Revisão sobre Aromaticidade

Revisão sobre Aromaticidade

(Parte 1 de 5)

Quim. Nova, Vol. XY, No. 0, 1-14, 20_ Revisão

*e-mail: caramori@iq.usp.br

Giovanni Finoto Caramori* Departamento de Química, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas, Universidade Federal de Santa Catarina, 88040-900 Florianópolis - SC, Brasil Kleber Thiago de Oliveira Centro de Ciências Naturais e Humanas, Universidade Federal do ABC, R. Santa Adélia 166, 09210-170 Santo André - SP, Brasil

Recebido em 4/8/08; aceito em 26/2/09; publicado na web em 28/7/09

AROMATICITY: HISTORICAL EVOLUTION OF THE CONCEPT AND QUANTITATIVE CRITERIA. In this paper the evolution of the concept of aromaticity is discussed. It considers not only historical aspects of the aromaticity concept but also the different criteria (theoretical and experimental) that have appeared to explain the properties of the aromatic compounds. The topics range from the isolation of benzene by Faraday (1825) until the modern criteria based on geometries, magnetic properties, resonance energy (RE), aromatic stabilization energy (ASE), topological analyses, and others. A chronological separation of issues concerning aromaticity was made, splitting the definitions before and after the appearance of the quantum chemistry. This work reviews the concept of aromaticity.

Keywords: aromaticity concept; historic evolution; quantitative indexes.

Alguns registros históricos indicam que a palavra “aromático” começou a ser utilizada por volta de 1800 para classificar as substâncias e os óleos essenciais provenientes de algumas plantas de utilidade medicinal.1 Entretanto, o termo “aromático” só foi utilizado pela primeira vez na literatura em 1855 por Hofmann2 em seu trabalho com ácidos orgânicos. Desde então, os termos aromaticidade/ aromático têm sido encontrados em inúmeros trabalhos, tornando-se um dos mais recorrentes da química moderna.3,4,5,6,7,8,9 Por exemplo, a realização de uma busca pelas palavras aromaticidade e aromático junto ao sítio Web-of-Science,10 revelou que entre 2005 e 2007 foram publicados mais de 24 trabalhos/dia na literatura geral sendo mais de 15 trabalhos/dia somente na área de química. Nesta busca, foi considerada a localização destes termos em qualquer local do texto. Além disso, revistas renomadas como o Chemical Reviews e o Physical Chemistry Chemical Physics já dedicaram alguns de seus fascículos especialmente à aromaticidade e temas relacionados.1

Ao longo da história da química foram realizadas inúmeras tentativas de explicar o fenômeno da aromaticidade, no entanto, grande parte destes esforços acabaram sendo questionados ou complementados por contra-argumentos, a exemplo de tantas outras situações na história das ciências. Pode-se assim dizer que o fenômeno da aromaticidade é de fato complexo e multidimensional, ou seja, apesar de não ser uma observável física, pode ser caracterizado através de diferentes critérios (geométricos, energéticos, magnéticos e topológicos) que apresentam certo grau de correlação.1 A classificação dos compostos em aromáticos ou não-aromáticos e a quantificação de suas propriedades físicas e químicas podem ser consideradas como um dos grandes impasses travados ao longo da história da química.

Em 1960, durante a Conferência de Jerusalém,1 chegou-se a um consenso de que os compostos aromáticos deveriam ser planares, cíclicos e possuir um sistema de elétrons π deslocalizados; esta deslocalização seria manifestada por algumas características moleculares típicas, como aumento da estabilidade termodinâmica em comparação com os análogos não cíclicos, equalização dos comprimentos de ligação, propriedades magnéticas associadas com a indução de corrente cíclica de elétrons π, quando a molécula é exposta a campo magnético externo e, tendência de manter a estrutura π, e com isso realizar preferencialmente reações de substituição.1 Estas foram algumas premissas para classificar os compostos aromáticos. No entanto, ainda hoje é cada vez mais comum o surgimento de novas propostas para a avaliação da aromaticidade nos sistemas moleculares orgânicos e organometálicos. Podemos nos perguntar: Por que os compostos aromáticos despertam tanto interesse e curiosidade de pesquisadores no mundo todo? O que os tornam, de fato, tão interessantes? Quais propriedades devem ser destacadas? Qual a melhor maneira para classificar um composto em aromático, não-aromático ou antiaromático?

