Unidade I-Parte 1

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Introdução às moléculas orgânicas
• Os compostos de carbono são a base de 
sustentação da vida na Terra:
a) Fornecem a energia que sustenta a vida;
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Departamento de Q. Orgânica e Inorgânica 
Disciplina: Química Orgânica Teórica I para Farmácia - Prof.: Geraldo Barbosa 
Unidade 
I Teoria Estrutural
a) Fornecem a energia que sustenta a vida;
b) DNA – macromoléculas com as
informações genéticas de uma espécie;
c) Proteínas – constituem os compostos
essenciais dos organismos vivos;
d) Enzimas - catalisam importantes reações
bioquímicas.
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• Os compostos orgânicos podem ser obtidos de fontes naturais
• Vivemos a Era da Química Orgânica:
c) Inseticidas – naturais e sintéticos;
b) Medicamentos – fármacos sintéticos ou naturais;
d) Roupas- fibras naturais (algodão, lã) ou sintéticas 
(naylon, poliéster);
a) Combustíveis – gasolina, álcool, biodiesel, etc;
• Os compostos orgânicos podem ser obtidos de fontes naturais
(Produtos Naturais) ou sintetizados em escala laboratorial ou
industrial.
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•Compostos orgânicos naturais e sintéticos
Licopeno encontrado no tomate e
seus produtos industrializados.
OH OHOH
O
OH
OH
Testosterona Estradiol
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•Compostos orgânicos naturais e sintéticos
O
OH
Dianabol (Esteroide sintético)
Sildenafil 
(Viagra)
Vitamina C (Ác. ascórbico)
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Introdução: Ciclo Global do Carbono
Ref.: Martins, C. R.; et al, Química Nova na Escola, 5, 2003, 28-41
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Introdução: Algumas características do Carbono
Isótopos mais estáveis:
12C 98,9% de abundância natural
13C 1,1% de abundância natural- Importante para RMN
14C - Importante para processos de datação
Eletronegatividade •Pertence ao 2o
período e ao grupoperíodo e ao grupo
14 (4A).
•É tetravalente e
possui a capacidade
de formar extensas
cadeias.
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Introdução: Algumas características do Carbono
Principais formas alotrópicas:
DiamanteGrafiteAmorfo
Fulerenos: C60 C540 C70 Nanotubos de C
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Introdução: Evolução da Química Orgânica
Vitalismo (Torben Bergman, 1770): 
Compostos orgânicos – Eram derivados
de organismos vivos e a síntese
necessitava da intervenção de uma
“força vital”
• Em 1828, Friedrich Wöhler descobriu:
Composto 
Orgânico?
•Em 1784 Antoine Lavoisier mostrou pela primeira vez que
compostos orgânicos eram constituídos principalmente de C, H
e O.
Cianato de amônio
(Inorgânico)
Uréia
(Orgânico)
NH4
+ −OCN heat H2N C
O
NH2
• Em 1828, Friedrich Wöhler descobriu:
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•Entre 1811 e 1831, são desenvolvidos métodos quantitativos
para determinar a composição dos compostos orgânicos
(Liebig, Berzelius e Dumas).
•Em 1860 Stanislao Cannizzaro diferenciou fórmulas moleculares
e empíricas. C2H4 (eteno), C5H10 (ciclopentano) e C6H12 (ciclo-
hexano), têm a mesma fórmula empírica CH2.
Introdução: Evolução da Química Orgânica
hexano), têm a mesma fórmula empírica CH2.
Portanto, compostos orgânicos são estruturalmente
constituídos à base de átomos de carbono e são
objetos de estudo da Química Orgânica.
Atualmente, o estudo de compostos obtidos a partir de
organismos vivos é realizado dentro da chamada
Química de Produtos Naturais.
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• Implantada entre 1858 e 1861 independentemente por August
Kekulé, Couper e Butlerov. Dizia que:
1. Os átomos podem formar um número fixo de ligações
(valência).
C
H
H H
H
OH H H Cl
Átomos de oxigênio Átomos de hidrogênio e halogênios são 
Introdução: Teoria Estrutural da Química Orgânica
Átomos de carbono
são tetravalentes
Átomos de oxigênio 
são bivalentes e halogênios são monovalentes
2. Um átomo de carbono pode utilizar uma ou mais de suas
valências para formar ligações com outros carbonos.
C
H
H C
H
H
H
H CH C HC C
Ligação simples Ligação dupla
Ligação tripla
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• Isômeros – compostos diferentes que
têm a mesma fórmula molecular. Por
exemplo: existem dois compostos
isoméricos com a fórmula molecular
C2H6O.
Isomerismo?
