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1 Química Orgânica – Por que estudar? Objetivos: Estudar a estrutura, propriedades, composição e reatividade de compostos orgânicos. Fármacos 2 Bioquímica Síntese de ATP Fisiologia Neurotransmissores 3 Introdução à Química Orgânica e Ligações Químicas Como as ligações químicas são efetuadas entre os átomos de uma molécula orgânica? Todos os átomos do segundo período da tabela periódica (C, N, O e F) podem acomodar oito elétrons na última camada eletrônica de valência, e os mesmos apresentam grande tendência para compartilhar elétrons entre si, atingindo assim a configuração eletrônica de um gás nobre. 4 Configuração eletrônica De que forma os elétrons são distribuídos nas camadas eletrônicas? Fique atento nas informações contidas nas figuras a seguir!!!!!!!!!! 5 Veja alguns exemplos de distribuição eletrônica, e faça o mesmo para todos os principais átomos frequentes nos compostos orgânicos: 6 Ligações Químicas, Eletronegatividade e Regra do Octeto Você deve saber que existe uma relação entre a família (na qual o elemento químico se encontra na tabela periódica) e o número de elétrons que o mesmo possui na última camada eletrônica. Fique atento para os principais átomos presentes nos compostos orgânicos, como H, Na, K, C, N, O, F, Cl, Br, I, S e P. Você deve saber: quantas ligações cada átomo (H, C, N, O, F, Cl, Br, I, S e P) pode fazer, relacionando com o número de elétrons livre na camada de valência. Alguns valores de Eletronegatividade Regra do Octeto – Os átomos tendem a possuir configuração de um gás nobre. Você deve saber o que é eletronegatividade, que existe uma relação entre a eletronegatividade e a regra do octeto 7 De uma maneira simples, 2 coisas podem acontecer: 1. 2 elétrons das camadas de valência dos átomos envolvidos na ligação são compartilhados 2. Transferência de elétrons de valência entre dois átomos Ligação iônica – Força atrativa entre dois íons. Perda e Ganho de elétrons. Exemplo do NaCl Exemplo do LiF Outros exemplos: KI, CaCl2 Você deve saber porque numa ligação iônica são formadas cargas positivas e negativas, além de compreender quantas cargas podem ser formadas relacionando com a regra do octeto 8 Ligação covalente – Compartilhamento de elétrons. Para entendermos melhor este compartilhamento, devemos saber representar uma molécula pela Estrutura de Lewis. Estruturas de Lewis – Fórmulas onde mostramos a disposição eletrônica de todos os elétrons de valência de todos os átomos presentes numa molécula Note que os elétrons compartilhados (aqueles que formam as ligações) são representados como traços, e os pares de elétrons livres são representados como pontos 9 Valência de alguns átomos e a relação com a regra do octeto Você deve saber que o compartilhamento de elétrons é a principal característica da ligação covalente, atendendo a regra do octeto Você deve saber que todos os elétrons da camada de valência que não formam ligações químicas devem ser representados numa estrutura de Lewis Exercício – para cada um dos compostos abaixo, existem ligações iônicas ou covalentes? É importante entender como aparece cargas nos átomos de C, N e O. Tudo tem a ver com eletronegatividade e compartilhamento de elétrons 10 Resumo das principais distribuições eletrônicas para C, N e O 11 Outros exemplos de estruturas de Lewis e Exceções da Regra do Octeto Para os dois exemplos acima, vc deve fazer a distribuição eletrônica dos átomos centrais, e explicar através do processo de excitação de elétrons o porquê dos átomos de cloro e enxofre realizarem mais ligações