Aprendendo um pouco mais sobre química orgânica estrutural usando Avogadro.

O software Avogadro, que é uma das minhas dicas do tópico “início”, é uma ferramenta bastante útil em disciplinas como química orgânica. Vou começar tratando de um caso simples, que será desenhar e minimizar a estrutura do n-butano ou simplesmente butano.

Vamos começar desenhando a molecula sem nenhum conhecimento prévio de química orgânica.

Modelo inicial

Não precisamos de muito conhecimento em química pra concluir que essa configuração para a molécula de butano esta errada. Mas por quê?

Em primeiro lugar os comprimentos de ligação C-C claramente diferem estupidamente uns dos outros, o que não deveria ser observado para uma estrutura desse tipo. Sabemos também, que por fazer apenas ligações simples (tipo sigma), os átomos de carbono deveriam apresentar geometria tetraédrica, idealmente, e não é o que observamos em tal estrutura.

Dentro do Avogadro, existe uma opção : Extensions> Optimize Geometry – para isso vou utilizar os parâmetros do campo de força MMFF94 (Merck Molecular Force Field 94), que é um “campo de força clássico”, onde os átomos e suas ligações químicas são tratados como sistemas do tipo massa mola.

Modelo com geometria optimizada.

A minimização usando o campo MMFF94 proporciona um modelo bastante razoável, Os comprimentos de ligação carbono-carbono estão da ordem de 1.5 Å, e ligações carbono-hidrogênio da ordem de 1.0 Å. Se olharmos agora para os ângulos de ligação dos átomos de carbono, encontraremos todos próximos de 109^o.

Embora nosso o modelo seja bastante razoável do ponte de vista de comprimento de ligações e geometria dos átomos, se rotacionarmos o modelo e olharmos ao longo da ligação simples entre os átomos 2 e 6, veremos que a molécula esta na conformação gauche. O cáculo da energia para esta conformação segundo pro programa foi de -4,292 kcal/mol.

Configuração gouche obtida no processo de minização de energia para a molecula de butano usando MMFF94

Possíveis conformações que o butano pode assumir.

Consultando o livro de Química Orgânica sétima edição - Graham Solomons e Craig Fryhle, a conformação de menor energia, e portanto a mais provável, é a conformação do tipo “Anti”. Sendo assim rotacionei a ligação entre os átomos 2 e 6, de forma que a molécula ficasse próxima a conformação do tipo “Anti” e em seguida apliquei novamente o procedimento de minimização de energia.

Configuração anti, que representa o estado de menor energia pra esta molécula.

Onde a energia calculada pelo programa para esta conformação é de -5,076 kcal/mol. E portanto a diferença de energia entre as duas conformações, |ΔE| = |(E_anti - E_gauche)| = 0,783 kcal/mol. Sendo o valor de referência 0.927 kcal/mol.

Mas por que que quando minimizamos a energia primeiramente não chegamos à conformação de menor energia?

A resposta é razoavelmente simples, basta olharmos para o gráfico de energia em função das possíveis configurações que o butano pode assumir.

Gŕafico de energia em função da rotação simples entre C-C, mostrando as possíveis configurações e suas respectivas energias.Ref; figura extraia de: http://chemistry.umeche.maine.edu/CHY251/Butane.html

Note que os máximos de energia são obtidos quando os átomos estão na forma eclipsada. Sendo que podemos observar para o gráfico três mínimos de energia, dois mínimos locais para as configurações gouche, e um mínimo global para a configuração anti. O processo de minimização como adotamos aqui, converge pra a região de minima energia mais próxima, sendo ela um mínimo local ou mínimo global.