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Compostos Orgânicos e Vida Aula Inicial 1/2014 Química Orgânica • Iniciou em uma tentativa de se compreender a química da vida • Primeiro achava-se que a química da vida era diferente da química feita no laboratório • Depois se tornou a química dos compostos de carbono • Visão atual: química dos compostos de carbono juntamente com outros elementos (O, N, S, P, etc.) como são encontrados nos seres vivos e em todos os lugares • Os compostos orgânicos estudados são aqueles presentes nos seres vivos e aqueles formados a partir de seres mortos ao passar de milhões de anos • Existem aproximadamente 16 milhões de compostos orgânicos conhecidos e muitos mais ainda podem ser descobertos • Representação das cadeias carbônicas • Compostos orgânicos podem ser sólidos cristalinos, óleos, ceras, plásticos, elásticos, líquidos voláteis, gases • Podem ser coloridos ou incolores, possuem odores característicos Odor desagradável Odor muito agradável Trufas negras Damascenona - Rosas • Outros compostos possuem efeitos no comportamento humano cis-9,10-octadecenoamida - Indutor do sono cis-9-trans-11-ácido linoleico conjugado – agente anticâncer • Todos os compostos orgânicos são construídos a partir de um esqueleto hidrocarbônico (C e H) podendo ter a presença de heteroátomos (O, N, S, P, F, Si, Sn, Na, Cu, Br...) Hidrocarbonetos • Contém apenas átomos de carbono e hidrogênio • Alcanos, Alcenos e Alcinos 9 2 8 7 6 5 4 31 Pent-2-eno Penta-1,3-dieno Penta-1,4-dieno 1 2 3 4 554 3 2 1 5 4 3 2 1 421 3 Propeno 2 3 1 2 4 31 But-2-enoBut-1-eno Nona-3,5-dieno 9 2 8 7 6 5 4 31 Pent-2-eno Penta-1,3-dieno Penta-1,4-dieno 1 2 3 4 554 3 2 1 5 4 3 2 1 421 3 Propeno 2 3 1 2 4 31 But-2-enoBut-1-eno Nona-3,5-dieno 9 2 8 7 6 5 4 31 Pent-2-eno Penta-1,3-dieno Penta-1,4-dieno 1 2 3 4 554 3 2 1 5 4 3 2 1 421 3 Propeno 2 3 1 2 4 31 But-2-enoBut-1-eno Nona-3,5-dieno 9 2 8 7 6 5 4 31 Pent-2-eno Penta-1,3-dieno Penta-1,4-dieno 1 2 3 4 554 3 2 1 5 4 3 2 1 421 3 Propeno 2 3 1 2 4 31 But-2-enoBut-1-eno Nona-3,5-dieno 1 2 3 4 5 3-metilpent-1-ino 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 10-etil-9-metiltrideca-1,4,7,12-tetraino 13 Onde encontramos os Hidrocarbonetos? • Fonte de alcanos: petróleo • Mistura complexa de compostos orgânicos (alcanos + compostos aromáticos + O + N + S) • Hidrocarbonetos são obtidos por meio da destilação do petróleo • Alquenos: são obtidos no craqueamento do petróleo • Encontrados em diversos organismos animais e vegetais • Etileno: induz o amadurecimento de frutas. Composto orgânico mais consumido no mundo • Esqualeno: precursor dos hormônios esteroidais (testosterona, progesterona, colesterol) • β-caroteno: corante laranja encontrado na cenoura, folhas, camarão. É precursor da vitamina A Vitamina A • β-pineno: extraído dos pinheiros. Aroma de pinho • Limoneno: constituinte da essência de limão • Isopreno: constituinte da borracha natural • Fontes alquinos naturais Hepta-1,3,5-triinilbenzene O O CH3 Éster desidromatricária O H3C H3C HO H H H C CH Noretindrona Antibiótico isolado de folhas de picão (Bidens pilosa) Isolado de sementes de dália e de flores de camomila Uso de Hidrcarbonetos • O principal uso dos hidrocarbonetos é como fonte de energia. • A combustão desses compostos leva à liberação de calor em grande