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Química Orgânica 1 Prof. Dr. Christian Guimarães 1 Centro Universitário Central Paulista APOSTILA QUIMICA ORGANICA 1 PROF. DR. CHRISTIAN GUIMARAES CGUIMARAESSP@HOTMAIL.COM Química Orgânica 1 Prof. Dr. Christian Guimarães 2 REFERENCIAS PARA ESTUDO As seguintes referencias, além do conteúdo dessa apostila, devem ser utilizadas como fonte para estudo dos temas versados em aula. 1. ALLINGER, N L. Química Orgânica. 2 ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1985. 2. MCMURRY, John. Química Orgânica. vol. 1 e 2. 6 ed. Cengage Learning, 2005. 3. SOLOMONS, T. W. Graham; Fryhle, Craig B. Química Orgânica, vol. 1 e 2. 9 ed. LTC, 2009 4. SILVERSTEIN, R.M. Identificação espectroscópica de compostos orgânicos. 6 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2000. 5.BARBOSA, L. C. A., Introdução à Química Orgânica São Paulo: Prentice Hall, 2004. 6. ROZENBERG, I. M. Química geral. 2 ed. São Paulo: São Paulo: E. Blücher, 2002. 7. RUSSELL, J. B., Química geral. 2 ed. São Paulo: Pearson Makron Books, 2004. RECOMENDAÇÕES PARA O BOM ACOMPANHAMENTO DO CONTEÚDO DA DISCIPLINA 1. Evitar ao máximo a perda de aulas teóricas e práticas; 2. Encarar a disciplina de química orgânica como um desafio a ser superado e não como um obstáculo intransponível; 3. Relembrar a química básica que servirá de referencia para a compreensão da química orgânica; 4. Estabelecer metas de estudo para que sempre após cada aula ministrada possa ser avaliado e fixado o conteúdo apresentado; 5. Nunca deixar de questionar o professor caso um assunto abordado não tenha sido completamente compreendido, valer-se do conceito de que "Afinal não existe pergunta boba mas apenas o bobo que não perguntou quando tinha dúvidas"; 6. Procurar organização de raciocínio e tempo para se dedicar aos estudos e cumprimento das tarefas e desafios apresentados em aula; 7. Como um bom profissional em formação encarar a disciplina com seriedade e comprometimento. QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 3 1. RELEMBRANDO ALGUNS CONCEITOS DE QUIMICA GERAL TEORIA ÁCIDO-BASE Os fundamentos da teoria eletrônica de acidez foi originalmente estabelecida pelo americano G. N. Lewis em 1916, porém somente a partir de 1923 que a sua teoria foi aceita, o qual estendeu a definição de ácidos e bases além daqueles conceitos de Brønsted- Lowry, tanto do ponto de vista teórico como experimental. De acordo com a teoria de Lewis: “Base é definida como um doador de par de elétrons e ácido como um receptor de par de elétrons” Considere a seguinte reação geral: O exemplo mais simples de um ácido de Lewis é um próton, H+, o qual aceita um par de elétrons quando ele se liga à molécula de amônia para formar um íon amônio: A molécula de amônia forneceu um par de elétrons e, portanto de acordo com a definição de Lewis é uma base, de modo semelhante à teoria de Brönsted. A vantagem da definição de Lewis sobre a de Brönsted é que podemos identificar substâncias como ácidos ou bases mesmo quando não há transferência de prótons (o papel do próton é essencial na definição de Brönsted, porque a definição de um ácido ou uma base depende do envolvimento de prótons). O resultado da combinação de uma base de Lewis e um ácido de Lewis é chamado um complexo (como no exemplo da formação do amônio). A ligação entre o ácido de Lewis e a base de Lewis foi através de uma ligação covalente onde um par de elétrons fornecido pela base ao ácido está agora sendo compartilhado por ambas as espécies químicas que lhe deu origem (trata-se de uma ligação covalente coordenada). QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 4 São bases de Lewis São ácidos de Lewis H2O SOLUÇÕES Solução é um sistema homogêneo formado por no mínimo dois componentes: o solvente e o soluto. O solvente é o que se encontra em maior proporção e que apresenta o mesmo estado de agregação da solução. Os demais são os solutos. Na maioria das vezes, quando falamos de soluções, o que vem à mente são as soluções aquosas usadas em laboratórios, como as mostradas na imagem acima. Elas geralmente são formadas por um soluto sólido ou líquido dissolvido na água. No entanto, não são apenas esses tipos de soluções químicas que existem, mas muitas outras, que podem ser classificadas de acordo com três critérios principais: 1. Estado físico da solução; 2. Estados físicos do soluto e do solvente; 3. Natureza do soluto. Segundo cada um desses critérios, as soluções podem ser classificadas em: QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 5 Solução Soluto Solvente Exemplos Sólida Sólido Líquido Gás Sólido Sólido Sólido Ligas metálicas (prata em ouro) Amálgamas Hidrogênio adsorvido em paládio Líquida Sólido Líquido Gás Líquido Líquido Líquido Açúcar em água Água em alcóol Bebidas gaseificadas (contém dióxido de carbono dissolvido) Gasosa Sólido Líquido Gás Gás Gás Gás Pó fino no ar (fumaça) Gotas de água no ar (neblina) Ar (oxigênio, dióxido de carbono) Concentração o termo que utilizamos para fazer a relação entre a quantidade de soluto e a quantidade de solvente em uma solução. As quantidades podem ser dadas em massa, volume, mol, etc. Por exemplo, se 80,0g (80,0 gramas) de hidróxido de sódio (NaOH) for dissolvido em exatos 1,0L (1,0 litro) de água, a concentração da solução é de 80,0g/L. Isso significa que em 1,0L de solução de hidróxido de sódio tem 80,0g dele. 80,0 g de NaOH + 1,0 L de água = 80,0 g/L de solução de NaOH Essa concentração também pode ser expressa em mol/L (concentração molar ou M). Para isso, basta calcular quantos mol de NaOH tem em 80,0g dele. Isso é feito calculando-se inicialmente o peso molecular da molécula de NaOH a partir dos pesos atômicos do sódio (Na), oxigênio (O) e do Hidrogênio (H). Como o peso atômico do Na = 23,0g/mol; O = 16,0 g/mol e H = 1,0 g/mol (consultados em uma tabela periódica), e a molécula de NaOH é formada por um átomo de sódio, um de oxigênio e um de hidrogênio, o peso molecular será a soma desses pesos atômicos que é igual a 40,0g/mol. Desta forma pode-se interpretar que 1 mol de NaOH tem 40,0g de NaOH. Ora, se 40,0g de NaOH corresponde a 1,0 mol, 80,0g (massa do álcali adicionada a 1,0 L de água) corresponderá a 2,0 mol. Dessa forma a concentração molar de uma solução de 80,0g/L de NaOH é de 2,0mol/L. usando regra de três: 1,0 mol de NaOH --------- 40,0g deNaOH x mol de NaOH ---------- 80,0g de NaOHݔ = 80,0݃ ܺ 1,0 ݈݉40݃ = 2,0݈݉/ܮ QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 6 Concentração Comum (C) É a relação entre a massa do soluto em gramas e o volume da solução em litros. Onde C = concentração comum (g/L) m1= massa do soluto(g) V = volume da solução (L) Concentração comum é diferente de densidade, apesar da fórmula ser parecida. A densidade é sempre da solução, então: Na concentração comum, calcula-se apenas a msoluto, ou seja, m1 Molaridade (M) A molaridade de uma solução é a concentração em número de mols de soluto e o volume de 1L de solução. Onde M = molaridade (mol/L) n1= número de mols do soluto (mol) V = volume da solução (L) DILUIÇAO DE SOLUÇÕES A diluição de soluções ocorre quando acrescentamos solvente a alguma solução, com isso o volume da solução aumenta e sua concentração diminui, porém a massa do soluto permanece inalterada. Isso é feito, por exemplo, quando diluímos um produto de limpeza antes de usá-lo. Um exemplo de diluição ocorre ao prepararmos um suco a partir de suco concentrado. Os rótulos de muitos sucos indicam que um copo desse suco deve ser diluído ou misturado a 5 copos de água. Assim, o suco fica “mais fraco”, isto é, menos concentrado. Imagine que se diluiu um suco desses em 3,0 L de água. Se a concentração inicial do suco era de 40,0g/L, significa que tinha uma massa de 40,0g de suco para cada litro do solvente. Mas como no final teremos 3,0L, a massa será dividida por 3 e a concentração do suco diluído será então de aproximadamente 13, 33 g/L, ou 13 gramas para cada litro de solução. Porém, na solução inteira ainda permanece a massa do soluto de 40g. O cálculo dessa nova concentração pode ser feito da seguinte