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FUNDAMENTOS DA QUÍMICA ORGÂNICA UNIASSELVI-PÓS Autoria: Alessandra Jorqueira Vicente Carvalho Indaial - 2021 1ª Edição C331f Carvalho, Alessandra Jorqueira Vicente Fundamentos da química orgânica. / Alessandra Jorqueira Vicente Carvalho. – Indaial: UNIASSELVI, 2021. 142 p.; il. ISBN 978-65-5646-269-1 ISBN Digital 978-65-5646-268-4 1. Química orgânica contemporânea. - Brasil. II. Centro Universi- tário Leonardo da Vinci. CDD 540 CENTRO UNIVERSITÁRIO LEONARDO DA VINCI Rodovia BR 470, Km 71, no 1.040, Bairro Benedito Cx. P. 191 - 89.130-000 – INDAIAL/SC Fone Fax: (47) 3281-9000/3281-9090 Reitor: Prof. Hermínio Kloch Diretor UNIASSELVI-PÓS: Prof. Carlos Fabiano Fistarol Equipe Multidisciplinar da Pós-Graduação EAD: Carlos Fabiano Fistarol Ilana Gunilda Gerber Cavichioli Jairo Martins Jóice Gadotti Consatti Marcio Kisner Norberto Siegel Julia dos Santos Ariana Monique Dalri Marcelo Bucci Revisão Gramatical: Equipe Produção de Materiais Diagramação e Capa: Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI Copyright © UNIASSELVI 2021 Ficha catalográfica elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri UNIASSELVI – Indaial. Impresso por: Sumário APRESENTAÇÃO ............................................................................5 CAPÍTULO 1 Introdução à Química Orgânica ...................................................7 CAPÍTULO 2 Características das Moléculas Orgânicas ............................51 CAPÍTULO 3 Introdução ao Laboratório de Química Orgânica ..................93 APRESENTAÇÃO Neste livro, nosso objetivo é o de auxiliar os estudantes a organizar todas as informações básicas dos conteúdos fundamentais para o entendimento da química orgânica contemporânea. Incorporamos aplicações da química orgânica às ciências da vida, práticas industriais, química verde e acompanhamento e limpeza do ambiente, enfatizando a compreensão das estruturas das moléculas orgânicas e as relaciona com seus grupos funcionais. Estes grupos são pontos- chaves para a ocorrência das reações químicas e reconhecer suas características ajudará o estudante relacionar a atividade com uma das reações químicas. O entendimento da relação entre estrutura e função permite uma resolução de problemas práticos da química orgânica. O Capítulo 1 mostrará os fundamentos dessa relação, lançando como bases do entendimento da origem da química orgânica, seus aspectos históricos, e na sequência são apresentados os compostos com grupos funcionais – estrutura e nomenclatura. O Capítulo 2 introduz as forças intermoleculares e as relaciona com as propriedades físicas dos compostos. Em seguida será estudada a estereoquímica e será apresentado o conceito de estereoisomerismo e a importância da quiralidade na vida humana. Por fim, o Capítulo 3 traz a introdução ao laboratório de química orgânica, apresentando as normas gerais de segurança, como EPI (Equipamento de Proteção Individual) e EPC (Equipamento de Proteção Coletiva), toxicidade, armazenamento e manejo de materiais, técnicas de recristalização, sublimação, extração líquido-líquido, destilação e cromatografia. Bons estudos! Professora Alessandra Jorqueira Vicente Carvalho CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA A partir da perspectiva do saber-fazer, neste capítulo você terá os seguintes objetivos de aprendizagem: • entender a química orgânica como ciência, seus aspectos históricos e de teoria estrutural das funções orgânicas; • reconhecer as funções orgânicas: hidrocarbonetos, haloalcanos, álcoois, éteres, aminas, aldeídos e cetonas, ácidos carboxílicos, amidas, ésteres, nitrilas; • relacionar a estrutura dos compostos orgânicos com suas funções orgânicas capaz de reconhecer os compostos orgânicos e suas diferenças estruturais. 8 Fundamentos da Química Orgânica 9 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Capítulo 1 1 CONTEXTUALIZAÇÃO A química orgânica começou como uma tentativa de compreender a química da vida. Ela estuda a estrutura das moléculas e as regras que governam suas interações e está diretamente relacionada com a física, matemática e, principalmente, com a biologia. Enquanto você lê essas palavras, seus olhos usam um composto orgânico (retinol) para converter a luz visível em impulsos nervosos. Ao pegar esse material, seus músculos transformam açúcar em energia através de reações químicas, e os impulsos nervosos que fazem as conexões no cérebro são realizados através das aminas neurotransmissoras. E você fez tudo isso inconscientemente! Você é Química orgânica! Entender o funcionamento do corpo e da mente humana é um desafi o desde o início da humanidade. Traremos aqui, uma compreensão dos conceitos básicos dos compostos orgânicos, mostrando a evolução através dos anos, para que você possa iniciar um estudo nesta área da química e ser capaz de reconhecer as estruturas das funções orgânicas, que são fundamentais para compreensão das reações orgânicas e reatividade dos compostos. Então, o que distingue a química orgânica das outras disciplinas de química, como a físico-química, química inorgânica e a química nuclear? A defi nição mais conhecida é a que relaciona a química orgânica como a química do carbono e seus compostos. Estes compostos são chamados de moléculas orgânicas. Mas a química orgânica é algo mais, é literalmente uma ciência que nunca terá um fi m. A criação de novas moléculas para se produzir novos materiais, como plásticos, e novos medicamentos para a cura de doenças que surgem ao longo dos anos, demonstram quão infi nita é essa ciência. Este capítulo mostra os aspectos históricos no desenvolvimento da química orgânica e explicará como relacionar as estruturas moleculares com as funções orgânicas, bem como fornecer subsídios para conhecer suas propriedades e compreender seu comportamento químico. 10 Fundamentos da Química Orgânica 2 CONCEITOS FUNDAMENTAIS DA QUÍMICA ORGÂNICA A química orgânica lida com os compostos de carbono. Sua origem data de 1685, após uma publicação de Lémery, na qual classifi ca as substâncias de acordo com sua origem como mineral, vegetal ou animal. Até 1828, acreditava-se que os compostos orgânicos não podiam ser sintetizados, exceto por plantas e animais vivos. Isso era conhecido como teoria da força vital, e essa crença limitou severamente o desenvolvimento da química orgânica. A teoria da força vital, às vezes chamada de "vitalismo" (vital signifi ca "força vital"), foi, portanto, proposta e amplamente aceita como uma forma de explicar essas diferenças, diziam que existia uma "força vital" dentro da matéria orgânica. Jöns Jacob Berzelius (1779-1848), médico de profi ssão, em 1886 usou pela primeira vez o termo “química orgânica” para compostos derivados de fontes biológicas. Até o início do século 19, naturalistas e cientistas observaram diferenças críticas entre compostos derivados de seres vivos dos não vivos. Os químicos da época notaram que parecia haver uma diferença essencial, embora inexplicável, entre as propriedades dos dois tipos diferentes de compostos. Os compostos derivados de plantas e animais tornaram-se conhecidos como orgânicos e aqueles derivados de fontes não vivas eram inorgânicos. FIGURA 1 – JACOB BERZELIUS (1779 -1848) FONTE: <https://pt.wikipedia.org/wiki/J%C3%B6ns_ Jacob_Berzelius>. Acesso em: 15 jun. 2021. 11 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Capítulo 1 2.1 SÍNTESE DA UREIA: O INÍCIO DE TUDO O nome química orgânica deriva da palavra organismo. Antes de 1828, todos os compostos orgânicos eram obtidos de organismos ou de seus restos. A fi losofi a científi ca da época era que a síntese de compostos orgânicos só poderia ser produzida dentro de matéria viva, enquanto os compostos inorgânicos eram sintetizados a partir de matéria não viva. Foi em 1828 que o químico alemão Friedrich Wöhler (1800-1882) surpreendeu a comunidadecientífi ca ao usar o composto inorgânico, o cianato de amônio, NH4OCN para sintetizar ureia, H2NCONH2 (Figura 2), uma substância orgânica encontrada na urina de muitos animais. Essa descoberta desferiu um golpe mortal na teoria da força vital e, em 1850, a química orgânica moderna tornou-se bem estabelecida. Hoje, cerca de 13 milhões de compostos orgânicos são conhecidos, muitos destes são produtos da química sintética, e não há compostos semelhantes conhecidos na natureza. Aproximadamente, 20 milhões de produtos químicos orgânicos estão em uso comercial. FIGURA 2 – SÍNTESE DA UREIA Todos os compostos orgânicos contêm carbono em sua estrutura combinados com um ou mais elementos como nitrogênio, fósforo, enxofre, halogênios e alguns metais (Figura 3), sendo produzidos de forma sintética. FIGURA 3 – ELEMENTOS MAIS COMUNS EM COMPOSTOS ORGÂNICOS FONTE: Adaptada de Chang e Goldsby (2013) 12 Fundamentos da Química Orgânica A capacidade dos átomos de carbono de realizarem quatro ligações fortes com outros átomos resulta na possibilidade de se obter uma ampla gama de moléculas organizadas em cadeias e/ou anéis de diversas formas, tamanhos e complexidades, que desempenham papéis cruciais na biologia e sociedade. Os compostos orgânicos originários de organismos vivos ou sintetizados em laboratórios são os principais componentes utilizados na fabricação de plásticos, sabonetes, perfumes, adoçantes, tecidos, produtos farmacêuticos e muitas outras substâncias, o que agrega valor a estes compostos e garante que a química orgânica seja uma disciplina importante dentro do campo geral da química e na vida. FIGURA 4 – COMPOSTOS ORGÂNICOS ORIGINÁRIOS DE ORGANISMOS VIVOS OU SINTETIZADOS EM LABORATÓRIOS FONTE: <https://sites.google.com/site/cursodequimicabasica/ quimica-organica>. Acesso em: 15 jun. 2021. Nós, humanos, somos compostos em grande parte por moléculas orgânicas e somos alimentados por compostos orgânicos em nossa comida. As proteínas em nossa pele, os lipídios em nossas membranas celulares, o glicogênio em nossos fígados e o DNA nos núcleos de nossas células são todos orgânicos compostos. Nossos corpos também são regulados e defendidos por compostos orgânicos complexos. Na Figura 5 temos exemplos de quatro compostos orgânicos presentes em organismos vivos: o tabaco que é composto de nicotina, um alcaloide que causa dependência, a rosa Mosqueta que contém vitamina C, vitamina essencial para se prevenir o escorbuto, o vermelho carmim encontrado na cochonilha, mostrado em um cacto, e o ópio, um alcaloide que é obtido da papoula que alivia a dor, mas causa dependência. 13 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Capítulo 1 FIGURA 5 – COMPOSTOS ORGÂNICOS PRESENTES EM ORGANISMOS VIVOS FONTE: Adaptada de Wade e Wade Jr. (2013) Então, por que os átomos se unem e como as ligações podem ser descritas eletronicamente? Entre 1858 e 1861, August Kekulé, Archibald Scott Couper e Alexandre M. Butlerov, trabalhando de forma independente, criaram a base fundamental da química: a teoria estrutural. Essa teoria vinha para explicar porque os átomos se uniam, e a resposta para essa pergunta era relativamente fácil de responder: os átomos se ligam porque os compostos resultantes dessas ligações apresentam energias menores que os átomos sozinhos, isto é, são mais estáveis. Essa energia é liberada em forma de calor quando ocorre a formação de uma ligação química. Por outro lado, quando as ligações quebradas para se formar as moléculas, o sistema irá necessitar de energia para que isso ocorra, então irá absorver energia na forma de calor. Fazer ligações sempre se libera energia e romper ligações sempre se absorve energia. Mas como isso acontece? Para essa questão precisamos saber mais sobre as propriedades eletrônicas dos átomos. Sabemos, por meio de observações, que a presença de oito elétrons – um octeto de elétrons – na camada mais externa de um átomo, ou camada de valência, confere estabilidade especial a esse elemento, conferindo-os uma confi guração igual à dos gases nobres – grupo 8A da tabela periódica: Ne (2 8); Ar (2 8 8); Kr (2 8 18 8). Também sabemos que a química dos elementos do grupo principal é governada por sua tendência de assumir a confi guração eletrônica do gás nobre mais próximo. Os metais alcalinos no grupo 1A, por exemplo, alcançam uma confi guração de gás nobre ao perder o elétron único de sua camada de 14 Fundamentos da Química Orgânica valência para formar um cátion, enquanto os halogênios no grupo 7A alcançam uma confi guração de gás nobre ganhando um elétron para preencher sua camada de valência e formar um ânion. Para uma breve revisão: ATKINS, P. W.; JONES, L. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 5. ed. Porto Alegre: Bookman, 2012. Capítulos 1-3. Dessa forma, concluiu-se que: 1. Os átomos dos elementos podem realizar um número fi xo de ligações de acordo com sua valência. O carbono é tetravalente, o oxigênio é divalente, o hidrogênio e os halogênios (em sua maioria) são monovalentes. FIGURA 6 – LIGAÇÕES (A) FONTE: A autora 2. O carbono pode usar uma ou mais valências para se ligar com outros átomos de carbono. FIGURA 7 – LIGAÇÕES (B) FONTE: A autora Estruturalmente observamos que, quando as ligações são simples, os pares de elétrons se ordenam seguindo um arranjo tetraédrico. No modelo de hibridização, os orbitais 2s e 2p são hibridizados sp3. Quando a dupla ligação está presente na molécula, esta, por sua vez, apresenta um arranjo trigonal plano (hibridização sp2) e moléculas com tripla ligação têm geometria linear (hibridização sp) (Figura 8). As ligações C-H estão presentes em quase todos os compostos 15 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Capítulo 1 orgânicos, formando apenas uma ligação covalente entre esses dois átomos, devido à camada de valência do hidrogênio acomodar apenas dois elétrons. Como resultado, essa ligação ocupa sempre as porções terminais das moléculas, sendo as ligações C-C o esqueleto das moléculas orgânicas. FIGURA 8 – GEOMETRIA MOLECULAR DO CARBONO FONTE: Adaptada de Solomons e Graham (2009) Uma questão comum é: como é possível ter tantos compostos de carbono? Existem duas razões para se obter tantos compostos a partir do átomo de carbono. A primeira, como já mencionamos, é a capacidade de formar quatro ligações covalentes, mas a mais importante razão na capacidade dos átomos de carbono de se ligar por meio de ligação em uma ampla variedade de maneiras. Essas moléculas podem apresentar cadeias abertas, ramifi cadas, fechadas, e cíclicas contendo somente átomos de carbono ou ligadas a outros elementos (Figura 9). FIGURA 9 – CLASSIFICAÇÃO DAS CADEIAS CARBÔNICAS FONTE: A autora As moléculas formadas por esses arranjos de átomos de carbono e hidrogênio são extremamente estáveis. Essa estabilidade pode ser explicada pela 16 Fundamentos da Química Orgânica baixa densidade eletrônica dessas moléculas e da ausência e baixa polaridade, tanto das ligações simples C-C quanto das ligações C-H. Quando analisamos moléculas que possuem átomos com altas diferenças de eletronegatividade, podemos observar um aumento na reatividade desses compostos. Para entender melhor essas implicações, consideremos o etanol: FIGURA 10 – ETANOL FONTE: A autora A observação da fórmula estrutural do etanol nos revela a presença do átomo de oxigênio, além dos átomos de carbono e hidrogênio. Esses átomos possuem diferenças nos valores de eletronegatividade (C (2,5), O (3,5) e H (2,1)), as quais indicam que as ligações C-O e O-H são polares. Dessa forma, as reações que ocorrem no etanol envolvem essas ligações, enquanto a porção com apenas ligações C-C ou C-H permanece intacta. Essa reatividade se deve ao que chamamos de centro de reatividade da molécula, que está diretamente ligado ao grupo funcional ou função orgânica presente nos compostos orgânicos e determina como essecomposto reagirá. Um dos objetivos da química orgânica é relacionar a estrutura de uma molécula a suas reações. Podemos, então, estudar as etapas que ocorrem em cada tipo de reação e usar este conhecimento para novas moléculas. Dessa forma, classifi car as moléculas orgânicas segundo as subunidades e ligações que determinam sua reatividade química, isto é, segundo os grupamentos funcionais, se torna mais sensato e intuitivo. Moléculas diferentes estruturalmente (Figura 11), que contêm o mesmo grupo funcional ou grupos funcionais, têm reações, características e propriedades semelhantes. 17 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Capítulo 1 FONTE: A autora Na próxima seção serão abordados os principais conceitos sobre as funções orgânicas. 3 FUNÇÕES ORGÂNICAS Como já mencionamos anteriormente, a habilidade do carbono em formar quatro ligações com outros átomos de carbonos, bem como com o H, O, S e N, torna possível a síntese de um vasto número de moléculas, que são agrupadas em famílias, as quais mostram similaridades estruturais. Essas famílias são conhecidas como grupos funcionais ou funções orgânicas. FIGURA 11 – R - CADEIA CARBÔNICA, ESTRUTURA DA MOLÉCULA; F – FUNÇÃO ORGÂNICA, REATIVIDADE DA MOLÉCULA 18 Fundamentos da Química Orgânica FIGURA 12 – REPRESENTAÇÃO DAS FUNÇÕES ORGÂNICAS FONTE: <http://quimicasemsegredos.com/documents/Teoria/ funcoes-organicas.pdf>. Acesso em: 15 jun. 2021. Nos próximos tópicos, exploraremos as principais funções orgânicas: hidrocarbonetos, haloalcanos, álcoois, éteres, aminas, aldeídos e cetonas, ácidos carboxílicos, amidas, ésteres e nitrilas. 19 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Capítulo 1 3.1 HIDROCARBONETOS A classe de compostos orgânicos mais simples é a dos hidrocarbonetos, do qual deriva a maioria dos compostos, que são constituídos somente de carbono e hidrogênio. Estruturalmente, os hidrocarbonetos podem ser divididos em duas classes: alifáticos e aromáticos (Figura 13). Os hidrocarbonetos alifáticos não contêm o anel benzênico, enquanto os hidrocarbonetos aromáticos são formados por um ou mais anéis benzênicos. FIGURA 13 – CLASSIFICAÇÃO DOS HIDROCARBONETOS FONTE: Adaptada de Chang e Goldsby (2013) 3.1.1 Alcanos São hidrocarbonetos saturados que apresentam átomos de carbono formando um arranjo tetraédrico, com hibridização sp3, cuja fórmula empírica é CxHy. Os que apresentam apenas ligações simples em estruturas lineares são chamados de alcanos de cadeia linear e os alcanos que possuem ramifi cações em suas cadeias são conhecidos como alcanos de cadeia ramifi cada. Já os compostos cíclicos, em que os átomos de carbono formam um anel, são chamados de ciclo- alcanos (Figura 14). Os alcanos são formados apenas por átomos de carbono e hidrogênio e, em consequência, são apolares e pouco reativos. 20 Fundamentos da Química Orgânica FIGURA 14 – TIPOS DE ESTRUTURAS NOS ALCANOS FONTE: Adaptata de Vollhardt (2013) Muitos alcanos ocorrem naturalmente no mundo animal e vegetal. De longe, as principais fontes de alcanos, no entanto, são os depósitos mundiais de gás natural e petróleo. Esse material é derivado da decomposição de matéria vegetal e animal, principalmente de origem marinha. O gás natural proveniente dessa decomposição consiste principalmente de metano, mas também contém etano, propano e butano. O petróleo é uma mistura complexa de hidrocarbonetos que recebem tratamento especial nas refi narias, onde se realiza a separação em várias frações antes de poder ser usado. O refi no de petróleo começa pela destilação fracionada do petróleo bruto em três principais cortes, de acordo com seus pontos de ebulição (pe): gasolina simples (pe 20-200 °C), querosene (pe 175-275 °C) e óleo de aquecimento ou óleo diesel (pe 250-400 °C). Finalmente, a destilação sob pressão reduzida produz óleos lubrifi cantes e ceras, deixando um resíduo de alcatrão não destiláveis do asfalto. 21 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Capítulo 1 FIGURA 15 – ESQUEMA DE REFINO DO PETRÓLEO E OS PRODUTOS OBTIDOS NAS FRAÇÕES FONTE: <https://www.engquimicasantossp.com.br/2012/08/ refi no-do-petroleo.html>. Acesso em: 15 jun. 2021. Discutimos apenas alcanos de cadeia aberta até agora, mas compostos com anéis de átomos de carbono, os cicloalcanos, são muito comuns. Hidrocarbonetos cíclicos saturados são chamados cicloalcanos, ou compostos alicíclicos (cíclicos alifáticos), e têm a fórmula geral (CH2)n, ou CnH2n (Figura 16). A estrutura do esqueleto desses compostos é representada por polígonos. FIGURA 16 – HIDROCARBONETOS CÍCLICOS SATURADOS FONTE: Adaptada de Mcmurry (2010) 22 Fundamentos da Química Orgânica 3.1.2 Alcenos Também chamados de olefi nas, são hidrocarbonetos que possuem, pelo menos, uma insaturação, ligações C=C entre os átomos de carbono na cadeia carbônica. A fórmula geral dos alcenos é CnH2n, onde n= 2, 3, ... O alceno mais simples é o eteno (IUPAC), ou etileno (nome comum) C2H4, que tem importante papel na natureza como hormônio vegetal que induz ao amadurecimento das frutas, e os pinenos, que são uns dos constituintes químicos dos óleos essenciais, são encontrados na natureza comumente nas coníferas – eucaliptos – no alecrim e na lavanda. A própria vida seria impossível sem composto β-caroteno, polialqueno com 11 ligações duplas, um pigmento laranja responsável pela cor das cenouras e valiosa fonte de vitamina A. FIGURA 17 – ALQUENOS ENCONTRADOS NA NATUREZA FONTE: Adaptada de Mcmurry (2010) Os alcenos com quatro ou mais átomos de carbono apresentam vários isômeros para cada fórmula molecular. 