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FUNDAMENTOS DE QUÍMICA ORGÂNICA E INORGÂNICA Felipe Lange Coelho Funções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticos Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados: � Descrever os hidrocarbonetos, os álcoois e os ácidos carboxílicos. � Reconhecer a nomenclatura e exemplos de aldeídos, cetonas e aminas. � Identificar a nomenclatura e as aplicações de amidas e compostos aromáticos. Introdução O estudo da química orgânica não deixa de estar relacionado ao estudo da vida e dos objetos ao seu redor. Antes de começar a estudar, você ingeriu proteínas, açúcares, vitaminas, etc. durante a sua alimentação, que irão se transformar em outras moléculas orgânicas no seu organismo, por meio de reações bioquímicas (orgânicas), fornecendo energia para o seu corpo. Você está utilizando essa energia para abrir o livro e ler o seu conteúdo. Durante a leitura, os seus olhos utilizam outra molécula orgânica, o cis-retinal, para transformar a luz visível em impulso nervoso. Esse impulso será transmitido pelo seu cérebro, via neurotransmissores, como a serotonina, fazendo com que você interprete e raciocine o que está lendo. Além deste, diversos outros ciclos biológicos, como o ciclo de Krebs ou o ciclo do nitrogênio, são governados por diversas moléculas orgânicas. Todo esse conhecimento foi desenvolvido durante séculos, sendo que, inicialmente, imaginava-se que as moléculas orgânicas tinham uma força vital e somente derivavam de seres vivos. Depois surgiram, no início do século XVIII, os primeiros relatos da preparação de ácidos graxos a partir de gorduras, até o presente momento, em que são conhecidas moléculas e reações orgânicas de alta complexidade. Como todo conhecimento tem um início, neste capítulo, diversas classes de compostos orgânicos serão apresentadas, junto da sua nomenclatura e aplicação. Entre estes, compostos constituídos somente por carbono e hidrogênio (hidrocar- bonetos), compostos oxigenados (álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos e cetonas) e compostos nitrogenados (aminas e amidas). Hidrocarbonetos Ao longo dos seus estudos de química, você viu que uma ligação química é formada pela sobreposição de dois orbitais atômicos. No caso do carbono, pode- -se atribuir que as ligações sejam realizadas a partir de orbitais hibridizados sp, sp2 ou sp3. Se você pensar na ligação entre quatro átomos de hidrogênio e um de carbono, a molécula formada é o metano, que é o hidrocarboneto mais simples existente. Agora, imagine a formação de ligações carbono-carbono entre três, quatro, cinco ou seis átomos de carbono, todos por meio de ligações simples. Todas essas moléculas propostas são alcanos, sendo que, da mesma forma, outros milhares de exemplos de alcanos podem ser pensadas unindo carbonos e hidrogênios. Os hidrocarbonetos são divididos em duas classes principais: os alifáticos e os aromáticos (CAREY, 2011). Os alifáticos se distinguem entre alcanos, alcenos e alcinos, pela presença de ligações duplas ou triplas (ligações insatu- radas) na estrutura carbônica. O etano, o eteno e o etino, ilustrados na Figura 1, são hidrocarbonetos alifáticos pertencentes, respectivamente, ao grupo dos alcanos, alcenos e alcinos. Os compostos aromáticos têm propriedades físicas e químicas bastante distintas dos alifáticos e são, geralmente, exemplificados pelo benzeno. Funções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticosFunções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticos2 Figura 1. Ilustração de hidrocarbonetos alifáticos e aromáticos. Embora seja mais comum pensar na estrutura linear dos alcanos, a mesma quantidade de carbonos permite arranjos estruturais diferentes, em outras palavras, um alcano contendo quatro carbonos, por exemplo, pode ter diferentes isômeros. Observe na Figura 2 que, nos casos do etano (C2H6) e do propano (C3H8), existe apenas um arranjo linear dos átomos de carbono. Porém, isso não é observado para estruturas maiores, com quatro, cinco ou seis carbonos. Observe que para o butano (C4H10), duas formas são possíveis, ao passo que para o pentano (C5H12), os carbonos podem se arranjar de três maneiras dife- rentes. Extrapolando para um alcano com 30 carbonos, o número de isômeros possíveis ultrapassa os 4 milhões (McMURRY, 2011). Figura 2. Isomeria em alcanos com a mesma quantidade de carbono. Ao longo do último parágrafo, foram introduzidas as nomenclaturas dos alcanos compostos por 2 a 5 carbonos. Continuando, o Quadro 1 apresenta a nomenclatura dos alcanos de cadeia carbônica maior. Sendo assim, por exemplo, os alcanos lineares C8H18, C12H26 e C21H44 são denominados, respectivamente, octano, dodecano e heicosano. 