do que o previsto pela regra do octeto. Carga Formal “Diferença entre o número de elétrons de valência e o número real de elétrons de um átomo numa determinada estrutura química” 12 Pares de elétrons isolados Você deve saber quando aparece uma carga (positiva ou negativa num determinado átomo), a qual normalmente aparece pela quebra de uma ligação deste átomo com outro mais ou menos eletronegativo que o primeiro 13 Exercício – escreva as estruturas de Lewis para cada um dos compostos abaixo Exercício – escreva as estruturas de Lewis para cada um dos compostos abaixo, indicando onde está a carga negativa. Exercício – coloque a carga negativa ou positiva adequada para cada um dos compostos abaixo 14 Representação de estruturas Você precisa saber representar qualquer estrutura química na forma de traços, que os hidrogênios, na maioria das vezes, não são desenhados na representação de traços (mas que estão lá), e saber quantos carbonos existem em uma estrutura química (pois cada extremidade nesta representação equivale a um carbono). Qualquer átomo diferente do carbono e hidrogênio deve ser desenhado na representação de traços. Quantos átomos de carbono e hidrogênio existem em cada estrutura abaixo? Quantos átomos de hidrogênio existem em cada estrutura abaixo? 15 Estrutura Tetraédrica do metano Você deve saber porque o metano possui uma geometria tetraédrica, e não uma estrutura plana no espaço Estruturas de Ressonância 1. Os elétrons na realidade não são partículas sólidas que possam estar em certa posição em um dado instante. 2. É melhor pensar em elétrons como nuvens de densidade eletrônica 3. Essas nuvens frequentemente se espalham ao longo de vastas regiões de uma molécula 16 Ressonância certa: Desenho correto das setas: Outros exemplos 17 18 Você deve saber fazer todas as estruturas de ressonância possíveis para qualquer molécula orgânica, bem como identificar a formação de cargas positivas ou negativas a partir das estruturas de ressonância propostas 19 Exercício – Escreva as estruturas de ressonância para cada um dos exemplos abaixo Exercício – Para cada conjunto de estruturas de ressonância, aponte a que mais contribuiria para o híbrido. 20 Exercício: 21 22 Ligações Sigma () e Pi () Primeiro: Qual o formato dos orbitais s, p, d e f? Tenha em mente, pelo menos, o formato dos orbitais s e p Ligação H-H 23 Orbitais s, p, sp3, sp2 e sp Estados de hibridização Estrutura do Metano 24 Estrutura do Etano Estrutura do Eteno Estrutura do Etino 25 Você deve saber explicar o que é um carbono sp, sp2 e sp3, saber desenhar todos os orbitais e explicar o processo de hibridização. Deve saber ainda que os orbitais que fazem ligações pi não são hibridizados, e assim assumem sempre a geometri do orbital p Ângulos e comprimentos de ligação para Etano, Eteno e Etino Geometria de algumas moléculas – Modelo de Repulsão do Par de Elétrons da Camada de Valência Metano – tetraédrica Amônia – Piramidal Água – Angular 26 Trifluoreto de boro– Trigonal planar Hidreto de berílio e dióxido de carbono – Linear Exercício – Indique a geometria de cada uma das moléculas abaixo Você deve saber desenhar e identificar a geometria correta de todas as moléculas descritas acima, e o porquê das moléculas assumirem suas respectivas geometrias 27 Fórmulas Tridimensionais Exercício – Escreva ao menos 3 representações tridimensionais para cada um dos compostos abaixo. Exercício – Qual dos seguintes íons possuem a configuração de uma gás nobre? Exercício – Para cada par de compostos abaixo, indique se são isômeros ou compostos diferentes. 