Mostre todas as estruturas de ressonância possíveis para as espécies químicas abaixo.
Passo 1
O enunciado pede: “Mostre todas as estruturas de ressonância possíveis para a espécie cuja fórmula SMILES é
.”
Informações fornecidas e observações imediatas que vamos usar:
Informações fornecidas e observações imediatas que vamos usar:
- A SMILES
descreve uma lactona de 5 membros (gamma-butyrolactona): é um anel com quatro carbonos e uma oxigênio anelar, e um grupo carbonila ligado a um dos carbonos do anel. - Na sequência dos átomos podemos rotular:
(o é o oxigênio carbonílico, é o carbono carbonílico, e é o oxigênio que faz parte do anel). - O que se pede é listar as estruturas de ressonância (as formas canônicas) que contribuem para a descrição eletrônica dessa molécula.
Passo 2
Desenho da estrutura de Lewis e pares eletrônicos relevantes (passo a passo didático).
- Esqueleto e ligações: escrevemos a cadeia do anel (fechada) como
com ligações simples entre os carbonos e entre e , e uma ligação dupla entre e . Hidrogênios estão implícitos nos carbonos (cada carbono saturado tem suficientes H para completar o octeto). - Pares não ligantes: cada oxigênio tem pares de elétrons não ligantes. Em particular,
(o oxigênio anelar) tem dois pares livres que ficam adjacentes ao carbono carbonílico . Esses pares são os candidatos a participar de ressonância com a dupla ligação . - Regra prática para ressonância: só há possibilidade de ressonância quando um par eletrônico (ou ligação π) está adjacente a outra ligação π ou a um átomo que possa acomodar elétrons — aqui o par livre de
está adjacente ao centro carbonílico que participa de uma ligação dupla com . Portanto existe a clássica possibilidade de formar uma estrutura canônica onde o par de forma uma ligação dupla com enquanto os elétrons da ligação migram para .
Passo 3
Construção da primeira (forma majoritária) estrutura canônica explicada:
- Forma neutra padrão (forma de Lewis habitual): ligação dupla entre
e , ligação simples entre e . Ambos os oxigênios são neutros. Escrevemos essa forma como
Nesta forma, cada átomo tem octeto satisfeito e não há cargas formais. Esta é a forma canônica majoritária (a que domina a descrição eletrônica).
Passo 4
Construção da segunda (forma ressonante importante) estrutura canônica com setas de elétrons descritas:
- Movimento de elétrons: movemos um par de elétrons não ligantes de
para formar uma ligação dupla entre e . Ao mesmo tempo, os elétrons do enlace π da ligação deslocam-se para , gerando um par não ligante extra em . Em termos de setas de curvatura: seta do par não ligante em até o ; seta da ligação até . - Estrutura resultante (zwitteriônica): o
agora tem uma ligação dupla com e perde um par de elétrons, ficando com carga formal positiva; o recebe o par eletrônico e passa a ter três pares não ligantes e uma ligação simples com , ficando com carga formal negativa. Escrevemos essa forma como
Aqui as ligações implicadas são:
é simples e
é dupla; as cargas formais estão indicadas em
(negativa) e em
(positiva).
Passo 5
Cálculo das cargas formais para justificar a atribuição anterior (aula rápida sobre carga formal).
Fórmula da carga formal: , onde
é elétrons de valência do átomo isolado,
são elétrons não-ligantes no átomo na estrutura e
são elétrons em ligações (total de elétrons envolvidos em ligações com esse átomo).
Aplicando aos dois oxigênios na forma zwitteriônica:
Fórmula da carga formal:
Aplicando aos dois oxigênios na forma zwitteriônica:
- Para
(agora ligado apenas por uma ligação simples a e com 3 pares não ligantes): , (3 pares), (uma ligação → 2 elétrons). Logo Confirma-se carga . - Para
(agora faz uma dupla ligação com e outra simples com : total de 3 ligações → 6 elétrons de ligação, e tem 1 par não ligante → 2 elétrons): , , . Logo Confirma-se carga .
Isso mostra que a estrutura alternativa é uma forma zwitteriônica válida: cargas formais opostas localizadas nos oxigênios.
Passo 6
Avaliação relativa de contribuição das formas (por que uma é maior que a outra):
- A forma neutra (Passo 3) é a principal, porque não separa cargas e mantém todos os átomos sem cargas formais; é, em geral, energeticamente mais estável.
- A forma zwitteriônica (Passo 4) é uma contribuição menor, mas importante: ela explica a polarização da ligação
(aumenta caráter parcial de dupla ligação nessa ligação) e também a maior densidade eletrônica no oxigênio carbonílico ( ) — isto é consistente com propriedades experimentais de ésteres/lactonas (caráter parcial de dupla ligação entre o carbono carbonílico e o oxigênio anelar). - Comentário rápido sobre estabilidade: a forma com separação de carga é menos favorável energeticamente, especialmente porque coloca carga positiva num oxigênio (átomo eletronegativo), mas ela ainda é estabilizada por delocalização e deve ser considerada ao descrever ligações e reatividade.
Passo 7
Confirmação de que não existem outras formas relevantes além das duas apresentadas:
- Outras “formas” possíveis seriam apenas variações equivalentes (por exemplo, a mesma troca de elétrons descrita na direção inversa) ou formas com cargas colocadas em carbonos (altamente desfavoráveis, violariam octeto ou gerariam cargas em átomos menos capazes de estabilizá-las). Portanto as duas formas descritas — (i) a forma neutra com
e simples, e (ii) a forma zwitteriônica com e — são as contribuições canônicas relevantes.