3Funções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticosFunções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticos Fonte: Adaptado de Carey (2011). Número de átomos de carbono Nome 1 Metano Etano Propano Butano Pentano Hexano Heptano Octano Nonano 10 Decano 11 Undecano 12 Dodecano 13 Tridecano 14 Tetradecano 15 Pentadecano 16 Hexadecano 17 Heptadecano 18 Octadecano 19 Nonadecano 20 Icosano 21 Henicosano 22 Docosano 23 Tricosano 24 Tetracosano 30 Triacontano 31 Hentriacontano 32 Dotriacontano 40 Tetracontano 50 Pentacontano 100 Hectano Quadro 1. Nomenclatura de alcanos lineares Funções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticosFunções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticos4 A nomenclatura de grupos alquila é semelhante à dos alcanos. Os grupos alquila são originados da remoção de um hidrogênio de um alcano. Por exemplo, a remoção de um hidrogênio de um metano (CH 4 ) dá origem ao grupo metila (–CH 3 ). Perceba que esses grupos não são espécies estáveis, eles são parte integrante de uma molécula maior. Assim, quando você observa um –CH 3 ligado a um heteroátomo, por exemplo, você constata que aquele heteroátomo está ligado a um grupo metila. Os grupos alquila são nomeados substituindo a terminação -ano nos alcanos (Quadro 1) por -ila. Observe que a remoção do hidrogênio pode ocorrer (I) na extremidade da cadeia ou (II) nos carbonos ao longo da cadeia. A seguir, serão vistos os principais grupos alquila que você estudará ao longo do curso de química orgânica. Vale destacar que os prefixos iso, sec e tert eram, inicialmente, nomenclaturas usuais, porém, a grande utilização desses nomes em textos científicos fez com que se tornassem padrão. De um modo geral, a União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) determina que a nomenclatura de qualquer composto orgânico é cons- tituída de três partes: prefixo + cadeia principal (infixo) + sufixo. O prefixo se refere aos substituintes, a cadeia principal indica o número de carbonos que a constitui e o sufixo indica a função química. No caso dos alcanos lineares, como não existe a presença de substituintes, os prefixos met, et, prop, but, etc. indicam a quantidade de carbonos na cadeia e a terminação -ano indica a classe dos compostos (alcanos) (McMURRY, 2011). Pref ixo Cadeia principal Suf ixo Onde estão os substituintes? Quantos átomos de carbono? Qual é a função química? 5Funções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticosFunções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticos Já para o caso de compostos com algum substituinte na cadeia principal, a nomenclatura é determinada seguindo algumas etapas. Essas etapas são discutidas a seguir. Etapa 1: identifique a cadeia principal, sendo essa a cadeia que tem maior númerode átomos de carbono. Note que dependendo de como a molécula foi desenhada, a cadeia principal não está aparente. Etapa 2: identifique os substituintes ligados à cadeia principal. Etapa 3: numere a cadeia principal de forma que os grupos substituintes estejam ligados ao carbono com o menor índice possível, ou, em outras pa- lavras, inicie a numeração pela extremidade que contenha um substituinte mais próximo. Funções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticosFunções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticos6 Etapa 4: escreva o nome do composto de acordo com a norma da IUPAC. Relembrando: a nomenclatura será formada por prefixo + cadeia principal + sufixo. Para o caso de compostos cíclicos, o prefixo ciclo- é adicionado antes da nomenclatura do respectivo alcano linear. Sendo assim, enquanto o alcano linear C6H14 é denominado hexano, o respectivo alcano cíclico é o cicloexano. O menor cicloalcano tem três carbonos, o ciclopropano, e geralmente não se observa compostos maiores que o ciclooctano. As mesmas etapas empregadas para descrever a