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1 Química Orgânica Hidrocarbonetos Insaturados Alquenos (Olefinas) e Alquinos A insaturação nos átomos de carbono desses hidrocarbonetos, dá origem às propriedades características dos alquenos e alquinos. Os HC cujas moléculas contêm uma ligação dupla carbono- carbono, são chamados “alquenos”. H H H H C C C C H H Eteno CH3 H (etileno) Propeno (propileno) Apresentam arranjo trigonal (ângulo de ligação de 120°C) Tabela: Alquenos simples Fórmula molecular Nomea Fórmula estrutural C2H4 Eteno (etileno) CH2=CH2 C3H6 Propeno (propileno) CH2=CHCH3 C4H8 Buteno (butileno) CH2=CHCH2CH3b C5H10 Penteno CH2=CHCH2CH2CH3 b C6H12 Hexeno CH2=CHCH2CH2CH2CH3 b a Nome comum entre parênteses b Um dos vários isômeros possíveis Fórmula geral para os alquenos CnH2n 2 Cl CH3 Nomes terminam em “-eno” Os alquenos oferecem a possibilidade adicional para a formação de isômeros. Ex: Buteno ⇒ A ligação dupla pode aparecer em diferentes posições. 1 2 3 4 CH2 CH CH2 CH3 1-buteno 1 2 3 4 CH3 CH CH CH3 2-buteno Isômeros estruturais A cadeia é numerada de modo que o átomo de carbono da ligação dupla tenha o menor número possível. Isomerismo Cis-Trans Uma das características da ligação dupla C=C, é que os átomos de C não apresentam rotação uns em relação aos outros a temperaturas próximas ou até consideravelmente superiores à T ambiente. Ligações simples ⇒ Giram livremente a esta temperatura. A restrição de rotação de grupos unidos por dupla ligação carbono- carbono resulta em um novo tipo de isomerismo. Cl Cl Cl H CH3 CH3 H CH3 C C C C C C C C H H H H H H Cis-1,2-dicloro-eteno Trans-1,2-dicloro-eteno Cis-2-buteno Trans-2-buteno Estes pares de compostos são isômeros (possuem a mesma fórmula molecular C2H2Cl2 e C4H8) e suas estruturas não são superponíveis. No entanto, não são isômeros estruturais (A ordem de ligação dos átomos é o mesmo em cada um). Diferem entre si somente no arranjo espacial de seus átomos. Isômeros deste tipo ⇒ Estereoisômeros (Isomeria Cis-Trans ou Geométrica) 3 Outros exemplos: Cl H C C Cl H Cl Cl C C Cl H 1,1-dicloro-eteno 1,1-tricloro-eteno (Não há isomerismo cis-trans) (Não há isomerismo cis-trans) F F F Cl C C Cl Cl C C Cl F Cis-1,2-difluoro-1,2-dicloro-eteno Trans-1,2-difluoro-1,2-dicloro-eteno O isomerismo Cis-Trans não existe se um átomo de carbono da ligação dupla sustenta dois grupos idênticos. - Os isômeros Cis-Trans têm propriedades físicas diferentes (PE e PF diferentes) e diferem bastante na grandeza de seus momentos dipolares. Propriedades físicas dos alquenos Os alquenos apresentam essencialmente as mesmas propriedades físicas dos alcanos - São insolúveis em H2O, mas bastante solúveis em solventes apolares (benzeno, éter, CHCl3). - Menos densos que a água - Os PF e PE aumentam com o aumento do tamanho da cadeia. - Os PE de cada alqueno é aproximadamente o mesmo que o do alcano com esqueleto carbônico semelhante - Momentos de dipolo > que nos alcanos (os elétrons podem ser facilmente arrancados) 4 H2C 3 2 Os alquenos podem ter mais de uma dupla ligação na molécula. Ex: Alqueno com 2 duplas é chamado dieno A posição da ligação dupla é indicada por um número na frente do nome. Por exemplo: 1,3-butadieno CH2 CH CH CH2 Fontes de obtenção de alquenos Os alquenos são bastante distribuídos na natureza. Por Ex: Os compostos responsáveis pela cor do tomate, da cenoura, do camarão fervido e das folhas das árvores no outono, são um grupo de poliolefinas chamadas de carotenos (grande n° de duplas conjugadas) Os carotenos participam de fotossíntese e são intermediários da biossíntese da vitamina A e em outros processos que se realizam nas células. CH3 H CH3 CH3 H H H H3C C H3C H H H C H 2 C CH2 CH C C H2C C C C C C C C C C C C C C C C 2 C C C C H2C CH H C C CH3 H2 H H H H H CH3 H CH3 CH3 -caroteno H3C CH3 H CH3 CH3 H H2 C