quantidade que é transformado em energia mecânica e elétrica CnH2n+2 ~55 kJ g-1 de hidrocarboneto +H2O(n+1)+CO2nO2 2 3n+1 + C4H10(g) + + 10 H2O(l)8 CO2(g)13 O2(g) CH4(g) + CO2(g) +2 O2(g) 2 H2O(l) H = -891,2 kJ mol-1 H = -2878,6 kJ mol-1 • O acetileno (nome não sistemático), uqe é o alquino mais simples é muito usado em soldas e maçaricos para corte de metais. • Sua combustão libera 1368kJ/mol Compostos aromáticos • Possuem o anel benzênico ou • Possuem comportamento químico semelhante ao benzeno. • Muito encontrados em óleos produzidos por árvores e plantas. • Em geral, têm aroma agradável. OH NH2 Cumeno EstirenoMesitileno p-Cimeno o-XilenoTolueno CH3H3C CH3 H3C CH3 CH3 CH3 CH3H3C CH3 CH3 Fenol Anilina OH NH2 Cumeno EstirenoMesitileno p-Cimeno o-XilenoTolueno CH3H3C CH3 H3C CH3 CH3 CH3 CH3H3C CH3 CH3 Fenol Anilina Solventes Precursor do isopor Solvente e antidetonante em combustíveis Óleo bruto e combustíveis refinados Solvente e Fluido térmico Desinfetante, solvente Precursor da aspirina Matéria prima para corantes, espumas, tintas Naftaleno (naftalina) Inseticida, fabricação de outros produtos aromáticos Antraceno Produção de corantes, inseticidas e conservantes Pireno Altamente carcinogênico Exaustão de veículos, cigarro, maconha, madeira, alimentos na brasa Fenantreno Estrutura básica dos esteróides Encontrado no alcatrão Uso dos hidrocarbonetos aromáticos • Utilizado na indústria para fazer produtos químicos tais como resinas, plásticos, espumas, nylon, fibras sintéticas, borrachas, lubrificantes, detergentes, compostos medicinais, pesticidas, colas e tintas. • É largamente explorado pela indústria do tabaco. Estima-se que 50% da exposição do público ao benzeno venho da fumaça dos cigarros • Também é encontrado no óleo diesel e na gasolina. Toxicidade • O benzeno é uma substância altamente tóxica e carcinogênica. • Primeira evidência: 1775, câncer em limpadores de chaminé. • Em 1974 foi constatado que o hábito das pessoas de consumir produtos defumados provocava inflamação crônica nos intestinos. Posteriormente, as estatísticas mostraram que essas pessoas morrem de câncer mais cedo que as que não consomem tais produtos. • Em uma análise dos produtos defumados, uma grande quantidade de produtos aromáticos foram encontrados • Os hidrocarbonetos aromáticos policíclicos são convertidos, durante as biotransformações que ocorrem nos organismos vivos, em compostos que são os reais causadores de câncer. Biotransformações O HO OH Benzo[a]pireno Metabólito carcinogênico • O benzeno é tóxico ao homem, atacando os tecidos que formam as células do sangue. Em ar muito contaminado, um adulto morre num prazo de cinco a dez minutos. Em ares não tão contaminados, as pessoas ficam com dor de cabeça, podendo ficar confuso e até inconsciente. Esses sintomas desaparecem quando a pessoa volta a respirar ar puro. • Evapora facilmente, misturando-se com outras substâncias na atmosfera, onde se decompõe com certa facilidade. Ele se mistura com a água com certa facilidade e pode penetrar no solo indo parar nos lençóis freáticos. Haletos de alquila • Substituição de um ou mais átomos de hidrogênio de um hidrocarboneto por halogênios (F, Cl, Br, I) Ocorrência • Não são encontrados com muita frequência na natureza • Ocorrem principalmente em organismos marinhos • Ex: compostos halogenados