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AN02FREV001/REV 4.0 44 PROGRAMA DE EDUCAÇÃO CONTINUADA A DISTÂNCIA Portal Educação CURSO DE QUÍMICA ORGÂNICA Aluno: EaD - Educação a Distância Portal Educação AN02FREV001/REV 4.0 45 CURSO DE QUÍMICA ORGÂNICA MÓDULO II Atenção: O material deste módulo está disponível apenas como parâmetro de estudos para este Programa de Educação Continuada. É proibida qualquer forma de comercialização ou distribuição do mesmo sem a autorização expressa do Portal Educação. Os créditos do conteúdo aqui contido são dados aos seus respectivos autores descritos nas Referências Bibliográficas. AN02FREV001/REV 4.0 46 MÓDULO II 6 CLASSIFICAÇÃO DO CARBONO No módulo I vimos algumas propriedades do carbono como sua tetravalência, capacidade de formar ligações simples, duplas e triplas, além de formar cadeias, constituindo assim milhares de moléculas na química orgânica. 6.1 CLASSIFICAÇÃO DO ÁTOMO DE CARBONO O carbono ainda possui algumas classificações importantes para compreender a nomenclatura das moléculas. Ele pode ser classificado da seguinte forma: a) Carbono primário: É o átomo de carbono ligado a apenas outro carbono. b) Carbono secundário: É o átomo de carbono ligado a mais dois carbonos. c) Carbono terciário: É o átomo de carbono ligado a mais três carbonos. d) Carbono quaternário: É o átomo de carbono ligado a mais quatro carbonos. Vejamos um exemplo: AN02FREV001/REV 4.0 47 Os carbonos primários sempre estarão nas extremidades da cadeia carbônica e na molécula acima o um que representa o carbono primário está em vermelho. Os secundários representados em azul, geralmente estão no meio da cadeia, assim como o terciário (representado na cor verde) e quaternário (representado na cor lilás). 6.2 CLASSIFICAÇÃO DAS CADEIAS CARBÔNICAS As cadeias carbônicas podem ser Classificadas como: Abertas (acíclicas) ou fechadas (alicíclica ou aromática). 6.2.1 Cadeias Abertas As cadeias abertas não apresentam um fechamento na molécula. Exemplos: 6.2.1.1 Classificação das Cadeias Abertas As cadeias abertas podem ser classificadas de acordo com alguns critérios: i. Quanto à disposição dos átomos: Normal: Quando os átomos de carbono estão numa sequência, sem quebras. Este tipo de molécula será constituído apenas de carbonos primários e secundários. AN02FREV001/REV 4.0 48 Exemplo: Ramificada: Neste caso, a molécula será composta, além dos carbonos primários e, às vezes, secundários, dos carbonos terciários ou quaternários. Conforme o exemplo abaixo: ii. Quanto ao tipo de ligação entre os carbonos: Saturada: Quando só há ligações simples entre os carbonos. Exemplos: Insaturada: Quando há ligações duplas ou triplas entre os carbonos. Exemplos: Dupla ligação Tripla ligação AN02FREV001/REV 4.0 49 iii. Quanto há presença de átomos diferentes de carbonos entre os carbonos: Homogênea: Quando na cadeia principal não existem átomos diferentes entre os carbonos, ou seja, só existem átomos de carbono e hidrogênio. Exemplos: Heterogênea: Quando existe um átomo diferente de carbono e hidrogênio entre os carbonos, o heteroátomo. Exemplos: 6.2.2 Cadeias Fechadas As classificações foram referentes às cadeias abertas. Agora, vamos ver para as fechadas, que na verdade é um pouco semelhante. Há dois tipos de cadeias fechadas ou cíclicas: A Alicíclica (não aromática) e a Aromática. Cadeia principal AN02FREV001/REV 4.0 50 6.2.2.1 Cadeias Fechadas Alicíclicas As Alicíclicas podem ser classificadas da mesma maneira que as cadeias normais, diferenciando apenas nos termos quanto à presença ou não de heteroátomo sendo chamadas de homocíclica ou heterocíclica, porém a definição é a mesma. Abaixo, exemplos de cadeias alicíclicas, homocíclica e heterocíclica, respectivamente. Alicíclica: É uma cadeia fechada sem anel aromático, pode ser formada a partir de três carbonos. Ciclopropano ciclopentano isopropilcicloexano Homocíclica: Sem a presença de heteroátomo entre os carbonos. Heterocíclica: Com a presença de heteroátomo entre os carbonos. AN02FREV001/REV 4.0 51 6.2.2.2 Cadeias Fechadas Aromáticas As aromáticas são cadeias fechadas que possuem duplas ligações alternadas (Figura 24a), sendo também representadas por um círculo dentro da cadeia (Figura 24b), a molécula mais simples desse tipo de cadeia é o benzeno (Figura 24c). FIGURA 24 - REPRESENTAÇÃO DE CADEIAS AROMÁTICAS a) b) c) a) Benzeno com duplas alternadas aparente. b) Molécula do 4-metilfenol evidenciando o círculo dentro da cadeia aromática. c) Molécula do benzeno com o círculo interno, representando o anel aromático. FONTE: Arquivo pessoal do autor A molécula do benzeno (C6H6) foi descoberta por Michael Faraday por volta de 1825, porém sua estrutura molecular ficou desconhecida por muitos anos, tendo sido sugerida como uma molécula de cadeia aberta e com muitas insaturações. Em 1865, Kekulé propôs uma estrutura na qual o benzeno era uma mistura de dois compostos em equilíbrio rápido (Figura 25). FIGURA 25 - EQUILÍBRIO DO BENZENO, SEGUNDO KEKULÉ FONTE: Adaptado de Bruice (2003, p. 265). EQUILÍBRIO RÁPIDO AN02FREV001/REV 4.0 52 Atualmente, este equilíbrio que Kekulé propunha não ocorre, uma vez que as ligações duplas são deslocalizadas, como já explicado no módulo I. A esse fenômeno damos o nome de ressonância, como já discutido. Na verdade, a forma correta de representar as cadeias aromáticas seria com o círculo interno, como mostrado na figura 24b e c. As cadeias aromáticas podem ser monocíclicas ou policíclicas. Monocíclica ou mononuclear: Molécula formada apenas por um anel aromático. Exemplo: O Benzeno. Policíclica ou polinuclear: Molécula formada por mais de um anel aromático. Podendo ser condensada ou não condensada. - Condensada: Quando há carbonos em comum formando os anéis aromáticos. Exemplo: - Não condensada ou núcleo isolado: Não há carbono em comum formando os anéis, são isolados. Exemplo: AN02FREV001/REV 4.0 53 6.3 FORMAS DE REPRESENTAÇÃO DAS CADEIAS CARBÔNICAS As cadeias carbônicas podem ser representadas de várias formas estruturais: 6.3.1 Estrutura Tridimensional Esta estrutura representa as ligações simples tetraedricamente e as ligações duplas são representadas no plano. O símbolo de cunha fechada ( ) indica que o átomo está para frente do plano, como se fosse para fora da folha, apontando para você. O símbolo de cunha pontilhada ( ) significa que o átomo está para trás do plano, atrás da folha. Na Figura 26, três exemplos de moléculas representadas tridimensionalmente. FIGURA 26 - ESTRUTURA TRIDIMENSIONAL a) b) c) a) Metano. b) Etano. c) Bromometano. FONTE: Solomons e Fryhle (2001, p. 48). 6.3.2 Fórmulas de traços ou fórmula estrutural ou estrutura de Kekulé Os átomos de carbonos e hidrogênios são ligados por traços que representam um par de elétrons. As ligações são mostradas num plano. Esse tipo de representação também poderá ser realizado deixando os átomos de hidrogênio ocultos, veja os exemplos seguintes. AN02FREV001/REV 4.0 54 Exemplos a: Carbonos e hidrogênios aparentes Butano Cloroeteno Exemplo b: Carbonos aparentes e hidrogênios ocultos Pentano Propeno 6.3.3 Fórmulaestrutural condensada Os traços entre os átomos são suprimidos de forma completa ou parcial. Veja os exemplos: Exemplo a: Fórmula condensada completa. Nenhum traço aparece. 2-cloropropano 2-metilpropano Exemplo b: Fórmula condensada parcial. Apenas os traços entre os carbonos e outros átomos diferentes de hidrogênio aparecem. Esta pode ser reta ou em zigue-zague. 