Do ponto de vista da ocorrência de compostos aromáticos na natureza chegamos à conclusão de que há milhares de estruturas orgânicas de origem natural que contêm núcleos aromáticos e que apresentam atividades biológicas significativas, justificando, portanto, o tamanho interesse por esses compostos. Um exemplo é o da aspirina,12 sintetizada através de uma derivatização simples do ácido salicílico, que é de origem natural. No entanto, é evidente que o interesse dos químicos pelos compostos aromáticos vai além das suas ocorrências naturais. As peculiaridades das estruturas eletrônicas destes compostos despertaram e ainda despertam o interesse dos químicos das mais variadas áreas. Deve-se ainda destacar o papel dos compostos aromáticos, particularmente o benzeno, no desenvolvimento do próprio conceito de estrutura química. Do ponto de vista da química quântica, os compostos aromáticos apresentam-se como estruturas muito promissoras para o desenvolvimento de novos modelos computacionais. Por outro lado, na química preparativa e farmacêutica os interesses são os mais variados, dada a grande aplica- bilidade de compostos como flavonoides, 13,14 alcaloides, 15,16 porfirinas, ftalocianinas e outros derivados aromáticos.17,18,19,20,21

A proposta deste trabalho é apresentar uma revisão do desenvolvimento histórico dos termos aromático/aromaticidade ao longo da história da química e das várias idéias qualitativas, que surgiram com a finalidade de explicar o comportamento diferenciado dessa classe de compostos. Também serão apresentados os principais critérios quantitativos empregados na atualidade, que se baseiam nas propriedades acima mencionadas e onde os mesmos se aplicam. Este trabalho não busca esgotar o assunto, mas expor o leitor às várias estratégias utilizadas para caracterizar a aromaticidade, e mostrar que a aroma-

Caramori et al.2Quim. Nova ticidade vai muito além do que é apresentado em livros didáticos, principalmente os de graduação, que expõem o assunto de maneira restrita e simplista, de modo que muitas pessoas ainda associam a aromaticidade apenas às regras de Hückel. É importante frisar que a aromaticidade não é uma propriedade exclusiva de sistemas ditos usuais, ou seja, sistemas cíclicos conjugados que exibem deslocalização de elétrons π, mas também é considerada para sistemas ditos não convencionais como, por exemplo, os compostos inorgânicos, 2,23 óxidos de metais de transição,24 clusters metálicos,25,26 quelatos de metalociclos, 27 cátions de adamantonodiil, 28 dentre outros. Com isso, houve uma proliferação dos tipos de aromaticidade, tais como homoaromaticidade, quasi-aromaticidade, aromaticidade de Möbius, aromaticidade-σ, aromaticidade local, aromaticidade-3D, aromaticidade esférica, metalo-aromaticidade, dentre outros. Maiores detalhes sobre os vários tipos de aromaticidade em sistemas não usuais podem ser encontrados num excelente artigo de revisão de Tsipis. 29 Portanto, através da presente revisão, pretende-se mostrar que aromaticidade ainda é um tema atual, muito discutido na literatura e sobre o qual muitos pesquisadores voltam suas atenções e esforços.

Historicamente (1800) o odor das substâncias foi considerado como primeiro critério utilizado para classificá-las como aromáticas ou não; surgia então o primeiro critério qualitativo de aromaticidade que era associado ao odor de determinadas substâncias. Muitas destas substâncias, como vanilina, anetol, dentre outras (Figura 1), de fato possuem estrutura aromática (isto porque suas estruturas são hoje muito bem conhecidas), mas na época não se tinha sequer uma idéia bem definida de estrutura química. Já nesta época este critério conduziu a alguns enganos (como no caso do (-)-mentol da Figura 1) dentro do que se define atualmente como compostos aromáticos.

