbono quiral) e uma função imina (grupo \mathrm{C}=\mathrm{N}) na extremidade.
    • Não há figura no SMILES indicando quais ligações estão marcadas; portanto vou analisar duas ligações relevantes e típicas de prova nesta molécula: (i) a ligação simples \mathrm{C}-\mathrm{N} entre o carbono metílico inicial e o nitrogênio adjacente; (ii) a ligação dupla \mathrm{C}=\mathrm{N} (imina) na extremidade.
  • Foi fornecida uma imagem (estrutura em cadeia curta) onde aparecem as unidades \mathrm{H}-\mathrm{C}=\mathrm{C}\!-\mathrm{CH}\equiv\mathrm{C}-\mathrm{H} e há duas setas assinalando dois carbonos (uma seta no carbono vinílico da dupla e outra seta no carbono terminal do triplo). Da imagem (informações extraídas):
    • Trata-se de uma estrutura conjugada enino: \mathrm{H}-\mathrm{C}=\mathrm{C}-\mathrm{CH}\equiv\mathrm{C}-\mathrm{H}.
    • As setas assinalam (A) o carbono vinílico na dupla ligação \mathrm{C}=\mathrm{C} à esquerda e (B) o carbono terminal do triplo \mathrm{C}\equiv\mathrm{C} à direita.
Observação sobre minha escolha: como o SMILES não vinha com marcações visuais, escolhi as duas ligações estruturalmente mais significativas nessa molécula (C–N simples inicial e o C=N da imina). Se o professor tivesse marcado outras ligações, o raciocínio abaixo mostra o procedimento e serve para qualquer ligação análoga.

Passo 2

Breve revisão didática (como decidir híbrido e que orbitais se sobrepõem)
  • Regra prática para determinar o híbrido de um átomo de carbono ou nitrogênio: contar as regiões de densidade eletrônica ligadas ao átomo (ligações simples e ligações múltiplas contam cada conjunto sigma como uma região; pares isolados contam também).
    • Se há 4 regiões → híbrido \mathrm{sp}^3 (geometria tetraédrica).
    • Se há 3 regiões → híbrido \mathrm{sp}^2 (geometria trigonal planar).
    • Se há 2 regiões → híbrido \mathrm{sp} (geometria linear).
  • Como as ligações se formam:
    • Cada ligação sigma ( \sigma) resulta do overlap frontal entre dois orbitais (podem ser híbridos ou 1s de H).
    • Cada ligação \pi resulta do overlap lateral entre orbitais p não hibridizados, perpendiculares ao plano das \sigma.
  • Observação sobre nitrogênio: um N ligado a três grupos e possuindo um par livre tende a ser \mathrm{sp}^3 (par em orbital híbrido) se não houver ressonância; se o lone pair estiver conjugado com uma dupla adjacente (ressonância), o N pode ser \mathrm{sp}^2 (par no orbital p ou parcialmente delocalizado).
Vou aplicar estas regras passo a passo às ligações pedidas.

Passo 3

Análise da primeira molécula (SMILES) — ligação 1: ligação simples entre o carbono metílico inicial e o nitrogênio adjacente (ligação \mathrm{CH_3}-\mathrm{N})
  • Identificação dos átomos e suas contagens de regiões de densidade:
    • O carbono metílico inicial (o \mathrm{CH_3} ligado ao N) tem quatro ligações simples (três H e o N) → 4 regiões → híbrido \mathrm{sp}^3.
    • O nitrogênio nessa posição (aquele ligado ao metil e ao carbono quiral) está ligado a dois carbonos e tem um par de elétrons não ligantes → total 3 regiões de densidade → geometria aproximadamente trigonal, portanto tende a ser \mathrm{sp}^3 (o par livre ocupa um orbital híbrido \mathrm{sp}^3 se não há conjugação forte).
  • Orbitais que se sobrepõem para formar a ligação \mathrm{C}-\mathrm{N}:
    • Sigma ( \sigma) da ligação é formado pela sobreposição frontal entre o orbital híbrido \mathrm{sp}^3 do carbono e o orbital híbrido \mathrm{sp}^3 do nitrogênio.
    • Não há \pi nessa ligação (é ligação simples).
  • Observações didáticas e visualização:
    • Pense no orbital \mathrm{sp}^3 do carbono como um “lobinho” direcionado para o átomo N; o orbital \mathrm{sp}^3 do N também aponta para o C; o overlap frontal desses lobos gera a ligação \sigma.
    • O par livre do N ocupa um outro orbital \mathrm{sp}^3 (não usado na ligação), o que explica a geometria e a basicidade do nitrogênio.

Passo 4

Análise da primeira molécula (SMILES) — ligação 2: ligação dupla da imina \mathrm{C}=\mathrm{N}
  • Identificação dos átomos e contagens:
    • O carbono da imina ( \mathrm{C}=\mathrm{N}) está ligado a duas outras coisas (por exemplo, um carbono da cadeia e o N) e participa de uma dupla → 3 regiões → híbrido \mathrm{sp}^2.
    • O nitrogênio da imina está ligado a um carbono por dupla e a outro substituinte (ou tem um par) → também 3 regiões → tende a ser \mathrm{sp}^2. Além disso, o par livre do N em uma imina costuma estar em um orbital \mathrm{sp}^2 ou parcialmente delocalizado, e o N e o C são coplanares.
  • Orbitais envolvidos:
    • A ligação \sigma da dupla \mathrm{C}=\mathrm{N} resulta do overlap frontal entre um orbital híbrido \mathrm{sp}^2 do carbono e um orbital híbrido \mathrm{sp}^2 do nitrogênio: \mathrm{sp}^2(\mathrm{C}) \!-\! \mathrm{sp}^2(\mathrm{N}).
    • A ligação \pi da dupla vem da sobreposição lateral entre orbitais p não hibridizados do carbono e do nitrogênio: p(\mathrm{C}) \parallel p(\mathrm{N}) (os dois p são perpendiculares ao plano definido pelos \mathrm{sp}^2).
  • Tipo de ligação: ligação dupla (uma \sigma + uma \pi), com geometria trigonal planar ao redor do carbono e do nitrogênio da imina.

