FUNDAMENTOS DA QUÍMICA ORGÂNICA

Introdução à Química Orgânica
BERZELIUS
"Somente os seres vivos podem transformar substâncias minerais em orgânicas." (Teoria da Força Vital)

WHÖLLER
Síntese da uréia (composto orgânico) a partir do cianato de amônio" (composto inorgânico) em laboratório.

        
Características do carbono
Postulados de Kekulé:

a) É tetracovalente.

b) Os ângulos entre as valências são de 109º 28’, adquirindo a forma de um tetraedro regular.

c) Possui a propriedade de encadeamento.

d) Um átomo de carbono pode formar uma, duas ou até três ligações com um segundo átomo, realizando, assim, respectivamente, ligações simples, duplas ou triplas.

Assim, classificamos as ligações do carbono em:
a) Sigma (   ) – É a primeira ligação entre dois átomos. Ocorre, neste caso, uma superposição de orbitais (overlap).

b) Pi (   ) – São as segundas e terceiras ligações entre dois átomos. Agora, o que ocorre é uma aproximação entre os orbitais.

Número de átomos de C unidos diretamente a ele:

• Carbono primário.

• Carbono secundário.

• Carbono terciário.

• Carbono quaternário.

Saturação

SATURADO: é aquele que apresenta apenas simples ligações;

C — C — C — C

INSATURADO: aquele que apresenta dupla ou tripla ligação:

C = C - C - C ou C º C C - C

Hibridização do Carbono

1. sp³ (tetraédrica)

a) é a fusão de quatro orbitais (um do tipo s e três do tipo p) formando quatro orbitais do tipo sp³;

b) forma somente ligações simples;

c) ângulo entre as valências: 109º 28’;

d) é característica dos alcanos;

e) carbono liga-se a outros quatro átomos.

2. sp² (trigonal)

a) é a fusão de um orbital s com dois orbitais p, formando três orbitais do tipo sp²;

b) forma duas ligações simples e uma dupla;

c) ângulo entre as valências: 120º;

d) é característica dos alcenos;

e) carbono liga-se a outros três átomos.

3. sp (linear)

a) é a fusão de um orbital s com um p formando dois orbitais do tipo sp;

b) pode formar duas ligações duplas ou uma tripla e uma simples;

c) ângulo entre as valências: 180º;

d) é característica dos alcinos e alcadienos;

e) carbono liga-se a outros dois átomos.

2- Ocorrência e obtenção de compostos orgânicos 

Para obter a maioria dos comportos orgânicos, hoje podemos prapará-los por síntese, mas a maneira mais fácil de se obter é isolá-los a partir de produtos animais e vegetais.

Os combustíveis fósseis, que são considerados fontes de energia não-renováveis, são extraídos do petróleo, do carvão e do gás natural. Esses combustíveis se formaram com as transformações de animais e plantas que ocorreram na crosta terrestre a milhões de anos.

Na biomassa são encontrados também outros depósitos de materiais orgânicos, podendo durar na Terra, se for usada com cuidado.

As plantas torna sintéticos muitos compostos orgânicos como as essências, os perfumes, a celulose, a cânfora, a morfina e os ingredientes para pintura.

Os três principais constituintes dos alimetos são: hidratos de carbono encontrados nos açúcares solúveis em água, os lipídeos são óleos e gorduras encontrados nos animais e vegetais, como azeite de oliva, oléo de milho, óleo de baleia, óleo de fígado de bacalhau, sebo e gordura de coco, e as proteínas podem ser encontradas tanto nos animais como nos vegetais, como enzimas, colágeno, fibrina, insulina, queratina, hemoglobina.

3- Importância da Química Orgânica

A Química Orgânica estuda os compostos que possuem carbono. Atualmente aproximadamente dez milhões são os compostos existentes, mas cerca de nove milhões são de compostos orgânicos.

Uma molécula orgânica complexa pode se quebrar, pois seus átomos adquirirem novas disposições, por um grande número de processos. Há também outros métodos para adicionarem a essa molécula mais átomos ou substituir seus átomos por outros átomos. A Química Orgânica resume-se em identificar essas reações, como elas se realizam e as suas possíveis aplicações na síntese de compostos.