28 Exercício – Escreva possíveis estruturas de ressonância para cada um dos compostos abaixo. Exercício – Escreva todas as setas para conversão de A para B. Exercício – Explique como a perda de um próton pelo ácido ciânico (a) resulta no mesmo ânion obtido pela perda de um próton pelo ácido isociânico. a. 29 b. Exercício – Indique a relação existente entre cada um dos seguintes pares (o mesmo composto, isômeros, compostos diferentes ou estruturas de ressonância). Você deve saber desenhar qualquer molécula na projeção de Fischer, ou na forma tridimensional, identificando que ligações estão no plano do papel, voltada para frente e aquelas que estão posicionadas para trás 30 COMPOSTOS DE CARBONO REPRESENTATIVOS, GRUPOS FUNCIONAIS E FORÇAS INTERMOLECULARES 1. A estrutura tridimensional de uma molécula orgânica e seus grupos funcionais determinam a função biológica da mesma. 2. Crixivan, é uma droga utilizada em pacientes com AIDS N N OH N H O H N H H H O H HO C6H5 H Crixivan (an HIV protease inhibitor) 1) Crixivan inibe a enzima HIV protease. 2) Utilizando métodos computacionais e outros processos no design racional de fármacos, cientistas chegaram a uma estrutura base que foi usada como ponto de partida (lead compound). 3) Vários compostos baseados nesta estrutura de partida são sintetizados a fim de obter uma potência ótima como uma droga 4) Crixivan interage com uma grande especificidade com a estrutura tridimensional da HIV protease. 5) Um requerimento crítico para esta interação é o grupo hydroxyla (OH), o qual mimetiza um intermediário químico substrato da enzima no vírus da AIDS 6) Cientistas modificam a estrutura do composto para auemntar a sua solubilidade em água pela introdução de uma cadeia lateral 31 Ligações Covalente CARBONO–CARBONO O Carbono forma fortes ligações covalentes com outros átomos de carbono, hidrogênio, oxigênio, enxofre e nitrogênio É esta versatilidade do carbono que explica o fato do mesmo ser o elemento principal na maioria das moléculas presentes nos organismos vivos HIDROCARBONETOS: ALCANOS, ALCENOS, ALCINOS E COMPOSTOS AROMATICOS 1. Compostos saturados: Contém o máximo número de átomos de H (Alcanos). 2. Compostos Insaturados: Contém no mínimo uma ligação dupla (Alcenos) ou uma ligação tripla (alcinos). 3. Compostos aromáticos: Contém um anel, sendoo benzeno o mais comum. 32 BENZENO: UM HIDROCARBONETO AROMÁTICO REPRESENTATIVO Anel de 6 membros com ligações simples e duplas alternadas (Estrutura de Kekulé) H H H H H H or Estrutura de Kekulé Representação de Ligação de linha As ligações C−C são todas de mesmo comprimento (1.39 Å) Teoria de Ressonância: Duas Estruturas de Kekulé Representação do Híbrido de Ressonância Orbital Molecular: 33 LIGAÇÕES COVALENTES POLARES Electronegatividade é a habilidade de um elemento de atrair os elétrons que são compartilhados numa ligação covalente. Quando dois átomos de diferentes eletronegatividades formam uma ligação covalente, os elétrons não são igualmente compartilhados entre eles. O átomo de cloro puxa os elétrons da ligação para perto dele carga parcial negativa O átomo de hidrogênio torna-se deficiente em elétrons carga parcial positiva H Cl + Dipolo: + Um dipole Mapa de Potencial Molecular Eletrostático para o Cloreto de Hidrogênio A direção da polaridade de uma ligação polar é simbolizada por um vetor: 34 (final positivo) (final negativo) H Cl MOLÉCULAS POLARES E APOLARES 1. A polaridade (momento dipolo) de uma molécula é a soma dos vetores dos momentos dipolo de cada ligação polar individual Momentos Dipolo de Algumas Moléculas Simples = carga x distância Formula (D) Formula (D) H2 0 CH4 0 Cl2 0 CH3Cl 1.87 HF 1.91 CH2Cl2 1.55 HCl 1.08 CHCl3 1.02 HBr 0.80 CCl4 0 HI 0.42 NH3 1.47 BF3 0 NF3 0.24 CO2 0 H2O 1.85 Uma orientação tetraédrica de momentos O momento dipolo do cloreto de meti- de ligações iguais faz com que seus efeitos leno origina-se da ligação C-Cl Se anulem 35 Você deve saber que as ligações químicas podem ser polares ou apolares, e ao desenhar uma molécula na sua geometria correta, também deve saber se esta molécula é polar ou apolar Pares de Elétrons Desemparelhados Possuem grandes contribuições para os momentos dipolo Resultados dos Momentos Dipolo para a Água e Amônia Exercício – Como a molécula do dióxido de carbono possue ligações covalente polares e momento dipolo zero? Exercício – Use uma fórmula tridimensional para demonstrar o momento dipolo de CH3OH. Exercício – Explique porque o clorofórmio (CHCl3) possui uma maior momento dipolo que o CFCl3. MOMENTOS DIPOLO EM ALCENOS Propriedades Físicas de Alguns Isômeros Cis-Trans Compound Ponto de Fusão (°C) Ponto de Ebulição (°C) Momento Dipolo (D) Cis-1,2-Dicloroeteno -80 60 1.90 36 Trans-1,2- Dicloroeteno -50 48 0 Cis-1,2-Dibromoeteno -53 112.5 1.35 Trans-1,2- Dibromoeteno -6 108 0 Exercício – Demonstre os momentos dipolo de cada uma das ligações para os compostos abaixo, bem como o momento dipolo resultante. Exercício – Escreva as fórmulas estruturais de cada um dos alcenos de fórmula C2H2Br2 e C2Br2Cl2, e para cada uma delas designe o momento dipolo resultante. Grupos Funcionais GRUPOS ALQUILA E O SÍMBOLO R Alkane Alkyl group Abbreviation CH4 Metano CH3– Grupo metila Me– CH3CH3 Etano CH3CH2– ou C2H5– Grupo etila Et– CH3CH2CH3 Propano CH3CH2CH2– Grupo propila Pr– CH3CH2CH3 Propano CH3CHCH3 ou CH3CH CH3 Grupo isopropila i-Pr– Todos estes grupos podem ser designados por R GRUPOS FENILA E BENZILA 1. Grupo Fenila: 37 2. Grupo Benzila: HALETOS DE ALQUILA OU HALOALCANOS HALOALCANO Cloreto de Alquila Primário (1°), secundário (2°) ou terciário (3°) C H H C ClH H H C H H C C H H H Cl H H H3C C CH3 CH3 Cl A 1 o alkyl chloride A 2 o alkyl chloride A 3 o alkyl chloride 3 o Carbon2 o Carbon1 o Carbon Exercício – Escreva estruturas de dois brometos de alquila primários, um secundário e um terciário com a fórmula C4H9Br. Exercício – Indique os nomes dos compostos abaixo. ÁLCOOIS Grupo Hidroxila 38 C O H This is the functional group of an alcohol Os álcoois podem ser estruturalmente visualizados de 2 maneiras: Comoderivados hidroxílicos de alcanos e derivados alquílicos da água Álcool Primário (1°), secundário (2°) ou terciário (3°) Exercício – Escreva as estruturas de dois alcoóis primários, um secundário e um terciário ambos de fórmula molecular C4H10O. Este é o grupo functional de um álcool 39 ÉTERES Podem ser imaginados como derivados dialquílicos da água AMINAS Podem ser consideradas como derivados alquílicos da amônia Aminas Primária (1°), secundária (2°) ou terciária (3°) 40 A trietilamina possui uma hibridização sp3, e ângulos de ligação próximos ao tetraedro. Exercício – Mostre a reação que ocorreria entre trietilamina e HCl. Exercício – Indique se as aminas a seguir são primárias, secundárias ou terciárias. e) Propilamina; f) trimetilamina; g) etilisopropilamina ALDEÍDOS E CETONAS GRUPO CARBONILA C O The carbonyl group Aldeído R H C O R may also be H Cetona R R C O R R' C O or R 1 R 2 C O or Exemplos de Aldeídos e Cetonas Grupo Carbonila R pode ser H 41 Aldeídos e Cetonas possuem um arranjamento trigonal planar de grupos ao redor do átomo de carbono carbonílico. O átomo de carbono é sp2 hibridizado C O H H 118 o 121 