Mostre todas as estruturas de ressonância possíveis para as espécies químicas abaixo.
OO

Passo 1

O enunciado pede: “Mostre todas as estruturas de ressonância possíveis para a espécie cuja fórmula SMILES é \mathrm{O=C1CCCO1}.”
Informações fornecidas e observações imediatas que vamos usar:
  • A SMILES \mathrm{O=C1CCCO1} 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: \mathrm{O_1 = C_1 - C_2 - C_3 - C_4 - O_5} (o \mathrm{O_1} é o oxigênio carbonílico, \mathrm{C_1} é o carbono carbonílico, e \mathrm{O_5} 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).
  1. Esqueleto e ligações: escrevemos a cadeia do anel (fechada) como \mathrm{O_1=C_1 - C_2 - C_3 - C_4 - O_5} com ligações simples entre os carbonos e entre \mathrm{C_4} e \mathrm{O_5}, e uma ligação dupla entre \mathrm{C_1} e \mathrm{O_1}. Hidrogênios estão implícitos nos carbonos (cada carbono saturado tem suficientes H para completar o octeto).
  2. Pares não ligantes: cada oxigênio tem pares de elétrons não ligantes. Em particular, \mathrm{O_5} (o oxigênio anelar) tem dois pares livres que ficam adjacentes ao carbono carbonílico \mathrm{C_1}. Esses pares são os candidatos a participar de ressonância com a dupla ligação \mathrm{C_1=O_1}.
  3. 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 \mathrm{O_5} está adjacente ao centro carbonílico \mathrm{C_1} que participa de uma ligação dupla com \mathrm{O_1}. Portanto existe a clássica possibilidade de formar uma estrutura canônica onde o par de \mathrm{O_5} forma uma ligação dupla com \mathrm{C_1} enquanto os elétrons da ligação \mathrm{C_1=O_1} migram para \mathrm{O_1}.

Passo 3

Construção da primeira (forma majoritária) estrutura canônica explicada:
  • Forma neutra padrão (forma de Lewis habitual): ligação dupla entre \mathrm{C_1} e \mathrm{O_1}, ligação simples entre \mathrm{C_1} e \mathrm{O_5}. Ambos os oxigênios são neutros. Escrevemos essa forma como
\mathrm{O_1 = C_1 - C_2 - C_3 - C_4 - O_5}
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:
  1. Movimento de elétrons: movemos um par de elétrons não ligantes de \mathrm{O_5} para formar uma ligação dupla entre \mathrm{O_5} e \mathrm{C_1}. Ao mesmo tempo, os elétrons do enlace π da ligação \mathrm{C_1=O_1} deslocam-se para \mathrm{O_1}, gerando um par não ligante extra em \mathrm{O_1}. Em termos de setas de curvatura: seta do par não ligante em \mathrm{O_5} até o \mathrm{C_1}; seta da ligação \mathrm{C_1=O_1} até \mathrm{O_1}.
  2. Estrutura resultante (zwitteriônica): o \mathrm{O_5} agora tem uma ligação dupla com \mathrm{C_1} e perde um par de elétrons, ficando com carga formal positiva; o \mathrm{O_1} recebe o par eletrônico e passa a ter três pares não ligantes e uma ligação simples com \mathrm{C_1}, ficando com carga formal negativa. Escrevemos essa forma como
\mathrm{[\,O_1^- - C_1(=O_5^+) - C_2 - C_3 - C_4\,]}
Aqui as ligações implicadas são: \mathrm{C_1 - O_1} é simples e \mathrm{C_1 = O_5} é dupla; as cargas formais estão indicadas em \mathrm{O_1} (negativa) e em \mathrm{O_5} (positiva).

Passo 5

Cálculo das cargas formais para justificar a atribuição anterior (aula rápida sobre carga formal).
Fórmula da carga formal: \displaystyle \text{CF} = V - (N + B/2), onde V é elétrons de valência do átomo isolado, N são elétrons não-ligantes no átomo na estrutura e B são elétrons em ligações (total de elétrons envolvidos em ligações com esse átomo).
Aplicando aos dois oxigênios na forma zwitteriônica:
  • Para \mathrm{O_1^-} (agora ligado apenas por uma ligação simples a \mathrm{C_1} e com 3 pares não ligantes): V=6, N=6 (3 pares), B=2 (uma ligação → 2 elétrons). Logo \displaystyle \text{CF} = 6 - (6 + 2/2) = 6 - (6 + 1) = -1. Confirma-se carga -1.
  • Para \mathrm{O_5^+} (agora faz uma dupla ligação com \mathrm{C_1} e outra simples com \mathrm{C_4}: total de 3 ligações → 6 elétrons de ligação, e tem 1 par não ligante → 2 elétrons): V=6, N=2, B=6. Logo \displaystyle \text{CF} = 6 - (2 + 6/2) = 6 - (2 + 3) = +1. Confirma-se carga +1.
    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 \mathrm{C_1 - O_5} (aumenta caráter parcial de dupla ligação nessa ligação) e também a maior densidade eletrônica no oxigênio carbonílico ( \mathrm{O_1}) — 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 \mathrm{C_1=O_1} e \mathrm{C_1-O_5} simples, e (ii) a forma zwitteriônica com \mathrm{C_1-O_1^-} e \mathrm{C_1=O_5^+} — são as contribuições canônicas relevantes.

Resposta

\mathrm{O_1 = C_1 - C_2 - C_3 - C_4 - O_5}
\mathrm{[\,O_1^- - C_1(=O_5^+) - C_2 - C_3 - C_4\,]}

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