A quinona,
, é uma molécula orgânica cuja estrutura é formada por um sistema cíclico composto por seis átomos de carbono com os dois átomos de oxigênio em relação “para”. Dê a estrutura de Lewis e cargas formais para esta molécula. A quinona pode ser reduzida ao ânion
. Dê a estrutura de Lewis e cargas formais para este produto de redução. Quais átomos sofrem redução neste ânion? Se o produto da redução for submetido à agitação em meio ácido, quais átomos serão protonados? Explique.
Passo 1
O enunciado pede as seguintes coisas, de forma separada e clara:
- Dar a estrutura de Lewis da quinona
(a quinona para, isto é, p-benzoquinona) e calcular as cargas formais dos átomos nessa estrutura. - Dar a estrutura de Lewis do produto de redução
(dois elétrons adicionados, sem prótons inicialmente) e as cargas formais correspondentes. - Dizer quais átomos sofrem redução (ou seja, quais átomos ganham elétrons / têm mudança de estado de oxidação) ao formar esse ânion.
- Explicar, se esse ânion for colocado em meio ácido (agitado em meio ácido), quais átomos serão protonados e por quê.
Informações relevantes que já temos (do enunciado):
- Fórmulas moleculares: quinona neutra
e ânion reduzido . - A quinona é a para‑quinona (os dois O na posição para no anel aromático).
A partir daqui eu vou desenhar as estruturas de Lewis (descrever explicitamente ligações e pares de elétrons), calcular cargas formais com a fórmula usual e explicar com calma onde os elétrons vão e o motivo químico (resonância, aromaticidade, basicidade) para a protonação.
Passo 2
Desenho e descrição da estrutura de Lewis da quinona neutra (p‑benzoquinona).
Descrição verbal da estrutura (modo de escrever que dá a mesma informação do desenho de Lewis):
- Anel de seis carbonos dispostos ciclicamente.
- Dois carbonos opostos (posição para) possuem cada um uma dupla ligação com um oxigênio (
) — são dois carbonilos. - Entre esses carbonilos, no anel, há duas duplas
alternadas de modo que a estrutura conjuga ao longo do anel, mas não é aromática típica do benzeno (a quinona perde parte da aromaticidade do benzeno).
Uma maneira compacta de escrever a parte principal (não gráfica) é:
formando um anel, com cada carbono do anel completando quatro ligações (os carbonos que não têm oxigênio têm ligações apropriadas a hidrogênios de acordo com a fórmula
).
Agora os pares de elétrons importantes:
- Cada oxigênio do carbonilo tem dois pares não ligantes (quatro elétrons não ligantes) e participa de uma ligação dupla com o carbono.
- Cada carbono tem ligações suficientes (simples e duplas) para completar quatro ligações químicas.
Passo 3
Cálculo das cargas formais para a quinona neutra — explicando a fórmula usada e cada conta.
Fórmula usada para carga formal (muito usada em Lewis):
onde
é o número de elétrons de valência do átomo neutro.
Vamos aplicar para os tipos de átomos na quinona:
- Oxigênio carbonílico (
em ):
-
(oxigênio tem 6 elétrons de valência). -
(dois pares livres). -
(duas ligações, cada ligação dupla conta como 2 elétrons).
- Carbono carbonílico (
em ):
-
. -
. -
(dupla ligação com O = 4 elétrons, mais duas ligações com carbonos vizinhos somando mais 4 elétrons).
- Carbonos do anel não carbonílicos (com duplas
e simples):
- Também têm carga formal zero se cada um aparece com quatro ligações totais (dupla + duas simples ou equivalente).
Conclusão do passo: na estrutura de Lewis da quinona neutra todos os átomos têm carga formal igual a
. Assim a descrição usual da quinona como uma molécula neutra com carbonilos é consistente com cargas formais zero.
Passo 4
Desenho e argumentos para a estrutura de Lewis do ânion
(redução por dois elétrons, sem prótons).
Quais possibilidades há? Ao adicionar dois elétrons à quinona, os elétrons adicionais tendem a se localizar onde há orbitais deslocalizados e mais eletroafinidade — nos oxigênios carbonílicos e no sistema conjugado. Existem duas descrições úteis (resonância) do ânion reduzido:
-
Forma A (fenóxido aromático): o anel recupera aromaticidade do tipo benzeno e cada oxigênio fica como um substituinte
ligado ao anel por ligação simples. Esta forma é equivalente ao dianion da hidroquinona (ou seja, à dioxidantra forma onde ambas as posições para têm grupos ). Em palavras: o anel torna‑se aromático (sexteto do benzeno), e cada oxigênio é um ânion fenóxido com carga formal . -
Forma B (enolato/enidrato): cada carbonila
recebe elétrons transformando a ligação em (oxigênio com carga ), e as duplas do anel reorganizam; há ressonância entre essas formas e elas estabilizam o dianion.
