Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
GUIA DE ESTUDO UNIDADE II 1 UNIDADE 2 QUÍMICA ORGÂNICA APRESENTAÇÃO Olá! Bem-vindos(as) à Unidade II da disciplina de química orgânica. Nesta segun- da parte do curso, iniciaremos com algumas regras de nomenclatura oficial IUPAC para compostos orgânicos alifáticos saturados e insaturados. Abordaremos também as propriedades mais importantes de compostos insaturados e seus aspectos isomé- ricos. Não esqueça: é fundamental a leitura do livro texto. A isomeria é uma propriedade muito importante para química orgânica, pois uma pequena mudança de posicionamento de algum átomo ou grupo residual molecular conduz a compostos com os mesmos átomos, mas completamente distintos. Depen- dendo do tipo de compostos isoméricos, podemos ter dois compostos aparentemente iguais, mas com ponto de fusão e ebulição completamente diferentes, devido às mu- danças de polaridade provocadas por uma simples mudança de posicionamento de um único átomo na molécula. Iniciaremos também um guia para compreendermos melhor as regras de nomencla- tura e propriedades para compostos orgânicos aromáticos e seus derivados, além dos compostos halogenados. Por fim, fecharemos esta segunda parte discutindo um pouco sobre os estados físicos da matéria do ponto de vista das interações intermole- culares e do entendimento das várias formas quirais do carbono. I - Estereoquímica e Isomeria Vamos refletir um pouco... Coloque sua mão direita à frente de um espelho. Colocou? Mantenha a mão à frente do espelho e dê uma rápida olhada para a sua mão esquerda. Verificou? Repare que a imagem refletida pelo espelho da sua mão direita é exatamente uma mão esquerda. Funciona assim: sua mão esquerda é a imagem especular (de espelho) da sua mão direita e vice-versa, é como se colocássemos uma mão de frente para a outra. Ao analisarmos as nossas mãos, percebemos que os nossos dedos polegares apon- tam para o mesmo sentido quando estamos escrevendo no computador, não é mes- mo? Imagine uma situação hipotética: alguém, infelizmente, num acidente tenha sua mão direita decepada e que necessite de um transplante de mão. Imagine igualmen- te que o banco de órgãos só disponha de mãos esquerdas. E, se o médico decidir implantar uma mão esquerda no lugar da direita? Teria o mesmo efeito? Essa mão transplantada teria a mesma funcionalidade da mão decepada? Obviamente que não, pois mão direita é a imagem especular da esquerda, e apesar de serem mãos, são 2 mãos distintas. Elas não se superponhem e caso tentarmos superpô-las, o polegar da mão direita estará do lado contrário do polegar da mão esquerda. A esse tipo de forma chamamos de quiralidade. Quiralidade é um fenômeno típico de objetos que sejam a imagem especular uma das outras, mas, no entanto, esses objetos não são iguais e não se superpõem, assim como a mão direita e a mão esquerda. Inclusive a palavra quiral é derivada da palavra grega kheir que significa mão. Tal como as nossas mãos, alguns compostos orgânicos também apresentam quirali- dade em átomos de carbono ou em determinados grupos funcionais. A importância da quiralidade em compostos orgânicos é incomensurável para os se- res vivos. Os carboidratos que compõem, que alimentam nossas células, são prove- nientes de outros seres vivos e apresentam rotação à direita. Se tentarmos sintetizar carboidratos em laboratório, parte desses carboidratos artificiais apresentará parte de suas moléculas com rotação à direita e outra parte com rotação à esquerda, mas quando a síntese é de origem natural, seja por plantas ou animais, esses carboidratos apresentam sempre rotação à direita. As proteínas sintetizadas por seres vivos também são quirais e apresentam sempre rotação à esquerda. Dependendo da proteína, nosso organismo não reconhece como alimento se essa proteína apresentar rotação à direita. Em geral, proteínas artificiais sintetizadas em laboratório e com rotação à direita são extremamente tóxicas para nosso organismo. Dica: Nem toda imagem especular é quiral. Alguns objetos têm exatamente a mesma forma e propriedades de objetos equivalentes às suas imagens especulares, neste caso dizemos que são objetos aquirais. Isomeria Como já mencionamos anteriormente, isomeria é o fenômeno da existência de subs- tâncias que apresentam a mesma quantidade de átomos de cada elemento na molé- cula, ou seja, têm a mesma fórmula molecular e mesmo assim apresentam proprie- dades distintas em razão dos diferentes posicionamentos geométricos destes átomos nas moléculas. 