Assim como também ocorre entre os ligantes do carbono da carboxila (COOH), que também forma uma estrutura planar.
Acetona e o Formaldeído são as formas mais simples de cetonas e aldeídos respectivamente e seus grupos carbonilas formam partes planas nas moléculas, onde o oxigênio sendo bem mais eletronegativo que o carbono, puxa os elétrons para ele polarizando a molécula.
Essa ligação do grupo carbonila portanto tem um momento de dipolo alto cerca de 2,3 a 2,8 D, o que mostra como os elétrons, principalmente da ligação pi que são mais móveis, são compartilhados de maneira bem diferente entre esses dois átomos (C=O).
Então essa molécula estando polarizada bem nessa parte planar, o carbono estando mais positivo, a torna um ótimo local de atração e ligação para outras moléculas negativas (nucleófilos).
Sendo esse carbono positivo nessa estrutura planar um local de fácil acesso, então grupos carbonilas são muito reativos em reações desse tipo, onde o grupo carbonila age como ácido de Lewis e o nucleófilo age como base de Lewis.
* Ácido de Lewis: Molécula que aceita receber elétrons.
* Base de Lewis: Molécula que pode doar elétrons.
Acima tem uma estrutura do ácido acético (ácido etanóico) em sua forma sem o hidrogênio onde passa a haver uma ressonância entre a dupla com os oxigênios, dividindo a carga negativa entre os dois átomos de O, estabilizando mais a molécula.
No entanto estruturas com o grupo carboxila não são tão reativos quanto o grupo carbonila mesmo sendo estruturas planares com ligações entre o carbono e oxigênio que deixam a molécula polarizada.
Mas a menor reatividade desse grupo para esse tipo de ligação diz respeito exatamente à polarização do carbono e não à estrutura que é planar igualmente a carbonila.
O carbono tem seus elétrons atraídos por um oxigênio, porém por ficar mais positivo, a densidade negativa do outro oxigênio ligante desse carbono é mais alta que a dele, então os elétrons desse outro oxigênio passam a ser atraídos pelo carbono.
Anulando sua carga positiva quase totalmente e causando o efeito de ressonância entre os elétrons da ligação pi desses oxigênios com o carbono (em casos de sais de ácidos carboxílicos, como o sal do ácido acético na figura acima, a carga positiva do carbono é totalmente anulada).
- Então a ordem de reatividade para adições nucleofílicas é:
Aldeídos (onde um dos ligantes do carbono positivo é somente um hidrogênio, então pouquíssimo da carga positiva adiquirida pelo carbono consegue ser anulada) > Cetona > Anidridos > Ácidos Carboxílicos > Ésteres (o oxigênio ligado ainda em um grupo alquila tem maior densidade de elétrons para anular a carga positiva -parte reativa- do carbono) > Amidas (o nitrogênio por ser menos eletronegativo que o oxigênio tem seus elétrons mais soltos para anular a carga positiva do carbono) > Sais de Ácidos Carboxílicos.
* Fila de eletronegatividade: FONClBrISCPH
Anidrido:
Os aldeídos ainda são mais reativos que as cetonas inclusive pelo menor impedimento estéreo na hora que um nucleófilo ataca o carbono positivo.
Forma-se um estado de transição com geometria tetraédrica (estrutura que o resultante também irá ficar), então quanto maior os grupos ligados ao carbono, maior é a oposição desses ligantes à aglomeração formada no estado de transição forçando a entrada de um novo ligante nesse carbono.
- Por isso a ordem de reatividade entre aldeídos seria entre esses três por exemplo:
Propanal > 2 - metil - propanal > 2, 2 - dimetil - propanal
- Considerando-se também o efeito indutivo que os aldeídos e cetonas podem sofrer teremos a ordem de reatividade por exemplo:
2 - nitro - etanal > 2 - hidroxi - etanal > etanal (ou acetoaldeído)
Quanto mais forte for o poder do radical em atrair elétrons do carbono do grupo carbonila, maior será a reatividade dessa molécula em sofrer a adição nucleofílica.
Tendo esses grupos fornecido um centro (carbono positivo) onde pode ocorrer a adição nucleofílica, ela ocorre pela capacidade do oxigênio suportar carregar a carga negativa que adquire ao perder sua dupla com o carbono e ficar com todos os elétrons da ligação pi.
Com aldeídos pode ocorrer por reação com álcoois em meios ácidos para formar acetais.
* Acetal:
É toda molécula que apresenta átomo de carbono ligado a dois átomos de oxigênio e esses átomos de oxigênio estão ligados também a outros carbonos podendo ser grupos alquilas ou grupos arila (aneis aromáticos).
Tem estrutura de éteres e portanto como eles possuem estabilidade em meio básico, mas são quebrados em meio ácido.
O que os distigue dos éteres é a extrema facilidade que têm de serem cindidos nos devidos álcoois e aldeído que os originaram quando estão em presença de ácidos minerais, mesmo a temperaturas ordinárias.
Em meio ácido ocorre então o mecanismo de hidrólise que é exatamente o inverso do seu mecanismo de formação, por isso que deve-se na reação de formação de acetais utilizar ácido anidro e a água a medida que for sendo formada deve ser removida.
O que normalmente é feito pela utilização de um azeótropo (uma mistura de duas ou mais substâncias que possui o ponto de ebulição fixo para a mistura, agindo como se fosse uma substância e não uma mistura).
Quando um aldeído reage com um álcool (o que pode ocorrer quando colocados em meio ácido) o produto final formado é um acetal (éter). Passando por uma etapa anterior de formação do hemiacetal que é um álcool (age como um álcool por mais que tenha uma parte que é um grupo funcional éter).
Nornalmente é utilizado uma pequena quantidade de ácido anidro, comumente o HCl.
Então a reação ocorre pela adição da molécula nucleofílica do álcool ao grupo carbonila dos aldeídos.
Formando os hemiacetais que são simultaneamente éteres e álcoois (hemiacetais são muito instáveis e por isso dificilmente são isolados).
Porém a reação do hemiacetal à acetal, não é mais uma adição.
É uma reação de formação de éteres por substituição de primeira ordem.
Ocorre uma protonação do (-OH) grupo hidroxila do hemiacetal (pois essa molécula age como álcool), liberando H2O e podendo assim reagir com o álcool reagente novamente, que está presente na mistura.
- Assim o passo 1 é a formação do íon no hemiacetal, resultando em um carbocátion:
- O passo 2 é a combinação dessa molécula protonada formada a partir do hemiacetal com a parte nucleofílica do álcool formando um acetal protonado:
Com a rápida subsequente perda desse próton para o meio.
Um outro exemplo de reação de adição nucleófila é a que ocorre na reação de saponificação.
Porém dessa vez quem sofre a adição é um éster quando é misturado em uma base inorgânica forte (hidróxidos ligados em metais da família 1A ou 2A).