Alguns anos depois (1825) Michael Faraday isolou pela primeira vez o benzeno, um composto que é inegavelmente um marco na histó- ria da aromaticidade. 30 Nesta preparação, Faraday, famoso pelos seus estudos sobre eletromagnetismo, 31 realizou a pirólise de óleo de baleia, que produzia “gás de iluminação”, acetileno, que após ser submetido a forte compressão originava o benzeno (Esquema 1).

Em 1834, Eilhard Mitscherlich também realizou uma síntese do benzeno partindo do ácido benzóico.32 Nesta preparação, o aquecimento de ácido benzóico na presença de “cal virgem” produziu o benzeno (destilado do meio reacional) e carbonato de cálcio – calcário (Esquema 2).

Pouco tempo depois (1845) Mansfield trabalhando sob a orientação de Hofmann também isolou o benzeno a partir do alcatrão de hulha, procedimento que mais tarde foi otimizado e possibilitou a primeira produção industrial de benzeno.1,3 Nesta época, as idéias relacionadas à estrutura deste composto foram sendo aprimoradas e a fórmula C6H6 já era conhecida, no entanto, havia ainda muitas dúvidas sobre a estrutura do benzeno.

Com a idéia atual de estrutura química, seria possível escrever algo em torno de 200 isômeros do benzeno (alguns exemplos – Figura 2), 34 contudo, este era mais um problema da época (início do século XIX); nada se sabia acerca das múltiplas ligações carbono-carbono e nem mesmo se tinha uma idéia bem formulada sobre as estruturas químicas.

Por volta da metade do século XIX alguns químicos considerados “estruturalistas” começaram a sugerir algumas propostas para a estrutura de benzeno como a de Loschmidt (1861), 1,35 Laden-

Bayer(1887)1,41 sendo algumas delas quase ao mesmo tempo que a de Kekulé42,43,4 (1865), que seria a mais próxima da real estrutura do benzeno (Figura 3).

Kekulé propôs inicialmente que as duas formas do tipo ciclohexatrieno existiam na forma de equilíbrio, ou seja, duas estruturas químicas distintas e presentes em quantidades iguais. Justiça seja feita, a proposta dele foi uma revolução para a época, tanto do ponto de vista da real estrutura do benzeno, quanto do conceito de estrutura química. A idéia de estruturas ressonantes foi desenvolvida posteriormente.

Sobre as bases científicas de Kekulé há muita história para ser contada.45,46

“...Estava sentado escrevendo meu manual, mas o trabalho não progredia; meus pensamentos estavam dispersos. Virei minha cadeira para a lareira e adormeci. Novamente os átomos saltavam à minha frente. Desta vez os grupos menores permaneciam modestamente no fundo. Meu olho mental, aguçado pelas repetidas visões do gênero, discernia estruturas mais amplas de conformação múltipla; longas fileiras às vezes mais estreitamente encaixadas, todas rodando e torcendo-se em movimentos de cobra. Mas veja só! O que é aquilo? Uma

Figura 1. Reconhecimento de compostos aromáticos apenas pelo odor

Esquema 1. Primeira síntese do benzeno Esquema 2. Síntese de Mitscherlich – benzeno

Figura 2. Alguns possíveis isômeros de benzeno

Aromaticidade – evolução histórica do conceito e critérios quantitativos3Vol. XY, No. 0

da noite tentando estender as consequências da hipótese

das cobras havia agarrado a própria cauda e a forma rodopiava de modo a debochar ante meus olhos. Como se à luz de um relâmpago, despertei; e desta vez, também passei o resto