C C C H C C C C C H H H C C C OH C H C CH3 H2 Vitamina A1 5 Os terpenos são os componentes mais importantes dos óleos essenciais (compostos de folhas, caules, flores ou ramos que possuem o odor ou aroma da planta) A maioria deles contém 10, 15, 20 ou 30 átomos de C. - Antigamente acreditava-se que eram derivados de uma unidade de 5 átomos: O isopreno (2-metil-1,3-butadieno) CH3 CH2 C CH CH2 Deu origem à regra do isopreno e ajudou a estabelecer a estrutura destes compostos. Ex: Limoneno Obtido do óleo de limão ou laranja (terpeno cíclico) HC H2C CH3 C H C CH2 CH2 Limoneno H2C C CH3 Ele é formado de 2 unidades de isopreno interligados para formar um anel. Outro ex: HC H2C CH3 C C CH2 CH Existente na essência de coentro H3C CH CH3 Terpineno 6 - Hoje sabe-se que o precursor destes compostos (terpenos) é o ácido mevalônico (a partir da acetil-Co-A e pirofosfato de isopentenila) - A maioria dos terpenos são voláteis, evaporam facilmente (a exalação de terpenos pelas plantas e árvores é uma fonte natural de hidrocarbonetos na atmosfera) (A neblina que às vezes se forma sobre áreas de densa vegetação é devida a reações de terpenos no ar). - O isopreno encontra-se também na borracha natural (látex). A sua insaturação tem enorme importância, pois permite a vulcanização, ou seja, a formação de pontes de enxôfre entre as diferentes cadeias. - A reticulação torna a borracha mais dura e mais forte, eliminando a pegajosidade do produto não tratado. CH 3 CH3 C CH CH2 CH2 C CH CH2 CH2 C CH CH 3 CH 2 Borracha natural (Configuração CIS em torno das ligações duplas) Configuração TRANS ⇒ Gutta-percha CH2 7 C O Petróleo e o Gás Natural Fornecem os alcanos que constituem a matéria- prima principal na obtenção de produtos químicos orgânicos. Através de diferentes formas de craqueamento, podem obter-se certas substâncias mais reativas como: - Hidrocarbonetos aromáticos (benzeno, tolueno, xilenos) - Alquenos de menor PM (etileno, propileno e butilenos) A partir destes compostos e também o metano é que se preparam a maioria dos compostos aromáticos e alifáticos. - Os alquenos e os alquinos são muito mais reativos do que os alcanos, devido às insaturações que promovem reações de adição. - A ligação dupla carbono-carbono nos alquenos constitui o grupo funcional que determinará as reações características destes compostos. Reações de adição Esse tipo de reação promove a ruptura da ligação (mais fraca) e se formam em troca, duas ligações fortes. O orbital encontra- se menos preso, é mais polarizável A adição pode ser iônica ou por radical livre. Iônica ⇒ Favorecida por solventes polares + - C C C Radical ⇒ Favorecida por solventes apolares . . C C C C 8 Halogenação - Os alquenos são facilmente convertidos pelo cloro ou pelo bromo em compostos saturados. Em geral, o iodo não reage. A adição do bromo é uma reação extremamente útil para a detecção da ligação dupla C=C. A solução de bromo em CCl4 é vermelha; o dihaleto como no alqueno é incolor. A perda de cor numa solução de bromo é característica de compostos que contêm a ligação dupla C=C. CH 2 CH 2 Eteno + Br2 CCl4 H Br H C C H Br H 1,2-dibromo-etano Mecanismo - Acredita-se que a halogenação de alquenos é uma adição eletrofílica. Eletrófilo : Espécie deficiente em elétrons. 9 CH3 H3C + H3C + Efeito dos substituintes sobre a velocidade da adição A adição é facilitada pela presença de substituintes doadoresde elétrons nos átomos de C da ligação dupla. C C C C C C C C H CH2 CH2 CH2 CH COOH CH2 CHCl A presença de núcleo benzênico acelera muito a reação X CH CH2 2 CH CH2X - Reação com haletos de hidrogênio CH CH2X + A facilidade de adição: HF < HCl < HBr < HI (facilidade relativa de doação de próton → HF menos ácido) Se a olefina for assimétrica (Ex: propileno) O HCl poderia adicionar-se de 2 formas possíveis. H H + C H + H C C C C Cl - H3C H H C