APOSTILA 01- Introdução QO e Hibridização do Carbono

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FARMÁCIA 
 
INTRODUÇÃO à 
QUÍMICA ORGÂNICA e 
HIBRIDIZAÇÃO do 
CARBONO 
 
 
 
 
 
Prof. Dra. Silvia Carla Haither Goós 
 
 
 
 1 
 
QUÍMICA ORGÂNICA 
 
1. HISTÓRICO 
 A Química Orgânica é conhecida desde a antigüidade e sua origem surgiu da curiosidade do homem 
em compreender profundamente os processos químicos que ocorrem nos organismos vivos. 
 Inicialmente o estudo da Química Orgânica era muito restrito, pois acreditava-se que os compostos 
orgânicos só poderiam ser obtidos de seres vivos e os compostos inorgânicos através de substâncias do 
reino mineral. 
 Após o conhecimento de inúmeros compostos orgânicos todos extraídos de seres vivos, os químicos 
começaram um estudo mais detalhado neste assunto através de análise da composição e propriedades 
destes compostos. 
  Lavoisier (1743-1794) conseguiu determinar a composição centesimal das substâncias e 
verificou que algumas substâncias eram constituídas somente de carbono e hidrogênio. Outros, onde a soma 
das porcentagens de carbono e hidrogênio não alcançava 100%, mas que produziam igualmente H2O e CO2 
na combustão, deveriam ter ainda ter moléculas constituídas de oxigênio (O2). 
  Berzelius (1779-1848) elaborou a teoria da força vital, segundo a qual os compostos orgânicos 
não podiam ser obtidos sob a influência de forças físicas ou químicas comuns, mas necessitavam da 
interferência de uma força vital que só existia nos seres vivos. 
 A teoria de Berzelius foi prontamente aceita, pois explicava um fato estranho : haviam fracassado 
todas as tentativas de sintetizar substâncias orgânicas a partir de material inorgânico, enquanto se 
conseguia produzir compostos inorgânicos artificialmente. 
  Friedrick Wöhler (1880-1882) fez cair a teoria da força vital, obtendo artificialmente a uréia. Isto 
é, partindo de um sal inorgânico, o cianeto de potássio (KCN), obteve uma substância antes só isolada a 
partir de organismo animal. 
 O KCN aquecido, em presença do oxigênio do ar, forma o cianato de potássio (KCNO). Este, tratado 
com sulfato de amônio, dá origem ao cianato de amônio (NH4CNO). O cianato de amônio, por aquecimento, 
transforma-se em uréia (NH2)2CO : 
 cianato de amônio uréia 
 
 A síntese de Wöhler demonstrou a inconsistência da teoria da força vital, deixando claro que os 
compostos orgânicos não precisavam necessariamente ser obtidos a partir de organismos vivos. 
 Após a derrubada da teoria da força vital, sucederam-se as sínteses de substâncias orgânicas. Kolbe 
(1845) obteve o ácido acético (C2H4O2), a partir dos seus elementos; Berthelot (1856) obteve o acetileno 
(C2H2), a partir do carbono e hidrogênio, e inúmeros outros compostos orgânicos foram obtidos 
artificialmente, dando um impulso à Química Orgânica. 
 
 
 
2. DEFINIÇÃO 
Todo composto orgânico apresenta o elemento carbono na sua composição. Porém, alguns 
compostos inorgânicos apresentam carbono (por exemplo, diamante, grafita, monóxido de carbono, 
carbonatos). A partir dessa idéia central, tem-se a definição atual de Química Orgânica: 
 
NH4CNO C
NH2
NH2
O
 2 
A Química Orgânica é um ramo da Química que estuda os compostos do elemento carbono com 
propriedades características. 
 
Desconsiderando-se a água, há mais de 60% em massa de compostos orgânicos, na forma de 
proteínas, lipídios e carboidratos. 
Carboidratos como o açúcar comum, a glicose e a celulose são constituídos de carbono, hidrogênio e 
oxigênio. 
A glicose (C6H12O6) é produzida pelas plantas clorofiladas, principalmente as algas microscópicas de 
rios e oceanos, em um processo denominado fotossíntese. Nesse processo a energia solar faz com que o 
gás carbônico e a água se combinem: 
 
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2 
 
Em nosso organismo a glicose é metabolizada num processo conhecido por respiração. Nesse 
processo ocorre a formação de CO2 e H2O e a liberação de energia necessária para o funcionamento do 
organismo. 
 
