USF_DIN_U4_Bases_químicas_dos_medicamentos

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<p>BASES QUÍMICAS DOS</p><p>MEDICAMENTOS</p><p>ROSANA ZANETTI BAÚ</p><p>1</p><p>UNIDADE 4</p><p>DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA</p><p>C</p><p>O</p><p>M</p><p>PE</p><p>TÊ</p><p>N</p><p>C</p><p>IA</p><p>S 01. Definir o significado dos números quânticos e como determiná-los.</p><p>02. Compreender o Diagrama de Linus Pauling e seu uso.</p><p>03. Determinar a configuração eletrônica de um elemento. Encontrar os 4 números</p><p>quânticos de um elemento através de sua configuração eletrônica.</p><p>1. A QUÍMICA NO SÉCULO XXI - A ESPECTROSCOPIA COMO</p><p>FERRAMENTA PARA O DESENVOLVIMENTO DE FÁRMACOS</p><p>A Espectroscopia é um conjunto de várias técnicas que consiste em compreender a</p><p>interação da radiação eletromagnética com a matéria. A literatura científica está repleta</p><p>de pesquisas envolvendo o desenvolvimento de fármacos através delas.</p><p>A Figura 1 apresenta a faixa do espectro eletromagnético que compreende a maior par-</p><p>te das transições de energia observadas. Do lado esquerdo do espectro temos energia</p><p>de alta frequência, os raios-X, capazes de quebrar ligações químicas e do lado direito,</p><p>por sua vez, temos a radiofrequência, uma radiação de baixa energia que afeta apenas</p><p>transições de spin ou eletrônicas dentro das moléculas.</p><p>A Espectroscopia no Infravermelho consiste na quantificação de frequências vibra-</p><p>cionais de estiramento e dobramento das ligações das moléculas covalentes. As liga-</p><p>ções vibram de forma diferente umas das outras e, por isso, podem ser quantizadas.</p><p>Essa técnica mostra grupos orgânicos específicos presentes numa molécula (álcool,</p><p>amida, C=O, C-N, O-H, C=C, anel aromático, aldeído, entre outros).</p><p>2 Bases Químicas dos Medicamentos</p><p>U4 Distribuição Eletrônica</p><p>Figura 01. Faixa do Espectro Eletromagnético que compreende as principais técnicas espectroscópicas</p><p>alta baixaFrequência (ν)</p><p>Energia</p><p>RAIO X ULTRAVIOLETA</p><p>IN</p><p>FR</p><p>AV</p><p>ER</p><p>M</p><p>EL</p><p>HO</p><p>M</p><p>IC</p><p>RO</p><p>ON</p><p>DA</p><p>S</p><p>RA</p><p>DI</p><p>O</p><p>FR</p><p>EQ</p><p>UÊ</p><p>NC</p><p>IA</p><p>alta baixa</p><p>Ultravioleta Visível</p><p>AZUL VERMELHA</p><p>curto</p><p>280 nm 400 nm 800 nm</p><p>2,5 μm 15 μm 1 m 5 m</p><p>longoComponente de onda (λ)</p><p>Infravermelho</p><p>vibracional</p><p>Ressonância</p><p>magnética</p><p>nuclear</p><p>Fonte: PAVIA; LAMPMAN, 2016, p. 16.</p><p>A Espectroscopia no Ultravioleta e na região da luz visível (UV-Vis) se baseia em</p><p>transições eletrônicas de grupos específicos presentes nas moléculas. Ao receberem</p><p>energia proveniente da radiação UV, os elétrons absorvem parte da energia e dão um</p><p>salto quântico para um nível de energia mais alto (orbital de maior energia desocupado).</p><p>Ao retornarem para seu orbital de origem (estado fundamental) essa energia é liberada</p><p>e detectada, fornecendo informações sobre a região onde uma determinada molécula</p><p>realiza absorção de energia.</p><p>Como cada molécula é diferente, seu espectro de absorção é único e serve para</p><p>detectar grupos cromóforos que estão presentes ou como padrão para construção de</p><p>curvas de calibração, usadas para determinar concentrações desconhecidas daque-</p><p>le composto em soluções. Os princípios dessa espectroscopia se baseiam na Lei de</p><p>Beer-Lambert, A = log (I0/I) = b.c.