Baixe Apostila "Noções básicas de Química Orgânica" e outras Notas de estudo em PDF para Química, somente na Docsity! Ministério da Educação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul Centro de Ciências Exatas e Tecnologia (CCET) D e p a r t a m e n t o d e Q u í m i c a ( D Q I ) PROGRAMA DE EDUCAÇÃO TUTORIAL (PET) - Química Cursos de Apoio - 2007 PET – QUÍMICA NOÇÕES BÁSICAS DE QUÍMICA ORGÂNICA (Texto para fins didáticos) Ministrante: CLÁUDIO RODRIGO NOGUEIRA (Bolsista do Grupo PET-Química) Coordenação: Fábio Augusto de Souza Ferreira (Bolsista do Grupo PET-Química) Campo Grande – MS 2007 MENSAGEM DO MINISTRANTE Gostaria de agradecer a participação de todos que me privilegiaram nessa minha primeira tentativa de elaboração de um material didático. Peço desculpas, caso não tenha sido muito claro em algum tópico abordado. É fundamental nesse momento deixar uma questão bastante clara. Os conceitos básicos abordados, assim como a forma de abordagem bastante sucinta adotada no texto, está muito longe de transmitir a bagagem conceitual necessária para que um acadêmico obtenha sucesso na disciplina de química orgânica do curso de graduação. No entanto, o texto trata de conceitos básicos e importantes, que tem como principal objetivo atingir aqueles acadêmicos que possuem maiores dificuldades. Em outras palavras, o mini-curso têm como enfoque principal fazer uma breve revisão sobre conceitos abordados no ensino médio. Muitos conceitos, como por exemplo, acidez, basicidade, ressonância, isomeria, análise conformacional, nomenclatura de compostos polifuncionais, reatividade de compostos orgânicos entre outras, não serão abordados neste material didático. Esses conceitos serão vistos detalhadamente e da forma mais técnica possível durante o curso de graduação com os professores (a) das disciplinas de química orgânica. Desejo sorte a todos, espero que obtenham sucesso e encontrem prazer ao estudar e aprender química orgânica. 2 Essa síntese abalou profundamente o meio científico da época. No entanto, essa idéia ainda perdurou por muito tempo, tendo sido aventada a hipótese de que o cianato de amônia usado por Wohler teria provindo da calcinação de ossos e, portanto, ainda apresentava a força vital. A partir desta data outros compostos orgânicos foram obtidos em laboratório, derrubando totalmente o vitalismo, o que ocorreu desde 1850. Em meados do século XIX, o peso dessas evidências foi claramente contrário à teoria da força vital. Como William Brande escreveu em 1848: “Não se pode traçar nenhuma linha divisória definida entre a química orgânica e a química inorgânica... Quaisquer distinções... devem ser consideradas daqui para frente como sendo de caráter meramente prático, para favorecer a compreensão dos alunos”. A química hoje é unificada. Os mesmos princípios que explicam os compostos inorgânicos mais simples também explicam os compostos orgânicos mais complexos. A única característica que distingue os compostos orgânicos é que todos contêm o elemento carbono. Entretanto, a divisão entre a química orgânica e inorgânica, que começou por razões históricas, mantém sua “conveniência prática... para acelerar o progresso dos estudantes”. QUÍMICA ORGÂNICA É, ENTÃO, O ESTUDO DOS COMPOSTOS DE CARBONO! 3 2 CONSIDERAÇÕES INICIAIS: ESTRUTURA E LIGAÇÃO Química orgânica é o estudo dos compostos de carbono. Muito embora tenha ocorrido uma divisão histórica entre a química orgânica e a química inorgânica, não existe uma razão científica para isso. Um átomo consiste em um núcleo positivamente carregado rodeado por um ou mais elétrons negativamente carregados. A estrutura eletrônica de um átomo pode ser descrita pela equação de onda mecânico-quântica, na qual se considera que elétrons ocupam orbitais em torno do núcleo. Orbitais diferentes têm energia e formas diferentes. Por exemplo, orbitais s são esféricos e orbitais p têm a forma de halteres. Ligações covalentes são formadas quando um par de elétrons é compartilhado por um ou mais átomo. De acordo com a teoria da