3 Exemplo: Fórmula Molecular: C4H10 Isômeros: Como podemos observar os compostos orgânicos butano e 2-metilpropano são isô- meros, pois possuem os mesmos átomos e as mesmas quantidades, tendo a mesma fórmula molecular (C4H10), mas são geometricamente distintos. São completamente diferentes em suas propriedades. Este tipo de isomeria é chamado de isomerismo constitucional. Existem também outros tipos de isomeria diferentes da isomeria constitucional. Esses tipos de isomeria são classificados de estereoisômeros, subdivididos em duas catego- rias: enantiômeros e diasterisômeros. Os estereoisômeros possuem a mesma sequência de conexão entre os átomos (têm a mesma constituição), porém os posicionamentos destes átomos diferem espacial- mente. Exemplo: 4 A diferença entre esses dois isômeros é muito discreta, apenas muda a posição entre um átomo de hidrogênio e grupo radical metila (-CH3). O fato dos dois grupos metilas se encontrarem do mesmo lado na molécula do cis-2- -buteno faz com que essa molécula seja muito mais instável energeticamente do que a molécula do trans-2-buteno. Essa instabilidade é devida ao efeito de impedimento estérico ou mais precisamente de repulsão entre os radicais metilas, que são bem maiores que um átomo de hidrogênio. A consequência dessa diferença faz com que o cis-2-buteno apresente as seguintes propriedades físicas: • Ponto de fusão: –138,9 °C • Ponto de ebulição: 3,73 °C • Solubilidade em água: 5 g/l E o trans-2-buteno com as seguintes propriedades físicas: • Ponto de fusão: –105,5 °C • Ponto de ebulição: 0,96 °C • Solubilidade em água: 5 g/l Como podemos observar a única propriedade em comum é a solubilidade em água, mas os seus pontos de ebulição e fusão são ligeiramente diferentes. Cuidado! Os conceitos de isomeria constitucional e isomeria de estereoisômeros são bastante similares, mas não são iguais. Atente que todo par estereoisômero é de na- tureza constitucional, mas nem todos os pares de isômeros constitucionais são pares de estereoisômeros. Abaixo listamos dicas de como diferenciar um tipo de isômero do outro. Dica 1: Todo par de estereoisômeros só diferenciam o posicionamento de um átomo ou radical orgânico (metila, etila, propila, cloreto, brometo, etc.) e em geral os estereoi- sômeros possuem pelo menos uma ligação dupla entre dois carbonos da estrutura ou um carbono quiral ao invés da ligação dupla. Dica 2: A única diferença de nomenclatura para pares de estereoisômeros consiste na mudança dos prefixos cis ou trans seguido do número do primeiro carbono que contém a ligação dupla. Dica 3: Quando um par de isômeros é constitucional, mas não é um par de estereoi- sômeros, como o caso do butano e do 2-metilpropano, os nomes dos compostos são bastante distintos, além das próprias geometrias das moléculas. 5 Enantiômeros e Diastereoisômeros Como discutimos anteriormente, enantiômeros e diastereoisômeros são tipos de este- reoisômeros, a diferença consiste em que os enantiômeros são imagens especulares um do outro e os diastereoisômeros não são. Em nosso exemplo de estereoisômeros (cis-2-buteno e o trans-2-buteno) são diaste- reoisômeros, pois não são imagens especulares um do outro. Em via de regra, os diastereoisômeros são os estereoisômeros quem possuem liga- ções duplas entredois carbonos. Já os enantiômeros se caracterizam por possuir carbonos quirais. Um carbono quiral é aquele que possui suas ligações químicas com átomos ou radicais orgânicos dife- rentes entre si. Observe o exemplo abaixo: Esta é a representação estrutural plana para os compostos (R)-2-butanol e o (S)-2- -butanol. Aparentemente esses compostos são idênticos, porém existe um carbono quiral na estrutural e devido a essa quiralidade os compostos citados são diferentes. O (R)-2-butanol é exatamente a imagem especular do composto (S)-2-butanol, porém não são iguais, pois não se superpõem. E como identificamos a quiralidade na estru- tura? É muito simples, basta verificarmos as ligações químicas de cada carbono da estrutura. No caso do nosso exemplo, os carbonos identificados como sendo 1 3 e 4 (números em vermelho na figura) são aquirais, mas o carbono de número 2é quiral. Vejamos a tabela abaixo: 6 Tabela 1: Ligantes dos carbonos dos isômeros de 2-butanol De acordo com os resultados da tabela, os carbonos aquirais 1,3 e 4 não possuem todas as ligações diferentes, no caso dos átomos de carbono nº 1 e nº 4 há três liga- ções com ligantes iguais (3 hidrogênios). Já para o carbono nº 3 observamos que há dois ligantes iguais (2 hidrogênios). O carbono de nº 2 é de natureza quiral, pois todos os seus quatro ligantes são dife- rentes. Abaixo encontra-se as figuras correspondentes aos dois isômeros referentes ao 2-butanol: Fonte: http://www.chemgapedia.de 7 Os compostos quirais são bastante interessantes, visto que essas moléculas apre- sentam atividade óptica, como por exemplo, os dois isômeros do 2-butanol. A denomi- nação R e S são derivadas dos termos latinos rectus (direito) e sisnister (esquerdo), respectivamente. Se analisarmos esses dois compostos num polarímetro (instrumen- to de análise química instrumental), observamos que o composto (R)-2-butanol desvia luz polarizada para o lado direito do instrumento e o composto (S)-2-butanol desvia luz polarizada para o lado esquerdo do polarímetro. É assim que os químicos diferenciam um composto quiral do outro. A importância do fenômeno isomérico é imensa principalmente para indústria farma- cêutica e de alimentos, pois um composto quiral indesejável num produto medicamen- toso ou alimentício pode ser letal. Dependendo da natureza dos isômeros, podemos ter propriedades físico-químicas muito distintas de um composto para o outro. Veja o caso dos isômeros do ácido bu- tenodióico: Tabela 2: Propriedades físico-químicas dos isômeros do ácido butenodióico. 8 II - Nomenclatura dos Hidrocarbonetos O órgão responsável pela padronização oficial dos nomes dos compostos químicos é a União Internacional de Química Pura e Aplicada, mais conhecida por sua sigla em inglês IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry). Recomendamos a realização de uma boa leitura do nosso livro texto a partir da página 52 e os links relacionados abaixo: 1. http://sereduc.com/QuKefk 2. http://sereduc.com/5t4grs 3. http://sereduc.com/4Q1cg3 III - Propriedades de Alcenos Os alcenos também são denominados em língua portuguesa de alquenos. São hidro- carbonetos que apresentam em suas estruturas pelo menos uma ligação dupla entre átomos de carbono. Na indústria petrolífera também são conhecidos, juntamente com os alcinos, como olefinas, devido às suas propriedades de viscosidade bem diferentes dos alcanos. Tanto os alcenos quanto os alcinos que apresentam até cinco carbonos na cadeia são gases à temperatura ambiente (com exceção do 2-butino e seus derivados diretos). Os alcenos são pouco solúveis em água, mais do que os alcanos e menos que os alcinos. Assim como os demais hidrocarbonetos, alcanos, alcinos e aromáticos, os alcinos apresentam densidade absoluta menor do que a densidade absoluta da água. São altamente inflamáveis, porém promovem combustões incompletas ao contrário dos alcanos, liberando além da água e do gás carbônico, o monóxido de carbono (muito tóxico para seres vivos) e fuligem. Os alcenos estão presentes na indústria química alimentícia, petrolífera, farmacêutica e termoplásticos. Os termoplásticos são derivados diretos de alcenos. Na indústria ali- mentícia, estão presentes na extração dos óleos de vegetais oriundos da soja, milho, girassol e azeitona, todos ricos em ácidos graxos (ácidos orgânicos contendo insatu- rações de duplas ligações em suas cadeias alifáticas). A produção da margarina (gordura vegetal hidrogenada) é obtida por técnicas idênti- cas à hidrogenação dos alcenos sobre os ácidos graxos extraídos dos óleos vegetais. O consumo excessivo de margarina pode ser bastante nocivo, pois como podemos constatar, ela é uma gordura totalmente saturada, a qual não possui boa metaboliza- ção em nossos organismos. 