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O 
 
A combinação desses dois processos (fotossíntese e respiração) é denominada ciclo do carbono. 
 
3. CARACTERÍSTICAS GERAIS 
Os principais elementos presentes na grande maioria dos compostos orgânicos, além do carbono, 
cuja presença é obrigatória, são: o hidrogênio (H), o oxigênio (O), o nitrogênio (N), halogênios e o enxofre 
(S). Para entender melhor, a estrutura dos compostos orgânicos, é conveniente lembrar o número de 
ligações covalentes, que cada um desses elementos deve efetuar: 
 3 
 
 
Pelos elementos que formam os compostos orgânicos, podemos deduzir que o tipo de ligação 
predominante é o covalente. As ligações mais freqüentes envolvendo os compostos orgânicos acontecem 
entre átomos de carbono ou entre átomos de carbono e hidrogênio. 
Como os átomos unidos apresentam uma pequena diferença de eletronegatividade, essas ligações 
são praticamente apolares. 
Portanto, os compostos orgânicos formados somente por carbono e por carbono e hidrogênio são 
apolares. 
Quando, na molécula de um composto orgânico, houver um outro elemento químico além de carbono 
e hidrogênio, suas moléculas passarão a apresentar uma certa polaridade. 
 
 
4. CARACTERÍSTICAS DO ÁTOMO DE CARBONO 
 Kekulé estudou particularmente o carbono e descobriu que esse elemento apresenta certas 
particularidades que o tornam bem diferentes de todos os demais elementos químicos; possibilitando uma 
melhor compreensão da estrutura das substâncias orgânicas. 
 
4.1. O Carbono é Tetravalente 
 O isótopo mais abundante do carbono é o de número de Z = 6 e A = 12. 
Ele é composto por 6 prótons, 6 elétrons e seis nêutrons. 
Seus elétrons são distribuídos em duas camadas eletrônicas. 
6 C 1s2 2s2 2p2 camada 1 (K): 2 elétrons camada 2 (L): 4 elétrons 
 
Tendo 4 elétrons em sua última camada eletrônica, o carbono apresenta 
a tendência normal de compartilhar mais 4 elétrons com outros átomos, a fim de 
completar o octeto e atingir a configuração estável; formando-se 4 ligações 
covalentes. Portanto, os átomos de carbono são tetravalentes. 
 4.2. Equivalência das quatro valências 
 Quando se tentava preparar, pelos mais diferentes métodos, 
substâncias de fórmula molecular CH3Cl, encontrava-se sempre somente uma substância, caracterizada por 
 4 
determinadas propriedades físicas. Desta forma, se as quatro unidades de valência do carbono não fossem 
equivalentes, isto é, não tivessem a mesma natureza, deveriam-se encontrar quatro substâncias diferentes 
com a mesma fórmula molecular CH3Cl. Entretanto existe somente uma substância CH3Cl, mostrando que as 
quatro valências são equivalentes e que tanto faz colocar o cloro à direita, à esquerda, em cima ou em baixo, 
pois todas as fórmulas resultantes referem-se a uma única substância. 
 
4.3. Capacidade de formar cadeias 
 Os átomos de carbono têm a propriedade de se unirem, formando estruturas denominadas cadeias 
carbônicas de forma e comprimentos variados. Essa propriedade é a principal responsável pela existência de 
milhões de compostos orgânicos. 
 