ε, sendo:</p><p>A = absorbância;</p><p>I0 = intensidade de luz incidente na cela de amostra;</p><p>I = intensidade de luz que sai da cela de amostra;</p><p>c = concentração molar do soluto;</p><p>b = comprimento da cela de amostra (cm) e</p><p>ε = absortividade molar.</p><p>A Espectrometria de Massa se baseia na massa de uma substância e de seus frag-</p><p>mentos gerados por processos de ionização, sendo muito precisa e amplamente utiliza-</p><p>U4</p><p>3Bases Químicas dos Medicamentos</p><p>Distribuição Eletrônica</p><p>SA</p><p>IB</p><p>A</p><p>M</p><p>A</p><p>IS</p><p>da em inúmeras análises. A indústria farmacêutica usa a espectrometria de massa em</p><p>todas as fases do processo de desenvolvimento de fármacos, desde a descoberta de</p><p>compostos importantes e análise estrutural até a síntese e para compreensão de como</p><p>um fármaco é metabolizado no organismo. A espectrometria de massa é utilizada em</p><p>testes de sangue e urina para detecção da presença e do nível de certos compostos</p><p>que são marcadores de estados patológicos, incluindo inúmeros cânceres, até detec-</p><p>ção de presença e análise quantitativa de drogas ilícitas ou anabolizantes.</p><p>A Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear é uma ferramenta de extrema</p><p>importância para compreensão e elucidação da fórmula estrutural de uma molécula.</p><p>Ela pode detectar a quantidade e a posição dos Hidrogênios (RMN-1H) e dos carbonos</p><p>(RMN-13C) presentes numa molécula. Assim, a combinação dos espectros de Resso-</p><p>nância, Infravermelho e Massas são suficientes para esclarecer totalmente a estrutura</p><p>molecular de um fármaco, se fazendo presentes em estudos, pesquisas e em todo pro-</p><p>cesso para desenvolvimento de novos fármacos.</p><p>Acesse a bibliografia a seguir para aprender mais sobre essas técnicas:</p><p>PAVIA, Donald L.; LAMPMAN, Gary M.; KRIZ, George S.; VYVYAN, James R. Introdu-</p><p>ção à espectroscopia. Cengage Learning Brasil, 2016. E-book. ISBN 9788522123391.</p><p>Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788522123391/.</p><p>Acesso em março de 2023.</p><p>2. O DIAGRAMA DE LINUS PAULING</p><p>Após o Modelo Atômico proposto por Ernest Bohr, o qual já dava passos na direção de</p><p>se calcular a energia de cada nível da eletrosfera do átomo, Erwin Schrödinger inicia,</p><p>através das ferramentas da Mecânica Quântica, a descrição do comportamento dos elé-</p><p>trons. Suas contribuições revelaram que através de quatro números quânticos é possí-</p><p>vel determinar a posição onde há uma maior probabilidade de se encontrar um elétron.</p><p>Para distribuir os elétrons de um elemento na sua eletrosfera é necessário conhecer</p><p>sua energia, assim como a energia dos níveis e subníveis da eletrosfera e o número</p><p>máximo de elétrons permitidos para cada um. Esta distribuição deve acompanhar a</p><p>ordem crescente de energia.</p><p>` Níveis: são as camadas eletrônicas, podem ser representadas por letras (K, L, M, N, O,</p><p>P e Q) ou números (de 1 a 7). Cada nível comporta uma quantidade limitada de elétrons:</p><p>K = 2 L = 8 M = 18 N = 32 O = 32 P = 18 Q = 8</p><p>Subníveis: compreendem as subcamadas eletrônicas, as quais também comportam</p><p>quantidade limitada de elétrons. São representados pelas letras: s, p, d e f:</p><p>s = 2 p = 6 d = 10 f = 14</p><p>4 Bases Químicas dos Medicamentos</p><p>U4 Distribuição Eletrônica</p><p>O Diagrama de Linus Pauling é uma representação gráfica que facilita a distribuição dos</p><p>elétrons em seus níveis e subníveis de energia, pois ele possui setas que vão indicando</p><p>a ordem certa da distribuição, a qual ocorre em ordem crescente de energia dos subní-</p><p>veis, conforme apresentado na Figura 2. Após a distribuição dos elétrons será possível</p><p>observar que, além de se obter o número de elétrons em cada subnível, será possível</p><p>também conhecer os elétrons presentes em cada nível.