23 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Capítulo 1 Isômeros: os isômeros são compostos que possuem diferentes arranjos estruturais ou funções, mas apresentam a mesma fórmula molecular. Existem vários tipos de isomeria em compostos orgânicos, e vamos detalhá-las no Capítulo 2. 3.1.3 Alcinos São hidrocarbonetos insaturados que têm uma ou mais ligações tripas C≡C, com fórmula geral CnH2n-2. O alcino mais simples conhecido é o acetileno (C2H2), um gás incolor (p.e. -84º C) altamente reativo, não estão muito distribuídos na natureza; entretanto, os alcinos são importantes intermediários em processos industriais. FIGURA 18 – ALCINOS IMPORTANTES INDUSTRIALMENTE FONTE: A autora Alcinos não são tão comuns na natureza quanto os alcenos, mas algumas plantas usam alcinos para se protegerem contra doenças ou predadores. A cicutoxina é um composto tóxico encontrado na cicuta de água, plantas da espécie apiáceas - gênero cicuta -, e a capilina protege as plantas contra doenças fúngicas. O grupo funcional alcino (−C≡C−) é incomum em medicamentos, mas a parsalmida usada como analgésico, o etinilestradiol (um hormônio feminino sintético), um ingrediente comum nas pílulas anticoncepcionais e a dinamicina, um composto antibacteriano que está sendo testado como agente antitumoral, apresentam em suas moléculas a tripla ligação carbono-carbono, que é característica de alcinos, dentre outras funções orgânicas. 24 Fundamentos da Química Orgânica FIGURA 19 – ALCINOS DE ORIGEM NATURAL FONTE: Adaptada de Wade e Wade Jr. (2013) 3.1.4 Hidrocarbonetos aromáticos No início da química orgânica, a palavra aromática era usada para descrever substâncias perfumadas como o benzeno (destilado de carvão mineral), benzaldeído (odor de amêndoas) e tolueno (bálsamo de tolu, uma árvore nativa da América do Sul). FIGURA 20 – COMPOSTOS AROMÁTICOS FONTE: A autora Logo se percebeu, que substâncias classifi cadas como aromáticas diferiam da maioria dos compostos orgânicos em sua química e comportamento, a associação de aromaticidade com fragrância foi excluída, e o termo aromático passou a se referir à classe de compostos que contêm anéis semelhantes ao do benzeno. Muitos compostos importantes possuem uma parte aromática, 25 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Capítulo 1 comoexemplo, podemos citar: o hormônio esteroide estrona, e o medicamento atorvastatina, fármaco utilizado para baixar os níveis de colesterol (LDL) no sangue e prevenir eventos cardiovasculares, comercializado como Lipitor. FIGURA 21 – ALGUNS COMPOSTOS AROMÁTICOS IMPORTANTES FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) O benzeno, um composto tóxico que causa uma diminuição dos glóbulos brancos (leucopenia) após períodos de exposição prolongada, tem três ligações simples em um anel de seis átomos de carbono organizadas de forma alternada. Esse composto e seus derivados são conhecidos como compostos aromáticos ou arenos, devido ao forte odor de seus derivados. Os hidrocarbonetos aromáticos polinucleares (abreviados PAHs ou PNAs) são compostos de dois ou mais anéis benzênicos fundidos. Os anéis fundidos compartilham dois átomos de carbono e ligados entre si. O naftaleno (C10H8) é o composto aromático fundido mais simples, formado por dois anéis de benzeno, e é representado usando uma das três estruturas de ressonância de Kekulé (Figura 22) ou usando a notação de círculo para os anéis aromáticos. FIGURA 22 – REPRESENTAÇÃO DA ESTRUTURA DE RESSONÂNCIA DO NAFTALENO FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) 3.2 HALOALCANOS OU HALOGENETOS DE ALQUILA São compostos nos quais um átomo halogênio (F, Cl, Br ou I) substitui um átomo de hidrogênio de um alcano. Os halogenetos de alquila são usados 26 Fundamentos da Química Orgânica principalmente como solventes industriais e domésticos. Muitas sínteses usam haletos de alquila como materiais de partida para produzir moléculas mais complexas. A conversão de haletos de alquila em reagentes organometálicos (compostos contendo ligações carbono-metal) é uma ferramenta importante para a síntese orgânica. Na década de 1840, descobriu-se que o clorofórmio (CHCl3) funcionava como anestésico, abrindo novas possibilidades para a área cirúrgica, deixando o paciente inconsciente e relaxado. No entanto, por ser tóxico e cancerígeno, foi trocado pelo éter dietílico, um anestésico mais seguro. Os freons (também chamados de clorofl uorocarbonos, ou CFCs) são haloalcanos fl uorados que foram desenvolvidos para substituir a amônia como gás refrigerante. A liberação de freons na atmosfera levantou preocupações sobre suas reações com a camada de ozônio. Os CFCs gradualmente se difundem na estratosfera, onde os átomos de cloro catalisam a decomposição do ozônio em oxigênio. Para nomear os halogenetos de alquila, os substituintes são colocados em ordem alfabética à frente do nome da cadeia principal e precedidos pelo número do carbono ao qual estão ligados. Esses compostos podem ser classifi cados como primários, secundários ou terciários. Esta classifi cação refere-se ao átomo de carbono ao qual o halogênio está diretamente ligado. FIGURA 23 – COMPOSTOS PRIMÁRIOS, SECUNDÁRIOS OU TERCIÁRIOS FONTE: A autora • Nomenclatura dos hidrocarnonetos A nomenclatura IUPAC é baseada na cadeia de carbonos mais longa de uma molécula conectada por ligações simples, seja em cadeia contínua ou em anel. Todos as ramifi cações são indicadas por prefi xos ou sufi xos de acordo com as suas prioridades. Alcanos são a família dos hidrocarbonetos saturados, ou seja, moléculas contendo carbono e hidrogênio conectado por ligações simples apenas. Essas moléculas podem estar em cadeias lineares (chamadas linear ou acíclico), ou em anéis (chamados cíclicos ou alicíclicos). Os nomes dos alcanos e cicloalcanos formam a base para nomear grande parte das moléculas orgânicas. Para nomear 27 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Capítulo 1 os compostos orgânicos, devemos seguir as regras determinadas pela IUPAC (União Internacional de Química Pura e Aplicada). Regra 1 da IUPAC. Localize a maior cadeia da molécula e dê-lhe um nome. Nos exemplos a seguir, a cadeia mais longa, ou cadeia principal, está marcada claramente, e o alcano linear dá seu nome à molécula. TABELA 1 – NOMES E PROPRIEDADES FÍSICAS DOS ALCANOS LINEARES FONTE: Adaptada de Chang e Goldsby (2013) Outros grupos diferentes de hidrogênio ligados à cadeia principal são chamados de substituintes. A cadeia principal é representada de preto. TABELA 2 – GRUPOS ALQUILA COMUNS FONTE: Adaptada de Chang e Goldsby (2013) FIGURA 24 – GRUPOS ALQUILA COMUNS FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) Moléculas que têm duas ou mais cadeias de mesmo comprimento, a cadeia principal será a que tiver maior número de substituintes. 28 Fundamentos da Química Orgânica FIGURA 25 – MOLÉCULAS QUE TÊM DUAS OU MAIS CADEIAS DE MESMO COMPRIMENTO FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) Regra 2 da IUPAC. Nomeie todos os grupos ligados à cadeia principal como substituintes alquila. Para substituintes lineares, a Tabela 2 pode ser usada para derivar o nome do grupo alquila. No caso de substituintes ramifi cados (Tabela 3), primeiro encontre a cadeia mais longa do substituinte e, depois, dê nomes a todos os seus substituintes. TABELA 3 – GRUPOS ALQUILA RAMIFICADOS FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) Regra 3 da IUPAC. Numere os carbonos da cadeia mais longa começando da extremidade mais próxima de um substituinte. 29 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Capítulo 1 FIGURA 26 – REGRA 3 FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) Se dois substituintes estão em igual distância das duas terminações da cadeia principal, use a ordem alfabética para decidir a numeração. O substituinte cuja letra inicial vier primeiro na ordem alfabética está ligado ao carbono que toma o menor número. FIGURA 27 – USO DA ORDEM ALFABÉTICA PARA DECIDIR A NUMERAÇÃO FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) Quando a molécula possuir três ou mais substituintes, a direção da numeração será a que apresentar menor número na posição dos substituintes. FIGURA 28 – MOLÉCULA COM TRÊS OU MAIS SUBSTITUINTES FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) Regra 4 da IUPAC. Escreva o nome do alcano arranjando, inicialmente, todos os substituintes em ordem alfabética (cada um precedido pelo número do carbono ao qual ele está ligado, separado por um hífen) e então adicionando o nome do alcano principal. Se a molécula tiver mais de um substituinte idêntico, seu nome é precedido pelos prefi xos di, tri, tetra, penta e assim por diante. As posições de ligação à cadeia principal são dadas juntas antes do nome do substituinte, 30 Fundamentos da Química Orgânica separadas por vírgulas. Os prefi xos numéricos, bem como sec- e terc-, não são considerados para a ordem alfabética, exceto quando eles fazem parte do nome de um substituinte complexo. FIGURA 29 – REGRA 4 FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) A fórmula empírica de um cicloalcano é CnH2n ou (CH2)n. O sistema de nomenclatura utilizado é muito simples: o nome do alcano linear correspondente é precedido pelo prefi xo ciclo-. Três representantes da série homóloga – começando pelo menor, o ciclopropano – são mostrados na margem, em fórmulas condensadas e na notação de linhas. Só é necessário numerar os átomos do anel no caso dos cicloalcanos com mais de um substituinte. Nos cicloalcanos substituídos, os números correspondentes aos átomos substituídos devem formar a menor sequência numérica possível. Quando duas sequências são possíveis, a ordem alfabética dos nomes dos substituintes dá a precedência. O radical derivado de um cicloalcano pela abstração de um átomo de hidrogênio é chamado de radical cicloalquila. Os cicloalcanos substituídos são, às vezes, nomeados como derivados de cicloalquila. FIGURA 30 – DERIVADOS DE CICLOALQUILA FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) 31 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Capítulo 1 A ligação dupla carbono-carbono é característica do grupo funcional dos alquenos. Sua fórmula geral é CnH2n, a mesma dos cicloalcanos. Como outros compostos orgânicos, alguns alquenos ainda são conhecidos pelos nomes comuns, em que a terminação -ano do alcano respectivo é trocada por -ileno. Os nomes dos substituintessão adicionados como prefi xos. FIGURA 31 – PREFIXOS FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) Na nomenclatura IUPAC, a terminação -eno é usada no lugar de -ileno, como em eteno e propeno. Sistemas mais complicados exigem adaptações e extensões das regras de nomenclatura dos alcanos. FIGURA 32 – ADAPTAÇÕES E EXTENSÕES DAS REGRAS DE NOMENCLATURA DOS ALCANOS FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) Quando introduzimos um novo grupo funcional à molécula, a nomenclatura dá prioridade à nova função e a cadeia que incorpora as duas funções é numerada de modo a dar ao carbono que contém o grupo funcional, o menor número possível. FIGURA 33 – NOVO GRUPO FUNCIONAL À MOLÉCULA FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) 32 Fundamentos da Química Orgânica As regras da IUPAC para a nomenclatura dos alquenos, mostradas anteriormente, também se aplicam aos alquinos, sendo a terminação -eno substituída pela terminação -ino. Um número indica a localização da ligação tripla na cadeia principal. FIGURA 34 – AS REGRAS DA IUPAC APLICADAS AOS ALQUINOS FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) 1) Dê um nome (IUPAC) para o seguinte composto: 2) Desenhe a estrutura para clorometano, CH3Cl. 3) Nomeie o alcino a seguir. 33 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Capítulo 1 Examinemos, agora, alguns grupos funcionais orgânicos responsáveis pela maioria das reações, dando ênfase aos compostos que contêm oxigênio ou nitrogênio em suas moléculas. Muitos compostos orgânicos contêm átomos de oxigênio ligados a grupos alquila. As funções orgânicas contendo oxigênio em suas estruturas são conhecidas como: álcoois, éteres, cetonas, aldeídos, carboxílicos ácidos e derivados de ácido. 3.3 ÁLCOOIS Os álcoois são abundantes na natureza e têm estrutura variada. Alguns álcoois simples são usados como solventes, outros participam da síntese de moléculas mais complexas. Eles são um bom exemplo de como os grupos funcionais modelam a estrutura e as funções dos compostos orgânicos. O grupo funcional característico para esta família é a hidroxila (-OH) ligada a um átomo de carbono com hibridização sp3, o qual dá as características físicas dos álcoois afetando a estrutura molecular, o que permite que eles participem de ligações hidrogênio. Como resultado, seus pontos de ebulição e suas solubilidades em água aumentam. FIGURA 35 – HIDROXILA FONTE: A autora Os nomes dos álcoois terminam no sufi xo -ol da palavra "álcool", conforme mostrado para os seguintes álcoois comuns: 34 Fundamentos da Química Orgânica Os álcoois são os compostos orgânicos mais comuns. Álcool metílico (metanol), também conhecido como “álcool de madeira”, é utilizado como solvente industrial e combustível automotivo de corrida. O álcool etílico (etanol), às vezes, é chamado de "álcool de cereais" porque pode ser produzido pela fermentação de grãos ou quase qualquer outro material orgânico. “Álcool isopropílico” é o nome comum do propan-2-ol, usado como na limpeza de componentes eletrônicos. Assim como os haloalcanos, os álcoois são classifi cados em três grupos: primários, secundários ou terciários. Essa classifi cação baseia-se no grau de substituição do carbono ao qual o grupo hidroxila está diretamente ligado, de modo análogo ao haleto de alquila. • Fenóis: a palavra fenol é usada para o nome de uma substância específi ca (hidroxibenzeno), isto é, para todos os compostos aromáticos substituídos com o grupo hidroxila (-OH). A nomenclatura é realizada substituindo-se o benzeno do composto original por fenol, indicando a posição dos substituintes por 1,2 (orto), 1,3 (meta) ou 1,4 (para), antes do nome. FIGURA 36 – FENÓIS FONTE: A autora 35 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Capítulo 1 3.4 ÉTERES Os éteres são compostos formados por dois grupos alquil (um radical monovalente de fórmula Cₓ H₂ₓ₊₁) ligados através de um átomo de oxigênio. A fórmula geral para estes compostos é R-O-R´ (O símbolo R´ representa outro grupo alquil, igual ou diferente do primeiro). Esses compostos são mais voláteis que os álcoois de mesma massa molecular, porque eles não formam ligações de hidrogênio uns com os outros. A solubilidade em água é baixa, o que pode ser explicado pela ausência do grupo hidroxila, responsável pela formação da ligação hidrogênio. Por serem pouco reativos e apresentarem baixa polaridade, são muito usados como solventes de outros compostos orgânicos, no entanto, devem ser manipulados com muito cuidado por serem altamente infl amáveis. O etoxietano (dietil-éter) foi usado, por algum tempo, como anestésico geral. Ele produz inconsciência pela depressão da atividade do sistema nervoso central. Devido a efeitos adversos, como a irritação do trato respiratório e náuseas extremas, seu uso foi descontinuado e o 1-metóxipropano (metilpropil-éter, “neotil”) e outros compostos o substituem nessas aplicações. O etoxietano e outros éteres tornam- se explosivos quando misturados com o ar. Muitos produtos naturais, alguns dos quais bastante ativos fi siologicamente, contêm grupos álcool e éter. A morfi na, por exemplo, é um poderoso analgésico. Seu acetato sintético, a heroína, é uma droga de rua muito difundida. O tetra- hidrocanabinol é o principal agente ativo da maconha (Cannabis) (Figura 37), cujos efeitos de alteração de humor são conhecidos há milhares de anos. Esse princípio ativo vem sendo estudado por possuir grande potencial terapêutico e ser uma alternativa para tratar inúmeras enfermidades. FIGURA 37 – PRODUTOS OBTIDOS DE FONTES NATURAIS FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) 36 Fundamentos da Química Orgânica A nomenclatura dos éteres é formada a partir dos nomes dos grupos alquil presentes na molécula e a palavra "éter". Os éteres cíclicos são conhecidos como “éteres de coroa” (Figura 38), devido sua estrutura lembrar o formato de uma coroa. Esses éteres são inertes e podem capturar, dependendo do tamanho de sua cavidade, alguns tipos de íons metálicos ou moléculas orgânicas, sem reagir com estas. FIGURA 38 – ÍON SÓDIO ENCAPSULADO POR UM ÉSTER DE COROA FONTE: Adaptada de Bruice (2004) 3.5 AMINAS As aminas são os grupos funcionais derivados orgânicos da amônia contendo um átomo de nitrogênio com um par de elétrons livre, o que as tornam moléculas básicas e nucleofílicas, e na sua forma reduzida, a amônia, NH3, tem papel ativo na natureza. Assim, as aminas e outros compostos que contêm nitrogênio estão entre as moléculas orgânicas mais abundantes, sendo amplamente encontradas em plantas e animais. Trimetilamina, por exemplo, está presente nos tecidos de animais e é parcialmente responsável pelo odor característico do peixe; nicotina é encontrada no tabaco; e a cocaína é um estimulante encontrado nas folhas da coca (Figura 39). Além disso, são essenciais na bioquímica, formando a estrutura das proteínas, os aminoácidos, e na forma de aminas cíclicas, o principal constituinte dos ácidos nucleicos. 37 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Capítulo 1 Nucleófi lo: são moléculas ou íons que possuem um par de elétrons livre ou uma ligação pi. Essas moléculas são atraídas por centros de carga positiva através de uma reação química conhecida como reação de substituição nucleofílica. Esses compostos são também conhecidos como bases de Lewis. FIGURA 39 – ESTRUTURA DE ALGUNS COMPOSTOS ENCONTRADOS NA NATUREZA FONTE: Mcmurry (2010) As aminas podem ser substituídas por alquila (alquilaminas) ou substituídas por arila (arilaminas) e podem ser classifi cadas como primárias (RNH2), secundárias (R2NH) ou terciárias (R3N), dependendo do número de substituintes orgânicos ligados ao nitrogênio. Por exemplo, metilamina (CH3NH2) é uma alquilamina primária e amina [(CH3)3N] é uma amina terciária. Quando falamos de uma amina terciária, nos referimos ao grau de substituição do átomo de nitrogênio. FIGURA 40 – ESTRUTURAS DOS DERIVADOS DE AMÔNIO FONTE: Mcmurry (2010) A nomenclatura das aminas é feita de acordo com onome do alcano que deu origem a essa amina, substituindo a terminação -o pelo sufi xo -amina. A posição do grupo funcional é indicada pelo número de localização do átomo de carbono ao qual ele está ligado. 38 Fundamentos da Química Orgânica FIGURA 41 – NOMENCLATURA DAS AMINAS FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) Aminas heterocíclicas são compostos nos quais o átomo de nitrogênio ocorre como parte de um anel, e cada sistema de heterocíclico diferente tem seu nome de acordo com o substituinte presente no heterociclo de origem. O átomo de nitrogênio heterocíclico é sempre numerado como posição 1. FIGURA 42 – NOMENCLATURA DAS AMINAS CÍCLICAS FONTE: Mcmurry (2010) 3.6 ALDEÍDOS E CETONAS Existem diferentes tipos de compostos carbonílicos, mas iniciaremos o estudo desses compostos analisando dois desses: os aldeídos (RCHO), em que o átomo de carbono do grupo carbonila liga-se a pelo menos um hidrogênio, e as cetonas, em que o carbono se liga a dois outros carbonos. Aldeídos e cetonas contêm o grupo carbonila (Figura 43), um grupo no qual um átomo de carbono se liga ao oxigênio por uma ligação dupla, ou seja, um carbono sp2. 