2-Propanol Ciclopropano 2-clorobutano AN02FREV001/REV 4.0 55 6.3.4 Fórmula de linhas São apresentadas apenas as ligações, em que átomos de carbono e hidrogênio ficam ocultos, aparecem apenas outros átomos. Cada vértice representa um carbono e seus respectivos hidrogênios, completando as quatro ligações que o carbono deve fazer. Veja os exemplos abaixo. Butano Cloroeteno 2-metil-but-1,3-eno Ciclohexano 6.3.5 Fórmulas de pontos ou de Lewis São aquelas em que aparecem os elétrons de valência dos átomos da cadeia carbônica em forma de pontos. Exemplos: Eteno Metoximetano AN02FREV001/REV 4.0 56 6.3.6 Fórmula molecular Esta fórmula é a mais simples de todas. Indica o número de átomos de cada elemento na molécula, geralmente na sequência - CHONPS. Exemplos: C6H8 (propano); C3H6 (propeno); CHO (formaldeído); CH2O2 (ácido fórmico); CH5N (metilamina). Agora que já sabemos alguns pontos básicos das cadeias, vamos às funções orgânicas. 7 GRUPOS FUNCIONAIS E REGRAS GERAIS DE NOMENCLATURA Os compostos orgânicos são agrupados em classes com base em suas propriedades químicas semelhantes, chamados de grupos funcionais. Um grupo funcional é um átomo ou um grupo de átomos em uma molécula que serve como um local de reatividade química. O carbono se combina com outros átomos, tais como H, N, O, S e halogênios para formar grupos funcionais. Os principais grupos funcionais estão resumidos na Tabela 6, em que são mostrados o nome das funções orgânicas, a estrutura principal da cadeia e um exemplo: AN02FREV001/REV 4.0 57 TABELA 6 - TIPOS DE INTERAÇÕES QUÍMICAS Nome da função Grupo funcional Exemplo Alcano R* - H CH3-CH2-CH3 (propano) Alceno CH3-CH= CH2 (propeno) Alcino (etino) Aromáticos (tolueno) Haletos orgânicos R-Cl; R-Br; R-I; R-F CH-Cl3 (clorofórmio) Alcoóis R-OH CH3-CH2-OH (etanol) Fenóis (4- metilfenol) Éteres R-O-R CH3-O-CH3 (metoximetano ou éter metílico) Aldeídos (etanal) Cetonas (propanona ou acetona) Ácidos carboxílicos (ácido acético) Cloretos de acila (cloreto de etanoíla) Ésteres (acetato de etila) Anidridos (anidrido acético) AN02FREV001/REV 4.0 58 Amidas (propanamida) Aminas (etilamina) Nitrocompostos (nitroetano) Tiocompostos [Oxigênio (O) é substituído por Enxofre (S)] Tioálcool ou mercaptana: (etanotiol) Tioéter ou sulfeto: (sulfeto de dimetila) Tiocetona: (tiopropanona) Ácidos sulfônicos (ácido metanosulfônico) Organometálicos (O carbono é ligado a um metal) Organometálico R - metal (chumbo tetraetila) Frankland R- ZnX (X = F, Cl, Br, I) (brometo de etilzinco) Grignard R- MgX (X = F, Cl, Br, I) (iodeto de metilmagnésio) * Notas: R é usado genericamente para representar o carbono, pois a cadeia pode ter uma infinidade de carbono ligado. FONTE: Solomons & Fryhle (2001); Mahan & Myers (2007); Sarker & Nahar (2007). Como visto na Tabela 6, existem várias funções orgânicas e há ainda aquelas que não foram citadas, mas que serão comentadas no decorrer deste módulo. Agora vamos discorrer sobre cada uma das funções acima com mais detalhes. AN02FREV001/REV 4.0 59 7.1 HIDROCARBONETOS Os hidrocarbonetos são funções que possuem apenas carbono e hidrogênio em sua constituição e podem ser subdivididos em: Alcanos, alcenos, alcinos, alcadienos, cicloalcanos, cicloalcenos e aromáticos. 7.1.1 Alcanos ou parafinas São hidrocarbonetos de cadeia aberta e saturada, ou seja, só possuem ligações simples (C - C e C - H) com ângulo de ligação de 109,5° e hibridização sp3. Sua fórmula geral é: CnH2n+2; onde o n = números de carbonos da cadeia. Os alcanos possuem pouca reatividade, por isso são conhecidos também como parafinas que no latim significa "parum affinis = pequena afinidade". São encontrados principalmente no petróleo e gás natural. Exemplo: Gás de cozinha, gasolina e diesel. Exemplos: O butano e propano fazem parte da composição do gás de cozinha. CH3-CH2-CH2-CH3 CH3-CH2-CH3 Butano Propano Os alcanos formam uma série homóloga (Tabela 7), uma vez que diferem entre si apenas por um grupo metileno (CH2-). AN02FREV001/REV 4.0 60 TABELA 7 - SÉRIE HOMÓLOGA DE ALGUNS ALCANOS FONTE: Solomons & Fryhle (2001). 7.1.1.1 Regra para nomenclatura dos alcanos A International Union of Pure and Applied Chemistry - IUPAC [União Internacional de Química Pura e Aplicada] é a organização responsável pela elaboração da nomenclatura sistemática ou oficial dos compostos orgânicos. Ela se baseia em algumas regras gerais que facilitam nomear os compostos. A seguir duas tabelas que serão úteis para nomear todas as funções orgânicas. A Tabela 8 apresenta os prefixos para se iniciar o nome de um composto orgânico, se o composto contiver cinco átomos de carbono sua inicial será pent. A tabela 9 mostra o infixo (o que ficará no meio do nome). Se caso for uma cadeia saturada de cinco carbonos teremos pentan. No caso dos hidrocarbonetos toda a terminação será em "o", assim o nome será pentano. AN02FREV001/REV 4.0 61 TABELA 8 - NOME DE PREFIXOS REFERENTE AO NÚMERO DE CARBONOS Número de átomos de carbono prefixo 1 met 2 et 3 prop 4 but 5 pent 6 hex 7 hept 8 oct 9 non 10 dec FONTE: Solomons & Fryhle ( 2001). TABELA 9 - NOME DE INFIXOS Tipo de ligação entre os carbonos infixo Saturada (ligação simples) an 1 dupla en 2 duplas dien 3 duplas trien 1 tripla in 2 triplas diin FONTE: Solomons & Fryhle (2001). Exemplos: Alcanos Prefixo + Infixo + o CH4 → met+a+no = metano CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 → hept+an+o = heptano AN02FREV001/REV 4.0 62 Para nomear hidrocarbonetos de cadeia ramificada é preciso conhecer os radicais ou grupos orgânicos substituintes que estão descritos na tabela abaixo, além de alguns passos que devem ser seguidos. Estes grupos são as ramificações das cadeias orgânicas, eles são formados pela quebra de ligações, ficando altamente reativos por se tornarem radicais, desta forma acabam por substituírem algum átomo da cadeia, que geralmente é o hidrogênio. Isto ocorre por meio da cisão homolítica. Quando há a quebra de ligações, os elétrons que eram compartilhados são separados de forma igual (cisão homolítica) ou desigual (cisão heterolítica). A cisão homolítica ocorre quando da quebra da ligação entre dois átomos cada um fica com um elétron, gerando o que se conhece como radical. Todos os fragmentos de alcanos são conhecidos, geralmente como radicais alquilas. Exemplo: A-B → A• + •B Na heterolítica, a cisão da ligação entre os átomos faz com que só um fique com os elétrons que eram compartilhados, formando assim íons positivo (perde elétron) e negativo (ganha elétron). Exemplo: A-B → A+ + B- Na Tabela 10 são mostrados os nomes dos grupos substituintes e sua estrutura, a qual se liga em uma cadeia principal. Os radicais são nomeados de acordo com o número de carbonos como já mostrado na Tabela 8 seguido da terminação il. Exemplo: met + il = metil; et + il = etil. AN02FREV001/REV 4.0 63 TABELA 10 - GRUPOS ORGÂNICOS SUBSTITUINTES Estrutura Nome do radical Radical com 1 carbono ou CH3 - METIL Radical com 2 carbonosou CH3CH2- ou C2H5- ETIL Radical com 3 carbonos ou PROPIL ISOPROPIL Radical com 4 carbonos BUTIL SEC-BUTIL ou S-BUTIL ISOBUTIL TERC-BUTIL ou T-BUTIL Radical com dupla ligação AN02FREV001/REV 4.0 64 ETENIL ou VINIL Radicais aromáticos uninucleares ou C6H5- ou C6H5CH2- FENIL BENZIL Radicais aromáticos polinucleares α-NAFTIL β-NAFTIL FONTE: Solomons & Fryhle (2001); Mahan & Myers (2007). Agora vamos para os passos para nomear cadeias ramificadas que servirão para todos os grupos, de acordo com suas características. Localizar a cadeia principal, ela é a maior sequência de carbonos ligados, nem sempre está representada em linha reta; Reconhecer os radicais e dar nomes a eles; Enumerar a cadeia principal, sendo que os números deverão começar pela extremidade mais próxima à ramificação. Sempre escolher pela menor numeração. Quando existirem mais de um radical igual usa-se o prefixo di, tri, tetra, penta, etc. AN02FREV001/REV 4.0 65 O nome dos radicais deve