Relatório 1 - Grupos funcionais

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DEPARTAMENTO DE QUÍMICA – ICEx – UFMG
QUI031 – Química Orgânica Experimental
CURSO PRÁTICO REMOTO – 1º SEMESTRE DE 2020
RELATÓRIO
1) Objetivos
· Investigar a natureza orgânica de um composto através da caracterização de alguns grupos funcionais.
· Diferenciar algumas classes de compostos orgânicos.
2) Reações envolvidas na prática/técnicas de laboratório utilizadas.
2.1	Diferenciação de hidrocarbonetos saturados e insaturados
2.2	Caracterização e diferenciação de álcoois
 ZnCl2 
ROH + HCl RCl + H2O
2.3	Caracterização de haletos de alquila
RX + AgNO3 AgX + RONO2
2.4	Caracterização e diferenciação de aldeídos e cetonas
		a) Utilizando solução de 2,4-dinitrofenilhidrazina (2,4-DNFH)
		
b) Utilizando reagente de Fehling
		Solução A: (Solução aquosa de CuSO4)
		Solução B: (Solução aquosa de tartarato de sódio e potássio em KOH)
	
2.5	Caracterização de ácidos carboxílicos
		R-COOH + NaHCO3 R-COONa + CO2 + H2O
2.6	Caracterização de Fenóis
		ArOH + FeCl3 [Fe(OAr)6]3- + 3H+ + 3HCl
3) Metodologia.
Materiais
Tubos de ensaio, estante para tubos de ensaio, bico de gás, pinça de madeira.
Reagentes
Água destilada, solução aquosa a 4% de permanganato de potássio (KMnO4,) ciclo-hexano, ciclo-hexeno, etanol, ciclo-hexanol, terc-butanol, ácido acético, formol, acetona, cloreto de terc-butila, solução aquosa a 10% de fenol, Reagente de Lucas, solução aquosa a 10% de nitrato de prata (AgNO3), 2,4-dinitro-fenil-hidrazina, Reagente de Fehling, solução aquosa a 10% de bicarbonato de sódio (NaHCO3), solução etanólica a 10% de cloreto férrico (FeCl3), Br2/CCl4.
Procedimentos
Teste com permanganato de potássio (Teste para insaturação)
Colocou-se cerca de 1mL do composto 1 num tubo de ensaio e cerca de 1mL do composto 2 em outro tubo de ensaio. Adicionou-se 2 gotas de solução de KMnO4 a cada tubo. O resultado foi observado e anotado. 
Teste com Br2/CCl4 (Teste para confirmar o resultado anterior)
Colocou-se cerca de 1 mL do composto insaturado em outro tubo de ensaio. Cuidadosamente, adicionou-se 2 gotas de uma solução de bromo em tetracloreto de carbono. O resultado foi observado e anotado.
Teste de Lucas (Diferenciação entre álcoois primários, secundários e terciários)
Colocou-se cerca de 1 mL do reagente de Lucas em 3 tubos de ensaio. Adicionou-se 5 gotas do composto 3 no primeiro tubo de ensaio, 5 gotas do composto 4 no segundo tubo e 5 gotas do composto 5 no terceiro tubo. Os tubos foram agitados. Os resultados foram observados e anotados. 
Teste com nitrato de prata (Teste para haletos)
Adicionou-se 1 mL do composto 6, em um tubo de ensaio. Adicionou-se 3 gotas da solução de nitrato de prata. O tubo foi agitado. O resultado foi observado e anotado.
Teste com 2,4-dinitrofenil-hidrazina (Teste para grupo carbonila)
Colocou-se 2 gotas do composto 7 em um tubo de ensaio, o mesmo foi feito para o composto 8. Adicionou-se cerca de 1 mL de solução de 2,4-dinitrofenil-hidrazina já preparada em cada um dos tubos. Os resultados foram observados e anotados. 
Teste com reagente de Fehling (Diferenciação de carbonila de aldeído e cetona)
Adicionou-se 1 mL da solução A de Fehling e 1 mL da solução B de Fehling e agitou-se o tubo. Em seguida, adicionou-se 3 gotas do composto 7, o tubo foi cuidadosamente aquecido em um bico de gás. O procedimento foi repetido para o composto 8. Os resultados foram observados e anotados.
Teste com bicarbonato de sódio (Teste para ácido)
Colocou-se 1 mL do composto 9 em um tubo de ensaio e adicionou-se cerca de 1 mL de solução de NaHCO3. O resultado foi observado e anotado.