39 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Capítulo 1 FIGURA 43 – ESTRUTURA DA CARBONILA Grupo carbonila FONTE: A autora Estes compostos são muito abundantes na natureza. Eles contribuem para o aroma e o sabor de muitos alimentos e participam das funções biológicas de muitas enzimas. Todos os outros aldeídos têm a fórmula genérica RCHO, em que R pode ser um grupo alquil ou aril. O aldeído mais simples é o formaldeído, HCHO, um gás à temperatura ambiente, e a solução de 37% em peso de formaldeído em água é conhecida como formalina, solução conservante para espécies biológicas e usada como um fl uido de embalsamamento. Na indústria química, aldeídos e cetonas simples são produzidos em grandes quantidades para uso como solventes e como intermediários na síntese de muitos produtos farmacêuticos. O aldeído fosfato de piridoxal, por exemplo, é uma coenzima envolvida em muitas reações metabólicas, e a cetona hidrocortisona é um hormônio esteroide secretado pelas glândulas adrenais para regular a gordura, a proteína e o metabolismo de carboidratos. FIGURA 44 – BOURGEONAL FONTE: Mcmurry (2010) Quanto à nomenclatura, a função carbonila é o grupo de maior prioridade estudado até agora. A função aldeído precede a função cetona. Por razões históricas, usa-se frequentemente os nomes comuns dos aldeídos mais 40 Fundamentos da Química Orgânica simples. Estes nomes são derivados dos nomes comuns dos ácidos carboxílicos correspondentes, com a palavra ácido e as terminações -oico ou -ico substituídas pelo sufi xo -aldeído. FIGURA 45 – ALDEÍDOS E SEUS ÁCIDOS DE ORIGEM FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) Muitas cetonas também têm nomes comuns formados pelo nome dos substituintes seguido pela palavra cetona. Dimetilcetona, o exemplo mais simples, é um solvente comum mais conhecido como acetona. As fenilcetonas têm nomes comuns terminados por -fenona. FIGURA 46 – ALGUMAS NOMENCLATURAS DE CETONAS FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) A nomenclatura IUPAC trata os aldeídos como derivados de alcanos, com a terminação -a substituída por -al. Um alcano torna-se, assim, um alcanal Metanal, o nome sistemático do aldeído mais simples, deriva-se de metano, etanal de etano, propanal de propano e assim por diante. FIGURA 47 – NOMENCLATURA IUPAC DOS ALDEÍDOS FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) 41 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Capítulo 1 3.7 ÁCIDOS CARBOXÍLICOS E SEUS DERIVADOS DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Você, provavelmente, já encontrou garrafas de vinho que se transformou em vinagre, o resultado da oxidação enzimática do etanol à ácido acético. Os ácidos carboxílicos se caracterizam pela presença do grupo carboxílico, um grupo funcional formado por uma hidroxila ligada a um carbono de carbonila (Figura 48). Esse substituinte é escrito, normalmente, como COOH ou CO2H. Podemos antecipar boa parte da química dos ácidos carboxílicos se olharmos sua estrutura como sendo a de derivados hidroxicarbonilados. Assim, o hidrogênio da hidroxila é ácido, os dois oxigênios são básicos e nucleofílicos e o carbono da carbonila por ter característica eletrofílica, isto é, apresentar carga parcial nuclear positiva, pode sofrer ataque de um composto carregado negativamente, um nucleófi lo. FIGURA 48 – ESTRUTURA DO GRUPO CARBOXÍLICO FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) Os ácidos carboxílicos, além de estarem muito dispersos na natureza, são amplamente usados na indústria de alimentos como aditivos, agentes de processamento e conservantes. O ácido acético, por exemplo, além de ser a estrutura mais importante na construção de moléculas biológicas complexas, é um produto industrial produzido em grandes quantidades. Esses ácidos também são produtos importantes da bioquímica em condições de oxidação e são, por isso, encontrados em todos os seres vivos. Todas as proteínas são formadas por aminoácidos, um tipo especial de ácido carboxílico que contém, na mesma molécula, o grupo carboxílico e o grupamento amino. Os nomes dos ácidos carboxílicos muitas vezes derivam de suas origens históricas. O ácido fórmico, por exemplo, foi obtido inicialmente por extração a partir de formigas, o que deu origem ao seu nome, que deriva da palavra latina formica, que signifi ca formiga. 42 Fundamentos da Química Orgânica TABELA 4 – FÓRMULAS MOLECULARES E ESTRUTURAIS DE ALGUNS ÁCIDOS ORGÂNICOS PRESENTES NO COTIDIANO FONTE: <http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc15/v15a02.pdf>. Acesso em: 20 jun. 2021. Os ácidos carboxílicos podem ser produzidos pela oxidação de álcoois, em condições aproximadas, em que o álcool é oxidado a aldeído e este levado à ácido carboxílico. 43 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Capítulo 1 No sistema IUPAC, o nome dos ácidos carboxílicos simples é formado pela palavra ácido seguida pelo nome do alcano modifi cado pela terminação -oico. A numeração da cadeia do ácido se inicia no carbono do grupo carboxílico, CO2H, e prossegue pela cadeia carbônica mais longa. FIGURA 49 – NOMENCLATURA DOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS FONTE: Mcmurry (2010) Em qualquer molécula que contenha mais de um grupo funcional, o grupo de maior prioridade (Figura 50) entra como um sufi xo no nome, e todos os demais substituintes, como prefi xos. Dessa forma, a nomenclatura do composto HOCH2CH2COCH2CHO, que contém as funções álcool, cetona e aldeído, os primeiros dois grupos aparecem como prefi xos (hidróxi- e oxo, respectivamente), enquanto o grupo aldeído, tendo a maior prioridade, aparece como sufi xo (-al), é: FIGURA 50 – ORDEM DE PRIORIDADE DOS PRINCIPAIS GRUPOS FUNCIONAIS FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) Os alquenos e alquinos são exceções, e suas prioridades estão abaixo das aminas, mas quando uma ligação dupla ou tripla é parte da cadeia ou anel principal de uma molécula, inserimos -eno ou -ino imediatamente antes do sufi xo do grupo funcional de maior prioridade (Figura 51). 44 Fundamentos da Química Orgânica FIGURA 51 – NOMENCLATURA DOS ÁCIDOS COM MAIS DE UMA FUNÇÃO PRESENTE NA MOLÉCULA FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) 3.7.1 Halogenetos ácidos (RCOX) Os halogenetos de ácido, conhecidos como halogenetos de alcanoíla (acila), são nomeados segundo os ácidos alcanoicos de que derivam. Os halogenetos dos ácidos ciclo-alcanocaboxílico são chamados de halogenetos de ciclo- alcanocarbonila (Figura 52). FIGURA 52 – NOMENCLATURA DE ALGUNS HALOGENETOS DE ACILA FONTE: Mcmurry (2010) 3.7.2 Anidridos de ácidos carboxílicos (RCO2COR′) Os anidridos de ácidos carboxílicos podem ser obtidos pelo tratamento de halogenetos de acila com ácidos carboxílicos (Figura 53). Anidridos simétricos de ácidos carboxílicos simples e anidridos cíclicos dos ácidos dicarboxílicos são nomeados pela substituição da palavra ácidopor anidrido. 45 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Capítulo 1 FIGURA 53 – OBTENÇÃO DO ANIDRIDO DE ÁCIDO CARBOXÍLICO FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) Anidridos assimétricos são preparados a partir de dois ácidos diferentes, e são nomeados citando os dois ácidos em ordem alfabética e, em seguida, adicionando a palavra anidrido. FIGURA 54 – ANIDRIDO ASSIMÉTRICO FONTE: Mcmurry (2010) 3.7.3 Ésteres (RCO2R′) Os ésteres talvez sejam os derivados mais importantes dos ácidos carboxílicos. Estão presentes na natureza, contribuindo no sabor e odor de frutas e fl ores. As propriedades químicas dos ésteres são próprias das carbonilas, mas a reatividade é menor, quando comparada aos halogenetos de alcanoíla e aos anidridos. Os ésteres são nomeados primeiro dando o nome do grupo alquil ligado ao oxigênio e então identifi ca-se o ácido carboxílico do qual este é derivado, substituindo-se a terminação -ico do ácido por -ato. 46 Fundamentos da Química Orgânica FIGURA 55 – NOMENCLATURA DE ÉSTERES FONTE: Mcmurry (2010) 3.7.4 Amidas (RCONH2) As amidas são uma classe de compostos orgânicos que possuem um átomo de nitrogênio ligado ao carbono da carbonila, são moléculas pouco reativas, mas essenciais na bioquímica. Os grupos amida formam a ligação entre as unidades de aminoácidos e que fazem parte da estrutura das proteínas. As amidas são nomeadas como alcanamidas, e as amidas cíclicas, como lactamas. As terminações -o dos alcanos e -ico dos ácidos são substituídos pelo sufi xo amida, e a palavra ácido é eliminada. Nos sistemas cíclicos, a terminação -carboxílico é substituída por -carboxiamida. Os substituintes do nitrogênio são indicados pelos sufi xos N- ou N,N-, dependendo do número de substituintes. FIGURA 56 – ESTRUTURA E NOMENCLATURA DE ALGUMAS AMIDAS FONTE: Adaptada de Wade e Wade Jr. (2013) 47 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Capítulo 1 3.7.5 Nitrilas (ROC≡N) As nitrilas são compostos classifi cados como derivados de ácidos carboxílicos, que contêm o grupo funcional ciano. Nitrilas acíclicas simples, alcanonitrilas, são nomeados substituindo o sufi xo do nome alcano pela palavra -nitrila, sendo o carbono nitrílico numerado como C1. Nos nomes comuns, a palavra ácido é eliminada e a terminação -ico dos ácidos carboxílicos é substituída por –nitrila. A cadeia é numerada como nos ácidos carboxílicos. Para as dinitrilas, usam-se regras semelhantes derivadas da nomenclatura dos ácidos dicarboxílicos (Figura 57). O substituinte C≡N é chamado de ciano. Os cianocicloalcanos são chamados de cicloalcanocarbonitrilas. FIGURA 57 – NITRILAS FONTE: Adaptada de Vollhardt (2013) 1) (FGV-SP-2007 - Adaptada) Os benefícios do gengibre para a saúde são muito conhecidos, frequentemente são atribuídos a ele a capacidade de melhorar a digestão, aliviar a dor nas articulações, como antioxidante, tratar enxaquecas, previne náuseas e tonturas, entre muitas outras. Seu caule subterrâneo possui sabor picante, que se deve ao gingerol, cuja fórmula estrutural é apresentada a seguir: 48 Fundamentos da Química Orgânica Assinale quais funções orgânicas estão presentes na estrutura do gingerol: a) ( ) Éster, aldeído, álcool, ácido carboxílico. b) ( ) Éster, cetona, fenol, ácido carboxílico. c) ( ) Éter, aldeído, fenol, ácido carboxílico. d) ( ) Éter, cetona, álcool, aldeído. e) ( ) Éter, cetona, fenol, álcool. 2) (UFPR 2017) Poucos meses antes das Olimpíadas Rio 2016, veio a público um escândalo de doping envolvendo atletas da Rússia. Entre as substâncias anabolizantes supostamente utilizadas pelos atletas envolvidos estão o turinabol e a mestaterona. Esses dois compostos são, estruturalmente, muito similares à testosterona e utilizados para aumento da massa muscular e melhora do desempenho dos atletas. Assinale quais funções orgânicas oxigenadas estão presentes em todos os compostos citados: a) ( ) Cetona e álcool. b) ( ) Fenol e éter. c) ( ) Amida e epóxido. d) ( ) Anidrido e aldeído. e) ( ) Ácido carboxílico e enol. 49 INTRODUÇÃO À QUÍMICA ORGÂNICA Capítulo 1 4 ALGUMAS CONSIDERAÇÕES Inicialmente, defi nimos a química em duas frentes, a química orgânica e a inorgânica, a partir dos conceitos históricos da evolução da química e o surgimento da química orgânica com descoberta da síntese da ureia. Em seguida, foram revisadas as ligações nos átomos de carbono e sua hibridização, quando ligado a outros átomos. Nesta parte, você se familiarizou com os tipos de ligações que os átomos de carbono podem formar e com a estrutura-base da química orgânica, os hidrocarbonetos. Estes são os esqueletos das moléculas orgânicas, consistindo apenas de átomos de hidrogênio e carbono. Analisamos primeiro os alcanos, como estruturas principais dos arcabouços orgânicos, a parte fundamental que mantém os centros reativos das moléculas orgânicas estruturalmente estáveis. No Capítulo 2, este tópico será retomado para se analisar a estrutura tridimensional das moléculas através da estereoquímica. A seguir, passamos a discussão para os alcenos e alcinos, moléculas contendo ligações duplas e triplas carbono-carbono, respectivamente, evidenciando a importância desses compostos na indústria química. REFERÊNCIAS ATKINS, P. W.; JONES, L. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 5. ed. Porto Alegre: Bookman, 2012. BRUICE, P. Y. Organic Chemistry. 4. ed. Pearson, 2004. CHANG, R.; GOLDSBY, K. A. Química. Revisão técnica: Denise de Oliveira Silva, Vera Regina Leopoldo Constantino. 11. ed. Porto Alegre: Bookman, 2013. MCMURRY, J. E. Fundamentals of Organic Chemistry. 7. ed. Brooks/Cole, 2010. SOLOMONS, T. W.; GRAHAM, C. B. F. Organic Chemistry. 10. ed. John Wiley & Sons, 2009. VOLLHARDT, P. Química orgânica: estrutura e função. Tradução: Flavia Martins da Silva et al. Revisão técnica: Ricardo Bicca de Alencastro. 6. ed. Porto Alegre: Bookman, 2013. WADE, L. G.; WADE JR., L. Organic Chemistry. 8. ed. Pearson, 2013. 50 Fundamentos da Química Orgânica CAPÍTULO 2 CARACTERÍSTICAS DAS MOLÉCULAS ORGÂNICAS A partir da perspectiva do saber-fazer, neste capítulo você terá os seguintes objetivos de aprendizagem: • entender as características das moléculas orgânicas e os conceitos de forças intermoleculares, relacionando-as com as propriedades físicas dos compostos orgânicos; • reconhecer e ser capaz de predizer a estereoquímica dos compostos através da análise das suas estruturas; • ser capaz de relacionar as propriedades físicas dos compostos orgânicos com características químicas e físicas, através da análise das forças intermoleculares, entender os conceitos básicos e terminologias da estereoquímica, bem como analisar a estereoquímica dos compostos orgânicos. 52 Fundamentos da Química Orgânica 53 CARACTERÍSTICAS DAS MOLÉCULAS Capítulo 2 1 CONTEXTUALIZAÇÃO As substâncias orgânicas são constituídas por moléculas que apresentam átomos unidos através de uma ligação química covalente, por emparelhamento de elétrons, resultando na formação de um orbital molecular que pode ser do tipo sigma (σ) ou pi (π)*. Dessa forma, as moléculas interagem entre si por meio de forças intermoleculares que dependem das seguintes propriedades: massa molecular, polaridade, simetria e superfície de contato. Até agora, temos nos concentrado na compreensão das estruturas dos compostos orgânicos e reconhecimento das suas funções. Passaremos a seguir, a considerar o assunto das interações não covalentes, que existem entre as moléculas ou entre diferentes grupos funcionais. As interações resultantes dessas forças são chamadas de forças intermoleculares. A compreensão dessas interações intermoleculares nos permitirá explicar as diferenças nas propriedades físicas – como pontos de ebulição, pontos de fusão e solubilidade – entre diferentes compostos orgânicos. Conforme avançar este capítulo,será possível compreender que as forças intermoleculares são diferentes das ligações covalentes, as quais mantêm os átomos ligados em uma molécula. Essas interações são muito mais fracas que as forças das ligações covalentes, mas seu efeito agregador é extremamente importante, é o que dá a característica física do composto. A elucidação da estrutura de uma molécula envolve a aplicação de todas as informações disponíveis, tais como os dados espectroscópicos, para se determinar a forma tridimensional de uma molécula. Isso implica em conhecer a geometria das moléculas, determinando a posição dos átomos e grupos funcionais presentes, além de se determinar o número de isômeros que determinada fórmula molecular apresenta. Nesta seção, abordaremos o conceito de isomerismo e suas classes. 2 FORÇAS INTERMOLECULARES As forças intermoleculares são interações de natureza elétrica, característica de cada grupo funcional. Os compostos iônicos contêm partículas com cargas opostas mantidas juntas por fortes interações eletrostáticas. Essas interações iônicas são muito mais fortes do que as forças intermoleculares presentes entre as moléculas covalentes. 54 Fundamentos da Química Orgânica Neste momento é importante dominar os conceitos básicos de ligações química e geometria molecular. Para revisão, indicamos a leitura: ATKINS, Peter. 5. ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, capítulos 2 e 3. As forças intermoleculares são divididas em três tipos: interações dipolo- dipolo, ligações de hidrogênio e forças de dispersão de London. 2.1 FORÇAS DE DISPERSÃO DE LONDON Que tipo de força de atração pode existir entre moléculas não polares ou átomos? Para responder a essa pergunta, o físico alemão Fritz London (1900- 1954) propôs, em 1930, que moléculas não polares sofrem uma distorção, isto é, leve polarização em suas nuvens eletrônicas formando momentos dipolares instantâneos. Por causa disso, as forças de dispersão de London são às vezes chamadas de interações dipolo induzido. Essa interação é o tipo mais fraco de interação eletrostática e depende fortemente da massa molecular, pois moléculas maiores são formadas por um número maior de átomos e, consequentemente, mais elétrons, produzindo um maior número de interações através dos dipolos induzidos, formados pela distorção da nuvem de elétrons que constituem as moléculas covalentes, causando uma maior atração entre elas. 55 CARACTERÍSTICAS DAS MOLÉCULAS Capítulo 2 FIGURA 1 – FORMAÇÃO DE POLOS INDUZIDOS EM COMPOSTOS APOLARES FONTE: <https://www.crediblehulk.org/index.php/2018/12/30/van-der- waals-london-dispersion-forces/>. Acesso em: 23 jun. 2021. Analisando os pontos de ebulição das moléculas adiante (Figura 2), podemos observar que existe uma forte relação entre os pontos de ebulição e a massa molecular. Há um outro aspecto das forças de dispersão que precisamos ter em mente. As moléculas lineares são geralmente mais polarizáveis do que as ramifi cadas, quando apresentam a mesma massa molecular. Então, se compararmos o 2,2-Dimetil propano e o pentano regular, veremos que, embora ambos tenham exatamente a mesma massa molecular, os pontos de ebulição são bastante diferentes. E o isômero ramifi cado é um gás à temperatura ambiente, enquanto o isômero linear é um líquido. Sendo assim, hidrocarbonetos alifáticos, alcenos e sistemas aromáticos e em solventes lipofílicos sentem mais a ação dessas forças. 56 Fundamentos da Química Orgânica FIGURA 2 – RELAÇÃO PONTO DE EBULIÇÃO E ESTRUTURA DE MOLÉCULAS APOLARES FONTE: Adaptado de <https://www.organicchemistrytutor.com/topic/ intermolecular-forces-in-organic-chemistry/>. Acesso em: 23 jun. 2021. Normalmente, só vamos considerar a quão linear ou ramifi cada é a molécula, quando estas moléculas forem iguais em peso molecular e função. Se houver uma drástica diferença entre os pesos moleculares, o fato de uma molécula ter mais ramifi cações do que a outra terá um efeito insignifi cante. Essas interações também são dependentes da temperatura, sendo mais acentuadas a baixas temperaturas, quando as moléculas estão mais próximas, do que em altas temperaturas onde se tem um maior afastamento maior entre essas moléculas. 2.2 INTERAÇÕES DIPOLO-DIPOLO A próxima força intermolecular importante é a interação dipolo-dipolo. Ao contrário da dispersão de London, vemos as interações dipolo-dipolo quando temos dipolos permanentes na molécula. Então, quais são os dipolos permanentes? Um dipolo é o resultado do compartilhamento desigual de um par de elétrons das ligações covalentes. Isso ocorre quando os dois átomos que compõem a ligação covalente diferem signifi cativamente em eletronegatividade. A atração dipolo-dipolo que ocorre 57 CARACTERÍSTICAS DAS MOLÉCULAS Capítulo 2 entre duas moléculas polares surge da extremidade negativa de um dipolo sendo atraído eletrostaticamente para a extremidade positiva do segundo dipolo. Analisemos as moléculas do acetaldeído e do dióxido de carbono Figura 3. FIGURA 3 – COMPARAÇÃO DAS POLARIDADES DO ACETALDEÍDO E DIÓXIDO DE CARBONO FONTE: Adaptado de <https://www.organicchemistrytutor.com/topic/ intermolecular-forces-in-organic-chemistry/>. Acesso em: 23 jun. 2021. Na molécula do acetaldeído temos uma ligação C=O com um dipolo permanente, isto é, uma carga parcial negativa se desenvolve nesta porção da molécula localizada no átomo de oxigênio, enquanto o carbono ligado ao oxigênio desenvolve uma carga parcial positiva, levando a um dipolo permanente. Esse composto é chamado de composto polar. Em comparação, na molécula do dióxido de carbono, os dipolos são anulados devido à geometria linear da molécula, gerando uma molécula apolar. Essas interações ocorrem nas fases sólida e líquida, pois, na fase gasosa, as moléculas estão muito afastadas e as forças elétricas diminuem com a distância. 2.3 LIGAÇÕES HIDROGÊNIO A ligação de hidrogênio é um tipo especial de força intermolecular. Geralmente é muito mais forte do que a maioria das interações dipolo e tem uma natureza mais complexa do que uma simples atração eletrostática. A ligação de hidrogênio ocorre quando um átomo de hidrogênio se liga a átomos muito eletronegativos como os átomos N, O ou F. Na Figura 4, temos dois grupos -OH interagindo um com o outro. Observe como um dos H é atraído pelo átomo de oxigênio de outra molécula. A ligação de hidrogênio é aproximadamente 1/10 da ligação covalente típica em força. 58 Fundamentos da Química Orgânica Portanto, quanto maior o número de ligações de hidrogênio que uma molécula pode realizar, maior será a energia para rompem essas interações e mais estável será essa molécula. Isso explica o alto ponto de ebulição da água (100o C). FIGURA 4 – LIGAÇÃO HIDROGÊNIO NA MOLÉCULA DE ÁGUA FONTE: Adaptada de Atkins e Jones (2012) Lembre-se sempre de que o átomo de H deve estar ligado a N, O ou F para que a ligação de hidrogênio ocorra. A ligação de hidrogênio é importante, especialmente, porque é fundamental para manter a vida na Terra. Podemos citar alguns exemplos: ela mantém unidos os pares de bases na dupla hélice do DNA (Figura 5), conserva o estado líquido da água devido a essas interações elevar a temperatura de ebulição, o que contribui para que os oceanos e rios não evaporem rapidamente, e na formação das estruturas das proteínas da molécula de hemoglobina, que consiste em quatro subunidades mantidas por ligação hidrogênio e outras forças dipolares. Por exemplo, o DNA, o RNA e as moléculas de proteína são mantidos juntos predominantemente pela ligação de hidrogênio. Duas ligações de hidrogênio conectam tiamina (T) e a adenina (A); três ligações de hidrogênio conectam guanina (G) e a citosina (C). 59 CARACTERÍSTICAS DAS MOLÉCULAS Capítulo 2 FIGURA 5 – LIGAÇÃO HIDROGÊNIO EM BASES NITROGENADAS FONTE: <https://www.nature.com/scitable/topicpage/discovery-of-dna- structure-and-function-watson-397/>. Acessoem: 23 jun. 2021. Um outro exemplo de ligação hidrogênio pode ser observado na solubilidade da molécula da acetona (C3H6O) em água. Isso se deve às ligações de hidrogênio através dos hidrogênios dessa com os pares de elétrons do oxigênio da acetona (Figura 6). Esse fenômeno é observado em moléculas orgânicas oxigenadas, contendo cadeias carbônicas pequenas (até quatro átomos de carbono). FIGURA 6 – LIGAÇÕES DE H ENTRE AS MOLÉCULAS DE ÁGUA E ACETONA FONTE: Adaptada de Silva e Lima (2019) 60 Fundamentos da Química Orgânica 1) De acordo com a estrutura molecular, classifi que as moléculas de acordo com seus pontos de ebulição, analisando a estrutura molecular e as interações presentes em cada molécula. 