Álcool etílico
C2H6O
Éter dimetílico
C2H6O
Ponto de ebulição, °°°°C 78,5 –24,9
Ponto de fusão, °°°°C –117,3 –138
Reação com Na Libera H2 Não reage
Os dois compostos diferenciam-se na conectividade: C-O-C e
C-C-O (isômeros constitucionais; IUPAC: isômeros estruturais).
C
H
H C
H
H
H
O H C
H
H
O C
H
H
HH
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• Em 1874 van’t Hoff e Le Bel propuseram, que no metano,
as quatro ligações fossem arranjadas de tal forma que o
carbono fosse colocado no centro de um tetraédro.
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• A partir de 1926 uma nova teoria da estrutura atômica é
desenvolvida independentemente por Schrödinger
(mecânica ondulatória), Heisenberg (mecânica quântica) e
Paul Dirac.
Estrutura atômica: o elétron (e-) como onda e
partícula (natureza dualística)
• Um orbital passa a ser entendido como uma região do
espaço (atômico ou molecular) onde a probabilidade
de se encontrar um elétron é alta (90-95%).
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• Cada orbital atômico tem uma forma e energia
característica e ocupa uma determinada região no espaço.
• Os gráficos de Ψ2 em três dimensões geram as formas dos
orbitais atômicos: s, p, d, etc.
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1. O princípio da construção: os orbitais atômicos são
preenchidos de tal forma que os de menor energia são
prenchidos primeiro.
2. O princípio da exclusão de Pauli: em cada orbital só pode ser
colocado um máximo de dois elétrons com spins
emparelhados.
Estrutura atômica e configuração eletrônica:
distribuindo e- nos orbitais
emparelhados.
3. A regra de Hund: os elétrons ocuparão orbitais degenerados
(de mesma energia) vazios antes de ser emparelhado em um
mesmo orbital.
1s2s
2p
Oxygen6C
1s
2s
2p
Carbon
1s
2s
2p
Nitrogen
7N 8O
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Por que os átomos se unem para formar
compostos?
• Os átomos tendem a ganhar, perder ou compartilhar
elétrons de valência para obterem a configuração
eletrônica de um gás nobre.
Representação de Lewis EletronegatividadeRepresentação de Lewis Eletronegatividade
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• Ligação Química: força atrativa que mantém dois ou mais
átomos unidos.
• Nos compostos iônicos os átomos
são unidos por forças
eletrostáticas fortes entre cátions e
ânions resultantes da
transferências de e- (ligações
Na + Cl3s1 3s2 3p5 Na+ + Cl- 3s2 3p6
Conf. do neônio Conf. do argônio
transferências de e- (ligações
iônicas).
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• Nos compostos moleculares os átomos, de mesma ou de
eletronegatividade semelhantes, atingem configuração de
gás nobre compartilhando elétrons através de ligações
covalentes (apolares e polares).
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+Cl2 or Cl ClClCl ClCl OU
N NN N orN2 OU
Estruturas de Lewis: representando as ligações
covalentes
N N
or
methane
C
H
H H
H
H C
H
H
H
Metano
OU
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Energias de algumas ligações químicas
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Uma grande imagem: formação de ligações
covalentes
Felix Fischer et al. Science, Maio de 2013.
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Formação de moléculas:
teoria da ligação de valência
Formação da Molécula de H2:
Moléculas?
2 átomos de H 
se aproximam
Orbitais atômicos 1s
começam a se sobrepor
Os elétrons são
compartilhados
pelos dois átomos
(Ligação covalente)
Ligação σ (sigma)
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Formação da Molécula de H2:
Ligação σ (sigma)
(a) e (b)
aproximação e 
sobreposição
(c)
r = Distância internuclear (comprimento 
de ligação, 1Å = 10-10 m)
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Formação da Molécula de H2 na visão da Teoria do 
Orbital Molecular (TOM)
Combinação Linear de Orbitais Atômicos (CLOA)
Combinação 
construtivaconstrutiva
Orbital molecular ligante (σ)
Combinação 
destrutiva
Orbital molecular antligante (σ*)
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Formação da Molécula de H2 na visão da Teoria do 
Orbital Molecular (TOM)
Diagrama de Energia para Formação da Molécula H2
Antiligante (σ*)
Ligante (σ)
Orbitais 
moleculares
Orbital 
atômico
Orbital 
atômico
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Sobreposição linear de orbitais p para formar
orbitais moleculares σ
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Sobreposição lado a lado (lateral) de orbitais p 
para formar orbitais moleculares pipipipi (pi)
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Entendendo a formação de
ligações σ na molécula de
metano
Moléculas 
Orgânicas?