ligação de valência, o compartilhamento ocorre devido à superposição de dois orbitais atômicos de átomos diferentes. As técnicas computacionais envolvidas tem sido em grande parte superadas pela teoria dos orbitais moleculares, mas grande parte da linguagem e alguns conceitos da teoria da ligação de valência ainda permanecem. De acordo com a teoria dos orbitais moleculares (OM), as ligações resultam da combinação matemática de orbitais atômicos de átomos diferentes para formar orbitais moleculares que pertencem à molécula como um todo. A combinação linear de orbitais átomos pertencentes ao mesmo átomo gera os orbitais híbridos. Orbitais híbridos de composição diferentes, são usados para justificar diferentes geometrias moleculares e fornecer uma base para a descrição da TLV. O carbono utiliza orbitais híbridos para formar ligações em moléculas orgânicas. Quando o carbono forma somente ligações simples em geometria tetraédrica, ele utiliza quatro orbitais híbridos sp3 equivalentes. 4 Quando o carbono forma uma dupla ligação com geometria planar, ele utiliza três orbitais híbridos sp2 equivalentes e um orbital p não hibridizado. Uma ligação dupla carbono- carbono se forma quando dois átomos de carbono hibridizados sp2 se unem. Quando o carbono forma uma ligação tripla com geometria linear, o carbono utiliza dois orbitais híbridos sp e equivalentes e dois orbitais p não hibridizados. Uma ligação tripla carbono-carbono se forma quando dois átomos de carbono hibridizados sp se unem. Outros átomos como o nitrogênio e o oxigênio também se hibridizam para formar ligações orientadas, fortes. O átomo de nitrogênio da amônia e o oxigênio da água têm hibridização sp3. As ligações que possuem uma seção transversal circular e são formadas pela interação frontal de dois orbitais são denominadas ligações sigmas (σ); as ligações formadas pela sobreposição lateral de orbitais p são denominadas ligações pi (π). 7 5 CONCEITOS FUNDAMENTAIS 5.1 CLASSIFICAÇÃO DOS ÁTOMOS DE CARBONO Dependendo de sua posição na cadeia, os átomos de carbono classificam-se em: - Carbono primário: É o que se liga apenas a um outro átomo de carbono. São primários os átomos de carbono situados nas extremidades da cadeia e quando houver somente um átomo de carbono, este será considerado primário. Exemplos: - Carbono secundário: É o que se liga a dois outros átomos de carbono. Exemplos: - Carbono terciário: Está ligado a três outros átomos de carbono. Exemplos: - Carbono quaternário: Está ligado a quatro outros átomos de carbono. Exemplos: 8 5.2 CLASSIFICAÇÃO DAS CADEIAS CARBÔNICAS As cadeias carbônicas são classificadas segundo vários critérios: I) Cadeia aberta e fechada Cadeia aberta ou acíclica – os átomos de carbono não formam ciclo. Exemplos: Cadeia fechada ou cíclica – os átomos de carbono formam ciclo ou anel. Exemplos: II) Classificação das cadeias abertas ou acíclicas A) Quanto à disposição dos átomos Cadeia acíclica linear ou normal: É aquela que apresenta unicamente átomos de carbono primário e secundário (têm duas extremidades apenas). Cadeia acíclica ramificada: É aquela que apresenta pelo menos um átomo de carbono terciário ou quaternário (têm mais de duas extremidades). 9 Obs: A cadeia do composto abaixo, embora apresente apenas átomos de carbono primário e secundário, deve ser classificada como ramificada, pois tem três extremidades. B) Quanto à natureza dos átomos Cadeia homogênea: É aquela que não apresenta átomos diferentes de carbono intercalados na cadeia. Cadeia heterogênea: É aquela que apresenta átomos de carbono intercalados na cadeia. Esses átomos diferentes de carbono são chamados heteroátomos. C) Quanto ao tipo de ligação entre os átomos de carbono Cadeia saturada: É aquela em que os átomos de carbono ligam-se entre si, exclusivamente, por simples ligações. 