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1 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Profª Msc Luci Rocha Aveiro FFCL – Bacharelado em Química v 2012 2 CONTEÚDO 1. Estrutura e Ligação..................................................................................05 1.1 A Distribuição de Elétrons em um Átomo ...................................................05 1.2 Ligações Químicas......................................................................................05 1.3 Estruturas de Lewis ....................................................................................06 1.4 Formas de Ressonância .............................................................................07 1.5 Orbitais Atômicos........................................................................................11 1.6 Ligações Covalentes e Orbitais Moleculares..............................................12 1.7 Estruturas e Fórmulas.................................................................................15 2. Histórico......................................................................................................20 Postulados de Kekulé-Couper...........................................................................20 Tipos de carbono...............................................................................................21 Classificação das Cadeias Carbônicas .............................................................21 Cadeias Cíclicas Aromáticas.............................................................................23 3. Nomenclatura dos Compostos Orgânicos...............................................25 Hidrocarbonetos.................................................................................................26 Radicais Orgânicos............................................................................................29 Nomenclatura de Hidrocarbonetos Ramificados...............................................31 4. Funções Orgânicas....................................................................................33 4.1 Compostos Oxigenados............................................................................33 Álcoois...............................................................................................................33 Fenóis................................................................................................................36 Aldeídos.............................................................................................................36 Cetonas................................................................................................. .............37 Éteres.................................................................................................................37 Ácidos Carboxílicos...........................................................................................38 Ésteres...............................................................................................................39 Sais de ácidos carboxílicos................................................................................39 Haletos de ácidos..............................................................................................40 Anidridos de ácidos carboxílicos........................................................................41 4.2 Haletos Orgânicos ....................................................................................42 4.3 Compostos Nitrogenados.........................................................................43 Aminas...................................................................................................... .........43 Amidas...............................................................................................................44 3 Nitrilas................................................................................................................45 Nitro compostos.................................................................................................46 4.4 Compostos Sulfurados.............................................................................47 Tiocompostos.....................................................................................................47 Ácido Sulfônico..................................................................................................48 4.5 Duas ou mais funções...............................................................................49 4.6 Heterociclos ..............................................................................................50 5. Isomeria........................................................................................................52 Isômeros............................................................................................................52 5.1 Isomeria Plana............................................................................................52 Isomeria de Função...........................................................................................52 Isomeria de Cadeia............................................................................................53 Isomeria de Posição..........................................................................................54 Isomeria de Compensação ou Metameria.........................................................55 