da alga Asparagopsis taxiformis Br Br Br Br O CBr3CO2CH2CH3 CH3Cl CHCl3 CCl4 CHBr3 CBr4 CH3I • Muitos compostos halogenados são altamente tóxicos Cl Cl Cl Cl Cl Cl O Dieldrin Cl Cl ClCl Cl Cl Cl Cl H H Clordane C ClCl CCl3 H 1,1,1-Tricloro-2,2-bis(4-clorofenil)etano (DDT) OCH2CO2H Cl Cl Cl Ácido 2,4,5-triclorofenoxiacético (2,4,5-T) OCH2CO2H Cl Cl Ácido 2,4-diclorofenoxiacético (2,4-D) Cl Cl Cl Cl Cl Cl O Dieldrin Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl H H Clordane C ClCl CCl3 H 1,1,1-Tricloro-2,2-bis(4-clorofenil)etano (DDT) OCH2CO2H Cl Cl Cl Ácido 2,4,5-triclorofenoxiacético (2,4,5-T) OCH2CO2H Cl Cl Ácido 2,4-diclorofenoxiacético (2,4-D) • Importância: síntese orgânica e aplicações industriais (solventes, gás refrigerante, polímeros, agroquímicos, etc) Saran Cl C Cl C H H Cl C Cl C H H n F C F C F F F C F C F F n Teflon • Utilização ampla na agricultura como pesticidas • Fluosol: substituto de sangue em cirurgias cardíacas alta capacidade de dissolução do oxigênio, substituto temporário das hemoglobinas Cl Cl Cl Cl Cl Cl O Dieldrin Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl H H Clordane C ClCl CCl3 H 1,1,1-Tricloro-2,2-bis(4-clorofenil)etano (DDT) OCH2CO2H Cl Cl Cl Ácido 2,4,5-triclorofenoxiacético (2,4,5-T) OCH2CO2H Cl Cl Ácido 2,4-diclorofenoxiacético (2,4-D) F F F F F F F F F F F F F F F F F F Perfluorodecalina Perfluorotripropilamina CF2CF2CF3 NCF3CF2CF2 CF2CF2CF3 • Substituição de um ou mais átomos de H de um alcano por grupos hidroxilas (OH) Alcoóis R OH Ar OH Álcool Fenol C C OH H C C O Enol Aldeído/cetona • Exemplos: diversas aplicações industriais e farmacológicas Nas bebidas é formado pela fermentação do açúcar. é uma droga depressora do sistema nervoso central que causa desinibição e euforia. Usado como anticongelante em automóveis Emoliente em sabões e cosméticos. Matéria prima da nitroglicerina É um componente essencial das membranas celulares dos mamíferos. Ajuda na fabricação da bílis e também é importante para o metabolismo das vitaminas lipossolúveis, incluindo as vitaminas A, D, E e K. Ele é o principal precursor para a síntese de vitamina D e de vários hormônios esteroidais (o cortisol e os hormônios sexuais progesterona, os diversos estrógenos, testosterona e derivados). Éteres • Contêm 1 átomo de oxigênio ligado a 2 átomos de carbono (sp3, sp2 ou sp) • Fórmula geral: • “Derivados” da água: ambos hidrogênios foram substituídos por grupos alquilas ou arilas O R'R O ArR O Ar'Ar • Aplicações: MTBE é um aditivo para gasolina combustível, usuado para elevar a octanagem, embora seu uso tenha declinado nos EUA devido a implicações ambientais e na saúde. No Brasil seu uso na gasolina é proibido inclusive por questões sócioeconômicas, devido ao uso de etanol como aditivo na gasolina. É utilizado como solvente de resinas e óleos, e também no preparo de pólvora e seda artificial. Na medicina esse composto é usado como anestésico local, mas possui desvantagens de afetar a pressão arterial e irritar o trato respiratório, além do risco de provocar incêndios. Aminas • Possuem de 1 a 3 grupos alquila ou arila ligados a um átomo de nitrogênio. N H RH N R R'H N R' R"R amina primária amina secundária amina terciária • Compostos com odores desagradáveis • MeNH2, Me2NH e Me3N: odor dos peixes N H N H CH3 Indol Escatol H2N NH2 