C H H H Cl - H Carbocátion primário H H H H H Propileno Não acontece (> tendência à formação de um carbocátion secundário) Cl H H3C H H C C H H Cl Carbocátion secundário Regra Markovnikov: O grupo mais negativo liga-se ao átomo mais substituído dos insaturados de C. CH3 H3C CH3 H3C H3C H H3C H3C H H H3C H H + C H3C H3C H 10 + A adição de haletos de hidrogênio a olefinas apresenta dificuldades experimentais. Em solução aquosa ou solventes hidroxílicos, a hidratação catalisada por ácidos constitui-se em reação competitiva. Em solventes menos polares é favorecida a formação de radical. Na presença de peróxidos, a adição de HBr inverte a regra de Markovvnikov. (Só o HBr) No caso do ácido hipocloroso (HO-Cl): - + A polarização acontece no sentido HO Cl - + Cl HO Cl OH Cl CH3 CH CH2 CH3 CH CH2 CH3 CH CH2 Hidrogenação Método mais útil na preparação de alcanos Método geral de conversão de ligações duplas (C=C) em ligações simples (C-C) em quase todos os tipos de compostos encontrados. - Mantendo as mesmas condições reacionais (aparelhagem, catalisador, etc.) Podemos transformar por exemplo: Alquenos Álcoois insaturados Ésteres insaturados em seus compostos análogos saturados 11 Variando o catalisador e as condições de reação, pode-se hidrogenar seletivamente uma ligação múltipla, mas não outra. Ex: - 1 ligação dupla C=C, mas não uma dupla C=O - 1 ligação tripla, mas não uma ligação dupla - até mesmo uma determinada ligação dupla e não outra. A hidrogenação pode ser: a) Heterogênea (2 fases) b) Homogênea (1 fase) Em ambos os casos, o catalisador conduz à adição de H2 molecular à ligação dupla. a) Hidrogenação heterogênea Método clássico (o catalisador é um metal finamente dividido, geralmente, Pt, Pd, Ni) Agita-se uma solução de alqueno sob leve pressão de hidrogênio, em presença de uma pequena porção de catalisador. A reação processa-se rápida e suavemente. Após a reação estar concluída, o catalisador insolúvel é separado do produto por filtração. Exemplos: H2, Pd 1,2-dimetil-ciclohexeno cis-ciclohexano H3C C C CH3 H3C H2, Pd C C CH3 H H Dimetil-acetileno cis-2-buteno CH3 CH3 CH3 CH3 12 b) Hidrogenação homogênea Muito mais recente, apresenta uma flexibilidade que não é possível alcançar com os catalisadores do tipo antigo. A hidrogenação é extremamente seletiva - Catalisadores são complexos orgânicos dos metais de transição como ródio ou irídio. São solúveis em solventes orgânicos produzindo a hidrogenação numa única fase, a solução. Inconveniente - Separar o catalisador do produto da reação - Desenvolvimento de métodos para evitar esse problema Catalisador fixado por ligação química a um polímero (molécula gigante), sólido, insolúvel, o que permite uma fácil separação por filtração posterior. - A hidrogenação homogênea, torna-se heterogênea; no entanto, a seletividade continua a mesma. - A reação é geralmente quantitativa e é fácil medir o volume de hidrogênio consumido. Portanto, a hidrogenação é usada como método de análise para determinar o número de ligações duplas existentes num composto. H H H H C C + H2 H H H C C H A hidrogenação é exotérmica ⇒ As duas ligações (C-H) que se formam são, juntas, mais fortes que a ligação (H-H) e a ligação que se rompem. Catalisador ⇒ A sua função consiste em baixar a Eativação, de modo a que a reação possa produzir-se rapidamente a temperatura ambiente. Hidrogenação homogênea: Utilizando complexos de metal de transição, podem realizar-se reações totalmente estereoseletivas. H H 13 O.H CH3 C CH2 + H H O + .. O O + + 4 2 4 Hidratação A adição de água catalisada por ácidos à dupla ligação de um alqueno é um método conveniente para a preparação de álcoois secundários e terciários. - Os ácidos normalmente usados para catalisar a hidratação dos alquenos são: ácido sulfúrico e ácido fosfórico. (Normalmente não se usam haletos de hidrogênio