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Engenharia Ambiental Apostila de Qumica Org‚nica Aplicada Profa. Tatiany de A. F. Britto 1 1. SUMÁRIO 1. A QUÍMICA ORGÂNICA E O ÁTOMO DE CARBONO 2 2. HIBRIDAÇÃO NO CARBONO 3 3. CADEIAS CARBÔNICAS 8 4. NOMENCLATURA DOS GRUPOS ALQUILA 11 5. SIMETRIA DO CARBONO 17 6. ISOMERIA 17 7. CARBONO ASSIMÉTRICO 20 8. O POLARÍMETRO E A LUZ POLARIZADA 23 9. DESCOBERTA DE QUIRALIDADE EM MOLÉCULAS 24 10. A HISTÓRIA DA TALIDOMIDA 25 11. ESPECIFICAÇÃO DA CONFIGURAÇÃO ABSOLUTA 26 12. CONFIGURAÇÃO R E S 27 13. ALCANOS 30 14. ALCENOS 57 15. ALCINOS 65 16. COMPOSTOS AROMÁTICOS 69 17. INSETICIDAS À BASE DE ORGANOSFORADOS E CARBAMATOS 76 18. VINHOTO 93 19. ALDEÍDO (PROBLEMA AMBIENTAL) 97 20. BIODIESEL 99 21. BIBLIOGRAFIA 107 2 1. A QUÍMICA ORGÂNICA E O ÁTOMO DE CARBONO Química Orgânica é a química dos compostos de carbono. Os compostos químicos dividem-se em duas classes: inorgânicos e orgânicos. Compostos inorgânicos eram os que se obtinham de minerais; os compostos orgânicos provinham de produtos animais e vegetais, quer dizer, de materiais produzidos por organismos vivos. Este pensamento que compostos orgânicos provinham apenas de materiais vivos prevaleceu até 1850, jamais poderia imaginar que se poderia sintetizar a partir de materiais inorgânicos, muito comuns nos dias atuais. Atualmente, a maioria dos compostos orgânicos prepara-se por síntese, embora a maneira mais fácil de obter e isolar estes compostos ainda continua sendo a partir de produtos animais e vegetais. Existem dois grandes reservatórios de material orgânico: o petróleo e o carvão, ambos provindo da transformação animal e vegetal. Estes materiais orgânicos são fontes de energia não renováveis, formados a milhões de anos por transformação da crosta terrestre. O petróleo vem sendo consumido de maneira desenfreada principalmente para produção de energia, menos de dez por cento são utilizado para produção de reagentes químicos, existem outras fontes de energia que já estão sendo utilizado para substituí-lo, que são as energias solares, elétricas, eólicas, nucleares. Os principais objetivos de estudo da química orgânica são: identificação de novas reações, como elas se produzem, determinação das suas possíveis aplicações. Os átomos de carbono podem fazer ligações com outros átomos, podem formar cadeias ou anéis com características físicas e químicas bem distintas. A química orgânica é largamente usada nas indústrias de: corantes, produtos farmacêuticos, papel , tinta, plásticos, alimentos, etc. Está amplamente ligada em várias áreas como: biologia, arqueologia, geologia, etc. A maioria dos compostos orgânicos de interesse ambiental são moléculas eletricamente neutras que contêm ligações covalentes, que fazem quatro ligações por cada átomo de carbono; nos radicais livres fazem apenas três ligações. Vamos entender melhor o átomo de carbono. 3 2. HIBRIDA€O DO CARBONO 1 – C (A=12; Z=6) 1s2 2s2 2p2 2 – LIGAÇÃO (sigma) σ orbital molecular simétrico axial ( s – s; p – p) São ligações simples, chamadas de saturadas 3 – LIGAÇÃO(pi) π orbitais p; não hibridizados; átomos diferentes São ligações que são chamadas de insaturadas, apresentam dupla ou tripla ligação • Simples: hibridização(sp3), tetraédrica, 109o28', σ. Exemplo: molécula de metano (ALCANO) • Ligação dupla: hibridização (sp2), trigonal, 120º Exemplo: molécula de eteno (ALCENO) C C H H H H C C H H H H 4 1 ligação π p-p(C-C) 1 ligação σ sp2-sp2 (C-C) 4 ligações σ sp2-s(C- H) • Ligação: hibridização (sp), linear, 180º Exemplo: molécula de etino (ALCINO) 2 ligações π (p-p) , 1ligação σ (sp-sp) , 2 ligações σ (sp-s) Ligações do C Representação Tipo Hibridização Ângulo 4 ligações simples -C- Somente σ sp3 109o 28' 1 ligação dupla -C= 3 σ e 1 π sp2 120o 1 ligação tripla -CΞ 2 σ e 2 π sp 180o 2 ligações duplas =C= 2 σ e 2 π sp 180o C Csp-sp p-p p-p sp-s sp-s C C C C sp2-sp2 p-p sp2-s sp2-ssp 2-s sp2-s CC . 5 6 Principais geometrias moleculares: Geometria Valência do átomo central Hibridação Exemplos linear duas ligações covalentes sp BeF4, CdBr2, HgCl2 angular duas ligações e dois pares eletrônicos sp3 H2O, H2S trigonal plana três ligações covalentes sp2 BF3, B(CH3)3, GaI3 piramidal trigonal três ligações e um par eletrônico sp3 NH3, PCl3 tetraédrica quatro ligações covalentes sp3 CH4, SiF4, TiCl4 quadrado quatro ligações e dois pares eletrônicos sp2d NiCl4-, PtCl4- gangorra quatro ligações e um par eletrônico sp2d SF4 bipirâmide trigonal cinco ligações covalentes sp3d PCl5, MoCl5, TaCl5 octaédrica seis ligações covalentes sp3d2 SF6, SbF6-, SiF6-2 7 Geometrias Moleculares em 3D 8 3. CADEIAS CARBÔNICAS a) ac€clica, aberta ou aliftica b) cíclicas ou fechadas c) normal ou ramificada normal ramificada d) saturada e) insaturada f) homogênea ciclânica ciclênica g) heterog€nea h) aromtica O 9 mononuclear polinuclear HIDROCARBONETOS Alcanos (CnH2n + 2) Alcenos (CnH2n) Alcinos (CnH2n –2) Dienos (CnH2n –2) Ciclanos (CnH2n) Aromáticos C H 3 C H 2 C H 2 C H 3 CH3 CH CH CH3 C H 3 C C C H 3 CH3 CH CH CH CH CH3 10 11 4. NOMENCLATURA DOS GRUPOS ALQUILA Radical = é o grupo que resulta ao se retirar um ou mais átomos de uma molécula Troca: ANO por IL ALCANO GRUPO ALQUILA CH4 METANO CH3 - METIL CH3CH3 ETANO CH3CH2- ETIL CH3CH2CH3 PROPANO CH3CH2CH2- PROPIL CH3CH2CH2CH3 BUTANO CH3CH2CH2CH2- BUTILISOPROPIL SEC-BUTIL H2C=CH• H2C=CH-CH2• VINIL ALIL(A) FENIL NAFTIL BENZIL CH3-CH-CH3 CH2-C-CH3 . CH3 CH3CH3 CH2-CH-CH3 . isobutano isobutil t-butil CH3CH. CH3 CH3CH2CH. CH3 . ..alfabeta CH2. 12 PRINCIPAIS FUNÇÕES ORGÂNICAS Função Fórmula geral Nomenclatura IUPAC Exemplos ÁLCOOL R OH OH ligado a C saturado nome de R H − o + ol CH3 CH2 CH2 OH 1-propanol FENOL Ar OH hidroxi + nome de Ar H OH hidroxibenzeno ÉTER R O R1 nome de R O + nome de R1 H R ≤ R1 CH3 O CH2 CH3 metoxietano ALDEÍDO O || R C | H nome de R CH3 − o + al O || CH3 CH2 C | H propanal CETONA O || R C | R1 nome de R CH2 R1 − o + ona O || CH3 C | CH3 propanona ÁCIDO CARBO- XÍLICO O || R C | OH ácido nome de R CH3 − o + oico O || CH3 CH2 C | OH ácido propanóico ÉSTER O || R C | O R1 nome de O || R C | OH − ácido − ico + ato + nome de R1 O || CH3 CH2 C | O CH3 propanoato de metila AMINA H | R N | H primária nome de R + amina H | CH3 CH2 CH2 N | H propilamina 13 R1 | R N | H secundária nome de R nome de R1 + amina CH3 | CH3 CH2 N | H metiletilamina R1 | R N | R2 terciária nome de R nome de R1 nome de R2 + amina CH2 −CH3 | CH3−CH2−CH2− N | CH3 metiletilpropilamina AMIDA O || R C | NH2 primária nome de O || R C | OH − ácido − ico + amida O || CH3 CH2 C | NH2 propanoamida NITRILO R C ≡ N nome de R COOH − ácido − ico + nitrilo CH3 CH2 C ≡ N propanonitrilo HALETO ORGÂ- NICO R X (F, Cl, Br, I) nome de X + nome de R H CH3 CH2 CH2 Cl 1-cloro propano 14 EXEMPLOS DAS PRINCIPAIS FUNÇÕES Hidrocarbonetos Só C e H CH3CH2CH2CH3 butano Haleto Orgânico -X (X = F, Cl, Br,I) CH3CH2Cl cloreto de etila cloro etano Álcool sat. C OH CH3CH2OH etanol álcool etílico Enol ins. C OH CH2 C H OH etenol Fenol Ar OH OH fenol hidróxi-benzeno Aldeído C O H C H O CH3C O H benzaldeído etanal aldeído acético Cetona C O O CH3C O CH3 benzofenona difenil-cetona propanona dimetil cetona Ácido Carboxílico C O OH CH3C O OH ácido etanóico ácido acético Éster C O O H C O OCH2CH3 CH3C O OCH2CH3 metanoato de etila etanoato de etila acetato de etila 15 Haleto de Ácido C O X -X (X = F, Cl, Br,I) CH3C O Br brometo de etanoila brometo de acetila Éter O OCH3 CH3CH2 O CH2CH3 OCH3 metóxi ciclobutano etóxi etano éter dietílico metóxi-benzeno Amina NH2, NH, N NH2 etil amina Amida C O NH2 CH3 C O NH2 etanamida acetamida Nitro Composto NO2 NO2CH3CH2 nitroetano Nitrila CN CH CN3 etano nitrila cianeto de metila Isonitrila NC CH3 NC isocianeto de metila Ácido Sulfônico SO3H CH3CH2 SO3H ácido etano sulfônico Tiocomposto Substituição de O por S SH etano tiol etil mercaptana Composto de Grignard MgX -X (X = F, Cl, Br,I) CH3 MgI iodeto de metil magnésio 16 NOMES PRÓPRIOS DE ALGUNS COMPOSTOS CH3CH2CH3 CH3 Isobutano CH2 CH2 Etileno HC CH Acetileno H2C C CH2 Aleno CH2 C CH CH3 CH2 Isopreno Benzeno CH3 Tolueno CH3 CH3 o-xileno CH3 CH3 m-xileno CH3 CH3 p-xileno CH CH2 Estireno Naftaleno Bifenila Antraceno Fenantreno H2C CH2 OH OH Etileno Glicol H2C CH OH OH CH2 OH Glicerina OH Fenol OH OH Hidroquinona CH3 OH o-cresol HCCl3 Clorofórmio CCl2F2 Freon 12 H C O H Formol CH3 C O CH3 Acetona C C O H O H Glioxal H C O OH Ácido Fórmico 3HC C O OH Ácido Acético 3HC ( CH2)14 C O OH Ácido Palmítico 3HC ( CH2)n C O OH Ácido Esteárico C C O OH O OH Ácido Oxálico C O OH Ácido Benzóico C O OH COOH Ácido orto-ftálico C O OH OH Ácido Salicílico C C OH OOH OH Ácido Pirúvico 2HC C C COOH CH2 O OH OH COOH Ácido Cítrico 17 5. SIMETRIA DO CARBONO Podem ser simétricos ou assimétricos, para ser considerado assimétrico é necessário que o carbono esteja ligado a diferentes funções orgânicas, dizemos portanto que o carbono apresenta quiralidade. Se um dos átomos for igual ao outro, este não é considerado assimétrico, não apresentando portanto quiralidade. 