aula11_organica

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Química Orgânica  Grupos Funcionais
Joaquim Delphino Da Motta Neto
Departamento de Química, Cx. Postal 19081
Centro Politécnico, Universidade Federal do Paraná (UFPR)
Curitiba, PR 81531-990, Brasil
CQ167, Aula #11
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Vimos anteriormente que a Mecânica Quântica resolveu a maioria dos problemas conceituais da Química no começo do século XX.
Agora vamos ver como 
isso pode nos ajudar 
em Química Orgânica...
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Resumo
Química orgânica – primórdios
Química do carbono - hibridização
Hidrocarbonetos - nomenclatura
Grupos funcionais
Cetonas e álcoois
Interações intermoleculares
Conclusões
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Se examinamos a Tabela Periódica, vemos que há um elemento especial... Que faz ligações diferentes com quase todos os outros elementos.
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Carbono
Sua Química é tão vasta que há todo um ramo dedicado apenas a estudar a nomenclatura, estruturas, mecanismos e reações de seus compostos, que são chamados “orgânicos”.
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Como e quando a Química Orgânica apareceu?
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Primórdios – Século XIX
Com a revolução industrial e apesar das recentes descobertas que elevaram a Química à condição de ciência líder, também havia o desconhecimento da estrutura geral que confirmaria uma teoria atômica.
Vamos relembrar a situação da época... 
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Antoine Lavoisier (1743-1794)
Forneceu as provas definitivas contra a teoria do flogisto executando medidas precisas de massa antes e depois de combustão.
Criou os termos “sufato”, “fosfato”, “carbonato” e “nitrato”.
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Por outro lado, os pesquisadores evitavam estudar os compostos orgânicos, associados com os processos biológicos.
Acreditava-se que tais compostos tinham uma “força vital” que lhes seria inerente.
Até que...
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Friedrich Wohler (1800-1882)
Em 1856 sintetizou a uréia, um componente comum da urina humana e dos animais.
Percebeu que o tal composto não tinha nenhuma “força vital” a ele associada, mas preferiu não entrar em debate com os vitalistas.
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Síntese de Wohler ( 1828 )
AgNCO + NH4Cl → (NH2)2CO + AgCl 
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O principal uso da uréia é como fertilizante.
Pode ser usado como estabilizador de explosivos.
Não esqueça de cremes hidratantes à base de uréia!
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Vimos que a força motriz 
da Revolução Industrial 
foi a indústria têxtil...
Com a farta oferta de tecidos, passou-se a procurar maneiras de tingi-los... E a pesquisa de corantes tornou-se um importante fator econômico. 
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William Perkin ( 1838-1907 )
Em 1853 entrou para o Royal College of Chemistry, onde foi orientado por Hoffman. Este o desafiou a sintetizar quinina, que era um remédio para malária.
Na época, todos os corantes eram substâncias naturais muito caras.
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Mauveína ( 1856 )
Um corante roxo foi descoberto quando Perkin tentava sintetizar quinina (remédio para malária).
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Perkin conseguiu produzir o corante em grandes quantidades a partir de alcatrão e vendê-lo por alto preço (o roxo era símbolo da aristocracia).
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Estes estudos foram muito importantes do ponto de vista econômico, e em conseqüência vários laboratórios do mundo inteiro começaram a estudar Química Orgânica. 
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Já que a Química Orgânica trata dos compostos de carbono, nada mais natural que examinarmos cuidadosamente este elemento...
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O carbono
Pra começar, sua estrutura eletrônica é
(1s)2 (2s)2 (2p)2
Por causa de suas várias possibilidades de hibrização, ele tem grande facilidade de formar compostos com outros elementos. As ligações covalentes entre átomos de carbono são fortes, podendo formar cadeias longas.
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Hibridização
Uma extensão natural dos cálculos de Heitler & London é o método VB: os orbitais moleculares são localizados, geralmente ao longo das ligações químicas.
Os químicos geralmente preferem a descrição VB por que se pode associar cada orbital com um dos traços (ou pares de pontos) de estruturas de Lewis tradicionais. 
