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Hidrocarbonetos cíclicos anotações em aula Hidrocarbonetos cíclicos 2 Hidrocarbonetos alicíclicos • Os hidrocarbonetos alicíclicos podem ser saturados, sendo denominados ciclanos, ou insaturados, com a presença de ligações duplas – denominados ciclenos – ou triplas – denominados ciclinos. estabilidade de hidrocarbonetos alicíclicos • De maneira geral, hidrocarbonetos alicíclicos com cadeia formada por cinco ou seis átomos de carbono são mais estáveis que os formados por três ou quatro átomos de carbono. Esse fato é em parte explicado pela teoria das tensões de Baeyer. • Entre os ciclanos, o ciclo ‑hexano é o composto com estrutura mais estável energeticamente. • Isso ocorre porque a molécula de átomos de carbono forma uma molécula tridimensional em que os ângulos de ligação entre os carbonos é próxima de 109,5°. • A conformação mais estável do ciclo ‑hexano é denominada conformação cadeira. A d il s o n s e c c o Representação planar do ciclo-hexano (A), com ângulos internos de 120°, e representações tridimensionais da conformação cadeira dessa molécula (B) e (C), em que os ângulos internos medem 111,4°, valor muito próximo ao ângulo de 109,5° das ligações simples de uma molécula de cadeia aberta. H H H H H H H H H H H H 111,4º 120º A B C anotações em aula Hidrocarbonetos cíclicos 3 Propriedades físico-químicas e reações • Os hidrocarbonetos alicíclicos apresentam propriedades físicas e químicas semelhantes às dos correspondentes de cadeia aberta. • São compostos de baixa polaridade e, na maioria, insolúveis em água, mas solúveis em solventes orgânicos de baixa polaridade. • A temperatura de ebulição de hidrocarbonetos alicíclicos não substituídos e de hidrocarbonetos de cadeia aberta não ramificados eleva‑se de forma regular com o aumento da massa molecular. • Quanto maior a massa molecular, maior a superfície de interação entre as moléculas do composto, sendo necessária mais energia (temperatura mais elevada) para separá ‑las umas das outras. Te m pe ra tu ra d e eb ul iç ão ( ºC ) Número de átomos de carbono 300 200 100 0 –100 –200 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Alcanos acíclicosCiclanos lu iz r u b io Fonte: SOLOMONS, T. W. G.; FRYHLE, C. B. Química orgânica. Trad. Júlio Carlos Afonso et al. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012. v. 1. Variação da temperatura de ebulição de alcanos alifáticos não ramificados e ciclanos não substituídos, a 1 atm anotações em aula Hidrocarbonetos cíclicos 4 Reações de substituição • Com a incidência de luz ou aquecimento, podem ocorrer reações de substituição em ciclanos. • Nas reações de substituição, ocorre a troca de um átomo de hidrogênio da molécula por um átomo de outro elemento químico, como um halogênio. Reações de adição • Nas reações de adição de halogênios, os átomos de halogênio das moléculas, como Cl2, Br2 ou I2, ligam‑se aos átomos de carbono do composto orgânico originando uma cadeia carbônica aberta. • De forma análoga, pode ocorrer a adição de haletos de hidrogênio e a hidrogenação catalítica. + BrBr CH2H2C CH2 Calor ou luz Br CH2 Br H2C CH2 H2C CH2 Ciclobutano 1,4-dibromobutano CH2 CH2 CH2 H2C H2C + ClCl + HCl Calor ou luz CH2 C CH2 H2C H2C H Cl Cloreto de hidrogênioCiclopentano ClorociclopentanoCiclopentano Clorociclopentano Cloreto de hidrogênio Ciclobutano 1,4-dibromobutano anotações em aula Hidrocarbonetos cíclicos 5 + HH CH2 Pentano CH2 CH2 CH3H3C Ni 300 wC CH2 CH2 CH2 H2C H2C Ciclopentano Reatividade e as tensões dos anéis • Nas mesmas condições reacionais, ciclanos com três e quatro átomos de carbono no anel tendem a formar produtos de adição, enquanto ciclanos com cinco átomos de carbono ou mais formam produtos de substituição. • Essa diferença de comportamento pode ser explicada pela maior tensão angular existente em anéis com três e quatro átomos de carbono. • Essa tensão faz aumentar a tendência de romper o anel para eliminar a tensão angular e estabilizar a molécula. • Moléculas de ciclano com mais de quatro carbonos podem ser hidrogenadas, porém as condições reacionais são mais difíceis de serem atingidas. Ciclopentano Pentano anotações em aula Hidrocarbonetos cíclicos 6 Fórmula estrutural e nomenclatura de hidrocarbonetos alicíclicos • Hidrocarbonetos alicíclicos são nomeados adicionando ‑se o prefixo “ciclo” aos nomes dos alcanos ou alcenos com o mesmo número de átomos de carbono. • A cadeia fechada é sempre considerada a cadeia principal, e outros átomos de carbono ligados a ela são considerados substituintes. Fórmula estrutural e nomenclatura de alguns hidrocarbonetos alicíclicos substituídos Ciclanos substituídos Ciclenos substituídos Metilciclo-hexano ou CH CH2 CH2 CH2 H2C H2C CH3 1 2 5 6 3 4 1-metilciclopenteno ou CH3 C CH CH2H2C H2C 1 25 34 1-etil-3-metilciclo-hexano ou 1 6 5 4 2 3 CH CH2 CH CH2 H2C CH3 CH2 H2C CH3 3-metilciclo-hexeno ou 3 4 5 6 2 1CH CH CH2 H2C CH CH3 H2C 2-etil-1-metil-4-propilciclo-hexano ou