Tautomeria.........................................................................................................55 5.2 Isomeria Espacial.......................................................................................56 Isomeria Geométrica..........................................................................................56 Isomeria Óptica..................................................................................................57 Exercícios .........................................................................................................60 4 Figura da capa Modelo de espaço preenchido do fármaco antibiótico/antiviral distamicina A ligada à fenda menor do DNA. Notas: Os fármacos que interferem com a atividade do DNA através da ligação com ele tendem a interferir mais com a sua replicação e com a transcrição do que com a produção de proteínas (tradução), sendo portanto de alguma forma mais prejudiciais tanto para as células de divisão rápida como as células de bactérias e as cancerosas, como para as células que fazem transcrição excessiva, como as células que produzem vírus. 5 ESTRUTURA E LIGAÇÃO 1 1.1 A Distribuição de Elétrons em um Átomo A mecânica quântica usa a equação matemática do movimento de onda para caracterizar o movimento dos elétrons em torno do núcleo. As funções de onda ou orbitais nos diz a energia de um elétron e a região do espaço em torno do núcleo onde um elétron é mais provavelmente encontrado. Sendo assim, o orbital atômico mais perto do núcleo tem a menor energia e os orbitais degenerados têm a mesma energia. A seguir descrevem-se alguns princípios usados para determinar que orbitais os elétrons devam ocupar: 1. O princípio de Aufbau: Primeiro os elétrons ocupam os orbitais de menor energia. 2. O princípio de exclusão de Pauli: somente dois elétrons podem ocupar o mesmo orbital e os dois elétrons têm que ter spins opostos. 3. A regra de Hund: os elétrons ocuparão orbitais degenerados vazios antes de ser emparelhado em um mesmo orbital. 1.2 Ligações Químicas Substâncias iônicas são formadas quando um elemento eletropositivo transfere elétron(s) para um elemento eletronegativo Figura 1 – Estrutura do cloreto de sódio Substâncias covalentes são formadas por igual compartilhamento de elétrons, ligação covalente não-polar (H2) ou compartilhamento de elétrons entreátomos com eletronegatividade diferente, ligação covalente polar (HF). 6 1.3 Estruturas de Lewis G.N. Lewis, no início do século XX, propôs a regra do octeto, ou seja, um átomo libera, aceita ou compartilha seus elétrons com a finalidade de alcançar oito elétrons na camada de valência e estabelecendo deste modo as chamadas ligações químicas. As ligações químicas que ocorrem por compartilhamento de elétrons, as ligações covalentes, podem ser representadas pelos respectivos símbolos dos átomos que compõem a molécula, unidos por pontos. Denominamos essas representações de estruturas de Lewis. As estruturas de Lewis devem ser desenhadas atendendo a regra do octeto e são úteis por evidenciar os elétrons de valência presentes na molécula, se há qualquer átomo com elétrons livres (ou isolados) e a carga formal. Figura 2 – Estruturas de Lewis Uma carga formal é a diferença entre o número de elétrons de valência que um átomo tem quando está ligado a nenhum outro átomo e o número de elétrons que têm quando está ligado. CF = e - v - (e - l + ½ e - i) Onde: CF = carga formal e- v= número de elétrons de valência e- l = número de elétrons livres e- i = número de elétrons em ligantes 7 Exemplo: vamos supor que lhe fosse pedido para que desenhasse uma estrutura de Lewis do HNO2. Procure seguir os passos indicados: 1. Determine o número total dos elétrons de valência. 2. Utilize o número de elétrons de valência para formar ligações e completar o octeto com elétrons livres. 3. Se depois que todos os elétrons tiverem sido distribuídos ainda houver algum átomo (exceto o hidrogênio) com o octeto incompleto, use elétron livre para formar dupla ligação. 4. Indique a carga formal para os átomos. Lembre-se: a carga formal não exatamente que determinado átomo têm maior ou menor densidade eletrônica do que outro, em moléculas sem carga formal. H O N OH O N O Figura 3 - Estruturas de Lewis do HNO2 As estruturas de Lewis descrevem as ligações com o auxilio de pontos ou linhas retas para representar os elétrons. Sempre que possível, elas são escritas de modo a dar ao átomo de hidrogênio um par de elétrons e aos demais um octeto. Atribuem-se cargas cada átomo contando seus elétrons na molécula e comparando o total encontrado com o número de elétrons no átomo livre. 1.4 Formas de Ressonância Há moléculas que tem várias estruturas de Lewis corretas. Muitas moléculas e íons poliatômicos não devem ser representados adequadamente por uma única estrutura de Lewis. Para esses casos, Pauling introduziu o conceito de ressonância. Considere o exemplo do íon nitrato (NO3 -). Construção da estrutura de Lewis para o íon NO3 - 1ª Etapa: arranjar os átomos periféricos simetricamente ao redor do átomo central. 8 2a Etapa: N (grupo 15): 5 elétrons de valência; 3 x O (grupo 16): 3 x 6 elétrons de valência; + 1 elétron da carga do ânion. Total: 24 elétrons de valência (ou 12 pares de elétrons). 3a Etapa: ligar os átomos com uma ligação covalente. 