maneira: Onde os índices i e f representam, respectivamente, os valores iniciais e finais. QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 7 Como o valor de m1 não mudou, podemos igualar as equações: Ci. Vi = Cf. Vf Essa formula é uma das maneiras para se calcular concentrações de soluções diluídas a partir de soluções concentradas. ACIDEZ OU BASICIDADE: O pH e pOH O termo pH foi introduzido, em 1909, pelo bioquímico dinamarquês Søren Peter Lauritz Sørensen (1868-1939) com o objetivo de facilitar seus trabalhos no controle de qualidade de cervejas (à época trabalhava no Laboratório Carlsberg, da cervejaria homônima). O "p" vem do alemão potenz, que significa poder de concentração, e o "H" é para o íon de hidrogênio (H+). Às vezes é referido do latim pondus hydrogenii. Matematicamente, o "p" equivale ao simétrico do logaritmo (cologaritmo) de base 10 da atividade dos íons a que se refere. Para íons H+: Sendo que representa a atividade em mol dm-3. Em soluções diluídas (abaixo de 0,1mol dm-3), os valores da atividade se aproximam dos valores da concentração, permitindo que a equação anterior seja escrito como abaixo: Do mesmo modo pode-se definir o pOH em relação à concentração de íons OH-. A partir da constante de dissociação da água que tem o valor de 10−14 à temperatura de 298K (25°C), pode-se determinar a relação entre pOH e pH. Assim, pela definição de Kw (produto iônico da água) tem-se a relação entre as duas atividades: Kw = [H+] · [OH-] Ao aplicar logaritmos, obtém-se a relação entre pH e pOH: pKw= pH + pOH = 14 O pH varia de acordo com a temperatura e a composição de cada substância (concentração de ácidos, metais, sais, etc.). A escala compreende valores de 0 a 14, sendo que o 7 é considerado o valor neutro. O valor 0 (zero) representa a acidez máxima e o valor 14 a alcalinidade máxima. Valores abaixo de zero ou superiores a 14 também podem ser verificados em algumas substâncias. As substâncias são consideradas ácidas quando o valor de pH está entre 0 e 7 e alcalinas (ou básicas) entre 7 e 14. Segue abaixo algumas soluções e respectivos valores de pH: QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 8 Vinagre: 2,9 Coca-cola: 2,5 Saliva Humana: 6,5 - 7,4 Água natural: 7 Água do mar: 8 Solução de hipoclorito de sódio: 12,5 No organismo humano pode-se correlacionar a diminuição do pH no sangue com o surgimento de doenças. O valor normal do pH sanguíneo deve ser 7,4. Abaixo desse valor, a acidez do sangue torna-se um meio propício para os mais variados fungos, bactérias e vírus. Medições do pH da saliva de pacientes com câncer registraram valores entre 4,5 e 5,7. LIGAÇOES QUIMICAS Os átomos dificilmente ficam sozinhos na natureza. Eles tendem a se unir uns aos outros, formando assim tudo o que existe hoje. Alguns átomos são estáveis, ou seja, pouco reativos. Já outros não podem ficar isolados. Precisam se ligar a outros elementos. As forças que mantêm os átomos unidos são fundamentalmente de natureza elétrica e são chamadas de Ligações Químicas. Toda ligação envolve o movimento de elétrons nas camadas mais externas dos átomos, mas nunca atinge o núcleo. De todos os elementos químicos conhecidos, apenas 6, os gases nobres ou raros, são encontrados na natureza na forma de átomos isolados. Os demais se encontram sempre ligados uns aos outros, de diversas maneiras, nas mais diversas combinações. Os gases nobres são encontrados na natureza na forma de átomos isolados porque eles têm a última camada da eletrosfera completa, ou seja, com 8 elétrons. Mesmo o hélio, com 2 elétrons, está completo porque o nível K só permite, no máximo, 2 elétrons. A estabilidade dos gases nobres deve- se ao fato de que possuem a última camada completa, ou seja, com o número máximo de elétrons que essa camada pode conter, enquanto última. Os átomos dos demais elementos químicos, para ficarem estáveis, devem adquirir, através das ligações químicas, eletrosferas iguais às dos gases nobres. Há três tipos de ligações químicas: Ligação Iônica – perda ou ganho de elétrons. Ligação Covalente – compartilhamento de elétrons. Ligação Metálica – átomos neutros e cátions mergulhados numa "nuvem" de elétrons. QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 9 A ligação iônica é resultado da alteração entre íons de cargas elétricas contrárias (ânions e cátions). Esta ligação acontece, geralmente, entre os metais e não- metais. Metais – 1 a 3 elétrons na última camada; tendência a perder elétrons e formar cátions. Elementos mais eletropositivos ou menos eletronegativos. Não-Metais – 5 a 7 elétrons na última camada; tendência a ganhar elétrons e formar ânions. Elementos mais eletronegativos ou menos eletropositivos. Então: METAL + NÃO-METAL → LIGAÇÃO IÔNICA Exemplo: Na e Cl Na (Z = 11) K = 2 L = 8 M = 1 Cl (Z = 17) K = 2 L = 8 M = 7 O Na quer doar 1 elétron → Na+ (cátion) O Cl quer receber 1 elétron →Cl – (ânion) O clorotem 7 elétrons na última camada. Para ficar com 8 elétrons (igual aos gases nobres) precisa de 1 elétron. Na+ + Cl– → NaCl cátion ânion cloreto de sódio As ligações iônicas formam compostos iônicos que são constituídos de cátions e ânions. Tais compostos iônicos formam-se de acordo com a capacidade de cada átomo de ganhar ou perder elétrons. Essa capacidade é a valência. A ligação covalente, geralmente é feita entre os não-metais e não metais, hidrogênio e não-metais e hidrogênio com hidrogênio. Esta ligação é caracterizada pelo compartilhamento de elétrons. O hidrogênio possui um elétron na sua camada de valência. Para ficar idêntico ao gás nobre hélio com 2 elétrons na última camada. Ele precisa de mais um elétron. Então, 2 átomos de hidrogênio compartilham seus elétrons ficando estáveis: Nessa situação, tudo se passa como se cada átomo tivesse 2 elétrons em sua eletrosfera. Os elétrons pertencem ao mesmo tempo, aos dois átomos, ou seja, os dois átomos compartilham os 2 elétrons. A menor porção de uma substância resultante de ligação covalente é chamada de molécula. Fórmula Eletrônica Cl – Cl Fórmula Estrutural Cl2 Fórmula Molecular QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 10 A RELAÇAO ENTRE ELETRONEGATIVIDADE E POLARIDADE A eletronegatividade influencia na ligação entre os átomos, já que haverá a possibilidade de maior ou menor atração. A eletronegatividade é a capacidade que um átomo tem de atrair para si o par de elétrons que ele compartilha com outro átomo em uma ligação covalente. As medidas experimentais foram feitas pelo cientista Linus Pauling, que criou uma escala de eletronegatividade. De acordo com a diferença de eletronegatividade dos elementos, pode-se classificar a ligação covalente em polar ou apolar. = diferença de eletronegatividade Ligação Apolar ( =0) A diferença de eletronegatividade tem que ser igual à zero. Geralmente, acontece em moléculas de átomos iguais. Exemplos: Ligação Polar ( ) A diferença de eletronegatividade tem que diferente de zero. Geralmente, acontece em moléculas de átomos diferentes. Exemplos: Observe que a ligação entre I e F é mais polar do que a ligação entre H e Cl. Se o valor for maior que 1,7, a ligação é iônica. Exemplos: QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 11 QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 12 ORBITAIS E HIBRIDIZAÇAO De acordo com o modelo da mecânica quântica de um átomo, o comportamento de um elétron específico em um átomo pode ser descrito pela expressão matemática denominada equação de onda – o mesmo tipo de expressão usado para descrever o movimento das ondas em fluidos. A solução de uma equação de onda é denominada função de onda, ou orbital, e é descrita pela letra grega psi, . Quando o quadrado da função de onda 2 é expresso em um espaço tridimensional, o orbital descreve o volume do espaço em volta do núcleo onde o elétron tem maior probabilidade de ser encontrado. Entretanto, pode-se pensar em um orbital como uma fotografia do elétron sendo tirada a uma velocidade lenta. Tal fotografia mostraria o orbital como uma nuvem borrada indicando a região do espaço em volta do núcleo onde o elétron estava. Essa nuvem eletrônica não tem