ser escrito em ordem alfabética, não levando em consideração, sec, terc, di, etc. Observação: Para cadeias com duplas ligações, estas devem fazer parte da cadeia principal e a numeração desta cadeia deve começar mais próximo da dupla e não dos radicais. A mesma regra segue para os grupos funcionais, dos quais falaremos com mais detalhes depois. Exemplo de nomenclatura para hidrocarbonetos ramificados seguindo as regras acima e as tabelas anteriores. a) b) c) 2,2 - dimetilbutano 3-etil-2-metilhexano 5-etil-2,2-dimetildecano 7.1.2 Alcenos ou olefinas São hidrocarbonetos de cadeia aberta e insaturada, possuindo pelo menos uma dupla ligação entre os carbonos. O mais simples é o etileno ou eteno (nome oficial ou IUPAC), um gás responsável pelo amadurecimento das frutas. O eteno é muito utilizado na indústria química para produção de plásticos a partir de sua polimerização. Os carbonos nos alcenos estão ligados entre si numa hibridização sp2 com ângulo de 120°. A fórmula geral para os alcenos é CnH2n. Os alcenos possuem caráter oleoso e afinidade com substâncias oleosas, dessa forma são também conhecidos como olefinas. Exemplos de alcenos: a) CH2=CH2 b) CH3-CH2-CH=CH-CH3 Eteno pent-2-eno AN02FREV001/REV 4.0 66 7.1.2.1 Nomenclatura dos alcenos Para nomear os alcenos valem as mesmas regras anteriores e tabelas 8, 9 e 10, apenas com algumas ressalvas: A cadeia principal deve conter a dupla e a numeração da cadeia deve começar pela extremidade mais próxima à insaturação. O carbono no qual se encontra a insaturação deve ser indicado no nome e é colocado antes do infixo. Veja os exemplos a seguir. O exemplo a mostra uma cadeia insaturada normal e o b uma cadeia insaturada ramificada. a) Hex-2-eno b) 2-propil-hex-1-eno 7.1.3 Alcadienos ou dienos São hidrocarbonetos de cadeia aberta e que apresentam duas duplas entre carbonos. Sua fórmula geral é CnH2n-2. O alcadieno but-1,3-dieno é encontrado no café. AN02FREV001/REV 4.0 67 7.1.3.1 Nomenclatura dos alcadienos As regras de nomenclatura são as mesmas utilizadas para os alcenos, a única diferença está na quantidade de dupla que deve ser informada usando - dien. Exemplo: 5-etil-2-metil-hept-2,4-dieno 7.1.4 Alcinos São hidrocarbonetos de cadeia aberta e insaturada por pelo menos uma tripla ligação. A hibridização do carbono é sp com ângulo de 180° e fórmula geral CnH2n-2. O alcino mais simples é o gás acetileno ou etino, utilizado em maçaricos para soldas, pois sua temperatura chega a 2800°C. Esse gás é obtido a partir de substâncias abundantes na natureza: carvão e calcário, por meio de reações. 7.1.4.1 Nomenclatura dos alcinos A nomenclatura dos alcinos segue a mesma regra que os alcenos. AN02FREV001/REV 4.0 68 Exemplo: pent-2-ino 4-metil-hex-2-ino 7.1.5 Cicloalcanos, ciclanos ou cicloparafinas São hidrocarbonetos de cadeia fechada e saturada. Sua fórmula geral é igual a dos alcenos CnH2n. O ciclopropano é o mais simples, formado por três átomos de carbono e é muito utilizado como anestésico na medicina. Pode ser representado em forma de estruturas geométricas como os exemplos abaixo. 7.1.5.1 Nomenclatura dos cicloalcanos As regras são as mesmas que a dos alcanos, a diferença está em acrescentar a palavra ciclo à frente do nome da cadeia e se couber os prefixos cis- trans. A cadeia principal, geralmente, é o ciclo. Veja os exemplos abaixo: ciclopropano Ciclobutano Ciclopentano Ciclohexano AN02FREV001/REV 4.0 69 1,3-dietilciclohexano Quando há uma cadeia aberta com número maior de carbono ela é a principal, dessa forma o ciclo é apenas um radical como segue abaixo. 5-ciclopentil-4-metilnonano 7.1.6 Cicloalcenos, ciclenos ou ciclolefinas São hidrocarbonetos de cadeia fechada e insaturada por dupla ligação. Sua fórmula geral é igual a dos alcinos CnH2n-2. Alguns deles são utilizados na fabricação de plásticos. Seguem alguns exemplos de cicloalcenos. ciclobuteno ciclopenteno ciclohexeno 7.1.6.1 Nomenclatura dos cicloalcenos Segue a mesma regra dos alcanos. Veja os exemplos acima. AN02FREV001/REV 4.0 70 7.1.7 Aromáticos Os hidrocarbonetos aromáticos possuem cadeia cíclica (anel aromático) com no mínimo seis carbonos com ligações duplas alternadas, formando um anel. O benzeno é o mais conhecido e muito utilizado na fabricação de medicamentos, plásticos, detergentes entre outros. Porém, é altamente cancerígeno, podendo causar leucemia. Hoje sua principal fonte é o petróleo. O benzopireno é outro exemplo de hidrocarboneto aromático que pode se incorporar a carnes grelhadas sobre carvão (churrasco) e peixes defumados. É extremamente carcinogênico, pesquisas mostraram que ratos que tiveram contato simples com o composto desenvolveram câncer. Os aromáticos não possuem fórmula geral, tampouco regra de nomenclatura. Seguem abaixo alguns exemplos de aromáticos. Benzeno Naftaleno Fenantreno Criseno Benzopireno 7.2 HALETOS ORGÂNICOS Os haletos orgânicos são compostos formados pela substituição de átomos de hidrogênio da molécula do hidrocarboneto por halogênio, estes são os elementos AN02FREV001/REV 4.0 71 pertencentes à família 17 (F, Cl, Br, I), que são representados genericamente pela letra X. A hibridização do carbono é sp3. São representados com a fórmula genérica: R-Cl; R-Br; R-I; R-F, onde o R é a cadeia carbônica. O clorofórmio é um exemplo de haleto orgânico, ele fora muito utilizado como anestésico na medicina, porém é extremamente tóxico e pode levar uma pessoa a óbito, dependendo da quantidade, hoje em dia ele só é utilizado como solvente. Há também os pesticidas organoclorados, gás lacrimogênio, os CFC's, inseticidas como o DDT, entre outros. Exemplos: Clorofórmio Dicloro-Difenil-Tricloroetano Triclorofluormetano 7.2.1 Nomenclatura dos haletos orgânicos A nomenclatura desses compostos de acordo com a IUPAC segue as mesmas regras dos alcanos, os haletos são tratados como grupos substituintes na molécula do hidrocarboneto, tendo preferência na enumeração da cadeia principal. O nome do haleto vem primeiro e depois o nome da cadeia do hidrocarboneto (NOME DO HALETO + NOME DO HIDROCARBONETO). Exemplos: 2,2-dibromopentano 2-cloro-3-metilpentano AN02FREV001/REV 4.0 72 7.3 ALCOÓIS Os alcoóis são compostos muito utilizadosno nosso cotidiano, o mais conhecido é o etanol usado como combustível. O etanol também é produto da fermentação de alguns microrganismos, como por exemplo, o fungo saccharomyces cerevisiae, usado como fermento biológico, que ao realizar o processo de respiração libera CO2 e etanol, o gás carbônico que faz o pão crescer e o etanol dá o cheiro característico da massa assada. Os alcoóis são utilizados na medicina, na área alimentícia, na indústria como solvente, na farmácia e muitas outras áreas. Um álcool encontrado em nosso organismo é o colesterol que em altas concentrações causa sérios danos à saúde. O grupo funcional que representa um álcool é a hidroxila: - OH Para ser caracterizada como um álcool a hidroxila deverá estar ligada a um carbono saturado, independente se a cadeia é aberta ou fechada. Veja os exemplos: CH3CH=CHCH2OH pentan-3-ol 3-metil-ciclohexanol But-2-en-1-ol Não confundir carbono saturado com cadeia saturada, a dupla não pode estar ligada no mesmo carbono que o OH, isso é um álcool. Quando na cadeia existir apenas um OH, chamamos de monoálcool, se existirem duas hidroxilas temos um diol ou glicol, se forem três, triol. Também pode ser chamado de polialcoóis ou polióis quando na cadeia forem mais de duas hidroxilas. AN02FREV001/REV 4.0 73 7.3.1 Nomenclatura dos alcoóis Para nomenclatura dos alcoóis há a regra pela iupac, mas também há a usual que será colocada sob a oficial. Na nomenclatura oficial, o álcool é o grupo substituinte da cadeia de hidrocarbonetos