CH CH CH CH2 CH2 H2C CH2 H2C H3C CH2 H3C 6 5 4 3 1 2CH3 3,5-dimetilciclo-hexeno ou 3 4 5 6 2 1CH CH CH CH2 CH CH3 H2C H3C anotações em aula Hidrocarbonetos cíclicos 7 Hidrocarbonetos aromáticos C C C C C C HH H H HH ou Representações atuais da fórmula estrutural de Kekulé para a molécula de benzeno. A estrutura híbrida do benzeno é representada por um círculo inscrito num hexágono. • Em 1865, o químico alemão August Kekulé von Stradonitz (1829 ‑1896) propôs uma estrutura para a molécula de benzeno. • Ele sugeriu que os átomos de carbono formavam um anel no qual havia ligações duplas e simples alternadas entre eles, com um átomo de hidrogênio ligado a cada átomo de carbono. • Atualmente, sabe ‑se, por exemplo, que as ligações duplas alternadas do anel do benzeno permitem que elétrons compartilhados nessas ligações tenham certa mobilidade pela molécula, sendo chamados elétrons deslocalizados. • A deslocalização eletrônica é responsável por algumas características moleculares típicas apresentadas por compostos aromáticos, como maior estabilidade termodinâmica em comparação aos compostos correspondentes alicíclicos. anotações em aula Hidrocarbonetos cíclicos 8 nomenclatura e obtenção de hidrocarbonetos aromáticos • Atualmente, a maior parte do benzeno, do tolueno e do xileno é produzida a partir de alcanos provenientes do petróleo. • Para produzir benzeno, por exemplo, pode ‑se aquecer hexano a 400 °C em presença de platina como catalisador. • O naftaleno e o fenantreno, compostos obtidos pela destilação seca do carvão, são hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPA). • Os xilenos e o tolueno são obtidos principalmente a partir do petróleo, são hidrocarbonetos monocíclicos aromáticos. H3C k CH2 k CH2 k CH2 k CH2 k CH3 Pt 400 ºC + 4 H2 Naftaleno (Naftalina) Fenantreno CH3 Metilbenzeno ou tolueno CH3 CH3 1,3-dimetilbenzeno (ou m-xileno) anotações em aula Hidrocarbonetos cíclicos 9 • Para nomear compostos monocíclicos aromáticos derivados do benzeno com apenas um substituinte, basta escrever o prefixo indicativo do substituinte seguido da palavra “benzeno”, como em metilbenzeno. • Quando dois substituintes estão presentes em compostos monocíclicos, os átomos de carbono do anel são numerados pelos substituintes em ordem alfabética, como em 1‑etil‑4‑metilbenzeno. • Também é possível utilizar os prefixos “o”, “m” e “p”. • O prefixo “o” provém da palavra grega orto, que significa “diretamente”, e é utilizado para indicar que os substituintes estão localizados nas posições 1 e 2 do anel benzênico. • O prefixo “m” provém da palavra grega meta, que significa “depois de”, e é utilizado para indicar que os substituintes estão localizados nas posições 1 e 3 do anel benzênico. • Por fim, o prefixo “p” provém da palavra grega para, que significa “mais longe de”, e é utilizado para indicar que os substituintes estão localizadosnas posições 1 e 4 do anel benzênico. H3C CH3CH2 1-etil-4-metilbenzeno p-etilmetilbenzeno 14 CH3 CH3 1,3-dimetilbenzeno m-xileno CH3 CH3 1,4-dimetilbenzeno p-xileno CH3 CH3 1,2-dimetilbenzeno o-xileno 1 2 3 4 1 1 anotações em aula Hidrocarbonetos cíclicos 10 Propriedades e reações químicas dos derivados benzênicos • Em virtude da afinidade intermolecular de compostos benzênicos, essas substâncias apresentam maiores temperaturas de fusão e de ebulição que as das substâncias constituídas pelos hidrocarbonetos alifáticos com o mesmo número de átomos de carbono. • Por ser de baixa polaridade, a maioria dos compostos aromáticos é praticamente insolúvel em água e, por esse motivo, alguns deles são empregados como solventes em sínteses industriais. • De maneira geral, os hidrocarbonetos aromáticos constituídos por moléculas com apenas um anel de benzeno apresentam alta pressão de vapor, ou seja, são voláteis. substituição eletrofílica aromática • As reações de substituição em compostos aromáticos ocorrem em virtude da alta densidade eletrônica do anel, porque a entrada de um substituinte se deve à sua afinidade pelos elétrons presentes no anel. • Por esse motivo, esse tipo de reação é denominado substituição eletrofílica. anotações em aula Hidrocarbonetos cíclicos 11 Halogenação • Nesse tipo de reação, um dos átomos de hidrogênio do anel benzênico é substituído por um átomo de halogênio (Cl2, Br2, I2) na presença de um catalisador. nitração e sulfonação • Na reação de nitração, ocorre substituição de um hidrogênio do anel benzê nico por um grupo nitro (—NO2) proveniente do ácido nítrico (HNO3). • Na reação de sulfonação, ocorre substituição de um hidrogênio do anel benzênico pelo grupo sulfonila (—SO3H) proveniente do ácido sulfúrico (H2SO4). Cl k Cl HClFeCl3+ + H Cl Benzeno Cloro Clorobenzeno Cloreto de hidrogênio HO k NO2 H2OH2SO4+ + H NO2 Benzeno Ácido nítrico Nitrobenzeno Água HO k SO3H H2O+ + H SO3H Benzeno Ácido sulfúrico Ácido benzenossulfônico Água 25 ºC anotações em aula Hidrocarbonetos cíclicos 12 alquilação e acilação de Friedel-crafts • Um grupo de átomos