Devaneios à parte, é evidente que não foi o sonho de Kekulé que o levou a sugerir algo sobre a estrutura do benzeno; pode-se dizer que todo o seu trabalho envolvendo os ácidos benzóico e salicílico foi crucial para a evolução não só da aromaticidade, mas de muitos outros conceitos da química.47

Um ponto interessante da história do benzeno é que nesta época se travava na Europa uma tensa luta entre aqueles que defendiam o estruturalismo e os que repudiavam a idéia de arranjos atômicos, como Herman Kolbe; neste sentido, as idéias de Kekulé foram radicalmente repudiadas, como pode ser visto nos trechos abaixo escritos pelo próprio Kolbe. 47

que está planejada ingenuamenteestou bem convicto para

“A teoria do benzeno de Kekulé, que é muito belamente criada e inventada, mas não descoberta como tudo o que segue dele, mais cedo ou mais tarde será derrubada. Em dez anos estará tão pouco discutida quanto a teoria de Gerhardt, agora ignorado por muitos anos.”…“Os estruturalistas estão de acordo que os arranjos atômicos são invisíveis ao olho físico, mas disseram-me que nós devemos usar o nosso “olho mental”. Tal “visão profética”, não me foi dada.”...“Eu considero a teoria de anel, apenas como o tipo mais avançado de teoria, ela é efêmera entre as hipóteses químicas recentes, e seus princípios podem ser incabíveis e errôneos, sem falar cegar os químicos mais novos”...

Tanto na sua estada em Marburg quanto em Leipzig (Alemanha),

Kolbe foi implacável nas críticas contra Kekulé e estas foram apenas algumas das realizadas entre 1865-1884. 47 Mesmo assim, a idéia de

Kekulé foi sendo reafirmada e em pouco tempo já era aceita por grande parte dos cientistas da época. Kekulé ainda em vida foi recompensado pela sua descoberta tendo recebido, em 1890, uma apreciação hono- rária da Sociedade Alemã de Química. 1,3 Nesta época Kolbe já havia falecido (1884) em Leipzig (para a felicidade de seu ego científico).

Já no início do século X, entendeu-se que não existia nenhum equilíbrio entre as “formas” do benzeno e sim estruturas canônicas de ressonância que perfazem um híbrido (Figura 4).

Pascal, em 1910, 48,49,50 descreveu o conceito da susceptibilidade magnética e constatou que era uma propriedade aditiva dos átomos e das ligações que constituíam as moléculas. Mais tarde, alguns autores51,52 mostraram que os compostos aromáticos possuíam um aumento desta susceptibilidade se comparados aos compostos livres da estabilização aromática. Observou-se que os compostos aromáticos eram diamagnéticos e possuíam uma “exaltação da susceptibilidade magnética”, idéia que é defendida e ampliada até hoje por grandes nomes da química teórica, como Schleyer. 53

Abaixo seguem algumas definições importantes relacionadas a estes conceitos.

Denominam–se diamagnéticas as substâncias que, não possuindo magnetização a campo zero, apresentam uma magnetização contrária a um campo aplicado, ou seja, uma susceptibilidade magnética negativa. Por outro lado, substâncias que não apresentam magnetização espontânea (a campo nulo), mas se magnetizam no mesmo sentido de um campo aplicado, têm uma susceptibilidade magnética positiva, são chamadas paramagnéticas. A molécula de benzeno é invariavelmente um bom exemplo para evidenciar algumas das idéias mencionadas (Figura 5).

Desta maneira, a susceptibilidade magnética pode ser considerada como uma medida do quanto uma corrente eletrônica de anel é capaz de induzir um campo magnético a favor ou contra o campo aplicado. Por isso, compostos aromáticos possuem uma alta susceptibilidade, pois são capazes de induzir campos magnéticos significativos a ponto de interferir nas frequências de ressonância de átomos ligados ao anel aromático. Neste caso, são conhecidos os efeitos de proteção e desproteção de núcleos provocados pelas correntes de anel.