tendo preferência na contagem da cadeia principal. A enumeração da cadeia principal deve sempre começar pela extremidade mais próxima do OH, independente da dupla ligação. Na usual tem-se: álcool + prefixo + ílico. Para o álcool em cadeia saturada: prefixo + infixo (an) + ol (utilizar as tabelas 8, 9 e 10). Exemplos: ch3ch2ch2oh = prop+an+ol→ propanol Usual = álcool propílico = 2-metil- propan-2-ol Usual = álcool terc-butílico = 3-bromo-5-clorociclohexanol Usual = álcool 3-bromo-5clorociclohexílico Para o álcool em cadeia insaturada: prefixo + infixo (en) + ol (utilizar as tabelas 8, 9 e 10). = pent+4+en+2+ol → pent-4-en-2-ol AN02FREV001/REV 4.0 74 7.3.2 Nomenclatura para os dióis Nesse caso, para a nomenclatura oficial primeiro dá-se o nome da cadeia principal e depois a terminação diol. Sob o nome oficial entre parênteses é mostrado o nome usual. Exemplos: etan-1,2-diol propan-1,2-diol hexan-3,4-diol (etilenoglicol) (propileno glicol) 7.4 FENÓIS São compostos que possuem anel aromático (Ar) com a hidroxila ligada diretamente nele. São também conhecidos como hidroxibenzeno. Possuem fórmula geral Ar - OH. Os fenóis possuem propriedades fungicidas e germicidas, sendo utilizados na medicina, como desinfetantes, sabões, etc. São muito importantes farmaceuticamente e farmacologicamente, podem ser encontrados na natureza e podem ser sintetizados. Hidroxibenzeno (Fenol) Ácido salicílico (analgésico) Quercetina (antioxidante natural) AN02FREV001/REV 4.0 75 7.4.1 Nomenclatura dos fenóis Para se nomear os fenóis, segundo a IUPAC, coloca-se a palavra hidroxi mais o nome benzeno. Se existirem mais de uma hidroxila no anel colocam-se os prefixos: di, tri. Há também a nomenclatura usual que é muito utilizada para esse composto, a qual será colocada entre parênteses sob o nome oficial. Aqui é possível utilizar os prefixos gregos - orto (o), meta(m) e para (p) para indicar a posição do substituinte no anel aromático em relação à hidroxila, se for à posição 1,2 será orto, se for à posição 1,3 será meta e 1,4 será para. Como mostrado nos exemplos seguintes. Hidroxibenzeno (Fenol comum ou ácido fênico) 1,2-dihidroxibenzeno ou o-dihidroxibenzeno (o-hidroxifenol, catecol) 1-hidroxi-3-metilbenzeno ou m-hidroximetilbenzeno (m- hidroxitolueno, 3-metilfenol, m- cresol) Hidroxi-2- clorobenzeno (o-clorofenol) 7.5 ÉTERES São compostos ligados tanto em cadeias aromáticas quanto alifáticas. São empregados como solvente na indústria, utilizados na cosmética e como anestésico. O mais comum é o éter etílico que antigamente era usado como anestésico, porém sua utilização requer muito cuidado por ser altamente inflamável e explosivo. Dessa forma sua utilização para tal fim foi abolida na medicina, a qual utiliza outros tipos de éteres para anestesiar pessoas. AN02FREV001/REV 4.0 76 Sua fórmula geral é: R-O-R (cadeia alifática) ou Ar-O-R (cadeia aromática) O oxigênio atua como um heteroátomo na cadeia carbônica. Exemplos: CH3-O-CH3 CH3CH2-O-CH3 metoximetano metoxietano 7.5.1 Nomenclatura dos éteres A nomenclatura dos éteres é um pouco diferente das demais, porém deve-se utilizar o conhecimento anterior para a nomeação desses compostos. A nomenclatura oficial dos éteres segue a sequência abaixo (a usual está entre parênteses sob a oficial): nome do grupo menor + oxi + grupo maior (nome do hidrocarboneto) CH3-O-CH3 CH3CH2-O-CH3 metoximetano metoxietano metoxibenzeno (éter metílico) (éter metil etílico) (éter metil fenílico ou anisol) Há também os éteres cíclicos que possuem várias formas de nomeá-los: óxido + de + nome do radical da cadeia + en + o A segunda forma usa o prefixo oxa- para indicar um átomo de oxigênio que substituiu um grupo CH2. AN02FREV001/REV 4.0 77 A terceira opção é utilizar a palavra oxirano para indicar éteres cíclicos com três átomos na cadeia ou ainda usar a palavra epoxi e o nome da cadeia. Exemplos: - óxido de etileno - óxido de dietileno - oxaciclopropano - 1,4-dioxacicloexano - oxirano ou epoxietano - (nome comum - 1,4-dioxano) 7.6 ALDEÍDOS O aldeído mais conhecido é o formaldeído e também o mais simples, que em uma mistura com a água é utilizado na conservação de peças anatômicas. O cinamaldeído é um aldeído presente na canela, responsável pelo cheiro característico dela. Seu grupo funcional é a carbonila (C=O) ligada a um carbono de uma cadeia alifática ou aromática e a um hidrogênio terminal → R - CH=O ou R-CHO Exemplos: CH2CH=O HCH=O Etanal metanal AN02FREV001/REV 4.0 78 7.6.1 Nomenclatura dos aldeídos Seguem as mesmas regras dos alcoóis, porém a terminação é al. Entre parênteses segue a nomenclatura usual. O carbono do grupo carbonila sempre será o número 1, a contagem sempre iniciará por ele: Exemplos: Fenilmetanal 2-etil-4-metilpentanal etanodial (benzaldeído) (glioxal) 7.7 CETONAS A cetona mais conhecida e comum é a acetona, utilizada como solvente. A cetona cíclica muscona é responsável pelo aroma almiscarado e usada na produção de perfumes. A testosterona, hormônio masculino, também é um exemplo de cetona. A fórmula geral das cetonas é , a cadeia também pode ser aromática: ou . AN02FREV001/REV 4.0 79 7.7.1 Nomenclatura das cetonas O nome usual das cetonas é realizado substituindo a terminação do alcano correspondentes, pela terminação ona. A enumeração da cadeia é como antes, sendo que a numeração deve começar pela extremidade mais próxima do grupo carbonila. Exemplos: propanona butanona 4-cloro-ciclohexanona (acetona ou dimetil cetona) (etilmetilcetona) Os nomes usuais das cetonas (que estão entre parênteses) são realizados indicando-se primeiro os dois nomes dos dois grupos ligados à carbonila seguidos da palavra cetona. 7.8 ÁCIDOS CARBOXÍLICOS O ácido acético é um exemplo de ácido carboxílico muito usado no tempero de saladas. O ácido benzoico é utilizado como conservantena indústria alimentícia, e o ácido fórmico é sentido quando levamos uma picada de formiga. Os ácidos carboxílicos com número de carbono acima de 15 são encontrados nos organismos vegetais ou animais, na forma de gorduras. Sua fórmula molecular é caracterizada pelo grupo funcional carboxila ( ). Podendo estar ligado a uma cadeia alifática ou aromática. AN02FREV001/REV 4.0 80 Exemplos: ácido metanóico ácido etanóico ácido benzóico 7.8.1 Nomenclatura dos ácidos carboxílicos O nome sistemático (IUPAC) dos ácidos carboxílicos é obtido pela substituição da terminação ano do alcano correspondente à maior cadeia do ácido pela terminação oico, tudo precedido pela palavra ácido. O átomo de carbono carboxílico recebe sempre o número 1. A nomenclatura usual segue entre parênteses. Veja os exemplos abaixo: ácido propanoico ácido pentanoico ácido nitroetanoico (ácido propiônico) (ácido valérico) (ácido nitroacético) ácido propenoico ácido 4-aminobutanoico * (ácido acrílico) *Observação: o grupo funcional do ácido carboxílico tem prioridade ao se nomear cadeias com mais de um grupo funcional. Segue uma sequência de prioridade: ácido carboxílico > éster > amida > nitrila > aldeído > cetona > álcool > amina > alcenos > alcinos. AN02FREV001/REV 4.0 81 7.9 CLORETOS DE ACILA Os cloretos de acila são derivados dos ácidos carboxílicos e são utilizados para a síntese de outros derivados dos ácidos carboxílicos, como éteres, amidas e anidridos, além do próprio ácido. Sua fórmula geral se dá pela substituição do grupo carboxila por um átomo de cloro ( ), podendo estar em uma cadeia alifática ou aromática. Exemplo: Cloreto de etanoíla 7.9.1 Nomenclatura dos cloretos de acila Para dar nome a uma cadeia de cloreto de acila substitui-se a palavra ácido por cloreto e a terminação oico do ácido carboxílico correspondente por ila. Exemplos: Cloreto de propanoíla Cloreto de