proveniente de um hidrocarboneto que se forma pela retirada de um hidrogênio é chamado grupo alquila – um exemplo é o substituinte metila (—CH3). • Haletos de alquila reagem com hidrocarbonetos aromáticos por substituição, em que um átomo de hidrogênio do anel benzênico é substituído por um grupo alquila. • Esse tipo de reação é denominado alquilação de Friedel‑Crafts. • Os haletos de acila são grupos acila ligados a um halogênio. • Haletos de acila reagem com hidrocarbonetos aromáticos por reações de substituição, nas quais ocorre a substituição de um átomo de hidrogênio do anel benzênico por um grupo acila. • Esse tipo de reação é denominado acilação de Friedel‑Crafts. CH3 Cl HCl+ + H CH3 Benzeno Cloreto de metila (haleto de alquila) Metilbenzeno Cloreto de hidrogênio AlCl3 HCl+ + H Benzeno Cloreto de etanoila (haleto de acila) Metilfenilcetona Cloreto de hidrogênio AlCl3 H3C k Ck Cl O l C k CH3 O l Fórmula estrutural geral do grupo acila: R1 e R2 podem ser substituintes orgânicos, átomos de hidrogênios ou haletos. R1 R2 kk Ol anotações em aula Hidrocarbonetos cíclicos 13 Reatividade de aneis benzênicos substituídos • A presença de substituinte no anel benzênico altera a densidade eletrônica no anel. • Os átomos, ou grupo de átomos, que sofrem variações nas densidades eletrônicas pelo anel benzênico são denominados grupos ativadores, e tornam a reação de substituição em compostos aromáticos mais rápida. • Os átomos, ou grupo de átomos, que causam variação na densidade eletrônica do anel benzênico são denominados grupos desativadores, e tornam a reação de substituição em compostos aromáticos mais lenta. • Os substituintes podem favorecer a ocorrência da reação em átomos de carbono orto e para em relação a sua posição no anel; nesses casos, eles são denominados orientadores orto ‑para. • Podem, ainda, favorecer a reação em átomos de carbono meta em relação a sua posição no anel e, nesses casos, são denominados orientadores meta. Efeito dos substituintes nas reações em anéis benzênicos Orientadores orto ‑para Orientadores meta CH2 NH2 CH3 OH, OR C O N H R C O O R Grupos ativadores Grupos desativadores F, Cl, Br, I C O C N CCl3 SO3H NO2 CF3, OH, C O OR C O H, C O R Grupos desativadores anotações em aula Hidrocarbonetos cíclicos 14 • Produção de 1,3‑dinitrobenzeno • O grupo nitro, k NO2, é: • desativador do anel, pois é mais eletronegativo que ele; • um orientador meta. • Assim, espera ‑se que a nitração do nitrobenzeno ocorra: • mais lentamente que a nitração do benzeno; • com formação majoritariamente do 1,3 ‑dinitrobenzeno. HO k NO2 H2OH2SO4+ + + + NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 NO2 Nitrobenzeno Ácido nítrico 6% 1,2-nitrobenzeno 1% 1,4-nitrobenzeno 93% 1,3-nitrobenzeno Água compostos orgânicos oxigenados I anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados I 2 obtenção do etanol • No Brasil, a produção industrial de etanol é feita principalmente com a cana ‑de ‑açúcar. • Microrganismos transformam os açúcares presentes no caldo de cana, como a glicose (C6H12O6), em etanol (CH3CH2OH) e em dióxido de carbono (CO2). • Esse processo é conhecido como fermentação alcoólica. • A mistura que contém etanol é, então, destilada em colunas de destilação fracionada, para separar o etanol hidratado, que pode ou não ser separado da água. C6H12O6(aq) Levedura 2 CH3CH2OH(aq) + 2 CO2(g) Álcoois Glicose Etanol Dióxido de carbono anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados I 3 obtenção do metanol • Além do etanol, outro tipo de álcool de muita importância econômica e industrial é o metanol (CH3OH). • Atualmente, o metanol pode ser produzido a partir do gás de síntese, uma mistura formada principalmente por monóxido de carbono (CO) e gás hidrogênio (H2). • O gás de síntese pode ser obtido do gás metano (CH4) proveniente de várias fontes, como a biomassa. CH4(g) + H2O(l) CO(g) + 3 H2(g) Metano Água Monóxido de carbono Hidrogênio CO(g) + 2 H2(g) ZnO/Cr2O3 300‑400 ºC CH3OH(g) Monóxido de carbono Hidrogênio Metanol anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados I 4 classificação dos álcoois • As moléculas de substâncias que apresentam o grupo hidróxi (kOH) ligado a um átomo de carbono saturado são classificadas como álcoois. • Um álcool pode ser classificado quanto à quantidade de grupos hidróxi: • Monoálcool: possui um único grupo hidróxi por molécula. • Diálcool, diol ou glicol: dois grupos hidróxi por molécula. • Triálcool: três grupos hidróxi por molécula; e assim sucessivamente. • Os álcoois podem ainda ser classificados de acordo com o átomo de carbono que se liga ao grupo hidróxi. • Álcool primário: grupo hidróxi ligado a um átomo de carbono primário. • Álcool secundário: grupo hidróxi ligado a um átomo de carbono secundário. • Álcool terciário: grupo hidróxi ligado a um átomo de carbono terciário. Nome, fórmula estrutural e classificação de alguns álcoois Nome Fórmula estrutural Classificação Etanol CH2H3C OH Álcool primário Propan-2-ol (Isopropanol) CH OH CH3 H3C Álcool secundário 2 -metilpropan -2 -ol (Terc -butanol) C OH H3C CH3 CH3 Álcool terciário anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados I 5 Propriedades físico-químicas • De forma geral, os compostos orgânicos são classificados de acordo com sua estrutura e composição. • A classificação é feita de acordo com os grupos diferenciados a eles ligados (como o grupo hidróxi, nos álcoois). • Esses grupos são chamados grupos funcionais e caracterizam uma classe de substâncias com propriedades físico ‑químicas semelhantes, ou função orgânica. solubilidade e temperatura de ebulição • O grupo hidróxi é polar e permite que as moléculas de álcool interajam com as moléculas de água por meio de ligações de hidrogênio. • O aumentodo número de átomos de carbono na cadeia resulta em uma redução da solubilidade em solventes polares, como a água. • Quanto maior o número de átomos de carbono na molécula, maior é a temperatura de ebulição. • Álcoois cujas moléculas possuem maior número de grupos hidróxi apresentam maior temperatura de ebulição em relação a monoálcoois equivalentes, devido ao maior número de ligações de hidrogênio. anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados I 6 equilíbrio ácido-base de álcoois • Os álcoois podem atuar como ácidos ou como bases de Brønsted-Lowry dependendo do meio reacional. • Eles se comportam como ácidos diante de bases fortes e como bases diante de ácidos fortes. • O equilíbrio ácido ‑base para um álcool em meio aquoso pode ser representado de forma genérica como: R k OH(aq) + H2O(l) R k O –(aq) + H3O+(aq) Álcool Íon alcóxido Íon hidrônio • A expressão da constante de ionização do ácido é: Ka 5 [H3O+][R k O–] [R k OH] • De acordo com a equação, quanto maior for o valor de Ka, maior será [H3O+], ou seja, maior será a acidez do álcool. • Já o valor de pKa é calculado da seguinte forma: pKa = ‑logKa anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados I 7 Reações de álcoois Reações de desidratação • As reações de desidratação, genericamente classificadas como reações de eliminação, envolvem a retirada de H e OH, na forma de uma molécula de água, dos reagentes. • No caso dos álcoois, uma das formas da reação de eliminação é a chamada desidratação intramolecular. • Havendo a possibilidade de formação de mais de um produto, aquele formado em maior quantidade é o que apresenta o carbono mais estável, que é determinado pela seguinte ordem de estabilidade: Cterciário . Csecundário . Cprimário. CH2 k CH2 170 ºC H2SO4 CH2 l CH2 + H2O k k H OH Álcool Alceno H3C k C k C k C k CH3 k k k k k k CH3 OH HH H H H3C k C k C l C k CH3 k k k k CH3HH H + H2O H3C k C l C k C k CH3 k k k k CH3HH H + H2O 170 ºC H2SO4 Reação predominante Hidrogênio da água proveniente do carbono terciário (menos hidrogenado do que o carbono secundário). Reação menos favorecida Hidrogênio da água proveniente do carbono secundário (mais hidrogenado do que o carbono terciário). anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados I 8 nomenclatura • A nomenclatura da cadeia carbônica principal, ou seja, a cadeia carbônica mais longa à qual se liga o grupo hidróxi, segue as mesmas regras dos hidrocarboneto. • Essa é a base da nomenclatura, à qual se adiciona a terminação “ol”, que identifica a função álcool. • Muitas vezes, é necessário numerar os átomos de carbono da cadeia principal para que se informe a localização do grupo hidróxi, de uma insaturação e/ou da ramificação. • A numeração da cadeia principal deve começar sempre pelo átomo de carbono da extremidade mais próxima ao grupo funcional. • Exemplo: • Prefixo: atribuído de acordo com o número de átomos de carbono da cadeia principal; nesse caso, pent. • Infixo: indica a presença ou não de insaturações na cadeia principal; nesse caso, an. • Sufixo: remete ao grupo funcional; nesse caso, ol. Pentanol H3C k CH k CH2 k CH2 k CH3 1 2 3 4 5 H3C k CH k CH2 k CH2 k CH3 5 4 3 2 1 k k OH OH anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados I 9 Fenóis OH 1 ª etapa: 2ª etapa: 3ª etapa: + O2 O OH1‑10 atm 95‑135 ºC Cumeno Hidroperóxido de cumeno + H3PO4 250 ºC, pressão Benzeno Propeno Cumeno H2SO4 60‑70 ºC O OH OH Hidroperóxido de cumeno Propanona (Acetona) Fenol + obtenção e aplicação • Esses compostos apresentam em sua estrutura molecular a função orgânica fenol, ou seja, anel benzênico substituído por grupo hidróxi ( kOH). • Atualmente, a maior parte da produção mundial de fenol utiliza o benzeno e o propeno como matérias ‑primas, em um processo dividido em três etapas. anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados I 10 Propriedades físico-químicas solubilidade e temperatura de ebulição • Fenóis, assim como os álcoois, tem temperaturas de ebulição mais altas que os hidrocarbonetos de massa molar semelhante devido à presença do grupo hidróxi, que possibilita a formação de ligações de hidrogênio. • Esse grupo funcional também faz com que os fenóis sejam razoavelmente solúveis em água. • Essa solubilidade diminui com o aumento do número de átomos de carbono da cadeia ligada ao fenol, ou seja, com o aumento da parte apolar. acidez de fenóis • O fenol (pKa = 9,89 a 25 ºC) é mais ácido do que o ciclo ‑hexanol (pKa = 18 a 25 ºC). • Além disso, os derivados do fenol também são mais ácidos que os álcoois de massa molar semelhante. • A acidez do fenol é explicada pela estabilidade do íon fenóxido, sua base conjugada. • A carga negativa do átomo de oxigênio pode ser distribuída ao longo do anel benzênico, estabilizando esse íon. OHOH Fonte: SOLOMONS, T. W. G.; FRYHLE, C. B. Química orgânica. Trad. Júlio Carlos Afonso et al. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012. v. 1. Ciclo-hexanol (pKa = 18) Fenol (pKa = 9,89) anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados I 11 oxidação de compostos fenólicos • A oxidação de compostos fenólicos pode ser observada no dia a dia, quando algumas frutas escurecem pouco tempo depois de serem cortadas. • Esse processo ocorre porque os compostos fenólicos reagem com o gás oxigênio do ar. • Ao se oxidarem, esses compostos, inicialmente incolores, formam quinonas, que reagem entre si formando longas cadeias carbônicas, em um processo chamado polimerização, originando pigmentos castanhos. • Esse processo é catalisado por uma enzima presente nas frutas e em outros vegetais, a polifenol oxidase (PFO). O2 PFO + OH OH OHR R Composto fenólico Catecol 1 2 O2 Pigmentos escuros PFO Polimerização + OH O OH OR R Catecol 1,2-benzoquinona 1 2 Esquema da reação de compostos fenólicos catalisada pela enzima polifenol oxidase (PFO). Note a variação dos valores de Nox (em azul) de alguns átomos de carbono do anel benzênico. –1 +1 +1 +1 +2 +2 anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados I 12 nomenclatura • A nomenclatura dos fenóis é feita de modo semelhante à dos álcoois, utilizando ‑se o sufixo “ol”. • O mais comum é considerar o grupo fenol como cadeia principal, indicando os substituintes ligados a ele. • A numeração inicia ‑se, em geral, no grupo hidróxi. OH OH CH31 1 4 4 2 26 6 3 35 5 OH OH Fenol 2-metilfenol ou o-metilfenol Benzenol-1,4-diol (Hidroquinona) anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados I 13 aldeídos obtenção combustão incompleta do etanol • Nos motores dos automóveis a combustão do etanol emite poluentes, como aldeídos. metabolismo do etanol • No organismo também ocorre a oxidação do etanol, catalisada pela enzima álcool desidrogenase (ADH), dando origem ao acetaldeído que, catalisado pelo acetaldeído desidrogenase (ALDH2), dá origem ao ácido acético. Álcool primário Aldeído H3C k CH2 k OH Oxidação H3C k C + H2Ok kk H O Etanol Etanal (Acetaldeído) –1 +1 Etanol Etanal (Acetaldeído) Ácido acético H3C k CH2 k OH ADH H3C k Ck k kk kk H OH O O ALDH2 H3C k C CO2 + H2O anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados I 14 Propriedades físico-químicas • Os aldeídos possuem em comum o grupo funcional carbonila C O na extremidade de uma cadeia carbônica, ou seja, em um carbono primário. • Os aldeídos podem ser representados de maneira simplificada pela fórmula geral R k CHO, em que R representa uma cadeia carbônica aromática ou alifática, ou um átomo de hidrogênio. solubilidade e temperatura de ebulição • Como o grupo carbonila é polar, as moléculas de aldeídos podem interagir entre si por meio de forças de Keesom, do tipo dipolo permanente ‑dipolo permanente. • Logo, os aldeídos apresentam temperaturas de ebulição maiores que os hidrocarbonetos de massa molar semelhante. • Entretanto, uma vez que suas moléculas não podem interagir por ligações dehidrogênio, os aldeídos têm temperatura de ebulição menor que a dos álcoois e fenóis de massa molar semelhante. • O átomo de oxigênio permite que as moléculas de aldeídos formem ligações de hidrogênio com as moléculas de água e, por isso, aldeídos com baixas massas molares apresentam considerável solubilidade em água. • Com o aumento da quantidade de átomos de carbono na molécula, a solubilidade da substância diminui em virtude da predominância da cadeia carbônica apolar. anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados I 15 Reações químicas Redução de aldeídos • Em condições adequadas, as reações de oxirredução em que ocorre a redução desses compostos produzem os álcoois primários correspondentes. adição de álcoois • A adição de álcoois aos aldeídos pode resultar em hemiacetais, que são compostos que apresentam em sua estrutura um grupo hidróxi (kOH) e um grupo k O k R ligados ao mesmo átomo de carbono. OH OH O OHHO HO Grupo álcool Grupo aldeído O OH OHHO HO OH Grupo hemicetal Glicose (cadeia fechada) Glicose (cadeia aberta) H3C k CH2 k C (l) 1 H2(g) H3C k CH2 k CH2 k OH(l)k kk H O Propanal PropanolHidrogênio molecular +1 –1 anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados I 16 nomenclatura • A nomenclatura sistemática dos aldeídos é composta do nome do hidrocarboneto da cadeia principal, adicionado