Putrecina H2N NH2 Cadaverina • Diferentes propriedades fisiológicas COOCH3 N H O C O H3C Adrenalina HO HO NH2 OH NicotinaConiina N H N H N H Cocaína Excitação ou medo Extremamente tóxica. Desorganiza o funcionamento do sistema nervoso central, sendo venenosa tanto para homens como para animais. Tóxica para seres humanos e plantas. Causa dependência Excitação e euforia. Causa dependência e insônia Cloreto de tubocurarina Veneno de flechas de índios. Usado em cirurgias para promover relaxamento muscular Cloridrato de metanfetamina Estimulante do SNC • Sais de amônio quaternários são surfactantes catiônicos Cloreto de hexadeciltrimetilamônio Atua como anti-estático e amaciante para os cabelos em cremes condicionadores, creme-rinse, regeneradores capilares, fixadores, loções de tratamento e cremes para os cabelos. Cloreto de dioctadecildimetilamônio Amaciantes de roupas: se ligam eletrostaticamente à superfície da fibra, formando um filme extremamente fino Aldeídos e cetonas • Possuem o grupo carbonila (C=O) • Carbonila ligada a grupo alquila ou arila e um H: aldeído • Carbonila ligada a 2 grupos alquila ou arila: cetona Aldeídos Cetonas C O H H C O R H C Ar O H C O R R' C O R Ar C O Ar Ar' Aldeídos Cetonas C O H H C O R H C Ar O H C O R R' C O R Ar C O Ar Ar' Ocorrência e uso • Aldeídos e Cetonas são responsáveis por aromas e sabores. Além disso, são empregados como solventes, matérias-primas e reagentes. OCH3 O OH H O O Vanilina: aromatizante sabor de baunilha Progesterona: hormônio feminino O OHO Furaneol: usado em perfumaria; aroma artificial de morango Responsável pelo odor de urina de gato O SH O (S)-carvona: óleo extraído da Menta viridis Civetona: produzido pela glândula perineal do gato Vierra cieta, encontrado na África. O OCH3 O OH H O O Vanilina: aromatizante sabor de baunilha Progesterona: hormônio feminino O OHO Furaneol: usado em perfumaria; aroma artificial de morango Responsável pelo odor de urina de gato O SH O (S)-carvona: óleo extraído da Menta viridis Civetona: produzido pela glândula perineal do gato Vierra cieta, encontrado na África. O OCH3 O OH H O O Vanilina: aromatizante sabor de baunilha Progesterona: hormônio feminino O OHO Furaneol: usado em perfumaria; aroma artificial de morango Responsável pelo odor de urina de gato O SH O (S)-carvona: óleo extraído da Menta viridis Civetona: produzido pela glândula perineal do gato Vierra cieta, encontrado na África. O OCH3 O OH H O O Vanilina: aromatizante sabor de baunilha Progesterona: hormônio feminino O OHO Furaneol: usado em perfumaria; aroma artificial de morango Responsável pelo odor de urina de gato O SH O (S)-carvona: óleo extraído da Menta viridis Civetona: produzido pela glândula perineal do gato Vierra cieta, encontrado na África. O OCH3 O OH H O O Vanilina: aromatizante sabor de baunilha Progesterona: hormônio feminino O OHO Furaneol: usado em perfumaria; aroma artificial de morango Responsável pelo odor de urina de gato O SH O (S)-carvona: óleo extraído da Menta viridis Civetona: produzido pela glândula perineal do gato Vierra cieta, encontrado na África. O • Formaldeído: aldeído mais utilizado. Gás a temperatura ambiente. Assim, é empregado como solução aquosa a 37%, a qual é denominada formol. • Preparado por oxidaçãodo metanol. 