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Fórmulas de Lewis
Como 90% dos compostos orgânicos segue a regra do octeto, é fundamental saber escrever as estruturas de Lewis para as diversas moléculas.
Esta habilidade é importante para caracterizar corretamente a estrutura eletrônica dos vários compostos.
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Já que este é um tópico tão importante, vamos agora treinar um pouco escrever as estruturas de Lewis...
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Construção dos híbridos
Para descrever ligações de elementos representativos (entre eles o carbono), apenas as funções angulares s e p são necessárias. Estas funções são dadas pelos harmônicos esféricos
etc.
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Portanto, a parte angular do i-ésimo orbital híbrido é então expresso pela combinação
Por requerimentos de normalização e ortogonalidade, 
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Exemplo: hibridização sp3
Os OAs do átomo central formam quatro híbridos: 
Estes híbridos são completamente equivalentes, e o ângulo entre eles é 109,47. 
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Exemplos:
CH4 
 CCl4 
 SO4=
 NH4+ 
Desenhe as estruturas de Lewis destas espécies.
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Em várias espécies químicas importantes o átomo central pode ser descrito por esta hibridização.
amônia
cátion hidrônio
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Exemplo: hibridização sp2 
Um dos quatro orbitais atômicos não se hibridiza (este é o que vai formar a ligação ). Os outros três se combinam para formar os três orbitais híbridos
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Numa molécula como o formaldeído (HCHO), tanto o carbono como o oxigênio sofrem esta hibridização. 
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A hibridização sp2 é importante por que em Química Orgânica vários grupos funcionais são descritos com base na carbonila.
Neste grupo tanto o carbono como o oxigênio têm hibridização sp2 .
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Carga formal
Se um átomo é ligado covalentemente, sua “carga formal” é igual ao número de elétrons de valência menos o número de elétrons associado ao átomo na ligação.
A carga formal é um índice fácil de usar se soubermos como escrever estruturas de Lewis corretas.
Vamos ver alguns exemplos:
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C: (4 e de valência) – (4 ligações) – (0 par) = 0
O: (6 e de valência) – (2 ligações) – 2 (2 pares) = 0
O: (6 e de valência) – (1 ligações) – 2 (3 pares) = -1
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No íon carbonato, temos três estruturas de Lewis válidas. A combinação linear das três é a estrutura real do íon. Por que a carga total é -2 ?
C: (4 e de valência) – (4 ligações) – (0 par) = 0
O: (6 e de valência) – (2 ligações) – 2 (2 pares) = 0
O: (6 e de valência) – (1 ligações) – 2 (3 pares) = -1
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Existem várias diferenças entre as reatividades dos compostos orgânicos e inorgânicos:
Reações inorgânicas geralmente são rápidas, e reações entre moléculas orgânicas são lentas.
A maioria das reações orgânicas fornece uma mistura de produtos.
Compostos orgânicos são menos estáveis ao calor.
Compostos orgânicos são mais facilmente oxidados, formando CO2 e água.
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A Química Orgânica geralmente é descrita em termos das estruturas eletrônicas dos compostos, em particular certos grupamentos que determinam certas propriedades interessantes...
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Hidrocarbonetos
Vamos nos lembrar do quevimos antes na parte de Quântica. Na molécula de metano ( CH4 ), o átomo central tem hibridização sp3 . Se a molécula é substituída, os ângulos de ligação ficam próximos de 109,5 .
E se juntarmos vários pedaços semelhantes?…
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O mesmo ocorre para etano ( C2H6 )...
Propano ( C3H8 )...
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Estes compostos são os chamados “alcanos” ou “hidrocarbonetos”. Sua estequeometria é CnH2n+2 , e todos os carbonos da molécula têm hibridização sp3 . Veja o butano ( C4H10 ):
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Termoquímica de alcanos
Substância		M ( g.mol-1 )	cH (kJ.mol-1)
Metano		16,04			-890
Etano			30,07			-1560
Propano		44,10			-2220
Butano		58,13			-2878
Estes são os principais componentes do gás de cozinha doméstico que é comprado em bujões.