6. ISOMERIA Conceito Quando dois ou mais compostos têm a mesma fórmula molecular, porém fórmulas estruturais diferentes. Isomeria Plana ���� fórmulas estruturais no mesmo plano a) De esqueleto Mesma função e diferentes nº de C na cadeia principal b) De série No mesmo grau de insaturação (1 ligação tripla = 2 ligações duplas); hidrocarboneto etilênico = cicloalcano de mesmo nº deC CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 CH3-C-CH3 CH3 CH3 CH3-CH2-CH-CH3 CH3 n pentano tetrametilmetano metil-butano . C 3 H 6 O 2 H 3 C - C H 2 - C O O H H 3 C - C O O - C H 3 H 3 C - C H - C O O H H á c c i id o p r o p i ô n i c o a c e t a t o d e m e t i l a h i d r o x i - 2 - p r o p a n a l . C * COOH CH3 HHO 18 c) De posição Mesma função e possuem a mesma cadeia principal, mudando apenas a posição dos radicais d) De compensação ou metameria Mesma função e apresentam um heteroátomo (O,S,N) e) De função ou química Funções diferentes f) Tautomeria ou dinâmica Equilíbrio dinâmico em solução CH3-CH2-CH2-CH2OH CH3CH2-CH-CH3 OH CH2 CH CH2 CH3 CH3 -CH CH CH3 1-butanol 2-butanol 1-buteno 2-buteno . C2H5-O-C2H5 CH3-O-C3H7 CH3-NH-C4H9 C2H5-NH-C3H7 eter dietilico eter metil-n-propilico metil-n-butilamina etil-n-propilam CH3-C-CH3 O CH3-CH2-C O H propanona propanal . C C O H H C C HO HH H H solução H . ciclobutanobuteno-1 C C CH C3 C HCH2CH2C. propadieno propino CH3CCH2 HCCH2C19 Isomeria Geométrica���� ligação dupla ou entre isômeros de cadeia cíclica Isomeria Óptica São isômeros que diferem um dos outros apenas como os átomos dispõem no espaço • luz para direita (sentido horário): dextrorrotatório/dextrógira = d ou + • luz para esquerda (sentido anti-horário) levorrotatórias/levógira = l ou (-) C C CH3 CH3 H H C C CH3 CH3 H H 2cis-buteno 2 -trans-buteno . 20 7. CARBONO ASSIM€TRICO É considerado carbono assimétrico porque apresenta quatro ligações diferentes. *Isômeros opticamente ativo são isômeros que desviam o plano de luz polarizada. Para verificar se a estrutura é opticamente ativa, basta aplicar a fórmula 2n, onde n é o número de carbonos assimétricos, no exemplo acima à estrutura apresenta um carbono assimétrico, portanto 2n = 21 = 2. O resultado final quer dizer que o ácido láctico apresenta duas estruturas opticamente ativas, uma é considerada dextrógera porque desvia o plano de luz polarizada para a direita e a outra, levógera porque desvia o plano de luz polarizada para a esquerda. *Isômeros opticamente inativo são isômeros que não desviam o plano de luz polarizada. Para verificar se a estrutura é opticamente inativa, basta aplicar a fórmula 2(n-1), onde n é o número de carbonos assimétricos, no exemplo acima à estrutura apresenta um carbono assimétrico, portanto 2(n-1) = 2(1-1) = 20 = 1. O resultado final quer dizer que o ácido láctico apresenta uma estrutura opticamente inativa, que é a junção do dextrógero com o levógero que é chamada de mistura racêmica. * Composto meso são considerados opticamente inativos e para identificá-los basta verificar se a estrutura apresenta plano de simetria. Veja o exemplo abaixo: H3C-C OH C H O OH ácido lático . C OH COOH H 3HC C OH HOOC CH3 H ácido lático (d) suco de carne ácido lático ( l) leite azedo H C OH H C OH COOH COOH plano de simetria ácido mesotártarico 21 *Enantiômeros São imagem especular uma da outra e não são sobreponíveis. Para compreender melhor coloque sua mão direita ao lado da sua mão esquerda, se colocar um espelho entre as mãos irá perceber que uma é imagem da outra, porém se tentar sobrepor não produzirá a mesma mão. Observe: Portanto são consideradas enanciômeras porque são imagens especulares uma das outras e não são sobreponíveis. *Diastereoisômeros Não são imagem especular um do outro e não são sobreponíveis 22 Vamos entender melhor no exemplo abaixo como identificar composto: opticamente ativo, inativo, enanciômero e diastereoisômeros. 2n = 22 = 4 (isômeros opticamente ativo) 2(n-1) = 2(2-1) = 21 = 2 (isômeros opticamente inativo) a) Compostos opticamente ativo b) Compostos opticamente inativo Mistura racêmica I +II, pois a junção das duas estruturas não desvia o plano de luz polarizada. Mistura racêmica III +IV, pois a junção das duas estruturas não desvia o plano de luz polarizada. c) Enanciômeros Estruturas: I e II; III e IV d) Diastereoisômeros CH3CH2 C H C Cl CH3 H Cl 2,3-dicloro-pentano * * C CH2CH3 H Cl Cl C H CH3 (d) 2,3-dicloro-pentano ( l) C CH2CH3 Cl H H C Cl CH3 2,3-dicloro-pentano I II C CH2CH3 H Cl H C Cl CH3 (d) 2,3-dicloro-pentano ( l) C CH2CH3 Cl H Cl C H CH3 2,3-dicloro-pentano III IV 23 Estruturas: I e III; II e IV; I e IV; II e III Na natureza existem exemplos bastante interessantes de quiralidade, ou preferência pelo lado esquerdo ou direito. Na figura abaixo pode-se observar que a espécie de trepadeira CONVOLVULUS ARVENSIS vira-se para a direita, enquanto a LONICERA SEMPERVIRENS vira-se para a esquerda, outro exemplo é a bactéria BACILLUS SUBTILIS forma colônias de forma espirais que viram-se para a direita, que quando aquecidas tendem a virar para a esquerda. 8. O POLARÍMETRO E A LUZ POLARIZADA O raio de luz é constituído por um campo elétrico oscilante, associado a um campo magnético ortogonal, que oscila perpendicular à sua direção de propagação. A luz é considerada polarizada quando oscila em apenas uma direção, caso oscile em todas as direções não é considerada luz polarizada. 24 Quando a molécula apresenta quiralidade , ela consegue desviar o plano de luz polarizada, para isto é usado para medir o desvio do plano de luz polarizada o polarímetro. Este aparelho é constituído de uma fonte de radiação não polarizada, geralmente uma lâmpada de sódio. A radiação é passada através de um polarizador que entra em contato com o recipiente que contém a amostra a ser analisada que está dissolvida com um solvente que não interfere seu plano de propagação. Ao sair do recipiente , a radiação passa pelo analisador, onde o desvio é medido em ângulo de rotação. Se o desvio for para direita à substância é dextrógera representada pela letra d (+) e caso o desvio for para a esquerda à substância será chamada de levógera representada pela letra l (-). 9. DESCOBERTA DE QUIRALIDADE EM MOLÉCULAS Em 1848, Louis Pasteur, com seus 26 anos, havia concluído seu doutorado em Ciências e estava estudando a estrutura cristalina do tartarato de amônio e sódio. Os cristais do ácido tartárico foram colocados em barris de vinho durante a fermentação. Ele observou que a solução aquosa de um de seus cristais conseguia desviar o polarímetro para a direita, portanto tratava-se de uma substância opticamente ativa e dextrógera, porém as soluções de outros cristais não desviavam a luz polarizada do polarímetro, portanto tratava-se de uma substância opticamente inativa. Esses cristais opticamente inativos foram dissolvidos em água e recristalizado na forma do sal de amônio e sódio. Pasteur conseguiu observar a olho nu que existia duas formas cristalinas diferentes, o qual conseguiu separá-los com uma pinça. Logo após levou os cristais para o polarímetro e observou que um deles desviava a luz polarizada para a esquerda e o outro para a direita, portanto os cristais analisados opticamente ativo e um era imagem especular do outro. 