Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Manual de Química Orgânica I Curso de licenciatrura em ensino de Química Universidade Pedagógica Departamento de Química Direitos de autor (copyright) Este módulo não pode ser reproduzido para fins comerciais. Caso haja necessidade de reprodução, deverá ser mantida a referência à Universidade Pedagógica e aos seus Autores. Universidade Pedagógica Rua Comandante Augusto Cardoso, nº 135 Telefone: 21-320860/2 Telefone: 21 – 306720 Fax: +258 21-322113 Agradecimentos À COMMONWEALTH of LEARNING (COL) pela disponibilização do Template usado na produção dos Módulos. Ao Magnífico Reitor, Directores de Faculdade e Chefes de Departamento pelo apoio prestado em todo o processo. Ficha Técnica Autor: Malaquias Zildo António Tsambe Revisor científico: Elias Narciso Matos Revisor da engenharia de Educação à Distância: Cristina Loforte Revisor do Desenho Instrucional: Cristina Loforte Maquetizador e Editor: Aurélio Armando Pires Ribeiro Ilustrador: Malaquias Zildo António Tsambe Publicado pela Universidade Pedagógica, Moçambique, 2015 Química Orgânica I i Índice Visão geral 1 Bem-vindo ao módulo de Química Orgânica I ................................................................. 1 Objectivos do módulo ....................................................................................................... 2 Quem deve estudar este módulo ....................................................................................... 2 Como está estruturado este módulo .................................................................................. 3 Ícones de actividade .......................................................................................................... 3 Acerca dos ícones .......................................................................................... 3 Habilidades de estudo ....................................................................................................... 4 Precisa de apoio? .............................................................................................................. 5 Auto-avaliação .................................................................................................................. 5 Avaliação .......................................................................................................................... 5 Tempo de estudo e outras actividades .............................................................................. 5 Unidade n° 01 7 Introdução à Química Orgânica I ...................................................................................... 7 Introdução ................................................................................................................ 7 Lição no 01 8 Breve Historial da Química Orgânica ............................................................................... 8 Introdução ................................................................................................................ 8 Introdução à Química Orgânica ..................................................................... 9 Auto-avaliação ................................................................................................................ 11 Lição no 02 12 Compostos de Carbono. Estrutura e propriedades .......................................................... 12 Introdução .............................................................................................................. 12 Compostos de Carbono ................................................................................ 13 Auto-avaliação ................................................................................................................ 17 Lição no 03 18 Cadeias Carbónicas ......................................................................................................... 18 Introdução .............................................................................................................. 18 Auto-avaliação ................................................................................................................ 22 Lição no 04 23 Isomeria dos Compostos Orgânicos ............................................................................... 23 Introdução .............................................................................................................. 23 O que será Isomeria? .................................................................................... 24 Auto-avaliação ................................................................................................................ 27 Compostos Orgânicos. Nomenclatura e grupos funcionais ............................................ 28 Introdução .............................................................................................................. 28 Como é que se dá nomes aos Compostos orgânicos? .................................. 29 ii Índice Auto-avaliação ................................................................................................................ 36 Resumo ........................................................................................................................... 37 Respostas dos exercícios ................................................................................................. 38 Unidade n° 02 40 Hidrocarbonetos .............................................................................................................. 40 Introdução .............................................................................................................. 40 Lição no 01 42 Hidrocarbonetos saturados. Alcanos ............................................................................... 42 Introdução .............................................................................................................. 42 Auto-avaliação ................................................................................................................ 52 Compostos Alicíclicos .................................................................................................... 53 Introdução .............................................................................................................. 53 Auto-avaliação ................................................................................................................ 59 Lição no 03 60 Hidrocarbonetos Insaturados. Alcenos ........................................................................... 60 Introdução .............................................................................................................. 60 Auto-avaliação ................................................................................................................ 72 Lição no 04 73 Hidrocarbonetos insaturados. Alcinos ............................................................................ 73 Introdução .............................................................................................................. 73 Auto-avaliação ................................................................................................................ 81 Lição no 05 82 Hidrocarbonetos Aromáticos .......................................................................................... 82 Introdução .............................................................................................................. 82 Auto-avaliação ................................................................................................................ 95 Lição no 06 96 Derivados dos Hidrocarbonetos ......................................................................................96 Introdução .............................................................................................................. 96 Auto-avaliação .............................................................................................................. 106 Resumo da Unidade ...................................................................................................... 107 Respostas dos exercícios ............................................................................................... 109 Unidade n° 03 111 Compostos Com Grupos Funcionais Simples. ............................................................. 111 Introdução ............................................................................................................ 111 Química Orgânica I iii Lição no 01 113 Compostos Orgânicos de Oxigénio .............................................................................. 