3 PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS MOLECULARES 3.1 PONTOS DE FUSÃO E EBULIÇÃO As forças intermoleculares podem ser usadas para se comparar os pontos de ebulição e de fusão dos compostos orgânicos. Quanto mais fortes forem essas forças, menor será a pressão de vapor da substância e maior será o ponto de ebulição. A ordem decrescente de força das forças intermoleculares está apresentada a seguir: Ligação Hidrogênio > Interação dipolo-dipolo > Dispersão de London Ao comparar compostos com as mesmas forças intermoleculares, usamos o tamanho e a geometria dessas moléculas como fatores de desempate, uma vez que as forças de dispersão de London aumentam à medida que a área superfi cial aumenta. Ao comparar os isômeros estruturais do pentano (pentano, isopentano e neopentano), todos eles têm a mesma fórmula molecular C5H12. No entanto, à medida que a cadeia de carbono se torna ramifi cada, as áreas superfi ciais das moléculas diminuem. As ramifi cações causam um impedimento estérico nas moléculas, difi cultando a aproximação de moléculas vizinhas e a formação de dipolos induzidos. 61 CARACTERÍSTICAS DAS MOLÉCULAS Capítulo 2 FIGURA 7 – RELAÇÃO DO PONTO DE EBULIÇÃO COM O TIPO DE CADEIA CARBÔNICA E INTERAÇÃO INTERMOLECULAR FONTE: <https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Organic_Chemistry/Map%3A_Organic_ Chemistry_(Wade)/02%3A_Structure_and_Properties_of_Organic_Molecules/2.11%3A_ Intermolecular_Forces_and_Relative_Boiling_Points_(bp)>. Acesso em: 23 jun. 2021. Os isômeros estruturais propanol e metoximetano são substâncias que possuem as mesmas fórmulas moleculares (C2H6O), mas apresentam forças intermoleculares diferentes. No etanol, temos a ligação O-H presente na molécula, o que resulta em interações mais fortes e, consequentemente, o composto se apresenta na forma líquida à temperatura ambiente, enquanto o éter dimetílico têm interações mais fracas, dipolo-dipolo, sendo um gás à temperatura ambiente. FIGURA 8 – TIPO DE INTERAÇÃO INTERMOLECULAR E A RELAÇÃO COM O PONTO DE EBULIÇÃO EM ISÔMEROS FONTE: <https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Organic_Chemistry/Map%3A_Organic_ Chemistry_(Wade)/02%3A_Structure_and_Properties_of_Organic_Molecules/2.11%3A_ Intermolecular_Forces_and_Relative_Boiling_Points_(bp)>. Acesso em: 23 jun. 2021. Nos últimos três exemplos, temos as três forças intermoleculares sendo comparadas diretamente, ilustrando a relação dos pontos de ebulição com as forças intermoleculares. 62 Fundamentos da Química Orgânica FIGURA 9 – COMPARAÇÃO DOS PONTOS DE EBULIÇÃO E O TIPO DE FORÇA INTERMOLECULAR EM COMPOSTOS ORGÂNICOS FONTE: <https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Organic_Chemistry/ Map%3A_Organic_Chemistry_(Wade)/02%3A_Structure_and_ Properties_of_Organic_Molecules/2.11%3A_Intermolecular_Forces_ and_Relative_Boiling_Points_(bp)>. Acesso em: 23 jun. 2021. Além das interações intermoleculares, a massa molecular (MM) afeta fortemente os pontos de ebulição e fusão das moléculas, e isto é evidenciado quando observamos que moléculas semelhantes, isto é, que possuem a mesma função orgânica, o mesmo tipo de polaridade, interação intermolecular e cadeia carbônica, apresentam pontos de fusão (PF) e pontos de ebulição (PE) distintos. FIGURA 10 – RELAÇÃO DO TAMANHO DA CADEIA CARBÔNICA E A VARIAÇÃO DO PE E PF FONTE: A autora 63 CARACTERÍSTICAS DAS MOLÉCULAS Capítulo 2 1) Com base em suas estruturas, coloque o fenol, benzeno, benzaldeído, tolueno e o ácido benzoico em ordem crescente de ponto de ebulição: 2) Organize os seguintes compostos em ordem decrescente de ponto de ebulição: Observamos que quanto maior a força intermolecular que age na molécula, maior será o posto de ebulição da mesma. Nas duas primeiras estruturas tem-se as interações pontes de hidrogênio, sendo evidenciada a maior efetividade dessa interação na molécula linear devido ao efeito estérico do segundo composto impedir uma aproximação maior das moléculas do composto. Na terceira molécula, a interação dipolo-dipolo presente já justifi ca um maior ponto de ebulição, quando comparada ao quarto composto da série, que possui a força intermolecular mais fraca, a Dispersão de London. 64 Fundamentos da Química Orgânica 3.2 SOLUBILIDADE DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS O tipo de forças intermoleculares exibidas pelos compostos pode ser usado para prever dois compostos diferentes, miscíveis ou solúveis, e isso explica o porquê na química orgânica pode-se realizar reações em soluções não aquosas usando solventes orgânicos. É importante considerar o solvente como parâmetro de reação e a solubilidade de cada reagente. Com isso dito, os efeitos do solvente são secundários aos estéricos e eletrostáticos dos reagentes. Certifi que-se de não se afogar no solvente. Solubilidade se refere à dissolução de sólidos em líquidos. Miscibilidade se refere à dissolução de líquidos em líquidos. Praticamente, todas as reações orgânicas são executadas em solventes pouco polares ou apolares como tolueno (metilbenzeno), hexano, diclorometano ou éter dietílico. Nos últimos anos, muitas pesquisas em busca de separar adaptar as condições de reação para permitir o uso de solventes "mais verdes" (em outras palavras, mais ecológicos), como água ou etanol, estão sendo realizadas. Você provavelmente se lembra da regra que aprendeu na química geral em relação à solubilidade: "semelhante dissolve semelhante" (e mesmo antes de fazer qualquer química, provavelmente observou em algum momento de sua vida que o óleo não se mistura com a água). Vamos revisitar esta regra antiga e colocar nosso conhecimento sobre ligações covalentes e não covalentes para trabalhar. Imagine que você tem algumas substâncias para serem testadas em água. A primeira substância é o sal de cozinha (cloreto de sódio: NaCl). Como você quase certamente poderia prever, especialmente se você já inadvertidamente engoliu água do mar, este composto iônico se dissolve rapidamente em água. Por quê? Porque a água, como uma molécula muito polar, é capaz de formar muitas interações íon-dipolo através da formação do cátion sódio e o ânion cloreto, e a energia para que essa dissolução ocorra é mais do que sufi ciente para compensar a energia necessária para quebrar as interações íon-íon no sólido cristalino do sal e algumas ligações de hidrogênio água-água. 65 CARACTERÍSTICAS DAS MOLÉCULAS Capítulo 2 FIGURA 11 – DISSOLUÇÃO DO NACL EM ÁGUA FONTE: Adaptada de <https://pt.wikipedia.org/wiki/Solubilidade>. Acesso em: 23 fev. 2021. Como resultado fi nal, teremos cátions sódio (Na+) e ânions cloreto (Cl-) separados e envolvidos por moléculas de água – o sal agora está em solução. As espécies carregadas geralmente se dissolvem rapidamente em água: em outras palavras, são muito hidrofílicas (substâncias que possuem afi nidade, são solúveis, com molécula de água). O processo de solubilização de uma substância química resulta da interação entre a espécie que se deseja solubilizar (soluto) e a substância que a dissolve (solvente), e pode ser defi nida como a quantidade de soluto que se dissolve em uma determinada quantidade de solvente, em condições de equilíbrio. Solubilidade é, portanto, um termo quantitativo.É uma propriedade física (molecular) importante que desempenha um papel fundamental no comportamento das substâncias químicas, especialmente dos compostos orgânicos. A solubilidade de uma substância orgânica está diretamente relacionada com a estrutura molecular, especialmente com a polaridade das ligações e da espécie química como um todo (momento de dipolo). Geralmente, os compostos apolares ou fracamente polares são solúveis em solventes apolares ou de baixa polaridade, enquanto compostos de alta polaridade são solúveis em solventes também 66 Fundamentos da Química Orgânica polares, o que está de acordo com a regra empírica de grande utilidade: “polar dissolve polar, apolar dissolve apolar” ou “o semelhante dissolve o semelhante”. A solubilidade depende, portanto, das forças de atração intermoleculares que foram documentadas pela primeira vez por Van der Waals, prêmio Nobel de Física de 1910 (MARTINS et al., 2013). Para uma leitura complementar, indicamos a leitura do artigo Solubilidade das substâncias orgânicas, Quim. Nova, v. 36, n. 8, p. 1248-1255, 2013. Agora, vamos analisar o composto fenilbenzeno (Bifenilo), que, como o cloreto de sódio, é uma substância cristalina incolor: O fenilbenzeno não é solúvel em água. Por quê? A razão da insolubilidade do fenilbenzeno em água pode ser explicada pela análise da polaridade da molécula. Como o composto em questão é um hidrocarboneto apolar, apenas com ligações carbono-carbono e carbono-hidrogênio, ele apresenta uma interação muito forte entre as suas moléculas (dispersão de London), mas não é capaz de formar interações signifi cativas com as moléculas da água, um solvente polar que apresenta ligações hidrogênio. Como já vimos anteriormente, semelhante dissolve semelhante, logo, essas duas substâncias são incapazes de formarem uma solução homogênea. Agora, vamos analisar compostos contendo hidroxilas em suas moléculas. Na fi gura 12, temos a estrutura de alguns álcoois de cadeias lineares. Observamos que com o aumento do número de carbonos da cadeia carbônica ocorre uma diminuição da solubilidade desses álcoois em água. Observando a solubilidade dos álcoois em água, podemos notar que os álcoois menores – metanol, etanol e propan-1-ol se dissolvem facilmente na água. Isso ocorre porque a água é capaz de formar ligações de hidrogênio com o grupo 67 CARACTERÍSTICAS DAS MOLÉCULAS Capítulo 2 hidroxila dessas moléculas, e a energia de formação dessas novas ligações de hidrogênio água-álcool é maior e compensa a energia gasta na quebra das ligações de hidrogênio álcool-álcool. No entanto, quando se observa o butanol, notamos que à medida que se aumente a quantidade de água, começa a formação de uma camada do composto sobre a água. FIGURA 12 – RELAÇÃO DO TAMANHO DA CADEIA CARBÔNICA E A SOLUBILIDADE DE ÁLCOOIS LINEARES FONTE: A autora Os álcoois de cadeias mais longa (pentan-1-ol, hexan-1-ol, heptan-1-ol e octan-1-ol) são mais insolúveis. O que explica esse aumento da insolubilidade? Claramente, as mesmas ligações de hidrogênio água-álcool estão presentes nesses álcoois maiores, a diferença é que os álcoois maiores têm regiões hidrofóbicas (regiões apolares) maiores. Com cerca de quatro ou cinco carbonos, o efeito hidrofóbico começa a superar o efeito hidrofílico e a solubilidade em água começa a diminuir. 1) As vitaminas podem ser classifi cadas como solúveis em água ou solúveis em gorduras (considere a gordura como um ‘solvente’ apolar e hidrofóbico). Relacione a solubilidade das vitaminas mostradas a seguir com suas estruturas: FONTE: A autora 68 Fundamentos da Química Orgânica 4 ESTEREOQUÍMICA DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS O termo estereoquímica se refere à distribuição espacial de átomos em uma molécula e está ligado ao estudo dos aspectos estáticos e dinâmicos do sistema tridimensional dessas moléculas, sendo a base para a compreensão da relação entre a estrutura e reatividade dos compostos. Muitos químicos consideram esta área de estudo simplesmente fascinante devido à beleza estética das estruturas químicas associada à intrigante capacidade de combinar os campos da geometria, topologia e química ao estudo de formas tridimensionais, em diversos ramos da química. A natureza é essencialmente quiral! Isso pode ser evidenciado observando-se a quiralidade formas enantiomericamente puras dos blocos de construção que constituem os aminoácidos, nucleotídeos e açúcares. Em consequência dessa quiralidade, quaisquer substâncias criadas ou modifi cadas na natureza estão interagindo em um ambiente quiral. • Enantiômeros: são estereoisômeros que são imagem especular não sobreponível um do outro. FIGURA 13 – IMAGEM ESPECULAR DO AMINOÁCIDO FONTE: <https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSNA1Zg2kcOSA9wi- hfSoekxxZJ7v2ggGgd5u7T3FZH0DEF0YI4SZXY2YK954Oz9jZ63L7I&usqp=CAU>. Aces- so em: 23 jun. 2021. 69 CARACTERÍSTICAS DAS MOLÉCULAS Capítulo 2 • Centro quiral ou estereogênico (C*): é o carbono que apresenta quatro substituintes diferentes ligados a ele (fi gura 53). FIGURA 14 – CENTRO QUIRAL DO ÁCIDO 2-HIDROXIPROPANOICO FONTE: <https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcT4D2hW1fWugD- Hr2YmMld589CYsGm7mrBFWeP6vMF2Cwq491QBODmDGk4z JHuetSCQwnE&usqp=CAU>. Acesso em: 23 jun. 2021. Esta é uma questão importante para a química farmacêutica. A agência administradora alimentícia e farmacêutica (Food and Drug Administration – FDA) exige que as drogas sejam produzidas em formas enantiomericamente puras e que testes rigorosos sejam realizados para garantir que ambos os enantiômeros sejam seguros para serem consumidos. Fármacos e quiralidade - Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola, n. 3, maio 2001. Nesse artigo é discutida a relação da quiralidade com o efeito farmacológico dos fármacos, apresentando a forma de interação desses fármacos em um organismo animal (biofase) e as respostas biológicas associadas a essa interação. Por que a estereoquímica é tão importante? 70 Fundamentos da Química Orgânica A tragédia da talidomida, no fi nal dos anos 1950, constituiu um divisor de águas na regulação de medicamentos. A talidomida foi desenvolvida primeiramente pela CIBA, uma companhia farmacêutica suíça, foi inicialmente utilizada como um sedativo, contudo, ao contrário do que acontece hoje em dia nas indústrias farmacêuticas, nenhum teste rigoroso era realizado e a droga foi liberada para consumo sem nenhum efeito teratogênico potencialmente perigoso relatado. Depois de sua liberação, a droga tornou-se popular como um remédio para as mulheres grávidas devido a seus efeitos antieméticos (Antiemético é um medicamento efi caz no combate a enjoos e náuseas). Este aumento no uso por mulheres grávidas foi ajudado pelo fato de que a droga era disponível e poderia ser obtida sem uma prescrição. Contudo, seguindo seu uso difundido, os médicos do Japão, Austrália e Europa começaram a observar as relações entre as mães que haviam tomado a talidomida e a presença de mutações congenitais em suas crianças. FIGURA 15 – REPORTAGEM DA TRAGÉDIA DA TALIDOMIDA – JORNAL PUBLICADO EM 1962 FONTE: <http://www.revistahcsm.coc.fi ocruz.br/a-tragedia-da-talidomida- e-a-luta-por-direitos-e-regulacao/>. Acesso em: 23 jun. 2021. A estrutura da talidomida tem um centro quiral ou assimétrico (C*-N) que une o anel piperidinil ao isoindole (Figura 16). Em consequência da presença desse carbono assimétrico, há formação de dois isômeros, isto é, compostos que têm a mesma composição atômica (fórmula molecular), mas diferentes entre si na sua estereoquímica e, portanto, apresentam diferentes propriedades físicas e/ou químicas (BASIC TERMINOLOGY OF STEREOCHEMISTRY, 1996). 71 CARACTERÍSTICAS DAS MOLÉCULAS Capítulo 2 FIGURA 16 – ESTRUTURA DA TALIDOMIDA FONTE: <https://www.blogs.unicamp.br/quimikinha/2018/05/07/ tragedia-da-talidomida-divisor-de-aguas-na-regulamentacao-de-medicamento/>. Acesso em: 12 mar. 2021. Os dois isômeros da talidomida são denominados de acordo com sua confi guração (+)-R-talidomida e (-)-S-talidomida. A atribuição da designação R ou S obedece à regra chamada de Cahn-Ingold-Prelog (CIP). Observa-se que os isômeros R e S da talidomida também são enantiômeros, isto é, eles são imagem especular um do outro no espelho, assim como as mãos esquerda e direita, eles não podem ser sobrepostos em sua totalidade, como se observa na Figura 17. Na bioquímica, a disposição dos átomos é crucial na determinação da atividade biológica, logo, os isômeros podem apresentar efeitos biológicos completamente diferentes um do outro. Isso explica os isômeros da talidomida apresentarem atividades biológicas completamente diferentes. A descoberta à teratogênese da talidomida infl uenciou diretamente na química e na importância de se conhecer a estrutura estereoquímica dos compostos e como cada isômero age no organismo. FIGURA 17 – ESTRUTURA DOS ENANTIÔMEROS R E S DA TALIDOMIDA FONTE: <https://www.blogs.unicamp.br/quimikinha/2018/05/07/tragedia-da-talidomida- divisor-de-aguas-na-regulamentacao-de-medicamento/>. Acesso em: 12 mar. 2021. 72 Fundamentos da Química Orgânica Além da indústria farmacêutica, a estereoquímica é também altamente relevante para sistemas não naturais. Como exemplo, podemos citar as propriedades dos polímeros sintéticos, que são extremamente dependentes da estereoquímica das unidades de repetição (monômeros). Finalmente, o estudo da estereoquímica pode ser usado para examinar os mecanismos das reações. Consequentemente, a compreensão da estereoquímica é necessária para a maioria dos campos da química, tornando esta seção de extrema importância. Todos os cursos introdutórios de química orgânica ensinam os fundamentos do estereoisomerismo. 4.1 CONCEITOS BÁSICOS E TERMINOLOGIAS Historicamente, o nascimento do campo da estereoquímica está relacionado ao desenvolvimento do modelo tetraédrico do átomo de carbono por Jacobus Henricus van't Hoff e Joesph Achille LeBel (Figura 18). FIGURA 18 – A ESTRUTURA TETRAÉDRICA DO CARBONO NA MOLÉCULA DO METANO FONTE: Adaptada de Solomons e Fryhle (2010) Sugerimos a leitura de: ALENCASTRO, R. B.; BRACHT, F. Nomenclatura em Química. Rev. Virtual Química, v. 3, n. 4, 2011. 73 CARACTERÍSTICAS DAS MOLÉCULAS Capítulo 2 Esse modelo confi rmou que um átomo tetraédrico rodeado por quatro substituintes diferentes leva a dois arranjos tetraédricos não sobreponíveis. Essas duas possibilidades foram relatadas anteriores pelo cientista francês Louis Pasteur, o qual previu que alguns compostos químicos, com fórmulas moleculares idênticas, giravam o plano da luz polarizada em direções opostas, mas com o mesmo valor em módulo. FIGURA 19 – REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DE UM POLARÍMETRO. LUZ PLANA POLARIZADA PASSA POR UMA SOLUÇÃO DE OPTICAMENTE MOLÉCULAS ATIVAS, QUE GIRAM O PLANO DA LUZ POLARIZADA FONTE: Adaptada de Mcmurry (2010) Para entender a estereoquímica, devemos compreender alguns conceitos de isomeria e como esta se divide: 74 Fundamentos da Química Orgânica FIGURA 20 – MAPA ORGANIZACIONAL DA ISOMERIA FONTE: Adaptada de Góes (2019) 75 CARACTERÍSTICAS DAS MOLÉCULAS Capítulo 2 Isômeros são compostos diferentes que têm a mesma fórmula molecular. Chamamos de isômeros constitucionais compostos que apresentam a mesma fórmula molecular, mas conectividades diferentes, o que signifi ca que seus átomos estão conectados em uma ordem diferente. A seguir, abordaremos cada uma das isomerias constitucionais. • Isomeria de cadeia: esses isômeros diferem no tipo de cadeia carbônica – linear ou ramifi cada. FIGURA 21 – ISOMERIA DE CADEIA FONTE: <https://blog.biologiatotal.com.br/isomeria-o-que-e- tipos-e-exemplos/>. Acesso em: 23 jun. 2021. 76 Fundamentos da Química Orgânica • Isomeria de posição: os compostos têm o mesmo grupo funcional, mas diferem na posição deste grupo em relação à cadeia de principal. As variações podem ser no lugar da insaturação, do grupo funcional, do heteroátomo ou do substituinte. FIGURA 22 – ISOMERIA DE POSIÇÃO FONTE: <https://blog.biologiatotal.com.br/isomeria-o-que-e- tipos-e-exemplos/>. Acesso em: 23 jun. 2021. • Isomeria funcional: compostos com a mesma fórmula molecular, mas diferem na natureza do grupo funcional presente na molécula. FIGURA 23 – ISOMERIA FUNCIONAL FONTE: <https://blog.biologiatotal.com.br/isomeria-o-que-e- tipos-e-exemplos/>. Acesso em: 23 jun. 2021. • Metameria: é um tipo de isomerismo constitucional exibido pelos compostos orgânicos da mesma classe (ou seja, grupo funcional), mas são 77 CARACTERÍSTICAS DAS MOLÉCULAS Capítulo 2 unidos por diferentes grupos alquil com o átomo central – metâmeros. Portanto, a mudança dos grupos alquil em duas valências do átomo central leva ao metamerismo. Alquil é um radical orgânico monovalente da fórmula, formado pela remoção de um átomo de hidrogênio de um hidrocarboneto saturado. FIGURA 24 – METAMERIA FONTE: A autora 78 Fundamentos da Química Orgânica Obs.: Existe outro tipo de isomeria, chamado de isômeros de anel e cadeia. Quando o anel é aberto, forma uma cadeia linear. FONTE: A autora • Tautometria: é o isomerismo estrutural mais importante. A tautometria existe em equilíbrio nos compostos em solução ou líquidos puros que apresentam equilíbrio dinâmico. FIGURA 25 – TAUTOMERIA ALDO-ENÓLICA FONTE: <https://blog.biologiatotal.com.br/isomeria-o-que-e- tipos-e-exemplos/>. Acesso em: 23 jun. 2021. FIGURA 26 – TAUTOMERIA CETO-ENÓLICA FONTE: <https://blog.biologiatotal.com.br/isomeria-o-que-e- tipos-e-exemplos/>. Acesso em: 23 jun. 2021. 79 CARACTERÍSTICAS DAS MOLÉCULAS Capítulo 2 4.2 ESTEREOISÔMEROS Estereoisômeros são compostos que têm a mesma conectividade química, isto é, apresentam a mesma fórmula molecular, mesma função orgânica e localização desta, mesmo tipo de cadeia, mas se diferem através dos arranjos espaciais de seus átomos ou grupos de átomos. A consideração de tais aspectos espaciais da estrutura molecular é chamada de estereoquímica. Os estereoisômeros podem ser subdivididos em duas categorias gerais: os enantiâmeros e os diastereoisômeros. • Diastereoisômeros são estereoisômeros cujas moléculas não são imagens especulares de uma da outra. Observemos o isômero cis- e trans-1,2- dicloroeteno do alceno. São diastereoisômeros. FIGURA 27 – ESTRUTURAS DOS ISÔMEROS CIS-1,2- DICLOROETENO E TRANS-1,2-DICLOROETENO FONTE: A autora Ao examinar as fórmulas estruturais para cis- e trans-1,2-dicloroeteno, vemos que eles têm a mesma fórmula molecular (C2H2Cl2) e a mesma conectividade (ambos os compostos têm dois átomos de carbono centrais unidos por uma ligação dupla, e ambos os compostos têm um cloro e um átomo de hidrogênio ligado a cada átomo de carbono). Mas, seus átomos têm um diferente arranjo no espaço que não podem ser interconvertidos de um para outro (devido à grande barreira à rotação da ligação dupla carbono-carbono), o sistema s-p presente pelo menos entre dois carbonos é o fator responsável pela grande barreira de energia necessária à rotação dos grupos unidos por esta ligação), tornando-os estereoisômeros. Além disso, eles são estereoisômeros que não são imagem especular um do outro; portanto, eles são diastereoisômeros e não enantiômeros. 