Aula 3 QUI 220 2017 Alcanos

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ALCANOS
Aula 3
UFOP-ICEB-QUI-220
Química Orgânica para Biologia
Aula dos dias 24 e 25 de maio de 2017
1. Introdução aos Alcanos e Cicloalcanos
(cicloalcanos)
1. Introdução aos Alcanos e Cicloalcanos
São compostos amplamente encontrados na natureza.
Outra fonte de metano: gado (gado pode liberar até 500 
litros do gás por dia, a maior parte disso ao arrotar) 
Alcanos: Fórmula geral
CnH2n+2
Cicloalcanos: 
que contêm um anel simples:
Fórmula geral
CnH2n
Onde n representa o 
número de átomos de 
carbono na cadeia
1. Introdução aos Alcanos e Cicloalcanos
1.a. As Fontes dos Alcanos
→ Gás natural:
→ Petróleo:
- 95% de alcanos com até 4 átomos de 
carbono
- 5% de N2, CO2 e H2S
- mistura complexa de alcanos, 
alquenos e hidrocarbonetos aromáticos
1.b. O Refino do Petróleo
• destilação 
fracionada →
objetivo: separar 
o petróleo em 
frações 
⇓
Volatilidade dos 
componentes
Tabela 1: Frações Típicas Obtidas pela Destilação do Petróleo
Cera de parafina, asfalto, alcatrão C20 e maisSólidos não-voláteis 
Óleo mineral refinado, óleo lubrificante, graxaC20 e maisLíquidos não-voláteis
Gasóleo, óleo combustível e óleo dieselC12 e mais250-400
Querosene e combustível de motor a jatoC12−C18175-325
Gasolina C5−C1040-200
Ligroína, solventesC6−C760-100
Éter de petróleo, solventesC5−C620-60 
Gás natural, gás engarrafado, indústria petroquímicaC1−C4Abaixo de 20 
UtilizaçãoNúmero de átomos de 
Carbono por Molécula
Intervalo de Ebulição 
da Fração (oC)
Separação completa é economicamente impraticável.
Misturas são adequadas para serem usadas como solventes, combustíveis e lubrificantes.
1.b. O Refino do Petróleo
Craqueamento catalítico: 
Alcanos C12 e mais
∆
Alcanos menores, 
mais ramificados
catalisadores
Craqueamento térmico: 
Alcanos C12 e mais ∆
Alcanos menores, 
sem ramificação
~500oC
~500oC
1.c. Craqueamento
Pirólise ⇒ decomposição de um composto por ação do calor
Pirólise dos alcanos (petróleo) = Craqueamento
- A demanda por gasolina é maior do que a fração de 
gasolina do petróleo
- Indústria trata da conversão de outras frações em gasolina
2. Forma dos Alcanos
- Alcanos e cicloalcanos
Hibridização sp3 para todos os átomos 
de C
Alcanos: - de cadeia não-ramificada
- de cadeia ramificada
CH3CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH3
butano pentano
• Alcanos de cadeia não-ramificada:
- alcanos “normais“ ou n-alcanos
2. Forma dos Alcanos
• Alcanos de cadeia ramificada:
H3C CH CH3
CH3
H3C CH CH2
CH3
CH3 H3C C
CH3
CH3
CH3
- Prefixo iso ⇒ alcanos que apresentam (CH3)2CH−−−−
isobutano isopentano neopentano
3. Nomenclatura
IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry)
- desenvolvido em 1892;
- revisado (atualizado)
Antes de 1892 
- vários compostos orgânicos já haviam sido descobertos;
- nomes refletiam a fonte dos compostos;
- “triviais” ou “comuns”
Tabela 2: Nomes de alcanos
a) Dos alcanos de cadeia não-ramificada
- Sulfixo ano;
- 4 primeiros membros derivam-se dos nomes dos álcoois correspondentes;
- a partir do 5o membro derivam-se de prefixos gregos ou latinos
OctanoC8H18ButanoC4H10
HeptanoC7H16PropanoC3H8
HexanoC6H14EtanoC2H6
PentanoC5H12MetanoCH4 5 átomos de C
6 átomos de C
7 átomos de C
8 átomos de C
3. Nomenclatura
b) Dos grupos alquila não-ramificados
Pr-H3C-CH2-CH2-
Grupo propila
Se converte emH3C-CH2-CH2-H
propano
Et-H3C-CH2-
Grupo etila
Se converte emH3C-CH2-H
etano
Me-H3C-
Grupo metila
Se converte emH3C-H
metano
AbreviaturaGrupo AlquilaAlcano
3. Nomenclatura
c) Dos alcanos com cadeia ramificada
1) Localiza-se a cadeia carbônica mais comprida. 