nomenclatura dos alcanos substituídos são utilizadas para dar nome a outras classes de compostos que você verá a seguir, em que a mudança do sufixo determina a classe do composto em questão. No caso dos alcenos e alcinos, os sufixos que indicam a respectivas classes são eno e ino. A identificação da cadeia principal deve ser atribuída contendo a ligação dupla ou tripla. A numeração da cadeia também deve priorizar a ligação insaturada com o menor número. No caso do 6-Bromo-3-propil-1-hexeno, a cadeia principal é a que contém seis carbonos e a ligação dupla, em vez da cadeia de sete carbonos totalmente saturada. Além disso, a numeração inicia na ligação dupla e, ao longo da cadeia principal, existem dois substituintes, um brometo (posição 6) e uma propila (posição 3). Para as moléculas que apresentam ligação dupla e tripla na sua estrutura, os chamados eninos, a numeração é iniciada pela extremidade mais próxima, a primeira ligação insaturada. A nomenclatura para esses compostos contém os infixos en e in, em que a numeração indica a posição em que cada ligação está localizada. A Figura 3 ilustra a estrutura do 2-etil-1-penten-3-ino (McMURRY, 2011). 7Funções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticosFunções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticos Figura 3. Exemplos de alcenos e alcinos e suas nomenclaturas. Embora a nomenclatura correta segundo a IUPAC seja a abordada neste capítulo, diversos compostos são conhecidos pelos seus nomes usuais. Alguns desses nomes são até mais utilizados que os nomes padrão segundo a IUPAC. É o caso do eteno e do etino, que são comumente denominados como etileno e acetileno, respectiva- mente. O mesmo ocorre com outras diversas classes de compostos. A acetona, por exemplo, é uma cetona que não é comercializada utilizando o seu nome padrão, e sim o usual. A nomenclatura de cetonas, bem como de outros compostos oxigenados, será discutida a seguir. Compostos oxigenados As classes de compostos orgânicos contendo oxigênio que serão abordadas neste capítulo são os álcoois, os ácidos carboxílicos, os aldeídos e as cetonas, sendo que as amidas serão tratadas na próxima seção. A Figura 4 apresenta as estruturas genéricas dessas classes. Como você pode observar, o grupo funcional que caracteriza os álcoois é a hidroxila (OH), enquanto que nos ácidos carboxílicos é a carboxila (COOH) e nas cetonas e aldeídos é a carbonila (C=O). Nestes últimos, a diferença consiste em um dos substituintes da carbonila ser um hidrogênio, configurando um aldeído, ou a carbonila estar ligada a dois carbonos, sejam eles primários, secundários ou terciários, caracterizando uma cetona (CLAYDEN; GREEVES; WARREN, 2000). Funções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticosFunções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticos8 Figura 4. Classes de compostos orgânicos oxigenados. A regra geral de nomenclatura apresentada na seção anterior permanece válida, na qual os sufixos são alterados conforme a classe. Observe o Quadro 2 com as derivações para a determinação da nomenclatura de compostos orgâ- nicos, em que se desconsidera a presença de substituintes. Agora que você já está familiarizado com a nomenclatura dos hidrocarbonetos, observe que os sufixos ano (alcano), eno (alceno) e ino (alcino) são formados, na realidade, por an+o, en+o e in+o, nos quais o prefixo que define os hidrocarbonetos é o e os complementos an, en e in indicam a presença de ligações simples, duplas ou triplas (CAREY, 2011). Fonte: Adaptado de McMurry (2011). Número de carbonos Saturação da cadeia Função 1 C: met 2 C: et 3 C: prop 4 C: but 5 C: pent 6 C: hex 7 C: hept 8 C: oct 9 C: non 10 C: dec an: ligação simples en: ligação dupla in: ligação tripla o: hidrocarboneto ol: álcool oico: ácido carboxílico ona: cetona al: aldeído Quadro 2. Nomenclatura de compostos orgânicos À medida que os seus estudos em química orgânica forem avançando, sur- girão moléculas mais complexas que apresentam, além dos grupos funcionais característicos de determinada classe, ligações duplas ou triplas. Assim, se fazem 9Funções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticosFunções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticos necessárias designações tanto para as funções orgânicas quanto para insatura- ções