4a Etapa: completar o octeto dos átomos periféricos. Todos os 12 pares de elétrons já foram usados e o octeto do nitrogênio ainda está incompleto. É necessária a formação de uma ligação dupla N- O, mas com qual átomo de oxigênio, se os três são equivalentes? Existe, portanto, a possibilidade de três estruturas de Lewis equivalentes para o íon NO3 -: Figura 4 – Formas de ressonância do íon nitrato As estruturas (a), (b) e (c) são chamadas formas contribuintes (formas ressonantes ou formas canônicas); elas são separadas por uma seta de duas pontas. Elas NÃO têm qualquer significado físico isoladamente. Muito menos o íon nitrato é uma mistura dessas três formas, nem elas estão equilíbrio. Como você sabe, o equilíbrio entre compostos químicos é indicado por duas setas reversíveis: . 9 A ressonância deve ser entendida como um modelo para que se possa, ainda mantendo a visão “localizada” de Lewis, expressar o fato experimental de todas as ligações N-O serem iguais no nitrato, por exemplo. Alguns químicos consideram que a ressonância entre estruturas de Lewis é uma maneira de representar uma possível “deslocalização” eletrônica na molécula. Eu prefiro não afirmar que deslocalização de elétrons e ressonância de Pauling sejam equivalentes. Pelo modelo de ressonância de Pauling, o íon NO3 - é considerado um híbrido de ressonância. Experimentalmente, sabe-se que as ligações N-O no nitrato são equivalentes, isto é, apresentam os mesmos comprimentos. Para expressar numericamente tal equivalência entre as ligações, dentro do modelo de ressonância, cunhou-se o termo ordem de ligação (O.L.). Por definição, O.L. é igual ao número de pares compartilhados dividido pelo número de átomos periféricos, e só faz sentido se determinada para cada par de átomos ligados. Por exemplo: considerando o conjunto (ou a superposição) das três formas ressonantes do íon nitrato, as três ligações N-O são iguais, existem quatro pares de elétrons sendo compartilhados e três oxigênios periféricos; logo, a O.L. (N-O) = 4/3. Se você preferir, também pode escrever que a O.L. (N-O) é 1+1/3. Existem ainda discussões a respeito do significado físico de uma O.L. fracionada. Você não pode perder de vista que a O.L., no modelo de ressonância, é apenas um número (com significado físico ainda questionável) obtido a posteriori de um esquema criado para expressar a equivalência de ligações químicas em híbridos de ressonância. Acima de tudo, você deve considerar que o modelo de ressonância leva à descrição da equivalência de todas as ligações N-O no nitrato, o que não ocorreria se apenas uma estrutura de Lewis fosse considerada. Você também pode considerar que a estrutura química exata do nitrato (aquela obtida a partir de dados experimentais) seria estimada pela combinação linear (ou sobreposição) das suas três formas contribuintes. Para uma ligação simples, O.L. = 1; para uma dupla, O.L. = 2; e para uma tripla, O.L. = 3. Em estruturas de Lewis, ordens de ligação fracionadas são possíveis apenas em híbridos de ressonância. A maior parte dos químicos relaciona O.L. fracionada à existência de “deslocalização” de elétrons na molécula como um todo, embora não exista nenhum aspecto dentro do modelo de ressonância de Pauling que associe esses conceitos (ressonância e deslocalização de elétrons). Na minha opinião, dizer, por exemplo, que no nitrato a O.L. (N-O) = 4/3 significa apenas dizer que todas as ligações N-O são iguais. Só isso! 10 Você pode ficar surpreso, mas esse assunto (ressonância x deslocalização eletrônica) é bastante polêmico e ainda leva a debates calorosos na comunidade científica. Existe um critério para determinar se uma forma contribuinte realmente contribui para a correta descrição da estrutura eletrônica de um híbrido de ressonância? A resposta é: sim, e o critério é chamado Princípio da Eletroneutralidade de Pauling. Esse princípio afirma que os elétrons devem ser distribuídos numa molécula de maneira que a carga residual (ou carga formal) de cada átomo seja zero ou o mais próximo possível de zero. Além disso, deve-se considerar, quando possível, que as cargas formais negativas fiquem preferencialmente nos átomos mais eletronegativos (por exemplo: F, O, N, Cl, Br, etc.). Só para lembrar: eletronegatividade é o tema da próxima seção. Considere o exemplo do íon sulfito, SO3 2-. Experimentalmente, todas as ligações S-O neste ânion são equivalentes. Oito formas contribuintes podem ser desenhadas para o sulfito. São elas: Figura 5 – Formas de ressonância do íon sulfito Pelo Princípio da Eletroneutralidade, apenas as estruturas de Lewis do tipo (b) devem, de fato, contribuir para o híbrido de ressonância. Nessas formas, as cargasformais nos átomo são as menores possíveis: o átomo de enxofre tem carga zero e cada oxigênio tem 2/3 de carga negativa. Além disso, a carga negativa está no elemento mais eletronegativo, o oxigênio. Considerando essas três formas contribuintes, a O.L. (S-O) no sulfito é igual a 1+1/3. Uma aplicação bastante familiar do conceito de ressonância se deu na tentativa de explicar o fato experimental de as seis ligações C-C do benzeno (C6H6) serem equivalentes. Seis formas de ressonância [estruturas de Kekulé (a e b) e de Dewar (c-f)] podem ser propostas para o benzeno: 11 Figura 6 – Formas de ressonância do benzeno As formas ressonantes de Kekulé (a e b) (propostas muito antes de Pauling desenvolver seu conceito de ressonância) são as mais aceitas para descrever a ressonância no benzeno. EXERCÍCIO Desenhe as formas contribuintes para o íon nitrito (NO2 - ). Não se esqueça de atribuir as cargas formais aos átomos. Calcule a ordem de ligação N-O no nitrito. 