113 Introdução ............................................................................................................ 113 Compostos com grupos Funcionais simples .............................................. 114 Auto-avaliação .............................................................................................................. 129 Lição no 02 130 Compostos carbonilos ................................................................................................... 130 Introdução ............................................................................................................ 130 Auto-avaliação .............................................................................................................. 141 Lição no 03 142 Ácidos carboxílicos e Ésteres ....................................................................................... 142 Introdução ............................................................................................................ 142 Auto-avaliação .............................................................................................................. 151 Lição no 4 152 Anidridos e Haletos de Ácidos carboxilicos ................................................................. 152 Introdução ............................................................................................................ 152 Auto-avaliação .............................................................................................................. 157 Resumo ......................................................................................................................... 158 Respostas dos exercícios ............................................................................................... 160 Compostos Nitrogenados .............................................................................................. 162 Introdução ............................................................................................................ 162 Lição no 1 164 Compostos orgânicos de Nitrogénio ............................................................................. 164 Introdução ............................................................................................................ 164 Auto-avaliação .............................................................................................................. 171 Lição no 02 172 Aminas e Amidas .......................................................................................................... 172 Introdução ............................................................................................................ 172 Auto-avaliação .............................................................................................................. 180 Respostas dos exercícios ............................................................................................... 182 Término do módulo ...................................................................................................... 183 Bibliografia .................................................................................................................. 184 Química Orgânica I 1 Visão geral Bem-vindo ao módulo de Química Orgânica I Caro estudante seja bem-vindo ao módulo de Química Orgânica I. O presente módulo apresenta uma visão geral dos conteúdos iniciais da química dos compostos de carbono (principais fundamentos, historial e relações estruturais dos diferentes grupos de compostos orgânicos). Nele, também, serão abordadas as reações características dos compostos orgânicos que são os principais fundamentos para o entendimento dos diferentes processos químicos que ocorrem no dia-a-dia, em diversas indústrias bem como nos organismos dos seres vivos. Os conteúdos abordados nesse módulo não só ajudarão a conhecer os processos que estão por detrás de muitos fenómenos químicos, mas também criarão bases para o entendimento dos conteúdos que serão tratados nos módulos de Química Técnica, Orgânica II, Macromolecular, Química Física II e Bioquímica. Unidade Nome da Unidade Lições por Unidade 1 Introdução à Química Orgânica Breve Historial da Química Orgânica Compostos de Carbono. Estrutura e propriedades Cadeias Carbónicas Isomeria dos Compostos Orgânicos Compostos Orgânicos. Nomenclatura e grupos funcionais 2 Hidrocarbonetos Hidrocarbonetos saturados. Alcanos Compostos Alicíclicos Hidrocarbonetos Insaturados. Alcenos Hidrocarbonetos insaturados. Alcinos Hidrocarboneto Aromáticos Derivados dos Hidrocarbonetos 3 Compostos Com Grupos Funcionais Simples Compostos Orgânicos de Oxigénio Compostos carbonilos Ácidos carboxílicos e Ésteres Anidridos e Haletos de Ácidos carboxilicos 4 Compostos Nitrogenados Compostos orgânicos de Nitrogénio Aminas e Amidas Aminoácidos 2 Química Orgânica I A química dos compostos de carbono é fascinante, se nos apercebermos que todos os seres vivos (plantas e animais) apresentam na sua constituição básica os elementos carbono e hidrogénio, na forma de compostos orgânicos. Podemos encontrar ainda na natureza os compostos orgânicos na forma de carvão, gás e petróleo bruto. Objectivos do módulo Ao terminar o estudo deste módulo, com título ―módulo de Química Orgânica I‖, pretende-se que seja capaz de: Objectivos Aprimorar os conhecimentos adquiridos nos níveis anteriores relacionados à estrutura e propriedades dos compostos orgânicos; Diferenciar os compostos orgânicos dos inorgânicos, tendo em conta as particularidades de cada um; Explicar a síntese de substâncias orgânicas, desde as reações aos seus mecanismos, bem como as condições óptimas para a sua efectivação; Explicar a importância económica, industrial prática e quotidiana dos compostos orgânicos; Quem deve estudar este módulo Este Módulo foi concebido para todos aqueles que tenham concluído a 12 a classe de ESG, grupo de ciências ou equivalente e tenham-se inscrito no curso de Licenciatura em Ensino de Química à Distância da Universidade Pedagógica. Química Orgânica I 3 Como está estruturado este módulo Todos os módulos dos cursos produzidos pela Universidade Pedagógica encontram-se estruturados da seguinte maneira: Páginas introdutórias Um índice completo. Uma visão geral detalhada do módulo, resumindo os aspectos-chave que você precisa conhecer para completar o estudo. Recomendamos vivamente que leia esta secção com atenção antes de começar o seu estudo. Conteúdo do módulo O módulo está estruturado em unidades. Cada unidade incluirá uma introdução, objectivos da unidade, conteúdo da unidade(dividido em lições) incluindo actividades de aprendizagem, um sumário da unidade e uma ou mais actividades para auto-avaliação. Outros recursos Para quem esteja interessado em aprender mais, apresentamos uma lista de recursosadicionais para você explorar. Estes recursos podem incluir livros, artigos ou sites na internet. Tarefas de avaliação e/ou Auto-avaliação As tarefas de avaliação para este módulo encontram-se no final de cada lição e de cada unidade. Comentários e sugestões Esta é a sua oportunidade para nos dar sugestões e fazer comentários sobre a estrutura e o conteúdo do curso / módulo. Os seus comentários serão úteis para nos ajudar a avaliar e melhorar este módulo. Ícones de actividade Ao longo deste manual irá encontrar uma série de ícones nas margens das folhas. Estes ícones servem para identificar diferentes partes do processo de aprendizagem. Podem indicar uma parcela específica de texto, uma nova actividade ou tarefa, uma mudança de actividade, etc. Acerca dos ícones Neste módulo encontrará ícones que identificam os objectivos, as actividades, dicas, sumários e actividades de auto-avaliação. Pode ver o conjunto completo de ícones deste manual já a seguir, cada um com uma descrição do seu significado e da forma como nós 4 Química Orgânica I interpretámos esse significado para representar as várias actividades ao longo deste curso / módulo. Comprometimento/ perseverança Actividade Resistência, perseverança Auto-avaliação ―Qualidade do trabalho‖ (excelência/ autenticidade) Avaliação / Teste ―Aprender através da experiência‖ Exemplo / Estudo de caso Paz/harmonia Debate Unidade/relações humanas Actividade de grupo Vigilância / preocupação Tome Nota! ―Eu mudo ou transformo a minha vida‖ Objectivos ―[Ajuda-me] deixa- me ajudar-te‖ Leitura Quanto tempo? ―Nó da sabedoria‖ Terminologia Apoio / encorajamento Dica Habilidades de estudo Este módulo foi concebido tendo-se em consideração que você vai estudar sozinho. É por isso que, no fim de cada unidade/lição você tem actividades que lhe ajudam a verificar tudo o que nela aprendeu. Fazem parte deste conjunto de actividades experiências recomendadas, consulta