A Química Orgânica é um estudo fundamental para a Biologia e para a Medicina. A Bioquímica estuda as moléculas e suas reações químicas, nos fundamentos da vida. Os processos biológicos análisados pela Química Orgânica, pois ao excluírem a água, os organismos vivos são formados principalmente pelos compostos orgânicos e as moléculas da Biologia Molecular são consideradas moléculas orgânicas.

4- Os elementos formadores de compostos orgânicos
Existem milhões de compostos orgânicos, porém esses compostos são formados por poucos elementos. Os elementos organógenos são carbono, oxigênio, hidrogênio e nitrogênio (CHON), aparecendo com menor freqüência: enxofre, cloro, fósforo, iodo, bromo.

O carbono ocorre na atmosfera na forma de CO 2 (0,04% em volume). Considerado como o 17° elemento mais abundante em massa na crosta terrestre. Encontrado na forma nativa, como grafita e diamante ou se combinado com outros elementos, como petróleo, carvão, rochas do tipo carbonatos.

O elemento que mais forma compostos é o hidrogênio, sendo considerado o mais abundante do universo (92%), onde apareceu em 10º lugar na crosta terrestre.

• Carbono (número atômico: 6)



O carbono para obter a configuração de gás nobre, precisa juntar os seus quatros elétrons da camada de valência e se transformar em oito elétrons da camada de valência.

Se o átomo de carbono junta-se a quatro átomos de hidrogênio para se transformar na molécula do metano, pois carbono é tetravalente.

• Hidrogênio (Número atômico: 1)

O hidrogênio é monovalente, com um par de elétrons, ficando assim com a configuração do gás hélio.



• Oxigênio (Número atômico: 8)

O oxigênio é biovalente, estabele dois pares de elétrons.



• Nitrogênio (Número atômico: 7)

O nitrogênio é trivalente, estabelece três pares de elétrons.



• Enxofre (Número atômico: 16)

O enxofre é bivalente.



• Fósforo (Número atômico: 15)

O fósforo é trivalente.



• Halogênios

 
Os halogênos apresentam sete elétrons em sua camada de valência.
Os halogênios são monovalentes.

• Cloro (Número atômico: 17)

5- Características dos compostos orgânicos

As leis da Química valem tanto para a compostos orgânicos quanto para inorgânicos, afirmando que são inesistentes as bases científicas para a divisão da Química orgânica ou a Química Inorgânica.

Vejamos algumas características dos compostos orgânicos:

• Elevada quantidade de compostos orgânicos.

São conhecidos cerca de 9 000 000 de compostos orgânicos. E os compostos inorgânicos são aproximadamente 1 000 000.

• Pequena quantidade de elementos constituintes.

Os elementos da estrutura dos compostos orgânicos são C, H, O, N, estes são chamados de elementos organógenos. Também aparecem mas com menor freqüência o: S,Cl, P, Mg.

• Predominância da ligação covalente.

Podemos considerar que a grande maioria dos compostos orgânicos são moleculares, pois a sua ligação é covalente com compartilhamentos de elétrons. Podendo ser formados pelas combinações de C, H, O e N (elementos não-metálicos), essa ligação entre eles será covalente. Os compostos inorgânicos são formados pela combinação de metal com não-metal, portanto a ligação entre eles será iônica.

• Pequena estabilidade ao calor.

A maioria dos compostos orgânicos decompõe-se acima de 400°C. Na Química Inorgânica é comum encontrar-se compostos que não se decompõe até a temperatura de 1 000°C, como no exemplo:

A estabilidade térmica do açúcar comum (sacarose) e do sal comum (cloreto de sódio).



• Inflamabilidade

Os compostos orgânicos são combustíveis, se juntam com o gás oxigênio formando gás carbônico e água.

Para diferenciar um composto orgânico de um composto inorgânico é necessário realizar a combustão de álcool etílico, etanol o álcool comum, a diferença estará na que houver a formação do gás carbônico.



• Solubilidade em água 

Existem compostos orgânicos que não são solúveis em água, como os hidrocarbonetos que compõem a gasolina. Mas também existem compostos orgânicos assim como o álcool comum, o acetato de sódio (sal orgânico) e a acetona que são soluveis a água.