H2C CH CH3
CH2
H2CH2CH3CH2C CH CH3
CH3
H2CH2CH3C
CH3
6 átomos de C 7 átomos de C
3. Nomenclatura
2) Cadeia carbônica mais comprida é numerada de tal forma que às 
ramificações correspondam os menores números. 
Números → indicam a posição do substituinte
2-Metilexano (correto) 3-Metileptano
5-metilexano (incorreto)
c) Dos alcanos com cadeia ramificada
3) 2 ou mais substituintes → é atribuído a cada substituinte um número 
Substituintes são listado em ordem alfabética
4-Etil-2-metilexano
3. Nomenclatura
4) 2 substituintes no mesmo átomo de C → usa-se o mesmo número duas vezes
3-Etil-3-metilexano
c) Dos alcanos com cadeia ramificada
5) substituintes iguais → di-, tri-, tetra-, e assim por diante 
2,2,4,4-Tetrametilpentano
2,3-Dimetilbutano 2,3,4-Trimetilpentano
3. Nomenclatura
c) Dos alcanos com cadeia ramificada
6) 2 possibilidades para cadeia → é escolhida a que tiver maior número de 
substituintes
2,3,5-Trimetil-4-propileptano
3. Nomenclatura
c) Dos alcanos com cadeia ramificada
7)
3. Nomenclatura
Quando uma série de grupo substituinte estiver presente na cadeia 
principal, o sentido da numeração a ser escolhido será o que 
fornecer a menor seqüência de números, independente da natureza 
dos grupos.
d) Dos grupos alquila ramificados
Alcanos com mais de 2 átomos de C → mais de um derivado é possível
3. Nomenclatura
d) Dos grupos alquila ramificados Butano→ 2 derivados
Isobutano→ 2 derivados
Existem quatro 
grupos C4
3. Nomenclatura
d) Dos grupos alquila ramificados
3. Nomenclatura
terc-butil(a)
c
e) Dos grupos alquila ramificados univalentes
3. Nomenclatura
3. Nomenclatura
- Substituídos → alquilcicloalcanos
f) Dos cicloalcanos: compostos monocíclicos
OBS: se apenas um substituinte está presente não é necessário atribuir sua posição
- Só um anel → prefixo ciclo- ligado ao nome do alcano
3. Nomenclatura
f) Dos cicloalcanos: compostos monocíclicos
- Dois ou mais substituintes → numera-se o anel de tal forma a obter a menor soma 
de números 
(não 1,5-dimetilciclopentano)
1
2
3. Nomenclatura
- Cicloalquilalcanos
f) Dos cicloalcanos: compostos monocíclicos
Anel ligado a uma cadeia com maior 
número de átomos de carbono
3. Nomenclatura
g) Dos cicloalcanos: compostos bicíclicos
biciclo[2.2.1]heptano
3. Nomenclatura
g) Dos cicloalcanos: compostos bicíclicos
- substituintes → numera−se começando com um cabeça de ponte
→ continua−se ao longo da ponte mais comprida até o outro cabeça de ponte
→ depois ao longo da ponte mais comprida seguinte
8-Metilbiciclo[3.2.1]octano 8-Metilbiciclo[4.3.0]nonano
- metano - butano (C1-C4) → gases 
- pentano - heptadecano (C5-C17) → líquidos
- octadecano (C18) → sólidos
- Insolúveis em água, mas são miscíveis com outros solventes 
- Menos densos do que água 
4. Propriedades Físicas
4. Propriedades Físicas
a) Pontos de Ebulição
- alcanos não-ramificados → elevação regular do PE com o aumento da massa 
molecular 
- alcanos ramificados: as ramificações → reduzem o P.E.