uma fronteira bem-definida, mas por questões de praticidade podemos fixar os limites dizendo que um orbital representa o espaço onde o elétron passa a maior parte do tempo (90%). Existem quatro tipos diferentes de orbitais, denominados s, p, d e f. Dos quatro, os mais importantes para química orgânica são os orbitais s e p. Sendo que o orbital p se distribui em três eixos o px, py e pz. Esta delimitação de orbitais permitiu uma melhor compreensão das ligações químicas, definindo a chamada teoria do orbital atômico. Esta teoria permite determinar quantas ligações um átomo pode realizar, sendo esta determinada pelo número de elétrons no orbital da camada de valência (ultima camada ou camada externa). Como por exemplo a distribuição eletrônica do flúor, com dois pares completos e um elétrons desemparelhado, indicando que o flúor necessita de mais um elétron para se estabilizar (regra do octeto). configuração do átomo de flúor Apesar das teorias de Lewis e Kössel permitirem determinar como as ligações químicas ocorrem, ela não explicava porque o carbono com uma distribuição eletrônica 1s2, 2s2, 2p2 poderia fazer quatro ligações químicas, sendo que o átomo de carbono somente teria dois elétrons desemparelhados QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 13 (conseqüentemente duas ligações). Para explicar as quatro ligações do carbono, foi necessária uma outra teoria, denominada teoria do orbital molecular, que propunha que as ligações químicas seriam realizadas pela união dos orbitais de cada átomo e estes poderiam se modificar (unindo orbitais) formando orbitais chamados híbridos. O composto orgânico mais simples é o gás metano CH4. Para satisfazer a Valência de todos os cinco átomos, os hidrogênios devem ligar-se ao carbono por meio de ligações simples, denominadas Ligações sigma (). No estado fundamental, a configuração eletrônica do átomo de carbono é 1s2 2s2 2p2. Com essa distribuição eletrônica, o carbono não é capaz de se ligar a quatro átomos de hidrogênio, mas apenas a dois. Se, no entanto, um elétron do orbital 2s for transferido para o orbital 2pz vazio, o carbono passará a ter quatro elétrons desemparelhados (estado excitado), sendo, portanto, capaz de fazer quatro ligações. Desse modo, explica-se a tetra valência do átomo de carbono. Porém, se os átomos de hidrogênio se ligassem aos orbitais 2s, 2px, 2py e 2pz, os ângulos entre as ligações H-C-H não seriam de 109,47º, (tetraedro), pois o ângulo entre os orbitais p é de 90º. Também não seriam iguais todos os comprimento das ligações C-H, pois o orbital 2s possui raio diferente dos orbitais 2p. O que acontece, na verdade, é uma hibridação dos orbitais s e p, dando origem a quatro novos orbitais denominados híbridos sp3. Esses orbitais são todos iguais, e o ângulo entre eles é de 109,47º, conforme: Hibridização sp3. a) orbitais não hibridizados s e p. b) quatro orbitais hibridizados sp3. c) arranjo tetraédrico de todos orbitais sp3 em torno do átomo de carbono, ângulo entre os orbitais de 109,47º. Como na molécula de metano, todocarbono que se encontrar ligado a quatro outros átomos ou grupo de átomos apenas por meio de ligações , terá hibridação sp3, ou seja, geometria tetraédrica. Tetracloreto de carbono, por exemplo, tem a mesma geometria do metano. Além do carbono, outros elementos como o oxigênio e o nitrogênio também podem ter hibridação sp3. Nestes dois casos, as distribuições eletrônicas antes e depois da hibridação dos orbitais são as seguintes: Hibridização sp3 do átomo de oxigênio e nitrogênio. Nota: o átomo de oxigênio possui dois pares de elétrons desparelhados e o nitrogênio apenas um. QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 14 O mesmo tipo de hibridização que explica a estrutura do metano também explica como os átomos de carbono podem-se ligar uns aos outros em cadeias e anéis para tornar possível tantos milhões de compostos orgânicos. O etano, C2H6, é a molécula mais simples que contém uma ligação carbono- carbono: Podemos ter uma idéia da molécula do etano ao imaginar dos dois átomos de carbono ligados entre si por uma sobreposição s de um orbital híbrido sp3 proveniente de cada átomo. Os três orbitais híbridos sp3 remanescentes de cada carbono se sobrepõem com os orbitais 1s do hidrogênio para formar seis ligações C- H. A hibridização sp3 é o estado eletrônico mais comum do carbono, mas não é a única possibilidade. Verificamos, que existem muitos compostos orgânicos importantes nos quais os átomos de carbono compartilham mais que dois elétrons com outro átomo. Nas moléculas desses compostos, algumas ligações que são formadas são ligações covalentes múltiplas. Quando dois átomos de carbono compartilham dois pares de elétrons, por exemplo, o resultado é uma ligação dupla carbono- carbono. Os hidrocarbonetos cujas moléculas contêm um ligação dupla carbono-carbono, são chamados de alcenos. O arranjo espacial dos átomos dos alcenos é diferente dos alcanos. Os seis átomos de eteno são coplanares e o arranjo dos átomos em torno de cada átomo de carbono é triangular. Hibridização sp2. a) orbitais não hibridizados s e p. b) Três orbitais hibridizados sp2 (2 orbitais p e 1 s). c) arranjo triangular de todos orbitais sp2 em torno do átomo de carbono, ângulo entre os orbitais de 120º. d) adição do orbital p não hibridizado, coplanar. O orbital 2s é hibridizado com dois dos orbitais 2p. Um orbital 2p permanece não- hibridizado. Um elétron então é colocado em cada um dos orbitais híbridos sp2 e um elétron continua no orbital 2s. Os três orbitais sp2, resultantes da hibridização, são direcionados para os cantos de um triângulo regular (com ângulos de 120º entre si). O orbital p do carbono que não é hibridizado está perpendicular ao plano do triângulo formado pelos orbitais híbridos. Quando dois orbitais hibridizados sp2 se aproximam um do outro, eles formam uma ligação através da sobreposição sp2-sp2 de QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 15 acordo com a teoria de ligação de valência (teoria de ligação de valência: uma ligação covalente forma quando dois átomos se aproximam tão perto um do outro que o orbital ocupado de um átomo se sobrepõe ao orbital ocupado do outro átomo). Ao mesmo tempo, os orbitais p não-hibridizados se aproximam com uma geometria correta para que ocorra uma sobreposição lateral, originando a formação de um ligação pi (). A combinação de uma ligação sp2-sp2 e uma ligação 2p- 2p resulta no compartilhamento de quatro elétrons e na formação de uma dupla ligação carbono-carbono O modelo -para a ligação dupla carbono-carbono é também responsável por uma propriedade importante da ligação dupla: Há uma grande barreira de energia à rotação, associada aos grupos unidos pela ligação dupla. Estimativas baseadas em cálculos termodinâmicos indicam que a força de uma ligação é de 264 kJ mol-1. Esta então é a barreira á rotação da ligação dupla. Ela é visivelmente mais elevada do que a barreira rotacional dos grupos unidos pelas ligações simples carbono-carbono (13-26 kJ mol-1). Enquanto os grupos unidos pelas ligações simples giram de modo relativamente livre à temperatura ambiente, isso não acontece àqueles unidos pelas ligações duplas. Além da formação de ligações simples e duplas pelo compartilhamento de dois e quatro elétrons, respectivamente, o carbono também pode formar uma tripla ligação pelo compartilhamento de seis elétrons. Para explicar a ligação tripla em um molécula como o etino (acetileno), C2H2, precisamos de um terceiro tipo de orbital híbrido, um híbrido sp. Imagine que, em vez de combinar com dois ou três orbitais p, o orbital 2s do carbono hibridiza apenas com um único orbital p. Surgem dois orbitais híbridos sp e dois orbitais p permanecem inalterados. Os dois orbitais sp são lineares ou estão afastados um do outro em 180º no eixo x, enquanto os dois orbitais p remanescentes situados nos eixos y e z são perpendiculares. Quando dois átomos de carbono hibridizados sp aproximam-se um do outro, os orbitais híbridos sp de cada carbono se sobrepõem frontalmente para formar uma ligação forte sp-sp. Além do mais, os