Passo 5

Análise da imagem (segunda molécula): setas em (A) carbono vinílico da dupla \mathrm{C}=\mathrm{C} (esquerda) e (B) carbono terminal do triplo \mathrm{C}\equiv\mathrm{C} (direita)
A) Carbono vinílico (seta à esquerda, na \mathrm{C}=\mathrm{C}):
  • Contagem de regiões: este carbono está ligado a três grupos (H, outro C da dupla, e próximo C da cadeia) → 3 regiões → híbrido \mathrm{sp}^2.
  • Ligações envolvendo esse carbono:
    • A ligação \sigma da dupla \mathrm{C}=\mathrm{C} é \mathrm{sp}^2(\mathrm{C})\!-\!\mathrm{sp}^2(\mathrm{C}).
    • A ligação \pi da dupla é p(\mathrm{C})\!-\!p(\mathrm{C}) (um único \pi, resultado de overlap lateral de um p em cada carbono).
    • A ligação \mathrm{C}-\mathrm{H} ligada a esse carbono é \mathrm{sp}^2(\mathrm{C})\!-\!1s(\mathrm{H}) (sigma).
  • Tipo de ligação assinalada: se a seta indica o próprio átomo, então as ligações principais desse átomo são: \sigma \mathrm{sp}^2\!-\!\mathrm{sp}^2 (entre carbonos) + \pi p\!-\!p; e \sigma \mathrm{sp}^2\!-\!1s (C–H).
B) Carbono terminal do triplo (seta à direita, na \mathrm{C}\equiv\mathrm{C} terminal)
  • Contagem de regiões: carbono ligado a dois grupos (o outro carbono do triplo e um H) → 2 regiões → híbrido \mathrm{sp}.
  • Ligações envolvendo esse carbono:
    • A ligação sigma do triplo entre os dois carbonos é \mathrm{sp}(\mathrm{C})\!-\!\mathrm{sp}(\mathrm{C}).
    • As duas ligações \pi do triplo vêm de dois conjuntos de orbitais p não hibridizados, perpendiculares entre si: p_x(\mathrm{C})\!-\!p_x(\mathrm{C}) e p_y(\mathrm{C})\!-\!p_y(\mathrm{C}). Assim formam-se duas \pi ortogonais.
    • A ligação C–H terminal é \mathrm{sp}(\mathrm{C})\!-\!1s(\mathrm{H}) (sigma), e como o orbital sp tem maior caráter s, o H ligado a um carbono sp é mais ácido que H ligado a sp2 ou sp3.
  • Tipo de ligação assinalada: tripla \mathrm{C}\equiv\mathrm{C} = uma \sigma sp–sp + duas \pi (p–p) perpendiculares; o C–H terminal é \sigma \mathrm{sp}\!-\!1s.

Passo 6

Resumo conceitual rápido (regras práticas que você pode usar na prova)
  • Conta as “regiões de densidade” ao redor do átomo (ligações sigma e pares isolados). 4 → \mathrm{sp}^3, 3 → \mathrm{sp}^2, 2 → \mathrm{sp}.
  • Ligação simples: sempre formada por um \sigma (overlap de orbitais híbridos ou 1s).
  • Ligação dupla: \sigma (híbrido–híbrido) + \pi (p–p).
  • Ligação tripla: \sigma (sp–sp) + duas \pi (dois pares p–p perpendiculares).
  • Nitrogênio: se ligado por dupla (iminia) tende a ser \mathrm{sp}^2 e participa com orbital p na \pi; se ligado somente por simples e com par livre e sem ressonância, tende a ser \mathrm{sp}^3.

Resposta

Molécula (SMILES) — ligação \mathrm{CH_3}-\mathrm{N}: \mathrm{sp}^3(\mathrm{C})\!-\!\mathrm{sp}^3(\mathrm{N}) formando uma ligação \sigma (ligação simples).
Molécula (SMILES) — ligação \mathrm{C}=\mathrm{N} (imina): \sigma: \mathrm{sp}^2(\mathrm{C})\!-\!\mathrm{sp}^2(\mathrm{N}); \pi: p(\mathrm{C})\!-\!p(\mathrm{N}). Tipo: dupla ( \sigma+\pi).
Molécula da imagem — seta (A), carbono vinílico na \mathrm{C}=\mathrm{C}: \sigma da dupla é \mathrm{sp}^2(\mathrm{C})\!-\!\mathrm{sp}^2(\mathrm{C}); \pi é p\!-\!p. C–H ligado a esse carbono: \mathrm{sp}^2(\mathrm{C})\!-\!1s(\mathrm{H}). Tipo: dupla ( \sigma+\pi).
Molécula da imagem — seta (B), carbono terminal do \mathrm{C}\equiv\mathrm{C}: \sigma do triplo é \mathrm{sp}(\mathrm{C})\!-\!\mathrm{sp}(\mathrm{C}); duas \pi são p\!-\!p perpendiculares. C–H terminal: \mathrm{sp}(\mathrm{C})\!-\!1s(\mathrm{H}). Tipo: tripla (uma \sigma + duas \pi).

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