como fontes de prótons por sua tendência a se adicionarem). Os íons HSO - produzidos pelo H SO são fracamente nucleófilos e se forem adicionados seriam facilmente eliminados (hidrolisados pela H2O) A adição de água à dupla ligação segue a regra de Markovnikov (geralmente não se formam álcoois primários). CH3 CH3 C CH2 2-metil-propeno + HOH H+ 25°C CH3 CH3 C OH CH3 Mecanismo: .. H. H + (meio ácido) álcool-t-butílico CH3 CH3 H CH3 C + CH3 H H + O.. Etapa predominante da velocidade da reação (formação de carbocátion) H CH3 CH3 H O H + CH3 C OH CH3 H CH3 C CH3 H H H A hidratação é uma reação importante na conversão de frações de petróleo em álcoois. Reações de hidratação/Desidratação → Reversível [H2O] favorece a hidratação; [H+] favorece a desidratação 14 O OH OH O Oxidação Os alquenos sofrem algumas reações de oxidação da ligação dupla carbono-carbono. Ex: O permanganato de potássio (KMnO4) e o tetróxido de ósmio (OsO4), podem ser usados para promover a oxidação de alquenos a glicóis (equivalente à adição de 2 grupos hidroxila à ligação dupla) CH2 CH2 + KMnO4 a frio OH - CH2 CH2 Eteno OH OH (etileno) Etileno glicol CH3 CH CH2 OsO4 Na SO CH3 CH CH2 2 4 Propeno OH OH (propileno) Propileno glicol Mecanismos: CH2 CH2 + - CH2 O CH2 O CH2 CH2 + MnO2 Mn Cis-1,2-diol Os alquenos também podem ser oxidados com perácidos (RCOOOH). . H O CH2 CH2 + C R CH2 .O CH2 H CH2 CH2 O - + HO + H Trans-1,2-diol É possível controlar estereoespecificamente a hidroxilação das olefinas para obter-se estruturas Cis-Trans à vontade O Mn O O O O H2O OH OH 15 + + Halogenação de dienos conjugados Orbitais deslocalizados ⇒ Transmissão de reatividade ao sistema todo. Mais estáveis que os dienos em que as duplas não são conjugadas. Embora mais estáveis tendem a sofrer reações de adição mais facilmente do que os não-conjugados. Ex: Bromação do butadieno CH2 CH CH CH2 H+ Protonação favorecida (carbocátion secundário estabilizado por conjugação) CH2 CH H CH CH2 Br- CH2 CH CH CH2 (adição 1,2) CH2 CH CH CH2 H CH2 CH CH CH2 (adição 1,4) A presença de conjugação não torna obrigatória a adição 1,4 apenas a possibilita. Adição 1,2 ⇒ Tende a ocorrer a temperaturas baixas e solventes apolares. Adição 1,4 ⇒ Tende a ocorrer a temperaturas elevadas e solventes polares. _ Outros tipos de reação de importância industrial Polimerização ⇒ A partir de olefinas como butadieno, etileno, propileno, estireno. H H Br Br 16 H H H H Alquinos Os alquinos comportam-se de maneira similar aos alquenos. A diferença reside em que nos alquinos, 2 moléculas do reagente podem reagir com cada ligação tripla. Ex: Hidrogenação do alquino H C C 2 H2 Ni, Pd H C C H Alquino Alcano No entanto, utilizando-se condições apropriadas,a reação pode ficar limitada ao primeiro estágio da reação. Ex: Hidrogenação de alquinos ⇒ Formação de alquenos R C C R' Na, Li NH3 H2 R C C R' Trans H H2 Catalisador de Lindlar C C (Pd/CaCO3) R R' Cis Cada uma destas reações é altamente estereoseletiva. - A estereoespecificidade dos alquenos é extremamente importante em sistemas biológicos. Ex: Pesquisa no campo das feromonas e outras substâncias biologicamente ativas Desenvolvimento de métodos novos e altamente estereoseletivos para formar a ligação dupla (C=C) numa molécula. Mais simples e mais usado: Hidrogenação de alquinos. H H H H 17 OCOCH3 Acetato de (Z)-dodeceno-8-ilo-1 (93%) Acetato de (E)-dodeceno-8-ilo-1 OCOCH3 (7%) Os sistemas biológicos, de uma maneira geral, apresentam elevado grau de estereoespecificidade. - Particularmente evidente na ação de feromonas (compostos produzidos por um organismo com o fim de comunicar-se com outro organismo da mesma espécie: para atrair indivíduos do sexo oposto, para lançar o alarme, para assinalar pistas de alimentos) Comunicação ⇒ Distâncias apreciáveis Ex: O macho da limântria (borboleta) ⇒ Recebe o sinal de uma fêmea a quilômetro e meio de distância. Outro exemplo: Acetato de (Z)-dodeceno-9-ilo-1 OCOCH3 (Atraente sexual da traça das uvas) Acetato de (E)-dodeceno-9-ilo-1 OCOCH3 (Atraente sexual da torcedora uvas) Traça dos gomos do pinheiro Mistura (Atraente sexual da borboleta do bicho da fruta asiático) O isômero Z “puro” é totalmente inativo. 