orbitais pz de cada átomo de carbono formam uma ligação pz-pz através da sobreposição lateral, e os orbitais py se sobrepõe de forma análoga para formar uma ligação py-py. O efeito total é o compartilhamento de seis elétrons e a formação da ligação tripla carbono-carbono. Cada um dos orbitais híbridos sp remanescente formam um ligação s com o hidrogênio para completar a molécula de etino (acetileno) QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 16 Ligação de dois átomos de carbono com hibridização sp. QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 17 2, UM POUCO DE HISTORIA DA QUÍMICA ORGÂNICA A Química Orgânica é uma divisão da Química que foi proposta em 1777 pelo químico sueco Torbern Olof Bergman. Torbern Bergman foi o primeiro a expressar a diferença entre substâncias “orgânicas” e “inorgânicas”. Compostos orgânicos eram definidos como compostos que poderiam ser obtidos a partir de organismos vivos. Os compostos inorgânicos eram aqueles originados de fontes não-vivas. Junto com esta distinção, crescia uma crença chamada Vitalismo. De acordo com essa idéia, a intervenção de uma “força vital” se tornava necessária para a síntese de um composto orgânico. Por volta de 1816, essa teoria da força vital foi abalada quando Michel Chevreul descobriu que o sabão, preparado pela reação de álcalis com gordura animal, poderia ser separado em diversos compostos orgânicos puros, que ele próprio denominou “ácidos graxos”. Pela primeira vez, uma substância orgânica (gordura) fora convertida em outras (ácidos graxos e glicerina) sem a intervenção de um força vitalexterna. Em 1828, Friedrich Wöhler, discípulo de Berzelius, a partir do aquecimento de cianato de amônio, produziu a uréia; começando, assim, a queda da teoria da força vital. Essa obtenção ficou conhecida como síntese de Wöhler. Pierre Eugene Marcellin Berthelot realizou toda uma série de experiências a partir de 1854 e em 1862 sintetizou o acetileno. Em 1866, Berthelot obteve, por aquecimento, a polimerização do acetileno em benzeno e, assim, é derrubada a Teoria da Força Vital. Percebe-se que a definição de Bergman para a química orgânica não era adequada, então, o químico alemão Friedrich August Kekulé propôs a nova definição aceita atualmente: “Química Orgânica é o ramo da Química que estuda os compostos de carbono”. Essa afirmação está correta, contudo, nem todo composto que contém carbono é orgânico, por exemplo, o dióxido de carbono, o ácido carbônico, etc., mas todos os compostos orgânicos contém carbono. Essa parte da química, além de estudar a estrutura, propriedades, composição, reações e síntese de compostos orgânicos que, por definição, contenham carbono, pode também conter outros elementos como o QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 18 oxigênio e o hidrogênio. Muitos deles contêm nitrogênio, halogênios e, mais raramente, fósforo e enxofre. Torbern Olof Bergman. Jöns Jacob Berzelius. Friedrich August Kekulé. Friedrich Wöhler. A evolução dos estudos das substâncias orgânicas iniciou-se com Antoine Lavoisier (1784) que demonstrou que as substâncias orgânicas eram compostas principalmente de Carbono (C), hidrogênio (H), e Oxigênio (O). Mais tarde, em 1811 Justus Liebig, J.J. Berzelius e J.B.A. Dumas desenvolveram métodos quantitativos para determinação de C, H e O (Fórmulas empíricas). Em 1860 Stanislao Cannizzaro desenvolveu a teoria das fórmulas moleculares. Até então muitas moléculas que pareciam ter a mesma fórmula (fórmulas empíricas) foram vistas como sendo compostas por diferentes números de carbono. Por exemplo, eteno, ciclopentano e cicloexano, todos têm a mesma fórmula empírica: CH2. Contudo, elas têm fórmulas moleculares de C2H4, C5H10 e C6H12, respectivamente. Entre 1858 a 1861, August Kekulé, Archibald Scott Couper e Alexander M. Butlerov, trabalhando independentemente, implantaram a base de uma das teorias mais fundamentais na química: A teoria estrutural. Três critérios centrais fundamentam a teoria estrutural de Kekulé: 1) Os átomos dos elementos nos compostos orgânicos podem formar um número de ligações fixas. A medida desta habilidade é chamada valência. 2) Um átomo de carbono pode utilizar uma ou mais de suas valências para formar ligações com outros átomos de carbono. QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 19 3) Os átomos de carbono agrupam-se entre si, formando estruturas de carbono, ou cadeias carbônicas. A Teoria estrutural permitiu aos químicos orgânicos solucionar um problema fundamental: o problema do isomerismo. Os químicos encontravam freqüentemente exemplos de compostos diferentes que tinham a mesma fórmula molecular. Tais compostos eram chamados de isômeros. Por exemplo, dois compostos com fórmula molecular C2H6O que são claramente diferentes, pois têm propriedades diferentes. Esses compostos, portanto, são classificados como sendo isômeros um do outro, são considerados isoméricos. Um isômero chamado éter dimetílico, é um gás a temperatura ambiente e o outro isômero chamado de álcool etílico, é um líquido a temperatura ambiente. Uma olhada nas fórmulas estruturais, desses dois compostos revela sua diferença. Eles diferem em sua conectividade: o átomo de oxigênio se conecta de forma diferente para o álcool e para o éter o que não podia ser percebido com o uso das fórmulas moleculares (C2H6O). QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 20 3. DIVERSIDADE ESTRUTURAL DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS CH3CH3 CH3 CH3 CH3 CH CH O NH2 CH3 O ONH2 OH O O CH3 O O CH3 CH3 CH3 Quando estudamos Química Orgânica, o que buscamos é entender a maneira pela qual os átomos se encontram nas moléculas (arranjo molecular), ou seja, como eles estão ligados entre si, as propriedades químicas que são consequências dessa arrumação e a maneira pela qual as estruturas moleculares se modificam quando ocorre uma reação química. Para alcançar esses objetivos, o primeiro passo deve ser o entendimento das representações que utilizamos para tentar descrever as moléculas. Em outras palavras, precisamos entender e aprender o que queremos dizer quando representamos as moléculas por fórmulas. Devemos nos lembrar sempre que a representação de uma coisa não é a coisa. Assim, por exemplo, a foto do namorado ou da namorada não é o namorado ou a namorada: é a representação dele ou dela. Os químicos utilizam diversas maneiras para representar as moléculas. Não existe uma mais correta que a outra. O tipo de representação que usamos vai depender do problema que estamos analisando. A fórmula molecular, por exemplo, apenas informa quais são e a quantidade dos átomos presentes em uma molécula. Ela não informa nada sobre a estrutura (como os átomos estão ligados na molécula) molecular. Por causa disso, é muito comum que duas moléculas diferentes possuam a mesma fórmula molecular. Por exemplo, o álcool etílico (aquele que nós conhecemos simplesmente por álcool) e o éter metílico são dois compostos completamente diferentes. Mas, repare que os dois possuem a mesma fórmula molecular (C2H6O). Compostos diferentes que possuem a mesma fórmula molecular são denominados isômeros. Como a fórmula molecular não informa nada sobre a estrutura molecular, não conseguimos, a partir dela, entender o comportamento da molécula. Mas ela é muito útil quando, por exemplo, estamos realizando cálculos estequiométricos (cálculo das QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 21 quantidades de substâncias envolvidas em uma reação química). No entanto, na maioria das vezes em que estamos lidando com a Química, precisamos tentar entender como as moléculas se comportam e, para isso, é fundamental que se represente como os átomos estão unidos entre si dentro da molécula, isto é, precisamos representar a conectividade dos átomos. As fórmulas que mostram essa conectividade são denominadas fórmulas estruturais. Compostos que possuem fórmulas estruturais diferentes são diferentes. Existem várias maneiras de se representar a fórmula estrutural de uma molécula. As mais usadas estão mostradas a seguir para o álcool etílico: As fórmulas