25 Apesar de muito parecidas, as substâncias quirais podem apresentar várias propriedades, como cheiro e sabor, além de diversas propriedades biológicas, completamente diferentes, conforme ilustrado nos seguintes exemplos: 10. A HISTÓRIA DA TALIDOMIDA Nos compostos listados anteriormente tem uma história interessante e trágica sobre a talidomida. Esta substância foi introduzida na década de 50 na Alemanha e na Inglaterra como sedativo hipnótico para mulheres grávidas que sofriam de enjôo. Em 1960, observou- se um aumento exagerado de recém-nascidos com focomelia, que é o encurtamento ou ausência dos membros superiores. Em 1961, foi descoberto por um pediatra australiano, W.G. McBride, que as mulheres grávidas que utilizaram essa substância nos primeiros três meses de gestação tinham crianças já comprometidas com focomelia. Essa suspeita também foi confirmada por geneticistas alemães, que foi imediatamente suspensa à comercialização da droga. 26 Dados oficiais constataram que mais de dez mil crianças em 28 países, incluindoo Brasil nasceram deformadas devido o uso da talidomida. A talidomida é muito estudada nos dias atuais, porque já se sabe que o isômero R apresenta o efeito sedativo e o isômero S apresenta efeito teratogênico. Apesar de serem encontrados os enantiômeros R e S na forma pura, foi demonstrado que no plasma humano (pH fisiológico igual 7) a talidomida sofre racemização, o que inviabiliza a sua comercialização na forma enantiomericamente pura. Em 1965, um médico israelense descobriu por acaso que a talidomina é capaz de curar lesões causadas por lepra. No Brasil, ela é muito utilizada para o tratamento desta doença e recentemente têm encontrado na literatura a sua utilização no tratamento de AIDS, do glaucoma e do câncer, por isso tem sido levantado por alguns cientistas à volta deste fármaco. Devido a essas diferenças com propriedades biológicas apresentadas pêlos vários estereoisômeros e, principalmente, pela tragédia da talidomina, as indústrias agroquímicas e farmacêuticas têm concentrado esforços para produzir compostos opticamente puros, ou seja, na forma de apenas um dos enantiômeros. Só para se ter uma idéia do crescimento do mercado de fármacos enantiomericamente puros, em 1985 aproximadamente 99% dos medicamentos eram comercializados na forma de mistura racêmica. Em 1995, 20% dos medicamentos eram comercializados na forma de um único enantiômero e essa proporção tem crescido continuamente a cada ano. 11. ESPECIFICAÇÃO DA CONFIGURAÇÃO ABSOLUTA Para determinar o arranjo espacial dos átomos ou grupos de átomos em torno de um carbono assimétrico é denominada configuração absoluta. Os químicos ingleses R.S. Cahn e C. Ingold e o suíço V. Prelog, propuseram um sistema de nomenclatura que, associado às regras da IUPAC, permitisse descrever os diferentes esteroisômeros de determinado composto. Esse sistema se baseia no uso das letras R ou S. 27 12. CONFIGURAÇÃO R E S Dessa forma, para designação da configuração absoluta no sistema R-S deve-se proceder da seguinte maneira: a) Os grupos ligados ao carbono assimétrico será numerado 1,2,3,4, sendo 1 a prioridade máxima; b) Visualizar a molécula, de modo que o grupo de menor prioridade 4 se encontre o mais afastado possível do observador. Os outros grupos deverão estar em um plano e projetados em direção ao observador. c) Traçar uma seta, partindo da maior prioridade 1, passando para a prioridade 2 até chegar 3. Se a direção do movimento da seta for no sentido horário (direção do movimento dos ponteiros de um relógio), o carbono receberá a denominação R, se for no sentido anti-horário, ele será denominado S. As regras para atribuir prioridade aos grupos ligados aos carbonos assimétricos são: 1. Os átomos de maior número atômico têm maior prioridade. Considere o exemplo: a) Nesse caso, os grupos ligados ao carbono assimétrico, em ordem decrescente de prioridade, são: Br(1)> Cl(2)> F(3)> H(4). Traçando uma seta no sentido 1-3, observa-se um movimento anti-horário e, portanto, o carbono recebe a denominação S. Por isso, o nome completo desse composto é (S)-bromoclorofluormetano. 3 2 4 1 1 2 3 4 Configura€o R Configura€o S F Br Cl H 1 2 3 4 D Br F H 1 2 3 4 28 b) No exemplo b a configuração é chamada de Fischer. Nesse caso, também podemos atribuir ordem de prioridade levando em consideração o número atômico. Caso o grupo de menor prioridade (4) estiver na posição vertical, como no exemplo acima, é só observar o sentido das setas partindo do grupo de prioridade 1 em direção ao de prioridade 3. Nesse exemplo, a configuração representada é a S. c) No exemplo c o grupo de menor prioridade (4) está na horizontal, mantém-se fixa a posição de qualquer um dos grupos, exceto o de prioridade 4, e trocam-se as posições dos outros. Após realizarmos essa operação (a estereoquímica será a mesma), o grupo 4 estará ocupando uma posição vertical e, portanto, bastará proceder conforme já descrito anteriormente, ou seja, ligando as setas 1-3, fazendo isso temos configuração S. 2. Quando os grupos ligados ao carbono assimétricos forem poliatômicos, a prioridade será quanto maior for o número atômico do átomo diretamente ligado ao centro de quiralidade. Nesse exemplo, os átomos diretamente ligados ao carbono assimétrico, em ordem decrescente de prioridade, são: O> N> C > H. A configuração do carbono nesse caso é S. 3. Quando dois ou mais átomos ligados diretamente ao carbono assimétrico tiverem a mesma prioridade, devem-se então comparar, um a um, os dois elementos de maior prioridade ligados a eles, utilizando os mesmos critérios de número atômico. Caso Cl I H F 1 2 34 (A) I F H Cl (B) 1 2 3 4 OH H H2N CH2Br 1 3 4 2 Configura€o S 29 haja empate, compare os próximos dois grupos de maior prioridade. Veja o exemplo abaixo: Nesse exemplo os átomos ligados diretamente ao carbono assimétrico, em ordem decrescente de prioridade, são: O > C,C >H. Portanto, os grupos –CH3 e –CH2Br, a prioridade foi a mesma. Dessa forma, as prioridades dos átomos ligados a esses carbonos devem ser comparadas. No grupo CH3 apresenta três átomos de hidrogênio, enquanto o grupo CH2Br apresenta 2 átomos de hidrogênio e 1 átomo de bromo que apresenta número atômico maior que o terceiro átomo de hidrogênio do grupo CH3. Portanto, a ordem decrescente de prioridade será: OH> CH2Br > CH3 > H, e a configuração absoluta do composto, R. OH H H3C CH2Br 1 2 3 4 Configuração R 30 13. ALCANOS Os primeiros dos hidrocarbonetos que iremos estudar, são ligações simples entre carbono – carbono, existindo apenas ligações do tipo δ (sigma). Sua hibridização é sp3 e está na forma tetraédrica formando ângulo 109º28’. Os alcanos podem ser: acíclicos tendo fórmula geral CnH2n + 2n e cíclicos tendo fórmula geral CnH2n, os cicloalcanos apresentam menos 2 hidrogênios. ALCANOS CICLOALCANOS Propano (C3H8) Ciclopropano (C3H6) Butano (C4H10) Ciclobutano (C4H8) Pentano(C5H12) Ciclopentano(C5H10) C C H H H H 31 Nomenclatura Segue o princípio básico já apresentado em relação ao número de carbono com seus respectivos prefixos + ANO proveniente de alcano. PRINCÍPIOS BÁSICOS PARA NOMENCLATURA DE COMPOSTOS ORGÂNICOS Nº de carbono NOME 1 MET 2 ET 3 PROP 4 BUT 5 PENT 6 HEX 7 HEPT 8 OCT 9 NON 10 DEC 11 UNDEC 12 DODEC 13 TRIDEC 14 TETRADEC 15 PENTADEC 16 HEXADEC Exemplos: Ciclohexano Propano Pentano Ciclooctano 32 NOMENCLATURA DOS GRUPOS ALQUILA Radical = é o grupo que resulta ao se retirar um ou mais átomos de uma molécula Troca: ANO por IL ALCANO GRUPO ALQUILA CH4 METANO CH3 - METIL CH3CH3 ETANO CH3CH2- ETIL CH3CH2CH3 PROPANO CH3CH2CH2- PROPIL CH3CH2CH2CH3 BUTANO CH3CH2CH2CH2- BUTIL ISOPROPIL SEC-BUTILH2C=CH• H2C=CH-CH2• VINIL ALIL(A) NOMENCLATURA DOS ALCANOS DE CADEIAS MAIS LONGAS 1) Localize a cadeia mais longa de carbono. CH3-CH-CH3 CH2-C-CH3 . CH3 CH3CH3 CH2-CH-CH3 . isobutano isobutil t-butil CH3CH. CH3 CH3CH2CH. CH3 1 2 3 4 5 6 7 33 2) Numere a cadeia mais longa começando com a extremidade da cadeia mais próxima da ramificação 3) Usam-se os números obtidos pela aplicação da regra 2 para designar a localização dos grupos substituintes. O nome-base é colocado por último e o grupo substituinte precedido pelo número que designa sua localização na cadeia, é colocado primeiro. 3-metil-heptano 4) Quando dois ou mais substituintes estão presentes, começa a numerar a cadeia mais longa começando a extremidade da cadeia mais próxima da ramificação, e colocados os substituintes em ordem alfabética. 