9 Exemplos de estruturas de alcenos e cicloalcenos: IV - Hidrocarbonetos Aromáticos São hidrocarbonetos que contêm ao menos um anel benzênico na estrutura molecu- lar. Aparentemente o benzeno é um composto plano, cíclico contendo 6 carbonos com duplas ligações alternadas, mas na realidade não é bem isso. De fato há 6 carbonos formando o anel, porém o que aparentemente são duplas ligações, de fato, são liga- ções híbridas com características tanto de ligações simples quanto duplas. Vejamos a comparação dos tamanhos de ligações para três compostos abaixo: 10 Analisando os comprimentos de ligação do benzeno, observamos que esses com- primentos são intermediários entre os tamanhos das ligações simples no etano ou ciclohexano e o tamanho da ligação dupla no eteno, sugerindo de fato que as ligações carbono-carbono no benzeno de fato são híbridos. A representação correta do benzeno é um estado híbrido das representações abaixo: Na realidade o benzeno não é nem a primeira e nem a segunda representação canô- nica. Ele é um misto desses dois estados, pois essas ligações duplas são ressonan- tes, ou seja, elas são deslocalizadas (ficam girando no anel), fator pelo qual estabiliza bastante o benzeno. Caso as ligações duplas fossem fixas, o benzeno seria bem menos estável do que de fato é. Ressonância de ligações π é um fenômeno de natureza quântica e muito importante em química. A ressonância do benzeno deve-se a aromaticidade, típica de compostos químicos com duplas alternadas cíclicas ou abertas. Mas atente que nem sempre em compostos com duplas alternadas há ressonância. Há toda uma química específica só para o benzeno e seus derivados. Abaixo está representada a forma correta para o benzeno: Classificação de Compostos Aromáticos 1. Mononucleados: hidrocarbonetos contendo um anel benzênico. 2. Polinucleados: hidrocarbonetos com mais de um anel, isolados ou conden- sados. Exemplos de aromáticos mononucleados: 11 Exemplos de aromáticos polinucleados: a) Não-condensados: b) Condensados: Para maiores detalhes da nomenclatura de compostos aromáticos, recomenda-se a leitura do nosso livro-texto a partir da página 60. Para uma leitura complementar seguem os links abaixo: 1. http://sereduc.com/U8IXCQ 2. http://sereduc.com/fSF37s 3. http://sereduc.com/jAaCpF 4. http://sereduc.com/A8wzNv 5. http://sereduc.com/rLzdeU 12 V - Nomenclatura e Propriedades de Compostos Halogenados Os compostos orgânicos halogenados são aqueles em que um hidrocarboneto qual- quer possui um ou mais átomos de hidrogênio substituídos por átomos da família do halogênio (VIIA). Os halogênios mais comuns em compostos orgânicos são o cloro, flúor, bromo e iodo, nesta ordem de importância. Fórmula Geral: R-X ou Ar-X, onde X=F, Cl, I ou Br; R=cadeia alifática; Ar=cadeia aromática (arila). A regra IUPAC para nomenclatura de compostos halogenados é bastante simples considerando os halogênios presente no composto apenas como uma ramificação agregadaà cadeia principal: Exemplos: Os compostos halogenados podem ser obtidos a partir de reações entre álcoois orgâ- nicos ou fenóis com ácidos inorgânicos ou sais inorgânicos catalisados normalmente por ácido sulfúrico. Também podem ser obtidos por reação de adição de halogênios em insaturações de alcenos e alcinos, reações de substituição de hidrogênios em compostos aromáticos. Os haletos mais simples, com até quatro carbonos na cadeia, em temperatura am- biente são gases. São incolores, com cheiro agradável, mas muito tóxicos, insolúveis em água e solúvel em solventes orgânicos. As propriedades físicas dos haletos são bem próximas das propriedades dos alcanos, pois assim como alcanos os haletos não apresentam associações