a livros e Internet, interpretação de tabelas, desenho e interpretação de gráficos e diagramas, etc., pois eles são preciosos para você conhecer o nível da sua aprendizagem. Química Orgânica I 5 Precisa de apoio? Se você tiver dificuldades, tem o Centro de Recursos à sua espera, perto do local da sua residência. Não hesite em recorrer a esse centro, pois ele foi criado para si. Lá encontrará literatura e outros materiais de consulta. Auto-avaliação Ao longo de cada Unidade você terá que resolver uma série de exercícios, que lhe ajudarão a consolidar o que aprendeu. Recomendamos que você resolva todos os exercícios indicados sem correr para consultar a chave de correcção. Avaliação Nesta disciplina você vai realizar 2 testes: O primeiro teste terá lugar depois de completar a unidade 2. O segundo teste terá lugar depois de completar a última unidade. Cada teste tem a duração de 90 minutos e o exame tem a duração de 120 minutos. O seu tutor terá 15 a 20 dias para marcar a data do teste, bem como a do exame. Tempo de estudo e outras actividades Quanto tempo? Este módulo deverá ser estudado num semestre do calendário lectivo. Você deverá dispender 80 horas de estudo para este módulo. Você também deve estudar, em média, uma hora por dia consoante a sua disponibilidade para completar as 5 horas semanais recomendadas pelo plano de estudos. Química Orgânica I 7 Unidade n° 01 Introdução à Química Orgânica I Introdução Bem-vindo a esta unidade didáctica. Nela você desenvolverá as noções de Química Orgânica, relacionadas basicamente à estrutura, às propriedades e às reacções, que aprendeu no nível médio e na disciplina de Química Básica. Ao lhe propormos esta unidade, pretendemos que você se envolva academicamente e de maneira árdua e complexa em todas as actividades indicadas ao longo das lições. Neste sentido, achamos que devíamos proporcionar-lhe informações básicas sobre a Química Orgânica. Assim, nesta unidade trataremos do historial da química orgânica, da estrutura dos compostos orgânicos, das propriedades particulares dos compostos orgânicos e das bases para a nomenclatura dos compostos orgânicos. Estes conteúdos ajudarão a perceber os factos históricos que estão por detrás de muitas sínteses orgânicas de compostos comuns como são os casos da síntese do vinagre ou mesmo do etanol (álcool comum). Ao completar esta unidade, você será capaz de: Objectivos da unidade Identificar o objecto de estudo da Química Orgânica; Interpretar os factores que estão por detrás do surgimento da Química Orgânica como ciência; Definir os conceitos fundamentais da Química Orgânica; Interpretar as diferentes fases históricas relacionadas com o desenvolvimento da Química Orgânica; Identificar os compostos orgânicos a partir da sua estrutura; Relacionar a estrutura e propriedades das substâncias orgânicas; Identificar as diferentes formas de nomenclatura dos compostos orgânicos. 8 Química Orgânica I Lição no 01 Breve Historial da Química Orgânica Introdução Nesta lição, faremos uma recapitulação dos conteúdos estudados nos anos anteriores sobre o historial da Química orgânica, as fases que caracterizaram a evolução desta parte da Química como ciência, bem como o seu desenvolvimento até aos tempos actuais. Esta lição permitirá desenvolver bases sobre os factos que marcaram o desenvolvimento da Química orgânica, considerando a síntese de Fredric Wöhler como um marco importante para a síntese de vários compostos orgânicos sintéticos e consequentemente um dos marcos históricos do desenvolvimento deste ramo da Química. Quanto tempo? Você deve dispender cerca de 45minutos para estudar esta lição. Ao completar esta lição, você será capaz de: Objectivos da lição Identificar as diferentes fases do desenvolvimento da Química orgânica; Identificar os principais intervenientes no desenvolvimento da Química orgânica; Interpretar os impactos da teoria da força vital no desenvolvimento da Química orgânica Identificar a importância da síntese de Fredric Wöhler deu a Química orgânica; Identificar e caracterizar o objecto de estudo da Química orgânica; Identificar a importância e tarefas da química orgânica. Química Orgânica I 9 Introdução à Química Orgânica Breve Historial A química, como todas outras ciências teve um contínuo desenvolvimento nas várias fases da história. As premissas para o surgimento da química orgânica, particularmente, existem desde os tempos pré-históricos. Este facto é justificado pelos inúmeros processos relacionados com este ramo da química, desde então utilizados, pois os compostos orgânicos são conhecidos há já muito tempo, em virtude da sua vasta aplicação. É sabido que os povos da antiguidade fermentavam o suco da uva produzindo vinho, extraíam gorduras e azeite dos animais e plantas, corantes de plantas, entre outros. Contudo estes não tinham a noções muito precisas da natureza química desses processos. A química orgânica, tal como a conhecemos hoje, tem seus primórdios no fim do sec. XVIII e princípios do sec. XIX, quando se começou a fazer grandes esforços para isolar compostos orgânicos puros que pudessem ser usados em substituição ou complemento de estratos naturais. No sec. XVIII notou-se um desenvolvimento acentuado da ciência química, com as contribuições de Scheele (químico Sueco, 1769), sobre os métodos apropriados para a obtenção de compostos orgânicos em animais e vegetais (Ácido cítrico do limão, Ácido láctico do leite, glicerol da gordura, etc.). À medida em que se aumentava o número de compostos isolados e estudados, os químicos notavam diferenças acentuadas entre as propriedades destes e doscompostos minerais (por exemplo; ponto de fusão e de ebulição, densidade, etc.) e que os compostos desta classe são formados por poucos elementos químicos unidos em várias proporções. ―Tais compostos pareciam não obedecer à lei de proporções constantes ou múltiplas de Dalton e Proust‖. Em 1776 Bergmann (químico Sueco), fez a primeira classificação dos compostos químicos tendo os dividido em: Compostos Orgânicos – os compostos obtidos dos organismos vivos. 10 Química Orgânica I Compostos Minerais – compostos inorgânicos, obtidos do reino mineral. Em 1802 Jacob Berzelius (Químico Sueco) fundamentou a classificação de Bergmann, através da teoria da força vital ou Vitalismo, segundo a qual ―Os compostos orgânicos só poderiam ser obtidos dos seres vivos e sob influência duma força divina”. Esta teoria teve aceitação por parte dos químicos da época, até que Fredric Wöhler (1928), discípulo de Berzelius, conseguiu obter um composto orgânico (a Ureia) a partir de um composto inorgânico (o Cianato de amónio), no laboratório. Esta síntese pode ser traduzida pela seguinte equação: NH4OCN Δ NH2 – CO – NH2 Cianato de amónio Ureia Esta síntese foi um marco importante para se ultrapassar a teoria do Vitalismo, visto que após esta síntese, um grande número de compostos orgânicos foi produzido a partir de matéria não viva. Assim, a química orgânica passou a ser definida como a parte da química que estuda os compostos de Carbono. Exceptua-se o próprio carbono, seus ácidos e sais. Liebig (1830), aperfeiçou as técnicas de análise elementar e demonstrou que os compostos orgânicos seguiam as leis de proporções múltiplas. Kolbe, partindo de substâncias puramente inorgânicas produziu compostos orgânicos. C, H2O, S Ácido acético Berthollet (1855), também produziu substâncias orgânicas a partir de substâncias puramente inorgânicas: CS2 e H2S CH4 CO / Ca(OH)2 Ácido fórmico C / H Eteno Butlerov (1860), desenvolveu a teoria química da estrutura, segundo a qual a ligação característica dos compostos orgânicos é a ligação atómica e o carbono é nos compostos orgânicos sempre tetravalente. Kekule (1857 – 1867), esclareceu a estrutura do Benzeno. Química Orgânica I 11 Label & Van’t Hoof (1874), mostraram que as quatro ligações do carbono nos compostos orgânicos são feitas numa estrutura espacial. Lewis (1916), Explicou as ligações atómicas que é formado por um par de electrões. Huquel (1930), avançou com a teoria quântica e isomeria. Assim as tarefas básicas da Química Orgânica são: Separação de compostos (isolar compostos orgânicos a partir de substâncias naturais); Determinar as suas estruturas; Determinar a relação entre a estrutura e a reactividade; Sintetizar outros compostos orgânicos úteis para a sociedade (detergentes, plásticos, pesticidas, etc.). Tome Nota! N.B: Compostos como Carbono, Dióxido de carbono (CO2), Monóxido de carbono (CO), Ácido cianídrico (HCN), Ácido carbónico (H2CO3), Carbonatos (CO3 2- ), Bicarbonatos (HCO3 - ), etc., que são formados pelo elemento Carbono mas com propriedades mais semelhantes às dos compostos inorgânicos, não são considerados orgânicos, eles são inorgânicos e servem de intermediários ou compostos de transição entre a química inorgânica e orgânica. Auto-avaliação Exercícios 1. O entende por Química orgânica? O que são compostos orgânicos? 