CH3CH2CH2CH2CH2CH3
Hexano
P.E. = 68,7 oC P.E. = 60,3 oC P.E. = 49,7 oC
2-metilpentano 2,2-dimetilbutano
Ramificação → torna a molécula mais compacta diminui forças de van der Waals ou 
dipolo induzido-dipolo induzido 
b) Pontos de Fusão
- alcanos não-ramificados → não mostram elevação regular com o aumento da 
massa molecular
↓ alternância 
CH3CH2CH3Etano Propano
P.F. = - 183oC P.F. = -188 oC
CH3CH3
No par de átomos de C No ímpar de átomos de C
Cadeias se agrupam de forma mais 
compacta no estado cristalino
Forças atrativas 
maiores
P.F. mais 
elevados
4. Propriedades Físicas
4. Propriedades Físicas
b) Pontos de Fusão
- Alcanos ramificados: se as ramificações→ produzem estruturassimétricas 
resulta em P.F. altos
H3C C
CH3
CH3
C CH3
CH3
CH3
2,2,3,3-tetrametilbutano
P.F. = 100,7 oC
P.E. = 106,3 oC
5. Ligações Sigma e Rotação da Ligação
•••• Grupos ligados apenas por uma ligação sigma (ligação simples), 
podem sofrer rotações em torno daquela ligação.
•••• Conformação: qualquer arranjo de átomos que resulta 
da rotação em torno de uma ligação sigma.
•••• Uma análise da variação da energia que a molécula sofre 
com grupos girando em torno de uma ligação sigma é
chamada de análise conformacional.
5. Ligações Sigma e Rotação da Ligação
Projeção ⇒ útil para a representação de conformações
5. Ligações Sigma e Rotação da Ligação
5.a. Análise Conformacional do Etano
Para o etano por exemplo, um número infinito de conformações diferentes 
poderia resultar das rotações de grupos CH3 sobre a ligação carbono-carbono. 
Podemos imaginar duas conformações extremas para o etano: eclipsada e 
alternada
eclipsada alternada
5.a. Análise Conformacional do Etano
Diferença de energia entre as duas conformações do etano: 12 kJ/ mol. Essa 
pequena barreira à rotação é chamada de barreira torsional.
Barreira torsional é causada pela → tensão torsional→ átomos de H eclipsados
alternada
eclipsada
5.a. Análise Conformacional do Etano
Diferença de energia entre as duas conformações do etano: 12 kJ/ mol. 
5.a. Análise Conformacional do Etano
Os cicloalcanos diferem em suas estabilidades relativas. 
O cicloalcano mais estável é o cicloexano⇒ zero tensão de anel.
6. Estabilidade Relativa dos Cicloalcanos: 
Tensão de Anel
Cicloalcano n calor de combustão calor de combustão tensão de 
(kJ/mol) por grupo CH2 (kJ/mol) anel (kJ/mol)
Ciclopropano 3 2091 697,0 115
Ciclobutano 4 2744 686,0 109
Ciclopentano 5 3320 664,0 27 
Cicloexano 6 3952 658,7 0
Cicloeptano 7 4637 662,4 27 
7. Origem da Tensão de Anel: Tensão 
Angular e Tensão Torsional
Ciclopropano→ ângulos internos 60o ∴ afastam-se do valor ideal por 49,5o → Tensão angular
A tensão angular:
7. Origem da Tensão de Anel: Tensão 
Angular e Tensão Torsional
Ciclobutano→ ângulos internos são de 88o ∴ afastam-se do valor ideal por 21,5o 
Anel é dobrado → a distorção da planaridade diminui a tensão torsional
Planar → a tensão angular seria menor (19,5o) mas a tensão torsional seria muito 
maior 
Ciclopentano ⇒ tensão angular é muito menor do que no ciclopropano e 
ciclobutano⇒ angulos internos são de 108o, um valor muito próximo ao ângulo de 
ligação tetraédrica normal
7. Origem da Tensão de Anel: Tensão 
Angular e Tensão Torsional
8. Conformações do Cicloexano
Como desenhar a conformação tipo
cadeira do cicloexano
8. Conformações do Cicloexano
Conformação em cadeira ⇒ conformação em bote:
Interação do mastro
Tensões torsionais e 
interações do mastro ⇒
8. Conformações do Cicloexano
Conformação torcida ⇒ conformação em bote pode aliviar: sua tensão
torsional e interações do mastro 
Conformação 
torcida
Conformação torcida não é
mais estável do que a 
conformação cadeira
⇒ Em virtude da maior 
estabilidade da conformação em 
cadeira, mais de 99% das 
moléculas estão na conformação 
cadeira.