1.5 Orbitais Atômicos Define-se orbital como a região, ao redor do núcleo, mais provável de se encontrar um elétron. A figura a seguir mostra a representação do orbital atômico s prevista por cálculos matemáticos. Figura 7 – Orbitais Atômicos s Os orbitais atômicos p têm dois lobos e um nodo, ou seja, um plano que passa pelo centro dos núcleos chamado plano nodal, onde a probabilidade de encontrar um elétron é nula. 12 Figura 8 – Orbital atômico p A segunda e as camadas maiores apresentam três orbitais atômicos p degenerados que se distribuem no eixos x, y e z. A figura 9 mostra a representações destes orbitais. Figura 9 – Orbitais px, py e pz 1.6 Orbitais Moleculares Orbitais moleculares pertencem à molécula como um todo. A ligação σ é formada pela sobreposição de dois orbitais s. O comprimento da ligação/dissociação da ligação exige energia necessária para quebrar uma ligação ou energia liberada para formar uma ligação. A figura 10 ilustra a ligação σ da molécula de hidrogênio. Figura 10 – Ligação σ no gás hidrogênio 13 A figura 11 mostra que durante a formação da ligação a energia é liberada quando os dois orbitais s se sobrepõem. Os elétrons são atraídos não apenas pelo núcleo do átomo em que se encontra, mas também pelo núcleo do outro átomo envolvido na ligação. A distância entre os dois núcleos, no mínimo de energia, é o comprimento da ligação. Figura 11 – Relação entre energia potencial e distância internuclear na molécula de hidrogênio. O diagrama de OM mostra que o orbital molecular ligante é mais estável – é menor em energia – que um orbital atômico individual.O orbital molecular antiligante, com menor densidade eletrônica entre os núcleos, é menos estável – é maior em energia – que um orbital atômico. Figura 12 – Diagrama de Orbital Molecular (OM) 14 O orbital cuja sobreposição ocorre em fase forma um OM ligante, entretanto se a sobreposição ocorrer fora de fase forma um OM antiligante. A ligação sigma (σ) é formada pela sobreposição fim-início de dois orbitais p. Figura 13 – Orbital molecular σ Uma ligação σ é mais forte do que uma ligação π. A ligação pi (π) é formada pela sobreposição lado-a-lado de dois orbitais p paralelos Figura 14 – Orbital molecular π 15 1.7 Estruturas e Fórmulas A teoria de orbitais moleculares (OM) que trata sobre os elétrons de valência ocupar orbitais moleculares ligantes e antiligantes e nem sempre informa de maneira mais precisa como são as ligações nas moléculas. O modelo de repulsão dos pares de elétrons na camada de valência (RPECV) combina o conceito de Lewis de compartilhar elétrons e pares de elétrons livres com o conceito de orbitais atômicos e adiciona um terceiro princípio: a minimização da repulsão dos elétrons. O metano (CH4) tem quatro ligações C – H com o mesmo comprimento e todos os ângulos de 109,5º sendo, portanto ligações idênticas. Figura 15 – Estrutura do metano Os orbitais usados na formação da ligação determinam os ângulos de ligação, ângulos de ligação tetraédrico = 109,5°. Os pares de elétrons se distribuem no espaço o mais distante possível um do outro. Figura 16 – Hibridização de orbitais 16 Os dois átomos de carbono no etano são tetraédricos, ou seja, cada carbono utiliza quatro orbitais sp3 para formar as quatro ligações covalentes. Figura 17 – Orbitais Híbridos do Etano Cada carbono no eteno forma quatro ligações, entretanto cada um está ligado a apenas três outros átomos. Temos a chamada ligação dupla. Figura 18 – Hibridização no eteno • O ângulo de ligação no carbono sp2 é120°. • O carbono sp2 é o carbono trigonal planar. 17 Figura 19 – Carbono hibridizado em sp2 Os orbitais hibridizados em sp de cada carbono do etino (acetileno) se sobrepõem para formar a ligação σ C – C . Outro orbital sp se sobrepõe ao orbital s do hidrogênio para formar a ligação σ C – H. Para minimizar a repulsão eletrônica, os dois orbitais sp apresentam um ângulo de 180º. Figura 20 – Hbridização sp no acetileno Uma ligação tripla consiste de uma ligação s duas ligações p. Ângulo de ligação do carbono sp : 180°. Figura 21 – Ligações no Radical Metila 18 Figura 22 – Ligações no Ânion Metila Figura 23 – Ligações na molécula de água Figura 24 – Ligação na Amônia e no Íon Amônio 19 Figura 25 – Ligação em Haletos de Hidrogênio Resumo • Uma ligação π é mais fraca do que uma ligação σ. • Quanto maior a densidade eletrônica na região de sobreposição dos orbitais, mais forte é a ligação. • Quanto maior o caráter s, menor e mais forte é a ligação. • Quanto maior o caráter s, maior é o ângulo de ligação. 20 Histórico Em 1777, Bergman define a química orgânica como sendo a química dos compostos existentes nos organismos vivos (animal e vegetal), enquanto a química inorgânica estudava os compostos do reino mineral. Em 1807, Berzelius sugeriu que somente os organismos vivos possuíam uma força vital capaz de produzir os compostos orgânicos. Anos depois, seu discípulo, Wöhler, põe abaixo essa teoria quando obteve, em laboratório, a substância uréia (existe na urina), um composto tipicamente orgânico. A síntese de Wöhler é dada abaixo: Em 1848, Gmelin chama a atenção para o fato de todos os compostos orgânicos conhecidos possuírem carbono. A partir disso, Kekulé reuniu as informações necessárias para definir a química orgânica como sendo a parte da Química que estuda os compostos do elemento carbono. Postulados de Kekulé-Couper 1º - O átomo de carbono é tetravalente, ou seja, pode estabelecer até 4 ligações com outros átomos; 2º - As quatro valências são equivalentes; 3º - Os átomos de carbono podem se ligar entre si formando longas cadeias, é a chamada propriedade de encadeamento. 