2. No início do sec. XIX, Berzelius lançou uma teoria que mais tarde caiu em desuso. a) Como se chama essa teoria? b) O que é que esteve por detrás do desuso da teoria de Berzelius. Escreva a respectiva equação química da síntese que pôs em causa essa teoria. 3. É mais correcto falar em ―Compostos de Carbono‖ do que em ―Compostos Orgânicos‖. Comente esta afirmação. 12 Química Orgânica I Lição no 02 Compostos de Carbono. Estrutura e propriedades Introdução Com esta lição pretende-se que nos familiarizemos com os compostos de carbono (compostos orgânicos), sua estrutura e propriedades. Nela trataremos das propriedades particulares dos compostos orgânicos bem como as principais características desses compostos, diferenciando-os dos compostos inorgânicos. Representaremos, com base nos conhecimentos adquiridos, as diferentes possibilidades de formação das ligações pelos átomos de carbono nos compostos orgânicos. Nela, também, aprenderemos a representar e interpretar as estruturas dos compostos orgânicos, bem como, a classificar os hidrocarbonetos a partir a sua estrutura. Quanto tempo? Você deve dispender cerca de 60 minutos para estudar esta lição. Ao completar esta lição, você será capaz de: Objectivos da lição Identificar as principais características dos compostos orgânicos; Diferenciar os compostos orgânicos dos inorgânicos; Descrever as propriedades particulares dos compostos orgânicos; Representar e caracterizar a estrutura básica dos compostos orgânicos; Representar e interpretar as possibilidades de formação das ligações simples, duplas ou triplas entre átomos de carbono. Química Orgânica I 13 Compostos de Carbono Os compostos de carbono exceptuando o Carbono, seus Óxidos, Ácido Carbónico e seus Sais, são designados compostos orgânicos. Estes compostos apresentam átomos de carbono ligados entre si por ligações covalentes originando uma vasta gama de compostos de uma mesma família e estudados em Química orgânica. Qual é a posição do Carbono no Sistema Periódico dos elementos? Você aprendeu na Química Geral que o carbono possui quatro electrões (4e - ) de valência por isso situa-se no IV grupo principal, e é portanto tetravalente. Pela sua estrutura e consequente posição, o carbono é coordenativamente saturado e pode ligar-se a outros átomos de carbonos formando cadeias carbónicas ou formar ligações múltiplas. Quais as Diferenças entre Compostos Orgânicos e Inorgânicos? Os compostos orgânicos são estruturalmente diferentes dos inorgânicos e isso faz com que estes apresentem consequentemente uma série de diferenças nas propriedades e na aplicação. Veja, na tabela a seguir, a comparação básica entre os compostos orgânicos dos inorgânicos. 14 Química Orgânica I Tabela 1: Comparação da Estrutura e Propriedades dos Compostos Orgânicos e Inorgânicos Compostos ORGÂNICOS Compostos INORGÂNICOS Ligações covalentes (com carácter covalente) Ligações iónicas (com carácter iónico) Raramente solúveis em água; e raramente formam electrólitos em solução. Frequentemente solúveis em água; Formam electrólitos em solução (ácidos, bases e sais). Tem pontos de fusão e ebulição relativamente baixos, menor que 400 o C; Muitos são líquidos a temperatura ambiente – carácter covalente. Pontos de fusão e ebulição elevados, maior que 500 o C; Muitos são sólidos cristalinos a temperatura ambiente– carácter iónico. Baixa densidade, muitas vezes aproximadamente igual a 1 g/dm 3 . Densidades variáveis, maior que 1 g/dm 3 , em alguns casos (metais), muito elevada. Facilmente decompõe-se pela acção do calor, são poucos resistentes a temperaturas maiores que 500 o C. Grande estabilidade térmica. A maior parte deles são bons combustíveis. Raramente são combustíveis. Tem fraco efeito térmico. As reações são raramente unívocas. Tem acentuado efeito térmico (exo ou endotérmico). Os compostos orgânicos são constituídos basicamente por carbono e hidrogénio, considerados elementos organogéneos, porém pode também conter, Oxigénio, Enxofre, Nitrogénio, Fósforo, Halogéneos (F, Cl, Br e I) e metais, considerados elementos heterogéneos. Estes ocorrem na natureza tanto em organismos vegetais como animais, no petróleo bruto, gás natural, etc. Propriedades particulares dos compostosorgânicos A principal ligação dos compostos orgânicos é ligações covalentes (apolar e polar); São menos densos que a água e na sua maioria insolúveis nela, mas solúveis em solventes orgânicos; Química Orgânica I 15 São inflamáveis. Ao aquecimento carbonizam, decompõe-se facilmente, libertando Dióxido de carbono (combustão completa), Monóxido de carbono ou carbono (combustão incompleta) e água; Nos compostos orgânicos o Carbono é sempre tetravalente; Apresentam o fenómeno de isomeria. As substâncias Orgânicas têm Estrutura Comum? As fórmulas moleculares planas dos compostos orgânicos foram estabelecidas por Butlerov constituindo a chamada teoria estrutural dos compostos orgânicos: O Carbono é tetravalente, isto é, tem valência IV. Todas as propriedades específicas dos compostos orgânicos são determinadas pela tetravalência do elemento Carbono – que provêm do facto deste possuir 4 electrões de valência, como mostra a figura a baixo. * * C * * Nas moléculas orgânicas, os átomos de carbono tem a propriedade de ligarem-se (ligação atómica) entre si formando cadeias carbónicas. As ligações entre os átomos de carbono podem ser: simples, duplas ou triplas. Possibilidades de formação de ligações do átomo de carbono Como foi mencionado acima o átomo de carbono pode formar três tipos diferentes de ligações, a saber: Ligação simples, dupla e tripla. Estas resultam da combinação de átomos com diferentes estados de hibridização. 16 Química Orgânica I 6C: 1s 2 2s 2 2p 2 sp 3 sp 3 sp 3 sp 3 * sp 2 sp 2 sp 2 sp sp Estado fundamental Estado excitado Estado hibridizado Na ligação simples, as orbitais no átomo de carbono são distribuídas no sentido de formar uma estrutura espacial ―tetraédrica”. As quatro ligações estão distribuídas pelos vértices dum tetraedro imaginário cujos ângulos são de 109,4º (figura abaixo). C C Com ângulos de 109o Fig. 1: Estrutura tridimensional das ligações dos compostos de carbono Exemplo: CH4 (Metano) C2H4 (Etano) C2H2 (Etino) Ligações dupla Ligações simples Ligações tripla Química Orgânica I 17 Leitura Leia mais sobre a estrutura tridimensional das moléculas e Hibridização em: AICHINGER-MANGE. Química Básica-3 ”Orgânica‖. E.P.U. São Paulo, 1992 e FELTRE, Ricardo. Química Orgânica. Vol. 3. S. Paulo, Editora Moderna, 1991. Auto-avaliação Exercícios 1. Qual é a valência do carbono nos compostos orgânicos? 2. Que tipo de ligações os átomos de Carbono apresentam nos compostos orgânicos? 3. Distinga os compostos Orgânicos dos Inorgânicos quanto à estrutura e a condutibilidade eléctrica. 4. Quais os principais tipos de Hibridização que os átomos de Carbono nos compostos Orgânicos apresentam. 18 Química Orgânica I Lição no 03 Cadeias Carbónicas Introdução Esta lição apresenta as diferentes formas através das quais os compostos orgânicos podem existir. Nela trataremos das cadeias carbónicas, como sendo as diferentes sequências que os átomos de carbono podem formar entre sí, sua identificação, classificação e entender a escrita das diferentes formas químicas que este grupo de compostos pode ter. Assim, através dos conjuntos de exemplos e exercícios, desenvolveremos capacidades para classificar as cadeias carbónicas, os tipos de átomos de carbono numa determinada cadeia carbónica em como aprenderemos a escrever as diferentes fórmulas químicas dos compostos orgânicos. Quanto tempo? Você deve dispender cerca de 60 minutos para estudar esta lição. Ao completar esta lição, você será capaz de: Objectivos da lição Identificar os diferentes tipos de cadeias carbónicas; Classificar as cadeias carbónicas tendo em conta os diferentes âmbitos; Identificar os tipos de átomos de carbono numa cadeia carbónica; Escrever as diferentes fórmulas químicas dos compostos orgânicos; Definir o conceito de série homóloga. Química Orgânica I 19 Como vimos na aula passada o carbono tem possibilidade de formar uma diversa gama de compostos orgânicos. Nesta lição iremos estudar as diversas cadeias que o corbono pode formar. O que são Cadeias carbónicas? Define-se uma cadeia carbónica como uma sequência de átomos de carbono ligados entre si por ligações covalentes. Classificação: As cadeias carbónicas podem ser: As cadeias