</p><p>Figura 02. (a) Níveis e subníveis de energia (b) Diagrama de Linus Pauling</p><p>(a) (b)</p><p>n NÍVEIS Nº e- SUBNÍVEIS</p><p>POSSÍVEIS</p><p>1 K 2 s 1s2</p><p>2 L 8 s, p 2s2 2p6</p><p>3 M 18 s, p, d 3s2 3p6 3d10</p><p>4 N 32 s, p, d, f 4s2 4p6 4d10 4f14</p><p>5 O 32 s, p, d, f 5s2 5p6 5d10 5f14</p><p>6 P 18 s, p, d 6s2 6p6 6d10</p><p>7 Q 8 s, p 7s2 7p6</p><p>1s2Nível ou</p><p>camada</p><p>nº de elétrons</p><p>no subnível</p><p>subnível</p><p>Fonte: Elaborada pela autora, 2023.</p><p>Vamos salientar, neste ponto, duas informações importantes que podem ser obtidas:</p><p>` Camada de Valência: nome dado à última camada eletrônica, à mais distante do núcleo.</p><p>` Subnível mais energético: é o último subnível que foi preenchido. Este subnível não</p><p>necessariamente corresponderá ao mais distante do núcleo.</p><p>Vejamos o exercício comentado 1, no item 5, que mostra um exemplo de distribuição</p><p>eletrônica utilizando o Diagrama de Linus Pauling.</p><p>3. OS NÚMEROS QUÂNTICOS.</p><p>Os números quânticos são o resultado de equações matemáticas que relacionam a energia,</p><p>a carga, a massa e a natureza corpuscular do elétron. Essas equações foram realizadas por</p><p>Schrödinger, em 1927, sendo que na mesma época Werner Heisenberg publicou o Princí-</p><p>pio da Incerteza, o qual estabelecia que ao se descobrir a posição de um elétron, não será</p><p>possível determinar sua velocidade, o que torna difícil determinar uma órbita específica para</p><p>o elétron. Assim, Heinserberg considerou</p><p>que existem regiões onde há uma probabilidade</p><p>maior deles serem encontrados, em torno do núcleo, as quais denominou de orbitais. A</p><p>orientação do orbital é definida pelo terceiro número quântico, como veremos a seguir.</p><p>Cada elétron de um elemento é definido por 4 números quânticos: principal, secundá-</p><p>rio, magnético e spin. Assim, num mesmo átomo, não é possível encontrar 2 elétrons</p><p>com os mesmos números quânticos.</p><p>U4</p><p>5Bases Químicas dos Medicamentos</p><p>Distribuição Eletrônica</p><p>` Número quântico principal (n): é o número da camada eletrônica, o qual indica o tama-</p><p>nho e a energia do orbital, conforme Figura 02(a): n = 1, 2, 3…7.</p><p>` Número quântico secundário (ℓ): é o número que representa o subnível do elétron e a</p><p>forma do orbital. O formato dos orbitais está descrito na Figura 3.</p><p>Subnível s  ℓ = 0</p><p>Subnível p  ℓ = 1</p><p>Subnível d  ℓ = 2</p><p>Subnível f  ℓ = 3</p><p>Figura 03. Formato dos orbitais</p><p>Orbital s</p><p>Orbitais p</p><p>Orbitais d</p><p>Orbitais f</p><p>Fonte: 123RF.</p><p>A Regra de Hund determina que apenas 2 elétrons podem ocupar cada orbital, assim,</p><p>o número de orbitais é metade do número de elétrons que cabe em cada subnível (3ª</p><p>coluna da Tabela 1) e, por isso, o orbital s apresenta apenas 1 formato, o orbital p apre-</p><p>senta 3 formatos, o orbital d apresenta 5 formatos e o orbital f, 7 formatos.</p><p>6 Bases Químicas dos Medicamentos</p><p>U4 Distribuição Eletrônica</p><p>` Número quântico magnético (mℓ): indica a orientação dos orbitais no espaço. Cada tipo</p><p>de orbital apresenta uma orientação e geometria diferentes. A Tabela 1 mostra como o mℓ</p><p>deve ser representado e a variação de valores, de –ℓ a +ℓ.