estruturais condensadas e as fórmulas de traços mostram a conectividade dos átomos, mas não mostram a geometriamolecular (as moléculas são entidades tridimensionais e têm uma arrumação no espaço). Ao analisarmos a fórmula em traços, verificamos que a cadeia carbônica é apresentada linearmente e não nos preocupamos com os ângulos das ligações. As fórmulas condensadas e de traços nos dão basicamente as mesmas informações sobre a molécula. A fórmula estrutural plana nos fornece mais informações sobre a geometria da cadeia carbônica. Na realidade, tendo em vista os ângulos de 109,5º do carbono sp3, as cadeias carbônicas se arrumam como um zigue-zague (“sobe e desce”) e esse tipo de fórmula estrutural representa isso. Na fórmula estrutural espacial, além da representação em zigue-zague das cadeias carbônicas, são também mostradas as cunhas que representam os átomos que estão se posicionado nos outros dois vértices do tetraedro. Nesse tipo de representação estrutural buscamos mostrar toda a geometria molecular. A fórmula estrutural em traços (também chamada fórmula em bastão) é centrada na representação das ligações e não dos átomos (repare que na representação do álcool etílico usando essa fórmula só desenhamos o oxigênio e o hidrogênio ligados a ele). As fórmulas em traços são desenhadas da seguinte maneira: 1a etapa: Desenhe a cadeia de carbono como traços e em zigue-zague. Não QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 22 represente o símbolo do carbono (C) nem do hidrogênio (H) quando ele estiver ligado ao carbono. Entretanto, você não pode esquecer nunca que o carbono é tetravalente. Assim, cada vértice da cadeia em zigue-zague representa o átomo de carbono e se mais nada estiver escrito nela, significa que ali existem dois hidrogênios, sendo um localizado para frente do plano criado pela cadeia e outro para trás desse plano, de acordo com a geometria do tetraedro. 2a etapa: Todos os átomos que não são carbonos devem ter os seus símbolos mostrados, bem como o hidrogênio que não está ligado ao carbono. Vamos entender isso com a fórmula em traços do álcool etílico: Por uma questão de simplificação, é muito comum não desenhar o traço que representa a ligação do hidrogênio com o heteroátomo (chamamos de heteroátomo a todo átomo da cadeia carbônica que não é carbono ou hidrogênio): As ligações duplas devem ser representadas por dois traços e as triplas por três traços: No caso da ligação dupla, a cadeia foi desenhada em zigue-zague e, na ligação tripla, apontou-se o ângulo de 180o. Isso porque é muito difícil distinguir desenhando um ângulo de 109,5o de um de 120o. O Importante é sempre lembrar que nessa parte da cadeia os carbonos possuem um arranjo trigonal planar. Outro tipo de representação comum são representações do tipo: As cadeias carbônicas não são sempre abertas. Elas também podem ser cíclicas e os ciclos também são representados em traços: QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 23 Em virtude da propriedade do carbono de realizar ligações C-C infinitamente, existem moléculas enormes. Daí a vantagem de usar representações em traços para facilitar os desenhos das moléculas. Por exemplo, a molécula da palitoxina é uma toxina marinha extremamente venenosa isolada de corais da espécie Palythoa, tem fórmula molecular C129H221O54N e fórmula estrutural: Outros exemplos: QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 24 4. PROPRIEDADES GERAIS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS Por apresentarem ligação predominantemente covalente, as moléculas orgânicas possuem as seguintes propriedades: - P.F. e P.E. baixos - Solubilidade em solventes apolares - Solução aquosa não conduz eletricidade - Podem apresentar polimeria e isomeria Os compostos orgânicos se diferenciam dos demais através de certas propriedades como: Polaridade Uma ligação covalente polar é aquela em que o compartilhamento de elétrons não é igual para os dois átomos porque o mais eletronegativo puxa os elétrons para mais perto dele. Com isso, é criado um dipolo interno (uma parte fica com caráter positivo e outra com caráter negativo) na ligação e, consequentemente, na molécula: Não consideramos a ligação C-H como um dipolo interno. A diferença de eletronegatividade entre carbono e hidrogênio é tão pequena que praticamente não se cria esse dipolo (a ligação C-H é apolar). Entretanto, nem toda molécula que tem ligação polar é uma molécula polar. Nesse caso, é preciso avaliar dois aspectos: o arranjo espacial e o tamanho da molécula. Arranjo espacial: Considere a molécula de CO2 O sentido de um dos dipolos é oposto ao do outro. Assim, os dipolos se anulam e a molécula, apesar de ter ligações polares, é apolar (no CO2 o carbono faz duas ligações π - uma com cada oxigênio - e, então, é hibridizado sp, logo, linear). A molécula CCl4 (tetracloreto de carbono) ocorre algo semelhante. O arranjo da molécula é tetraédrico e, somando os dois vetores resultantes (estão em sentido oposto), ocorre o anulamento dipolar. Então, embora ela tenha quatro ligações polares, é uma molécula apolar: Outro fator a ser analisado é o tamanho da molécula. Às vezes, uma molécula tem ligações polares, mas a cadeia carbônica é tão grande que a molécula acaba se comportando como uma molécula apolar. As gorduras QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 25 (triglicerídeos), por exemplo, têm propriedades apolares, apesar de possuírem várias ligações C-O e C=O (polares) Forças intermoleculares As moléculas interagem entre si através do que chamamos de forças ou ligações intermoleculares que estão relacionadas com a polaridade da molécula. Essas forças ocorrem devido à interação entre as cargas reais ou parciais (aquelas advindas da polaridade) de uma molécula interagindo com as cargas reais ou parciais de outra molécula. Essa interação ocorre pela atração de uma carga positiva com uma negativa e ela é maior quanto maior for a magnitude da carga e menor for a distância entre elas. Essas forças intermoleculares são de cinco tipos: interação íon-íon, interação íon-dipolo induzido, interação dipolo-dipolo, interação dipolo-dipolo induzido, interação dipolo-induzido-dipolo- induzido. A interação íon-íon é aquela dos compostos com ligação iônica. Ela ocorre, por exemplo, entre os íons cloreto e sódio no NaCl (sal de cozinha) e no lauril éter sulfato de sódio, um agente de limpeza muito usado em xampus. São interações muito fortes: As interações íon-dipolo induzido são as que ocorrem entre uma espécie com carga real (cátion ou ânion) e a carga parcial de outra molécula, como mostrado na interação do cátion de sódio com a carga parcial negativa do átomo de oxigênio da água.Essas interações são moderadamente fortes. As interações dipolo-dipolo, como o próprio nome diz, são as que ocorrem entre o polo criado pela carga parcial positiva de uma molécula com a carga parcial negativa de QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 26 outra. É uma interação fraca. É a que ocorre entre duas moléculas polares, mas sem carga. Um tipo especial de atração dipo-dipolo é chamada de Ligação de Hidrogênio ou ponte de hidrogenio. Nessa interação, o hidrogênio é ligado a um átomo muito eletronegativo: F, O ou N e é o polo positivo que é atraído pelo polo negativo F, O ou N, de outra molécula. Como o hidrogênio é um átomo pequeno, as cargas parciais conseguem se aproximar muito, resultando em uma atração mais forte que a dipolo-dipolo clássica. A interação dipolo-dipolo induzido ocorre quando uma molécula polar se aproxima de outra, apolar. Ao se aproximar, o dipolo da molécula polar faz com que ocorra uma distorção da nuvem eletrônica da molécula apolar, induzindo um dipolo instantâneo: É uma interação mais fraca que a dipolo-dipolo. A interação dipolo-induzido-dipolo- induzido (também chamada Força de London) ocorre entre moléculas apolares e é a mais fraca delas. Como os elétrons estão em movimento constante, em um determinado momento, uma molécula apolar – por exemplo, o etano (CH3CH3) – pode ter uma distribuição não igualitária dos elétrons na ligação, ou seja, pode