benzoíla AN02FREV001/REV 4.0 82 7.10 ÉSTERES Os ésteres estão presentes em frutos e flores por meio de moléculas aromatizantes, os quais são extraídos e utilizados como aditivos na indústria alimentícia e de perfumes, sendo conhecidos como flavorizantes (dão sabor e aroma). O etanoato de pentila (aroma de banana), etanoato de butila (sabor de maça verde) e o butanoato de etila (aroma de morango) são alguns dos exemplos de ésteres flavorizantes. Há também ésteres presentes na constituição de óleos e ceras. Em remédios também encontramos ésteres como no caso da aspirina. Os ésteres são derivados dos ácidos carboxílicos por meio da substituição do grupo carboxila por-OR (R é a continuação de uma cadeia carbônica). Exemplos: Etanoato de metila Etanoato de etila 7.10.1 Nomenclatura dos ésteres A nomenclatura dos ésteres se dá a partir do ácido de origem com a terminação ato, e do álcool correspondente (o éster é formado pela reação de ácido carboxílico mais um álcool) com a terminação ila. A parte do nome que provém do ácido aparece em primeiro lugar. Exemplos: Etanoato de propila Benzoato de metila Propanoato de ter-butila (acetado de propila) AN02FREV001/REV 4.0 83 7.11 ANIDRIDOS Os anidridos são bastante usados na indústria de corantes, como a fluoresceína, rodamina, entre outros. Também é usado na síntese orgânica para a obtenção de ácidos, ésteres e amidas, principalmente o anidrido acético. Exemplo: Anidrido acético São derivados dos ácidos carboxílicos quando estes perdem uma molécula de água, possuindo a fórmula geral: ou 7.11.1 Nomenclatura dos anidridos Muitos dos anidridos são nomeados pela substituição da palavra ácido do nome do ácido carboxílico que lhe deu origem pela palavra anidrido. Exemplos: anidrido etanoico anidrido ftálico anidrido propanoico (anidrido acético) AN02FREV001/REV 4.0 84 anidrido etanoico-propanoico (anidrido acético propiônico) 7.12 AMIDAS As amidas estão presentes em nosso organismo de diversas formas, como nos aminoácidos e na ureia. Elas são utilizadas na indústria para a produção de medicamentos, plásticos e suplementos alimentares para animais. Existem também as amidas aromáticas que são utilizadas na composição de fármacos, repelentes e na forma de vitamina B3. São derivadas dos ácidos carboxílicos, um átomo de nitrogênio liga-se à molécula do ácido retirando o grupo -OH. As amidas podem ser primárias (RCONH2), secundárias (RCONHR’) ou terciárias (RCONR’R”). Exemplos: Amida primária Amida secundária Amida terciária 7.12.1 Nomenclatura das amidas As amidas são nomeadas de acordo com as regras dos alcanos, com a diferença que a terminação em vez de "o" coloca-se amida e também se forem amidas secundárias ou primárias, em que o hidrogênio foi substituído por outros radicais diz-se de amida N substituída, dessa forma deverá constar um "N" precedido do nome da cadeia, se for duas vezes substituída colocam-se dois Ns. Os exemplos abaixo ilustram a explicação acima: AN02FREV001/REV 4.0 85 Etanamida Benzamida N-etil,N-metil-2-cloropropanamida (acetanamida) N-metiletanamida N,N-dimetiletanamida N-fenil etanamida (N-metilacetanamida) (N,N-dimetilacetanamida) (N-fenil acetanamida ou acetanilida) 7.13 AMINAS As aminas são largamente utilizadas na indústria de fármacos e na síntese de corantes. Elas estão presentes na formulação de drogas, estimulantes do sistema nervoso central como as anfetaminas, antibióticos como a penicilina e nos alimentos e em nosso organismo, formando os aminoácidos, que são extremamente importantes para a manutenção da vida. Muitas das vitaminas existentes são aminas. As vitaminas são participantes fundamentais para o bom funcionamento do metabolismo. As aminas são derivadas da amônia (NH3), onde os hidrogênios são substituídos por grupos alquilas. Dependendo da quantidade de hidrogênio substituído a amina será primária, secundária ou terciária, respectivamente. Veja os exemplos abaixo: amina primária amina secundária amina terciária AN02FREV001/REV 4.0 86 7.13.1 Nomenclatura das aminas A nomeação das aminas primárias, de acordo com a IUPAC pode ser feita de duas formas: Nome do grupo em forma de radical que está ligado ao grupo amino mais a palavra amina. A segunda forma é parecida com a regra das amidas, em que a terminação é amina. Exemplo: CH3CH2NH2 etilamina butanan-1-amina propan-2-amina etanamina Para as aminas secundárias e terciárias veja os exemplos abaixo: CH3NHCH2CH2CH3 N-metilpropan-1-amina 2-hidroxi-propan-1-amina N-etil, N-metilpropan-1-amina metilpropilamina N-etilhexan-3-amina AN02FREV001/REV 4.0 87 7.14 NITROCOMPOSTOS Os nitrocompostos são utilizados nas reações químicas. Mas são mais conhecidos pela propriedade explosiva, constituindo uma classe de explosivos. Seu grupo funcional é o -NO2. Exemplo: 2,4,6 -trinitrotolueno (TNT) 7.14.1 Nomenclatura dos nitrocompostos Primeiro inicia-se com a palavra nitro seguido do nome do hidrocarboneto correspondente. É o que ilustra os exemplos abaixo: CH3NO2 nitrometano nitrobenzeno 2-nitropropano 7.15 TIÓIS Os tióis mais importantes são os tioalcoóis (conhecido como mercaptanas) e os tioéteres (conhecidos como sulfetos), mas há também os tiocetonas. O gás AN02FREV001/REV 4.0 88 mostarda ou iperita é um exemplo de tioéter, há também um tioálcool presente na cebola, o qual é responsável pela ardência dos olhos. Os tiocompostos sãoresultantes da troca de um átomo de oxigênio por um de enxofre, daí a explicação para o prefixo tio. Seguem as fórmulas gerais para os três tipos de tiocompostos: Tioálcool: R-SH; Tioéter: R-S-R e Tiona: 7.15.1 Nomenclatura dos tióis Tioálcool: Escreve-se primeiramente o nome da cadeia do hidrocarboneto seguido do sufixo tio. Para o nome usual usa-se o sufixo mercaptana (mostrado entre parênteses abaixo do nome oficial) Exemplo: CH3CH2SH HSCH2CH2SH Etanotiol 2-butanotiol etanoditiol (etil mercaptana) (sec-butil mercaptana) HSCH2CH2OH 2- mercapto etanol Tioéter: Semelhante à regra dos éteres em que o infixo óxi é substituído pelo tio. A nomenclatura usual inicia-se pelo nome dos radicais, menor e maior seguido da palavra sulfeto, conforme mostra nos parênteses. AN02FREV001/REV 4.0 89 Exemplo: CH3CH2SCH2CH3 → etil-tio-etano (dietil sulfeto) (CH3)3CSCH3 → (metil t-butil sulfeto) Tiona: A nomenclatura é simples: nome do hidrocarboneto + tiona. Exemplo: Propanotiona 7.16 ÁCIDOS SULFÔNICOS Representam importantes matérias-primas para detergentes e na fabricação de corantes. Ele é oriundo da substituição do grupo -OH presente no ácido sulfúrico por um grupo alquila ou arila (aromático). Sua fórmula geral é: 7.16.1 Nomenclatura dos ácidos sulfônicos A nomenclatura inicia-se com a palavra ácido mais o nome da cadeia do hidrocarboneto seguido da palavra sulfônico, conforme abaixo: AN02FREV001/REV 4.0 90 Ácido pentano-2-sulfônico ácido benzenosulfônico 7.17 ORGANOMETÁLICOS Os organometálicos apresentam ligação direta do carbono, covalentemente, com átomos de metais. O mais conhecido é o chumbo tetraetila, já utilizado como antidetonante da gasolina, hoje seu uso é proibido no Brasil, em razão da alta toxicidade. Outros são utilizados como catalisadores em algumas reações químicas. Existem vários tipos de compostos organometálicos aqui falaremos de três, em que há ligações entre o carbono-metal e carbono-metal-halogênio. Os organometálicos que possuem fórmula geral R-metal, com ligação covalente do carbono diretamente com o metal. Exemplo: CH3Li → metil-lítio Os de Frankland, em que o zinco está ligado a dois radicais de carbonos, R - Zn - R. Onde R é grupo alquila. Exemplo: CH3CH2ZnCH2CH3 → zinco dietila Os compostos de Grignard se caracterizam pela ligação do magnésio com o carbono e um halogênio, de