Homogéneas e Homocíclicas são caracterizadas por apresentarem apenas átomos de carbono e hidrogénio na sua constituição; As cadeias Heterogéneas e Heterocíclica são caracterizadas por apresentarem pelo menos um heteroátomo para além dos átomos de carbono e hidrogénio na cadeia; As cadeias Saturadas são aquelas que apresentam somente ligações simples entre os átomos de carbono, enquanto que as 20 Química Orgânica I cadeias Insaturadas apresentam uma ou mais ligações dupla ou tripla (insaturações) entre átomos de carbono. As cadeias Mononucleares são todas as cadeias cíclicas que apresentam um só anel. As Polinucleares são todas as cadeias cíclicas que apresentam mais do que um anel. As cadeias Polinucleares condensadas são todas as cadeias que apresentam dois ou mais anéis compartilhando um ou mais átomos de carbono. As cadeias Polinucleares isoladas são todas as cadeias que apresentam dois ou mais anéis onde estes não se encontram ligados através de um átomo, isto é, eles não compartilham o mesmo átomo de carbono. Tipos de Carbono numa cadeia Carbónica Carbono primário – é aquele que se encontra ligado a apenas 1 outro átomo de Carbono. Carbono secundário – é aquele que se encontra ligado a dois outros átomos de Carbono. Carbono terciário – é aquele que se encontra ligado a três outros átomos de Carbono. Carbono quaternário – é aquele que se encontra ligado a quatro outros átomos de Carbono. Exemplo: Quaternário Terciário │ │ ─ C ─ ─ C ─ │ │ │ │ │ – C – C – C – C – C – │ │ │ │ │ ─ C─ │ Secundário Primário Fórmulas Químicas dos Compostos Orgânicos É uma representação gráfica através de símbolos de moléculas de uma determinada substâncias. Química Orgânica I 21 a) Fórmula empírica (fórmula mínima) – indica a proporção mais simples de combinação de todos elementos numa molécula. Exemplo: C6H12O6 → CH2O b) Fórmula molecular – indica a quantidade e qualidade de átomos de cada elemento que constitui a molécula. Exemplo: C3H8. c) Fórmula racional – expressa o tipo de ligação e os grupos de átomos participantes, indica também a composição qualitativa e quantitativa da substância. Exemplo: CH3 – CH2 – CH3 d) Fórmula estrutural – indica a quantidade e qualidade dos átomos. Também põe em evidência o tipo de ligação entre os átomos, bem como a sua disposição na molécula. H H H Exemplo: ׀ ׀ ׀ H – C – C – C – H ׀ ׀ ׀H H H N.B: A fórmula estrutural pode ser simplificada, considerando cada traço livre correspondente a um átomo de hidrogénio. Exemplo: ׀ ׀ ׀ – C – C – C – ׀ ׀ ׀ Série homóloga – é uma sequência de compostos cujas moléculas diferem entre si por um número inteiro de grupos metiléno (–CH2–). Exemplo: CH4; CH3–CH3; CH3–CH2–CH3; CH3–CH2– CH2–CH3 Leitura: Série homóloga duma determinada família de compostos de carbono como objecto principal e característico de agrupamento em famílias ou classes dos compostos orgânicos. Você pode encontrar este conteúdo dentre outros livros nos seguintes: FELTRE, Ricardo; Química Orgânica, vol. 3. BONNER, William A. & CASTRO, Albert; Química Organica Básica. 22 Química Orgânica I Auto-avaliação Exercícios 1. Classifique as cadeias carbónicas quanto a: - A natureza, ao tipo de ligações e a disposição dos átomos de carbono. a) O ║ CH3 – C – CH2 – CH3 b) CH2 ─ CH2 │ │ CH2 ─ O 2. Dado os seguintes compostos: a) CH3 b) CH2 ─ CH2 │ │ │ CH3─ CH─CH3 CH2 ─ CH2 I- Identifique a cadeia carbónica que apresenta um átomo de carbono terceario. II- Classifique a cadeia carbónica b). 3. Escreva as fórmulas moleculares dos compostos das alíneas a), b) dos números 1 e 2. Química Orgânica I 23 Lição no 04 Isomeria dos Compostos Orgânicos Introdução Esta lição aborda de forma particular a isomeria nos compostos orgânicos. Entende-se por isomeria o fenómeno de ocorrência de dois ou mais compostos de carbono com uma mesma fórmula molecular e diferentes estruturas. Nela faremos a identificação dos diferentes tipos de formas isoméricas e caracterização dessas diferentes formas isoméricas dos compostos orgânicos. Nela, também, faremos uma revisão do conteúdo estudado na lição anterior, pois as formas isoméricas são apresentadas tendo em conta as cadeias carbónicas. Quanto tempo? Você deve dispender cerca de 60 minutos para estudar esta lição. Assim, ao completar esta lição, você será capaz de: Objectivos da lição Identificar as fórmulas isoméricas nos compostos de orgânicos; Representar as diferentes fórmulas dos isómeros nos compostos orgânicos; Classificar os isómeros nos compostos orgânicos; Escrever as fórmulas estruturais das diferentes formas isoméricas. Na lição anterior vimos as diversas possibilidade que o carbono tem de formar vários grupos de compostos orgânicos. Nesta lição iremos estudar as diversas disposições que os átomos de carbono podem estruturalmente apresentar-se. 24 Química Orgânica I O que será Isomeria? É o fenómeno em que dois ou mais compostos apresentam a mesma fórmula molecular mas com diferentes fórmulas estruturais. Isómero - São compostos com a mesma fórmula molecular mas com diferentes distribuição espacial dos seus átomos. Nos compostos orgânicos encontramos vários tipos de isomeria: 1. Isomeria Estrutural Isomeria de Cadeia: Cadeias Normais Cadeias Ramificadas Exemplo: C4H10; CH3–CH2–CH2–CH3; CH3 – CH – CH3 │ CH3 Ramificação Cadeia Normal Cadeia Ramificada Isomeria de Posição: Têm-se em conta a posição da insaturação (ligação dupla ou tripla) ou a posição de um determinado grupo funcional. Exemplo: C4H8 1 2 3 4 1 2 3 4 CH3 – CH = CH – CH3 CH2 = CH – CH2 – CH3 Posição 2 (carbono 2) Posição 1 (carbono 1) Exemplo: C3H7X; 3 2 1 1 2 3 CH3 – CH2 – CH2 – X; CH3 – CH – CH3 │ Grupo funcional X Posição 1 (carbono 1) Posição 2 (carbono 2) Isomeria de Função Química Orgânica I 25 Têm-se em conta a função orgânica pertencente. Quando dois compostos apresentam a mesma fórmula molecular, mas pertencem a funções orgânicas diferentes. Exemplo: C3H6O; O O ║ ║ CH3 – C – CH3 CH3 – CH2 – C – H Função orgânica: Cetona Função orgânica: Aldeído 2. Isomeria Espacial ou Estereoisomeria Isomeros espaciais ou estereoisomeros diferem entre si na disposição dos átomos no espaço. Isomeria Geométrica (CIS/TRANS) Exemplo: C4H6X2 X X X CH3 C = C C = C CH3 CH3 CH3 X Cis - isómero Trans – isómero X é um heteroátomo ou grupo de átomos Isomeria Óptica Fenómeno de existência de um composto que se comporta em relação a um outro como imagem e objecto num espelho. Este tipo de isomeria só existe quando temos átomos assimétricos (ex: com quatro substituintes diferentes). O número de isómeros é determinado pela forma 2 n , onde n é o número de átomos assimétricos existentes no composto. Exemplo: a a b C d d C b g g 3. Isomeria de Conformação É caracterizada pela diferença da posição dos átomos constituintes no espaço. 26 Química Orgânica I Pode-se ter um arranjo em que os átomos de hidrogénio, por exemplo, encontram-se posicionados um atrás do outro – Conformação ecliptica Pode-se ter um arranjo em que os átomos de hidrogénio, por exemplo, não ficam exactamente um atrás do outro – Conformação escalonada;. Exemplo: C2H6 H H HH HH H HH H H H Ecliptica (Eclipsada) Escalonada (Alternada) 4. Tautomeria É um caso ―especial‖ da isomeria, que ocorre quando têm se compostos com a mesma fórmula molecular mas diferente posição de um átomo de Hidrogénio. Exemplo: C3H6O O H HO ║ │ │ │ CH3 – C – C – CH3 CH3 –C – C – CH3 │ │ │ Cetona Álcool Química Orgânica I 27 Auto-avaliação Exercícios 1. Quantos isómeros o composto com fórmula molecular C4H8 pode formar? Indique os respectivos nomes. 2. Escreva os isómeros de função para o composto com a fórmula molecular C4H8O; 3. Qual a condição para a existência da isomeria óptica? 4. Indique a alternativa correcta. Isómeros estruturais têm: a) A mesma fórmula empírica e molecular; b) As mesmas propriedades físicas e químicas; c) Fórmulas gerais diferentes; d) O mesmo arranjo dos seus átomos. 