ser criado um dipolo momentâneo. Esse dipolo pode, então, criar outro dipolo em uma molécula vizinha e esses dipolos se atraem: Essas duas últimas interações, que envolvem a formação de dipolo induzido, são chamadas juntas de Forças de van der Waals. Essas forças são mais fracas, mas em moléculas grandes, isto é, com grande superfície de contato entre elas, as Forças de van der Waals tem efeitos importantes. Por exemplo, são Forças de van der Waals que seguram a lagartixa na parede: os dedos das lagartixas terminam em milhões de filamentos QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 27 pequenos, cada um com comprimento de cerca de 100 milionésimos do metro. Essas pequenas estruturas, por sua vez, estão subdivididas em mil partes ainda menores, invisíveis a olho nu. Quando os répteis pressionam suas patas contra uma superfície, os filamentos se espalham e cobrem uma área relativamente grande. Como os filamentos aumentam a superfície de contato, um número maior de Forças de van der Waals atua entre a pata do animal e a parede, garantindo uma adesão segura. Temperatura de fusão (ponto de fusão) Ponto de fusão (P.F.) é a passagem de uma substância do estado sólido para o líquido. Quando estão no estado sólido, as substâncias estão arrumadas ordenadamente em um cristal, ou seja, estão bem pertinho umas das outras. Em outras palavras, as atrações entre elas estão maximizadas. Para que elas fundam (passem para o estado líquido), as atrações intermoleculares devem ser enfraquecidas (o que ocorre com o aquecimento), para que elas se mexam mais livremente, embora continuem sendo atraídas entre si. Assim, quanto mais fortes forem as interações intermoleculares, mais difícil vai ser separar as substâncias umas das outras, e então será necessário aquecer mais, ou seja, maior vai ser o ponto de fusão. Por essa razão, os sais (compostos com ligações iônicas) tipicamente fundem em temperaturas muito maiores que compostos polares (com interações dipolo-dipolo), que, por sua vez, fundem em temperaturas maiores que compostos apolares (com interações do tipo van der Waals). Isso pode ser visto na tabela a seguir: Temperatura de ebulição (ponto de ebulição) O Ponto de Ebulição (P.E.) é a temperatura em que um composto passa do estado líquido (no qual as moléculas estão mais afastadas) para o gasoso (no qual as moléculas estão mais afastadas ainda. No estado gasoso praticamente não existem interações intermoleculares), isto é, é a temperatura em que o composto ferve. Novamente, o que vai definir o grau de aproximação entre as moléculas são as interações intermoleculares. Quanto mais fortes forem essas interações, mais alto vai ser o ponto de ebulição. As duas moléculas representadas acima têm o mesmo no de átomos de carbono, oxigênio e hidrogênio (têm a mesma fórmula QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 28 molecular – C4H10O e, então, são isômeros), mas a primeira tem um ponto de ebulição muito menor que a segunda. Isso ocorre porque no primeiro caso, as interações intermoleculares são principalmente do tipo dipolo-dipolo, mais fracas que no segundo exemplo, no qual as moléculas interagem entre si principalmente por ligações hidrogênio. Se as moléculas estão unidas por uma ligação mais forte mais calor para romper essas interações. Em outras palavras, o seu ponto de ebulição é maior. Solubilidade Solubilidade é outra propriedade física que depende das interações intermoleculares, porém com moléculas diferentes (soluto e solvente). Por exemplo, quando se prepara “água com açúcar” o que procedimento é misturar as moléculas do açúcar (o soluto) com a água (o solvente). A esse processo se dá o nome de dissolução. O que ocorre no processo de dissolução é que as interações intermoleculares existentes entre as moléculas do soluto-soluto são substituídas por interações entre as moléculas do soluto - solvente. Nessas condições pode ocorrer: 1. Se o soluto é polar, ele deve fazer entre si interações, por exemplo, dipolo-dipolo mas, um solvente apolar, que faça tipicamente ligações tipo van der Waals não vai conseguir separar as interações dipolo-dipolo mais fortes. 2. Caso o soluto polar seja misturado com um solvente polar que faça os mesmos tipos de interações intermoleculares, aí provavelmente as interações dipolo-dipolo das moléculas do soluto podem ser separadas e ocorreria a dissolução. 3. Se meu soluto é apolar e for adicionado um solvente polar, não ocorre a dissolução, pois agora o soluto que não vai conseguir vencer as interações intermoleculares da molécula do solvente (não esqueça que as moléculas do solvente também interagem entre si!) 4. Já no caso em que tanto o soluto quanto o solvente são apolares ocorre a dissolução, pois as interações devem ser do mesmo tipo. A partir dessas observações, pode-se, com cuidado, aplicar uma regra que diz: “semelhante dissolve semelhante” ou, em outras palavras, “polar dissolve polar e apolar dissolve apolar”. Mas, deve ter cuidado ao aplicar essa regra pois compostos orgânicos com cadeia carbônica muito grande, mesmo existindo polaridade na molécula no geral ela tem comportamento apolar. O óleo de soja é constituído principalmente de ácido linoleico e mais outras moléculas bem parecidas, com uma cadeia carbônica grande e um grupo polar no final da cadeia. Aí, se poderia pensar: bom, como tem aquele grupo polar e que faz ligação hidrogênio (repare que tem um hidrogênio QUIMICA ORGANICA 1Prof Dr. Christian A. Guimarães 29 ligado ao átomo de oxigênio), então vai se dissolver em água que também é polar e também faz ligação hidrogênio. Mas sabe–se muito bem que se misturar água com óleo eles não vão se dissolver! Ora, o que acontece é que a cadeia carbônica é muito grande e praticamente sem nenhuma polaridade. Só um pedacinho da molécula tem polaridade, o que não é suficiente para separar as moléculas de água umas das outras. (o tamanho das moléculas tem de ser analisado sempre que formos avaliar a questão de polaridade e apolaridade). Combustibilidade A maioria dos compostos que são bons combustíveis, ou seja, se queimam com facilidade, são de origem orgânica. Exemplos: gás utilizado em fogões, álcool dos automóveis. 5 CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE QUÍMICA ORGÂNICA E O ÁTOMO DE CARBONO P = primário S = secundário T = terciário Q = quaternário Os carbonos de uma cadeia podem ser classificados de acordo com as ligações químicas que ele realiza: - Carbono primário: são chamados assim todos os carbonos que se ligam a um ou nenhum outro carbono; - Carbono secundário: todos os carbonos que se ligam a dois outros carbonos; QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 30 - Carbono terciário: todos os carbonos que se ligam a três outros carbonos; - Carbono quaternário: carbonos que se ligam a quatro outros carbonos; Carbonos saturados: São os carbonos que apenas realizam ligações covalentes simples com outros carbonos. Sendo assim, todos os carbonos quaternários, são saturados. Carbonos insaturados: São aqueles que fazem ou uma ligação dupla, ou duas duplas ou uma tripla. Carbono assimétrico: É chamado de carbono assimétrico o carbono que faz ligações com quatro ligantes diferentes. Ligantes são considerados toda a parte da cadeia que se estende de uma ligação. Na figura abaixo, o carbono destacado é assimétrico, e circulados estão os seus quatro ligantes: QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 31 6. CADEIAS CARBÔNICAS Cadeia carbônica → É o conjunto de todos os átomos de carbono e de todos os heteroátomos que constituem a molécula de qualquer composto orgânico. CADEIAS ABERTAS As cadeias abertas são chamadas também de cadeias acíclicas ou alifáticas. Apresentam duas extremidades ou pontas de cadeia. Classificam-se de acordo com a presença de um heteroátomo ou não entre carbonos. Quanto à natureza dos átomos, as cadeias abertas podem ser: -homogênea – É aquela que não apresenta átomos diferentes de carbono intercalados na cadeia. -heterogênea – É aquela que apresenta átomos de carbono intercalados na cadeia. Esses átomos diferentes de carbono são