21 Tipos de Carbono A – Carbono Primário (P): é o carbono que se liga a no máximo 1 outro átomo de carbono. B – Carbono Secundário (S): é o carbono que se liga a 2 outros átomos de carbono. C – Carbono Terciário (T): é o carbono que se liga a 3 outros átomos de carbono. D – Carbono Quaternário (Q): é o carbono que se liga a 4 outros átomos de carbono. Exemplo: Classificação das Cadeias Carbônicas Quanto ao fechamento A – Cadeia Aberta, Acíclica ou Alifática: os átomos de carbono não formam ciclos. B – Cadeia Fechada ou Cíclica: os átomos de carbono formam ciclos. H 3 C-CH-CH 2 -C-CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 (P) (S)(T) (Q) 22 Exemplos: Quanto à disposição dos átomos de carbono A – Cadeia Normal: é toda cadeia que apresenta carbonos primários e secundários. B – Cadeia Ramificada: é a aquela que apresenta pelo menos 1 carbono terciário ou quaternário. Exemplos:Quanto à ligação entre os átomos de carbono A – Cadeia Saturada: é aquela em que os átomos de carbono se ligam somente por ligações simples. B – Cadeia Insaturada: é aquela em que pelo menos 2 átomos de carbono se ligam por ligações duplas ou triplas. 23 Exemplos: Quanto à Natureza dos átomos de carbono A – Cadeia Homogênea: é aquela que não apresenta átomos diferentes de carbono intercalados na cadeia, ou seja, não apresentam heteroátomo. B – Cadeia Heterogênea: é aquela que apresenta átomos diferentes de carbono intercalados na cadeia, ou seja, apresentam heteroátomo. C – Cadeia Homocíclica: é toda cadeia cíclica que não apresenta átomos diferentes de carbono entre os carbonos do ciclo. D – Cadeia Heterocíclica: é toda cadeia cíclica que apresenta o heteroátomo no ciclo. Exemplos: Cadeias Cíclicas Aromáticas São cadeias carbônicas que apresentam em sua estrutura o anel ou núcleo benzênico. Elas são classificadas em mononucleares (1 anel) ou polinucleares (2 ou mais anéis). As cadeias polinucleares são 24 subclassificadas em isoladas (os anéis não apresentam átomos de carbono em comum) ou condensadas (os anéis apresentam átomos de carbono em comum). polinucleada condensada mononucleada polinucleada isolada 25 Nomenclatura dos Compostos Orgânicos De acordo com a IUPAC (International Union of Purê and Applied Chemistry), o nome de um composto orgânico é formado basicamente por: Prefixo + Afixo + Sufixo O prefixo indica o número de carbonos: 1 C = met 7 C = hept 2 C = et 8 C = oct 3 C = prop 9 C = non 4 C = but 10 C = dec 5 C = pent 11 C = undec 6 C = hex 12 C = dodec O afixo indica o tipo de ligação entre os carbonos: AN = apenas ligações simples DIIN = 2 ligações triplas EN = 1 ligação dupla TRIEN = 3 ligações duplas IN = 1 ligação tripla TRIIN = 3 ligações triplas DIEN = 2 ligações duplas ENIN = 1 dupla e 1 tripla O sufixo indica a função do composto: Hidrocarboneto = O Cetona = ONA Álcool = OL Ácido Carboxílico = ÓICO Aldeído = AL 26 Hidrocarbonetos No caso de hidrocarbonetos (compostos que possuem apenas carbono e hidrogênio) insaturados com mais de 3 carbonos, devemos indicar a posição da insaturação através da numeração da cadeia pela extremidade mais próxima dessa insaturação. Exemplos: Obs: Em hidrocarbonetos cíclicos utiliza-se a palavra ciclo como prefixo. Nos ciclos insaturados com apenas uma insaturação não se faz necessário a localização da mesma. Alcanos (parafinas): são hidrocarbonetos de cadeia aberta, saturada e de fórmula geral: CnH2n + 2 , em que n = nº de carbonos Exemplos: H3C – CH2 – CH3 (propano) H3C – CH2 – CH2 – CH3 (butano) CH 2 =CH-CH 2 -CH 3 CH 2 =CH-CH=CH-CH 2 CH 3 CH 3 CH=CH-CH 2 CH 3 ciclobuteno but-1-eno hexa-1,3-dieno pent-2-eno 27 Em condições ambientais alcanos apresentam os estados físicos: gasoso (1 a 4 carbonos), líquido (5 a 18 carbonos) e sólido (mais de 18 carbonos). São obtidos do petróleo e gás natural. Alcenos e alcinos apresentam propriedades físicas semelhantes aos alcanos. Alcenos (olefinas): são hidrocarbonetos de cadeia aberta, insaturada por uma ligação dupla entre carbonos e de fórmula geral: CnH2n , em que n = nº de carbonos Exemplo: H3C = CH – CH – CH2 – CH3 ou C5H10 (pent-1-eno) Alcadienos (diolefinas): são hidrocarbonetos de cadeia aberta, insaturada por duas ligações duplas entre carbonos e de fórmula geral: CnH2n – 2 , em que n = nº de carbonos Exemplo: H2C = CH – CH2 – CH = CH2 ou C5H8 (penta-1,4-dieno) Alcinos: são hidrocarbonetos de cadeia aberta, insaturada por uma ligação tripla entre carbonos e de fórmula geral: CnH2n – 2 , em que n = nº de carbonos Exemplo: C3H4 (propino) CH C-CH3 28 Ciclanos (cicloparafinas): são hidrocarbonetos de cadeia fechada, saturada, só apresentam ligações entre os átomos de carbono do ciclo, e de fórmula geral: CnH2n , em que n = nº de carbonos Exemplo: Aromáticos: são hidrocarbonetos de cadeia fechada que apresentam pelo menos um anel benzênico. São obtidos tanto do petróleo (trimerização do acetileno), como da hulha. Exemplos: ciclopropano CH 3 fenantreno antraceno tolueno benzeno pireno fenaleno 29 Radicais Orgânicos A nomenclatura dos radicais orgânicos é dada por um prefixo (nº de carbonos) e o sufixo il ou ila. Radicais Alquila: são radicais monovalentes (possuem uma única valência livre) e saturados. Derivam dos alcanos. 