</p><p>Ao distribuir os elétrons nos orbitais, primeiramente eles são colocados desemparelha-</p><p>dos, do número menor ao número maior de mℓ, e depois vão sendo emparelhados até</p><p>atingir o número de elétrons daquele subnível. O mℓ é o valor do último elétron colocado</p><p>dentro do orbital.</p><p>Tabela 01. Valores dos números quânticos ℓ e mℓ e sua representação</p><p>Subnível ℓ nº de</p><p>orbitais Representação gráfica dos orbitais e valor de mℓ</p><p>s 0 1</p><p>p 1 3</p><p>d 2 5</p><p>f 3 7</p><p>Fonte: Elaborada pela autora, 2023.</p><p>0</p><p>-1</p><p>-2</p><p>-2-3</p><p>-1</p><p>-1</p><p>+1</p><p>+1</p><p>+1</p><p>+2</p><p>+2 +3</p><p>0</p><p>0</p><p>0</p><p>` Número Quântico Spin (mS): representa a rotação do elétron, que pode ser no sentido</p><p>horário ou anti-horário. Esta rotação produz um campo magnético fazendo com que cada</p><p>elétron se comporte como um pequeno ímã. Como cada orbital comporta 2 elétrons, os</p><p>mesmos devem possuir spins opostos para que sejam atraídos mutuamente e produzam</p><p>um sistema mais estável.</p><p>Não existe uma convenção a respeito da representação do spin dos elétrons, a Figura 4</p><p>apresenta uma convenção particular que usaremos neste componente curricular:</p><p>Figura 04. Representação do número quântico spin (mS)</p><p>Spin - 1/2</p><p>Spin + 1/2</p><p>Fonte: elaborada pela autora.</p><p>U4</p><p>7Bases Químicas dos Medicamentos</p><p>Distribuição Eletrônica</p><p>Exercício 1.</p><p>4. CONFIGURAÇÃO ELETRÔNICA.</p><p>A configuração eletrônica de um elemento no seu estado fundamental se inicia com a</p><p>distribuição eletrônica, apresentada no exercício comentado 1, podendo agregar os 4</p><p>números quânticos. Vale salientar que cada elétron de um elemento apresenta quatro</p><p>números quânticos, no entanto, é comum que eles sejam representados apenas para o</p><p>elétron mais energético, que corresponde ao último elétron proveniente da distribuição</p><p>eletrônica. Se o elemento for um íon, apenas os elétrons que compõem o íon deverão</p><p>ser distribuídos, por exemplo, no 20Ca2+ deverão ser distribuídos apenas 18 elétrons.</p><p>Vamos exemplificar a determinação da configuração eletrônica do Titânio, no seu esta-</p><p>do fundamental, com os quatro números quânticos do subnível mais energético:</p><p>Titânio (Z = 22)</p><p>Configuração eletrônica: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d2</p><p>Níveis: K = 2, L = 8, M = 10, N = 2</p><p>Subnível de maior energia: 3d2</p><p>Número quântico principal: n = 3 (terceiro nível, camada M)</p><p>Número quântico secundário: ℓ = 2 (subnível d, de acordo com a Tabela 1)</p><p>Número quântico magnético: mℓ = -1 (os elétrons são dispostos desemparelhados,</p><p>um em cada orbital, até atingir o número 2 (d2). O número mℓ será o número do orbital</p><p>do último elétron distribuído:</p><p>↑ ↑</p><p>-2 -1 0 +1 +2</p><p>Número quântico spin: mS = -1/2 (convenção descrita pela Figura 04).</p><p>5. EXERCÍCIOS COMENTADOS</p><p>O titânio é um metal utilizado, entre outras aplicações, para confecção de pinos e parafusos</p><p>em próteses dentárias, pois além de ter baixa densidade, é inerte e não provoca infecções</p><p>e riscos de rejeição pelo organismo. Sabendo-se que o número atômico do titânio é 22,</p><p>apresente a distribuição eletrônica deste elemento, indicando sua camada de valência e o</p><p>subnível mais energético.</p><p>8 Bases Químicas dos Medicamentos</p><p>U4 Distribuição Eletrônica</p><p>Exercício 2.