chamados heteroátomos. As cadeias abertas também podem ser classificadas de acordo com a presença de radicais (ramificações) na cadeia carbônica. -normal– É aquela que apresenta unicamente átomos de carbono primário e secundário (têm duas extremidades apenas). -ramificada– É aquela que apresenta pelo menos um átomo de carbono terciário ou quaternário (têm mais de duas extremidades). QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 32 As cadeias carbônicas abertas podem ser classificadas de acordo com o tipo de ligação química. saturada– É aquela em que os átomos de carbono ligam-se entre si, exclusivamente, por simples ligações. insaturada– É aquela que apresenta pelo menos uma dupla ou tripla ligação entre átomos de carbono. CADEIAS FECHADAS As cadeias fechadas são também chamadas de cadeias cíclicas. Apresentam seus átomos ligados entre si formando um ciclo figura geométrica ou anel. Podem ser classificadas quanto à presença de uma anel aromático ou não. -alicíclica ou não aromática– são cadeias fechadas que não possuem o anel benzênico. -aromática– são cadeias fechadas que possuem o anel aromático, ou anel benzênico. Possuem ressonância entre seus elétrons. Estas cadeias, em geral tem seis átomos de carbono que alternam ligações duplas e ligações simples. As cadeias aromáticas podem ser classificadas de acordo com o número de anéis aromáticos: -mononuclear: quando possui apenas um núcleo (anel aromático) QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 33 -polinuclear: quando possui vários anéis aromáticos. Os aromáticos polinucleares podem ser classificados em: -polinucleares isolados: quando os anéis não possuem átomo de carbono em comum. - polinuclear condensado: quando os anéis possuem átomos de carbono em comum. As cadeias carbônicas fechadas ou alicíclicas podem ser classificadas de diversas formas, assim como as cadeias aberta. Podem ser classificadas de acordo com à saturação: -saturada: cadeia que possui apenas ligações simples entre os átomos. -insaturada: cadeia que possui uma dupla ligação entre carbonos. Podem ser classificadas de acordo com a presença ou não de um heteroátomo: -homogênea ou homocíclicas: possuem somente átomos de carbonos ligados entre si. -heterogênea ou heterocíclica: possuem um heteroátomos entre átomos de carbono. QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 34 CADEIAS MISTAS As cadeias carbônicas mistas são abertas e também fechadas. 7. IDENTIFICAÇÃO E NUMERAÇÃO DA CADEIA CARBÔNICA A correta identificação e numeração da cadeia carbônica são importantes principalmente no que tange a nomenclatura dos compostos orgânicos. Para realizar isso, algumas regras devem ser seguidas: 1. inicialmente é preciso identificar a cadeia principal. Isso é, se a cadeia contiver ramificações a cadeia principal é aquela que contiver maior numero de átomos de carbono; 2. A cadeia principal deve conter as instaurações e os grupos funcionais e se houver mais de uma possibilidade de cadeia com a mesma quantidade de carbonos, deve- se optar pela cadeia que tiver o maior número de ramificações; De todas as sequências possíveis, a quarta é a que possui maior número de carbonos, logo, esta é a cadeia carbônica principal QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 35 3. Descoberta a cadeia, numera-se os átomos de carbono. O carbono da extremidade mais próxima da insaturação é o carbono 1. Assumem valores crescentes os demais carbonos da cadeia. Suponhamos, agora,o seguinte composto (3- metil-hex-3-eno): Veja que, independentemente do local em que se começa a contagem, a insaturação estará no terceiro carbono. Nestes casos, deve-se observar a extremidade mais próxima de uma ramificação. Portanto, a contagem deve ser feita da direita à esquerda: 8 ESTRUTURAS DE RESSONÂNCIA Sempre que, em uma fórmula estrutural, pudermos mudar a posição dos elétrons sem mudar a posição dos átomos, a estrutura real não será nenhuma das estruturas obtidas, mas sim um híbrido de ressonância daquelas estruturas. Alguns compostos possuem em sua estrutura ligações duplas alternadas com ligações simples. O mais famoso de todos eles é o benzeno, cuja estrutura foi proposta em 1865, pelo químico alemão Friedrich August Kekulé (1829-1896). Sua estrutura seria cíclica e formada por três ligações duplas intercaladas com três ligações simples, conforme as figuras abaixo: As duas formas de representar o benzeno são aceitas, pois é possível mudar os elétrons das ligações π sem mudar a posição dos átomos. Entretanto, nenhuma representa exatamente o que ele é e nem explica seu comportamento. Ele deveria se comportar como um alceno e provocar reações de adição, porém, na prática, isto não ocorre. O benzeno é bastante estável e age como se não tivesse as ligações duplas; ele dá reações de substituição como nos alcanos. Em 1930, o cientista americano Linus Pauling propôs a teoria da ressonância que QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 36 explicou esta aparente contradição. Esta teoria dizia o seguinte: “Sempre que, em uma fórmula estrutural, pudermos mudar a posição dos elétrons sem mudar a posição dos átomos, a estrutura real não será nenhuma das estruturas obtidas, mas sim um híbrido de ressonância daquelas estruturas.” Este efeito é comprovado pelo tamanho das ligações dos carbonos, e pela distância entre eles. Essa distância é intermediária a da ligação simples (1,54 Å) e a da ligação dupla (1,34 Å); sendo, portanto, de 1,39 Å, em virtude do efeito de ressonância. Este efeito também pode ser visto na estrutura da molécula de ozônio (O3), conforme mostrado a seguir: Estruturas canônicas e híbrido de ressonância do ozônio. O Angstron (Å) é uma unidade de medida dez bilhões de vezes menor que o metro usadas para medir comprimentos de ligações dos átomos, moléculas, etc. QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 37 9. POLARIDADE E LIGAÇÕES QUÍMICAS EM COMPOSTOS ORGÂNICOS A capacidade que as ligações possuem de atrair cargas elétricas se define como Polaridade, esta assume caráter diferente dependendo da ligação onde se faz presente. Em relação à ligação iônica e covalente, esta última faz com que a molécula seja apolar. A molécula onde a ligação iônica é responsável por manter átomos unidos apresenta polaridade. A ligação predominante entre os compostos orgânicos é a covalente, portanto se tornam na maioria compostos apolares. As longas cadeias carbônicas presentes em substâncias orgânicas não lhes permitem outro caráter senão o apolar. A explicação vem do fato de que a ligação ocorre entre elementos iguais (C-C), portanto possuem mesma escala de eletronegatividade. Molécula apolar O butano representado pela estrutura acima é um gás, repare que os átomos ligantes são iguais (4 carbonos ligados entre si). Mas não significa que todo composto orgânico seja apolar, a presença de outros átomos entre carbonos dá à molécula caráter polar. Confira o exemplo: Molécula polar A presença da Hidroxila OH (Oxigênio ligado a hidrogênio), que é um grupo funcional, fez com que a molécula do composto orgânico Etanol passasse a possuir polaridade. QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 38 10 ESTEREOQUÍMICA A estereoquímica é o ramo da química que estuda os aspectos tridimensionais das moléculas. Definições em estereoquimica: Isômeros são compostos diferentes que têm a mesma fórmula molecular. Isômeros constitucionais são isômeros que diferem porque seus átomos estão conectados em uma ordem diferente. Os químicos representam os isômeros conformacionais de 2 maneiras: Apesar da rotação do átomo ser livre, experimentalmente verifica-se que existem algumas conformações mais estáveis que outras. QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 39 Devido a aproximação das ligações C- H de cada grupo metil, uma diferença de energia de 12 KJ mol-1 entre a conformação estrela e eclipsada é que permite que a forma estrela seja majoritária. Esta energia é denominada energia de torção. Quando falamos que um isômero conformacional é mais estável não que dizer que as outras formas não ocorram. A temperatura ambiente, ou