30 Radicais Alquenilas: são radicais monovalentes derivados de alcenos. Radicais Alquinilas: são radicais monovalentes derivados de alcinos. Arilas: são radicais monovalentes cuja valência livre se encontra num carbono pertencente a um anel benzênico. fenil para-toluil orto-toluil meta-toluil β-naftil α-naftil Radical Benzil: possui um núcleo benzênico ligado a um carbono, no qual se localiza a valência livre. benzil 31 Nomenclatura de Hidrocarbonetos Ramificados Para nomear hidrocarbonetos ramificados, primeiro deve-se identificar a cadeia principal. No caso de alcanos, é aquela que apresenta o maior número de carbonos. Depois, deve-se enumerar a cadeia começando pela extremidade mais próxima ao radical (no caso de hidrocarbonetos insatura-dos deve-se começar a enumerar a cadeia pela extremidade mais próxima da insaturação). O nome do composto é dado pelo nome das ramificações seguido pelo nome da cadeia principal. Exemplos: Em hidrocarbonetos ramificados de cadeia cíclica apenas se faz necessário enumerar a cadeia principal se houver mais de uma ramificação. Nos ciclos insaturados, a numeração se inicia pela insaturação. 32 Exemplos: propil-benzeno orto-metil-etil-benzeno ou 1-metil-2-etil-benzeno 33 Funções Orgânicas CompostosOxigenados: Álcoois Álcoois: são compostos orgânicos que apresentam um ou mais grupos hidroxilas (–OH) ligados a átomos de carbono saturados. Os álcoois são mais reativos que os hidrocarbonetos e apresentam caráter praticamente neutro. Na nomenclatura dos álcoois utilizamos o sufixo ol para indicar o grupo funcional –OH. Exemplos: Obs: Note que a cadeia deve ser enumerada a partir da extremidade mais próxima do grupo funcional. Se a hidroxila estiver ligada a um carbono insaturado o composto é chamado de enol (altamente instável). 34 Classificação dos álcoois: · Quanto à posição do grupo –OH: A – Álcool primário: a hidroxila está ligada a um átomo de carbono primário. B – Álcool secundário: a hidroxila está ligada a um átomo de carbono secundário. C – Álcool terciário: a hidroxila está ligada a um átomo de carbono terciário. Exemplos: · Quanto ao número de hidroxilas: A – monoálcool : possui somente 1 grupo funcional –OH. B – diálcool: possui 2 grupos funcionais –OH. C – triálcool: possui 3 grupos funcionais –OH. 35 Exemplos: Obs - Nomenclatura recomendada pela IUPAC a partir de 2004: Propan-2-ol; metil-propan-2-ol; propan-1-ol ; propano-1,2-diol . 36 Fenóis: são compostos orgânicos em que o grupo –OH se liga diretamente ao anel benzênico. Os fenóis apresentam caráter ácido, em sua nomenclatura usamos o prefixo hidroxi. Exemplos: 1-hidroxi-2-metil-benzeno ou trinitro fenol (nomenclatura usual) 2-metil-fenol ou orto-metil-fenol Aldeídos: são compostos orgânicos que apresentam o grupo carbonila na extremidade do composto. Os aldeídos são desidratantes, em sua nomenclatura usamos o sufixo al. Fórmula Geral: Exemplos: propanal butanodial 37 Cetonas: são compostos orgânicos que apresentam o grupo carbonila entre carbonos. Em sua nomenclatura usamos o sufixo ona. Fórmula Geral: Exemplos: pentan-2-ona pentano-2,3-diona Éteres: são compostos orgânicos que apresentam um oxigênio ligado a dois radicais orgânicos. Os éteres são obtidos a partir da desidratação intermolecular dos álcoois. Sua nomenclatura é composta pelo radical menor escrito com a terminação oxi, seguido do nome do hidrocarboneto correspondente ao radical maior. Fórmula Geral: R – O – R Exemplos: metóxi-etano ou metóxi-benzeno éter-metil-etílico (nomenclatura usual) 38 Ácidos Carboxílicos: são compostos orgânicos que apresentam a hidroxila ligada ao grupo carbonila. Os ácidos carboxílicos tem caráter ácido, em sua nomenclatura usamos o prefixo ácido e o sufixo óico. Fórmula Geral: Exemplos: ácido metanóico ácido 3-metil-pentanóico Obs: os ácidos carboxílicos com mais de 10 carbonos na cadeia principal são chamados de ácidos graxos (constituintes de óleos e gorduras animais e vegetais). 39 Ésteres: são compostos orgânicos usados como essências. Constituem também óleos vegetais e animais, ceras e gordura. São obtidos a partir da reação entre álcool ou fenol e ácido carboxílico. Sua nomenclatura é composta pelo nome do ácido formador trocando a terminação ico por ato seguido pela preposição de e pelo nome do radical correspondente ao álcool ou fenol. Fórmula Geral: Exemplos: propanoato de metila butanoato de fenila Sais de Ácidos Carboxílicos: são compostos orgânicos que derivam dos ácidos carboxílicos pela substituição do hidrogênio da hidroxila por um metal. Em sua nomenclatura, dá-se o sufixo ato ao nome da cadeia de origem (igual aos ésteres) seguido da preposição de e do nome metal. Os sais de ácidos carboxílicos de cadeia longa são denominados de sabões. Fórmula Geral: Exemplo: etanoato de sódio 40 Haletos de Ácidos: são compostos orgânicos que derivam dos ácidos carboxílicos pela substituição da hidroxila por um halogênio. Em sua nomenclatura, o nome do ânion correspondente ao haleto seguido da preposição de e do nome do acido de origem com a terminação ila. Fórmula Geral: Exemplo: brometo de propanoila 41 Anidridos de Ácido Carboxílico: são compostos orgânicos obtidos pela desidratação intermolecular de dois ácidos carboxílicos. Sua nomenclatura é composta pela palavra anidrido seguido do nome do menor ácido e por fim o nome do maior ácido. Caso o anidrido possuir cadeias iguais, não se deve repetir o nome do ácido. Fórmula Geral: Exemplo: ácido propanóico --> Anidrido propanóico 42 