4-etil-2-metil-hexano 5) Quando dois ou mais substituintes estão presentes no mesmo carbono usa- se este número duas vezes 3-etil-3-metil-hexano 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 34 6) Quando dois ou mais substituintes são idênticos usa-se os prefixos: di, tri, tetra, etc. São separados por vírgulas para separar os números entre si. 2,3-dimetil-butano 2,3,4-trimetil-pentano Radical: Metil (Carbono 2) Cadeia Principal: Propano Radicais: Metil (Carbonos 3 e 4) Etil (Carbono 5) Isopropil (Carbono 5) Cadeia Principal: Octano Metil-Propano (não é necessário numerar pois não há outra posição para o radical) Este composto também é chamado de Isobutano 3,4-Dimetil-5-Etil-5-Isopropil-Octano (Note que neste caso a cadeia principal não foi uma seqüência representada numa linha reta) Ordem Alfabética Normalmente, na nomenclatura dos compostos ramificados, os radicais aparecem escritos pela ordem de complexidade (do menor para o maior). Esta é a regra mais utilizada no Brasil. A IUPAC, porém, aboliu esta regra em 1979. É recomendado que, ao nomear um composto qualquer ramificado, o nome dos radicais deve ser organizado em ordem alfabética (ignorando os prefixos iso, sec, tercio, di, tri, etc). Embora esta mudança tenha sido feita há mais de 20 anos (antes disso, as duas maneiras eram consideradas certas), esta regra é pouco difundida no Ensino Médio e Vestibulares. Aqui na página os radicais serão ordenados pela ordem de complexidade, para não contrariar o mais utilizado no Vestibular. 1 2 3 4 4321 5 35 Vale a pena frisar que esta nomenclatura está errada e que, principalmente em textos em Inglês, os radicais vêm ordenados alfabeticamente. Com isso, o nome mais certo para o segundo exemplo acima é 5-Etil-4-Dimetil-5- Isopropil-Octano. 7) Quando duas cadeias de igual comprimento competem para a seleção da cadeia básica, escolhe-se a cadeia com o maior número de substituintes. 2,3,5 - trimetil - 4 - propil - heptano (quatro substituintes) e não 2,3-dimetil-4-sec-butil-heptano (3 substituintes) 8) Quando a primeira ramificação ocorre a igual distância de qualquer das extremidades da cadeia mais longa, escolhe-se o nome que dá o menor número do primeiro ponto de diferença 2, 3, 5 - trimetil - hexano en€o 2, 4, 5 - trimetil - hexano 6 7 4 3 2 1 5 123 6 4 5 PROPRIEDADES FSICAS E OBTEN‚ƒO INDUSTRIAL S„o liga…†es covalentes,que podem existir entre dois €tomos de uma mesma espécie e são portanto classificadas como apolares ou podem existir entre dois átomos com pouca diferença de eletronegatividade e são consideradas ligeiramente polares. As forças que mantêm unidas as moléculas apolares são forças de Van der Waals, são muito fracas e curta. Os pontos de fusão e de ebulição aumentam, conforme aumenta o número de carbonos na cadeia, porque é necessário vencer as forças intermoleculares no líquido ou no sólido, que aumentam quanto maiores forem as moléculas. Os quatro primeiros carbonos são gases (C1-C4), C5-C17 são líquidos e os que contêm 18 ou mais átomos de carbono são sólidos. Os alcanos s„o sol‡veis em solventes apolares como: benzeno, ˆter, dicloro-metano e insolúveis em solventes polares. O petróleo e o gás natural são as principais fontes naturais dos alcanos, seguido do carvão. Do petróleo separam-se por destilação diversas frações, as quais são muito aplicadas industrialmente. FRAÇÃO TEMPERATURA DE DESTILAÇÃO Nº ÁTOMOS DE C Gás Abaixo de 20ºC C1-C4 Éter de Petróleo 20-60ºC C5-C6 Nafta Leve 60-100ºC C6-C7 Gasolina Natural 40-205ºC C5-C10 e cicloalcanos 37 Petróleo de Iluminação 175-325ºC C12-C18 e aromáticos Óleo de Lubrificação Líquidos não voláteis Provavelmente cadeias longas, ligadas a estruturas cíclicas Asfalto Sólidos não voláteis Estruturas Policíclicas PREPARA€O 1) Hidrogenação dos alcenos Alceno Alcano 2) Redução dos haletos de alquilo a) Hidrólise dos reagentes de Grignard b) Redução por meio metal e ácido C C H H H H H2 Pt, Pd ou Ni C H H H C H H H RX + Mg RMgX RH Reagente de Grignard H2O Br MgBr H Mg H2O Brometo de s-butilo Brometo de n-butano s-butilmagnésio RX + Zn + H RH + Zn + X + 2+ - Br H Zn,H Brometo de s-butilo n-butano + 38 PRINCIPAIS REA€ES 1)Halogena€o Mecanismo Estabilidade dos radicais: terciário mais estável que o secundário que é mais estável que o primário que é mais estável que o radical metil. 3ª>2ª>1ª>CH3. 2) Combustão Reação dos alcanos com oxigênio, formando CO2, H2O e calor é a principal reação que se passa no motor de combustão interna. Apresenta mecanismos extremamente CH3CHCH3 CH3 + Br2 CH3CCH3 CH3 Br + CH3CCH2Br CH3 H 99% traços 1) X 2X.2 calor ou luz 2) X. + RH HX + R. 3) R. + X RX + X.2 Br Br Br Br 1calor estado de transição 2 Br. 1) 2) 2Br. + CH3CH CH3 CH3 CH3C CH3 CH3 H Br 2 α+ α− CH3C CH3 CH3 . + HBr 3) .CH3C CH3 CH3 + Br2 α+ α− BrBrCH3C CH3 CH3 3 CH3C CH3 CH3 Br + Br. brometo t-butila 39 complicados, que ainda não se tem conhecimento, é uma reação muito exotérmica, inicia-se à altas temperaturas. Nos automóveis, ocorre explosão regular da mistura combustível-ar no cilindro, é substituídapela detonação que reduz a potência do motor. O problema da detonação resolveu dois processos: seleção apropriada dos hidrocarbonetos utilizados nos combustíveis e adição de tetraetilchumbo. Em 1922, no laboratório de investigação da General Motors descobriu que a adição de uma pequena quantidade de tetraetilchumbo (C2H5)4Pb, aumenta o número de octanos do combustível, apresentando a gasolina com alto teor de chumbo. Antigamente havia problemas com a octanagem da gasolina, por isso a utilização de isoctano ativada com compostos de chumbo nos combustíveis, hoje em dia já se consegue obter do próprio petróleo uma fração de gasolina com melhor qualidade, pode-se utilizar alcanos de cadeia ramificada, alcenos e hidrocarbonetos aromáticos. Na América do Norte, usavam-se como aditivos da gasolina os compostos tetrametil de chumbo Pb(CH3)4e tetraetil de chumbo Pb(C2H5)4. Quando estes compostos são usados forma-se um depósito de chumbo que devem ser removidos para não causar danos ao motor, por isso, eram adicionadas pequenas quantidades de dibromo de etileno e dicloreto de etileno, com isto o chumbo metálico era removido sendo transportado para a atmosfera pelo tubo de escape no estado gasoso como: PbBrCl, PbBr2 e PbCl2 com a luz solar transforma-se PbO na forma de aerossol, que entram na cadeia alimentar e são depositadas nas ruas. Desta forma os compostos PbR4 (chumbo tetraalquila) são voláteis, evaporam-se da gasolina e não são solúveis em água, mas são absorvidos através da pele. No fígado humano PbR4 converte em íon PbR3+ que são muito tóxicos chegando atravessar a barreira sangue-cerébro. Com a proibição de chumbo na gasolina na América do Norte e na Europa a ingestão de chumbo diminuiu, em alguns países, ainda permanece o uso de chumbo como aditivo na gasolina, como conseqüência o ar é a principal fonte de contaminação. No México muitas crianças estão com alto índice de Pb no seu organismo oriunda das emissões veiculares e outra parte indiretamente através dos alimentos e da água. No 40 Brasil, também foi proibida a utilização destes compostos tetraalquila como aditivos na gasolina, sendo substituído por álcool. O chumbo não é tão perigoso quanto o mercúrio, porém, a população está mais exposta ao chumbo do que o mercúrio. Ambos os metais são mais tóxicos na forma de seus compostos orgânicos do que como cátions inorgânicos simples. Os sinais de envenenamento por chumbo são mais evidentes do que o mercúrio, ou de qualquer outra substância. 3) Pirólise Pirólise significa decomposição de um composto pela ação do calor. Quando nos referimos a pirólise dos alcanos é particularmente conhecido como craque ou craqueamento. Existem vários tipos de craque ou craqueamento que são: térmico, a vapor, hidrocraque e craqueamento catalítico. a) craqueamento térmico: os alcanos passam por uma câmara altamente aquecida. Alcanos com alto peso molecular transforma-se em mais baixo peso molecular. Neste processo obtém predominantemente etileno (C2H4) b) craqueamento a vapor: dilui-se o alcano com vapor de água a uma temperatura 700- 900ºC durante uma fração de segundo. Muito utilizado industrialmente para obtenção: etileno, propeno, butadieno, isopreno c) hidrocraque: realizado na presença de um catalisador e hidrogênio à uma alta pressão em temperaturas mais baixas (250-450º) 41 d) craqueamento catalítico: as frações de destilação do petróleo de alto ponto de ebulição são colocadas em contato com catalisador sílica-alumina, em uma temperatura 450- 550ºC. 4) Nitra€o Os alcanos podem ser nitrados utilizando-se ácido nítrico concentrado em condições enérgicas (aprox. 