Quimista com fio

A composição de um composto é dada pela sua fórmula. Se o composto for um composto iônico, ele pode ter apenas uma fórmula. O composto iônico cloreto de magnésio tem a fórmula, MgCl2, que nos diz que o composto consiste de magnésio e cloro e que existem dois átomos de cloro para cada átomo de magnésio. Para o composto covalente benzeno, há uma série de fórmulas. Primeiro, a fórmula empírica CH diz-nos que o composto contém apenas carbono e hidrogénio e que para cada átomo de carbono existe um átomo de hidrogénio. Segundo, a fórmula molecular nos diz quantos de cada tipo de átomo estão presentes em uma molécula. Para o benzeno, a fórmula molecular é C6H6, e portanto há seis átomos de carbono e seis átomos de hidrogênio em uma molécula. Note que a fórmula molecular é sempre um múltiplo da fórmula empírica (6 x CH = C6H6).

Terceiro, quando estamos lidando com moléculas também gostaríamos de saber como os átomos estão dispostos. Isto é representado pela fórmula estrutural. Para uma molécula com seis carbonos e seis hidrogênios, os átomos poderiam ser dispostos da seguinte forma:

Na verdade, há uma série de maneiras nas quais os seis carbonos e seis hidrogênios poderiam ser dispostos, mas quando a estrutura do benzeno foi experimentalmente determinada, verificou-se que os carbonos estavam dispostos em um anel e que um hidrogênio estava ligado a cada carbono:

Pode parecer que agora sabemos tudo o que precisamos sobre a estrutura do benzeno. Se você pensar sobre a molécula em 3 dimensões, no entanto, você começa a fazer perguntas como: O anel é plano? Quais são os ângulos entre as ligações carbono-carbono? O anel é um hexágono perfeito? Estas perguntas podem ser respondidas por técnicas experimentais como a difração de raios X, e as respostas podem ser dadas como uma série de ângulos de ligação e comprimentos. Geralmente é mais conveniente transmitir a informação como uma espécie de fórmula estrutural tridimensional. As fórmulas tridimensionais geralmente tomam uma das três formas: a) fórmulas estruturais desenhadas para dar uma visão tridimensional, b) desenho gerado por computador, usado especificamente por cristalografos de raios X e normalmente chamado de diagramas ORTEP, e c) modelos moleculares, geralmente gerados por computador. A Figura 27 mostra uma fórmula estrutural tridimensional do benzeno e do aminoácido, alanina.

Figure 27. Fórmulas tridimensionais para benzeno (modelo de computador) e alanina (cunha e linha)

Nota que uma cunha é usada para indicar que o grupo se estende para fora do plano da página em direção ao leitor, uma linha sólida para indicar um grupo no plano do papel, e uma linha pontilhada (ou cunha invertida) para indicar um grupo atrás do plano do papel. Quando discutirmos a estrutura na próxima secção, a razão para o uso destes dispositivos tornar-se-á mais clara. A figura 28 mostra um modelo de bola e bastão e um modelo de preenchimento de espaço para alanine.

Figure 28. Modelos de alanina.

As fórmulas estruturais dos compostos orgânicos podem ser particularmente incómodas. Considere o composto 3-octeno que tem a fórmula molecular C8H16. A Figura 29 mostra uma série de formas de escrever a fórmula estrutural do 3-octeno. Em parte (a) todas as ligações entre os hidrogênios e os carbonos são escritas. Esta fórmula mostra que o terceiro carbono tem uma ligação dupla que o une ao carbono adjacente. A fórmula é na verdade uma fórmula de pontos de elétron, que discutiremos a seguir, mas também mostra claramente quais átomos estão ligados uns aos outros. Em parte (b), a fórmula estrutural é um pouco condensada ao colocar os átomos juntos em grupos. Por exemplo, o grupo CH3 designa três hidrogênios ligados a um carbono. Este grupo também pode ser escrito como H3C. Em parte (c), a fórmula estrutural é ainda mais condensada omitindo os átomos de carbono e hidrogênio. Este tipo de fórmula de linha é freqüentemente usada por químicos orgânicos devido à complexidade das fórmulas de muitos compostos orgânicos.

Figure 29. Fórmulas para 3-octene.

Fórmulas para 3-octene.

Porque este tipo de fórmula é um pouco invulgar, consideremos vários exemplos simples. O álcool isopropílico composto (álcool de friccionar) tem a fórmula (CH3)2CHOH, que deve ser interpretada como significando que dois grupos metilo, um hidrogênio e um OH estão ligados a um carbono:

Na notação de fórmula da linha, o álcool isopropílico seria escrito:

Presume-se que o leitor irá reconhecer que a terminação de cada linha e a junção de uma linha com outra representa um carbono e hidrógenos suficientes para fornecer quatro ligações em torno de cada carbono.

Outro exemplo é o acetato de etilo composto, que tem a fórmula CH3COOCH2CH3. Este composto contém o grupo carboxilo (COO) que tem um oxigénio duplamente ligado ao carbono enquanto o outro oxigénio está ligado individualmente ao carbono. Assim, a fórmula estrutural completa mostrando todas as ligações é:

A fórmula condensada é:

e a fórmula da linha é:

Nobel laureado, Roald Hoffmann, um químico físico com interesse em diversos tópicos, diz das ilustrações, “O que são esses desenhos curiosos, preenchendo as páginas de um artigo científico? Eu agora faço a pergunta do ponto de vista de um artista ou desenhista. Eles não são projeções isométricas, certamente não são fotografias. No entanto, são obviamente tentativas de representar em duas dimensões um objeto tridimensional com o propósito de comunicar sua essência a algum leitor remoto.

“É fascinante ver as estruturas químicas nas páginas de cada revista e perceber que a partir de informações tão mínimas as pessoas podem realmente ver moléculas nos olhos de sua mente. As pistas para a tridimensionalidade são mínimas. As moléculas flutuam (veja abaixo), e você geralmente é desencorajado de colocar um conjunto de planos de referência para ajudá-lo a vê-las (centro).

“Alguns químicos dependem tanto do código que não desenham norbornano como no lado esquerdo da ilustração acima, mas como no lado direito. Qual é a diferença? Uma linha “cruzada” em vez de “quebrada”. …

“As políticas das revistas, suas limitações econômicas, e a tecnologia disponível colocam restrições não só no que é impresso, mas também na forma como pensamos sobre as moléculas. Pegue norbornane (veja abaixo). Até cerca de 1950 nenhuma revista no mundo estava preparada para reproduzir esta estrutura como mostrado abaixo à direita. Em vez disso você viu na revista como ilustrado à esquerda.

Agora todos sabiam desde 1874 que o carbono é tetraédrico, o que significa que as quatro ligações com ele são formadas ao longo das quatro direções irradiando do centro de um tetraedro para seus vértices. Os modelos moleculares estavam disponíveis ou podiam ser construídos com relativa facilidade. No entanto, suspeito que o ícone do norbornano que um químico típico tinha em sua mente por volta de 1925 era o da esquerda, não o da direita. Ele foi condicionado pelo que viu num diário ou num livro de texto – uma imagem, e uma plana, por exemplo. Ele poderia ter sido – penso que muitas vezes ele foi – adorado para agir (ao sintetizar uma derivada desta molécula, por exemplo) por aquela imagem bidimensional irrealista*.”

*Roald Hoffmann, The Same and Not the Same, Columbia University Press, New York, 1995, página 76-78.