Haletos Orgânicos Haletos Orgânicos são compostos derivados dos hidrocarnonetos pela troca de um ou mais hidrogênios por halogênios (F, Cl, Br, I). Fórmula Geral: R – X Exemplos: 1-cloro-butano ou dicloro-diflúor-metano cloreto de butila (nomenclatura usual) C Cl Cl Cl Cl C Cl Cl H Cl C Cl H H Cl tetracloreto de carbono clorofórmio dicloro metano 43 Compostos Nitrogenados Aminas Aminas: são compostos orgânicos derivados da amônia (NH3) pela substituição de um ou mais hidrogênios por radicais alquila ou arila. As aminas são usadas como corantes. Em sua nomenclatura usa-se o nome do radical seguido da palavra amina. Fórmula Geral: Amina primária Amina secundária Amina terciária Exemplos: metil-etil-vinilamina fenilamina 44 Compostos Nitrogenados Amidas Amidas: são compostos orgânicos obtidos normalmente da reação de um ácido carboxílico e uma amina. Em sua nomenclatura, substitui-se a terminação óico do ácido carboxílico por amida. São usados na preparação de medicamentos. Fórmula Geral: N-etil-N-metil-butanoamida Exemplo: propanamida C O NH 2 C H 2 CH 3 C O NH 2 R C O N CH 3 -CH 2 -CH 2 CH 3 CH 2 -CH 3 45 Compostos Nitrogenados Nitrilas Nitrilas: são compostos orgânicos obtidos do ácido cianídrico pela substituição do hidrogênio por um radical derivado de hidrocarboneto. Em sua nomenclatura, usa-se o nome do hidrocarboneto correspondente seguido do sufixo nitrila. Fórmula Geral: R – C N Exemplos: H2C = CH – C NH3C – C N propeno nitrila etano nitrila ou cianeto de vinila cianeto de metila (nomenclatura usual) 46 Compostos Nitrogenados Nitro composto Nitro composto: são compostos orgânicos derivados do ácido nítrico pela substituição da hidroxila por um radical alquila ou arila. Em sua nomenclatura, usa-se o prefixo nitro seguido do nome do hidrocarboneto correspondente. Fórmula Geral: ou Exemplos: 2-nitropentano 2,4,6 trinitrotolueno (T.N.T) R N O O + - 47 Compostos Sulfurados Tiocompostos Tiocompostos: são compostos orgânicos em que ocorre a troca do oxigênio por enxofre. Exemplos: 2-propanotiol metiltioéter etano isopropil mercaptana sulfeto de metila e etila tioálcool tioéter sulfeto de metila e fenila fenil metilsulfóxido S CH 3 H 2 O 2 H 2 O, 25 ºC S CH 3 O 48 Compostos Sulfurados Ácido Sulfônico Ácido Sulfônico: são compostos orgânicos derivados do ácido sulfúrico pela substituição da hidroxila por um radical alquila ou arila. Em sua nomenclatura, usa-se o prefixo ácido seguido do nome do hidrocarboneto correspondente e por fim a palavra sulfônico. Fórmula Geral: ou Exemplo: ácido propano sulfônico S O O OHR 49 Duas ou mais Funções Para compostos que apresentam duas ou mais funções diferentes, deve- se escolher uma função principal de acordo com a preferência: ácido – amida – aldeído – cetona – amina - álcool - éter – haleto. As demais funções serão consideradas secundárias, ou seja, apenas como ramificações da cadeia onde esta a função principal. Exemplos Fluoresceína O OOH COOH N O N O S N O O [Tyr][Cys][Ala] 50 HETEROCICLOS Um composto heterocíclico é uma substância que contem um anel formado por mais de um tipo de átomo. Existem compostos monocíclicos, bicíclicos e até maiores, de grande interesse para químicos e bioquímicos. Muitos compostos naturais apresentam em sua estrutura anéis heterocíclicos, como os que se encontram a seguir: (1) (2) (3) (4) (1) Cocaína – estimulante, anestésico local encontrado nas folhas de coca. (2) Dietilamina de ácido lisérgico (LSD) – psicomimetico. (3) Nicotina – encontrada nas folhas secas do tabaco entre 2% a 8%. (4) Penicilina G – antibiótico. Os compostos heterociclicos aparecem em varias moléculas de interesse biológico, como por exemplo os carboidratos, clorofila, as heminas Pirrol Furano Tiofeno Imidazol Oxazol Tiazol Pirazol 3-Pirrolina Pirrolidina Piridina Pirimidina Purina 51 que dão cor verde as plantas e vermelha ao sangue, respectivamente. Os sítios reativos de muitas enzimas e coenzimas são anéis heterociclicos. Nomenclatura dos compostos heterociclicos Muitos heterociclos tem nomes comuns. Alem disso, há várias formas alternativas de nomear os heterociclos que requerem memorização, não são de aplicação universal e às vezes são confusas. Para compostos monocíclicos utilizam-se prefixos para indicar a presença e a identidade do heteroatomo: aza – para nitrogênio, oxa – para oxigênio, tio – para enxofre, fosfa – para fósforo e assim sucessivamente. Oxaciclobutano Azaciclopentano Oxaciclohexano Tiociclohexano 3-metiloxaciclohexano 52 Isômeros Isômeros são compostos de mesma fórmula molecular que apresentam propiedades diferentes devido a fórmulas estruturais diferentes. Plana Isomeria de Função Isomeria de Função: ocorre quando os isômeros pertencem a funções químicas diferentes. Exemplos: e metóxi metano etanol e propanal propanona e metanoato de metila ácido etanóico 53 Isomeria de Cadeia Isomeria de Cadeia: ocorre quando os isômeros têm cadeias diferentes. Exemplo: e cadeia normal cadeia ramificada 54 Isomeria de Posição Isomeria de Posição: ocorre quando os isômeros têm a mesma cadeia carbônica, mas diferem pela posição das ramificações ou insaturações. Exemplos: e pentan-3-ol pentan-2-ol e but-2-eno but-1-eno 55 Isomeria de Compensação ou Metameria Isomeria de Compensação ou Metameria: ocorre quando os isômeros diferem pela posição de um heteroátomo na cadeia carbônica. Exemplo: e metóxi-propano etóxi-etano Isomeria Dinâmica ou Tautomeria Isomeria Dinâmica ou Tautomeria: é um caso