80 Fundamentos da Química Orgânica • A rotação em torno de uma ligação sigma difi cilmente altera a energia dos elétrons na ligação, porque a rotação não altera signifi cativamente a sobreposição dos orbitais atômicos (O.A.) que formam a ligação sigma (σ). • A rotação em torno de uma ligação pi (π), no entanto, ALTERA A SOBREPOSIÇÃO dos orbitais atômicos (O.A.) que são usados para formar a ligação dos orbitais moleculares MO. A ligação pi é quebrada para que ocorra uma rotação de 90o (Figura 28). FIGURA 28 – (A) ORBITAISMOLECULARES E QUEBRA DA LIGAÇÃO PI (B) ENERGIA DE ROTAÇÃO DA LIGAÇÃO PI FONTE: <http://www.asu.edu/courses/chm233/notes/alkenes/ alkenesF2017.html>. Acesso em: 12 mar. 2021. Isômeros cis e trans de cicloalcanos nos fornecem outro exemplo de diastereoisômeros. FIGURA 29 – OUTRO EXEMPLO DE DIASTEREOISÔMEROS FONTE: A autora Esses dois compostos têm a mesma fórmula molecular (C7H14), a mesma sequência de conexões para seus átomos, mas arranjos espaciais diferentes de 81 CARACTERÍSTICAS DAS MOLÉCULAS Capítulo 2 seus átomos. Em um composto, ambos os grupos metila estão ligados à mesma face do anel, enquanto no outro composto, os dois grupos metila estão ligados a faces opostas do anel. Além disso, as posições dos grupos metila não podem ser interconvertidos por mudanças conformacionais. Portanto, esses compostos são estereoisômeros que não são imagens especular um do outro, classifi cados como diastereoisômeros. • Enantiômeros: são estereoisômeros moléculas cuja imagem especular não é sobreponível à original. Os enantiômeros sempre têm a possibilidade de existir aos pares. Na natureza, frequentemente encontramos apenas um enantiômero dos dois possíveis, mas normalmente, quando realizamos uma reação química, descobrimos que a reação produz um par de enantiômeros. Qual característica estrutural deve estar presente para que duas moléculas existam como enantiômeros? Os enantiômeros ocorrem apenas em compostos cujas moléculas são quirais. Mas como reconhecemos uma molécula quiral? Uma molécula quiral é aquela que não se sobrepõe a sua imagem no espelho, portanto, ela apresenta um de seus átomos de carbono com quatro substituintes diferentes. Podemos entender a quiralidade analisando-se a molécula do butan- 2-ol (Figura 30). FIGURA 30 – (A) DESENHOS TRIDIMENSIONAIS DOS ENANTIÔMEROS 2-BUTANOL I E II. (B) MODELOS DE ENANTIÔMEROS 2-BUTANOL. (C) UMA TENTATIVA MALSUCEDIDA DE SOBREPOR OS MODELOS I E II FONTE: Adaptada de Solomons e Fryhle (2010) Se a molécula I for colocada diante de um espelho, a molécula II será vista no espelho como a imagem de I e vice-versa. As moléculas I e II não se sobrepõem; portanto, elas representam diferentes, mas isoméricas, moléculas. Como os modelos I e II são imagens espelhadas não sobreponíveis, logo, elas representam um par de enantiômeros. Qual recurso estrutural podemos usar para prever a possível existência de um par de enantiômeros? Uma maneira (mas não a única maneira) é reconhecer que um par de enantiômeros é sempre possível para moléculas que contêm pelo menos um átomo de carbono tetraédrico com quatro grupos diferentes ligados a ele. A IUPAC recomenda que tais átomos sejam chamados de centros quirais. 82 Fundamentos da Química Orgânica Nota: Também é importante afi rmar que a quiralidade é uma propriedade da molécula como um todo. Os centros quirais são identifi cados com um asterisco (*). No 2-butanol, o centro quiral está no carbono C2. Os quatro grupos diferentes que estão ligados ao carbono C2 são: um grupo hidroxila, um átomo de hidrogênio, um grupo metil e um grupo etil. FIGURA 31 – OS QUATRO GRUPOS DIFERENTES QUE ESTÃO LIGADOS AO CARBONO C2 FONTE: A autora A capacidade de encontrar centros quirais em fórmulas estruturais nos ajudará a reconhecer moléculas que são quirais e que podem existir como enantiômeros. A presença de uma única quiralidade no centro em uma molécula garante que a molécula é quiral e que são possíveis existir formas enantioméricas. No entanto, existem moléculas com mais de um centro quiral que não é quiral, e há moléculas que não contêm centro quiral e apresentam quiralidade. A melhor maneira de identifi car a quiralidade molecular é se a imagem de uma molécula é sobreponível a sua imagem no espelho. Se os modelos não forem sobreponíveis, então, as moléculas são quirais. Outra forma de analisar a quiralidade de uma molécula é baseada na ausência de certos elementos de simetria na estrutura da molécula. Moléculas quirais não têm plano de simetria. Um plano de simetria é defi nido como um plano imaginário que corta ao meio uma molécula de modo que as duas metades da molécula sejam imagens especulares um do outro. O plano pode passar por átomos, entre átomos ou ambos. 83 CARACTERÍSTICAS DAS MOLÉCULAS Capítulo 2 Por exemplo, 2-cloropropano tem um plano de simetria (Figura 32a), enquanto o 2-clorobutano não (Figura 32b). FIGURA 32 – (A) 2-CLOROPROPANO TEM UM PLANO DE SIMETRIA E É AQUIRAL. (B) 2-CLOROBUTANO NÃO POSSUI UM PLANO DE SIMETRIA, LOGO, É QUIRAL FONTE: Adaptada de Solomons e Fryhle (2010) 4.3 NOMEANDO ENANTIÔMEROS: O SISTEMA DE NOMENCLATURA R, S Para identifi car dois estereoisômeros, usamos o sistema de nomenclatura R, S que foi desenvolvida por Cahn, Ingold e Prelog. Em outras palavras, nós precisamos de um sistema de nomenclatura que indique a confi guração (arranjo) dos átomos ou grupos em torno do carbono assimétrico (centro quiral). Os químicos usam as letras R e S para indicar a confi guração sobre um carbono assimétrico. Para qualquer par de enantiômeros com um carbono assimétrico, um terá a confi guração R e o outro terá a confi guração S. Vejamos primeiro como podemos determinar a confi guração de um composto através de um modelo tridimensional: FIGURA 33 – MODELO TRIDIMENSIONAL FONTE: A autora 84 Fundamentos da Química Orgânica 1) Classifi que os grupos (ou átomos) ligados ao carbono assimétrico em ordem de prioridade. Os números atômicos dos átomos diretamente ligados ao carbono assimétrico determinam as prioridades relativas. Quanto maior for o número atômico, maior será a prioridade. Oriente a molécula de modo que o grupo (ou átomo) com a prioridade mais baixa (4) seja direcionado para fora do papel. 2) Em seguida, desenhe uma seta imaginária do grupo (ou átomo) com a prioridade mais alta (1) para o grupo (ou átomo) com a próxima prioridade mais alta (2) e assim sucessivamente, até colocar os átomos em ordem decrescente de prioridade. Se a seta girar no sentido horário, o carbono assimétrico tem a confi guração R. Se a seta apontar no sentido anti- horário, o carbono assimétrico tem a confi guração S. FIGURA 34 – SENTIDO HORÁRIO FONTE: A autora 1) As estruturas a seguir representam moléculas idênticas ou um par de enantiômeros? Explique. FONTE: Adaptada de Bruice (2007) 85 CARACTERÍSTICAS DAS MOLÉCULAS Capítulo 2 4.4 ISÔMEROS COM MAIS DE UM CARBONO ASSIMÉTRICO Muitos compostos orgânicos têm mais de um carbono assimétrico. Quanto mais carbonos, mais estereoisômeros são possíveis para este composto. Se soubermos quantos carbonos assimétricos o composto tem, podemos calcular o número máximo de estereoisômeros para esse composto: um composto pode ter um máximo de 2n estereoisômeros, em que n é igual ao número de carbonos assimétricos. Por exemplo, 3-cloro-2-butanol possui dois carbonos assimétricos. Portanto, pode ter até quatro (22 = 4) estereoisômeros. Os quatro estereoisômeros são mostrados como estruturas tridimensionais e nas projeções de Fischer (Figura 35). FIGURA 35 – ESTEREOISÔMEROS DO 3-CLOROBUTAN-2-OL FONTE: Adaptada de Bruice (2007) Projeções Fischer A estereoquímica dos açúcares costumava ser representada pelas projeções de Fischer. A cadeia carbônica principal da molécula é colocada em uma linha vertical e torcida de maneira que todos os substituintes apontassem para o observador. As projeções de Fischer são moléculas diferentes das reais. No entanto, você pode 86 Fundamentos da Química Orgânica encontrá-las em livros mais antigos e deve ter uma ideia sobre como interpretá-las. Basta colocar a cadeia principal no plano do papel, posicionando os substituintes de cada carbono em forma de cunha (vindo em direção ao observador). 4.5 TIPOS DE REPRESENTAÇÕES DAS MOLÉCULAS ORGÂNICAS TRIDIMENSIONAIS NO PAPEL • Projeção de Fischer: foi desenvolvida pelo químico alemão EmilFischer, em 1891 (Nobel de química em 1902), e é o sistema de representação tridimensional no plano muito utilizado em química de produtos naturais, carboidratos e seus derivados. É um modo simplifi cado de representar um átomo de carbono tetraédrico e seus substituintes. FIGURA 36 – TIPOS DE REPRESENTAÇÕES DE CARBOIDRATOS FONTE: Adaptada de Brecher (2006) • As linhas horizontais ilustram as ligações que saem da página. • As linhas verticais mostram as ligações que estão na página. FONTE: Adaptadad de Bruice (2007) 87 CARACTERÍSTICAS DAS MOLÉCULAS Capítulo 2 • Os átomos de carbono podem ou não podem ser mostrados em uma projeção de Fischer. A seguir, temos a representação tridimensional para as projeções de Fischer: FIGURA 37 – REPRESENTAÇÃO TRIDIMENSIONAL DA PROJEÇÃO DE FISHER FONTE: <https://moodle.ufsc.br/pluginfi le.php/2139366/mod_resource/content/1/ estereoqu%C3%ADmica%20%283%29.pdf>. Acesso em: 12 mar. 2021. • Transformações possíveis na Projeção de Fischer. Rotação de 180º no plano do papel: Duas ou mais trocas, em números pares não interferem na estereoquímica: 88 Fundamentos da Química Orgânica • Projeção de Haworth: as projeções de Haworth, assim como as de Fischer, são usadas principalmente para representar carboidratos e compostos estruturalmente semelhantes, como inositóis. Essas projeções são caracterizadas por um sistema de anel visualizado “Em perspectiva” (Figura 38). FIGURA 38 – REPRESENTAÇÃO DAS PROJEÇÕES DE HAWORTH FONTE: Adaptada de Brecher (2006) • Projeção de Sawhorse = “em cavalete”: projeção usada para representar uma perspectiva tridimencional de uma conformação específi ca. Essa projeção mostra a relação espacial entre os substituintes ligados a dois átomos de carbono adjacentes. FIGURA 39 – PROJEÇÃO DE SAWHORSE FONTE: A autora • Interconversão Fischer – Sawhorse. FIGURA 40 – INTERCONVERSÃO FISCHER – SAWHORSE FONTE: A autora • Projeção de Newman: nas projeções de Newman, a ligação carbono- carbono é colocada diretamente na linha de visão do observador e os dois átomos de carbono são representados como círculos coincidentes. As ligações do carbono da frente são representadas por linhas que vão até o centro do círculo e 89 CARACTERÍSTICAS DAS MOLÉCULAS Capítulo 2 as ligações do carbono de trás se interrompem na circunferência do círculo. Essa projeção é muito utilizada para se fazer a análise conformacional. FIGURA 41 – PROJEÇÃO DE NEWMAN FONTE: A autora • Interconversão Fischer – Newman: Fischer representa a molécula eclipsada. FIGURA 42 – INTERCONVERSÃO FISCHER – NEWMAN • Representação em “zig-zag”: maior utilização. FIGURA 43 – REPRESENTAÇÃO EM ZIG-ZAG FONTE: A autora • Interconversão Fischer – Sawhorse. 90 Fundamentos da Química Orgânica FIGURA 44 – INTERCONVERSÃO FISCHER – SAWHORSE FONTE: A autora • Interconversão Fischer – Zig-zag. FIGURA 45 – INTERCONVERSÃO FISCHER – ZIG-ZAG FONTE: A autora 5 ALGUMAS CONSIDERAÇÕES Neste capítulo, analisamos os fatores que afetam diretamente as propriedades físicas dos compostos orgânicos, os quais podem ser usados para se fazer previsões acerca das grandezas físicas desses compostos. Entendemos como a polaridade das moléculas, que são determinadas pelo tipo de estrutura que estas apresentam, afetam as forças intermoleculares e a relação da intensidade dessas forças com os postos de ebulição e/ou fusão e a solubilidade dos compostos. Na estereoquímica, introduzimos o conceito de quiralidade e a importância da quiralidade dos compostos orgânicos. Introduzimos os conceitos de enantiômeros, diastereoisômeros, além dos principais termos usados no estudo da estereoquímica. Aprendemos sobre as regras de Cahn-Igold-Prelog e como utilizá-la para a determinação da confi guração absoluta (R/S) dos compostos quirais. Em seguida, estendemos esse conceito para compostos com mais de um carbono quiral. Finalizamos o estudo do Capítulo 2 com o reconhecimento dos tipos de representações das moléculas orgânicas tridimensionais no papel, uma forma de ajudá-lo a entender como representar compostos complexos, como carboidratos e produtos naturais. 91 CARACTERÍSTICAS DAS MOLÉCULAS Capítulo 2 REFERÊNCIAS ATKINS, P.; JONES, L. Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. Tradução técnica: Ricardo Bicca de Alencastro. 5. ed. Porto Alegre: Bookman, 2012. BRECHER, J. Graphical representation of Stereochemical confi guration. Pure Appl. Chem., v. 78, n. 10, p. 1897-1970, 2006. BRUICE, P. Y. Organic Chemistry. 5. ed. Pearson International, 2007. CHANG, R.; GOLDSBY, K. A. Química. Revisão técnica: Denise de Oliveira Silva, Vera Regina Leopoldo Constantino. 11. ed. Porto Alegre: Bookman, 2013. GÓES, A. J. S. Estereoquímica de Compostos Orgânicos. 1. ed. Editora Blucher, 2019. LEMKE, T. L. Review of organic functional groups: introduction to medicinal organic chemistry. 5. ed. Lippincott Williams & Wilkins, 2012. MARTINS, C. R. et al. Solubilidade das substâncias orgânicas. Quim. Nova, v. 36, n. 8, p. 1248-1255, 2013. MCMURRY, J. E. Fundamentals of Organic Chemistry. 7. ed. Brooks/Cole, 2010. SILVA, I. S.; LIMA, S. G. Abordagem física de compostos orgânicos. Atena Editora, 2019. SOLOMONS, T. W. G., FRYHLE, C. B. Organic Chemistry. 10. ed. John Wiley & Sons, 2010. VOLLHARDT, P. Química orgânica: estrutura e função. Tradução: Flavia Martins da Silva et al. Revisão técnica: Ricardo Bicca de Alencastro. 6. ed. Porto Alegre: Bookman, 2013. WADE, L. G.; WADE JR., L. Organic Chemistry. 8. ed. Pearson, 2013. 92 Fundamentos da Química Orgânica CAPÍTULO 3 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO DE QUÍMICA ORGÂNICA A partir da perspectiva do saber-fazer, neste capítulo você terá os seguintes objetivos de aprendizagem: • conhecer as normas gerais de segurança; • reconhecer o EPI (Equipamento de Proteção Individual) e EPC (Equipamento de Proteção Coletiva); • analisar toxicidade, armazenamento e manejo de materiais; • conhecer as técnicas de recristalização; • estudar a sublimação; • estudar a extração líquido-líquido; • aprender sobre destilação; • aprender sobre cromatografi a. 94 Fundamentos da Química Orgânica 95 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 1 CONTEXTUALIZAÇÃO O trabalho de laboratório na ciência requer certos cuidados. Este capítulo foi elaborado como um manual para iniciar o desenvolvimento dos alunos nas técnicas de laboratório de química, em especial, a química orgânica. O capítulo procura cobrir as normas de segurança individuais e coletivas e fundamentos teóricos importantes para a prática da disciplina. A Química Orgânica é uma ciência altamente experimental baseada em uma teoria que está consolidada em aspectos muito básicos, mas ao mesmo tempo está em desenvolvimento constante. As reações refl etidas em qualquer publicação regular em Química Orgânica ou teorias, princípios, postulados ou regras encontradas nos numerosos textos dedicados ao ensino da disciplina são o resultado do trabalho realizado por Químicos Orgânicos nos laboratórios. Portanto, é essencial para os futuros profi ssionais adquirirem uma sólida formação em laboratório o mais rápido possível, desenvolvendo desde o início bons hábitos e habilidades necessárias para lidar com os desafi os do trabalho experimental. Sob esse ponto de vista, o capítulo está dividido em várias partes. Primeiro serão abordadas as questões de segurança, tanto em termos de atitude como comportamento responsável e no manuseio dos produtos químicos e equipamentos usados com mais frequência. Na sequência será descrita a melhor forma de se registrar os experimentos e resultados de um laboratório de química. Em seguida, os equipamentos de laboratório mais comuns e as principais operações básicas que podem ser realizadas em um laboratório de Química Orgânica serão descritos. Um cuidado especial foi tomado em cadacaso para incluir dicas e avisos que podem ser úteis a você. Alguns pontos abordados são óbvios para os profi ssionais de Química Orgânica, mas pode ser do interesse de um aluno que está iniciando o trabalho experimental em um laboratório. 2 SEGURANÇA DE LABORATÓRIO O trabalho no laboratório de Química Orgânica envolve uma série de riscos inerentes, devido, em primeiro lugar, aos produtos químicos e solventes que são manuseados e, em segundo lugar, às técnicas utilizadas na realização de experimentos. Embora as práticas laboratoriais se destinem a minimizar esses riscos, sempre existe a possibilidade de acidentes graves (por exemplo, cortes, queimaduras, respingos, derramamentos ou, ainda pior, incêndios e explosões). 96 Fundamentos da Química Orgânica Portanto, é necessário desde o início que o aluno adquira segurança nos hábitos de trabalho e aprenda os procedimentos básicos de segurança. Todos deveriam ser capazes de identifi car potenciais fontes de acidentes e, se ocorrer um acidente, de agir rapidamente, minimizando as consequências de tais incidentes. Esta seção descreve de uma forma geral os aspectos mais relevantes de segurança no laboratório. Da mesma forma, uma seção sobre os perigos inerentes e potencialmente explosivos e substâncias infl amáveis estão incluídas. 2.1 LABORATÓRIO DE QUÍMICA: UM LUGAR SEGURO Antes de começar a trabalhar em um laboratório, os alunos devem ter um conhecimento profundo da localização dos diferentes equipamentos de emergência necessários nas situações em que a velocidade de resposta é crítica. Todos os alunos devem saber como agir no caso de um acidente, estando completamente seguros das áreas de evacuação tanto do laboratório quanto do prédio. Além disso, eles devem saber para quem recorrer em caso de acidente e ter os números de telefone de emergência dos departamentos médicos e de bombeiros sempre à vista. 2.1.1 Comportamento e hábitos seguros no laboratório Os alunos devem aprender as melhores práticas para conduzir o trabalho de laboratório com segurança com produtos químicos e materiais que podem ser perigosos em caso de descuido ou negligência. Isso envolve tomar as precauções adequadas em todos os momentos e pesquisar quaisquer dúvidas sobre o manuseio de equipamentos ou produto químico. É de suma importância que a bancada que está sendo executado o trabalho esteja sempre limpa e organizada, para se evitar derramamentos acidentais, vidros quebrados etc. Os riscos de acidentes podem ser minimizados com conscientização e os seguintes cuidados: 97 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 • Consulte os rótulos dos reagentes que serão manipulados em um experimento e os manuais dos equipamentos. Conhecer os perigos potenciais associados ao manuseio, bem como neutralizar ou reduzir os riscos em caso de acidente através de treinamento adequado. A identifi cação dos riscos inicia-se com o levantamento de riscos e utiliza- se da inspeção do local, realizando um levantamento de perigos, ou seja, localizar e determinar substâncias, situações e eventos perigosos ou danosos àqueles que estão expostos a agentes, por exemplo, carcinogênicos, teratogênicos e corrosivos, superfícies quentes, radiação ultravioleta, mistura de substâncias químicas, manuseio de resíduos. • Antes do experimento, estude e documente as técnicas e procedimentos (conheça em detalhes todas as operações básicas e manipulações). • Siga todas as instruções de segurança específi cas para cada prática ou experimento a ser realizado no laboratório. • Conheça a localização e a operação adequada de todos os equipamentos gerais de emergência do laboratório. • Antes de usar um determinado composto, certifi que-se de que seja o desejado. Leia o rótulo duas vezes, se necessário. • Nunca devolva os resíduos usados aos seus recipientes originais. • Qualquer solução recém-preparada deve ser armazenada em um recipiente limpo e devidamente etiquetado. • Não toque em produtos químicos com as mãos e nunca coloque nenhum em sua boca. Não faça pipetagem com a boca; usar a seringa de bulbo e pipeta. • Não cheire diretamente nenhum produto químico, pois pode ser irritante, prejudicial e pode provocar lágrimas, além de ser tóxico. • Para diluir um ácido, como o ácido sulfúrico, sempre adicione o ácido sulfúrico à água. 98 Fundamentos da Química Orgânica ATENÇÃO! NUNCA ADICIONAR A ÁGUÁ NO RECIPIENTE QUE CONTÉM ÁCIDOS. Pode ocorrer uma reação violenta, extremante exotérmica, com liberação de calor e causar um grave acidente! • Mantenha solventes infl amáveis longe de equipamentos de aquecimento, como placas de aquecimento, bicos de Bunsen etc. • Ao manusear artigos de vidro, seja extremamente cuidadoso! Verifi que se possuem bordas lascadas ou trincadas. • Proteja suas mãos com luvas. CUIDADO: Vidraria quente não difere à primeira vista de fria! Se o vidro estiver dentro de um forno ou em contato com uma fonte de calor, evite queimaduras usando pinças ou outros dispositivos de proteção para manipular o item e permitir que este esfrie antes de tocá-lo diretamente ou de usá-lo. • Nunca aqueça recipientes fechados, pois pode causar uma explosão. • Cada vez que a vidraria é montada, verifi que as conexões e montagem antes de iniciar o experimento. • Não coma ou beba no laboratório. DICA: Sempre preste atenção ao trabalho que está sendo feito e mantenha uma atitude responsável! 