A quinona, \mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{4} \mathrm{O}_{2}, 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 \mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{4} \mathrm{O}_{2}{ }^{2-}. 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 \mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{4}\mathrm{O}_{2} (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 \mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{4}\mathrm{O}_{2}^{2-} (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 \mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{4}\mathrm{O}_{2} e ânion reduzido \mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{4}\mathrm{O}_{2}^{2-}.
  • 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 ( \mathrm{C}=\mathrm{O}) — são dois carbonilos.
  • Entre esses carbonilos, no anel, há duas duplas \mathrm{C}=\mathrm{C} 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: \mathrm{O}=\mathrm{C}-\mathrm{C}=\mathrm{C}-\mathrm{C}=\mathrm{O} 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 \mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{4}\mathrm{O}_{2}).
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):
\text{carga formal} = V - N_\text{não‑ligantes} - \tfrac{1}{2}N_\text{ligantes}ã
onde V é o número de elétrons de valência do átomo neutro.
Vamos aplicar para os tipos de átomos na quinona:
  1. Oxigênio carbonílico ( \mathrm{O} em \mathrm{C}=\mathrm{O}):
  • V=6 (oxigênio tem 6 elétrons de valência).
  • N_\text{não‑ligantes}=4ã (dois pares livres).
  • N_\text{ligantes}=4 (duas ligações, cada ligação dupla conta como 2 elétrons).
\text{c.f.}(\mathrm{O}) = 6 - 4 - \tfrac{1}{2}(4) = 6 - 4 - 2 = 0.
  1. Carbono carbonílico ( \mathrm{C} em \mathrm{C}=\mathrm{O}):
  • V=4.
  • N_\text{não‑ligantes}=0ã.
  • N_\text{ligantes}=8 (dupla ligação com O = 4 elétrons, mais duas ligações com carbonos vizinhos somando mais 4 elétrons).
\text{c.f.}(\mathrm{C_{=O}}) = 4 - 0 - \tfrac{1}{2}(8) = 4 - 4 = 0.
  1. Carbonos do anel não carbonílicos (com duplas \mathrm{C}=\mathrm{C} e simples):
  • Também têm carga formal zero se cada um aparece com quatro ligações totais (dupla + duas simples ou equivalente).
\text{c.f.}(\mathrm{C_{anel}})=0.
Conclusão do passo: na estrutura de Lewis da quinona neutra todos os átomos têm carga formal igual a 0. 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 \mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{4}\mathrm{O}_{2}^{2-} (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 \mathrm{O}^{-} 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 \mathrm{O}^{-}). Em palavras: o anel torna‑se aromático (sexteto \pi do benzeno), e cada oxigênio é um ânion fenóxido com carga formal -1.
  • Forma B (enolato/enidrato): cada carbonila \mathrm{C}=\mathrm{O} recebe elétrons transformando a ligação \mathrm{C}=\mathrm{O} em \mathrm{C}-\mathrm{O}^{-} (oxigênio com carga -1), 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 -1. Isso corresponde à fórmula \mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{4}(\mathrm{O}^{-})_{2} com as duas cargas somando -2.
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 \mathrm{OH}, temos \mathrm{O}^{-} ligados por ligação simples ao anel.
  • Cada \mathrm{O}^{-} tem três pares não ligantes (seis elétrons não ligantes).

Passo 5

Cálculo das cargas formais no ânion \mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{4}\mathrm{O}_{2}^{2-} (usar a forma fenóxido/aromática).
Aplicando a mesma fórmula de carga formal:
  1. Oxigênio fenóxido (cada \mathrm{O}^{-}):
  • V=6.
  • N_\text{não‑ligantes}=6ã (três pares livres).
  • N_\text{ligantes}=2 (uma ligação simples com o carbono).
\text{c.f.}(\mathrm{O}^{-}) = 6 - 6 - \tfrac{1}{2}(2) = 6 - 6 - 1 = -1.
Ou seja, cada oxigênio tem carga formal -1.
  1. Carbono ligado ao \mathrm{O}^{-} (carbono do anel, agora parte do anel aromático):
  • Tem quatro ligações totais (como num carbono aromático substituído): V=4, N_\text{não‑ligantes}=0ã, N_\text{ligantes}=8 (quatro ligações simples ou combinação equivalente).
\text{c.f.}(\mathrm{C}) = 4 - 0 - \tfrac{1}{2}(8) = 4 - 4 = 0.
  1. Outros carbonos do anel:
  • Também têm carga formal 0 na descrição aromática.
Somando, as duas cargas formais -1 dos oxigênios dão a carga total -2 do ânion. Portanto uma representação apropriada em Lewis coloca -1 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 \mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{4}\mathrm{O}_{2} \to \mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{4}\mathrm{O}_{2}^{2-} (ganho de 2 e−), os elétrons extras acabam principalmente nos oxigênios originalmente carbonílicos. Na transformação ilustrada:
  • Cada \mathrm{C}=\mathrm{O} 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 ( \mathrm{O}^{-}) — 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 -1 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 \mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{4}\mathrm{O}_{2}^{2-} for agitado em meio ácido: quais átomos serão protonados? Explicação de por quê.
  • Em meio ácido há prótons disponíveis ( \mathrm{H}^{+}). 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 \mathrm{O}^{-}, os oxigênios carregam carga formal negativa ( -1) 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 \mathrm{O}^{-} aceitará um próton formando um grupo \mathrm{OH}. Como há duas cargas negativas, a adição de dois prótons converte o ânion dianião em \mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{4}(\mathrm{OH})_{2}, 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 \mathrm{OH} (a hidroquinona).
Observação adicional útil para a prova (resumo prático): se for adicionada apenas 1 equivalente de ácido, um dos \mathrm{O}^{-} será protonado (formando um mono‑fenóxido/um grupo \mathrm{OH} e um \mathrm{O}^{-} 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 ( \mathrm{C}=\mathrm{O}); todos os átomos têm carga formal 0.
Estrutura de Lewis do ânion reduzido \mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{4}\mathrm{O}_{2}^{2-}: anel aromático tipo benzeno com dois substituintes \mathrm{O}^{-} nas posições para (cada oxigênio ligado por ligação simples ao anel e com três pares não ligantes); cargas formais: cada oxigênio \text{c.f.}=-1, todos os carbonos e hidrogênios \text{c.f.}=0 (total -2).
Átomos que sofrem redução: os oxigênios carbonílicos (cada um é reduzido e passa a portar a carga negativa -1; a densidade eletrônica também se delocaliza no anel por ressonância).
Em meio ácido: os oxigênios (os sítios \mathrm{O}^{-}) serão protonados preferencialmente, formando inicialmente espécies mono‑protonadas e, com ácido suficiente, a hidroquinona neutra \mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{4}(\mathrm{OH})_{2}.

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