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Obviamente não existem apenas estes compostos. Muitas modificações podem ser feitas na estrutura, e cada modificação é chamada “grupo funcional”. Este nome é porque a modificação realmente está associada com algumas propriedades importantes dos compostos que a apresentam.
Vejamos aqui algumas funções mais comuns.
Mais delas serão vistas em Química Orgânica!
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Lembrete: hibridização sp2 
Um dos quatro orbitais atômicos não se hibridiza (este é o que vai formar a ligação ). Os outros três se combinam para formar os três orbitais híbridos
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Numa molécula como o formaldeído (HCHO), tanto o carbono como o oxigênio sofrem esta hibridização. 
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 O híbrido h1 de um átomo se combina com o híbrido h1 do outro átomo para formar a ligação . 
 Cada um dos híbridos h2 e h3 do carbono se ligam a um hidrogênio (também ligações ). 
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 Os híbridos h2 e h3 do oxigênio são ocupados cada um por dois elétrons (são os pares isolados). 
 Finalmente, os orbitais não-hibridizados do carbono e do oxigênio se combinam para formar a ligação . 
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Vimos que a descrição VB, além de simples, descreve completamente a estrutura eletrônica da molécula, além de fornecer explicação 
para propriedades como o seu momento de 
dipolo (=2,33 D, maior que o da água).
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A hibridização sp2 é importante por que em Química Orgânica vários grupos funcionais são descritos com base na carbonila.
Neste grupo tanto o carbono como o oxigênio têm hibridização sp2 .
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Exemplo: acetona ( CH3COCH3 )
Este é um solvente comum para esmalte de unhas. Quais devem ser suas propriedades ?
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A carbonila está geralmente associada com uma alta polaridade. A distribuição de carga desigual faz com que certas regiões da molécula tenham cargas parciais negativas (  ) ou positivas (  ) 

+
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Momentos de dipolo e temp. de ebulição
Substância	 M ( g.mol-1 )  ( D ) Teb. ( K )
Acetaldeído		44,05		2,7	 293
Acetona		58,08		2,91	 330
Butanona		72,11		2,76	 353
Pentanona		86,13		...	 373
Água			18,02		1,85 373
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Muito bem. Então as ligações duplas C=O induzem estas propriedades.
E se as ligações CO forem simples e não duplas?...
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A função álcool
Basta substituir um hidrogênio ( H ) por um grupo hidroxila ( OH ). O oxigênio é tâo mais eletronegativo que o carbono ( 3,5 vs. 2,5) que numa ligação simples ocorre uma polarização da nuvem eletrônica. 
Como o composto resultante também pode fazer ligações hidrogênio (como doador ou aceptor), álcoois geralmente são solúveis em água e têm um ponto de ebulição elevado.
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Exemplo: etanol
É um importante solvente, e também um dos principais componentes das bebidas alcoólicas.

+
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Pontos de ebulição normais
Substância		M ( g.mol-1 )	Teb. ( K )
Butano		58,13			272,6
Metanol		32,04			337,2
Etanol		46,07			352
Propanol		60,10			370
Butanol		74,12			390
Água			18,0			373
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Estas propriedades são função do ambiente molecular, ou seja, como a molécula interage com as poucas moléculas à sua volta...
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Interações intermoleculares
1) Interação dipolo-dipolo: resulta da atração da porção + de uma molécula pela  de outra.
2) Ligação hidrogênio: um próton no meio de dois átomos eletronegativos e pequenos.
3) Forças de London (van der Waals): muito fracas. Devem ser mais relevantes para moléculas grandes.
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Exemplos extremos:
Hexano: Teb. = 342 K
(van der Waals apenas)
Água: Teb. = 373 K
(dipolo-dipolo mais
múltiplas ligações 
hidrogênio)
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Conclusões
Química orgânica é a mistura de várias tarefas:
1) Saber escrever as estruturas de Lewis
2) Saber a carga formal de cada átomo
3) Saber distinguir a acidez / basicidade
4) Saber distinguir as interações intermoleculares.
O conjunto destes conceitos é usado para estudar a reatividade química.
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Próxima aula:
Revisão 
Dúvidas 
Exercícios
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