acordo com a fórmula geral: R ou Ar- MgX, onde X = F, Cl, Br, I. Exemplo: CH3CH2MgBr → brometo de etil-magnésio AN02FREV001/REV 4.0 91 7.17.1 Nomenclatura dos organometálicos Para compreender a nomenclatura dos organometálicos observe os exemplos abaixo. - Organometálicos (CH3CH2)4 Pb CH3CH2 CH2 CH2K (CH3CH2)2Mg Chumbo tetraetila potássio n-butila magnésio dietila - Frankland (CH3CH2)2Zn → zinco dietila - Grignard CH3MgCl → cloreto de metil-magnésio 8 PETRÓLEO O petróleo é um líquido viscoso e tem cor que varia de acordo com a composição podendo ser marrom, preta, azul ou até verde. Possui densidade menor que a água sendo constituído por aproximadamente 98% de hidrocarbonetos e 2% de compostos formados por oxigênio, nitrogênio e enxofre. Milênios antes de Cristo, o petróleo era transportado, vendido e procurado como útil e precioso produto comercial. No entanto, foi apenas no século XIX, nos EUA, que o petróleo teve seu marco na indústria moderna. Isso graças à iniciativa do americano Edwin L. Drake, que, após várias tentativas de perfuração, encontrou petróleo (SANTA MARIA et. al., 2002, p. 19). Hoje o petróleo é uma das maiores economias mundiais, uma vez que dele se extrai muitas substâncias que são utilizadas como combustível, na fabricação de AN02FREV001/REV 4.0 92 medicamentos, na produção de plásticos e roupas, dentre outras importantes funções para o nosso cotidiano. O petróleo é originado pela deposição de restos orgânicos de animais e vegetais que levou milhões de anos para ser formado nas rochas sedimentares, se tornou a principal fonte de energia do mundo moderno. No Brasil, as reservas são encontradas nas áreas marítimas, porém sua extração requer tecnologia e criatividade das pessoas envolvidas no setor pelo fato de que o petróleo está situado em profundidades maiores do que as dos demais países produtores. Vencer as águas profundas nos levou a mais um desafio: explorar e produzir petróleo na camada do pré-sal. No litoral brasileiro foi descoberta uma grande quantidade de petróleo e gás natural, na chamada camada de pré-sal. Foi um momento importante para o Brasil, pois sua produção de petróleo e gás natural aumentará substancialmente a produção dos nossos recursos energéticos. Acredita-se que os reservatórios do pré- sal irão acrescentar de 30 bilhões a 100 bilhões de barris à reserva natural de petróleo do Brasil, que até então é de cerca de 15 bilhões de barris. O pré-sal é o termo usado para designar rochas que foram depositadas antes da camada de sal nas áreas costais, podendo atingir espessuras de até 2.000m. A profundidade total dessas rochas, que é a distância entre a superfície do mar e os reservatórios de petróleo abaixo da camada de sal, pode chegar a mais de 7 mil metros. Como o petróleo é composto por diversas substâncias é necessário utilizar técnicas para realizar o fracionamento do petróleo. A técnica utilizada para a separação de seus componentes é a destilação fracionada. É uma técnica que se baseia na separação de compostos por diferença de ponto de ebulição em uma coluna de fracionamento, que quanto maior sua altura mais eficiente a separação. A figura ilustra o método com as respectivas frações do petróleo. Observa-se nas frações que quanto maior a quantidade de carbono maior o ponto de ebulição. AN02FREV001/REV 4.0 93 FIGURA 27- TORRE DE FRACIONAMENTO DO PETRÓLEO FONTE: Disponível em: <http://crv.educacao.mg.gov.br/sistema_crv/INDEX.asp?token=98946689-1763-4062-A41C- C473B5F191A6&usr=pub&ID_OBJETO=23967&ID_PAI=23967&AREA=AREA&id_projeto=27>. Acesso em: 26 jan. 2012. 9 ESPECTROMETRIA DE INFRAVERMELHO A química orgânica compõe uma infinidade de estruturas – e a cada dia vão aparecendo mais. Desde a Segunda Guerra Mundial, métodos utilizando aparelhos revolucionários têm surgido para a identificação de compostos orgânicos. É possível utilizar pequenas quantidades de um composto obtendo resultados rápidos. Existem várias técnicas de espectroscopia, dentre elas: a ultravioleta/visível (UV/Vis), a de massa, ressonância magnética nuclear (RMN) e infravermelho (IR). Discutiremos um pouco sobre a IR que permite determinar os tipos de grupos funcionais do composto, por meio da absorção de energia por parte dos compostos. Existem regiões do espectro infravermelho que detectam os movimentos vibracionais característicos das moléculas como se fosse sua digital, o qual é chamado de regiões de impressão digital, assim uma análise para identificação do composto fica mais consistente. A radiação infravermelha que no espectro eletromagnético situa-se entre os comprimentos de onda 10-3 e 10-6 m, conforme a Figura 28 é absorvida pelo AN02FREV001/REV 4.0 94 composto, provocando vibrações de estiramento das ligações químicas e flexão dos ângulos entre os átomos, estes movimentos são quantizados gerando as bandas do espectro, quanto maior o momento dipolo do grupo, mais intensa é a banda. Também pode ter diferença na intensidade das bandas a concentração dos reagentes na solução. Estas bandas aparecem com frequência em cm-1 que representa o inverso do comprimento de onda, chamado de número de onda, pois assim as frequências são mais fáceis de serem analisadas. Os números ficam numafaixa entre 400-4000 cm-1. FIGURA 28 - ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO FONTE: Disponível em: < http://www.scb.org.br/fc/FC58_19.htm>. Acesso em: 26 jan. 2012. AN02FREV001/REV 4.0 95 FIGURA 29 - ESPECTRO INFRAVERMELHO DA MOLÉCULA DA CIANOACETAMIDA FONTE: Clyden et al. (2001, p. 67). A interpretação de um espectro de infravermelho é um pouco complexa e requer um estudo mais aprofundado, aqui veremos apenas algumas alusões do assunto. Primeiramente temos que saber as principais absorções de alguns grupos. Para isso visualize a Tabela 11 que mostra as frequências da vibração de alguns grupos. TABELA 11 - IMPORTANTES FREQUÊNCIAS VIBRACIONAIS Tipo de ligação Comprimento de onda (cm -1 ) CΞN 2260-2220 CΞC 2260-2100 C=C 1680-1600 C=N 1650-1550 1600 e 1500-1430 C=O 1780-1650 C-O 1250-1050 C-N 1230-1020 O-H (álcool) 3650-3200 O-H (ácido carboxílico) 3300-2500 N-H 3500-3300 C-H 3300-2700 FONTE: Bruice (2003, p. 502). AN02FREV001/REV 4.0 96 Com base nos dados acima vamos analisar dois espectros, as figuras seguintes. Além dos dados da tabela acima, para analisar os espectros, é necessário levar em consideração outros aspectos da molécula como: se há deslocalização eletrônica, o efeito eletrônico dos substituintes vizinhos, as ligações carbono e o momento dipolo entre os grupos ligantes. Observa-se que na Figura 30 o grupo C=O da petan-2-ona absorve em 1720 cm-1, enquanto que na Figura 31 a frequência de absorção é mais baixa do grupo carbonila (C=O), sendo 1680 cm-1. Isto se deve ao fato de que na 2-ciclohexanona há deslocalização eletrônica, ocorrendo a conjugação do grupo carbonila com a dupla ligação do anel, deslocando a absorção da ligação C=O para frequências mais baixas. Este deslocamento ocorre porque a dupla ligação de composto conjugado tem caráter mais próximo de uma ligação simples, veja abaixo a estrutura de ressonância para molécula 2-ciclohexanona. As ligações simples estiram-se com maior facilidade do que as duplas. FIGURA 30 - ESPECTRO INFRAVERMELHO DA MOLÉCULA DA PETAN-2-ONA FONTE: Bruice (2003, p. 504). ligação simples AN02FREV001/REV 4.0 97 FIGURA 31 - ESPECTRO INFRAVERMELHO DA MOLÉCULA 2-CICLOHEXENONA FONTE: Bruice (2003, p. 505). Estes espectros foram apenas alguns exemplos de análise, porém há outros fatores importantes a serem analisados com cada molécula, principalmente as ligações entre os átomos, pois isso muda as frequências de absorção, principalmente de houver ressonância. 