400o C), produzindo nitro-compostos: 5) Sulfonação Os alcanos podem ser sulfonados utilizando-se ácido sulfúrico concentrado a alta temperatura, produzindo ácidos sulfônicos: Estudo de Caso: METANO Metano (CH4) é um hidrocarboneto simples, é um dos produtos finais da decomposição anaeróbia das plantas e é considerado um gás muito importante para a engenharia ambiental. É encontrado como constituinte principal do gás natural, nas minas de carvão e nos pântanos recebendo o nome de gás dos pântanos, o qual é observado o borbulhar em águas estagnadas. As principais fontes de metano são: • emanação através de vulcões de lama e falhas geológicas; • decomposição de resíduos orgânicos; 42 • extração de combustível mineral: 20% (metano é extraído de depósitos geológicos como combustível mineral juntamente com outros combustíveis; • o processo de digestão em animais herbívoros 17%; • bactérias encontradas em plantações de arroz 12%; • aquecimento ou combustão de biomassa anaeróbica. A emissão de metano no mundo é produto da ação humana, vindo principalmente da agricultura. Durante os últimos 200 anos, a concentração deste gás na atmosfera aumentou de 0,8 para 1,7ppm. O gás do pântano e natural são misturas de ar contendo 5 a 15% de metano, é altamente explosivo. O gás natural é um produto incolor e inodoro, não é tóxico e é mais leve que o ar. Além disso, o gás natural é uma energia carente de enxofre e a sua combustão é completa, liberando como produto da mesma CO2 e vapor de água, sendo considerado uma energia ecológica e não poluente. Uma vez extraído do subsolo, o gás natural deve ser transportado até as zonas de consumo, que podem estar perto ou bastante distante. O transporte, desde as jazidas até estas zonas, é realizado através de tubulações de grande diâmetro, denominadas gasodutos. Quando o transporte é feito por mar e não é possível construir gasodutos submarinos, o gás é carregado em navios metaneiros. Nestes casos o gás é liquefeito a 160º abaixo de zero reduzindo seu volume 600 vezes para poder ser transportado. No porto receptor, o gás é descarregado em plantas ou terminais de armazenamento e regasificada. Sendo assim o gás permanece armazenado em grandes depósitos na pressão atmosférica e é injetado depois na rede de gasodutos para ser transportado aos pontos de consumo. Sua concentração na estratosfera afeta o balanço do aquecimento na Terra, e assim a temperatura conseqüentemente aumentando o problema do efeito estufa. 4 REA€ES DO METANO a) Combustão Na combustão do metano, diversas etapas são envolvidas. Metano forma um radical metila (CH3), que reage com o formaldeído (HCHO ou H2CO). O Formaldeído reage para formar o radical (HCO), que então forma o monóxido de carbono (CO). O processo é chamado pirólise: CH4 + O2 → CO + H2 + H2O Seguindo a pirólise oxidativa, o H2 oxida, formando H2O, reabastecendo a espécie ativa, e liberando calor. Isto acontece muito rapidamente, geralmente em menos de um milissegundo. H2 + ½ O2 → H2O Finalmente, o CO oxida-se, formando CO2 e liberando mais calor. Este processo é geralmente mais lento que o outro processo químico e precisa de alguns poucos milisegundos para acontecer. CO + ½ O2 → CO2 b)Ativa€o do hidrog‚nio A força da ligação covalente do carbono-hidrogênio no metano está entre as mais fortes de todos os hidrocarbonetos, e por isso, seu uso como feedstock químico é limitado. A procura por catalizadores que possam facilitar a ativação da ligação C-H no metano e outros alcanos leves é uma área de pesquisa com importância industrial considerável. Para pensar! O gás metano aprisionado em hydrates Uma nova fronteira energética para a Humanidade? Hidratos de gás Os hydrates (hidratos de gás) constituem uma forma pouco comum de ocorrênciado gás metano, também conhecido como gás natural, onde este aparece aprisionado em células de gelo conhecidas como clatratos, cujo aspecto lembra neve úmida. De forma 44 surpreendente, os hidratos de gás ocorrem em abundância nas regiões frias da terra e nas águas profundas do oceanos, onde constituem uma importante fonte potencial de energia limpa para o futuro. A origem dos gases contidos nos hidratos de gás é atribuída à atividade bacteriana desenvolvida sobre matéria orgânica do fundo oceânico, em situações ambientais de alta pressão e de baixa temperatura (não superior a 5 graus centígrados), comumente encontradas em grandes extensões das margens continentais do planeta. Sua presença também é registrada em solos congelados das regiões polares, onde sua geração acontece na superfície da Terra. A prospecção dos hidratos de gás é relativamente simples, sendo o método da sísmica de reflexão o mais indicado, desde que, as ocorrências do ambiente marinho aparecem geralmente em profundidades superiores a 500 metros, quase sempre nos primeiros 100 m do pacote sedimentar que encerra as camadas ou zonas portadoras dos hidratos de gás. O registro sísmico obtido nessas áreas é bastante característico, apresentando uma parte superior transparente as ondas sonoras - alta velocidade de propagação - que são refletidas na base da zona portadora dos hidratos de gás. Esta superfície de reflexão, que evidencia uma queda brusca na velocidade de propagação das ondas sonoras, é conhecida pelos especialistas como BSR (Botton Simulating Reflector). Abaixo do BSR, a velocidade de propagação das ondas sonoras cai, evidenciando um meio de propagação menos consistente. Infelizmente, o aproveitamento dos hidratos de gás como fonte de energia (gás metano) ainda não é possivel, pois não se descobriu até o momento, um processo tecnológico que permita a extração do gás contido em sua estrutura de forma econômica c) Halogena€o Halogenação é uma reação química onde um átomo de hidrogênio é substituído por um átomo de halogênio. Uma descrição mais específica pode ser feita de acordo com o halogênio substituído: fluoração, cloração, bromação e iodação. 45 Numa reação que siga as regras de Markovnikov, um halogênio como o bromo reage com um alceno, quebrando a dupla ligação presente e formando um alcano halogenado. Um exemplo de halogenação pode ser encontrada na síntese orgânica do anestésico halotano a partir do tricloroetileno, que envolve uma bromação em alta temperatura no segundo passo do processo: EFEITO ESTUFA O efeito estufa dentro de uma determinada faixa é de vital importância pois, sem ele, a vida como a conhecemos não poderia existir. O que se pode tornar catastrófico é a ocorrência de um agravamento do efeito estufa que desestabilize o equilíbrio energético no planeta e origine um fenômeno conhecido como aquecimento global. O IPPC (Painel Intergovernamental para as Mudanças Climáticas, estabelecido pelas Nações Unidas e pela Organização Meteorológica Mundial em 1988) no seu relatório mais recente diz que a maioria do aquecimento observado durante os últimos 50 anos se deve muito provavelmente a um aumento dos gases do efeito de estufa., que são (dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), gás nitroso (NO2), CFC´s (CFxClx)) absorvem alguma da radiação infravermelha emitida pela superfície da Terra e radiam por sua vez alguma da energia absorvida de volta para a superfície. Como resultado, a superfície recebe quase o dobro de energia da atmosfera do que a que recebe do Sol e a superfície fica cerca de 30ºC mais quente do que estaria sem a presença dos gases «de estufa». É importante destacar que o efeito estufa, muitas vezes referido pela imprensa como o grande vilão da história, é na verdade benéfico para a vida na Terra, pois é ele que mantém as condições ideais para a manutenção da vida, com temperaturas mais amenas e adequadas. Porém, o excesso dos gases responsáveis pelo Efeito Estufa, ao qual desencadeia um fenômeno conhecido como Aquecimento Global, que é o grande vilão. 