18 X X X Br Br Br Br HgSO4 H2SO4 C OH Adição de halogênios X2 X2 C C C C H C C H Ex: (X2=Cl2 ; Br2) CH3 C CH Br2 CH3 C CH Br2 CH C C H O intermediário formado é um cátion vinílico: CH3 + C CH - A adição de ácidos próticos aos alquinos produz-se praticamente à mesma velocidade dos alquenos. - Frente à adição de halogênios, os alquinos são considera- velmente menos reativos que os alquenos. - Nos alquenos forma-se um cátion halônio. Nos alquinos é mais difícil se formarem estes intermediários cíclicos. Hidratação dos alquinos (Tautomeria) Os alquinos adicionam água facilmente quando a reação é catalisada por ácidos fortes e íons mercúrio (Hg++). O álcool vinílico que é produzido inicialmente é geralmente instável, e se rearranja rapidamente a um aldeído ou cetona. H C C + H2O CH C C H O álcool vinílico aldeído ou cetona * O rearranjo envolve o deslocamento do próton para o carbono adjacente. “Tautomeria ceto-enólica” C C H O.. . C C .O.. H + H + * Existe efetivamente um equilibrio entre as duas estruturas, mas geralmente deslocado em favor da forma cetônica Forma enol Forma ceto X X X Br Br 3 19 - Oxidação dos alquinos Alquinos tratados com permanganato de potássio básico, sofrem quebra oxidativa, do mesmo modo que os alquenos. R C C R' KMnO4 OH , 25°C RCOO- + R'COO- H + RCOOH + R'COOH Os produtos da reação são ácidos carboxílicos. Os ácidos carboxílicos são facilmente identificáveis e a partir deles, localizar a posição da ligação tríplice de um alquino. Ex: 3-hexino Propriedades físicas dos alquinos - As propriedades físicas são muito semelhantes às dos alquenos e dos alcanos. - Apenas ligeiramente solúveis em água. Solúveis em solventes de baixa polaridade (tetracloreto de carbono, éter e alcanos). - Como os alcanos e alquenos, menos densos que a água. - Os três primeiros alquinos são gases à temperatura ambiente. 20 Hidrocarbonetos cíclicos É possível formar um anel constituído de átomos de carbono. (esse tipo de composto é um Hidrocarboneto cíclico) O cicloalcano mais simples possui 3 átomos de carbono H2C CH2 CH2 Propano na forma de anel Existe uma série inteira de cicloalcanos. Designados colocando- se o prefixo “ciclo” na frente do nome correspondente alcano de cadeia aberta. Cicloalcanos Fórmula molecular Nome Fórmula estrutural C3H6 Ciclopropano CH2 H2C CH2 C4H8 Ciclobutano H2C CH2 H2C CH2 C5H10 Ciclopentano CH2 H2C CH2 H2C CH2 C6H12 Ciclohexano CH2 H2C CH2 ( ) H2C CH2 * CH2 * O anel de 6 membros, representa o tamanho e a forma de anel mais comum em moléculas orgânicas encontradas nos seres vivos. (Os átomos de C não são coplanares ⇒ aparecem acima e abaixo do plano do papel) 21 - Os cicloalcanos, especialmente os menores, são muito reativos porque as ligações estão “tensas”. Os ângulos internos são menores do que o ângulo normal (109,5°) do carbono tetraédrico. * O anel rompe-se rapidamente quando outros átomos se ligam a cada um dos dois carbonos terminais. Ex: Reações de adição de moléculas de hidrogênio para formar alcanos lineares. CH2 H2C CH2 + H2 CH3CH2CH3 Ciclopropano Propano H2C H2C CH2 CH2 + H2 CH3CH2CH2CH3 Butano Ciclobutano O ciclopropano, um gás incolor de aroma adocicado, é um anestésico largamente usado que age rapidamente, mas que pode ser explosivo quando misturado com oxigênio. Cicloalqueno Exemplos: Hidrocarboneto cíclico com uma ou mais ligações duplas entre átomos de carbono do anel. CH CH2 CH CH2 CH CH CH CH CH2 CH2 Ciclopenteno Ciclopentadieno
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