Em 1929 a estrutura do benzeno seria definitivamente comprovada pela obtenção da primeira estrutura de raios-X de um derivado, o hexametilbenzeno.54

Na sequência dos relatos históricos, é importante considerar o ano de 1931 quando Hückel,5,56,57,58 utilizando a teoria de orbitais moleculares esclareceu muitos pontos sobre as estruturas eletrônicas dos compostos orgânicos e de aspectos como a aromaticidade. Hückel mostrou que hidrocarbonetos cíclicos com (4n+2) elétrons π (sendo n um número inteiro) possuíam uma estabilidade extra de energia, isto porque seriam compostos de camada de valência fechada (sem elétrons desemparelhados) – aromáticos (Figura 6).

A teoria de Hückel passou a explicar um grande número de fenômenos, reações e a fazer parte do próprio conceito da aromaticidade. No entanto, para toda regra há uma exceção. Foi verificado que alguns compostos, como os [10]anulenos (Figura 7), possuíam o número adequado de elétrons π, mas não as demais propriedades de um composto aromático (estabilidade, reatividade, propriedades magnéticas típicas e planaridade da molécula). As explicações foram

Figura 3. Propostas para a estrutura do benzeno

Figura 4. Estruturas de ressonância do benzeno e seu híbrido Figura 5. Correntes de anel e linhas de força induzidas no benzeno

Caramori et al.4Quim. Nova baseadas na falta de planaridade dos [10]anulenos, provocada pelas repulsões dos hidrogênios internos destas estruturas. Esta falta de planaridade impedia uma boa conjugação do sistema π, justificando o caráter não aromático dos [10]anulenos.

Na mesma época, surgiram algumas medidas experimentais das “energias de ressonância” ou do ganho de estabilidade conferido aos compostos aromáticos. Pauling (1933)59 e Kistiakowsky (1936)60 calcularam a energia de ressonância do benzeno baseando-se nos calores de hidrogenação de algumas reações. Em seus experimentos foram encontrados valores em torno de 36 kcal/mol (Figura 8).

Estas medidas de calores de formação serviram também para classificar alguns compostos como não aromáticos ou como antiaromáticos. A exemplo dos compostos aromáticos, a não-aromaticidade e a antiaromaticidade representam estados de energia, ou seja, há compostos com uma estabilização extra de energia conferida pelo sistema π de elétrons (aromáticos), outros compostos sem estabilização extra de energia (não-aromáticos) e, finalmente, há também compostos desestabilizados em função de problemas geométricos, torcionais, ou mesmo do sistema π eletrônico (antiaromáticos). Na Figura 9 são mostrados exemplos destes compostos e seus estados de energia relativos.

Na segunda metade do século X, vivia-se um momento marcado por inúmeros avanços da química quântica e, com isso, dos métodos de análise teórica dos sistemas atômicos. Estes avanços estiveram sempre atrelados aos recursos computacionais, mas no final dos anos 60 foram surgindo os primeiros métodos ou critérios teóricos para avaliar a aromaticidade em compostos orgânicos.1 A seguir, serão apresentados alguns dos principais critérios quantitativos utilizados para caracterizar a aromaticidade bem como a evolução deste conceito até o presente momento.

Em um trabalho intitulado “Unicorns in the World of Chemical

Bonding Models” Frenking e Krapp, 61 apresentam alguns “unicórnios”

(figuras míticas dos contos de fadas, cuja forma todos conhecem, mas ninguém nunca os viu) da química, e dentre eles, a aromaticidade se destaca. Apesar dos termos aromaticidade/aromático terem surgido há mais de 150 anos42 e da imensa utilização dos mesmos na literatura,3 ainda não existe uma definição geral, precisa e amplamente aceita para o conceito de aromaticidade, uma vez que o mesmo não é uma observável física.4,42 No entanto, este pode ser amplamente caracterizado por diferentes critérios teóricos, usualmente divididos em três categorias: geométricos, magnéticos e energéticos.

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