46 Variação da temperatura global (em vermelho) e de concentração de dióxido de carbono(em azul) presente no ar nos últimos 1000 anos. Determinação da temperatura global à superfície A determinação da temperatura global à superfície é feita a partir de dados recolhidos em terra, sobretudo em estações de medição de temperatura em cidades, e nos oceanos, recolhidos por navios. É feita uma seleção das estações a considerar, que são as que se consideram mais confiáveis, e é feita uma correção no caso de estas se encontrarem perto de urbanizações. As tendências de todas as seções são então combinadas para se chegar a uma temperatura global O globo é dividido em seções de 5º latitude/5º longitude e é calculada uma média pesada da temperatura mensal média das estações escolhidas em cada seção. As seções para as quais não existem dados são deixadas em branco, sem as estimar a partir das seções vizinhas, e não entram nos cálculos. A média obtida é então comparada com a referência para o período de 1961-1990, obtendo-se o valor da anomalia para cada mês. A partir desses valores é então calculada uma média pesada correspondente à anomalia anual média global para cada Hemisfério e, a partir destas, a anomalia global. Desde Janeiro de 1979, os satélites da NOAA passaram a medir a temperatura da troposfera inferior (de 1000m a 8000m de altitude) através da monitorização das emissões de microondas por parte das moléculas de oxigénio na atmosfera. O seu comprimento de onda está diretamente relacionado com a temperatura (estima-se uma precisão de medida da 47 ordem dos 0.01°C). Estas medições indicam um aquecimento de menos de 0.1°C, desde 1979, em vez dos 0.4°C obtidos a partir dos dados à superfície. É de notar que os dois conjuntos de dados não divergem na América do Norte, Europa Ocidental e Austrália, onde se pensa que os dados das estações são registrados e mantidos de um modo mais viável. É apenas fora destas grandes áreas que os dados divergem: onde os dados de satélite mostram uma tendência de evolução quase neutra, os dados das estações à superfície mostram um aquecimento significativo (Dentro da mesma região tropical, enquanto os dados das estações na Malásia e Indonésia mostram um aquecimento, as de Darwin e da ilha de Willis, não.) Existe controvérsia relativamente à explicação desta divergência. Enquanto alguns pensam que existem erros graves nos dados recolhidos à superfície, e no critério de selecção das estações a considerar, outros põem a hipótese de existir um processo atmosférico desconhecido que explique uma divergência em certas partes do globo entre as duas temperaturas. • Curiosidades • 2 a 4,5 °C. De acordo com estimativas feitas pelo painel intergovernamental de mudança climática, essa é a faixa de elevação que deve sofrer a temperatura média global até o final deste século. (A previsão foi revista em Setembro de 2006. Anteriormente, a gama prevista era de 1,4 a 5,8 °C.) • 2.000 quilômetros quadrados. Todo ano, áreas desse tamanho se transformam em deserto devido à falta de chuvas. • 40% das árvores da Amazônia podem desaparecer antes do final do século, caso a temperatura suba de 2 a 3 graus. • 2.000 metros. Foi o comprimento que a geleira Gangotri (que tem agora 25 km), no Himalaia, perdeu em 150 anos. E o ritmo está acelerando. • 750 bilhões de toneladas. É o total de CO2 na atmosfera hoje.48 • 2050. Cientistas calculam que, quando chegarmos a esse ano, milhões de pessoas que vivem em deltas de rios serão removidas, caso seja mantido o ritmo atual de aquecimento. • a calota polar irá desaparecer por completo dentro de 100 anos, de acordo com estudos publicados pela National Sachetimes de Nova Iorque em julho de 2005, isso irá provocar o fim das correntes marítimas no oceano atlântico, o que fará que o clima fique mais frio, é a grande contradição de aquecendo esfria. • o clima ficará mais frio apenas no hemisfério norte, quanto ao resto do mundo a temperatura média subirá e os padrões de secas e chuvas serão alterados em todo o planeta. • o aquecimento da terra e também outros danos ao ambiente está fazendo com que a seleção natural vá num ritmo 50 vezes mais rápido do que o registrado a 100 anos. • de 9 a 58% das espécies em terra e no mar vão ser extintas nas próximas décadas, segundo diferentes hipóteses. Causas possíveis a) Aumento nas emissões de gases do efeito estufa, como CO2. O Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) defendeu que o aquecimento global é causado pela emissão de gases poluentes tipo CO2 (gás carbónico). No entanto, investigação recente parece indicar que, embora pareça estar a ocorrer um aquecimento global, a estratosfera (uma secção da atmosfera) está a arrefecer em resposta ao aumento dos gases de estufa (como o CO2)[. b) Aumento de actividade solar durante o último século. Estudos recentes parecem indicar que a variação em irradiação solar poderá ter contribuído em cerca de 45–50% para o aquecimento global ocorrido entre 1900 e 2000[ Por sua vez, uma equipa do Centro Espacial Nacional Dinamarquês encontrou evidência experimental de que a radiação cósmica proveniente da explosão de estrelas pode promover 49 a formação de nuvens na baixa atmosfera]. Como, durante o século XX, o campo magnético do Sol, que protege a Terra da radiação cósmica, mais do que duplicou em intensidade, o fluxo de radiação cósmica foi menor. Isso poderá ter reduzido o número de nuvens de baixa altitude na Terra, que promovem um arrefecimento da atmosfera. Os electrões libertados no ar pela passagem da radiação cósmica, composta por partículas atómicas que vêm da explosão das estrelas, ajudam à formação dos núcleos de condensação sobre os quais o vapor de água condensa para fazer nuvens. Este pode ser um factor muito importante, e até agora descurado, na explicação do aquecimento global durante o último século. Foi durante o período quente da Idade Média, quando o Sol estava tão activo como hoje, que os Viking começaram a colonizar a Groenlândia. Nessa altura, a Grã-Bretanha era um país produtor de vinho. No século XVII, quando se deu a Pequena Idade do Gelo, a actividade magnética solar diminuiu muito e as manchas solares quase desapareceram completamente, durante cerca de 150 anos. E, nessa altura, os Vikings abandonaram a Gronelândia, cuja vegetação passou de verdejante a tundra. A Finlândia perdeu um terço da sua população e a Islândia metade. O porto de Nova Iorque gelou e podia-se ir a pé da ilha de Manhattan à de Staten Island. No início do século XIX, houve uma diminuição menor da actividade magnética solar que foi acompanhada também de um arrefecimento que durou só 30 anos. O carbono-14 radioactivo e outros átomos raros produzidos na atmosfera pelas partículas cósmicas fornecem um registo de como as suas intensidades variaram no passado e explicam a alternância entre períodos frios e quentes durante os últimos 12000 anos. Sempre que o Sol era fraco e a radiação cósmica forte, seguiram-se condições frias, como a mais recente, na pequena idade do gelo de há 300 anos. Considerando escalas de tempo mais longas, encontram-se variações de maior amplitude: Durante os últimos 500 milhões de anos, a Terra passou por quatro episódios extremamente quentes, sem gelo e com níveis elevados dos oceanos, e quatro episódios extremamente frios, como o que vivemos actualmente, com camadas de gelo, glaciares e níveis de água relativamente baixos nos oceanos. Pensa-se que esta variação de mais longo termo se deve a variações no influxo de radiação recebida devidas à viagem do nosso sistema solar através da galáxia, correspondendo os episódios mais frios a encontros com os braços espirais mais brilhantes, onde a radiação é mais intensa. Os episódios frios mais frequentes, cada 34 milhões de 50 anos, mais ou menos, ocorrem provavelmente quando o sistema solar passa através do plano médio da galáxia. Os episódios extremamente frios de há 700 e 2300 milhões de anos, em que até no equador havia gelo, correspondem a períodos em que havia uma taxa de nascimentos de estrelas na nossa galáxia anormalmente alta, implicando um grande número de explosões de estrelas e uma radiação cósmica muito intensa]. A reportagem entitulada “O começo do fim”, da revista Super Interessante, da Editora Abril, apresentou algumas causas do aquecimento global. Entre elas: c) O vapor de água é estimulado pelo calor e aumenta ainda mais o mesmo, contribui com o efeito estufa. d) O reflexo no gelo pode acabar, pois com o calor, e sua conseqüente evaporação, o espaço por ele ocupado deixaria de refletir 80% do calor e apenas 10%. O tanto que a água reflete. e) A absorção de gás carbônico diminuiria, já que os principais responsáveis pelo processo, os oceanos, não atingem seu limite de absorção mais facilmente, quando