• Condutividade elétrica da solução aquosa

Os compostos orgânicos em sua grande maioria são moleculares e não ionizam quando dissolvidos em água. A solução aquosa desses compostos não conduz a eletricidade. O ácido acético (ácido orgânico), o acetato de sódio (sal orgânico), quando dissolvidos em água, conduzem a corrente elétrica.

6- Teoria estrutural de Kekulé

Kekulé foi um grande químico e professor que elaborou a teoria estrutural que se baseia em quatro princípios ou postulados gerais.

• Tetravalência constante 

O átomo de carbono é tetravalente, ligando-se a quatro átomos monovalentes.




Friedrich August Kekulé (1829-1896), o fundador da Química Orgânica.

• As quatro valências são equevalentes

 
O carbono apresenta quatro valências equivalentes, por um composto com a fórmula CH 3 Cl, denominado de monoclorometano ou cloreto de metila. Se as quatro valências não fossem equivalentes, haveria quatro compostos com a fórmula CH 3 Cl.

• Encadeamento

Os átomos de carbono se ligam entre si formando as cadeias. Estas cadeias são variaveis e de todos os tipos. Ainda existem cadeias não tão longas e tão variadas como as do elemento carbono.

• Ligações entre os átomos de carbono

Se tratando dos átomos de carbono, podemos dizer que eles podem se ligar através de uma, duas ou três valências.

• Ligação Simples

Na ligação simples, dois átomos de carbono, são capazes de se ligar por meio de uma unidade de valência. A representação simbólica se dá através de um traço simples.

• Ligação dupla 

Na ligação dupla, dois átomos de carbono são capazes de se ligar por meio de duas unidades de valência. A representação simbólica se dá através de dois traços.

• Ligação tripla

Na ligação tripla, dois átomos de carbono, são capazes de de se ligar por meio de três unidades de valência. A representação simbólica se dá através de três tracinhos.

7- Classificação dos átomos de carbono 

Os átomos podem ser classificados conforme a sua posição na cadeia:

• Carbono primário 

Um átomo que liga-se a um outro átomo de carbono. Os átomos de carbonos situados nas extremidades da cadeia tornam-se primários.



Modo primário acontece quando na molécula existe apenas um átomo de carbono.



• Carbono secundário

Um átomo que liga-se a dois outros átomos de carbono.




• Carbono terciário 

Um átomo que liga-se a três outros átomos de carbono.



• Carbono quaternário 

Um átomo que liga-se a quatro outros átomos de carbono.

8- Por que o número de compostos orgânicos é enorme?

 
Devido à alguns fatores, o carbono acaba formando um grande número de compostos, vejamos esses fatores:

• Capacidade de formar cadeias

O carbono é o único elemento químico que forma as cadeias mais longas, estáveis e variadas.

A fórmula C₅ H₁₂ , representa três tipos de compostos diferentes:



• Tetravalência do carbono

É necessário que o carbono determine quatro ligações covalentes ou com outros átomos de carbono, ou com átomos de outros não-metais.

• Habilidade para ligar-se a elemento mais eletropositivo ou mais eletronegativo

A posição do carbono aparece no segundo período da tabela periódica.



O carbono está no meio entre os elementos eletronegativos e eletropositivos, por isso pode se ligar a ambos os elementos ou ligar-se a elementos mais eletropositivos, como o hidrogênio ou elementos mais eletronegativos, como o cloro.

Todos os átomos de carbono, são capazes de formar cadeias acíclicas com muitos átomos, ou até mesmo anés de todos os tamanhos, lembrando que tanto os anéis como as cadeias acíclicas podem se ramificar.

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HIDROCARBONETOS

Hidrocarbonetos

São compostos formados por carbono e hidrogênio.

Os hidrocarbonetos constituem uma classe muito numerosa e importante, pois formam o “esqueleto” de todos os demais compostos orgânicos.

Dividem-se em:

Alcanos

Também denominados hidrocarbonetos parafínicos ou parafinas, apresentam cadeia aberta e saturada.

Nomenclatura: prefixo + indicativo de ligação + O (terminação de hidrocarbonetos).

Prefixos: observe abaixo a tabela de prefixos que servirá para determinar a nomenclatura de todos os compostos orgânicos.