</p><p>Resolução: Passo a Passo</p><p>Usando o diagrama de Linus Pauling distribuiremos 22 elétrons, seguindo a ordem das setas</p><p>indicadas na Figura 02:</p><p>1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d2  observe que, no último subnível, colocamos apenas o nú-</p><p>mero necessário para completar 22 elétrons. Assim, o 3d é o subnível mais energético.</p><p>Esta distribuição eletrônica permite encontrarmos os elétrons em cada nível:</p><p>Nível 1 – camada K  1s2. Então, K = 2</p><p>Nível 2 – camada L  2s2, 2p6. Somando os elétrons, L = 8</p><p>Nível 3 – camada M  3s2, 3p6, 3d2. Somando os elétrons, M = 10</p><p>Nível 4 – camada N  4s2. Então, N = 2  última camada, N é a camada de valência.</p><p>Assim, a distribuição eletrônica do elemento Titânio é:</p><p>Subníveis: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d2, onde 3d é o subnível mais energético.</p><p>Níveis: K = 2, L = 8, M = 10, N = 2, sendo que N é a camada de valência.</p><p>Determine a configuração eletrônica e os quatro números quânticos do subnível mais ener-</p><p>gético do elemento Níquel (Z = 28).</p><p>Resolução: Passo a Passo</p><p>Como Z = 28 sabe-se que este elemento possui 28 elétrons.</p><p>Usando o diagrama de Linus Pauling distribuiremos 28 elétrons, seguindo a ordem das setas</p><p>indicadas na Figura 2:</p><p>1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d8  observe que, no último subnível, colocamos apenas o nú-</p><p>mero necessário para completar 28 elétrons. Assim, o 3d é o subnível mais energético. Ele</p><p>que será usado para determinar os quatro números quânticos.</p><p>Número quântico principal: n = 3 (terceiro nível, camada M)</p><p>Número quântico secundário: ℓ = 2 (subnível d, de acordo com a Tabela 1)</p><p>Número quântico magnético: mℓ = 0 (os elétrons são dispostos desemparelhados, um em</p><p>cada orbital, da esquerda para direita e depois emparelhados até atingir o número 8 (d8). O</p><p>número mℓ será o número do orbital do último elétron distribuído:</p><p>↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑</p><p>-2 -1 0 +1 +2</p><p>Número quântico spin: mS = +1/2 (de acordo com a convenção determinada na Figura 4).</p><p>U4</p><p>9Bases Químicas dos Medicamentos</p><p>Distribuição Eletrônica</p><p>Atividade 1.</p><p>Atividade 2.</p><p>Atividade 3.</p><p>6. ATIVIDADES PRÁTICAS</p><p>Sobre o elemento químico Cloro, de número atômico 17, são feitas as seguintes afirmações:</p><p>I. A camada de valência do cloro possui 5 elétrons</p><p>II. O subnível mais energético é o 3p</p><p>III. O cloro apresenta os níveis de energia 1, 2 e 3</p><p>IV. Possui 8 elétrons na camada L.</p><p>Estão corretas apenas as afirmações:</p><p>Gabarito</p><p>a) I e II b) II e III c) III e IV d) I, II e III e) II, III e IV</p><p>Considere três elementos, X, Y e Z. O elemento X tem número atômico 20 e massa 41 e é</p><p>isótono de Y. O elemento Y é isóbaro de Z, que possui 22 nêutrons. Além disso, X e Z são</p><p>isótopos. Assinale a alternativa que corresponde aos números quânticos do elétron mais</p><p>energético do elemento Y:</p><p>Gabarito</p><p>a. n=3; ℓ=0; mℓ=+2; mS=-1/2</p><p>b. n=3; ℓ=2; mℓ=-2; mS=-1/2</p><p>c. n=3; ℓ=2; mℓ=0; mS=-1/2</p><p>d. n=3; ℓ=2; mℓ=-1; mS=+1/2</p><p>e. n=4; ℓ=0; mℓ=0; mS=-1/2</p><p>Usando como convenção que o primeiro elétron que entrar no orbital tem spin -1/2, e saben-</p><p>do-se que os números quânticos do elétron mais energético de um átomo no estado funda-</p><p>mental são n=3, ℓ=1, mℓ=+1 e ms=+1/2, assinale a alternativa que contém o número atômico</p><p>desse elemento.</p><p>Gabarito</p><p>a) 15 b) 16 c) 17</p><p>d) 18 e) 19</p><p>EDUCANDO PARA A PAZ</p>