Em resumo prático (a forma mais estável e muito utilizada para representar o produto de redução antes de protonação) é o dianion do tipo dois fenóxidos para‑dispostos: o anel é aromático e cada oxigênio carrega uma carga formal
. Isso corresponde à fórmula
com as duas cargas somando
.
Vou descrever a estrutura de Lewis dessa forma (A), mais fácil de visualizar e que representa a estabilidade por aromaticidade:
- Anel de seis carbonos com ligações alternadas como em um benzeno (aromático).
- Em duas posições opostas, em vez de
, temos ligados por ligação simples ao anel. - Cada
tem três pares não ligantes (seis elétrons não ligantes).
Passo 5
Cálculo das cargas formais no ânion
(usar a forma fenóxido/aromática).
Aplicando a mesma fórmula de carga formal:
- Oxigênio fenóxido (cada
):
-
. -
(três pares livres). -
(uma ligação simples com o carbono).
Ou seja, cada oxigênio tem carga formal
.
- Carbono ligado ao
(carbono do anel, agora parte do anel aromático):
- Tem quatro ligações totais (como num carbono aromático substituído):
, , (quatro ligações simples ou combinação equivalente).
- Outros carbonos do anel:
- Também têm carga formal
na descrição aromática.
Somando, as duas cargas formais
dos oxigênios dão a carga total
do ânion. Portanto uma representação apropriada em Lewis coloca
em cada oxigênio e zero nos demais átomos.
Passo 6
Qual(is) átomo(s) sofrem redução — interpretação química clara e linguagem simples.
Definição química prática: redução é ganho de elétrons por um átomo ou grupo. No processo
(ganho de 2 e−), os elétrons extras acabam principalmente nos oxigênios originalmente carbonílicos. Na transformação ilustrada:
- Cada
recebe um elétron extra (no conjunto de dois elétrons para as duas carbonilas), de modo que os oxigênios passam de estado neutro (carbonila) para um oxigênio com carga negativa ( ) — portanto, são os oxigênios que são diretamente reduzidos (cada um recebe essencialmente um elétron a mais na representação de Lewis). - Consequência: os carbonos ligados a esses oxigênios também têm alteração na densidade eletrônica (ficam menos eletrófilos), mas a mudança formal de carga concentra‑se nos oxigênios.
Em termos simples e direto: os átomos que sofrem redução são os oxigênios (os carbonílicos) — eles ganham densidade eletrônica e acabam com cargas formais
cada um no dianion. Há delocalização de carga (ressonância) que espalha parte dessa densidade pelo anel, mas o local inicial e principal do ganho de elétrons são os oxigênios.
Passo 7
Se o ânion
for agitado em meio ácido: quais átomos serão protonados? Explicação de por quê.
- Em meio ácido há prótons disponíveis (
). Os sítios preferenciais de protonação são aqueles com alta densidade eletrônica e com maior basicidade (capacidade/afinidade para aceitar um próton). - No dianion representado como dois fenóxidos
, os oxigênios carregam carga formal negativa ( ) e têm pares de elétrons não ligantes abundantes — portanto são os sítios mais básicos e mais nucleofílicos da molécula. Assim, o primeiro evento ao adicionar ácido é a protonação desses oxigênios. - Cada
aceitará um próton formando um grupo . Como há duas cargas negativas, a adição de dois prótons converte o ânion dianião em , que é a hidroquinona (benzeno-1,4-diol, também chamada para‑hidroquinona). - Protonar carbono do anel é muito menos favorável inicialmente porque:
- Protonação em carbono quebra a aromaticidade (custa muita energia).
- Carbonos do anel não têm pares não ligantes bem disponíveis como os oxigênios.
- Portanto, termodinamicamente e cineticamente, protonação no oxigênio é muito mais fácil/rápida.
Conclusão: em meio ácido, os átomos que serão protonados primeiro são os oxigênios com carga negativa, resultando na formação de grupos
(a hidroquinona).
Observação adicional útil para a prova (resumo prático): se for adicionada apenas 1 equivalente de ácido, um dos
será protonado (formando um mono‑fenóxido/um grupo
e um
remanescente); com 2 equivalentes de ácido obtém‑se a hidroquinona neutra. Protonação em outros átomos (carbono) só ocorre sob condições muito extremes e destruiria a aromaticidade.
Resposta
Estrutura de Lewis da quinona neutra: anel de seis carbonos com dois carbonilos opostos (
); todos os átomos têm carga formal
.
Estrutura de Lewis do ânion reduzido
: anel aromático tipo benzeno com dois substituintes
nas posições para (cada oxigênio ligado por ligação simples ao anel e com três pares não ligantes); cargas formais: cada oxigênio
, todos os carbonos e hidrogênios
(total
).
Átomos que sofrem redução: os oxigênios carbonílicos (cada um é reduzido e passa a portar a carga negativa
; a densidade eletrônica também se delocaliza no anel por ressonância).
Em meio ácido: os oxigênios (os sítios
) serão protonados preferencialmente, formando inicialmente espécies mono‑protonadas e, com ácido suficiente, a hidroquinona neutra
.