Fórmula Geral: C_nH_{2n + 2}

Exemplo:
CH₄ (met + an + o)

CH₃ – CH₂ – CH₃ (propano)

CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₂ (butano)

Alcenos

Também chamados de alquenos ou olefinas, apresentam cadeia aberta e insaturada, com uma única dupla ligação.

Nomenclatura: prefixo + indicativo de ligação + O.

A nomenclatura, segundo a IUPAC, segue a dos alcanos com as seguintes regras complementares:

1. A cadeia principal é a cadeia mais longa, contendo, porém, a dupla ligação.

2. A numeração da cadeia principal ocorre a partir do carbono mais próximo da insaturação.

Formula Geral: C_nH_2n

Exemplo:

CH₂ (eteno)

CH₂ = CH₂ – CH₂ – CH₃ (1 - buteno)

Alcinos

Também chamados alquinos ou acetilênicos, apresentam cadeia aberta e insaturada com uma única ligação tripla.

Nomenclatura: prefixo + indicativo de ligação + O.

As regras de nomenclatura seguem a dos alcenos.

Fórmula Geral: C_nH_{2n - 2}

Exemplo:

CH º CH (etino)

CH º C – CH₂ – CH₃ (1 - butino)

Alcadienos

Também chamados diolefinas ou dienos, apresentam cadeia aberta e insaturada, com duas ligações duplas.

Nomenclatura: prefixo + indicativo de ligação + O.

Fórmula Geral: C_nH_{2 - 2 n}
Exemplo:

CH₂ = C = CH - CH₂ - CH₃ (1,2 - pentadieno)

1 - Função química ou classe funcional

A função química é considerada uma classe de compostos que possuem propriedades químicas parecidas.

• Podemos observar no exemplo: Todos os compostos que possuem o grupo  fazem parte da função ácido carboxílico.

Vejamos:



Esses compostos entram em reação com bases, porém levam também eletricidade quando em solução aquosa, tornam vermelho o papel de tornassol azul, etc.

A Química Orgânica possui um grande número de funções químicas. Vejamos as suas principais classes funcionais:

 

2 - Nomes oficiais dos compostos orgânicos

Em 1979, a União Internacional de Química Pura e Aplicada (I.U.P.A.C.), recomendou que o nome do composto orgânico fosse formado por três partes:

Vejamos:



Exemplos:



• 2 átomos de C: prefixo et
• ligação simples entre átomos de C: an
• função álcool: sufixo ol
• nome oficial do composto: et an ol (etanol)

3 – Prefixos usados na nomenclatura orgânica


O número de átomos de C existentes na molécula é dado pelo prefixo:

4- Indicação das ligações
Simples ligação: an 

Dupla ligação: en 

Tripla ligação: in

5 - Indicação da função orgânica

 Hidrocarboneto: o 

Álcool: ol 

Ácido carboxílico: óico 

Cetona: ona 

Aldeído: al 



3 átomos de C: prop 

dupla-ligação: en 

função aldeído: al 

nome: propenal 

7 - Alcanos: apenas ligações simples

Os alcanos são considerados hidrocarbonetos de cadeia aberta.

Fórmula Geral:




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:



O metano (CH₄) é considerado o hidrocarboneto mais simples de todos. É encontrado no gás natural, nas minas de carvão onde acontece a mistura com o oxigênio do ar, formando o gás grisu. Formam-se também nos pântanos devido à fermentação anaeróbica da celulose. 


8 - Alcenos: uma ligação dupla
Alcenos (alquenos, olefinas) são todos os hidrocarbonetos de cadeia aberta, insaturada, podendo assim apresentar uma dupla-ligação entre átomos de carbono.

Fórmula geral







Normalmente usa-se a terminação ileno no lugar de eno, como por exemplo: etileno, propileno, butileno.

Na nomenclatura dos alcenos, damos o prefixo correspondente ao número de átomos de carbono, seguido do sufixo eno, que apresenta presença de uma dupla-ligação entre os átomos de carbono.



O alceno por ter mais de 3 átomos de carbono na cadeia, deve ser indicado na posição da dupla-ligação, por números, devem-se numerar a cadeia da extremidade mais perto da dupla-ligação, separando sempre o número de palavras por meio de hífen.