moleculares fortes tais como ligações de hidrogênio (denominação atual para pontes de hidrogênio). Os 13 haletos não apresentam, em geral, polaridade muito forte como a polaridade que o oxigênio apresenta em cadeias carbônicas. Os haletosmonoclorados e monofluoretados são menos densos que água, já os mo- nobromados e monoiodados são mais densos que a água. Os polihaletos, em parti- cular, são bastante densos, onde temos, por exemplo, o CH2I2 que é o líquido mais denso conhecido da química orgânica (densidade absoluta = 3,32). Para saber mais um pouco, segue os links abaixo: 1. http://sereduc.com/sacTgM 2. http://sereduc.com/2xHgty VI - Estados da Matéria Em seções anteriores já nos deparamos com compostos químicos que em temperatu- ra ambiente podem estar no estado sólido, líquido ou gasoso. Mas o que define então essas substâncias se encontrarem neste tipo de estado físico? Como definir o que é um sólido ou gás? Antes de definirmos os estados físicos, vamos definir primeiramente os fenômenos responsáveis, do ponto de vista físico-químico, pela forma ou estado físico das subs- tâncias. Estamos nos referindo às interações intermoleculares, ou seja, as interações que há entre uma molécula com outras moléculas em sua vizinhança. Interações Intermoleculares As interações moleculares são as responsáveis diretas pelo estado físico de uma determinada substância de natureza covalente, pois os compostos iônicos e ligas me- tálicas estão sempre no estado sólido. As interações intermoleculares são classificadas de acordo com a intensidade ener- gética e força da ligação entre moléculas. Abaixo, listamos as interações intermolecu- lares mais comuns em ordem decrescente de energia e força da interação. 1. Ligações de Hidrogênio (denominação atual para pontes de hidrogênio). 2. Interação íon-dipolo elétrico. 3. Interação dipolo-dipolo elétrico. 4. Interação dipolo-dipolo induzido. 5. Forças de London ou de dispersão. As ligações de hidrogênio têm intensidades equivalentes às interações do tipo íons- -dipolos elétricos, e ambas são aproximadamente equivalentes a um décimo da inten- sidade de uma ligação química covalente ou iônica. 14 As ligações de hidrogênio são tão importantes que a água (H2O) é liquida em tem- peratura ambiente devido à força dessas interações. Se não fosse essa força a água seria gasosa como é o caso do sulfeto de hidrogênio (H2S). As interações de hidrogênio são bastante comuns em estruturas em que há forte po- laridade devido à presença de átomos de oxigênio, nitrogênio e flúor em moléculas polares. As interações mais comuns existentes entre alcanos, alcenos e haletos orgânicos são as interações dipolo-dipolo induzido e as forças de London, fator pelo qual justifica a baixa densidade e baixo ponto de fusão destes compostos quando comparados com a água. Para saber mais detalhes sobre as interações moleculares segue um link bem com- pleto sobre a natureza dessas interações: http://sereduc.com/MJCbzZ Estados da matéria Aprendemos desde muito cedo, ainda na infância, que a matéria tem três estados: o sólido, o líquido e o gasoso. No entanto, no meados do século XX cientistas cons- tataram que na realidade existem cinco estados da matéria e não apenas três como aprendemos. Atualmente, os estados da matéria conhecidos são: 1. Sólido; 2. Líquido; 3. Gasoso; 4. Plasma; 5. Condensado de Bose-Einstein. E como diferenciamos um dos outros? Simples: o estado sólido é o único estado em que a matéria possui forma própria e volume próprio. O estado líquido possui volume próprio, mas não possui forma própria, pois o estado líquido adquire o formato do recipiente que o contém. Já o estado gasoso não possui nem forma e nem volume próprio, tendendo a ocupar todos os espaços e forma do recipiente que o contém. Para os novos estados da matéria as definições são um pouco mais elaboradas, mas simples de entendermos. O estado de plasma é um estado similar ao estado gasoso, porém o suposto gás encontra-se ionizado, caracterizando perda de elétrons em sua composição. O estado de plasma é o estado mais abundante do universo, pois todas as estrelas são grandes massas de gases ionizados, ou melhor, grandes massas compostas de matéria no estado de plasma. O nosso Sol, por exemplo, é uma enorme concentração de átomos de hidrogênio ionizados. O que ocorre no Sol para geração de energia é um processo chamado de fusão nuclear, onde quatro núcleos de hidro- gênios são condensados para formar núcleos plasmáticos de hélio. 