99 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 2.1.2 Causas de acidentes em laboratórios A maioria dos acidentes no laboratório de Química Orgânica são causados por manuseio de produtos químicos perigosos, vidrarias e equipamentos de laboratório. Portanto, antes de qualquer experimento, se deve fazer uma análise de todos os reagentes e equipamentos a serem usados no laboratório. Isso diminuirá muito a probabilidade de acidentes. As causas mais comuns de acidentes em laboratório envolvem o seguinte: • Falta de organização no local de trabalho. • Uso inadequado de equipamentos de proteção individual. • Uso negligente de vidraria. • Transferência inadequada de líquidos em geral. • Placas de aquecimento em altas temperaturas e/ou outras fontes de calor. • Destilações com coletor aberto próximo a chama ou fonte de calor. • Purifi cação de solventes que podem conter peróxidos (por exemplo, éteres). • Ignição espontânea de resíduos de catalisador ou resíduos de reduções com Zn. • Banho de óleo aquecido a temperaturas acima de 160o C. • Destruição negligente de resíduos de Na, K, NaNH2, LiAlH4 e CaH2. • Aplicação de vácuo em um frasco Erlenmeyer ou outro recipiente não específi co para vácuo. • Falha em seguir as instruções dos manuais dos aparelhos. Como proceder em caso de acidente? Embora pareçam exaustivas, algumas recomendações a fi m de minimizar as consequências de um acidente são os seguintes: • Em caso de acidente grave, ligue para o número de telefone de emergência. • Avise qualquer pessoa nas proximidades sobre a natureza da emergência. Não mova nenhuma pessoa ferida, exceto em caso de incêndio ou exposição a produtos químicos. • Ingestão acidental de produtos químicos – levar a pessoa para o hospital de emergência com o produto e a especifi cação do produto. • Não dê líquidos para ingerir ou induza o vômito. 100 Fundamentos da Química Orgânica • Inalação de produtos químicos. Evacuar imediatamente a área afetada e ir para um local arejado – em seguida, vá imediatamente para a emergência do hospital mais próximo. • Incêndio no laboratório – se o fogo for pequeno e localizado, utilize o cobertor ou extintor de incêndio para apagá-lo. Produtos químicos infl amáveis que estão próximos ao fogo devem ser removidos. Nunca use água para extinguir um incêndio causado por solventes orgânicos. • Fogo no corpo. Se a roupa pegar fogo, peça ajuda imediatamente, deite- se e role várias vezes para tentar apagar as chamas. Lembre-se de que é suaresponsabilidade ajudar alguém que está se queimando, usando um cobertor. • Queimaduras: o Pequenas queimaduras podem ser tratadas lavando-as com água fria. • Queimaduras graves, dirija-se imediatamente ao pronto-socorro do hospital mais próximo. • Cortes: o Lave bem com água corrente. Se for pequeno e parar de sangrar rapidamente, aplique um antisséptico e cubra com curativo apropriado. Se for grande e não parar de sangrar, vá imediatamente ao hospital mais próximo. • Respingos de produtos químicos na pele: o Lave imediatamente com bastante água corrente. No caso de produtos corrosivos em contato com os olhos, o tempo de reação para a ação é crítico (menos de 10 s). Procure assistência médica, mesmo que a lesão possa parecer pequena. 2.2 EQUIPAMENTO DE PROTEÇÃO INDIVIDUAL (EPI) Os itens de proteção individual no laboratório de Química Orgânica devem consistir dos seguintes itens: óculos, jaleco (dê preferência a tecidos de algodão), luvas e máscara para gases. Quanto ao tipo de roupa que deve ser usada durante os experimentos ou trabalhar no laboratório, o aluno é proibido do uso de short, sapatos abertos ou com saltos. Cabelos sempre presos e evitar o uso de pingentes, colares, pulseiras, lenços ou camisas com mangas largas que podem fi car presas em aparelhos ou entrar em contato com chamas ou fontes de calor. 101 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 2.2.1 Óculos de segurança Óculos de segurança protegem os olhos de respingos e, portanto, devem ser usados sempre no laboratório de Química Orgânica. Não use lentes de contato, pois pode ocorrer sérios danos na córnea se estas forem expostas a produtos químicos voláteis como éter de petróleo. Óculos de grau não garantem proteção, então óculos de segurança com grau se fazem necessários. Os óculos de segurança são fabricados especialmente para este fi m, e são projetados para fornecer boa proteção frontal e lateral. Estes devem ser tão confortáveis quanto possível e não devem interferir com os movimentos do usuário. FIGURA 1 – ÓCULOS DE SEGURANÇA USADOS NO LABORATÓRIO FONTE: <http://conectafg.com.br/use-oculos-de-protecao/>. Acesso em: 16 abr. 2021. 2.2.2 Jaleco de laboratório O jaleco protege o corpo e as roupas de respingos de produtos químicos. Essas roupas geralmente são feitas de algodão e fi bras sintéticas que resistem à corrosão por substâncias. Algodão ou fi bras naturais, quando queimados, não grudam no corpo, quando uma substância corrosiva entra em contato com a roupa. O jaleco deve ser sempre abotoado e deve cobrir o corpo até abaixo do joelho. 102 Fundamentos da Química Orgânica FIGURA 2 – JALECO DE PROTEÇÃO PESSOAL FONTE: <https://pt.pngtree.com/freepng/drawing-white-lab- coat_5046079.html>. Acesso em: 23 jun. 2021. 2.2.3 Luvas de proteção Luvas de proteção devem ser usadas, especialmente, quando produtos químicos corrosivos e perigosos são manuseados. Dependendo do tipo de luva, são necessários cuidados específi cos porque nenhum material pode proteger contra todos os produtos químicos. Antes de usar (especialmente luvas de látex), certifi que-se de que as luvas estão em boas condições, ou seja, sem orifícios ou perfurações. Luvas que foram perfuradas por reagentes devem ser descartadas no recipiente de resíduos apropriado. Dependendo do uso, elas estão disponíveis em diferentes tipos de mercado. As mais comuns usadas no laboratório cobrem o pulso, enquanto outros modelos protegem o antebraço ou o braço inteiro. Os materiais mais comumente usados para fazer luvas são os seguintes: 103 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 FIGURA 3 – MATERIAIS E LUVAS PARA PRODUTOS ESPECÍFICOS FONTE: Adaptada de <https://www.facebook.com/QualitativaInorgUfrj/photos/a. 900349936660746/1046964675332604/?type=3>. Acesso em: 3 abr. 2021. Ao trabalhar com materiais extremamente corrosivos (por exemplo, HF), use luvas grossas e apropriadas. As luvas devem ser removidas antes de sair do laboratório para evitar contaminação e antes de tocar em objetos do cotidiano, como telefones celulares, notebooks, canetas, computadores etc. Além disso, deve-se ter cuidado ao remover as luvas. A maneira correta é puxar do pulso até a ponta dos dedos, certifi cando-se de que a parte externa das luvas não toque na pele. Luvas descartáveis devem ser descartadas nos recipientes designados para esse fi m. 2.2.4. Máscaras Máscaras de proteção protegem as passagens de ar contra partículas, gases e vapores. Dependendo do nível de segurança necessário, uma ampla gama de modelos é comercialmente acessível. Os mais comuns são: 104 Fundamentos da Química Orgânica Máscaras: • Atua como uma barreira contra partículas e poeira. São fáceis de usar e o mais difundido. Por exemplo, a transferência de alumina ou sílica gel requer uma máscara ou deve ser executado em uma capela. FIGURA 4 – MÁSCARA FONTE: <https://favpng.com/download/Qhi54NDn>. Acesso em: 3 abr. 2021. Dispositivos de fi ltragem: • Consiste em um fi ltro e uma peça facial. O fi ltro é projetado para atuar como uma barreira a partículas (fi ltros mecânicos), como vapores e/ou gases (fi ltros químicos), ou uma combinação dos dois (fi ltros mistos), enquanto o adaptador pode ser uma máscara facial ou bocal. FIGURA 5 – MÁSCARA DE PROTEÇÃO COM FILTRO FONTE: <https://favpng.com/download/Qhi54NDn>. Acesso em: 3 abr. 2021. 2.3 EQUIPAMENTO DE EMERGÊNCIA PARA USO GERAL Esses elementos de segurança, comumente usados, devem estar presentes em um laboratório porque eles minimizam os riscos de acidentes. O aluno precisa saber a localização do equipamento, bem como sua operação, de modo que ações de emergência possam ser tomadas de forma efi ciente 105 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 2.3.1. Chuveiro de emergência Comumente usados em caso de contaminação corporal por produtos químicos com risco de queimaduras químicas e até ignição de roupas. O fl uxo de água deve ser sufi ciente para molhar uma pessoa rapidamente. FIGURA 6 – CHUVEIRO E LAVA-OLHOS DE LABORATÓRIO FONTE: <https://casadoepi.com.br/2019/04/manual-da-seguranca- chuveiro-lava-olhos/>. :Acesso em: 3 abr. 2021. 2.3.2 Lava-olhos O lava-olhos é projetado para limpar os olhos de uma pessoa que sofreu um acidente com substâncias nocivas, possibilitando a limpeza rápida e efi caz dos olhos e rosto. As estações de lavagem dos olhos são compostas por duas torneiras separadas e opostas. FIGURA 7 – LAVA-OLHOS PARA LABORATÓRIO FONTE: <https://casadoepi.com.br/2019/04/manual-da-seguranca- chuveiro-lava-olhos/>. Acesso em: 3 abr. 2021. 106 Fundamentos da Química Orgânica Projetar jatos de água à baixa pressão para evitar causar dor ou ferimentos nos olhos. A água é coletada em uma pia destinada para esse fi m. É essencial estar totalmente ciente da localização e operação deste dispositivo em caso de emergência para que possa ser usado o mais rápido possível em situações em que a visão pode ser parcial ou totalmente impedida. Para o uso adequado, os olhos devem ser mantidos abertos com a ajuda dos dedos para facilitar a lavagem adequada sob as pálpebras. 2.3.3 Cobertores à prova de fogo Cobertores à prova de fogo ou cobertores de fogo são projetados para extinguir pequenos incêndios. Eles consistem em uma folha de material à prova de fogo a ser colocada sobre o fogo para ir bloqueando o suprimento de oxigênio das chamas. Ação rápida é necessária no início do incêndio. Abra completamente o cobertor e cubra todo o objeto ou área em chamas, tomando cuidado para não queimar as mãos (inicialmente, dobre o cobertor ao redor das mãos). Se usado correta e rapidamente, o cobertor apagará incêndios sem a necessidade de extintores de incêndio, já que estes podem causar extensos danos acidentais para materiais e equipamentos elétricos, espalhando jatos de pressão de espuma no laboratório. Cobertores à prova de fogo são geralmente dobrados de uma maneiraparticular para liberação, e eles vêm fabricados com fi bras à prova de fogo, como NomexR ou fi bra de vidro e, às vezes, são impregnados com retardadores de chama. FIGURA 8 – COBERTOR ANTICHAMAS FONTE: <http://www.fi bertex.com.br/produto/isolamento-termico- cobertor-anti-chama/>. Acesso em: 4 abr. 2021. 107 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 2.3.4 Extintores de incêndio Estes são recipientes de metal em forma de garrafa que emitem um agente extintor de incêndio sob pressão. Quando uma válvula é aberta, o agente sai através de um bico que é direcionado para a base do fogo (não para o topo da chama). Eles normalmente têm um selo para evitar ativação acidental. Antes de usar, é importante tocar a base do extintor no chão, para que o conteúdo seja homogêneo. Quando um pequeno incêndio no laboratório não pode ser controlado por cobertores à prova de fogo, usar rapidamente um extintor de incêndio. No entanto, esteja ciente de que existem diferentes tipos de agentes extintores apropriados para diferentes tipos de incêndios. Usando um extintor contra o tipo errado de incêndio pode ser contraproducente. Portanto, o usuário precisa saber, em cada caso, o tipo apropriado de extintor de incêndio para usar. • Agentes Extintores São substâncias de composição especial utilizadas em extintores de incêndio para apagar incêndios. FIGURA 9 – TIPOS DE EXTINTORES E CLASSES FONTE: <https://www.facebook.com/preversolucoes/photos/ pcb.1150705338600838/1150705298600842/?type=3&theater>. Acesso em: 15 abr. 2021. 108 Fundamentos da Química Orgânica FIGURA 10 – TIPOS DE EXTINTORES FONTE: <https://segurancadotrabalho3r.wordpress.com/2017/02/20/ blogtipos-de-extintores/>. Acesso em: 4 abr. 2021. • Fogo classe H, halogênio: permitido apenas em certas aplicações militares porque sua composição destrói a camada de ozônio. Ele contém um agente de sufocamento que destrói o oxigênio, por isso é recomendado o uso somente em local sem a presença de pessoas. • Extintores de incêndio Classe N: neutralizam o fogo pela formação de gases por produtos químicos ou ADM (armas de destruição em massa). Eles são compostos do pó do agente neutralizante correspondente. • Spray de água: eles são projetados para proteger todas as áreas que contêm Classe A riscos de incêndio (combustíveis sólidos) de forma efi ciente e segura. • Água desmineralizada: é adequado para incêndios de Classe C (gases infl amáveis), dispositivos conectados e riscos de incêndio químico ou bacteriológico. • Água e espuma (AFFF): estes são projetados para proteger áreas contendo riscos de incêndio de Classe A (combustível sólido) e Classe B (combustíveis líquidos e gasosos). • Dióxido de carbono (CO2): é usado para proteger áreas contendo Classe B (líquidos combustíveis) e riscos de incêndio Classe C (gases infl amáveis). • Pó químico versátil (ABC): este produto químico seco (monofosfato de amônio 75%) é usado para combater a Classe A (combustíveis sólidos), energia (combustíveis líquidos), Riscos de incêndio Classe C (gases infl amáveis). • Pó químico seco (BC): é projetado para proteger áreas contendo perigos de incêndio de Classe B (líquidos combustíveis) e Classe C (gases infl amáveis). 109 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 • Pó químico (D): formulado para proteger áreas contendo Classe D (metal combustível) riscos de incêndio, contém lítio, sódio, ligas sódio- potássio, magnésio e compostos metálicos. É carregado com composto pó de borato de sódio. A maioria dos extintores usados em laboratório contém o versátil produto químico pó. Além disso, para extinguir incêndios de metais combustíveis, um especial tipo de pó ou areia seca deve ser usado. 2.3.5 Adsorvente químico No caso de derramamentos de líquidos perigosos, sólidos adsorventes feitos com uma formulação especial (adsorção de superfície altamente ativa) para controlar rapidamente derramamentos são comumente usados, evitando que o derramamento se espalhe por uma grande área. O uso de serragem como material adsorvente é evitado devido a sua fácil combustão. Os adsorventes mais comuns usados, grânulos de tamanhos diferentes, podem ser classifi cados em: • Compostos com oxigênio e natureza hidrofílica polar (sílica gel ou zeólitas). A sílica gel é geralmente usada para secar líquidos ou gases e para adsorção de hidrocarbonetos de alto peso molecular no gás natural. Zeólitas também são usadas na secagem de gases e remoção de CO2 do gás natural. • Compostos carbonáceos de natureza hidrofóbica apolar (carvão ativado e grafi te). O carvão ativado é usado para a adsorção de moléculas orgânicas e compostos não polares. • Materiais poliméricos com grupos funcionais polares ou não polares em uma matriz polimérica porosa. Para saber mais, acesse https://betaeq.com.br/index. php/2019/09/02/adsorcao-defi nicao-e-caracteristicas/. 2.3.6 Telas de segurança São painéis portáteis que geralmente são feitos de policarbonato e oferecem proteção contra respingos e projeções de reagentes, bem como contra pequenas 110 Fundamentos da Química Orgânica explosões e/ou implosões de vidro etc. Telas são normalmente usadas, por exemplo, em evaporadores rotativos, cromatografi a fl ash etc. 2.3.7 Capelas de exaustão Capelas de exaustão são utilizadas para oferecer segurança ao operador e ao laboratório durante a manipulação de produtos químicos, ácidos, solventes, aerossóis, vapores infl amáveis, material particulado e outras substâncias perigosas ou prejudiciais. Elas fornecem segurança durante os experimentos, pois têm um sistema de exaustão que remove vapores prejudiciais e gases perigosos ou malcheirosos que podem ser produzidos durante as reações químicas ou do manuseio de substâncias tóxicas. Essas capelas têm uma janela de segurança de vidro para proteção contra respingos de líquidos e estilhaços de vidros que podem ser lançados por pequenas explosões etc. FIGURA 11 – CAPELAS DE EXAUSTÃO PARA LABORATÓRIO QUÍMICO FONTE: <http://www.multiscience.com.br/site/ galeria/#!prettyPhoto>. Acesso em: 24 jun. 2021. As coifas permitem um trabalho seguro no laboratório porque: • Protegem contra respingos e projeções. • Possibilitam o trabalho em uma área do laboratório segura contra fontes de ignição. • Dependendo do tipo de capela, protegem contra pequenas explosões. • Facilitam a renovação do ar do laboratório. • Permitem o monitoramento do experimento em andamento. 111 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 Recomendações para o uso adequado de coifas: • Não as use para armazenar reagentes perigosos. • O interior da capela deve permanecer sempre tão claro e limpo. • Evitar a geração de gases de efeito estufa em altas velocidades. Nesse sentido, sempre manipule pequenas quantidades de reagentes. • As coifas devem ser abertas ao mínimo para permitir que o trabalho seja realizado corretamente. Não deixe gases nocivos sem vigilância. Nunca trabalhe com a janela da capela totalmente aberta e jamais coloque a cabeça dentro da capela para olhar o experimento. Para isso, utilize o vidro da janela. 2.3.8 Capela de luvas de bancada Essas caixas seladas são projetadas para permitir o manuseio de reagentes e objetos de modo que o conteúdo esteja sempre vedado ao operador. As luvas são dispostas de modo que o operador possa colocar as mãos e os braços dentro da capela e manipule o conteúdo em segurança. As caixas são geralmente transparentes para permitir uma visão adequada do que está sendo manipulado. Dependendo do uso, as caixas são classifi cadas em dois tipos: • Manuseio de substâncias perigosas (agentes radioativos ou de doenças infecciosas etc.). • Manuseio de substâncias e reações que devem permanecer em uma atmosfera inerte, estéril, seca, sem poeira ou com pureza muito alta. FIGURA 12 – CAPELA DE LUVA FONTE: <https://www.directindustry.com/pt/prod/terra-universal-inc/ product-25438-1552609.html>. Acesso em: 4 abr. 2021.112 Fundamentos da Química Orgânica 2.3.9 Armário à prova de fogo Esses gabinetes são projetados com materiais à prova de chamas. O nível de proteção é rotulado como RF (resistência ao fogo) seguido por um número que indica os minutos que podem decorrer após o incêndio iniciar sem a temperatura interna exceder 180o C. Exemplos de níveis de resistência: RF15, RF30, RF60, RF90 ou RF120. Eles geralmente têm outros sistemas de proteção, como juntas de dilatação que, quando aquecidas a mais de 50o C, se expandem para selar rachaduras nas portas e respiradouros, protegendo os produtos armazenados de um incêndio externo ou abafar um incêndio interno. Esses armários são usados para armazenar materiais que são infl amáveis, explosivos, tóxicos, corrosivo, solvente etc. FIGURA 13 – ARMÁRIO CORTA-FOGO FONTE: <https://www.fxbiometria.com.br/armario-corta-fogo-standard- 11059-material-corrosivo-e-infl amavel.html>. Acesso em: 4 abr. 2021. 2.4 CLASSIFICAÇÃO E ROTULAGEM DE PRODUTOS QUÍMICOS Esta seção fornece uma breve introdução ao sistema proposto pelas Nações Unidas de classifi cação e rotulagem de produtos químicos, chamado de Sistema Harmonizado Globalmente (GHS) para a Classifi cação e Rotulagem de Produtos Químicos (GHS), e a defi nição de um conjunto de critérios sobre o perigo dos produtos químicos. Na tentativa de padronizar e harmonizar a classifi cação 113 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 global e rotulagem de produtos químicos foi estabelecido o sistema GHS. O sistema defi ne e classifi ca os perigos potenciais dos produtos químicos para uso em rotulagem e nas chamadas fi chas de dados de segurança de material, que relatam conter os perigos e riscos de manuseio, armazenamento e transporte dos produtos químicos. O principal objetivo do sistema GHS é cuidar da saúde do ser humano e do meio ambiente por meio de informações adequadas sobre os perigos para usuários, fornecedores e transportadoras da manipulação de produtos químicos. Um dos elementos-chave dentro desse sistema harmonizado são os chamados pictogramas de perigo, que são formados por: • Um ícone ou símbolo: aqui, um total de nove símbolos de perigos normalizados são usados. Existem três grupos que representam perigos físicos, perigos para saúde humana e riscos ambientais. Esses ícones fazem parte do conjunto dos símbolos usados nas Recomendações das Nações Unidas sobre o Transporte de Mercadorias Perigosas (Regulamentos Modelo), exceto o símbolo que representa o perigo para a saúde, o ponto de exclamação, os peixes e as árvores, que se relacionam com o meio ambiente (Figura 14). • Uma fi gura geométrica com borda vermelha. • Uma legenda consiste em uma série de sinais e palavras de perigo ou advertência, expressa nas chamadas frases H, por meio de rotulagem. Esses critérios harmonizados permitem: • Classifi cação de produtos químicos pelo perigo envolvido. • Rotular os produtos químicos usando pictogramas padronizados mundialmente. A implementação do GHS começou em todo o mundo, e muitos países já adotaram este sistema. 