28 Lição no 05 Lição no 05 Compostos Orgânicos. Nomenclatura e grupos funcionais Introdução Nesta lição, aprenderemos como se atribuem nomes aos compostos de carbono (compostos orgânicos) aplicando as regras de nomenclatura estabelecidas pela IUPA. Também aprenderemos a escrever as fórmulas dos compostos orgânicos a partir dos seus nomes. A lição também, aborda as principais funções (classes e/ou família) dos compostos orgânicos, a sua fórmula geral (a partirda qual se obtém todos os compostos da respectiva série homóloga) ou grupo funcional (a partir do qual se identifica a série) e as principais características dos compostos orgânicos. Quanto tempo? Você deve dispender cerca de 60 minutos para estudar esta lição. Ao completar esta lição, você será capaz de: Objectivos da lição Interpretar as principais regras de nomenclatura estabelecidas pela IUPAC para dar nome aos compostos orgânicos; Identificar e nomear os radicais orgânicos numa cadeia carbónica; Nomear os compostos orgânicos tendo em conta as regras de nomenclatura estabelecidas pela IUPAC; Escrever as fórmulas dos compostos orgânicos a partir dos seus nomes; Identificar as principais funções dos compostos orgânicos; Identificar as fórmulas gerais e os grupos funcionais de cada família de compostos orgânicos; Lição no 05 29 Identificar as características principais das funções e classes principais dos compostos orgânicos. A diversidade de compostos orgânicos fez com que houvesse necessidade de se definir algumas regras de nomenclatura. Nesta lição iremos abordar os princípios que normam a nomenclatura dos compostos orgânicos. Como é que se dá nomes aos Compostos orgânicos? Em 1957 foi estabelecido pela IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), um conjunto de regras que permite estabelecer uma sequência de nomes para os compostos orgânicos. Comecemos por fixar os Prefixos que indicam a quantidade de átomos de carbono No de átomos de Carbono 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 Prefixo Met Et Prop But Pent Hex Hept Oct Non Dec Icos Para começar veremos como se nomeiam os Radicais: Os radicais são considerados restos dos compostos orgânicos, formados pela perca de um átomo de Hidrogénio formando o respectivo radical. O nome do radical é indicado segundo a regra: Prefixo (n 0 de átomos de carbono) + terminação “il” 30 Lição no 05 Tabela 2: Alguns Radicais Radical Nome CH3 – Metil CH3 – CH2 – C2H5 – Etil CH3 – CH2 – CH2 – C3H7 – n-propil CH3 – CH – │ CH3 C3H7 – Isopropil CH3 – CH2 – CH2– CH2 – C4H9 – n-butil CH3 – CH2– CH – │ CH3 C4H9 – s-butil CH3 │ CH3 – C — │ CH3 C4H9 – t-butil CH3 – CH– CH2 – │ CH3 C4H9 – Isobutil Você pode nomear os compostos orgânicos de várias formas a Saber: 1- Nomenclatura Substituitiva Regras: Escolhe-se a cadeia mais longa, que contenha maior número de átomos de carbono (compostos saturados) ou que contenha maior número de ligações múltiplas (compostos insaturados), ou ainda, que contenha o átomo de carbono com o grupo funcional (compostos orgânicos com grupos funcionais) e considera-se como cadeia matriz. As restantes porções consideram-se radicais; Lição no 05 31 Enumera-se os átomos de carbono da cadeia matriz começando da extremidade mais próxima da extremidade que conduz a um resultado baixo na soma dos números indicadores dos radicais; No caso em que um radical (grupo alquil ou aril) aparece mais do que uma vez como radical, usam-se os prefixos: di, tri, tetra, penta, etc. para indicar a existência de dois, três, quatro, cinco, etc. radicais respectivamente, indicado a posição (através dos números) de cada um dos radical. Se houver mais do que um radical indica-se na nomenclatura obedecendo a ordem alfabética ou de complexidade dos radicais. Os números são separados por vírgulas e o número e a letra por um ífen. Exemplo: CH3 C2H5 1 2│ 3 4│ 5 6 7 CH3 – C – CH2 – CH – CH – CH – CH3 │ │ │ CH3 C2H5 CH3 Ordem Alfabética dos radicais: 4,5-Dietil-2,2,6-Trimetil heptano Ordem de complexidade dos radicai: 2,2,6-Trimetil-4,5-dietil heptano 2- Nomenclatura Radicofuncional Regras: Nesta nomenclatura consideram-se duas situações; Identifica-se na cadeia um substrato correspondente ao primeiro elemento da série, considera-se grupo principal e dá-se nome a este (normalmente usa-se o nome trivial do primeiro composto da série). Todos outros substratos ligados a ele são considerados radicais; Se houver mais do que um radical indica-se na nomenclatura obedecendo à ordem alfabética ou de complexidade dos radicais. 32 Lição no 05 Exemplo: CH3 │ CH3– C – CH = C – CH2 – CH3 │ │ CH3 CH3 Ordem de complexidade dos radicais: Metil etil t-butil etileno Ordem Alfabética dos radicais: Etil metil t-butil etileno 3- Nomenclatura Trivial Regras: Toma-se como base uma porção da cadeia que se pareça com o Metano e considera-se substituído um ou mais átomos de hidrogénio por radical (is); Se houver mais do que um radical indica-se na nomenclatura obedecendo a ordem alfabética ou de complexidade dos radicais. Exemplo: CH3 CH3 │ │ CH 3– CH – CH2 – CH – CH – CH3 │ CH3 Ordem de complexidade dos radicais: Metil isopropil isobutil metano Ordem Alfabética dos radicais: Metil isobutil isopropil metano 4- Nomenclatura Usual Esta nomenclatura não obedece uma regra fixa; geralmente atribuem-se os nomes aos compostos tendo em conta a sua origem (ou fonte de obtenção). Exemplo: O ║ H – C – OH Ácido fórmico (foi primeiramente obtido pela extração do corpo da Formiga) O ║ CH3 – C – OH Ácido Acético (componente do Vinagre) Lição no 05 33 O ║ CH3 – CH2 – C – OH Ácido Propionico (Resina da madeira) O ║ CH3 – CH2 – CH2 – C – OH Ácido Butirico (Manteiga) Actividade 1 Qual a origem das designações (nomenclatura usual) dos seguintes compostos orgânicos: Ácido lático, Ácido ascóbico e Ácido valérico. Comentário: Compare as suas respostas com a dos seus colegas. Se não chegarem a consenso sobre as vossas respostas consultem o tutor de especialidade para confirmar se responderam correctamente. Reactividade dos Compostos orgânicos As reações orgânicas ocorrem tendo em conta a capacidade que uma substância tem de reagir lentamente ou rapidamente. As principais razões da reactividade são os efeitos electrónicos resultantes da estrutura. Electronegatividade Entende-se por electronegatividade a capacidade dos nucleos dos atomos atraírem para si os electrões de valência. Por exemplo, na ligação do carbono com o oxigénio os pares de electrões estão mais desviados para o oxigénio, isto faz com que o Carbono tenha uma carga parcial positiva e o Oxigénio carga parcial negativa. Exemplo: δ+ δ- δ+ δ- δ- δ+ C O C O ou O C Electronegatividade: 2,5 3,5 Efeitos Indutivos É a alteração da densidade electrónica de um átomo ou conjuto de átomos pela influência de um outro átomo ou conjunto de átomos. A indução diminui com o aumento da cadeia. Exemplo: δ δ+ δ+ δ-C C O 34 Lição no 05 Efeito indutivo + I (+ I efeito) – Ocorre quando se tem um conjunto (ou grupo) de átomos que aumentam a densidade de um outro átomo ou centro (cedem electrões). Exemplo: δ++ δ+ R CH2 CH3 + I efeito 1. Efeito indutivo - I (- I efeito) – Ocorre quando se tem um conjuto de (ou grupo) de átomos que retiram electrões (ex. Halogénio) Exemplo: δ+ δ- R CH2 X onde; R - radical - I efeito X – grupo que retira electrões Efeitos Mesoméricos Este efeito é induzido pelos átomos com electrões п (pi). Quando os átomos tem ligações pi alternadas fala-se de mesomeria (efeito mesomérico), nestes compostos os electrões do tipo pi alternam-se numa conjugação numa conjugação simples. E quando têm somente ligações δ (sigma) fala-se de indução (efeito indutivo). п – p; é uma ligação dupla que se altera com uma ligação do tipo p (que é caracterizada por apresentar electrões livres). O efeito mesomérico faz com que os compostos sejam bastante estáveis; Em todos campos de ligações onde se têm os efeitos mesoméricos verifica se uma deslocalização dos electrões e formam as designadas ―estruturas limites‖ – uma estrutura imaginária que representa a molécula num determinado estado. Exemplo: (electrões п) (electrões livres – p) CH3 (─) (+) CH3 C = C – N C = C – N CH3 CH3 (─) I O I I O I ║ (+) │ C – C = C – C – R C – C = C – C – R Efeito mesomérico – M ―diminui a densidade dos electrões dos resíduos orgânicos‖ Efeito mesomérico + M ―aumenta a densidade dos electrões dos resíduos orgânicos‖ Lição no 05 35 Quais as Principais Funções Orgânicas? Existem várias funções orgânicas. Nesta aula iremos tratar apenas algumas funções orgânicas básicas para o entendimento da química orgânica. A tabela apresentada abaixo mostra as principais funções orgânicas, fórmulas gerais e/ou grupo funcional e principais características de cada uma delas. Tabela 3: Principais Funções Orgânicas FUNÇÃO CARACTERÍSTICAS H id ro ca rb o n et o s Alifáticos ou Acíclicos Alcanos: CnH2n + 2 n ≥ 1 Só ligações simples Alcenos: CnH2n n ≥ 2 Uma ligação dupla Alcinos: CnH2n – 2 n ≥ 2 Uma ligação tripla Dienos: CnH2n – 2 n ≥ 3 Duas ligações duplas Cíclicos Cicloalcanos: CnH2n n ≥ 3 Cadeia cíclica saturada Cicloalcenos: CnH2n -2 n ≥ 3 Cadeia cíclica com uma dupla ligação Aromáticos: CnH2n – 6 n ≥ 6 Apresentam o anel benzeno Haletos ( Haletos de Alquil) CnH2n + 1 – X n ≥ 6 Apresentam um radical alquil ligado a um Halogénio Álcoois Grupo ―OH‖ ligado a carbono saturado │ R – C – OH │ Fenóis Grupo ―OH‖ ligado a um anel aromático R – OH (R – radical aril) Aldeidos Grupo carbonilo ligado ao Hidrogénio: O ║ ─ C ─ O ║ R ─ C ─ H Cetonas Grupo carbonilo ligado à dois carbonos : O ║ ─ C ─ O ║ R ─ C ─ R 1 Ácidos carboxílicos Grupo carboxílo: O ║ ─ C ─ OH O ║ R ─ C ─ OH Ésteres Grupo carboxíilo (a), com o Hidrogénio substituído por um radical. O ║ R ─ C ─ O ─ R 1 Aminas Grupo amino (─NH2) ligado ao carbono. R─NH2 ; R2NH ; R3N Amidas Grupo carbonilo ligado a um grupo amino. O ║ R ─ C ─ ONH2 36 Lição no 05 Auto-avaliação Exercícios 1. Dê nomes aos seguintes compostos (Substitutiva e Radicofuncional/trivial): CH3 CH3 – CH – CH3 | | a) CH3 – C – CH2 – CH – CH3 b) CH3 – C = CH – CH3 | | CH3 CH3 c) CH3 – CH – C ≡ C – CH3 d) CH = C – CH2 – CH3 | | | CH3 CH2 – CH2 2. Escreva as fórmulas de constituição dos seguintes compostos: a) 2,3-Dimetilpropano b) 3-Etil-2,3-dimetilhexano 3. Quais os compostos do número 1 que possuem átomos de carbono terciário? Lição no 05 37 Resumo Resumo Nesta unidade esperamos que tenha apreendido e aprofundado, seus conhecimentos sobre o historial da quimica orgânica, as etapas do seu surgimento, e as propriedades características dos compostos orgânicos. A química orgânica, como ramo da química teve um contínuo desenvolvimento nas várias fases da história. As premissas para o seu surgimento existem desde os tempos pré-históricos. Este acto é fundamentado pelos inúmeros processos de síntese relacionados com este ramo da química. A química orgânica, tal como a conhecemos hoje, tem seus primórdios no fim do sec. XVIII e princípios do sec. XIX, quando se começou a fazer grandes esforços para isolar compostos orgânicos puros a partir de estratos naturais. O marco histórico marcante é a desmoronação da teoria da força vital através da síntese de Fredric Wöhler (1928). Esta química estuda os compostos de carbono exceptuando o Carbono, seus Óxidos, Ácido Carbónico e Sais inorgânicos. Os compostos orgânicos apresentam átomos de carbono ligados entre si por ligações covalentes originando uma vasta gama de compostos de uma mesma família. Eles diferem estruturalmente dos inorgânicos a que faz com que apresentem consequentemente uma série de diferenças nas propriedades e na aplicação. Os compostos orgânicos são caracterizados por basicamente apresentarem sequências de átomos de carbono ligados entre si por ligações covalentes. Nestas cadeias os átomos de carbono são classificados de acordo com o número de outros átomos de carbono com que estabelecem ligações. Os compostos orgânicos podem ser representados graficamente através de símbolos que mostram os átomos que constituem a molécula. Estes compostos são caracterizados por apresentar o fenómeno de isomeria, fenómeno em que dois ou mais compostos apresentam a mesma fórmula molecular mas com diferentes fórmulas estruturais. Dependendo da estrutura e função orgânica estes podem apresentar diferentes tipo de isomeria (isomeria estrutural, isomeria espacial ou estereoisomeria, isomeria de conformação e tautomeria). Em 1957 foi estabelecido pela IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), um conjunto de regras que permite estabelecer uma sequência equívoca de nomes para os compostos orgânicos. Este conjunto de regras permite escrever o nome de qualquer composto orgânico. E estes compostos podem ser nomeados tendo em conta a nomenclatura substituitiva, radicofuncional ou trivial. As reações orgânicas ocorrem tendo em conta a capacidade que uma substância tem de reagir lentamente ou rapidamente. E esta capacidade depende, dentre outros, dos efeitos electrónicos (electronegatividade, efeitos indutivos e mesoméricos), que determinam o tipo e a forma de reacção de um determinado composto orgânico. 38 Lição no 05 Respostas dos exercícios Lição1 1. R: Química orgânica é a parte da química que se dedica ao estudo dos compostos de carbono exceptuando o próprio carbono e o sais do ácido carbónico. Compostos orgânicos são todos aqueles compostos que estruturalmente apresentam átomos de carbono ligados covalentemente e caracterizados por possuírem propriedades covalente acentuadas. 2. R: a) Teoria da força vital ou vitalismo. b) A síntese de Woller, traduzido pela equação: NH4OCN Δ NH2 – CO – NH2 Cianato de amónio Ureia 3. R: Pelo facto dos compostos orgânicos terem sido por muito tempo considerados compostos obtidos exclusivamente de matéria viva, o termo compostos de carbono é abragente aos compostos obtidos de matéria mineral com propriedades orgânicas. Lição 2 1. R: Nos compostos orgânicos o carbono apresenta valência IV 2. R: Os átomos de carbono podem apresentar ligações saturadas (simples) e ligações insaturadas (duplas ou triplas). 3. Os compostos orgânicos são caracterizados por apresentarem ligações covalentes e raramente são solúveis em água (raramente formam electrolitos) enquanto que os compostos inorgânicos apresentam maioritariamente ligações iónicas e são frequentemente solúveis em água (formam electrólitos). 4. R: Hibridização sp3, sp2 e sp. Lição 3 1. R: a) Heterogénea, Saturada, Normal b) Heterociclica e Saturada Lição no 05 39 2. R: I - Composto a) II- todos os átomos de carbono dessa cadeia são secundários. 3. R: 1. a) C4H8O b) C3H6O 2. a) C4H10 b) C4H8 Lição 4 1. R: Pode formar dois isómeros; Buteno-1 e Buteno-2 2. R: CH3 – CH2 – CH2 – CHO e CH3 – CH2 – CO – CH3 3. R: A existência de isomeria optica é condicionada pela existência de carbonos assimétricos. 4. R: a) Lição 5 1. R: a) 2,2,4-Trimetilpentano e Isobutiltrimetilmetano b) 3,4-Dimetilpenteno-2 e Isopropildimetiletileno c) 4-Metilpentino-1 e Isopropilmetilacetileno d) 1-Etilciclobuteno-1 2. R: CH3 CH3 | | a) CH3 – C – CH3 b) CH3 – CH – CH – CH2 – CH2 – CH3 | | CH3 CH3 4. R: Composto b) Leitura complementar AICHINGER-MANGE. Química Básica-3 ”Orgânica‖. E.P.U. São Paulo, 1992 MAHAN; B. H. Química. Um Curso Universitário. 2 a edição. Editora Edgard Bücher. São Paulo, 1972. RUSSEL, John B. et all. Química Geral. Volume I e II 2 a edição. Editora Markron Books. São Paulo, 1994. 40 Lição no 05 Unidade n° 02 Hidrocarbonetos Introdução Nesta unidade analisaremos os hidrocarbonetos. O que seriam os Hidrocarbonetos? Nesta unidade iremos abordar com detalhes a classificação dos hidrocarbonetos e alguns dos seus derivados, considerando a particularidade das características de cada grupo de compostos que constituem essa família. Neste sentido, a primeira lição aborda os hidrocarbonetos saturados, como sendo todos compostos orgânicos constituídos exclusivamente por carbono e hidrogénio e apresentando apenas ligações simples entre os átomos de carbono. Nesta lição fez-se a revisão da nomenclatura dessa classe de compostos orgânicos, também estudou as suas propriedades químicas e físicas. Na segunda lição tratamos da constituição dos compostos orgânicos, sua classificação e estudo aprofundado da nomenclatura deste grupo de compostos. A terceira e quarta lição é dedicada ao estudo dos hidrocarbonetos insaturados. Em ambas lições você terá a oportunidade de aprofundar seus conhecimentos sobre a característica principal destes grupos de compostos orgânicos, caracterizados por apresentar insaturação entre átomos de carbono, que pode ser uma dupla ou tripla ligação. Para além disso, a lição aborda o tipo de reacção específica desse grupo de compostos que são caracterizados por apresentar uma insaturação entre dois átomos de carbono. Nestas lições serão destacadas as propriedades físicas e químicas, bem como as aplicações dos principais compostos desta classe. Na quinta lição trataremos dos hidrocarbonetos aromáticos, compostos caracterizados por apresentar anel aromático. Ela aborda a nomenclatura, as propriedades físicas e químicas desse grupo de compostos orgânicos. No fim desta lição trata-se dos compostos heterocíclicos, grupo de compostos cíclicos que apresentam no anel um átomo diferente de carbono e hidrogénio, sua classificação e propriedades. Na última lição desta unidade introduz-se os derivados de carbono, Haletos de alquilo e Arilo, e Compostos Organometalicos. Ela aborda a caracterização e identificação estrutural dos derivados dos hidrocarbonetos, a nomenclatura, as propriedades físicas e químicas, destacando a reactividade desse grupo de compostos orgânicos. Lição no 05 41 Ao completar esta unidade, você será capaz de: Objectivos da unidade Definir o conceito de hidrocarbonetos; Caracterizar os compostos que constituem a família dos hidrocarbonetos; Identificar as principais classes dos compostos que pertencem a família dos hidrocarbonetos; Identificar as fórmulas gerais de cada classe dos hidrocarbonetos; Identificar os principais derivados dos hidrocarbonetos; Conhecer as principais formas de hidrocarbonetos existentes no País. Actividade 2 Faça uma pesquisa bibliográfica sobre as principais reservas de gás natural e petróleo em Moçambique, indique as províncias onde ocorrem. Comentário: Faça a actividade em grupo de dois ou três. No final da actividade cada grupo deve trocar o seu trabalho e avaliar o trabalho do outro grupo tendo em conta os seguintes aspectos: autenticidade, fontes consultadas e atualidade da informação. Entregar a nota de avaliação ao tutor de especialidade. 