4 bilhões de Kg/ano apenas nos EUA. • Utilizado como fungicida, desinfetante e na preparação de resinas fenólicas. Usado normalmente como preservativo e anti-séptico. O formol tem a propriedade de desnaturar proteínas, por isso elas ficam mais resistentes à decomposição por bactérias. Esta propriedade justifica seu uso como fluido de embalsamamento e na conservação de espécies biológicas. • A cetona mais importante é a propanona ou acetona • 1 bilhão de Kg/ano apenas nos EUA. • Solvente muito utilizado. • A acetona é utilizada como solvente em esmaltes, tintas e vernizes; na extração de óleos e na fabricação de fármacos. Possui emprego na indústria de explosivos como gelatinizante da pólvora sem fumaça e como produto inicial de sínteses químicas, em especial na indústria farmacêutica. • Ocorrência na natureza: carboidratos • Poli-idroxicetonas e poli-idroxialdeídos • Substâncias mais abundantes nos sistemas biológicos: 50 % da biomassa da Terra. • Conhecidos como “hidratos de carbono”: Cn(H2O)n • Sinônimos: açúcares e sacarídeo • Fonte de energia para o organismo Frutose Glicose • Classificação dos carboidratos • Segundo a natureza: poliidroxialdeído Aldose poliidroxicetona Cetose • Segundo o número de carbonos: 3 carbonos Triose 4 carbonos Tetrose 5 carbonos Pentose 6 carbonos Hexose 7 carbonos Heptose D-Ribose D-Arabinose D-Xilose D-Lixose CHO CH2OH OHH D-Gliceraldeído CH2OH OHH HHO CHO D-Treose CH2OH OHH OHH OHH CHO CH2OH OHH OHH HHO CHO CH2OH OHH HHO OHH CHO CH2OH OHH HHO HHO CHO CH2OH OHH OHH OHH OHH CHO D-Alose CH2OH OHH OHH HHO HHO CHO CH2OH OHH OHH HHO OHH CHO D-Glicose D-Manose CH2OH OHH HHO OHH OHH CHO D-Gulose D-Idose D-Galactose D-Talose CH2OH OHH HHO OHH HHO CHO CH2OH OHH HHO HHO OHH CHO CH2OH OHH HHO HHO HHO CHO CH2OH OHH OHH CHO D-Eritrose CH2OH OHH OHH OHH HHO CHO D-Altrose Dissacarídeos e Polissacarídeos sacarose celulose amido Ácidos carboxílicos e derivados carboxila Ocorrência • Os ácidos são compostos abundantes na natureza e essenciais para a vida • Lipídeos são ácidos graxos ou derivados • controlam a pressão sanguínea, o processo inflamatório, a atividade digestiva, a contração do útero, a secreção das paredes do estômago, a coagulação sanguínea, a febre, a dor, o fluxo sanguíneo aos órgãos em particular, o transporte de íons através das membranas; e modulando a transmissão sináptica e a indução do sono. vasodilatadoras e inibem a agregação plaquetária induzem contração dos músculos das vias aéreas ligadas aos pulmões e estão implicados em reações alérgicas, inflamatórias e ataques cardíacos. São compostos que ocasionam os sintomas da asma e também estão implicados em choques anafiláticos vasoconstritores e estimulam agregação plaquetária, a primeira etapa na coagulação sanguínea • Os ácidos carboxílicos também são essenciais na medicina e na indústria • Ésteres são flavorizantes: odor e sabor • Óleos e gorduras são ésteres triacilglicerídicos de ácidos carboxílicos de cadeias longas • São utilizados na fabricação de sabão • Mulher sabão: Entre 1837 e 1901, foi encontrada a múmia de uma mulher totalmente saponificada. A reação entre o solo alcalino e os ácidos graxos presente em seu corpo a transformaram em um sabão tamanho família! Sabão • Se dissolvem tanto em gordura quanto em água • Formação de micelas em água O O Na Pater lipofílica Parte hidrofílicaParte lipofílica (B) representação de