114 Fundamentos da Química Orgânica FIGURA 14 – SIMBOLOGIA DE RISCO DE PRODUTOS QUÍMICOS FONTE: <https://www.quifacil.com.br/simbologia-de- risco-de-produto>. Acesso em: 4 abr. 2021. Indicamos a seguinte leitura: O que é o GHS? Sistema harmonizado globalmente para a classifi cação e rotulagem de produtos químicos. São Paulo: ABIQUIM/DETEC, 2005. 69 p. 2.5 INCOMPATIBILIDADE QUÍMICA E ARMAZENAMENTO Muitos produtos químicos, além de apresentarem riscos por si só, podem reagir com outros produtos vigorosamente, com reações químicas não controladas e resultar em: 115 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 • Emissão de gases tóxicos. • Emissão de gases corrosivos ou infl amáveis. • Formação de líquido corrosivo. • Reação explosiva. • Formação de produtos sensíveis à fricção ou choque. • Reação exotérmica. • Explosão e/ou incêndio. • Geração de gases que podem romper o frasco que o contêm. • Aquecimento dos reagentes ou início descontrolado de uma reação de decomposição. • Redução da estabilidade térmica de um reagente. • Degradação da qualidade dos produtos armazenados. • Danos aos recipientes (buracos, etiquetas apagadas etc.). Especialmente em áreas de armazenamento, seja de produtos químicos usados como matéria-prima ou quaisquer produtos químicos fi nais, existe o risco de incompatibilidade química. Os produtos químicos são classifi cados em 23 grupos, incluindo exemplos específi cos de cada um e grupos que são incompatíveis. Este é guia geral para o manuseio e armazenamento de produtos. As incompatibilidades químicas mais comuns são resumidas a seguir: • Ácidos fortes com bases fortes. Por exemplo, NaOH com H2SO4. • Ácidos fortes com ácidos fracos que emitem gases tóxicos. Por exemplo, HCl com cianetos e sulfetos. • Oxidantes com agentes redutores. Por exemplo, HNO3 com compostos orgânicos. • Água com vários compostos. Por exemplo, boranos, anidridos, carbonetos, triclorossilanos, hidretos e metais alcalinos. • Oxidantes com nitratos, oxi halogênios, óxidos, peróxidos e fl úor. • Agentes redutores com materiais infl amáveis, carbonetos, nitretos, hidretos, sulfuretos, alquil metálicos, alumínio, magnésio e pó de zinco. • H2SO4 com açúcar, celulose, ácido perclórico, permanganato de potássio, cloratos e sulfocianetos. 116 Fundamentos da Química Orgânica 1) Assinale a alternativa que apresenta os incidentes mais comuns em um laboratório: a) ( ) Têm uma ou mais causas evitáveis. b) ( ) São inevitáveis, mesmo com amplo treinamento de segurança. c) ( ) São chamados de “acidentes” porque ocorrem principalmente por razões aleatórias. d) ( ) Não têm os efeitos adversos de lesão ou dano. 2) Qual é a pergunta menos importante a ser respondida ao investigar um incidente? a) ( ) Como o incidente ocorreu? b) ( ) O que aconteceu? c) ( ) Quem causou o incidente? d) ( ) Por que o incidente ocorreu? 3) Quais incidentes devem ser relatados como “acidentes de laboratório”? a) ( ) Incidentes que não causaram danos, mas facilmente poderiam ter causado. b) ( ) Incidentes que causaram danos, mas não causou no momento. c) ( ) Incidentes que causaram danos. d) ( ) Todas as alternativas. 4) Na análise de incidentes, geralmente se descobre que: a) ( ) Há uma causa principal do incidente. b) ( ) Existem muitas causas para um incidente e a prevenção de qualquer causa única pode ter evitado o incidente. c) ( ) Pode haver causas para um incidente e teria sido necessário eliminar todas as causas para evitá-lo. d) ( ) Trabalhadores inexperientes causaram o incidente. 117 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 5) Em laboratórios de química, a maioria das emergências envolvendo incêndios ou derramamentos provavelmente não serão grandes eventos, uma vez que: a) ( ) A maioria dos produtos químicos não são infl amáveis. b) ( ) A maioria dos produtos químicos são relativamente seguros de usar. c) ( ) Apenas pequenas quantidades de produtos químicos são usadas. d) ( ) Os instrutores de laboratório podem agir rapidamente em qualquer emergência. 6) Se você ouvir um alarme de incêndio, você deve: a) ( ) Concluir o procedimento específi co em que você está envolvido antes de sair do laboratório. b) ( ) Perguntar ao seu instrutor se é seguro deixar o laboratório. c) ( ) Sair do laboratório imediatamente, não esquecendo de desligar equipamentos elétricos e queimadores de gás, se for seguro. d) ( ) Certifi car-se de ver algo pegando fogo antes de reagir exageradamente à situação. 7) Se um incêndio começar perto de você no laboratório, você deve: a) ( ) Apagar o incêndio com um extintor de incêndio se você estiver em segurança e treinado para fazer isso. b) ( ) Sair imediatamente do laboratório e do prédio. c) ( ) Dizer ao seu instrutor apenas se o incêndio tiver probabilidadede tornar-se maior. d) ( ) Perguntar a outro aluno o que fazer. 8) A maioria dos derramamentos em ambientes de laboratórios acadêmicos são bastante pequenos: a) ( ) Mas ainda precisam ser tratados imediata e adequadamente. b) ( ) E não precisam de atenção imediatamente, uma vez que eles apresentam pouco risco de exposição. c) ( ) Mas muitas vezes os produtos químicos são tão tóxicos que a evacuação do local é recomendada. d) ( ) Mas quase sempre são infl amáveis, o que requer evacuação imediata. 118 Fundamentos da Química Orgânica 9) Qual das opções a seguir é apropriada para derramamentos de produtos químicos em laboratórios acadêmicos? I- Deve ser limpo apenas pelo instrutor. II- Deve ser limpo apenas por técnicos certifi cados de materiais perigosos. III- Deve ser limpo apenas por pessoas devidamente treinadas. IV- Deve ser limpo pelo aluno sob a supervisão apropriada. Assinale a alternativa correta: a) ( ) Apenas I. b) ( ) Apenas II. c) ( ) III, e I ou II. d) ( ) Apenas sempre IV. 10) As etiquetas GHS usam: a) ( ) Pictogramas químicos apenas uma vez que as barreiras linguísticas impedem o uso de palavras. b) ( ) “Palavras-chaves” que serão compreendidas independentemente de que linguagem é usada. c) ( ) Pictogramas químicos e palavras-chaves. d) ( ) Pictogramas químicos, palavras-chaves e declarações de perigo. 11) Quais os componentes essenciais para um laboratório de ensino de química? Comente. 12) Há necessidade do uso de EPIs devido ao risco potencial que os produtos químicos representam a nossa saúde. São três as vias de penetração dos agentes químicos no organismo. Comente. 119 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 3 O CADERNO DE LABORATÓRIO Os cientistas mantêm cadernos de laboratório como um registro permanente de suas atividades laboratoriais. Eles sempre se referem a eles quando, por exemplo, solicitam patentes ou redigem artigos científi cos. Além disso, cadernos de laboratório são frequentemente usados em litígios quando os laboratórios científi cos são levados ao Tribunal. Por causa dessas implicações importantes é imperativo aprender relatar as técnicas e os dados coletados para estudos científi cos futuros. O relato criterioso das observações experimentais e resultados deve ser conveniente para você e inteligível para os outros. Use as seguintes diretrizes para a confecção do seu caderno de laboratório: 1) Seu caderno de laboratório deve ser um livro, não uma folha solta ou um caderno espiral porque as páginas podem ser facilmente removidas nesses tipos de livros. Todas as páginas DEVEM ser numeradas no canto superior de cada página. 2) Seu caderno de laboratório deve ter um índice que lista o número do experimento, título, data(s) em que o experimento foi realizado e os números das páginas onde o experimento pode ser encontrado. 3) Para cada experiência, você deve iniciar uma nova página. No topo da página, você deve ter o número e o título do experimento. Certifi que- se de que a data também esteja no topo da página. NUNCA PULAR PÁGINAS DO CADERNO. 4) Para cada experiência, você deve fornecer o seguinte: todos os experimentos discutidos, um desenho da confi guração do aparelho usado, além dos rendimentos percentuais, pesos e volumes de quaisquer produtos que você utilizou e obtidos no experimento. 5) Deve ser descrito qualquer procedimento que foi seguido. A escrita do procedimento não é apenas copiar o procedimento do manual do laboratório. Devem ser relatadas todas as observações e ajustes realizados durante o procedimento. Seu procedimento deve ser descrito para que alguém, no futuro, possa realizar o experimento e ter uma ideia geral do que esperar. 120 Fundamentos da Química Orgânica FIGURA 15 – CADERNO DE LABORATÓRIO FONTE: Zubrick (2005) 4 EQUIPAMENTO DE LABORATÓRIO O trabalho de laboratório requer o uso de muitas ferramentas que permitem a execução efi ciente de técnicas básicas. Uma grande variedade de designs e materiais estão disponíveis no mercado, adaptados a cada tipo de tarefa. Este material pode ser classifi cado de muitas maneiras diferentes. Neste tópico, os implementos mais comuns (vidraria e equipamentos) utilizados no laboratório de Química Orgânica serão abordados. 121 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 As ferramentas de laboratório (Figura 16) são fabricadas com os seguintes materiais detalhados: a) Vidro: historicamente, os equipamentos de laboratório são fabricados com vidro. O vidro que compõe a maior parte do material é do tipo borosilicato, já que em seu processo de fabricação certas quantidades de óxido de boro (B2O3), entre outros compostos, são adicionados à sílica. b) Polímeros plásticos: nos últimos anos, houve um grande aumento na produção de materiais feitos de polímeros plásticos de alta resistência, incluindo materiais de uso contínuo, bem como os descartáveis. O uso de materiais poliméricos para fazer esses plásticos oferece uma série de vantagens, como durabilidade e resistência mecânica e química. Com este material, frequentemente são evitadas quebras de vidrarias, aumentando a segurança geral do laboratório. Dependendo do tipo de polímero empregado, os objetos são fabricados de forma compatível com uma variedade de reagentes, incluindo ácidos fortes e bases, solventes de uso geral e reagentes orgânicos comumente usados. Eles também são utilizados na fabricação de recipientes de diversos tipos, graduados ou não, vasos, rolhas, móveis e peças como torneiras etc. c) Outros materiais: também estão disponíveis diversos tipos de utensílios em laboratório, fabricados com materiais como: • Argila e porcelana: utilizadas para fazer utensílios com resistência a altas temperaturas e todos os tipos de reagentes. Os cadinhos usados para aquecer ou calcinar substâncias são feitos desses materiais. Os ladrilhos das bancadas, geralmente, são produzidos com esses materiais. • Ágata: este quartzo microcristalino apresenta alta dureza, estabilidade contra vários reagentes e resistência a ácidos e é usado principalmente para almofarizes e pilões de ágata para a trituração de sólidos com grande efi ciência. • Metais (aço inoxidável, alumínio etc.): muitas ferramentas no laboratório são feitas desses materiais. 122 Fundamentos da Química Orgânica 1 – Tubos de ensaio: utilizados em testes e laboratório de análises. 2 – Becker: utensílio de Pyrex, resistente ao aquecimento, utilizado para aquecimento de líquidos, precipitação etc. 3 – Erlenmeyer: usado em titulação de soluções e aquecimento de líquidos. 4 – Balão de fundo chato: usado para aquecimentos e armazenagem de líquidos. 5 – Balão de fundo redondo: usado para aquecimento de líquidos e reações com desprendimento de gases. 6 – Balão de destilação: material utilizado em destilações. Possui saída lateral para a condensação dos vapores. 7 – Proveta ou cilindro graduado: para medidas aproximadas de volumes de líquidos. Comumente é graduada em mililitros (erro da leitura ± 0,5 mL). Materiais graduados NUNCA devem ser aquecidos para não perder a calibragem com a dilatação do material. 8 – Pipeta volumétrica: usada para medir precisamente volumes fi xos de líquidos. 9 – Pipeta graduada: aparelho de medida precisa usado para medir volumes variáveis de líquidos. 10 – Funil de vidro: usado para transferência de líquidos e em fi ltrações simples no laboratório. 11 – Frasco de reagente: usado para o armazenamento de soluções. 12 – Bico de Bunsen: equipamento para aquecimento utilizado em laboratório. 13 – Tripé de ferro: equipamento para sustentar a tela de amianto, em operações de aquecimento. 14 – Tela de amianto: utilizada para distribuir uniformemente o calor em procedimentos de aquecimento. 15 – Cadinho de porcelana: recipiente para aquecimento a seco (calcinações) no bico de Bunsen e mufl a, resistentes a altas temperaturas. Podem ser feitos de níquel, ferro,platina, porcelana etc., conforme o uso a que se destina. 16 – Triângulo de porcelana: utilizado para sustentar cadinhos de porcelana durante o aquecimento direto em bico de Bunsen. 17 – Estante para tubos de ensaio: suporte para tubos de ensaio. 18 e 19 – Funis de decantação: utilizados em técnicas de separação de líquidos imiscíveis. 20 – Pinça de madeira: material para segurar os tubos de ensaio durante aquecimentos diretos no bico de Bunsen. 21 – Almofariz e pistilo: utilizados para triturar e pulverizar sólidos. 22 – Cuba de vidro: recipiente para banhos de gelo. 23 – Vidro de relógio: utensílio para cobrir béqueres em evaporações, pesagens e fi ns diversos. 24 – Cápsula de porcelana: utensílio para evaporar líquidos em soluções. 25 – Placa de Petri: usada para análises microbiológicas. QUADRO 1 – VIDRARIAS COMUNS UTILIZADAS EM LABORATÓRIO 123 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 26 – Dessecador: usado para resfriar substâncias em ausência de umidade. 27 – Pesa-fi ltros: utilizado para pesagens de sólidos. 28 – Lima triangular: instrumento para cortes de tubos de vidros. 29 – Bureta: material de medida de precisão para medidas precisas de líquidos e em análises volumétricas. 30 Frasco lavador e 31 Pisseta: instrumento para lavagens, remoção de precipitados e outros fi ns. 32 – Balão volumétrico: usado para o preparo e diluir soluções. 33 – Picnômetro: usado para determinar a densidade de líquidos. 34 – Suporte Universal 35 – Anel para funil 36 – Mufl a 37 – Garra metálica: todos usados em fi ltrações, sustentação de peças, tais como condensador, funil de decantação e outros fi ns. 38 e 39 – Kitassato e funil de Buchner: utensílio em conjunto para fi ltração a vácuo. 40 – Trompa de vácuo: usada em conjunto com o kitassato e o funil de Buchner em fi ltrações a vácuo. 41 – Termômetro: usado para medidas de temperatura. 42 – Vareta de vidro: material para montagens de aparelhos, interligações e outros fi ns. 43 – Bastão de vidro: material para agitar soluções, transporte de líquidos na fi ltração e outros fi ns. 44 – Furador de rolha. 45 – Aparelho de Kipp – utilizado para produção de gases, tais como H2S, CO2 etc. 46 – Tubo em U: utilizado em eletrólise. 47 – Pinça metálica Casteloy ou tenaz: para transporte de cadinhos e outros fi ns. 48 – Escovas de limpeza: instrumento para limpeza de tubos de ensaio e outros materiais. 49 e 50 – Pinça de Mohr e pinça de Hoffman: usadas para impedir ou diminuir fl uxos gasosos. 51 – Garra para condensador: instrumento que sustenta condensadores na montagem de equipamentos de destilação. 52, 53 e 54 – Condensadores: vidraria para condensar os vapores e gases da destilação. Usados para condensar os gases ou vapores na destilação de líquidos. (52) - Condensador de Liebig ou reto - usado em destilações; (53) - Condensador de Allihn ou de bolasusado para refl uxo de líquidos; (54) - Condensador de serpentina – usado em destilações ou refl uxos. 55 e 56 – Espátulas: usadas para transferência de substâncias sólidas. 57 – Estufa: usada para secagem de materiais (até 300º C). 58 – Mufl a: usada para calcinações (até 1.500º C). 124 Fundamentos da Química Orgânica FONTE: Adaptado de Leão et al. (2016) FIGURA 16 – VIDRARIAS COMUNS UTILIZADAS EM LABORATÓRIOS 125 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 Para realizar as atividades de estudo a seguir, faça uma breve revisão no site indicado: https://www.splabor.com.br/blog/tag/ vidrarias-de-laboratorio-pdf/. 1) Indique o equipamento apropriado para realizar uma calcinação: a) ( ) Mufl a. b) ( ) Estufa. c) ( ) Banho Maria. d) ( ) Chapa Aquecedora. e) ( ) Manta Aquecedora. FONTE: Leão et al. (2016) 126 Fundamentos da Química Orgânica 2) Das vidrarias envolvidas nas operações de laboratório, qual é a única vidraria que pode sofrer aquecimento direto em uma chama de bico de Bunsen? a) ( ) Tubo De Ensaio. b) ( ) Béquer. c) ( ) Cadinho de porcelana. d) ( ) Balão volumétrico. e) ( ) Erlenmeyer. 3) Assinale as vidrarias que apresentam precisão de volume: a) ( ) Béquer, Erlenmeyer e Pipeta. b) ( ) Pipeta, Proveta e Balão Volumétrico. c) ( ) Balão Volumétrico, Erlenmeyer e Pipeta. d) ( ) Bureta, Balão Volumétrico e Pipeta. e) ( ) Bureta, Béquer e Proveta. 4) Assinale a alternativa que contém o tratamento adequado para um resíduo químico contendo mercúrio: a) ( ) Reagir com solução diluída de amônia para neutralização. b) ( ) Despejar o material em um aterro apropriado. c) ( ) Submeter a um processo de incineração. d) ( ) Acondicionar em recipiente sob selo d’água e encaminhar para recuperação. e) ( ) Lançar na rede coletora de esgoto, obedecendo às diretrizes estabelecidas pelos órgãos governamentais. 5 TÉCNICAS COMUNS UTILIZADAS NO LABORATÓRIO 5.1 RECRISTALIZAÇÃO Em um experimento de laboratório típico, um sólido que é separado de uma reação é geralmente acompanhado de impurezas, de modo que a purifi cação é necessária. Pela técnica chamada recristalização, muitos sólidos podem 127 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 ser purifi cados usando solventes ou misturas de solventes. A recristalização é baseada na diferença de solubilidade que uma substância sólida apresenta em um solvente à temperatura ambiente ou quando o solvente está quente. O processo de recristalização é realizado com perda de produto, de modo que o rendimento geral da reação é afetado. O ponto crucial do processo de cristalização é a escolha do solvente que deve atender às seguintes propriedades: • Solubilidade total da substância a ser purifi cada em altas temperaturas. • Baixa capacidade de dissolver as impurezas que contaminam o produto em qualquer faixa de temperatura. • Ausência de reação química com o produto a ser purifi cado. • Geração de bons cristais do produto após purifi cação. • Fácil remoção. Para fi ns práticos, dois tipos de recristalização podem ser distinguidos: em água e em solventes orgânicos. 1. Recristalização de água Muitos compostos orgânicos são insolúveis em água à temperatura ambiente, mas são solúveis à quente. Para este efeito, uma suspensão do sólido é preparada com uma quantidade mínima de água em um Erlenmeyer, e a mistura é aquecida até total solubilização do sólido. Se o sólido não se dissolver sob essas condições, pequenas quantidades são adicionadas, repetindo-se o processo de aquecimento, até que todo o composto se dissolva. Observe que, frequentemente, são observadas partículas suspensas correspondentes à parte das impurezas insolúveis. Se o sólido for de cor escura, a adição de pequenas quantidades de carvão ativado irá reter a maior parte dessas impurezas coloridas. O procedimento para recristalização em água segue os passos a seguir e conforme apresenta a Figura 17: • (a) Transfi ra o sólido a ser recristalizado para um Becker ou Erlenmeyer. • Dissolva a substância na quantidade mínima de solvente à quente. • (b) Se os cristais iniciais exibem cor intensa devido à presença de impurezas, adicione um pouco de carvão ativado para removê-las (o carvão ativado retém as impurezas coloridas). • Aqueça a mistura até ferver em uma placa de aquecimento, sob agitação magnética, verifi cando se o sólido a ser recristalizado foi completamente dissolvido. • (c) Desligue a placa de aquecimento e fi ltre a solução ainda quente por gravidade usando um funil cônico e fi ltro de papel com dobraduras para 128 Fundamentos da Química Orgânica remover impurezas insolúveis, bem como carvão ativado (descartando o resíduo sólido, composto de carvão ativado e insolúvel impurezas). CUIDADO: Pinças devem ser usadas ao manipular o Becker ou Erlenmeyer para evitar queimaduras ao manusear recipientes de vidro quentes. • Se o produto cristalizar durante a fi ltragem no funil, adicione água quente para retirar e não perder o produto puro. • (d) Conforme a solução esfria, os cristais correspondentes ao produtopuro se formarão (o resfriamento externo ajuda neste processo). • (e) Finalmente, depois que o fi ltrado esfria completamente, esses cristais são fi ltrados sob vácuo e lavado (com o solvente frio usado para recristalização) em um Buchner para remover o fi ltrado aderente e, em seguida, seco para remover vestígios de solvente. No caso de cristalização incompleta, repita o processo concentrando o fi ltrado (por aquecimento, evaporando metade do solvente). FIGURA 17 – ETAPAS DO PROCESSO DE RECRISTALIZAÇÃO FONTE: Adaptada de Isac-García et al. (2016) 2. Recristalização em solventes orgânicos Quando um solvente orgânico volátil é usado no lugar de água, a parte de aquecimento da solução é realizada com uma aparelhagem de refl uxo (Figura 18) para evitar acidentes com os vapores de solventes orgânicos voláteis e infl amáveis: • Escolha um balão de fundo redondo, uma braçadeira, um conector e uma placa de aquecimento. • Transfi ra o sólido a ser recristalizado usando um funil de sólidos. • Adicione o solvente ou mistura de solventes e um magneto, barra de agitação, no balão. 