Teste com o cloreto férrico: (Teste para fenóis)
Colocou-se 1 mL do composto 10 em um tubo de ensaio, adicionou-se 2 gotas da solução de cloreto férrico. O resultado foi observado e anotado.
4) Discussões.
A seguir são apresentados os resultados observados nas reações realizadas durante a aula.
Tabela 1 – Resultados observados durante a aula prática.
	Composto
	Reagente
	Observações
	Funções presentes
	1
	KMnO4
	Houve formação de precipitado marrom.
	Insaturação
	2
	KMnO4
	Não houve formação de precipitado.
	Hidrocarboneto saturado
	1
	Br2
	Solução manteve-se incolor.
	Insaturação
	2
	Br2
	A solução incolor se tornou marrom.
	Hidrocarboneto saturado
	3
	Reagente de Lucas
	Não houve turvação.
	Álcool primário
	4
	Reagente de Lucas
	Houve turvação, e esta ocorreu lentamente.
	Álcool secundário
	5
	Reagente de Lucas
	Houve turvação, e esta ocorreu rapidamente.
	Álcool terciário
	6
	AgNO3 
	Houve formação de precipitado branco.
	Haleto de alquila
	7
	2,4-dinitro-fenil-hidrazina
	Houve formação de precipitado amarelo.
	Carbonila
	8
	2,4-dinitro-fenil-hidrazina
	Houve formação de precipitado amarelo.
	Carbonila.
	7
	Reagente de Fehling
	Solução permaneceu azul.
	Carbonila - cetona
	8
	Reagente de Fehling
	Houve formação de precipitado marrom.
	Carbonila - aldeído alifático
	9
	NaHCO3
	Houve formação de bolhas.
	Ácido carboxílico
	10
	FeCl3
	A solução amarela se tornou vermelho escuro
	Fenol
Teste para identificar insaturações.
O composto 1 possui uma insaturação (trata-se do ciclo-hexeno), portanto, diante da presença do íon permanganato, um forte agente oxidante, em meio aquoso e condições brandas de temperatura, haverá a oxidação do alceno, e consequente formação de um diálcool, e redução do permanganato a óxido de manganês. Em termos visuais, inicialmente, diante da presença de permanganato, a solução é púrpura e à medida que ocorre a reação e forma-se óxido de manganês, que precipita, a cor muda para marrom. Em algumas situações, é difícil perceber essa mudança de cor, pois a solubilidade entre o ciclo-hexeno e a solução aquosa é muito pequena, dificultando o contato entre os reagentes. Abaixo, apresenta-se o mecanismo de reação proposto.
	O composto 2 não possui insaturação (trata-se do ciclo-hexano), portanto, não acontecerá reação de oxidação para este composto, assim, a cor da solução não se altera. E assim como no composto anterior, percebe-se a presença de duas fases, a orgânica e a aquosa.
Confirmação do teste de insaturações. 
	Para o composto 1, quando em contato com a solução de bromo, ocorre uma adição à dupla ligação, onde, primeiramente, o nucleófilo (dupla ligação do ciclo-hexeno) ataca a molécula de bromo, formando uma carga parcial na molécula atacada, ocorrendo a liberação do íon brometo e a formação do íon ciclo-hexeno bromônio. Posteriormente, o íon brometo ataca um dos carbonos, e por meio de uma reação SN2, forma-se um dialoalcano, o 1,2-dibromo-ciclo-hexano. Inicialmente o tubo contendo o alceno é incolor, já a solução de bromo é marrom. Quando ocorre a adição da solução de bromo ao alceno, o bromo é consumido na reação, e por isso a solução continua incolor. Abaixo, apresenta-se o mecanismo de reação proposto.
Para o composto 2, diante da presença de bromo, não ocorre nenhuma reação, por isso, a solução de alcano, anteriormente incolor, torna-se marrom, devido a presença de moléculas de bromo.
Diferenciação entre álcoois primários, secundários e terciários.