15 O condensado de Bose-Einstein foi proposto teoricamente primeiro e só constatado aproximadamente na década de 1970. É um estado da matéria bastante atípico e muito pouco comum, só é verificado em baixíssimas temperaturas (em torno de -270º C!) e até o momento detectado apenas para o gás hélio. O que caracteriza esse es- tado é que ele é um estado híbrido entre o líquido e o estado gasoso. Em suma, este estado é líquido em duas dimensões e gasoso no terceiro componente dimensional! Muito bizarro. Veja o link de vídeo abaixo e confira o quão lindo e interessante pode ser a ciência! http://www.youtube.com/watch?v=dXiQMmqeLOQ Do ponto de vista físico-químico, os estados físicos dos compostos orgânicos são explicados de acordo com a natureza das interações intermoleculares. Em geral, as moléculas orgânicas polares tendem a apresentar interações intermoleculares mais fortes, consequentemente essas moléculas polares tendem a se fundirem ou entrar em ebulição em temperaturas mais altas do que as moléculas apolares com a mesma quantidade de carbonos em suas estruturas. VII - A Química do Petróleo Para encerrarmos essa unidade, vamos introduzir conceitos básicos sobre a química do petróleo. O petróleo é essencialmente composto por hidrocarbonetos, no mínimo em 99% das substâncias presentes no petróleo. O petróleo é uma massa heterogênea, em sua maior parte líquida muito viscosa, mas contendo altas concentrações de gases dissolvidos e resíduos sólidos não solubili- zados. O petróleo contém todas as formas conhecidas de hidrocarbonetos: alcanos, alcenos, alcinos, cicloalcanos, cicloalcenos, cicloalcinos, aromáticos mononucleares e polinucleares. Sabemos que a indústria do petróleo é a mais rentável de todas as áreas, pois uma úni- ca matéria prima produz milhares de produtos diretos e indiretos, como combustíveis, solventes, termoplásticos, piche, asfalto, etc. É a principal fomentadora de matérias primas para indústria farmacêutica e da aplicação de química orgânica em tecnologia. A classificação utilizada pela indústria petroquímica é um pouco diferente da classifi- cação que fazemos em química orgânica. Essencialmente, os componentes do petró- leo são definidos como: parafínicos, olefínicos, naftênicos e aromáticos. Os compostos parafínicos são os hidrocarbonetos de cadeia aberta e saturados, ou seja, são alcanos simples e ramificados. Os compostos olefínicos em geral são ricos em alcenos e alcinos de cadeia aberta. Já os naftenos são misturas de compostos anelares tais como cicloalcanos, cicloalcinos, cicloalcenos e aromáticospolinucleares condensados. Os aromáticos são os derivados de benzeno monucleares e polinucle- ares não-condesados. 16 As parafinas têm praticamente seu uso exclusivo para obtenção de combustíveis, sejam eles gasosos, líquidos ou sólidos. O uso das olefinas é amplamente destina- do para realizar ajustes de viscosidade em combustíveis e em solventes e principal- mente para fomentar a indústria de termoplásticos, os quais são obtidos diretamente dos alcenos ou alcinos. Os nafetenos pertencem à classe dos produtos destinados à fabricação de solventes e lubrificantes e por fim, os aromáticos são destinados à apli- cações mais nobres como a farmacêutica e tecnológica. Existem fatores econômicos que levem em conta o desenvolvimento de um país atra- vés do consumo anual de compostos aromáticos em aplicações tecnológicas. Abaixo segue uma tabelinha com os principais componentes extraídos do petróleo e sua destinação. Tabela 3: Destilados de Petróleo Encerramos aqui nossa segunda unidade. Aproveite bastante e até a próxima. Bons estudos!
Compartilhar