8. Conformações do Cicloexano
9. Cicloexanos Substituídos: Átomos de 
Hidrogênio Axiais e Equatoriais 
No cicloexano os átomos de hidrogênio se encontram em duas posições:
a) Seis dispõem-se sobre o plano do anel 
b) Seis dispõem-se acima ou abaixo do plano do anel
À temperatura ambiente, o anel do cicloexano oscila. 
Ligações axiais se tornam equatoriais e vice-versa
9. Cicloexanos Substituídos: Átomos de 
Hidrogênio Axiais e Equatoriais 
Em um derivado do cicloexano monossubstituído, qual seria a conformação 
mais estável?
Por exemplo:
CH3
metilcicloexano
9. Cicloexanos Substituídos: Átomos de 
Hidrogênio Axiais e Equatoriais 
Metilcicloexano possui duas conformações em cadeira possíveis:
9. Cicloexanos Substituídos: Átomos de 
Hidrogênio Axiais e Equatoriais 
9. Cicloexanos Substituídos: Átomos de 
Hidrogênio Axiais e Equatoriais 
10. Cicloalcanos Dissubstituídos: 
Isomerismo Cis-Trans
- Dois substituintes sobre o anel de qualquer cicloalcano permite a possibilidade 
de isomerismo cis-trans
- Exemplo: 1,2-dimetilciclopentano
Os 1,3-dimetilciclopentanos também mostram isomerismo cis-trans:
Cicloexano trans-dissubstituído: um grupo é preso por uma ligação de cima e o 
outro pela ligação de baixo
Exemplo: trans-1,4-dimetilcicloexano → duas conformações em cadeira 
possíveis
10. Cicloalcanos Dissubstituídos: 
Isomerismo Cis-Trans
Trans-1,3-dimetilciclohexano existe em duas conformações que possuem igual 
energia e são igualmente povoadas em equilíbrio.
10. Cicloalcanos Dissubstituídos: 
Isomerismo Cis-Trans
Cicloexanos trans-1,3-dissubstituídos nos quais um grupo alquila é maior que o 
outro, a conformação de mais baixa energia será aquela com o grupo maior na 
posição equatorial.
10. Cicloalcanos Dissubstituídos: 
Isomerismo Cis-Trans
11. Reações Químicas dos Alcanos
Parafinas ⇒ palavra derivada do latim e que significa “com pouca afinidade”
As duas reações mais relevantes dos alcanos são: combustão e a halogenação
11.a. Combustão
Na combustão os alcanos reagem com O2, produzindo CO2 e liberando 
grandes quantidades de energia.
CH4 + 2O2 CO2 + H2O + calorchama
11. Reações Químicas dos Alcanos
11.b. Halogenação
Os alcanos podem reagir com halogênios através de reações de substituição 
de radicais livres dando origem a produtos halogenados.
11. Reações Químicas dos Alcanos
11.b. Halogenação
11. Reações Químicas dos Alcanos
11.b. Halogenação
11. Reações Químicas dos Alcanos
11.b. Halogenação