do sufixo “al”. • A numeração da cadeia principal é necessária quando: • A cadeia principal é ramificada. • Existem outros substituintes ligados à cadeia principal. • Existem insaturações na cadeia principal. • Nesses casos, a numeração se inicia pelo átomo de carbono da carbonila. Fórmula estrutural e nomenclatura de alguns aldeídos Fórmula estrutural Nomenclatura sistemática Nomenclatura alternativa Aplicações H CC H O Metanal Formol, formaldeído ou aldeído fórmico Apresenta-se na fase gasosa a 25 °C e 1 atm. Em solução aquosa, é comercializado com o nome de formol, como agente esterilizante e conservante de tecidos biológicos e de produtos cosméticos. H3C CC H O Etanal Acetaldeído ou aldeído acético Matéria -prima na indústria de pesticidas e de medicamentos. CH2H3C CC H O Propanal Propionaldeído ou aldeído propiônico Matéria -prima na indústria farmacêutica e de perfumaria. CH2CH2H3C CC H O Butanal Butiraldeído ou aldeído butírico Matéria -prima para a produção de aromas sintéticos. compostos orgânicos oxigenados II anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados II 2 cetonas obtenção e aplicação • A capacidade mundial de produção de acetona é superior a 10 milhões de toneladas por ano. • A maior parte desse produto é obtida industrialmente por meio do processo Hock, no qual o isopropilbenzeno, mais conhecido como cumeno, é oxidado com oxigênio atmosférico, produzindo propanona (acetona) e fenol. • A carbonila é o mesmo grupo funcional presente nos aldeídos e cetonas, caracterizado pela presença do átomo de oxigênio ligado a um carbono secundário. • Porém, enquanto nos aldeídos o átomo de oxigênio da carbonila está ligado a um átomo de carbono primário, nas cetonas ele se liga a um átomo de carbono secundário. • Além da propanona, outras cetonas podem ser obtidas pela oxidação de álcoois secundários. ++ Fenol PropanonaCumeno O O2 Oxidante Redutor Álcool OHH R1 R2 Cetona O R1 R2 anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados II 3 Propriedades físico-químicas • A diferença de eletronegatividade entre o átomo de carbono e o átomo de oxigênio que constituem a carbonila confere alta polaridade às cetonas. • Aquelas de cadeia carbônica mais curta são líquidas em 25 °C e 1 atm, apresentando temperaturas de ebulição maiores que as dos hidrocarbonetos de igual massa molecular, em virtude das interações do tipo forças de Keesom entre as moléculas. • As cetonas são ainda capazes de formar ligações de hidrogênio com moléculas de água. • Isso faz com que aquelas de cadeia carbônica curta sejam solúveis nesse solvente. • O aumento da cadeia carbônica diminui a solubilidade das cetonas em água, já que as interações do tipo forças de London entre as cadeias ficam mais pronunciadas. • Por apresentar essas propriedades, as cetonas dissolvem compostos orgânicos polares e apolares. O H H O f 1 f f 2 2 Ligação de hi Água Cetona drogênio R2R1 f 1 f 1 Água Cetona anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados II 4 nomenclatura • No nome das cetonas apresentadas anteriormente, pode ‑se observar a terminação “ona” usada para caracterizar essa função orgânica. • Para nomear as cetonas: • 1º passo: localizar o grupo funcional: • 2º passo: numerar os átomos de carbono da cadeia principal: • 3º passo: nomear de acordo com a regra da Iupac: pentan-2-ona. H3C k C k C k C k C k H k k k k kk k k H HH O H H H H3C k C k C k C k C k H k k k k kk k k H HH O H H H 1 2 3 4 5 anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados II 5 Ácidos carboxílicos • Os ácidos carboxílicos são fracos, ou seja, estão pouco ionizados em solução aquosa. • Muitos deles podem ser produzidos naturalmente e estão presentes em diversos produtos. Alguns ácidos carboxílicos de ocorrência natural Ácido carboxílico Fórmula estrutural Ocorrência Ácido butanoico (Ácido butírico) H3C OH O Manteiga rançosa Ácido octadecanoico (Ácido esteárico) H3C OH O Óleos vegetais, chocolate Ácido 2-oxopropanoico (Ácido pirúvico) OH O H3C O Metabolismo da glicose (entra no ciclo de Krebs) Ácido etanodioico (Ácido oxálico) OH OHO O Espinafre, carambola, chá -preto Ácido cítrico HO OH OO OH OHO Frutas cítricas anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados II 6 obtenção e aplicação • Além das fontes naturais, os ácidos carboxílicos também podem ser obtidos por reações de síntese. • Uma delas é a fermentação acética, que envolve reações de oxidação de álcoois e aldeídos. • As reações de oxidação podem ocorrer com outros agentes oxidantes, além do oxigênio, como o dicromato de potássio (K2Cr2O7), para aumentar a rapidez e a eficiência do processo. • Destaca‑se o uso dos ácidos carboxílicos como matéria -prima em diversas sínteses orgânicas e na obtenção de alguns plásticos. • As moléculas dessa função orgânica apresentam em comum o grupo funcional carboxila. • O grupo carboxila (representado simplificadamente como k COOH ou k CO2H) apresenta geometria trigonal plana e atribui polaridade aos ácidos