o 121 o Exercício – Escreva as estruturas de 4 aldeídos e 3 cetonas de fórmula C5H10O. ÁCIDOS CARBOXÍLICOS, AMIDAS E ÉSTERES ÁCIDOS CARBOXÍLICOS 42 AMIDAS Possuem as fórmulas RCONH2, RCONHR’, or RCONR’R”: Exercício – Escreva estruturas de ressonância de uma amida. ÉSTERES Possuem a fórmula geral RCO2R’ (or RCOOR’): 43 orR C O O R' RCO2R' or RCOOR' Fórmula Geral orH3C C O O R' CH3CO2CH2CH3 or CH3COOCH2CH3 Acetato de Etila NITRILAS O carbono e o nitrogênio de uma nitrila são sp hibridizados 44 RESUMO DE FAMÍLIAS IMPORTANTES DE COMPOSTOS ORGANICOS Família Exemplo específico IUPAC Nome comum Fórmula Geral Grupo funcional Alcano CH3CH3 Etano Etano RH C–H e C–C Alceno CH2=CH2 Eteno Etileno RCH=CH2 RCH=CHR R2C=CHR R2C=CR2 C C Alcino HC CH Ethine Acetileno HC≡CR RC≡CR C C Aromático Benzeno Benzeno ArH Anel Aromático Haloalcano CH3CH2Cl Cloroetano Cloreto de etila RX C X Álcool CH3CH2OH Etanol Álcool etílico ROH C OH Éter CH3OCH3 Metoximetano Éter dimetílico ROR C O C Amina CH3NH2 Metanoamina Metilamina RNH2 R2NH R3N C N Aldeído CH3CH O Etanal Acetaldeído RCH O C O H Cetona CH3CCH3 O Propanona Acetona RCR' O C O C C Ácido Carboxílico CH3COH O Ácido Etanóico Ácido acético RCOH O C O OH Éster CH3COCH3 O Etanoato de metila Acetato de Metila RCOR' O C O O C Amida CH3CNH2 O Etanamida Acetamida CH3CONH2 CH3CONHR’ CH3CONR’R” C O N Nitrila H3CC N Etanonitrila Acetonitrila RCN C N Você deve saber identificar qualquer grupo funcional em qualquer molécula orgânica 45 PROPRIEDADES FÍSICAS E ESTRUTURA MOLECULAR 1. Propriedades físicas são importantes na identificação de compostos conhecidos 2. Os pontos de fusão (pf) e de ebulição (pe) são propriedades físicas facilmente medidas, sendo úteis na identificação e isolamento de compostos orgânicos Propriedades Físicas de Compostos Representativos Composto Estrutura pf (°C) pe (°C) (1 atm) Metano CH4 -182.6 -162 Etano CH3CH3 -183 -88.2 Eteno CH2=CH2 -169 -102 Éter dimetílico (CH3CH2)2O -116 34.6 Acetato de Etila CH3CO2CH2CH3 -84 77 FORÇAS DE ATRAÇÃO INTERMOLECULARES FORÇAS ÍON-ÍON 1. A forte atração eletrostática em compostos iônicos resulta em altos pontos de fusão 2. Os pontos de ebulição de compostos iônicos são ainda mais altos, onde se decompõem antes que entrem em ebulição Fusão do Acetato de Sódio 46 FORÇAS DIPOLO-DIPOLO Atração Dipolo-dipolo ocorre entre moléculas de compostos polares Potencial Molecular Eletrostático para Moléculas de Acetona Mostrando Atração das Regiões Parcialmente Positivas e Negativas (Interação dipolo-dipolo) PONTES DE HIDROGÊNIO 1. Ponte de Hidrogênio: Uma força de atração dipolo-dipolo entre um átomo de hidrogênio ligado a outro átomo extremamente eletronegativo (O, N, or F) e um par de elétrons não ligante deste outro átomo 2. São força mais fracas que ligações covalentes e muito mais fortes que interações dipolo- dipolo Z H + Z H + Ponte de Hidrogênio (linha pontilhada) Z é um elemento de forte electronegative (oxygênio, nitrogênio, ou flúor) O H H3CH2C + O H CH2CH3 + The dotted bond is a hydrogen bond. Strong hydrogen bond is limited to molecules having a hydrogen atom attached to an O, N, or F atom As Pontes de Hidrogênio explicam o maior valor do ponto de ebulição (78.5 °C) do etanol comparado com o éter dimetílico (–24.9 °C) Pontes de Hidrogênio entre moléculas de Etanol 47 Pontes de hidrogênio e o DNA Exercíco – Para cada par de compostos abaixo, qual você acha que tem o maior ponto de ebulição? FORÇAS DE VAN DER WAALS 1. Forças de Van der Waals Forces (Forças de London ou Forças de dispersão) 1) Forças de atração intermolecular entre moléculas são