qualquer outra energia pode fazer a molécula rotacionar. Estereoisômeros não são isômeros constitucionais – eles têm seus átomos constituintes conectados na mesma sequencia. Estereoisômeros diferem apenas no rearranjo de seus átomos no espaço. Estereoisômeros não são isômeros constitucionais porque a ordem de conexão dos átomos em ambos os compostos é a mesma. Consequêntemente as propriedades físicas como P.E., P.F., solubilidade são as mesmas. Dentro dos estereoisômeros podemos dividir em dois tipos: os diastereômero e enantiômero. Diasterômeros: são isômeros cujas moléculas não são imagens especulares umas das outras. QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 40 Enantiômeros: são estereoisômeros cujas moléculas são imagens especulares umas das outras, que não se superpõem. Enantiômeros ocorrem apenas com compostos cujas moléculas são quirais. Uma molécula quiral é definida como uma que não é idêntica a sua imagem no espelho. Moléculas que não se sobrepõem com suas imagens especulares originando duas formas enantiômeras são chamadas moleculas quirais (do grego não). Observe as moléculas do tipo CH3X, CH2XY e CHXYZ. Os enantiômeros são o resultado da presença de um carbono tetraédrico ligado a quatro substituintes diferentes. Por exemplo, o ácido lático (ácido 2-hidroxipropanóico). Ele existe como um par de enantiômeros porque possui 4 grupos diferentes ligados ao átomo de carbono central. QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 4111 NOMENCLATURA DE COMPOSTOS ORGÂNICOS De acordo com recomendações de 1979 da União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC), o nome de um composto orgânico simples é formado basicamente por três partes: QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 42 12 GRUPOS FUNCIONAIS Função química é uma classe de compostos que apresentam propriedades químicas semelhantes. Esses compostos têm estruturas semelhantes. Na Química Orgânica, o número de funções químicas é enorme. As principais classes funcionais são os hidrocarbonetos, haletos de alquila, alcoóis, fenóis, cetonas, aldeídos, ácidos carboxílicos, sais de ácidos carboxílicos, cloretos de ácidos, anidrido de ácidos, ésteres, éteres, aminas, amidas e nitrilas. As moléculas dos compostos de uma família particular são caracterizadas pela presença de certos arranjos de átomos chamados de grupo funcional. Um grupo funcional é a parte da molécula onde ocorre a maioria de suas reações químicas. É a parte que efetivamente determina as propriedades químicas do composto (e muitas de suas propriedades físicas também). O grupo funcional de um alceno, por exemplo, é a ligação dupla carbono-carbono, enquanto que o grupo funcional de uma cetona é a carbonila (entre dois átomos de carbono). O conhecimento prévio dos grupos funcionais ajudará a organizar o conhecimento sobre as propriedades e a reatividade das moléculas orgânicas. QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 43 HIDROCARBONETOS Em química, um hidrocarboneto é um composto químico constituído unicamente por átomos de carbono e de hidrogênio unidos tetraedricamente por ligação covalente assim como todos os compostos orgânicos. Exemplos de hidrocarbonetos são: Os hidrocarbonetos naturais são compostos químicos constituídos apenas por átomos de carbono (C) e de hidrogênio (H), os quais se podem juntar átomos de oxigênio (O), azoto ou nitrogênio (N) e enxofre (S) dando origem a diferentes compostos de outros grupos funcionais. São conhecidos alguns milhares de hidrocarbonetos. As diferentes características físicas são uma consequência das diferentes composições moleculares. Contudo, todos os hidrocarbonetos apresentam uma propriedade comum: oxidam-se facilmente liberando calor. Os hidrocarbonetos naturais formam-se a grandes pressões no interior da terra (abaixo de 150 km de profundidade) e são trazidos para zonas de menor pressão através de processos geológicos, onde podem formar acumulações comerciais (petróleo, gás natural, carvão etc.). As moléculas de hidrocarbonetos, sobretudo as mais complexas, possuem alta estabilidade termodinâmica. Apenas o metano, que é a molécula mais simples (CH4), pode se formar em condições de pressão e temperatura mais baixas. Os demais hidrocarbonetos não são formados espontaneamente nas camadas superficiais da terra. Os hidrocarbonetos tem uma série de cadeias sendo divididos em: hidrocarbonetos alifáticos: neles, a cadeia carbônica é acíclica (ou seja, aberta), sendo subdividido em: alcanos QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 44 alcenos alcinos alcadienos alcadiinos hidrocarbonetos cíclicos: possuem pelo menos uma cadeia carbônica fechada, subdivididos em: cicloalcanos ou ciclanos cicloalcenos ou ciclenos cicloalcinos ou ciclinos aromáticos, que possuem pelo menos um anel aromático (anel benzênico) além de suas outras ligações. ALCANOS Os alcanos se caracterizam por possuir apenas átomos de carbono e hidrogênio em suas moléculas e ter cadeia saturada, ou seja, apenas ligações covalentes simples entre carbonos. O metano é o alcano mais simples. É o principal componente do gás natural. Os alcanos de cadeia cíclica são chamados de cicloalcanos. As principais fontes dos alcanos são o gás natural e o petróleo, sendo utilizados, em grande parte, como combustíveis. Alguns exemplos são o gás natural, a gasolina, o óleo diesel, o querosene e a parafina, que são constituídos pela mistura de diferentes alcanos. Os alcanos de maior massa molecular, como a vaselina, também são utilizados na preparação de cosméticos. Os alcanos são compostos apolares, apresentando forças de atração dipolo- induzido dipolo induzido entre as moléculas. Logo, os alcanos até 4 átomos de carbono são gases em condições ambientes (de 25ºC e 760 mmHg). Conforme aumenta-se a quantidade de átomos de carbono na molécula, há um acréscimo na massa molecular. Assim, alcanos com 5 a 17 átomos de carbono são líquidos e os demais sólidos. Eles são insolúveis em água e solúveis em solventes pouco polares, como o clorofórmio e o benzeno. NOMENCLATURA DE ALCANOS: A nomenclatura dos alcanos é denominada com o uso do prefixo correspondente ao número de átomos de carbono, seguindo do sufixo ano, que apresenta simples ligações entre os átomos de carbono QUIMICA ORGANICA 1 Prof Dr. Christian A. Guimarães 45 hexano ALCENOS Alcenos (alquenos, olefinas) são todos os hidrocarbonetos de cadeia aberta, insaturada, podendo assim apresentar uma dupla-ligação entre átomos de carbono. Fórmula geral Os alcenos são bem reativos, normalmente com a quebra da ligação dupla e formação de novas ligações, sendo estas chamadas reações de adição. Uma das maiores fontes de etanol é a hidratação (adição de água) à molécula de etileno, preferida até à produção do álcool pela fermentação em muitos países. Talvez a mais importante reação destes compostos seja a polimerização, onde a ligação dupla dá origem a duas ligações com outras moléculas e assim por diante, formando grande parte dos plásticos usados no mundo, como polietileno, ABS (plástico) e borracha sintética. Os alcenos raramente ocorrem na natureza. O mais comum é o eteno, produzido durante o amadurecimento das frutas. Outro alceno é o octadeceno, presente no fígado de peixes. Já um dos componentes da casca do limão é um octeno, que, como todo hidrocarboneto, sofre combustão. Um alceno muito importante é o etileno. O etileno ou eteno é um gás, nas condições ambientais, praticamente insolúvel em água, mas bastante solúvel em solventes organicos, como o benzeno e o éter. Industrialmente, ele é obtido pela quebra (cracking) de alcanos de cadeias longas e é o mais importante dos compostos orgânicos na indústria química. Considerando-se todos os compostos orgânicos usados na indústria, o etileno ocupa a quinta posição, sendo sobrepujado somente pelo acetileno, pode-se fabricar um grande número de polímeros (plásticos), que já fazem parte de muitos de nossos hábitos e costumes. Em algumas situações particulares, o etileno pode ser usado na produção de álcool etílico, também chamado de etanol ou álcool comum. Esse processo é