12 7 NOMES OFICIAIS DOS 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: Exemplos: 13 8 PREFIXOS USADOS NA NOMENCLATURA ORGÂNICA Nº de átomos de C Prefixo 1 Met 2 Et 3 Prop 4 But 5 Pent 6 Hex 7 Hept 8 Oct 9 Non 10 Dec 11 Undec 12 Dodec 13 Tridec 14 Tetradec 15 Pentadec 20 Eicos 21 Heneicos 22 Docos 23 Tricos 30 Triacont 31 Hentriacont 32 Dotriacont 40 Tetracont 50 Pentacont Indicação das ligações Simples ligação: an Dupla ligação: en Tripla ligação: in Indicação das funções orgânicas Hidrocarboneto: o Álcool: ol Ácido carboxílico: óico Cetona: ona Aldeído: al 14 9 HIDROCARBONETOS Hidrocarbonetos, como sugere o nome são compostos cujas moléculas contêm apenas átomos de carbono e hidrogênio. 17 11 ALCENOS: ESTRUTURA E NOMENCLATURA Alcenos (alquenos, olefinas) são hidrocarbonetos insaturados que contêm uma dupla ligação carbono-carbono. Os alcenos apresentam a seguinte fórmula geral: CnH2n Exemplos: Na nomenclatura dos alcenos não ramificados, damos o prefixo correspondente ao número de átomos de carbono, seguido do sufixo – eno. O sufixo – eno mostra a presença de uma dupla ligação entre os átomos de carbono. No caso de o alceno ter mais de 3 átomos de carbono na cadeia, devemos indicar a posição da dupla ligação, o que fazemos por números; para isto, começamos a numerar a cadeia da extremidade mais próxima da dupla ligação. Separar número de palavra por meio de hífen. No caso dos alcenos ramificados, a cadeia principal é aquela que apresenta o maior número de átomos de carbono e que contém a insaturação. A numeração dos átomos de carbono é feita de tal forma que a insaturação seja indicada pelo menor número possível. Para isso a numeração se inicia da extremidade mais próxima da insaturação. 18 12 ALCINOS, ALCADIENOS E HIDROCARBONETOS POLIINSATURADOS Alcinos (alquinos) são hidrocarbonetos insaturados que contêm uma tripla ligação carbono-carbono. Os alcinos apresentam a seguinte fórmula geral: CnH2n-2 Os alcinos seguem a mesma regra de nomenclatura que vimos para alcenos, diferenciando-se apenas pelo uso do sufixo ino ao invés de eno. Muitos hidrocarbonetos conhecidos são moléculas que contêm mais de uma ligação dupla ou tripla. O hidrocarboneto cujas moléculas contêm duas ligações duplas é chamado de alcadieno; aquele cujas moléculas contêm três ligações duplas é chamado de alcatrieno e assim por diante. Corriqueiramente, refere-se a esses compostos simplesmente como “dienos” e “trienos”. Um hidrocarboneto com duas ligações triplas é chamado um alcadiino, e um hidrocarboneto com uma ligação dupla e tripla é chamado de alcenino. 19 13 COMPOSTOS AROMÁTICOS No início da química orgânica, a palavra aromático foi utilizada para descrever algumas substâncias que possuíam fragrâncias, como o benzaldeído (responsável pelo aroma das cerejas, pêssegos e amêndoas), o tolueno (do bálsamo de Tolu) e o benzeno (do carvão destilado). Entretanto, logo se observou que essas substâncias aromáticas eram diferentes da maioria dos compostos orgânicos em relação ao comportamento químico. O termo aromático é utilizado por razões históricas para se referir à classe de compostos com estrutura semelhante à do benzeno. Os hidrocarbonetos aromáticos, que tiraram seu nome originalmente dos odores característicos que muitos deles têm, são chamados de arenos. Todos eles contêm um anel aromático, usualmente o anel de seis átomos do benzeno. Outros tipos de moléculas além daquelas com estrutura semelhante a do benzeno também podem ser aromáticos, por exemplo a piridina, um heterocíclico de seis átomos com um átomo de nitrogênio, é aromático e se assemelha eletronicamente ao benzeno. Além da piridina temos mais uma miríade de outros compostos pertencente a classe de compostos aromáticos (hidrocarbonetos ou não). 