responsáveis pela formação de um líquido ou um sólido de uma substância não iônica e apolar 2) A distribuição média de carga em uma molécula apolar em um determinado espaço de tempo é uniforme 3) Em um dado instante, devido ao movimento de elétrons, estes elétrons e conseqüentemente a carga pode não se distribuir uniformemente pode ocorrer um pequeno dipolo temporário 4) Este dipolo temporário em uma molécula pode induzir dipolos opostos em moléculas vizinhas Dipolos temporários e dipolos induzidos em moléculas apolares 5) Estes dipolos temporários variam constantemente, produzindo forças entre moléculas apolares, tornando possível a existência dos estados sólido e líquido 48 Você deve saber que forças intermoleculares estão atuando em uma determinada substância, e qua a natureza destas forças irão influenciar nas propriedades físico- químicas dos compostos, principalmente solubilidade e ponto de fusão SOLUBILIDADE 1) A energia necessária para superar as forças de atração intermoleculares ou interiônicas é proveniente da formação de novas forças de atração entre o soluto e solvente 2) Dissolução de substâncias iônicas: hidratação ou solvatação dos íons 3) As moléculas de água, podem circundar com eficácia os íons individuais a medida que eles são libertados da superfície do cristal 4) A alta polaridade da água torna a mesma capaz de formar fortes Pontes de Hidrogênio, bem como atrações Íon-dipolo Dissolução de um Sólido Iônico em Água “Semelhante dissolve Semelhante” 1) Compostos polares e iônicos dissolvem-se em solventes polares 2) Líquidos polares são geralmente miscíveis entre si 3) Sólidos apolares são geralmente solúveis em solventes apolares 4) Sólidos apolares são insolúveis em solventes polares 5) Líquidos apolares são geralmente mutualmente miscíveis 6) Líquidos polares e apolares não se misturam 49 Exemplo: Metanol, etanol e propanol são miscíveis com a água em todas as proporções 1) Álcoois com longascadeias carbônicas são menos solúveis em água A longa cadeia do álcool decílico é dita como uma porção hidrofóbica, enquanto que o grupo OH é dito como um grupo hidrofílico CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2OH Hydrophobic portion Decyl alcohol Hydrophilic group RESUMO DA FORÇAS ELÉTRICAS ATRATIVAS Força Elétrica Intensidade Relativa Tipo Exemplos Cátion-ânion (cristal) Muito forte Rede cristalina do Fluoreto de lítio Ligações covalentes Forte (140-523 kJ mol–1) Pares de elétrons compartilhados H–H (435 kJ mol–1) CH3–CH3 (370 kJ mol–1) I–I (150 kJ mol–1) Íon-dipolo Moderada + + + + Na+ em água Dipolo-dipolo (Incluindo pontes de Hidrogênio) Moderada a fraca (4-38 kJ mol–1) Z H + O H R O RH + + and Porção hidrofóbica Grupo hidrofílico Álcool decílico 50 H3C Cl + H3C Cl + van der Waals Variável Dipolo transiente Interações entre as moléculas do metano Você deve saber o que são substâncias polares e apolares, e a influência destas características na solubilidade e miscibilidade das mesmas Exercícios de preparação para a prova 1. Identifique os grupos funcionais de todas as moléculas abaixo. 2. Escreva as fórmulas estruturais de 4 compostos de fórmula C3H6O e classifique cada um de acordo com seu grupo funcional. 3. Classifique os álcoois como primário, secundário e terciário. 4. Classifique as aminas como primária, secundária e terciária. 51 5. Desenhe as moléculas abaixo na forma tridimensional e indique o momento dipolo resultante. 6. Desenhe as moléculas abaixo. 7. Para cada par de compostos, indique o que teria ponto de ebulição mais alto. 52
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