particular de isomeria de posição em que dois isômeros ficam em equilíbrio químico dinâmico através da mudança de posição de H na molécula. Exemplo: etanal etenol propanona propen-2-ol 56 Isomeria Espacial Isomeria Geométrica ou Isomeria Cis -Trans Isomeria Geométrica ou Isomeria Cis –Trans: ocorre em compostos de cadeia aberta que apresentam dupla ligação e que apresentam a estrutura: Sendo obrigatoriamente R1¹ R2 e R3¹ R4 e podendo R1 (ou R2) ser igual a R3 (ou R4). Exemplo: cis-1,2-dicloro-eteno trans-1,2-dicloro-eteno Também ocorre isomeria geométrica em compostos de cadeia fechada, desde de que apresentem dois carbonos do ciclo com ligantes diferentes. Exemplo: cis-1,2-dicloro-ciclopropano trans-1,2-dicloro-ciclopropano 57 Isomeria Óptica Isomeria Óptica: ocorre em compostos que desviam o plano da luz polarizada (luz cujas ondas vibram em um único sentido), esses compostos são denominados de substâncias opticamenteativas. Quando o desvio é para a direita, o composto é denominado de isômero dextrógiro e quando o desvio é para a esquerda, o composto é denominado de isômero levógiro, ambos os isômeros desviam o plano da luz o mesmo ângulo, só que para lados opostos. Uma mistura desse dois isômeros em quantidades iguais não desvia o plano da luz (opticamente inativa por compensação externa), essa mistura é denominada mistura racêmica. Para que um composto desvie o plano da luz, é necessário que ele apresente carbono assimétrico (C*), também chamado de quiral. Carbono assimétrico é aquele que se liga a 4 átomos ou radicais diferentes entre si. Isomeria óptica com 1 carbono assimétrico: ácido lático Temos que o isômero dextrógiro desviará o plano da luz de + a , enquanto o isômero levógiro desviará o plano da luz de – a . Temos ainda a mistura racêmica (d + l = + a – a = 0), que é opticamente inativa. H 3 C-C-C O OH OH H 58 Isomeria óptica com 2 carbonos assimétricos diferentes: Os ângulos de desvio produzidos pelos carbonos assimétricos são diferentes. Considerando esses desvios como a e b com a > b , e + e – representando desvios para a direita e esquerda, respectivamente, teremos os seguintes isômeros possíveis: Serão possíveis duas misturas racêmicas: r1 (d1 + l1) e r2 (d2 + l2). Obs: Van’t Hoff fórmula que moléculas com n carbonos assimétricos possuem 2n isômeros dextrógiros e 2n isômeros levógiros. E ainda 2n – 1 misturas racêmicas. Isomeria óptica com 2 carbonos assimétricos iguais: ácido tartárico C-CH-CH-C OH OH O OH OH O * * 59 Os ângulos de desvio produzidos pelos carbonos assimétricos são iguais. Considerando esses desvios como a , e + e – representando desvios para a direita e esquerda, respectivamente, teremos os seguintes isômeros possíveis: Há a possibilidade do isômero meso, que é opticamente inativo por compensação interna. Há ainda a possibilidade da mistura racêmica r (d + l). 60 EXERCÍCIOS DE FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ORGÂNICA LISTA I NOMENCLATURA E REPRESENTAÇÃO DE ALCANOS 1) 2) 3) 61 4) LISTA II EXERCÍCIOS SOBRE PROPRIEDADES DAS MOLÉCULAS ORGÂNICAS 1) Represente as fórmulas de Lewis para os compostos a seguir e calcule as cargas formais para cada um dos átomos. a) KCN b) (CH3)4NF c) NH3 d) NH4Cl 2) Esquematize os orbitais das espécies CH3 +, CH3 -, BF3, indicando a geometria de cada uma delas. 3) Esquematize os orbitais do composto denominado perfluoroaleno (CF2=C=CF2), indicando a hibridação de cada um dos átomos de carbono e a geometria dessa molécula. 62 4) Desenhe as fórmulas de linhas e de traços para os seguintes compostos: a) CH3CH2CHClCH3 b) CH2=CHC(CH3)2CH2CH2OH c) (CH3)CCH2CCCH2Br 5) Represente as estruturas de ressonância para o diazometano (CH2N2) e indique qual deve ser a mais importante. 6) Dentre os pares de compostos listados a seguir indique qual deve apresentar maior temperatura de ebulição e justifique sua resposta com a base nas interações intermoleculares: a) CH3(CH2)3CH3 e (CH3)2CHCH2CH3 b) (CH3)2CHCH2CH2OH e CH3CH2OCH2CH2CH3 7) Dentre os pares de compostos listados a seguir, indique qual deve ser mais solúvel em água. Justifique sua resposta com base nas forças intermoleculares: a) CH3CH2CH2CH2CH3 e (CH3)3CCH3 b) CH3CH2OH e CH3OH c) HOCH2CH(OH)CH2OH e CH3CH2OCH2CH2CH3 d) CH3CO2Na e CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2OH 8) Apresente os produtos das reações entre os compostos indicados a seguir. Em cada caso identifique os ácidos e as bases, informando qual é o ácido mais forte e a base mais forte. a) H2O + HCl b) CH3NH2 + HF c) NaH + CH3OH d) CH3CO2H + NaOH 63 LISTA III EXERCÍCIOS DE NOMENCLATURA Dê a formula estrutural dos compostos orgânicos a seguir: 1) 5-etil-3-metiloctano 2) 3-etil-hexano 3) 2-bromo-3-clorobutano 4) 1-metil-2-propilciclopentano 5) 1,3-dimetilciclo-hexano 6) 2-iodopropano 7) 4-bromo-2-cloro-1-metilciclo-hexano 8) 2-etil-pentan-1-ol 9) but-3-oxi-propan-1-ol 10) 4-cloro-butan-2-ol 11) butan-1-amina 12) N-etil-hexan-3-amina 13) 3-metil-hept-3-eno 14) pent-4-oxi-but-1-eno 15) 6-bromo-2,3-dimetil-hex-2-eno 16) naftaleno 17) ácido benzenossulfônico 18) 2-clorotolueno 19) 4-nitroanilina 20) benzilamina 21) álcool benzílico 22) bromobenzeno 23) ácido acrílico (propenóico) 24) butanonitrila 25) N-benziletanamida 26) 2-cloropentanoato de etil 27) acetato de benzila (jasmim) 28) acetato de isopentila (banana) 29) butirato de metila (maçã) 30) Furano 64 LISTA IV EXERCÍCIOS DE ESTEREOISOMERIA 1) 2) 65 3) 4) 66 5) 6) 67 7) 68 8) 9) 10)