10 PROPRIEDADES FÍSICAS DOS COMPOSTOS ORGÂNICOS As propriedades físicas dos compostos orgânicos estão intrinsecamente ligadas à estrutura molecular e às interações entre as moléculas. São consideradas propriedades físicas: a solubilidade, o ponto de fusão, o ponto de ebulição e a densidade. Aqui trataremos apenas dos três primeiramente citados. As interações intermoleculares são importantes tanto na química quanto na bioquímica, uma vez que interferem no bom funcionamento das células. Existe ligação entre os átomos como: a iônica, covalente e metálica e entre as moléculas, as quais são mais fracas que as interatômicas, são elas: ligação de hidrogênio, interações dipolo-dipolo e interações de van der Walls, embora existam outros tipos de interações intermoleculares, falaremos apenas dessas. Estas AN02FREV001/REV 4.0 98 interações intermoleculares aumentarão significativamente com o aumento do peso molecular e com o aumento da polaridade das moléculas. A ligação de hidrogênio é um tipo de interação dipolo-dipolo, em que as moléculas polares se ligam por meio do hidrogênio, como uma ponte. A água é um exemplo de molécula que interage com outras de água, formando as ligações de hidrogênio. Moléculas polares que interagem com a água são chamadas de hidrofílicas. Os requisitos para que haja este tipo de interação são: possuir átomos eletronegativos como o F, O e N mais um átomo de hidrogênio ligado a um átomo eletronegativo. Os tipos mais comuns de ligação de hidrogênio que ocorrem estão ilustrados na Figura 32. Observa-se por meio desta figura que funções orgânicas que possuem um átomo eletronegativo, sem ter um hidrogênio para doar, poderão realizar a ligação de hidrogênio com outro átomo que possa doar o seu hidrogênio para ele. Analise a Figura 33b que mostra justamente isto: uma molécula de água doa seu átomo de hidrogênio para o átomo de oxigênio da cetona, realizando a interação intermolecular em questão. Já na Figura 33a está exemplificada a interação entre moléculas de alcoóis, onde todos possuem o grupo -OH, que pode tanto doar como receber átomos de hidrogênio, é uma ação recíproca. Caso duas moléculas de cetona forem interagir entre si, a ligação de hidrogênio não poderia ser estabelecida, uma vez que seu grupo funcional (C=O) não possui hidrogênio ligado a átomo eletronegativo. Dessa forma, existe outro tipo de interação a dipolo-dipolo que veremos a seguir. FIGURA 32 - TIPOS COMUNS DE LIGAÇÃO DE HIDROGÊNIO O receptor de hidrogênio geralmente é o oxigênio ou nitrogênio e o doador de hidrogênio é outro átomo eletronegativo. FONTE: Nelson & Cox (2004, p. 49). AN02FREV001/REV 4.0 99 FIGURA 33 - EXEMPLOS DE LIGAÇÃO DE HIDROGÊNIO a) b) a) Ligação de hidrogênio entre alcoóis, onde as moléculas participantes doam e recebem hidrogênio. b) Ligação de hidrogênio entre a molécula de água e uma molécula de cetona, onde só a molécula de água é doadora de hidrogênio. FONTE: Patrick (2004, p. 31) e Nelson & Cox (2004, p. 50). A interação dipolo-dipolo ocorre entre moléculas polares que não possuam átomos de hidrogênio ligados a átomos eletronegativos. Os grupos carbonilas (C=O) são polares, ou seja, o oxigênio atrai os elétrons do carbono deixando com uma carga parcial positiva (+) e consequentemente o oxigênio fica parcialmente negativo (-), resultando em um momento dipolar, como mostra a Figura 34a. A seta aponta para o polo negativo da molécula. A Figura 34b ilustra um exemplo de interação dipolo-dipolo, em que duas cetonas interagem entre si. FIGURA 34 - EXEMPLOS DE LIGAÇÃO DIPOLO-DIPOLO a) b) a) Momento dipolo de uma cetona. b) interação intermolecular entre cetonas. FONTE: Patrick (2004, p. 32). Interações por van der Walls ou forças de dispersão de London ocorrem entre moléculas não polares (apolares), geralmente entre hidrocarbonetos, ou moléculas com cadeia carbônica extensa. É a interação intermolecular mais fraca. Ela consiste no movimento transitório dos elétrons da molécula, há um ligeiro excesso de elétrons em uma parte da molécula e um ligeiro déficit em outra parte, AN02FREV001/REV 4.0 100 formando um dipolo temporário (Figura 35). Dessa forma, regiões com diferenças de cargas se estabelecem, embora sejam fracas, mas suficientes para determinar uma interação molecular. FIGURA 35 - FORÇAS DE VAN DER WALLS Dipolos temporários e dipolos induzidos em moléculas apolares resultam numa distribuição desigual dos elétrons em determinado instante, provocando a interação das moléculas. FONTE: Bruice (2003, p. 82). Das forças de interação citadas acima a mais forte é a ligação de hidrogênio, a de força moderada a dipolo-dipolo e a mais fraca a de van der Walls. Estas interações interferem muito na solubilidade, ponto de fusão e ebulição dos compostos orgânicos. 10.1 PROPRIEDADES FÍSICAS DOS HIDROCARBONETOS Na temperatura ambiente de 25°C e sob pressão de 1 atm, os quatro primeiros membros da série homóloga dos alcanos, são gases, os C5 – C17, são líquidos e os alcanos com mais de 18 átomos de carbono são sólidos. Os hidrocarbonetos tanto alifáticos (alcanos, alcenos, alcinos, ciclanos, ciclenos e alcadienos) quanto aromáticos são apolares ou pouco polares,interagindo-se por meio das forças de van der Walls. O Ponto de ebulição (PE) e fusão (PF) dos alcanos e cicloalcanos aumentam com o peso molecular (não ramificados), pois para separar moléculas maiores exige-se mais energia. Para os alcanos ramificados os PE e PF são AN02FREV001/REV 4.0 101 menores, uma vez que suas moléculas possuem menor área superficial de contato para realizarem interações, são moléculas mais compactas, assim as forças de van der Walls serão mais fracas, diminuindo os PE e PF. Exemplos: hexano ferve a 68°C e o 2-metilpentano e o 3-metilpentano fervem, respectivamente a 60,3°C e 63,3°C. Os alcanos e cicloalcanos são quase totalmente insolúveis em água, pelo fato de não realizarem ligações de hidrogênio com ela. Os alcanos e os cicloalcanos líquidos são mutuamente solúveis e, em geral, dissolvem-se em solventes de baixa polaridade. Exemplos: benzeno, tetracloreto de carbono, clorofórmio e outros hidrocarbonetos. Os alcenos e os alcinos de baixo peso molecular são gases à temperatura ambiente. Possuem características de PE e PF semelhantes aos alcanos. Dissolvem em solventes apolares, ou em solventes de baixa polaridade. Os alcinos são ligeiramente mais solúveis em água que os alcenos. 10.2 PROPRIEDADES FÍSICAS DOS HALETOS ORGÂNICOS Os haletos orgânicos possuem geralmente pontos de fusão e ebulição maiores que os hidrocarbonetos de peso molecular correspondente. Podem ser pouco polares ou apolares, dependendo da quantidade de halogênio na molécula e de sua geometria. Não realizam ligações de hidrogênio com a água, determinando assim sua insolubilidade neste solvente, porém é solúvel em solventes orgânicos. O estado físico destes compostos à temperatura ambiente depende do peso molecular e do tipo de haleto presente na molécula. Brometo de etila (PE 38°C) e iodeto de etila (PE 72°C) são líquidos, porém o cloreto de etila (PE. 13°C) é um gás. AN02FREV001/REV 4.0 102 Em geral os cloretos de alquilas maiores, brometos e iodetos são todos líquidos. Exemplos: Cloretos de propila, brometo de propila e iodeto de propila são líquidos. 