 
 
 
 
 
 
Observação: 
Uma cadeia carbônica pode apresentar, além de átomos de carbono, átomos de outros elementos, 
desde que eles estejam entre os átomos de carbono. Os elementos diferentes do carbono que mais 
freqüentemente podem fazer parte da cadeia carbônica são: O, N, S, P. Nessa situação, esses átomos são 
denominados heteroátomos. 
Repare que os elementos mencionados são bivalentes ou trivalentes. Logo, o hidrogênio e os 
halogênios (flúor, cloro, bromo, iodo etc.), por serem monovalentes, nunca farão parte de uma cadeia 
carbônica, embora façam parte da molécula.Existe outra maneira de representar a cadeia de um composto orgânico. Nesse tipo de 
representação, não aparecem nem os carbonos nem os hidrogênios ligados aos carbonos. 
As ligações entre os carbonos são indicadas por traços (—), localizando-se os carbonos nos pontos 
de inflexão e nas extremidades dos traços. 
 
Para simplificar ainda mais a representação, podemos indicar, por meio de índices, a quantidade de 
átomos de hidrogênio e carbono presente na estrutura: 
 
HCl
H
C
H
H
H
Cl
C
H
H
H
C
Cl
H
C
H H
H
Cl
 5 
5. TIPOS de FÓRMULAS 
Há dois modos de representar um composto orgânico: através de seu nome e de sua fórmula. Existem quatro 
tipos de fórmulas. 
 
5.1. Fórmula Molecular 
A fórmula molecular indica quais e quantos elementos um determinado composto tem. Na Química 
Orgânica, a fórmula molecular é feita colocando-se primeiro o número de átomos de Carbono, depois de 
Hidrogênio e depois de qualquer outro átomo existente no composto. 
 
Exemplos: 
 
C4H10 C5H10 C6H8I2 
Esta fórmula indica que o composto 
tem 4 carbonos e 10 hidrogênios 
Esta fórmula indica que o composto 
tem 5 carbonos e 10 hidrogênios 
Esta fórmula indica a presença de 6 
carbonos, 8 hidrogênios e 2 iodos 
 
A fórmula molecular não é muito confiável na Química Orgânica, pois existem vários compostos 
diferentes (chamados isômeros) com mesma fórmula molecular, por isso utiliza-se a fórmula estrutural. 
 
5.2. Fórmula Estrutural 
É um "desenho" da estrutura do composto. 
Exemplos: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fórmula Molecular : C4H10 Fórmula Molecular : C4H7 Fórmula Molecular : C3H8O 
 
Normalmente, os hidrogênios diretamente ligados a carbonos são indicados apenas como traços. Por 
isso, a representação 1 é equivalente a 2. 
 
 
 
 
 
 
 
Representação 1 Representação 2 
 
5.3. Fórmula Condensada 
A fórmula condensada é um modo compacto de se fazer uma fómula estrutural. Ela é feita contando-
se o número de partes comuns de um composto e fazendo algo como um fórmula molecular misturada com 
estrutural. 
Veja o exemplo abaixo feito com o composto C6H14 : 
 
 
 
 
 
 
 6 
Em amarelo, temos destacados CH3 que se repetem duas vezes. Em verde, CH2 repetidos 4 vezes. 
 
Compactando esta fórmula, temos : 
 
 
 
Mas esta fórmula pode ser compactada mais uma vez : 
 
Encontrando partes comuns Contando os elementos Encontrando a fórmula condensada 
 
5.4. Fórmula Bastão 
É uma maneira mais simples de se desenhar a Fórmula Condensada. É composta de traços 
diagonais que indicam o tipo de ligação (simples, dupla ou tripla) e o tipo de átomo de carbono. Cada traço 
representa dois carbonos. 
Veja os exemplos abaixo: 
 
Fórmula Estrutural Fórmula Bastão 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 7 
5.5. Fórmulas de Newman e Análise Conformacional 
Examinemos a figura do etano, representada abaixo. A Figura 1 representa uma molécula de etano 
na forma plana e em uma representação mais real, tridimensional, com as ligações em negrito se 
aproximando do observador e as tracejadas se afastando do observador. 
 
 
Figura 1: Fórmula plana e tridimensional do etano 
 
Na Figura 2 está representado um observador olhando ao longo da ligação C – C, sendo que o 
primeiro átomos de carbono (mais próximo do observador) tapa o segundo átomo de carbono. 
A representação na Figura 3 denomina-se Representação de Newman e mostra o que um 
observador veria se olhasse para a molécula no sentido de uma das ligações carbono-carbono. O átomo de 
carbono que está mais próximo do observador se representa por um ponto central de onde emergem as 
demais ligações. O átomo de carbono posterior (mais longe do observador) se representa por um círculo 
(Figura 4). Nesta figura, os átomos de Hidrogênio dos carbonos se dispõem de forma que um não eclipsa o 
outro, alternando-se, daí o nome de conformação alternada. 
 