4 ligações σ equivalentes: 
mesmo comprimento (1,10 Ǻ)
∆H0 = 105 kcal.mol
-1
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Hibridização de orbitais: C sp3 e
ligações σ no metano
6C fundamental 6C excitado 6C hibridizado
1s
2s
2p
1s
2s
2p
1s
4sp3
Promotion of electron Hybridization
Hibridização sp3
para o 6CPromoção de 1 e- Hibridização de orbitais
Hibridização de orbitais: orbitais sp3 
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Orbital híbrido 
sp3 para o 6C
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C sp3 e formação de ligações σ no metano
A ligação σ é formada
pela sobreposição
linear (frontal) do
orbital híbrido sp3
com o orbital 1s.
4 ligações σ (sigma)
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C sp3 na molécula do etano
7 ligações σ (sigma)
A rotação da ligação σ
C-C é livre (isomeria
conformacional)
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Sobreposição de orbitais híbridos sp3 na
molécula do etano
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Hibridização 
sp2 para o 6C
Hibridização de orbitais e o C sp2
6C com hibridização sp2
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C sp2 e formação de ligações σ (sigma) e pipipipi (pi)
Eteno
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A ligação pipipipi é formada pela sobreposição lateral
de dois orbitais p paralelos.
Ligação pipipipi
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Eteno
Geometria trigonal planar
A rotação da ligação dupla não
é livre (barreira rotacional da
ordem de 63 kcal.mol-1), isto
gera estereoisomeria cis/trans
ou Z/E.
ClH ClH
ClH
 cis ou Z
µ = 2,95 D
p.e. = 60,3 oC
 trans ou E
µ = 0 D
p.e. = 47,5 oC
HClExistem dois 
estereoisômeros
para o 
1,2-dicloroeteno
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Hibridização sp
para o C6
Hibridização de orbitais e o C sp
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C spna molécula do etino
C C HH
180o 180o
Etino
Geometria linear
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Uma ligação σσσσ é mais forte do que uma ligação pi.pi.pi.pi.
Etano
Eteno
Etino
Como isto influência a reatividade dos 
hidrocarbonetos?
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Hibridização em outros átomos: N e O
107oAmôniaAmônia
hibridização sp3 
107AmôniaAmônia
ÁguaÁgua
hibridização sp3 
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1. Construa os diagramas de distribuição
eletrônica para o O sp3 e sp2 e N sp3, sp2 e sp?
2. Mostre estruturas de compostos que
Exercícios
2. Mostre estruturas de compostos que
apresentem O sp3; sp2; N sp3 ; sp2 e sp
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Hibridização em carbocátions, carbânions e 
carbonos radicais
ânion metila
.CH3 radical metila
.
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Exercícios
OHCH3
N
CH3CH3
OH
Tetraciclina
CH2 C CH2 CH3 C N
Aleno Acetonitrila
1. Identifique as hibridizações 
dos átomos. 
2. Identifique o número total de C sp3 e C sp2. 
3. Quais as hibridizações dos átomos de O e N?
4. Qual o número total de ligações pi?pi?pi?pi?
OH O OH
OH
O
NH2
O
Tetraciclina
O
Capilin
5. Identifique o número total de C sp2 e C sp. 
Qual o número total de ligações pi?pi?pi?pi?
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Representação de compostos orgânicos
CH3CH2CH2OH
Condensada
H C
H
H
C
H
H
C
H
H
O H
Estrutura de Kekulé
OH
Estrutura de linhas
Fórmulas estruturais
FM: C3H8O Propanol
CH3CHClCH 2CH3
CH
Cl
CH3
CH2H3C
Cl
= =
CH3CH(CH 3)CH2CH3 CH
CH3
CH3
CH2H3C
= =
(CH3)2NCH 2CH3 N
CH3
CH3
CH2H3C N
= =
Condensada Estrutura de Kekulé Estrutura de linhas
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Representação de compostos orgânicos
C C
C
C
C C
C
C
C
C
C
C
O H
H
H
H
H
CC HH
H HH H
C
H H H
H C
HH H
HH
Vitamina A, C20H30O OH
CH2
H2C CH2
= and =
H2C
H2C CH2
CH2
C
C
C
C
C
C
H
C C C C O HH
H
H
H H H
H
H
H H H
Vitamina A, C20H30O
O
Capilin
HO
H
H
H
CH3
OH
Etinil estradiol
O
Br
ClBr
Dactilino
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H
CH3
OH
Exercícios
1.Utilize fórmulas estruturais de Kekulé para
mostrar a constituição dos compostos abaixo.
HO
H H
Etinil estradiol
2. Mostre a FM para o composto:
3. Utilize estruturas de linhas para mostrar:
a) Dois isômeros constitucionais de FM
b) Três isômeros constitucionais de FM
c) Todos os isômeros constitucionais de FM