carboxílicos. H3C k CH2 k OH K2Cr2O7/H + H3C k C K2Cr2O7/H + H3C k Ck k kk kk H OH O O Etanol Etanal Ácido etanoico (Ácido acético) –1 +1 +3 R k Ck kk OH O Grupo carboxila anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados II 7 Propriedades físico-químicas Temperatura de fusão e de ebulição • Em virtude da presença do grupo carboxila, as interações intermoleculares nos ácidos carboxílicos são mais fortes que entre moléculas de massas molares semelhantes que apresentam somente o grupo hidróxi. • Desse modo, os ácidos carboxílicos têm temperaturas de fusão e de ebulição maiores que outros compostos de massa molar semelhante. • Os ácidos carboxílicos com cadeias carbônicas alifáticas lineares curtas são líquidos incolores em 25 ºC e 1 atm. • Ácidos carboxílicos com cadeias carbônicas mais longas podem ser sólidos, dependendo do tamanho de sua cadeia e da quantidade de insaturações presente na molécula; são denominados ácidos graxos. solubilidade • A capacidade de formar ligações de hidrogênio com a água também faz com que ácidos carboxílicos de cadeia carbônica curta sejam solúveis nesse solvente. • A solubilidade em água decresce com o aumento da cadeia carbônica. Ácido acético (ácido etanoico) Ácido palmítico (ácido hexadecanoico) Hidrogênio Carbono Oxigênio Ácido acético (ácido etanoico) Ácido palmítico (ácido hexadecanoico) Hidrogênio Carbono Oxigênio Ácido etanoico (Ácido acético) Ácido acético (ácido etanoico) Ácido palmítico (ácido hexadecanoico) Hidrogênio Carbono Oxigênio Ácido hexadecanoico (Ácido palmítico)Ilus tr a ç õ e s : l u Iz r u b Io Enquanto o ácido acético é solúvel em água em qualquer proporção, a presença de uma longa cadeia carbônica apolar torna o ácido palmítico insolúvel em água. anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados II 8 Ionização • Em água, os ácidos carboxílicos podem se ionizar por meio do rompimento da ligação O k H. RCOOH(aq) + H2O(l) RCOO–(aq) + H3O+(aq) Ka [RCOO –][H3O+] [RCOOH] 5 • A constante do equilíbrio de ionização de ácidos carboxílicos apresenta uma tendência geral de diminuição à medida que a cadeia carbônica aumenta, em razão da diminuição da densidade eletrônica próxima ao átomo de oxigênio. Teoria ácido-base de Lewis • Os ácidos carboxílicos são ácidos de Lewis, pois o átomo de hidrogênio do grupo kOH recebe um par eletrônico da água, e ocorre a ionização. R O O Ácido de Lewis O par de elétrons da ligação H — O do ácido se mantém com o oxigênio Base de Lewis O par de elétrons do oxigênio da água é doado para o hidrogênio do ácido HOH H R O O ++ – Carboxilato HO H H – anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados II 9 nomenclatura • Como ocorre com os ácidos em geral, usa ‑se o termo “ácido” para identificar os ácidos carboxílicos. • A terminação é feita com o sufixo “oico”. • Exemplo 1: ácido butanoico. • Exemplo 2: ácido 2‑hidroxipropanoico (ou a‑hidroxipropanoico). CH C H H H H C C H H OH O 4 3 2 1 H3C OH O OH d 3 2 1a anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados II 10 Ésteres e sabões O O H3C(CH2)16C C(H2C)16CH3 OH O H3C(CH2)16C O O H3C(CH2)16C O O CH2HO CH2HO OHHC Parte derivada do propano-1,2,3-triol (glicerol) Partes derivadas do ácido graxo Fórmula estrutural do éster comumente conhecido como estearato de glicerila. C OH O R1 R2HO R2 C O O R1+ H2O+ Esterificação Ácido Álcool Éster Hidrólise Ácido Álcool Éster obtenção e aplicação • A palavra éster tem origem na estearina, ou estearato de glicerila, presente nas gorduras animais e usada há muito tempo na produção de velas e de sabão. • Devido à presença do glicerol, os óleos e as gorduras também são conhecidos como triglicerídios. • Os ésteres são as principais substâncias responsáveis pelo aroma e pelo sabor de flores e frutos. • Ésteres podem ser obtidos por meio de reação entre ácidos carboxílicos e álcoois, em uma reação chamada esterificação. anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados II 11 Transesterificação e a síntese de biodiesel • A reação entre um éster e um álcool é denomi nada transesterificação. • Nesse tipo de reação ocorre a transformação direta de um éster em outro. • A síntese de biodiesel é um exemplo importante do uso industrial da reação de transesterificação. O O O O 3 CH3OH R1 R3 O O R2 O Triacilglicerídio Mistura de ésteres metílico s ácidos graxos – o biodieselde Propano-1,2,3-triol (Glicerol)Metanol + + + + Catalisador O CH3 3 O O CH3 R2 R3 O R1 O CH3 OHHO OH Esquema da reação de transesterificação de um éster de ácido graxo para a formação de biodiesel. Estão destacados grupos denominados alcóxi (ou alcóxido), que são substituídos nos reagentes para formar os produtos. Triacilglicerídio Metanol Mistura de ésteres metílicos de ácidos graxos – o biodiesel Propano-1,2,3-triol (Glicerol) anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados II 12 Propriedades físico-químicas • A função orgânica éster deriva do ácido carboxílico pela substituição do hidrogênio do grupo hidróxi por