Figura 2: Molécula de Etano 
 sendo observada. 
 Figura 3: Representação de Newman 
para a conformação alternada do etano. 
 
 
 
Figura 4: Representação de Newman posterior e frontal para 
a conformação alternada do etano 
 
Nas Figuras 5 e 6 temos as representações das Figuras 3 e 4, respectivamente, usando o modelo de 
bolas e varetas. 
 8 
 
 
Figura 5: Molécula de etano 
sendo observada . 
Figura 6: Representação de Newman para a 
conformação alternada do etano 
 
6. HIBRIDIZAÇÃO 
Os átomos de carbono se ligam entre si formando cadeias. As ligações do átomo de carbono são 
orientadas para os vértices de um tetraedro e o ângulo entre elas é de 109º 28'. Isso possibilita que eles 
realizem entre si: 
 ligações simples, quando ligados por um vértice, 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 ligações duplas, quando ligados por dois vértices, 
 
 
 
 
 
 
 ligações triplas, quando ligados por três vértices. 
 
 
 
A maneira usada para se explicar as ligações simples, duplas e triplas 
realizadas pelos átomos de carbono é a hibridização. Neste tipo de situação, orbitais de subníveis diferentes 
do nível de valência se mesclam, originando novos orbitais (híbridos). 
 
6.1. Hibridização sp3 
Uma das substâncias mais simples derivadas do carbono é o gás metano: 
CH4. Como o átomo de carbono é capaz de formar quatro ligações simples? 
 
 
 
 Metano (CH4). 
 9 
Para fazer as quatro ligações sigma iguais, o carbono deveria apresentar quatro orbitais incompletos 
iguais. Porém, a distribuição eletrônica do carbono no estado fundamental mostra somente dois orbitais 
incompletos: 
 
 
Lembremos que existem quatro tipos diferentes de orbitais, 
denominados s, p, d e f. Dos quatro, os mais importantes para química 
orgânica são os orbitais s e p . Sendo que o orbital p se distribui em 
três eixos o px, py e pz. 
 
 
 
Orbitais atômicos s e p. 
 
Já que as energias dos orbitais 2s e 2p do carbono são bem próximas, Pauling propôs a hibridação 
(mistura) desses orbitais atômicos “puros” (não-híbridos) para gerar novos orbitais – orbitais híbridos. 
Como um orbital é uma função de onda monoeletrônica, ou seja, é apenas uma função matemática 
com valores positivos e negativos, os orbitais híbridos (que seriam funções matemáticas “híbridas”) podem 
ser construídos pela combinação linear entre os orbitais atômicos não-híbridos. Assim, se dois orbitais 
atômicos não-híbridos são misturados, necessariamente têm de ser gerados dois orbitais híbridos. 
Veja abaixo para o caso do metano, como Pauling resolveu esse problema. 
 
Hibridação dos orbitais atômicos do carbono no metano. 
A mistura entre o orbital 2s e os três orbitais 2p produz quatro orbitais híbridos sp3. 
 
s
 10 
 
Orientação dos orbitais sp3. 
 
Os quatro orbitais sp3 formam, idealmente, um ângulo de 109,5o entre si, uma vez que 
se orientam ao longo dos vértices de um tetraedro regular. Os orbitais sp3 têm 25% de caráter s e 
75% de caráter p. 
Abaixo temos um resumo explicativo de como a hibridização sp3 ocorre. 
 
 
Hibridização sp3. a) orbitais não hibridizados s e p. b) quatro orbitais hibridizados sp3. 
c) arranjo tetraédrico de todos orbitais sp3 em torno do átomo de carbono, ângulo entre os orbitais de 109,47º. 
 