129 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 • Conecte um condensador de refl uxo ao frasco, conecte a tubulação de água ou o circuito de refrigeração e abra o sistema. • Aqueça a mistura ao refl uxo para dissolver o sólido. • Desligue a placa de aquecimento e deixe esfriar até parar o refl uxo. • Enquanto o frasco ainda está quente, fi ltre por gravidade o conteúdo do frasco, usando uma pinça ou luvas de proteção para realizar a operação. • Resfrie o fi ltrado à temperatura ambiente e deixe repousar até o fi nal da cristalização do sólido. Às vezes, a cristalização é facilitada arranhando o fundo do recipiente com uma vareta de vidro. Dessa forma, os núcleos de cristalização são gerados, acelerando o processo. As principais razões para o fracasso dessa técnica são: • Escolha do solvente errado. • Uso de quantidade errada de solvente para dissolver a recristalização sólido. • Falta de precipitação quando a solução é resfriada. • Formação de uma substância oleosa em vez de um precipitado sólido. FIGURA 18 – APARELHAGEM DE REFLUXO FONTE: <https://www.gratispng.com/png-uojs31/>. Acesso em: 24 jun. 2021. 130 Fundamentos da Química Orgânica 5.2 SUBLIMAÇÃO Sublimação ou volatilização é uma mudança de estado de sólido para gasoso sem passar através do estado líquido. Um exemplo típico é o gelo seco, que pode sublimar à temperatura ambiente e pressão atmosférica. Esta técnica é usada para purifi cação de sólidos que exibem pontos de fusão e pressões de vapor excepcionalmente altas, possibilitando que estes sólidos passem diretamente para a fase gasosa. Outras substâncias que também estão sujeitas à sublimação são o iodo, enxofre, naftaleno etc. Esta técnica de purifi cação é adequada para sólidos pouco solúveis e que não podem ser purifi cados através da técnica de recristalizações sucessivas. Normalmente, para se obter um produto mais puro, é realizado usando um equipamento destilação a vácuo (Figura 19). Ao contrário da recristalização, esta técnica não é comumente usada para purifi car sólidos. Para certas substâncias, a sublimação à pressão atmosférica pode ser realizada do seguinte modo: • O sólido a ser convertido em vapor é aquecido em um béquer. • Uma superfície fria (dedo frio) é colocada sobre o béquer. • Quando o vapor encontra a superfície fria, e a temperatura é mais abaixa, há um retorno ao estado sólido formando cristais puros. FIGURA 19 – APARELHAGEM DE SUBLIMAÇÃO FONTE: Adaptada de Isac-García et al. (2016) Os produtos cristalinos resultantes da fi ltração não são secos. Normalmente eles são impregnados com o solvente em que ocorreu a recristalização e pode absorver a umidade do ar. Para um cálculo preciso dos rendimentos das reações e um cálculo preciso de determinação de constantes físicas, como ponto de fusão, 131 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 é necessário que os produtos estejam completamente secos. Após a fi ltração, eles geralmente são deixados no funil de Büchner com uma corrente de ar por um tempo, mas ainda tendem a reter resíduos de solvente. Para secar um sólido com efi ciência, um dessecador é usado (Figura 20). O dissecador é um recipiente cilíndrico com uma tampa hemisférica de vidro espesso ou policarbonato, com um fl ange interno no qual uma placa de porcelana perfurada, vidro ou placa de plástico é colocada, de modo que o recipiente tenha duas áreas distintas. A tampa possui uma torneira para conexão de uma bomba de vácuo. O sólido é colocado no dissecador dentro de um Becker coberto por um papel alumínio perfurado, para evitar contaminação. Uma substância dessecante é colocada sob a placa perfurada. Os agentes de secagem que podem ser usados incluem CaCl2, Drierite R, gel de sílica, NaOH, H2SO4 (concentrado) e pentóxido de fósforo, sendo que a escolha do dessecante depende da natureza do sólido (se for sensível a ácidos ou bases), o teor de umidade ou o tipo de solvente que está impregnado. FIGURA 20 – DESSECADOR PARA SECAGEM DE SÓLIDOS FONTE: Adaptada de Isac-García et al. (2016) Procedimento para uso do dessecador: • Abra lentamente a torneira de vácuo. • Abra a tampa do dessecador lateralmente, deslocando a tampa sobre o corpo. • Verifi que a condição do dessecante e substitua-o se não estiver em boas condições. 132 Fundamentos da Química Orgânica • Insira o recipiente contendo o sólido que será seco. • Feche a tampa movendo-a lateralmente no dessecador. • Conecte a torneira a uma bomba de vácuo por alguns minutos. • Feche a válvula e desconecte a bomba. • Mantenha o produto no dessecador o tempo que for necessário até que ele perca toda a umidade. Para determinar isso, verifi que os cristais sólidos, não devem estar grudados. Se a umidade persistir, repita toda a operação. 5.3 EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO A extração líquido-líquido, uma das operações básicas mais comuns no laboratório de Química Orgânica, é usada para a separação e purifi cação de um produto resultante de uma reação química. A extração pode ser defi nida como a transferência de uma substância x de um líquido fase A para outra fase líquida B. Ambos os solventes devem ser imiscíveis, formando, portanto, duas fases distintas. O compartilhamento de x entre as fases a e b é dado pela equação a seguir: Em que Cb (x) e Ca(x) são as concentrações de x em b e a, respectivamente, e Kd é o coefi ciente de partição, que depende da temperatura. Para saber mais, acesse https://pt.unionpedia.org/i/Lei_da_ parti%C3%A7%C3%A3o_de_Nernst. Esta operação é tipicamente realizada entre uma solução aquosa (aquosa camada) e um solvente imiscível em água (camada orgânica) com o auxílio de um funil de separação. A posição relativa das duas camadas (superior e inferior) depende da relação de densidades dos dois líquidos. Solventes clorados (CH2Cl2, CHCl3, CCl4 etc.) permanecem sempre na camada inferior, pois são mais densos que a água. 133 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 No entanto, outros solventes orgânicos normalmente têm densidades mais baixas do que água (éter dietílico, acetato de etila, tolueno, hexano etc.) e, portanto, permanecem sempre na camada superior. Claramente, solventes miscíveis em água não são úteis para este processo, como por exemplo, acetona, MeOH, EtOH etc. a) Funil de separação: a extração líquido-líquido é realizada em escala de laboratório com um funil de separação, um recipiente cônico ou em forma de pera com uma rolha de vidro fosco na parte superior e uma torneira com um tubo de saída que conecta o recipiente terminando em um chanfro. Para uma extração bem-sucedida, as seguintes etapas são necessárias: FIGURA 21 – EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO FONTE: Adaptada de Isac-García et al. (2016) • O funil de separação é instalado em um suporte com uma braçadeira de anel e um recipiente ou coletor; geralmente um Erlenmeyeré colocado abaixo dele. • A altura do funil de separação é ajustada de modo que o tubo de saída 134 Fundamentos da Química Orgânica seja deixado alguns centímetros dentro do frasco coletor. • Verifi que se a torneira está fechada antes de adicionar qualquer líquido ao funil. • Com o uso de um funil com a ajuda de um bastão de vidro as duas camadas imiscíveis são adicionadas ao funil de separação. • Verifi que se a torneira está devidamente ajustada e fechada corretamente sem qualquer vazamento. • Remova o funil do suporte e segure fi rmemente na lateral da tampa com a mão esquerda (para destros) ou direita (para canhotos) (ver Figura 22). • Com a mão livre, segure o funil entre os dedos na área da torneira, de modo que a torneira possa ser aberta e fechada confortavelmente com a ponta do dedo indicador e do polegar. • Em seguida, agite o funil vigorosamente com as duas mãos. É importante abrir ocasionalmente a torneira para remover o excesso de pressão que às vezes se acumula no interior (não direcione os gases de saída para você ou com outra pessoa). • Após agitar, o funil é colocado de volta ao suporte, e a rolha é removida. • Deixe repousar até que as duas camadas sejam separadas (decantadas). • A camada restante no fundo é esvaziada, abrindo a tampa até o limite das duas camadas. • Finalmente, a camada superior é descartada. b) Às vezes, a separação entre as duas camadas no processo de extração apresenta uma série de difi culdades que retardam o processo, como a formação de interfaces, espumas ou emulsões. Não existe um procedimento padrão para resolver esses problemas. Às vezes, uma simples rotação rápida do funil é o sufi ciente para quebrá-los. Em outros casos, é útil adicionar alguns cristais de sal (NaCl) ou uma solução de salmoura concentrada. Mas, no geral, esperar é a melhor solução. Quando a extração ocorre, as duas camadas estão saturadas em relação ao outro solvente: água com solvente orgânico e a camada orgânica com água. Portanto, a água deve ser removida do solvente orgânico a fi m de obter o produto puro, por exemplo, adicionar um agente secante (MgCl2). No entanto, a extração nem sempre é usada simplesmente para separar compostos, distribuindo-os entre as camadas orgânicas e aquosas. Às vezes, essa técnica é útil para forçar a extração por uma reação química (mais comumente por meio de uma reação ácido-base ou por reações que formam complexos metálicos), possibilitando a purifi cação do composto se ele estiver contaminado com subprodutos com diferentes propriedades químicas. Por exemplo, no caso de aldeídos, tais contaminantes podem ser removidos de uma camada orgânica por lavagem com uma solução aquosa de bissulfi to; alcenos também podem ser purifi cados com 135 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 Composto (anidro) Capacidade Velocidade de secagem Aplicações CaCl2 Alta Média Secagem de Hidrocar- bonetos CaSO4 (DrieriteR®) Baixa Rápida Finalidades gerais MgSO4 Alta Rápida Não aplicável a compos- tos sensíveis a ácidos K2CO3 Média Média Não usado em compostos ácidos Na2SO4 Alta Lenta Finalidades gerais sais de prata ou ácidos carboxílicos com soluções básicas etc. Este processo de purifi cação com líquido é chamado de "lavagem de soluções" e é realizada da mesma maneira como na extração líquido-líquido. Agente secante: são sais inorgânicos anidros que absorvem água até se hidratarem. Os sais mais comumente usados estão listados no quadro a aseguir: QUADRO 2 – AGENTES DISSECANTES COMUNS FONTE: A autora Para um maior conhecimento, indicamos a leitura da nota técnica: FERREIRA, V. F. Alguns aspectos sobre a secagem dos principais solventes orgânicos, volume 15/4, 1992. 5.4 DESTILAÇÃO SIMPLES Esta técnica é usada para purifi car líquidos removendo impurezas não voláteis ou separar misturas de líquidos imiscíveis com diferença de ponto de ebulição de pelo menos 25o C, que também deve apresentar ponto de ebulição menor que 150o C à pressão atmosférica. O processo é regido pela lei de Raoult. 136 Fundamentos da Química Orgânica Acesse http://www.qmc.ufsc.br/organica/aula02/destfrac.html. Na Figura 22, temos a montagem do aparelho de destilação simples. Nesta aparelhagem, temos um frasco de vidro esmerilhado, são utilizadas para facilitar e agilizar a montagem da vidraria de laboratório, permitindo a adaptação de partes comuns de modo versátil e rápido (que não deve conter mais do que a metade de seu volume, cabeça de destilação, termômetro, condensador com camisa de água, adaptador de destilação, e um frasco coletor. Alguns pontos relativos à confi guração da destilação: a montagem deve ter clipes, grampos e conectados a um suporte de pedestal; certifi que-se de que todas as juntas estão vedadas e bem encaixadas. A fonte de calor pode ser uma placa de aquecimento ou manta de aquecimento, e para que seja o mais homogêneo possível com o auxílio de um agitador magnético de tamanho apropriado. O adaptador de destilação (adaptador de três vias) permite que o termômetro seja colocado e o vapor desviado para o condensador de camisa de água, usando conexões contendo juntas de vidro esmerilhadas. O termômetro deve ser colocado com seu bulbo abaixo do nível inferior da lateral linha do conector de destilação de modo que esteja posicionado no fl uxo de vapor da destilação. O condensador com camisa de água (ou condensador Liebig) é efi caz para uma variedade de aplicações além da destilação simples. O circuito de refrigeração deve ser conectado de modo que a entrada de água esteja posicionada no fi nal do condensador e a saída de água na parte inicial do condensador, perto do adaptador de destilação com o termômetro. Confi guração de destilação simples: • Primeiro, a braçadeira e o suporte da braçadeira são fi xados a um suporte de suporte (ou quadro do laboratório) na mesa do laboratório ou na coifa. • Em seguida, o frasco de fundo redondo é colocado na placa quente, prendendo-o com uma garra no suporte. 137 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 • Depois, um adaptador de destilação (adaptador de três vias) é conectado ao frasco. • Em seguida, o termômetro é colocado preso em uma rolha na parte superior do adaptador de destilação. • Então, outra braçadeira é colocada em um outro para ajustar a fi xação do condensador a toda aparelhagem. • Outro adaptador de destilação fi xado no fi nal do condensador e um recipiente coletor preso nesse adaptador. • Finalmente, os tubos de borracha são conectados ao condensador para fornecer a água (entrada do abastecimento de água, extremidade inferior e saída na extremidade superior). FIGURA 23 – EQUIPAMENTO DE DESTILAÇÃO SIMPLES FONTE: Adaptada de Isac-García et al. (2016) 5.5 DESTILAÇÃO FRACIONADA Essa técnica é apropriada quando se quer separar componentes líquidos que diferem em menos de 25o C em seus pontos de ebulição. Cada um dos componentes que se quer separar é chamado de frações. A aparelhagem da destilação fracionada é semelhante à usada para a destilação simples, diferenciando na adição de um tipo de coluna de vidro, a qual ajudará na separação dessa mistura de líquidos. Esta coluna pode ter um design diferente, como uma coluna Vigreux, coluna de enchimento etc. (Figura 24). Quando a mistura é aquecida, o vapor sobe e circula pelos buracos dessa coluna de refl uxo, favorecendo a saída do componente mais volátil, enquanto o líquido menos volátil se condensa ao entrar em contato com as partes da coluna, retornando para o 138 Fundamentos da Química Orgânica frasco de aquecimento. Quando todo líquido mais volátil estiver sido destilado, troca-se o frasco coletor e, então, o líquido que restou no frasco de aquecimento (balão) começa a aumentar a temperatura. Ao alcançar a temperatura de ebulição, os vapores começam a ultrapassar a coluna de fracionamento e seguem para o novo frasco coletor. Esse processo é equivalente a realizar váriasdestilações simples seguidas. FIGURA 24 – DESTILAÇÃO FRACIONADA FONTE: Adaptada de Isac-García et al. (2016) Principais tipos de colunas de fracionamento: • Coluna Vigreux: é uma modifi cação do condensador de ar. Tem um número de reentrâncias pontiagudas profundas em sua parede lateral, onde os vapores se condensam ao passar pela coluna e que servem para aumentar a superfície de contato entre o vapor e o condensador. • Coluna Snyder: este é um tipo de coluna muito efi caz contendo uma série de segmentos que, por sua vez, têm uma esfera de vidro fl utuante para aumentar a mistura de vapor e condensado. 139 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 • Colunas empacotadas: são condensadores de ar que são enchidos com pequenos pedaços de anéis de vidro Raschig ou cerâmica. Para manter o enchimento dentro dessas colunas, geralmente há algum tipo de constrição que permite a passagem dos vapores, mas impede que caiam no frasco. Outras colunas fracionadas, como o Overshaw, estão representadas na fi gura a seguir: FIGURA 25 – TIPOS DE COLUNA FRACIONADA FONTE: Adaptada de Isac-García et al. (2016) 5.6 CROMATOGRAFIA EM CAMADA FINA (CCF) A cromatografi a em camada fi na (CCF) tornou-se um método amplamente utilizado porque é técnica analítica simples, barata, rápida e efi ciente, além de requerer apenas miligramas de material. CCF é útil para determinar o número de compostos em uma mistura, para ajudar a estabelecer se dois compostos são idênticos, e para seguir o curso de uma reação. Em CCF, placas de vidro, metal ou plástico são revestidas com uma camada fi na de adsorvente, que serve como fase estacionária. A fase estacionária é geralmente polar – gel de sílica – é o mais usado. A fase móvel é um solvente puro ou uma mistura de solventes; a composição apropriada da fase móvel depende das polaridades dos compostos da mistura que está sendo analisada. Compostos orgânicos sólidos, mas não voláteis, podem ser analisados por cromatografi a 140 Fundamentos da Química Orgânica em camada fi na; no entanto, a CCF não funciona bem para muitos compostos líquidos porque sua volatilidade pode levar à perda da amostra por evaporação na placa de CCF. Para realizar uma análise de CCF, uma pequena quantidade da mistura sendo separada é dissolvida em um solvente adequado e aplicado sobre o adsorvente próximo a uma extremidade de uma placa de CCF. Em seguida, a placa é colocada em uma câmara fechada com a borda mais próxima do local que foi aplicada a amostra, imersa em uma camada rasa da fase móvel, solvente (Figura 26a). O solvente sobe através da fase estacionária por ação da capilaridade. Conforme o solvente sobe pela placa, os compostos na amostra vão se separando de acordo com a polaridade dos produtos (Figura 26b). Quando a sílica gel é a fase estacionária, o solvente move as substâncias não polares mais rapidamente para cima na placa. À medida que o cromatograma se desenvolve, as substâncias polares sobem mais lentamente ou não sobem pela placa. FIGURA 26 – CÂMARAS DE REVELAÇÃO CONTENDO CROMATOGRAFIA EM CAMADA FINA FONTE: Adaptada de Mohrig et al. (2014) Após o desenvolvimento da CCF, os produtos contidos na amostra se separam (Figura 27a) e podemos observar o resultado da cromatografi a em uma câmara de luz UV (Figura 27b). 141 INTRODUÇÃO AO LABORATÓRIO Capítulo 3 FIGURA 27 – EVOLUÇÃO E REVELAÇÃO DE ANÁLISE DE CCF FONTE: Adaptada de Mohrig et al. (2014) Para um estudo mais aprofundado, segue a sugestão do site: https://www.fciencias.com/2015/03/12/cromatografia-em-camada- fi na-CCF-laboratorio-online/. 6 ALGUMAS CONSIDERAÇÕES Este capítulo foi elaborado como um manual para iniciar o treinamento de alunos nas principais técnicas e regras de segurança de um laboratório de química. A Química Orgânica é uma ciência altamente experimental baseada em teorias que são consolidadas em práticas experimentais. Portanto, é essencial para o futuro dos profi ssionais para adquirir uma base para a formação em laboratório e desenvolver desde o início bons hábitos e habilidades necessárias para lidar com os desafi os do trabalho experimental. 142 Fundamentos da Química Orgânica Vimos, inicialmente, as questões de segurança no laboratório, tanto em termos de atitude como comportamento responsável, quanto no manuseio dos produtos químicos e equipamentos usados com mais frequência. Também foi exposto como devemos realizar as anotações sobre os experimentos nos cadernos de laboratório, sendo este um instrumento essencial para registrar com precisão os resultados dos experimentos realizados no laboratório de ensino e/ou pesquisa. Em seguida, os equipamentos de laboratório mais comuns e as principais operações básicas que podem ser realizadas em um laboratório de Química Orgânica foram descritos. Um cuidado especial foi tomado em cada caso para incluir dicas e avisos que podem ser úteis para os alunos. Alguns deles são óbvios para os profi ssionais de Química Orgânica, mas são de interesse de um aluno que está realizando o trabalho experimental em um laboratório. Por fi m, foram apresentados alguns conceitos básicos de técnicas recristalização, destilação e cromatografi a. REFERÊNCIAS FERREIRA, V. F. Alguns Aspectos sobre a Secagem dos Principais Solventes Orgânicos. V. 15/4, 1992. ISAC-GARCÍA, J. et al. Experimental Organic Chemistry: Laboratory Manual. Editora Elsevier, 2016. LEÃO, M. F. et al. Noções básicas para utilização de laboratórios químicos. 1. ed. Uberlândia-MG: Edibrás, 2016. MOHRIG, J. R. et al. Laboratory Techniques in Organic Chemistry Supporting Inquiry-Driven Experiments. 4. ed. Editora W. H. Freeman, 2014. ZUBRICK, J. W. Manual de sobrevivência no laboratório de química orgânica: guia de técnicas para o aluno. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2005.