ou substituintes presentes. Na Figura 5 estão ilustrados alguns compostos com as suas respectivas nomenclaturas, que serão discutidas a seguir com base no Quadro 2 anterior. Nessa Figura 5, são apresentados compostos de menor complexidade de cada uma das classes de compostos oxigenados. São estes o pentanol, o ácido butanoico, a 3-pentanona e o hexanal. Nesses compostos, não existem substituintes e a nomenclatura é obtida por meio da determinação do número de carbonos da cadeia principal e a utilização do sufixo adequado. Quando o grupo funcional que caracteriza a classe do composto está presente duas ou mais vezes, antes do sufixo, se utiliza as derivações di, tri, tetra, etc., para determinar a quantidade deste. Na Figura 5, os compostos 1,2,3-propanotriol, 2,4-hexadiona e ácido 2-cloro-3-metil-hexanodioico apre- sentam essa regra na sua nomenclatura. A exemplificação da nomenclatura de compostos orgânicos que apresentam insaturações é apresentada pelos compostos 4-hexen-2-ona, ácido hepta-3,5-dienoico e 2-butenal. Note que nesse último ácido carboxílico, a derivação di é referente às duas ligações duplas, e não à presença das duas carboxilas, sendo que sempre a derivação que indica a instauração é escrita antes do prefixo referente à classe (CAREY, 2011). Figura 5. Exemplos de álcoois, ácidos carboxílicos, cetonas e aldeídos. Funções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticosFunções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticos10 Outro ponto que pode gerar dúvida é a posição dos números que indicam a localização dos grupos funcionais e insaturações. No caso da 2,4-hexadiona, os números que indicam as carbonilas estão posicionados antes na nomenclatura, enquanto que na 4-hexen-2-ona, esses números estão no meio do nome do composto. No primeiro caso, o composto apresenta somente a carbonila de grupo funcional, portanto, a numeração obrigatoriamente se refere à posição desta. No segundo caso, é necessário indicar a posição da carbonila e também da instauração, assim, a ligação dupla é indicada antes do nome, enquantoo grupo funcional é indicado antes do sufixo correspondente. Até o presente momento, foram abordados compostos que apresentam somente um grupo funcional na sua estrutura. Porém, se um composto tiver, por exemplo, uma carboxila (COOH) e uma hidroxila (OH) substitu- ídas na cadeia principal, o sufixo utilizado é o dos álcoois ou o dos ácidos carboxílicos? Nesses casos, alguns grupos funcionais têm prioridade em relação a outros. A Figura 6 indica a ordem decrescente de prioridade das classes estudadas neste capítulo. Portanto, respondendo o questionamento anterior, o sufixo utilizado seria o do ácido carboxílico e a hidroxila seria tratada como substituinte, da forma como apresenta o exemplo da Figura 6 (McMURRY, 2011). Figura 6. Ordem de prioridade para definição do sufixo na nomenclatura. Fonte: McMurry (2011). 11Funções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticosFunções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticos Compostos nitrogenados e aromáticos As últimas classes abordadas serão as aminas, as amidas e os compostos aromáticos. Para os compostos nitrogenados, reitera-se o que foi discutido anteriormente no que se refere à composição da nomenclatura (prefixo + cadeia principal + sufixo), à numeração dos carbonos na cadeia principal, à presença de insaturações, etc. O sufixo empregado para descrever aminas é justamente amina, por exemplo, metilamina (H3CNH2). As aminas são classificadas como primárias, secundárias ou terciárias de acordo com o número de substituintes ligados ao nitrogênio. A nomenclatura passa a ser mais complexa à medida que os substituintes no nitrogênio são distintos. Por exemplo, uma amina que tem um grupo metila, uma etila e uma tert-butila como substituintes é nomeada de N-etil-N-metil-tert-butilamina, em que o maior substituinte é definido como o nome principal e os demais substituintes em ordem alfabética seguidos de N-, que indica a ligação com o nitrogênio. A Figura 7 também apresenta aminas secundárias e sua nomen- clatura (CLAYDEN; GREEVES; WARREN, 2000). Figura 7. Aminas primárias, secundárias e terciárias. Funções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticosFunções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticos12 