9 - Alcinos: uma ligação tripla
Alcinos (alquinos) são todos os hidrocarbonetos de cadeia aberta, insaturada, composto por uma tripla-ligação entre 2 átomos de carbono.

Fórmula geral:

Os alcinos permanecem com a mesma regra de nomenclatura dos alcenos. O prefixo correspondente ao número de átomos de carbono, seguindo de sufixo ino, que irá indicar a presença da tripla-ligação.





Se necessário, pode-se indicar a posição da tripla ligação por número, começando por numerar a cadeia da extremidade mais próxima dessa tripla-ligação.



Caso o alcino apresente a tripla-ligação na extremidade da cadeia, poderá ser chamado de alcino verdadeiro, como por exemplo: 1-butino. Não correspondendo esse fato teremos um alcino falso, como por exemplo: 2-pentino. O etino é mais conhecido como acetileno, é considerado um gás utilizado nos maçaricos oxiacetilênicos.

10 - Alcadienos: duas ligações duplas

Alcadienos (dienos) são hidrocarbonetos de cadeia aberta, não-saturados e portadores de duas duplas-ligações.

Fórmula geral:





O sufixo dieno mostra que há duas duplas-ligações e os números indicam as posições das ligações.

Ao apresentar duas duplas-ligações no mesmo átomo de carbono, o alcadieno ficará acumulado.

Vejamos os exemplos:

Propadieno 

Se apresentar duplas-ligações alternadas, ficará denominado como conjugado.

1,3-butadieno

Se as duplas-ligações estiverem mais separadas, teremos um alcadieno isolado.

1,4-pentadieno

11- Ciclanos: cadeia fechada saturada

Ciclanos (cicloalcanos) são os hidrocarbonetos que fazem parte da cadeia fechada, saturados e apresentam apenas ligações simples entre os átomos de carbono.

Fórmula geral:


A nomenclatura continua com a mesma regra, basta apenas adicionar a palavra ciclo antes do nome do alcano correspondente.





 

12 - Ciclenos: cadeia fechada com uma ligação dupla
Ciclenos são todos os hidrocarbonetos de cadeia fechada, insaturados que apresentam dupla-ligação.

Fórmula geral:



A nomenclatura continua com a mesma regra dos ciclanos, basta apenas adicionar a palavra eno, que representa a dupla-ligação entre os átomos de carbono.





13 - Hidrocarbonetos Aromáticos: contêm núcleo benzênico
 Os hidrocarbonetos aromáticos são todos os de cadeia fechada e apresentam um núcleo de benzênico, esse núcleo é formado por uma cadeia fechada de 6 átomos de carbono que apresentam alternadamente duplas e simples ligações.

14 - Radicais

Radicais são todos os agrupamentos atômicos que contêm uma ou mais valências livres e que não podem ocorrer em liberdade. A nomenclatura leva a regra de apenas adicionar a palavra il ou ila nas terminações do nome.

O radical é uma partícula eletricamente neutra, ao inverso do íon que possui carga elétrica.

• Radicais alquilas ou alcoílas

São considerados radicais monovalentes que são derivados dos alcanos.



Existem quatros radicais butil (C₄H₉ -):





• Radicais alquenilas

Os radicais alquenilas são radicais monovalentes decorrentes dos alcenos (alquenos).



• Radicais alquinilas

Os radicais alquinilas são radicais monovalentes decorrentes dos alcinos (alquinos).

• Radicais arilas 

Os radicais arilas são radicais monovalentes, mas sua valência livre está presente em um carbono pertencente em um número de benzênico.



• Observações:

O radical benzil é um radical aromático monovalente, que possui um núcleo benzênico, mas a sua valência livre não está nos carbonos do núcleo. Esta definição está de acordo com a I.U.P.A.C.



As definições de outros autores diferentes:

• Radical alquila apresenta uma valência livre em carbono saturado.
• Radical alquenila possui uma valência livre em carbono de dupla-ligação.
• Radical alquinila apresenta uma valência livre em carbono de tripla-ligação.

15 - Nomenclatura oficial (I.U.P.A.C.) dos alcanos com cadeia ramificada
O nome oficial do alcano estabelecido pela União Internacional de Química Pura foi baseado na fórmula.