 Como na molécula de metano, todo carbono que se 
encontrar ligado a quatro outros átomos ou grupo de átomos 
apenas por meio de ligações , terá hibridação sp3, ou seja, 
geometria tetraédrica. 
 
Outros compostos tem geometria similares, como o 
tetracloretode carbono (ao lado), por exemplo. 
 
 
 
 
 
A B 
C 
 11 
6.2. Hibridização sp2 
Na hibridização sp2, o orbital 2s se funde com dois orbitais 2p, originando três orbitais sp2 e um p 
puro. Os três orbitais híbridos sp2 se orientam de acordo com um triângulo eqüilátero, os ângulos entre eles 
são de 120°. O orbital p puro fica perpendicular ao plano do triângulo. 
 
Os seis átomos de eteno são coplanares e o arranjo dos átomos em torno de cada átomo de carbono 
é triangular . 
 
Hibridização sp2. a) orbitais não hibridizados s e p. b) Três orbitais hibridizados sp2 (2 orbitais p e 1 s). c) arranjo triangular de todos 
orbitais sp2 em torno do átomo de carbono, ângulo entre os orbitais de 120º. d) adição do orbital p não hibridizado, coplanar. 
 
Os orbitais do tipo sp2 fazem ligações do tipo sigma e o p puro faz ligações pi (ligação perpendicular 
ao eixo do orbital). Duas ligações são simples e uma é dupla. 
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Na figura abaixo temos a representação da formação da molécula do CH2  CH2 
 
 
6.3. Hibridização sp 
Na hibridização sp, o orbital 2s se funde com um orbital 2p, originando dois orbitais sp e dois p puros. 
Estes dois orbitais se ficam no mesmo eixo, guardando um ângulo de 180° um do outro. Os orbitais p puros 
são perpendiculares entre si e em relação ao eixo dos orbitais sp. 
 
 
 
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 Os dois orbitais sp fazem ligações do tipo sigma e os dois p puros fazem ligações do tipo pi. Duas 
ligações simples e uma tripla ou duas ligações duplas. 
 
Em uma ligação dupla-dupla sempre temos uma sigma e uma pi e em uma ligação tripla sempre 
temos uma ligação sigma e duas pi. Nesses casos, o carbono é um híbrido sp. Os orbitais híbridos sp exibem 
50% de caráter s e 50% de caráter p. 
 Abaixo temos a molécula do CH  CH. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Assim, temos: 
Na dupla ligação, uma é denominada sigma (σ) e a outra, pi (π). 
Na tripla ligação, uma é denominada sigma (σ) e duas, pi (π). 
 
 
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7. CLASSIFICAÇÃO DO CARBONO 
Observando modelos de várias cadeias carbônicas, os cientistas notaram que determinado átomo de 
carbono podia estar unido a um, dois, três ou quatro átomos de carbono. Em função dessas observações, os 
carbonos foram classificados da seguinte maneira: 
 
Classificação Conceito Exemplo 
C primário Ligado a apenas outro átomo de 
carbono 
C – C 
C secundário Ligado a dois átomos de carbono C – C – C 
C terciário Ligado a três átomos de carbono 
 
C – C – C 
 
C 
C quaternário Ligado a quatro átomos de carbono 
(o número máximo de ligações que 
o carbono admite). 
 C 
 
C – C – C 
 
C 
C nulário (n) Ligado a nenhum outro átomo de 
carbono. 
 CH3OCH3
n n
 
 
 
Exemplo: 
 
 
 
 
 
 
 
 Um outro critério de classificação de carbono leva em consideração sua posição em relação ao grupo 
funcional. 
Assim, um carbono alfa ( C ) refere-se ao carbono adjacente ao grupo funcional (o carbono é 
ligado a primeira posição, ou posição alfa, logo após o carbono que possui a função). Por extensão, o 
segundo carbono é o carbono beta,( C ) e assim por diante. Esta nomenclatura também pode ser aplicada 
para os átomos de hidrogênio ligados ao carbono. Um hidrogênio ligado a um carbono alfa é chamado de 
"hidrogênio alfa" ( Hα ), um de hidrogênio sobre a carbono beta é um hidrogênio beta, e assim por diante. 
Este padrão de nomenclatura é, por vezes considerado como não estando em conformidade com 
a nomenclatura IUPAC (que incentiva carbonos a serem identificados por números, não pela letras gregas), 
mas, apesar disso, continua a ser muito popular, sobretudo porque ela é útil para identificar a localização 
relativa do carbono para outros grupos funcionais. 
 