	O processo de diferenciação de álcoois utilizando o reagente de Lucas (ZnCl2 anidro em HCl) consiste no tempo gasto para a precipitação de cloreto de zinco na reação. A reação deve ocorrer da seguinte forma: os prótons presentes na solução serão atacados por um dos pares de elétrons livres do oxigênio da hidroxila, ocorrendo a liberação de água e formação do carbocátion. Após essa etapa, um dos átomos de cloro ligados ao zinco, ataca o carbocátion, formando cloreto de alquila. Essa reação é uma Substituição Nucleofílica Unimolecular (SN1). Quanto a estabilidade de carbocátions, os carbocátions terciários são mais estáveis que os secundários, que por sua vez são mais estáveis que os carbocátions primários. A estabilização de carbocátions ocorre pelo efeito de hiper conjugação, no qual os grupos ligados ao carbono positivo, podem em maior oumenor grau, contribuir para suprir a deficiência eletrônica do carbono positivo.
Para o composto 3 (etanol), em contato com o reagente de Lucas, não ocorre precipitação de cloreto de zinco em tempo observável, pois esta reação é muito lenta. O carbocátion primário que deveria ser formado é muito instável, por esse motivo, não ocorreu formação de precipitado.
Para o composto 4 (ciclo-hexanol) em contato com o reagente de Lucas, o intermediário de reação é um carbocátion secundário. Essa espécie é relativamente estável, entretanto, sua formação é moderadamente lenta, por esse motivo, necessita-se de agitar o tubo de ensaio contendo a solução por cerca de 15 minutos até que a reação ocorra, ao final desse tempo, forma-se o precipitado de cloreto de zinco, confirmando a ocorrência da reação.
Para o composto 5 (terc-butanol) em contato com o reagente de Lucas, o intermediário de reação é um carbocátion terciário. Essa espécie é muito estável, por isso, a reação ocorre muito rapidamente e a formação de precipitado é instantânea.
Teste para identificar haletos.
	Para o composto 6 (Cloreto de terc-butila), a primeira etapa da reação envolve a formação do carbocátion, para isso, ocorre a saída do íon cloreto. Após isso, quando em contato com nitrato de prata em solução, o íon nitrato (nucleófilo) ataca o carbocátion, gerando o produto. A formação do precipitado branco, se dá pela formação de cloreto de prata.
Teste para identificar carbonilas
	Para o caso dos compostos 7 e 8 (acetona e formol, respectivamente), em contato com a 2,4-dinitro-fenil-hidrazina, ocorre uma adição nucleofílica ao carbono da carbonila, com consequente eliminação de grupo de saída. O mecanismo é o mesmo para ambos os compostos. O par de elétrons livres do nitrogênio da amina ataca por trás o carbono da carbonila, os elétrons da carbonila se aproximam ainda mais do oxigênio, e forma-se um intermediário quadrático pouco estável devido ao impedimento e repulsão estérica. Neste momento, pode ocorrer a migração de um próton do nitrogênio para o oxigênio (equivalente a uma protonação/desprotonação da molécula). Após, o par de elétrons livres do nitrogênio estabelece uma segunda ligação com o carbono, ao mesmo tempo que a hidroxila ataca o novo próton da amina e torna-se um bom grupo abandonador, saindo na forma de água.
Teste para diferenciar carbonilas de aldeídos e cetonas
	Para o composto 7 (acetona), quando em contato com o reagente de Fehling, não ocorre reação de oxidação pois o carbono da carbonila está ligado a dois outros carbonos. Por isso não se observou mudança de cor na solução de Fehling após a adição do composto 7.
	Para o composto 8 (formol), quando em contato com o reagente de Fehling, ocorre a oxidação do carbono da carbonila, formando-se ácido carboxílico, e redução do íon cúprico (cobre II) formando óxido cuproso. A cor azul inicial, se deve devido ao íon cúprico que, quando reduzido a óxido cuproso, torna-se marrom avermelhado.
Teste para identificar ácidos
	Para o caso do composto 9 (ácido acético), em contato com o bicarbonato de sódio, ocorre uma reação de neutralização ácido-base. Essa reação forma acetato de sódio, água e libera gás carbônico, motivo pelo qual se observa a formação de bolhas durante a reação. O íon bicarbonato ataca o hidrogênio ácido, formando ácido carbônico que é rapidamente decomposto em água e gás carbônico, que é liberado para a atmosfera.
Teste para identificar fenóis
	Para o caso do composto 10 (fenol), quando em contato com cloreto férrico, forma-se um complexo de fenolato de ferro e cloreto de hidrogênio. A mudança de cor ocorre justamente pela formação do complexo.
QUESTIONÁRIO
1) Caracterize quimicamente cada uma das funções: alcano, alqueno, álcool, cetona e éster.