42 Lição no 05 Lição no 01 Hidrocarbonetos saturados. Alcanos Introdução Nesta lição, abordaremos com detalhe a classe dos hidrocarbonetos saturados, sua classificação e propriedades particulares deste grande subgrupo de compostos orgânicos. Com esta lição pretendese que você adquira conhecimentos que lhe ajudarão a interpretar os vários fenómenos que ocorrem no seu quotidiano, como a queima de combustíveis fósseis e biocombustíveis. Os compostos orgânicos tratados nesta lição e nas lições subsequentes encontram particular aplicabilidade nas diferentes indústrias, entre as quais a petroquíomica, a farmacêutica, a alimentar, entre outras, pois muitos desses produtos são derivados do petróleo bruto. Quanto tempo? Você deve dedicar cerca de 90 minutos para o estudo desta lição Ao completar esta lição, você será capaz de: Objectivos da lição Caracterizar estruturalmente os hidrocarbonetos saturados; Caracterizar a classe dos Alcanos; Identificar estruturalmente os compostos que constituem a série dos alcanos; Identificar as principais formas de obtenção dos alcanos; Nomear, com base nas diferentes formas de nomenclatura, os compostos desta classe; Identificar as principais reações desta classe dos hidrocarbonetos. Lição no 05 43 Nesta lição irá estudar os alcanos, um hidrocarboneto saturado. Mas antes de iniciar o estudo deste tipo de hidrocarboneto é importante saber o que são hidrocarbonetos de forma generalizada e quais os grupos de compostos que os constituem. Hidrocarbonetos A classe dos compostos que formam os vários outros derivados, são os hidrocarbonetos. Eles são compostos formados por dois elementos, o hidrogénio e carbono. Estes são divididos em duas classes principais de acordo com a sua estrutura – alifáticos e aromáticos. Hidrocarbonetos Alifáticos são hidrocarbonetos que não contémo anel benzeno, enquanto que os hidrocarbonetos aromáticos são aqueles que contém um ou mais anéis benzeno. Hidrocarbonetos alifáticos são divididos em alcanos, alcenos e alcinos. Um alcano na forma de um anel é chamado cicloalcano. Cicloalcanos tem a fórmula geral CnH2n. Como é que os Hidrocarbonetos se Classificam? Quanto ao esqueleto fundamental, SCHARLENMYER (1870), chamou: - hidrocarbonetos todos compostos constituídos exclusivamente por carbono e hidrogénio. - derivados a qualquer composto em que o hidrogénio é substituído por um átomo de qualquer outro elemento ou grupo químico. Acíclicos (Alifáticos) Insaturado s HIDROCARBONETO Ciclicos Lineares Ramificados Aromáticos Heterocíclico s Alicíclico s Saturado s Insaturado s Saturado s Alcanos CnH2n + 2 Alcenos CnH2n Alcinos CnH2n - 2 Heteroparafinas Heterocolifinas - Cicloalcanos CnH2n - Cicloalcenos CnH2n – 2 - Cicloalcinos CnH2n - 4 44 Lição no 05 Derivados Fórmula Geral R – X ou R – X – R X – Heteroátomo, estes condicionam um grupo específico de ligações ou formam os chamados grupos funcionais. Uma vez percebida a classificação dos hidrocarbonetos podemos comecar a ver as particularidades de cada grupo de hidrocarbonetos, comecemos pelos Alcanos. O que seriam os Alcanos ou Parafinas? São hidrocarbonetos de cadeia aberta que apresentam somente ligações simples (saturadas) entre átomos de Carbono. A fonte principal desses hidrocarbonetos é o petróleo bruto e gás natural. Fórmula geral: CnH2n + 2 onde; n ≥ 1 Os Alcanos variam de C1 a C30. Tem como elemento mais simples o Metano (CH4). Fórmula estrutural: H │ H – C – H │ H Os Alcanos formam uma série homóloga cuja diferença dos segmentos é um grupo metilénico (- CH2 -). São homólogos porque têm as mesmas propriedades. Os Alcanos podem ser divididos em: ALCANO S ACICLICOS CICLICOS LINEARES RAMIFICADOS Lição no 05 45 Exemplo: CH3–CH2–CH2–CH3; CH3– CH – CH3 │ Cadeia Normal CH3 Ramificação Cadeia Ramificada Nomenclatura Segundo a IUPAC, para nomear os Alcanos de cadeia normal usa-se a regra: CH4 ; Met + ano = Metano CH3 – CH3 ; Et + ano = Etano CH3 – CH2 – CH3 ; Prop + ano = Propano CH3 – CH2 – CH2 – CH3 ; But + ano = n-Butano Para Alcanos com 4 ou mais átomos de carbono indica-se antes a letra n que significa cadeia normal. Na Nomenclatura dos Alcanos Ramificados tem se as seguintes regras: Localizar a cadeia mais longa; Indicar através de números a posição dos substituintes na cadeia principal; Nomear a cadeia principal Tome Nota! (NB: Em caso de dúvida; veja as nomenclatura substutivas, na lição 5 da primeira unidade e nas unidades subsequentes). Isomeria dos Alcanos As ligações simples dos Alcanos possibilitam a rotação em torno do eixo, isto faz com que estes possuam conformações. Além dos isómeros de conformação, os hidrocarbonetos saturados tem outros isómeros, geralmente a partir de sete átomos de carbono. Alcanos a partir de C2 formam isómeros de conformação; Alcanos a partir de C4 formam isómeros de estrutura (estruturais); Isómeros formados C4 – forma 2 isómeros; C5 – forma 3 isómeros; C6 – forma 4 isómeros; C7 – forma 9 isómeros; C10 – forma 75 isómeros Prefixo (n o de átomos de carbono) + Sufixo ―ANO‖ 46 Lição no 05 Características da ligação C – C O Carbono encontra-se no IV GA do sistema periódico, tem 2 subníveis e 4 electrões de valência. C : 1s 2 2s 2 2p 2 6 px py pz px py pz + Energ. sp 3 sp 3 sp 3 sp 3 s s Estado fundamental Estado excitado Estado hibridizado O número de orbitais fundamentais é igual ao número de orbitais que se formam quando ocorre a hibridização, porém apresentam estruturas diferentes. s p sp Comprimento das ligações C – C Simples = 1,54 Ao Duplas = 1,34 Ao Triplas = 1,20 Ao Os Alcanos são caracterizados por apresentar uma hibridização do tipo sp 3 , resultante da fusão de nuvens electrónicas do subnível s e p, onde uma orbital s (esférica) funde-se com três orbitais p (helicoidais, px, py e pz), consequentemente eles apresentam ligações saturadas (simples), sigma (δ) entre átomos de carbono. Exemplo: A molécula do metano (CH4) tem a seguinte estrutura; │ ─ C ─ │ y x z z x y x y = 109,8 oC sp3 sp3 sp3 sp3 ps Lição no 05 47 Exemplo: molécula de Metano (CH4) Propriedades físicas A temperatura ambiente: Os Alcanos com C1 à C4 – são gases Os Alcanos com C5 à C17– são líquidos Os Alcanos com C18à C ∞ – são sólidos São insolúveis em água, mas bem solúveis em solventes orgânicos (Álcool, Éter, etc.). A solubilidade diminui com o aumento da cadeia carbónica. Em geral possuem pontos de fusão (PF) e pontos de ebulição (PE) baixos, porém, estes aumentam com o aumento da cadeia carbónica. Actividade 3 1. Com ajuda dos esquemas de classificação dos hidrocarbonetos e dos alcanos, faça a classificação dos seguintes compostos: Propano, Ciclobutano e 2metilpentano. 2. Quando é que se diz que dois ou mais compostos são isómeros? Comentário: Compare as suas respostas com a dos seus colegas. Consulte as bibliografias recomendadas para esse capítulo e caso não haja consenso entre colegas consulte ao tutor de especialidade. Obtenção dos Alcanos As principais fontes de obtenção dos Alcanos são o gás natural, o petróleo bruto e o carvão natural. Pela destilação fraccionada destes obtêm-se alcanos e os derivados hidrocarbonetos. Obtenção laboratorial Método que ocorre sem alteração da cadeia 1. Hidrólise do Carbeto de alumínio Al4C3 + 12 H2O 3 CH4 + 4 Al(OH)3 Metano 2. Hidrólise de compostos de Grignard R – X + Mg R – Mg – X 48 Lição no 05 2 e – - 2 Na + - 2 e – - 2 Na – R – Mg – X + H2O R – H + Mg(OH)X Alcano CH3 – CH2 – Br + Mg CH3 – CH2 – Mg – Br + H2O CH3 – CH3 + Mg(OH)Br 3. Hidrogenação catalítica de compostos insaturados alifáticos. Consiste na adição, na presença de um catalisador, de moléculas de hidrogénio aos hidrocarbonetos alifáticos que apresentam insaturações. R – CH = CH – R´ + H2 Pt ou Pd R – CH2 – CH2 – R´ Método que ocorre com alteração da ligação C – C 1. Síntese de Wutz Ocorre com o aumento de átomos de carbono – ocorre duplicação da cadeia carbónica. Esta síntese é usada para a obtenção de hidrocarbonetos específicos. R – X + Na R – Na + R’ – X R – R’ (X – Halogénio) ─ NaBr ─ NaBr Alcano CH3 – CH2 – Br + Na CH3 – CH2 – Br + CH3 – CH2 – Na ─ NaBr CH3 – CH2 – CH2 – CH ─ NaBr Butano 2. Síntese de Koble R – COONa 2Na + + 2CH3 – COO – 2CH3 – COO – 2 CH3 + CO2 2 CH3 CH3 – CH3 2 CH3 – COONa CH3 – CH3 + CO2 3. Polimerização de Alcenos Exemplo: n CH2 = CH2
Compartilhar