uma cadeia carbônica. • A polaridade dos ésteres é determinada pela presença do grupo carboxilato e pelo tamanho das cadeias carbônicas dos grupos R1 e R2 que formam suas moléculas. • Os ésteres são menos polares que os ácidos carboxílicos correspondentes, pois o hidrogênio do grupo hidróxi é substituído por uma cadeia carbônica, mais eletronegativa. • Os ésteres geralmente têm temperaturas de fusão e ebulição menores que as dos ácidos carboxílicos correspondentes, por causa da ausência de ligações de hidrogênio entre as moléculas. • São líquidos insolúveis em água, mas que dissolvem muito bem compostos orgânicos. R1 k Ck kk O k R2 O anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados II 13 Reações com ésteres Formação do sabão • O sabão é produzido por meio da reação entre gorduras animais ou óleos vegetais e soluções alcalinas, denominada saponificação. O O O O 3 NaOH R1 R3 O O R2 O R1 HO OH HO + + + + ONa O R2 ONa O R3 ONa Óleo ou gordura Hidróxido de sódio Sabão (Sal alcalino de ácido graxo) Propano-1,2,3-triol (Glicerol) anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados II 14 nomenclatura • A nomenclatura dos ésteres é semelhante à utilizada para os sais. • Exemplo: como os sabões limpam • Os sais derivados de ácidos carboxílicos, em meio aquoso, formam íons que possuem duas regiões distintas: a longa cadeia carbônica, conhecida como “cauda apolar” (R), que é hidrofóbica, e uma parte hidrofílica, a “cabeça polar”, formada pelo grupo carboxilato. • Trata‑se, portanto, de uma molécula anfifílica. O– O O O Ácido benzênico (benzeno) Grupo carboxilato ligado ao anel benzênio (ato) Cadeia com dois átomos de carbono (etila) ligada ao grupo carboxilato (benzoato de etila) Cauda apolar H3C O- O Cabeça polarCauda apolar Representações do ânion de dodecanoato, mostrando as regiões apolar e polar. As áreas em vermelho revelam as regiões de maior densidade eletrônica correspondentes aos átomos de oxigênio, muito eletronegativos. A área restante corresponde à cadeia apolar, hidrofóbica. O cátion (por exemplo, Na+) que neutraliza a carga do ânion carboxilato não está representado. Il u s tr a ç õ e s : l u Iz r u b Io anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados II 15 Éteres obtenção e aplicação • Um dos principais métodos de produção de éteres – e também um dos mais antigos – é a desidratação de álcoois, uma reação catalisada por ácidos em que moléculas de água são formadas. • A desidratação ocorre entre duas moléculas de álcool e, por isso, é chamada desidratação intermolecular. • O ácido sulfúrico é usado por suas propriedades higroscópicas, ou seja, sua capacidade de absorção de água. • O éter dietílico é um composto orgânico que apresenta um átomo de oxigênio entre os átomos de carbono da cadeia. • Cadeias como essa, que apresentam outros átomos além do carbono entre átomos de carbono, são chamadas cadeias heterogêneas. • O átomo que não é de carbono é denominado heteroátomo. O H O H H2OH3C H3CCH3 O CH3 + + H2SO4 140 ºC Etanol Éter dietílico anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados II 16 Propriedades físico-químicas • A polaridade das moléculas dos éteres é influenciada por sua geometria angular causada pela repulsão dos pares de elétrons não ligantes do átomo de oxigênio na molécula. • Essa polaridade, entretanto, é inferior à dos álcoois correspondentes, por causa da menor diferença de eletronegatividade da ligação O k C, em comparação com a ligação O k H. • Os éteres são substâncias que, quando puras, não apresentam a formação de ligações de hidrogênio entre suas moléculas. • Entretanto, essas interações intermoleculares podem ser formadas com a água e, em virtude disso, a solubilidade dos éteres é comparável à dos álcoois. • Éteres com massas molares baixas podem ser miscíveis em água, sendo bastante solúveis aqueles com até quatro átomos de carbono. O R2R1 f2 f1 f1 anotações em aula Compostos orgânicos oxigenados II 17 nomenclatura • Há diversas formas de atribuir nome aos éteres. • A seguir, são mostrados dois exemplos de nomenclatura, de acordo com as recomendações da Iupac. • Exemplo 1: • Divide‑se a fórmula estrutural em relação ao átomo de oxigênio. • A parte com maior número de átomos de carbono, sem o oxigênio, é a cadeia principal. • A cadeia menor, com o átomo de oxigênio, é tratada como substituinte e recebe o prefixo correspondente ao número de átomos de carbono queapresenta, acrescido do sufixo “oxi”. • Exemplo 2: • Outra possibilidade é usar a palavra “éter” e nomear cada parte da cadeia. • Para isso, emprega‑se o prefixo que indica o número de átomos de carbono de cada parte da cadeia, seguido da terminação “ílico”. • Os nomes devem ser escritos em ordem alfabética. Éter metílico e propílico H3C O CH3 PropílicoMetílico Etoxietano H3C O CH3 Cadeia principal: etano Substituinte: etóxi PDF2-DVDQP-L1-AA-19-M alt PDF2-DVDQP-L1-AA-20-M alt PDF2-DVDQP-L1-AA-21-M alt
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