10.3 PROPRIEDADES FÍSICAS DOS ALCOÓIS Os alcoóis são compostos orgânicos semelhantes à água. Eles realizam ligação de hidrogênio com este solvente, portanto se solubiliza nela. A solubilidade vai decrescendo à medida que aumenta seu peso molecular. A porção polar da molécula onde há o grupo -OH é hidrofílica, mas a porção alquílica (composta de C e H) é hidrofóbica, esta sendo maior diminuirá a solubilidade. Exemplos: Metanol, etanol, n-propanol e isopropanol possuem solubilidade infinita em água, a partir de quatro carbonos a solubilidade diminui. O PE dos alcoóis é alto comparado aos hidrocarbonetos correspondentes, uma vez que são compostos polares e fazem ligação de hidrogênio entre suas moléculas, aumentando assim seu ponto de ebulição. O peso molecular também influencia, quanto maior a cadeia carbônica maior o PE. Exemplo: metanol (64,5°C), n-butanol (118,0°C) e o isopentanol (132,0°C). 10.4 PROPRIEDADES FÍSICAS DOS FENÓIS Como os fenóis possuem o grupo - OH ligado diretamente no anel benzênico, há possibilidade de realizar discretas ligações de hidrogênio com a água, sendo moderadamente solúvel nela, o anel benzênico interfere nesta solubilidade. São solúveis em soluções alcalinas, por possuírem característica ácida. O PE desses compostos são mais altos que os hidrocarbonetos aromáticos, pelo fato destes não possuírem o grupo -OH. A maioria dos fenóis é sólida. AN02FREV001/REV 4.0 103 10.5 PROPRIEDADES FÍSICAS DOS ÉTERES Os éteres podem realizar ligação de hidrogênio com a água, alcoóis e aminas, pois estes podem doar hidrogênio para o oxigênio do éter. Desta forma ele é solúvel nestes compostos, dependendo também do seu peso molecular. São menos solúveis que os alcoóis correspondentes. Eles não fazem ligações de hidrogênio entre suas próprias moléculas. Possuem ponto de ebulição e fusão comparável a hidrocarbonetos de peso molecular semelhante, porém menor que os alcoóis análogos. 10.6 PROPRIEDADES FÍSICAS DOS ALDEÍDOS Os aldeídos são polares em razão da presença do grupo carbonila (C=O), mas não fazem pontes de hidrogênio entre suas moléculas, mas pode realizar interações com a água, amina e alcoóis. Os aldeídos são mais solúveis em água que os alcanos, mas menos que os alcoóis análogos. O acetaldeído é solúvel em água em todas as proporções. Aldeídos de peso molecular maiores são pouco solúveis em água. Possuem PE maiores que os alcanos de mesmo peso molecular e muito menores que os alcoóis correspondentes. Compare os exemplos abaixo: AN02FREV001/REV 4.0 104 10.7 PROPRIEDADES FÍSICAS DAS CETONAS As cetonas possuem as propriedades físicas semelhantes a dos aldeídos. A acetona é solúvel em água em todas as proporções. Exemplo: 10.8 PROPRIEDADES FÍSICAS DOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Os ácidos carboxílicos são moléculas polares, em razão do grupo carboxila. Podem realizar ligações de hidrogênio por meio de dois pontos de sua molécula com o grupo C=O, onde recebe hidrogênio e com o grupo -OH que doa e recebe hidrogênio. Em razão das fortes interações entre suas moléculas o PE é mais alto que a dos alcoóis de peso molecular comparável. Moléculas de ácidos carboxílicos de baixo peso molecular são solúveis em água. Quando há aumento no peso molecular o caráter hidrofóbico do grupamento alquila supera o caráter polar da carboxila, fazendo com que os ácidos carboxilas de pesos maiores sejam insolúveis em água. AN02FREV001/REV 4.0 105 10.9 PROPRIEDADES FÍSICAS DOS CLORETOS DE ACILA Os cloretos acila são polares, porém não possuem hidrogênio ligado a átomo eletronegativo, dessa forma só podem realizar ligação de hidrogênio com moléculas doadoras desse átomo, sendo assim ligações de hidrogênio entre suas moléculas não ocorrem, fazendo com que o PE seja menor do que o dos alcoóis de comparável peso molecular. São solúveis em éteres, alcanos clorados e hidrocarbonetos aromáticos. São solúveis em água os cloretos com menos de quatro carbonos. 10.10 PROPRIEDADES FÍSICAS DOS ÉSTERES Possuem propriedades físicas semelhantes aos cloretos de acila. São polares, não formam ligações de hidrogênio entre suas moléculas, resultando num menor PE que dos ácidos carboxílicos e alcoóis de peso molecular equivalentes. Seus pontos de ebulição são comparáveis aos dos aldeídos e cetona. 10.11 PROPRIEDADES FÍSICAS DOS ANIDRIDOS Os anidridos possuem ponto de ebulição semelhante ao dos aldeídos e cetonas de peso molecular equivalentes. São poucos solúveis em água e muito solúveis e solventes orgânicos. AN02FREV001/REV 4.0 106 10.12 PROPRIEDADES FÍSICAS DAS AMIDAS As amidas primárias e secundárias são capazes de formar fortes ligações de hidrogênio umas com as outras (veja a ligação abaixo) e, por isso, os PE e PF são mais altos que os aldeídos, cetonas e outros derivados de ácidos carboxílicos de pesos moleculares correspondentes. As amidas terciárias não podem formar ligação de hidrogênio, desta forma seus PE e PF são mais baixos, As amidas primárias e secundárias são solúveis em água, desde que com peso molecular baixo. À temperatura ambiente são sólidos cristalinos, com exceção da formamida que é liquida. Abaixo temos uma sequência de pontos de ebulição de alguns grupos orgânicos que mostra em ordem decrescente esta propriedade. amida > ácido carboxílico > nitrila > alcoóis > ésteres ~ cloretos de acila ~ aldeídos ~ cetonas Na Figura 36 também pode ser observado a sequência acima, pois nota-se que a amida é a que possui o maior ponto de ebulição seguido do ácido carboxílico.AN02FREV001/REV 4.0 107 FIGURA 36 - PONTOS DE EBULIÇÃO DE ALGUNS DERIVADOS DOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS FONTE: Bruice (2003, p. 678). 10.13 PROPRIEDADES FÍSICAS DAS AMINAS São moderamente polares. O PE é mais elevado que dos alcanos de peso molecular equivalente e mais baixo que dos alcoóis correspondentes. Aminas primárias e secundárias fazem ligações de hidrogênio fortes umas com as outras e com a água. Terciárias não podem realizar ligações de hidrogênio entre suas moléculas, mas podem com a água e outros solventes hidroxílicos. Assim elas possuem PE mais baixos que as aminas primárias e secundárias. Aminas com número menor de doze carbonos são gasosas, acima disso são líquidas. A solubilidade das aminas segue de acordo com o peso molecular, aminas de até cinco carbonos são solúveis em água. 10.14 PROPRIEDADES FÍSICAS DOS NITROCOMPOSTOS São compostos polares, porém não fazem ligações de hidrogênio entre suas moléculas, possuindo PE e PF mais altos. São pouco solúveis em água. À AN02FREV001/REV 4.0 108 temperatura ambiente podem se apresentar líquidos como os nitroalcanos e o nitrobenzeno. 10.15 PROPRIEDADES FÍSICAS DOS TIÓIS Os tióis com ligações S-H são menos polares que o grupo -OH dos alcoóis, o enxofre é menos eletronegativo que o átomo de oxigênio, realizando uma fraca ligação de hidrogênio. Assim, seus PE são menores que dos alcoóis correspondentes. Os tioéteres se comportam da mesma forma que os tioalcoóis. Exemplo: Etanotiol (37°C) e etanol (78°C). Os tioéteres são insolúveis em água. Os tióis são bastante voláteis, liberando cheiros desagradáveis. 10.16 PROPRIEDADES FÍSICAS DOS ÁCIDOS SULFÔNICOS Os ácidos sulfônicos alifáticos de peso molecular pequeno são compostos polares e muito solúveis em água, fazem ligações de hidrogênio entre suas moléculas, possuindo alto ponto de fusão e ebulição. Os de peso moleculares baixo são líquidos à temperatura ambiente e os maiores são sólidos. Os ácidos sulfônicos aromáticos também são solúveis em água, apresentando-se na forma sólida-cristalina. AN02FREV001/REV 4.0 109 10.17 PROPRIEDADES FÍSICAS DOS ORGANOMETÁLICOS Os organometálicos de sódio e potássio possuem caráter iônico, quando colocados em água reagem explosivamente, não se solubilizam em solventes apolares. São insolúveis em solventes orgânicos apolares. Os de lítio apresentam propriedades moleculares, sendo líquidos ou sólidos, temperatura ambiente, com baixos pontos de fusão, sendo mais estáveis e são solúveis em alguns solventes orgânicos. Os compostos de Grignard e os de Frankland possuem baixa polaridade com baixos pontos de fusão. FIM DO MÓDULO II