 
O carbono da cadeia hidrofóbica diretamente ligado ao carbono do grupo carboxílico é 
convencionado como carbono-alfa (α), enquanto que o carbono da extremidade oposta é o carbono-ómega 
(ω). A numeração dos carbonos inicia-se no carbono do grupo carboxílico; o carbono-α é então o carbono 2. 
 
 15 
 
 
 
Observe que a presença de dupla ou tripla ligação não influi na classificação do carbono. 
Uma outra maneira de classificar os carbonos é quanto ao tipo de ligação existente em cada 
carbono: 
a) saturado: quando apresenta quatro ligações simples C . Essas ligações são denominadas sigma 
(σ). 
b) insaturado: quando apresenta pelo menos uma ligação dupla (=) ou então uma tripla (≡). 
 
 
8. CLASSIFICAÇÃO DAS CADEIAS CARBÔNICAS 
 Cadeia carbônica é o conjunto de todos os átomos de carbono e de todos os heteroátomos que 
constituem a molécula de qualquer composto orgânico. 
Existem vários critérios para classificar as cadeias. Vamos estudá-los separadamente. 
 
8.1. Disposição dos Átomos de Carbono 
 
Essa classificação inicial é subdividida em classificações mais específicas. 
 
8.1.1. Para as Cadeias abertas, acíclicas ou alifáticas 
Uma das maneiras de classificar as cadeias abertas é quanto à disposição dos átomos de carbono. 
 
 
 
 
 
 
 
 16 
A) Cadeia Normal (reta,linear) ou Cadeia Ramificada 
 
8.1.2. Para as Cadeias Fechadas ou Cíclicas 
As cadeias cíclicas subdividem-se em dois grupos: Cadeia Aromáticas ou Cadeia alicíclicas (não-
aromáticas, cicloalifáticas). 
 
A) Cadeias Aromáticas 
São aquelas que apresentam pelo menos um anel benzênico. A mais simples delas é o benzeno 
(C6H6). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
O círculo dentro do hexágono usado na última representação mostra um fenômeno estrutural destes 
compostos: a ressonância. 
Esse fenômeno consiste na deslocalização das ligações π ao longo de todo o anel, formando duas 
nuvens eletrônicas — uma superior, outra inferior — que recobrem o anel (núcleo). 
Veja outros exemplos de cadeias aromáticas: 
 
B) Cadeias alicíclicas (não-aromáticas, cicloalifáticas) 
São cadeias fechadas que não apresentam o núcleo aromático ou benzênico. 
 
 
 
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 Podemos ainda classificar as cadeias fechadas de acordo com o número de anéis: 
 
A) Cadeia mononuclear: apresenta apenas um anel 
 
 
 
 
 
 
 
B) Cadeia polinuclear: apresenta mais de um anel. 
 
 
 
 
 
 
 
8.2. Tipo de Ligação entre os Átomos de Carbono 
8.2.1. Cadeia saturada — é aquela que apresenta somente ligações simples entre os átomos de carbono 
constituintes da cadeia. Exemplos: 
8.2.2. Cadeia insaturada ou não-saturada — apresenta pelo menos uma ligação dupla ou tripla entre os 
átomos de carbono. Exemplos 
 
 
 
8.3. Natureza dos átomos que compõem a Cadeia 
8.3.1. Cadeia Heterogênea — existe pelo menos um heteroátomo entre os átomos de carbono que 
constituem a cadeia, sendo que os heteroátomos mais comuns são O, N, S e P. Entende-se por heteroátomo 
o átomo diferente de carbono e que se encontra entre dois carbonos.Exemplos: 
 
8.3.2. Cadeia homogênea — não possui heteroátomo. Exemplos: 
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ESQUEMA da CLASSIFICAÇÃO GERAL das CADEIAS CARBÔNICAS