uma gota de óleo dissolvida no interior de uma micela. (A) representação esquemática de uma seção transversal de uma micela. • Amidas tem diferentes propriedades anestésico local Ação mais rápida e duradoura 3 x mais forte que a lidocaína concentração de 10-5 mg/mL causa 100% de mortalidade em larvas do Aedes egypt, o inseto vetor da febre amarela e da dengue Kevlar utilizado em coletes à prova de balas. Vinte camadas desse tecido têm a capacidade de parar o projétil de uma arma 9 mm • Sulfamidas atividade antibiótica H2N NH2 N=N S NH2 O O in vivo S NH2 O O H2N Prontosil Sulfonilamida Sulfadiazina Sulfacetamida Sulfametoxazol N N S NH2 N HO O C CH3 O S NH2 N HO O ON CH3 S NH2 N HO O Ácido fólico S NH2 O O NH2 C NH2 O OH C O NHCHCH 2CH2CO2H CO2H N N N NH2N CH2 OH N H Sulfanilamida Ácido p-aminobenzóico (PABA) Utilizada no tratamento de infecções urinárias Utilizada no tratamento de conjuntivite bacteriana e demais infecções oculares Utilizado no tratamento de infecções respiratórias, urinárias, gastrintestinais e outros tipos de infecções. • Sulfas como medicamentos Prontosil, um corante com ação bactericida É metabolizado à sulfanilamida, que é ativa e impede que as bactérias se desenvolvam. H2N NH2 N=N S NH2 O O in vivo S NH2 O O H2N Prontosil Sulfonilamida Sulfadiazina Sulfacetamida Sulfametoxazol N N S NH2 N HO O C CH3 O S NH2 N HO O ON CH3 S NH2 N HO O Ácido fólico S NH2 O O NH2 C NH2 O OH C O NHCHCH 2CH2CO2H CO2H N N N NH2N CH2 OH N H Sulfanilamida Ácido p-aminobenzóico (PABA) H2N NH2 N=N S NH2 O O in vivo S NH2 O O H2N Prontosil Sulfonilamida Sulfadiazina Sulfacetamida Sulfametoxazol N N S NH2 N HO O C CH3 O S NH2 N HO O ON CH3 S NH2 N HO O Ácido fólico S NH2 O O NH2 C NH2 O OH C O NHCHCH 2CH2CO2H CO2H N N N NH2N CH2 OH N H Sulfanilamida Ácido p-aminobenzóico (PABA) • Atividade: semelhança estrutural entre Sulfas e PABA (ácido p- aminobenzóico) PABA incorporado pelas bactérias ao ácido fólico necessário ao crescimento H2N NH2 N=N S NH2 O O in vivo S NH2 O O H2N Prontosil Sulfonilamida Sulfadiazina Sulfacetamida Sulfametoxazol N N S NH2 N HO O C CH3 O S NH2 N HO O ON CH3 S NH2 N HO O Ácido fólico S NH2 O O NH2 C NH2 O OH C O NHCHCH 2CH2CO2H CO2H N N N NH2N CH2 OH N H Sulfanilamida Ácido p-aminobenzóico (PABA) H2N NH2 N=N S NH2 O O in vivo S NH2 O O H2N Prontosil Sulfonilamida Sulfadiazina Sulfacetamida Sulfametoxazol N N S NH2 N HO O C CH3 O S NH2 N HO O ON CH3 S NH2 N HO O Ácido fólico S NH2 O O NH2 C NH2 O OH C O NHCHCH 2CH2CO2H CO2H N N N NH2N CH2 OH N H Sulfanilamida Ácido p-aminobenzóico (PABA) H2N NH2 N=N S NH2 O O in vivo S NH2 O O H2N Prontosil Sulfonilamida Sulfadiazina Sulfacetamida Sulfametoxazol N N S NH2 N HO O C CH3 O S NH2 N HO O ON CH3 S NH2 N HO O Ácido fólico S NH2 O O NH2 C NH2 O OH C O NHCHCH 2CH2CO2H CO2H N N N NH2N CH2 OH N H Sulfanilamida Ácido p-aminobenzóico (PABA) Aminoácidos • Constituem a unidadebásica formadora de peptídeos e proteínas Forma dipolar R C C O OHNH2 H R C C O ONH3 H Carbono H C C O OHNH2 H Glicina (Gli) H C C O OHNH2 CCH2 O H2N Asparagina (Asn) H C C O OHNH2 HSH2C Cisteína (Cis) H C C O OHNH2 CH3CHCH2 CH3 Leucina (Leu) H C C O OHNH2 CH3CH2CH CH3 Isoleucina (Ile) H C C O OHNH2 H3C Alanina (Ala) H C C O OHN H Prolina (Pro) H C C O OHNH2 HOH2C Serina (Ser) H C C O OHNH2 CH2 Fenilanina (Fen) • Aminoácidos essenciais