o calor é maior. f) Existem muitos gases presos em antigas geleiras, que ao derreterem, ficam sujeitas às bactérias e acabam se transformando em gás metano, um forte contribuinte para com o efeito estufa. Além disso, o calor estimula a emissão de gás carbônico. g) O uso descontrolado de aerossóis pode aumentar o calor global, já que os mesmos, geralmente, criam nuvens refletoras da luz solar. • Conseqüências Devido aos efeitos potenciais sobre a saúde humana, economia e meio ambiente o aquecimento global tem sido fonte de grande preocupação. Importantes mudanças ambientais têm sido observadas e foram ligadas ao aquecimento global. Os exemplos de evidências secundárias citadas abaixo (diminuição da cobertura de gelo, aumento do nível do mar, mudanças dos padrões climáticos) são exemplos das conseqüências do aquecimento global que podem influenciar não somente as atividades humanas mas também os ecossistemas. Aumento da temperatura global permite que um ecossistema mude; algumas espécies podem ser forçadas a sair dos seus habitats (possibilidade de 51 extinção) devido a mudanças nas condições enquanto outras podem espalhar-se, invadindo outros ecossistemas. Nível dos Oceanos Entretanto, o aquecimento global também pode ter efeitos positivos, uma vez que aumentos de temperaturas e aumento de concentrações de CO2 podem aprimorar a produtividade do ecossistema. Observações de satélites mostram que a produtividade do hemisfério Norte aumentou desde 1982. Por outro lado é fato de que o total da quantidade de biomassa produzida não é necessariamente muito boa, uma vez que a biodiversidade pode no silêncio diminuir ainda mais um pequeno número de espécies que esteja florescendo. Uma outra causa de grande preocupação é o aumento do nível do mar. O nível dos mares está aumentando em 0.01 a 0.025 metros por década o que pode fazer com que no futuro algumas ilhas de países insulares no Oceano Pacífico fiquem debaixo de água. O aquecimento global provoca subida dos mares principalmente por causa da expansão térmica da água dos oceanos. O segundo fator mais importante é o derretimento de calotaspolares e camadas de gelo sobre as montanhas, que são muito mais afetados pelas mudanças climáticas do que as camadas de gelo da Gronelândia e Antártica, que não se espera que contribuam significativamente para o aumento do nível do mar nas próximas décadas, por estarem em climas frios, com baixas taxas de precipitação e derretimento. Alguns cientistas estão preocupados que no futuro, a camada de gelo polar e os glaciares derretam significativamente. Se isso acontecesse, poderia haver um aumento do nível das águas, em muitos metros. No entanto, os cientistas não esperam um maior derretimento nos próximos 100 anos e prevê-se um aumento do nível das águas entre 14 e 43 cm até o fim 52 deste século.(Fontes: IPCC para os dados e as publicações da grande imprensa para as percepções gerais de que as mudanças climáticas). Foi preciso ter em conta muitos fatores para se chegar a uma estimativa do aumento do nível do mar no passado. Mas diferentes investigadores, usando métodos diferentes, acabaram por confirmar o mesmo resultado. O cálculo que levou à conclusão não foi simples de fazer. Na Escandinávia, por exemplo, as medidas realizadas parecem indicar que o nível das águas do mar está a descer cerca de 4 milímetros por ano. Mas pensa-se que isso se deve ao fato da Escandinávia estar ainda a subir, depois de ter sido pressionada por glaciares de grande massa durante a última era glacial. Em Bangkok, por causa do grande incremento na extração de água para uso doméstico, o solo está a afundar-se e os dados parecem indicar que o nível das águas do mar subiu cerca de 1 metro nos últimos 30 anos. O aquecimento da superfície favorecerá um aumento da evaporação nos oceanos o que fará com que haja na atmosfera mais vapor de água (o gás de estufa mais importante, sobretudo porque existe em grande quantidade na nossa atmosfera). Isso poderá fazer com que aumente cada vez mais o efeito de estufa e com que o aquecimento da superfície seja reforçado. Podemos, nesse caso, esperar um aquecimento médio de 4 a 6ºC na superfície. Mas mais umidade (vapor de água) no ar pode também significar uma presença de mais nuvens na atmosfera o que se pensa que, em média, poderá causar um efeito de arrefecimento. As nuvens têm de fato um papel importante no equilíbrio energético porque controlam a energia que entra e que sai do sistema. Podem arrefecer a Terra, ao refletirem a luz solar para o espaço, e podem aquecê-la por absorção da radiação infravermelha radiada pela superfície, de um modo análogo ao dos gases associados ao «efeito de estufa». O efeito dominante depende de muitos fatores, nomeadamente da altitude e do tamanho das nuvens e das suas gotículas. Por outro lado, o aumento da evaporação poderá provocar pesados aguaceiros e mais erosão. Muitas pessoas pensam que isto poderá causar resultados mais extremos no clima, com um progressivo aquecimento global. 53 O aquecimento global também pode apresentar efeitos menos óbvios. A Corrente do Atlântico Norte, por exemplo, é provocada por diferenças de temperatura entre os mares. E aparentemente ela está diminuindo à medida que a temperatura média global aumenta. Isso significa que áreas como a Escandinávia e a Inglaterra que são aquecidas pela corrente poderão apresentar climas mais frios a respeito do aumento do aquecimento global. Em 1994 entrou em vigor a Convenção de Mudanças Climáticas, o qual 154 países se comprometeram a reduzir as emissões de CO2 até o ano de 2000, porém 2500 cientistas alertam que seriam necessários anos para sua concentração começar a cair. Um estudo interessante realizado no Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo estimam que cerca de 40% de CO2 lançado pelo homem na atmosfera se dissolvem na água do mar. O estudo ainda está em andamento são necessários vários outros dados do oceano para validar a pesquisa da cientista Rosane Gonçalves. Um dado interessante é que especialistas notaram que a quantidade desses gases encontrada anualmente vem sendo menor do que o esperado, acredita-se que realmente parte desses gases vem sendo absorvido pelos oceanos e pela biosfera terrestre. Desde 1997 Rosane participa de expedições para a Antártida, em alto mar e na costa brasileira, medindo a pressão parcial de CO2 e o pH da água do mar. Em seus estudos verificou que a emissão de CO2 foi maior na Antártida devido à baixa temperatura da água. Poderia pensar em fazer com que o oceano fosse depósito de CO2 para tentar solucionar o problema do efeito estufa, porém é necessário levantar um outro problema que pode gerar um impacto ambiental, ou seja o excesso de CO2 é devolvido à atmosfera ou levado ao fundo do oceano e excesso de CO2 em água diminui o pH da água tornando-a cada vez mais ácida, alterando as reações químicas marinhas e o habitat dos peixes. Os céticos e o Protocolo de Kyoto O Protocolo de Kyoto somente faz sentido para aqueles que acreditam que as emissões de gases estufa, principalmente aqueles provenientes da queima de combustíveis fósseis, são os principais responsáveis pelo aquecimento global. Como conseqüência do Protocolo, os países desenvolvidos teriam que diminuir drasticamente suas emissões, inviabilizando, a médio prazo, o seu crescimento econômico continuado que, acreditam os céticos, é a única forma de se atingir a abundância de bens e serviços de que tanto necessita a humanidade. 