As amidas são caracterizadas pela ligação entre o nitrogênio e um grupo carbonila. Esses compostos são derivados dos ácidos carboxílicos em que a hidroxila é substituída por uma amina. As amidas estão presentes tanto na natureza quanto em produtos farmacêuticos e materiais. Na natureza, as ligações peptídicas, que são ligações do tipo amida, são responsáveis por ligar os aminoácidos para a formação de peptídeos e proteínas, e também pela sua conformação, uma vez que as ligações de hidrogênio presentes entre os grupos amida são responsáveis pela estrutura secundária das amidas. As amidas sintéticas podem ser aplicadas como material para fabricação de diversos bens de consumo. O nylon, presente em tecidos, e o Kevlar, que é empregado em eletroeletrônicos, equipamentos de segurança, vestuário, etc., são exemplos de poliamidas de alta relevância industrial. Na área farmacológica, diversas drogas têm um grupo amida, como o paracetamol, a penicilina e o LSD. Um solvente muito utilizado em processos químicos, a dimetilformamida, é uma amida líquida e incolor com alto ponto de ebulição. A nomenclatura das amidas é semelhante à das aminas, que levam em consideração o número de substituintes no nitrogênio. Se a amida não tem substituintes, o nome é formado por prefixo + infixo + amida. Se for mo- nossubstituída (um hidrogênio substituído por um grupo alquila), o nome é formado por N + nome do radical + prefixo + infixo + amida. De maneira semelhante, a maneira como as amidas secundárias são nomeadas é N,N + nome dos radicais + prefixo + infixo + amida. A Figura 8 ilustra a estrutura e a nomenclatura de algumas amidas (CAREY, 2011). Figura 8. Estrutura e nomenclatura de amidas. A última classe de compostos abordada nesse capítulo são os aromáticos. Como as regras para definir a aromaticidade de um composto não serão estudadas neste capítulo, o benzeno é o principal representante dessa classe e será utilizado nas discussões. A aplicação do benzeno é tão grande que ele é considerado um bloco de construção na química, ou seja, uma estrutura 13Funções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticosFunções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticos que serve como base para o desenvolvimento de diversas outras. Na natureza e na indústria, observamos o benzeno em aminoácidos, neurotransmissores, fármacos, solventes, polímeros, etc. O radical alquílico do benzeno é a fenila, portanto, quando o benzeno é o substituinte de alguma outra classe, é comum que seja nomeado dessa forma. A nomenclatura dos derivados do benzeno segue a regra genérica em que o sufixo utilizado é próprio nome benzeno. Na Figura 9, você pode observar a estrutura no aminobenzeno ou do etilbenzeno. Já no ácido benzoico e no benzaldeído, o benzeno é o substituinte. Portanto, seguindo as regras de prioridade, os sufixos utilizados são os do ácido carboxí- lico e do aldeído, respectivamente. A acetofenona é um exemplo de composto em que o radical fenila é utilizado na nomenclatura (McMURRY, 2011). Figura 9. Compostos aromáticos. Ao longo do curso, não será incomum ver compostos que são designados pelo seu nome usual. Alguns deles, com o tempo, são memorizados, porém, tenha em mente que as regras universais da IUPAC são as aconselhadas para nomear qualquer composto químico. Da mesma forma, o número de classes de compostos orgânicos não se restringe aos que foram discutidos neste capítulo. Portanto, necessitando nomear algum composto, os manuais da IUPAC contêm as regras para todas as classes, inclusive aquelas mais complexas. Funções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticosFunções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticos14 CAREY, F. A. Química orgânica. 7. ed. Porto Alegre: Bookman, 2011. v. 1. CLAYDEN, J.; GREEVES, N.; WARREN, S. Organic chemistry. Oxford: Oxford University Press, 2000. MCMURRY, J. Química orgânica. 7. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2011. Leitura recomendada CAMPBELL, M. K.; FARRELL, S. O. Bioquímica. 3. ed. Artmed, 2001. 15Funções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticosFunções orgânicas: hidrocarbonetos, álcoois, ácidos carboxílicos, aldeídos, cetonas, aminas, amidas e aromáticos Conteúdo:
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