	Alcanos são hidrocarbonetos (compostos formados por átomos de carbono e hidrogênio, com esqueleto de carbonos) ligados apenas por ligações simples, não havendo ligações múltiplas entre os átomos. Devido a sua composição, os alcanos são compostos hidrofóbicos, insolúveis em água.
	Alcenos são hidrocarbonetos em que existe pelo menos uma ligação dupla entre átomos de carbono. Devido a sua composição, os alcenos também são compostos hidrofóbicos, insolúveis em água.
	Álcoois são compostos formados principalmente por átomos de carbono e hidrogênio, no qual existe pelo menos um grupamento hidroxila (--OH) ligado a um carbono na molécula. Podendo haver mais de um grupamento hidroxila (--OH) ligado a mais de um carbono na molécula.
	Cetonas são compostos formados principalmente por átomos de carbono e hidrogênio, no qual existe pelo menos um grupamento carbonila (C=O) no interior da cadeia de carbonos. Portanto, a menor cetona contém três carbonos, pois o carbono da carbonila deve estar ligado a 2 outros carbonos. Como cada carbono faz apenas quatro ligações, o carbono da carbonila da cetona não pode estar ligado a nenhum hidrogênio.
	Ésteres são compostos derivados de ácidos carboxílicos, para haver um éster, é necessário que um carbono esteja ligado a dois hidrogênios, sendo por dupla ligação a um deles (carbonila (C=O)) e por ligação simples ao outro. O oxigênio que faz a ligação simples com o carbono, deve ainda estar ligado a outro carbono. Considerando que o carbono faz quatro ligações, e estando duas ligações sendo feitas com um oxigênio, e uma ligação com outro oxigênio, falta uma ligação. Esta ligação restante pode estar sendo feita com carbono ou hidrogênio.
2) Por que uma cetona dá resultado negativo na reação de Fehling?
	No teste de Fehling ocorre a oxidação do aldeído e a redução do íon cúprico, que é um agente oxidante fraco. As cetonas, na sua maioria, só podem ser oxidadas por agentes oxidantes fortes. Por isso, diz-se que os aldeídos atuam como agentes redutores, enquanto as cetonas não.
3) Quais são as velocidades relativas dos álcoois primário, secundário e terciário no teste de Lucas? Justifique com base na estabilidade dos carbocátions formados.
	No teste de Lucas a velocidade de reação para álcoois terciários é maior do que para álcoois secundários, que por sua vez, é maior que a velocidade para álcoois primários. Quanto a estabilidade de carbocátions, os carbocátions terciários são mais estáveis que os secundários, que por sua vez são mais estáveis que os carbocátions primários. A estabilização de carbocátions ocorre pelo efeito de hiper conjugação, no qual os grupos ligados ao carbono positivo, podem em maior ou menor grau, contribuir para suprir a deficiência eletrônica do carbono positivo. O carbocátion terciário está ligado à três carbonos, então os três carbonos contribuem para reduzir a deficiência eletrônica do carbono positivo, enquanto o carbocátion secundário está ligado à dois carbonos, portanto, só dois carbonos contribuem para reduzir a deficiência eletrônica, já no caso do carbocátion primário, apenas um carbono contribui para reduzir a deficiência eletrônica do átomo positivo. Quanto maior a deficiência eletrônica do carbocátion, menor será sua estabilidade.
4) Suponha que você possua três frascos sem rótulos que contenham o 3-hepteno, o benzeno e o etanol, não misturados. Proponha uma forma de identificá-los.
	Submetendo-se os três compostos aos mesmos testes, o 3-hepteno (alceno) será identificado pelo teste de insaturação utilizando permanganato de potássio, e a confirmação será feita pelo teste de Br2 em CCl4.
	Para identificar o etanol, pode ser submeter os três compostos ao teste de Jones, onde o ácido crômico oxida os álcoois primários , promovendo mudança na coloração da solução.
	Para a identificação do benzeno, poderia ser realizado o teste de chama – a aparição de uma cor amarela fuliginosa indica a presença do benzeno.
5) Conclusões.
Através deste experimento, foi possível identificar e diferenciar algumas classes de compostos orgânicos, com base nos grupos funcionais através da observação do comportamento dessas substâncias quando em contato com reagentes característicos de identificação.
6) Referências Bibliográficas.
SOLOMONS, T. W. G.; FRYHLE,C.B. Química Orgânica Volumes 1 e 2. 7ª Edição. Rio de Janeiro: LTC, 2008.