- O etileno e o formaldeído são moléculas isoeletrônicas, porém apresentam propriedades físico-químicas bastante distintas. Explique em termos da teoria de ligação de valência (TLV) e da teoria do orbital molecular (TOM) as suas diferenças em reatividade.
Passo 1
O enunciado diz que etileno e formaldeído são isoeletrônicos, mas têm comportamentos reativos muito diferentes. Vamos usar a teoria de ligação de valência (TLV) para olhar a hibridização e polarização das ligações e a teoria do orbital molecular (TOM) para analisar os orbitais de maior interesse (HOMO e LUMO) e compreender por que o etileno é nucleofílico e o formaldeído é eletrofílico.
Passo 2
Pela TLV, tanto o carbono do etileno quanto o carbono do formaldeído são
-hibridizados, formando três orbitais híbridos coplanares com ângulos de aproximadamente
. No etileno, cada carbono usa dois híbridos
para ligar-se a outros carbons e um para um hidrogênio, sobrando um orbital puro
que gera o vínculo
entre eles. Como os dois átomos de carbono têm eletronegatividades iguais, a ligação
é apolar.
No formaldeído, o carbono liga-se a dois hidrogênios e a um oxigênio, e também há um orbital
não hibridizado formando a ligação
com o oxigênio. Mas como
, a ligação
é fortemente polar, com carga parcial
. Isso já mostra, via TLV, que o carbono do formaldeído será eletrofílico, enquanto a dupla ligação do etileno não apresenta esse caráter polar.
No formaldeído, o carbono
Passo 3
Na TOM, analisamos os orbitais moleculares e seus níveis de energia.
- No etileno, o HOMO é o orbital
de ligação, relativamente alto em energia e uniformemente distribuído nos dois carbonos. Esse orbital tende a doar elétrons, fazendo do etileno um bom nucleófilo em reações de adição eletrofílica. O LUMO é o orbital , de energia bastante elevada, pouco acessível ao ataque de nucleófilos fortes. - No formaldeído, além do LUMO
sobre a ligação , esse orbital é polarizado: há maior coeficiente no átomo de carbono. Isso reduz sua energia relativa, tornando-o facilmente acessível a ataques nucleofílicos. O HOMO é um orbital não ligante (lone pair) localizado no oxigênio, mas o que domina a reatividade típica é o LUMO baixo e polar do carbono, atraindo nucleófilos.
Passo 4
Conectando TLV e TOM à reatividade:
- Etileno reage tipicamente com eletrófilos (
, , etc.), pois seu HOMO doa elétrons, e o LUMO é alto demais para nucleófilos comuns. Por isso vemos reações de polimerização, halogenação e hidratação em presença de ácidos. - Formaldeído sofre adição nucleofílica: nucleófilos atacam o carbono parcialmente positivo do
via seu LUMO de baixa energia e alta densidade no carbono. Exemplos são reações com álcoois (hemiacetais, acetais) e aminas (iminas).
Resposta
Em TLV, a ligação
do etileno é apolar e o carbono é
sem caráter eletrofílico, enquanto a
do formaldeído é polar
. Em TOM, o etileno apresenta HOMO
alto (nucleofílico) e LUMO
muito alto (pouco eletrofílico), ao passo que o formaldeído tem LUMO
relativamente baixo e polarizado no carbono (eletrofílico). Isso explica por que o etileno sofre adição eletrofílica e o formaldeído adição nucleofílica.