54 Assim, o maior emissor de gases estufa do planeta, os Estados Unidos, não ratificaram e, provavelmente não o ratificarão num prazo previsível. Tal atitude é considerada prudente por parte dos céticos. De fato, todas as nações européias e o Japão ratificaram o Protocolo, e algumas delas, embora tenham concordado em diminuir suas emissões em 2010 em 8% abaixo dos níveis de 1990, já admitem que não conseguirão atingir esta meta e somente poderão conseguir reduzir as emissões em 1% em 2010. A União Européia esperava atingir as metas compromissadas, aproveitando as possibilidades da Inglaterra, França e Alemanha de reduzir suas emissões aos níveis de 1990, utilizando a política de abandonar o uso do carvão, aumentar o uso da energia nuclear e fechar as portas das indústrias poluidoras do leste alemão. Considerando estas vantagens, as outras nações não precisariam ser tão severas na redução das suas emissões sob a política original do Protocolo de Kyoto. Como conseqüência, estes países aumentaram maciçamente suas emissões, apagando assim os ganhos dos países grandes. Pelo menos 12 dos 15 países europeus estão preocupados em poder cumprir as suas metas; nove deles romperam-nas, com emissões aumentando entre 20% e 77%! A realidade, então, crêem os céticos, é que o Protocolo de Kyoto tornar-se-á "letra morta" e que a Comunidade Européia, sua grande defensora, está destinada a revelar isto ao mundo. O desenvolvimento deste tema pode melhor ser apreciado no artigo de Iain Murray, publicado pelo Tech Central Station, em 5 de maio de 2005 Seqüestro de carbono O "carbon sequestration" é uma política oficial dos EUA e da Austrália (que também não ratificou o Protocolo) que trata de estocar o excesso de carbono, por prazo longo e indeterminado, na biosfera, no subsolo e nos oceanos. Os projetos do DOE's Office of Science dos EUA são: 1) Seqüestrar o carbono em repositórios subterrâneos; 2) Melhorar o ciclo terrestre natural através da remoção do CO2 da atmosfera pela vegetação e estoque da biomassa criada no solo; 55 3) O seqüestro do carbono nos oceanos através do aumento da dissolução do CO2 nas águas oceânicas pela fertilizaçãodo fitoplâncton com nutrientes e pela injeção de CO2 nas profundezas dos oceanos, a mais de 1000 metros de profundidade e 4) O seqüenciamento de genoma de micro-organismos para o gerenciamento do ciclo do carbono. 5) Enviar através de foguetes(naves) milhares de mini-satélites(espelhos) para refletir parte do sol, em média 200.000 mini-satélites, reduziriam 1% do aquecimento. O plano de seqüestro de carbono estadunidense já está em andamento e demonstra a preocupação dos céticos em ajudar a remover uma das causas (embora a considerem insignificante) do aquecimento global. A Austrália possui um plano semelhante ao dos EUA. Para maiores detalhes sobre os programas de seqüestro de carbono estadunidense e australiano ver as publicações "Carbon Sequestration - Technology Roadmap and Program Plan" de março de 2003, do U.S. DOE Office of Fossil Energy - National Technology Laboratory e o "Carbon Dioxide - Capture and Storage" do Research Developments & Demonstration in Australia, 2004. Agropecuária e o Aquecimento Global No Brasil, um dos setores que mais contribui para a geração de gases do efeito estufa (GEE) é a agropecuária. No setor de agricultura e agropecuária, a pecuária é o sub- setor com maior emissão de GEEs devido ao processo digestivo do gado bovino. O gás metano, que é produzido pela fermentação entérica nos ruminantes, tem um potencial de aquecimento global 21~23 vezes maior que o dióxido de carbono, contribuindo significativamente para as emissões de GEE no Brasil. Assim, mesmo ainda não se falando em vegetarianismo, uma redução no consumo mundial de carne bovina é uma das medidas possíveis para conter o efeito estufa, bem como para a redução no uso dos recursos hídricos, uma vez que de acordo com relatório da FAO, para produzir um quilo de carne para consumo há necessidade de cerca de 15 mil litros de água. 56 As seis pragas do Aquecimento Global 1. O Ártico e a Groelândia estão derretendo A cobertura de gelo da região no verão diminuiu ao ritmo constante de 8% ao ano há três décadas. Em 2005, a camada de gelo foi 20% menor em relação à de 1979, uma redução de 1,3 milhão de quilômetros quadrados, o equivalente à soma dos territórios da França, da Alemanha e do Reino Unido. No entanto, no Hemisfério Sul, durante os últimos 35 anos, o derretimento apenas aconteceu em cerca de 2% da Antártida; nos restantes 98%, houve um esfriamento e a IPPC estima que a massa da neve deverá aumentar durante este século. É de notar igualmente que no período quente da Idade Média também não havia gelo no Ártico e havia quintas dos Viking na Groenlândia. 2. Os furacões estão cada vez mais fortes Devido ao aquecimento das águas, a ocorrência de furacões das categorias 4 e 5 (os mais intensos da escala), dobrou nos últimos 35 anos. 3. O Brasil na rota dos ciclones O litoral sul do Brasil foi varrido por um forte ciclone em 2004. 4. O nível do mar subiu A elevação desde o início do século passado está entre 10 e 25 centímetros. Em certas áreas litorâneas, como algumas ilhas do Pacífico, isso significou um avanço de 100 metros na maré alta. Actualmente (Setembro de 2006), o painel intergovernamental de mudança climática estima que o nível das águas poderá subir entre 14 e 43 cm até o fim deste século. Estudos recentes parecem indicar que, contrariamente ao que antes se pensava, o aumento das taxas de CO2 na atmosfera não está provocando nenhuma aceleração na taxa de subida do nível do mar. 5. Os desertos avançam O total de áreas atingidas por secas dobrou em trinta anos. Um quarto da superfície do planeta é agora de deserto. Só na China, as áreas desérticas avançam 10.000 quilômetros quadrados por ano, o equivalente ao território do Líbano. 6. Já se contam os mortos 57 A Organização das Nações Unidas estima que 150.000 pessoas morrem anualmente por causa de secas, inundações e outros fatores relacionados diretamente ao aquecimento global. Estima-se que em 2030, o número dobrará. 14. ALCENOS Os alcenos são hidrocarbonetos cujas moléculas contém dupla ligação carbono- carbono, são também chamados de insaturados, apresentam ligações do tipo δ (sigma) e π (pi). Sua hibridização é sp2 e está na forma trigonal plana formando ângulo 120º. Os alcenos apresentam fórmula geral CnH2n. eles são portanto isômeros de série dos cicloalcanos. NOMENCLATURA 1. Identifique a cadeia mais longa e contínua que contém a dupla ligação mudando o final do alcano (ANO) para (ENO). 2. Numere a cadeia a partir da extremidade da cadeia mais próxima da dupla ligação. Indica-se a localização da dupla ligação usando-se o nº do primeiro átomo que apresenta a dupla ligação. C C sp2-sp2 p-p sp2-s sp2-ssp 2-s sp2-s CC . CH3CH CH2 C3H6 (Propeno) (Ciclopropano) C3H6 1-buteno 2-hexeno 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 58 3. Indica-se a localização dos grupos substituídos peo número do átomo do carbono ao qual estão ligados. 4. Numeram-se os cicloalcanos substituídos de modo a atribuir aos átomos de carbono da dupla ligação às posições 1 e 2 e atribui também aos grupos substituídos os menores números. Não há necessidade especificar a posição da dupla ligação. PROPRIEDADES FISICAS E OBTEN€O INDUSTRIAL Os alcenos apresentam as mesmas propriedades físicas que os alcanos. São insolúveis em solventes polares e muito solúveis em solventes apolares. São menos densos que a água. À medida que aumenta o número de carbono na cadeia principal, aumenta o ponto de fusão e ebulição, se colocar ramificação abaixa o ponto de fusão e ebulição, pois assemelha a forma esférica, diminuindo consequentemente à energia. Através da reação de craqueamento dos alcanos pode-se obter os alcenos como: etileno, propileno e os butilenos. Os alcenos são altamente reativos ao contrário dos alcanos, devido a sua dupla ligação. ISOMERIA GEOM‚TRICA Os butenos-2 vistos nas figuras abaixo são considerados isômeros, pois apresentam a mesma fórmula molecular, porém, diferem na fórmula estrutural e na sua forma espacial 2,5-dimetil-2-hexeno 5,5-dimetil-2-hexeno 1 2 3 4 5 61 2 3 4 2-metil-2-buteno 4 3 2 51 6 1 2 34 5 1-metil-ciclopenteno 3,5-dimetil-ciclohexeno (e não 2-metil-ciclopenteno) 1 2 3 4 5 6 59 são denominados estereoisómeros. Se colocarmos um espelho veremos que eles não são imagem especular um do outro, ou seja, dizemos que estes isômeros não são enanciômeros, são denominados diastereoisómeros. Os diastereoisómeros são considerados isómeros geométricos e podem ser cis quando as moléculas estão no mesmo lado do plano e trans quando as moléculas estão em lados opostos do plano. A dupla ligação carbono-carbono apresenta rotação impedida e só serão considerados isômeros quando R1≠R2; R3≠R4, veja o exemplo: Verifique que moléculas que estão no mesmo plano é cis e em plano diferentes trans, e R1≠R2; R3≠R4. Na figura abaixo não é possível verificar isomeria geométrica, isto porque ao traçar um plano de simetria na molécula irá perceber que não satisfaz a condição
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