I) Cadeia principal

• A cadeia principal apresenta o maior número de átomos de C possível.



II) Ramificações 

• Na figura anterior o composto apresenta duas ramificações metil, onde são denominadas como dimetil. As ramificações iguais são agrupadas e representadas por uma única palavra. Estas ramificações ou grupos substituintes possuem o mesmo nome dos radicais correspondentes.



O composto que aparece nesta figura é o dimetilpentano com cinco átomos de carbono na cadeia principal com duas ramificações.

O radical representa uma espécie química definida, como por exemplo, o radical metil ou metila.



A ramificação deve ser chamada de substituinte e não de radical.

III) A regra dos menores números

• Localizar as ramificações, enumerando a cadeia principal, onde esta numeração deve seguir à regra dos menores números a cadeia carbônica deve ser enumerada, conforme as duas possibilidades ou as suas duas direções irão prevalecer para efeito de nomenclatura, que indicará as posições dos substituintes, utilizando os menores números possíveis, portanto podemos concluir que a soma desses números deve ser a menor.

vejamos um exemplo:



No exemplo dado acima, podemos considerar duas possibilidades:

Possibilidade 1:

Da direita para a esquerda: 3 + 4 = 7

Possibilidade 2:

Da esquerda para a direita 2 + 3 = 5

Portanto podemos concluir que a orientação para a nomenclatura é dada através da segunda possibilidade.

Através daí concluímos que o nome do composto de nosso exemplo é 2,3-dimetilpentano.

Vejamos:



IV) Ordem alfabética

A ordem de denominação dos substituintes é a alfabética. Assim excluem-se os prefixos di, tri. Já o prefixo iso é considerado para efeito da ordem alfabética.

Observações:

Quando houver várias possibilidades para cadeias mais longas, considera-se como cadeia principal aquela que tiver o maior número de ramificações.





16 - Nomenclaturas dos hidrocarbonetos insaturados com cadeia ramificada

Os alcadienos, alcenos e alcinos estão no grupo da cadeia principal, pois apresentam o maior número de átomos de carbono contendo assim uma insaturação, ou seja, dupla ou tripla ligação. A numeração dos átomos começa da extremidade mais próxima da insaturação. A numeração dos átomos de carbono é feita de forma que a insaturação seja indicada pelo menor número possível.











Observe que neste último exemplo a cadeia principal contém a dupla-ação, mesmo sem possuir o maior número de átomos.

17- Nomenclaturas dos ciclanos e ciclenos com cadeia lateral

Numeram-se os átomos de carbono do ciclo, de forma que resultem os menores números possíveis. Quando falamos dos ciclenos, devemos saber que os átomos de carbono da dupla-ligação irão receber os números 1 e 2. Já no caso dos ciclanos, a cadeia cíclica irá ser numerada a partir do carbono que possui a ramificação mais simples.

Vejamos alguns exemplos:

18 - Nomenclaturas dos hidrocarbonetos aromáticos

I) O hidrocarboneto tem somente uma cadeia lateral 

Primeiramente denomina-se o nome do substituinte, depois se denomina a palavra benzeno.



O tolueno é um líquido incolor, encontrado no alcatrão de hulha, utilizado como solvente, na preparação de tintas e explosivos.



II) O hidrocarboneto aromático tem duas cadeias laterais

Vejamos as nomenclaturas usadas:

Posição 1-2 orto - o
Posição 1-3 - meta - m
Posição 1-4 - para - p



No exemplo acima aparece o xileno, que são encontrados no alcatrão de hulha e usados como desinfetantes.

III) Os hidrocarbonetos aromáticos de núcleos condensados têm nomes particulares




O antracentro é considerado um pó de cor branco muito fino, que pode ficar fluorescente quando irradiado por uma luz ultravioleta. Ele é um sólido usado na fabricação de corantes.

O fenantreno é um sólido utilizado tanto na fabricação de corantes como na de produtos medicinais.

IV) Derivados do naftaleno

Os átomos de carbono têm numeração fixa no caso dos naftalenos.

Todos os átomos de carbono que possuem número 1, 4, 5 e 8 são equivalentes e denominados carbono α (alfa).

Os átomos de carbono que possuem números 2, 3, 6 e 7 são equivalentes e denominados carbono β(beta).



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