22 16 ÁLCOOIS Álcool metílico (mais sistematicamente chamado metanol) tem a fórmula estrutural CH3OH e é o membro mais simples da família de compostos orgânicos conhecidas como álcoois. Os grupo funcional característico para esta família é a hidroxila (OH) ligada a um átomo de carbono com hibridização sp3. Os álcoois assim como os haletos de alquila podem ser classificados em primários, secundários e terciários. Na nomencaltura oficial da IUPAC acrescentamos ao prefixo (met, et, prop...) o termo que indica o tipo de ligação (an, en, in), e no fim colocamos a terminação ol. Se o álcool apresentar cadeia ramificada, teremos de tomar alguns cuidados: • Achar a cadeia principal. É aquela que apresenta maior número de átomos de carbono possível e, neste caso, que contenha o grupo – OH). • Numerar a cadeia principal partindo da extremidade mais próxima do grupo - OH. • Identificar e nomear as ramificações. Obs: Se a hidroxila estiver ligada a carbono de dupla ligação, teremos outra função denominada enol. 23 17 ÉTERES Éteres possuem a fórmula geral R-O-R ou R-O-R’, onde R’ pode ser um grupo alquila (ou fenila) diferente de R. Éteres podem ser vistos como derivados da água em que ambos os átomos de hidrogênio foram substituídos por grupos alquilas. O ângulo da ligação do átomo de oxigênio de um éter é apenas levemente maior que o da água. Nomenclatura dos éteres: A) Oficial Damos nome às cadeias que vêm antes e depois do oxigênio como hidrocarboneto, intercalando o termo oxi no meio deste nome. B) Usual Utiliza-se a palavra éter seguida do nome do 1º radical acompanhado do 2º radical com a terminação ico. Os radicais são listados em ordem alfabética. Exemplos de nome de radicais: - CH3 : Metil, - CH3CH2 : Etil, e assim sucessivamente. 24 18 AMINAS Assim como os álcoois e os éteres podem ser considerados como derivados orgânicos da água, as aminas podem ser consideradas como derivados orgânicos da amônia. Aminas são classificadas como 1º, 2º ou 3º. Esta classificação baseia-se no número de grupos orgânicos que estão ligados ao átomo de nitrogênio. As aminas são consideradas as bases da química orgânica. São encontradas na natureza em extratos vegetais, em alguns alcalóides e em compostos provenientes da decomposição de seres vivos, tais como a puterscina, a cadaverina e a metilamina (cheiro de peixe). São importantes na indústria para a produção de medicamentos, corantes, sabões e na vulcanização da borracha. Na nomenclatura das aminas primárias, damos o nome do grupo – R ligado ao nitrogênio, em seguida, a palavra amina. Quando se nomeia amina secundárias ou terciárias, considera-se os grupos ligados ao nitrogênio como radicais. 27 21 AMIDAS Amidas são compostos orgânicos teoricamente derivados de ácidos carboxílicos pela substituição do grupo – OH pelo radical – NR2. A uréia é a amida mais importante. A uréia foi o primeiro composto orgânico preparado em laboratório, através da síntese de Wohler (1828). É um sólido solúvel em água e em álcool. Ocorre na urina, como produto final do metabolismo das proteínas. A aplicabilidade da uréia é ampla e diversificada. Na medicina, é empregada na preparação de substâncias hipnóticas. Na indústria, participa da fabricação de plásticos. É ainda utilizada na agricultura, como adubo nitrogenado. A uréia pode ser considerada como uma diamida do ácido carbônico. Na nomenclatura, basta citarmos seu nome como se fosse um ácido, acrescentando a terminação amida, ou citar o nome do hidrocarboneto correspondente com a terminação amida. 28 22 ÉSTERES Ésteres são compostos derivados de ácidos carboxílicos pela substituição do hidrogênio do radical hidroxila por um radical derivado de hidrocarbonetos. Aparecem na natureza nas essências das frutas e por isso são bastante utilizados na indústria alimentícia como flavorizantes (termo proveniente da língua inglesa que indica sabor misturado com aroma). Aparecem também como ceras (ésteres de ácidos graxos com álcoois de cadeia longa) e gorduras. As regras utilizadas para atribuição de seus nomes são semelhantes as utilizadas para os ácidos carboxílicos, trocando-se a terminação óico do ácido por oato e citando-se ao final o radical que substituiu o hidrogênio. 29 EXERCÍCIOS 1) A partir do nome do composto, desenhe a sua fórmula estrutural. a) 2-metilpropano b) butanoamida c) trietilamina d) cloreto de isopropila e) etino f) 1-propeno g) etoxietano h) ácido butanóico i) 3,4-dimetiloctano 2) Dado os compostos abaixo, destaque e classifique os grupos funcionais presentes nas moléculas: a) b)