Universidade Estadual Paulista “Júlio Mesquita Filho” Campus de Dracena Curso de Engenharia Agronômica
Química Orgânica Fábio Erminio Mingatto
Objetivos - Conhecer as principais propriedades do átomo de carbono e os compostos derivados de sua ligação com outros elementos. - Conhecer a estrutura, nomenclatura e reatividade dos compostos orgânicos.
Ementa - Introdução à Química Orgânica. O Átomo de Carbono. Principais funções orgânicas - Nomenclatura, Propriedades físico-químicas e reacionais. Estereoquímica.
Conteúdo - Introdução à Química Orgânica. Teoria Estrutural de Compostos de Carbono. Hidrocarbonetos. Derivados Halogenados de Hidrocarbonetos. Estereoquímica. Compostos Aromáticos. Compostos Orgânicos Oxigenados. Compostos Orgânicos Nitrogenados.
Critérios de Avaliação A avaliação do aprendizado será feita por meio de duas provas escritas. Amplitude das notas das provas = 0 a 10 Média = (P1 + P2)/2 Será considerado APROVADO o aluno que obtiver média maior ou igual a 5,0. O aluno que obtiver média entre 3,0 e 4,9 e contar com no mímimo 70% de frequência na disciplina terá direito à Recuperação que será realizada por meio de uma Avaliação (P3) com todo o conteúdo do semestre. O aluno que obtiver nota maior ou igual a 5,0 na P3 será considerado APROVADO. O aluno que obtiver nota menor que 5,0 na P3 será considerado REPROVADO. Obs: O aluno que não realizou qualquer uma das avaliações, desde que haja um motivo justo e incontestável, ou que possua um atestado comprovando a falta, terá direito a realizar uma PROVA SUBSTITUTIVA, em data a ser agendada pelo docente.
Referências Bibliográficas • SOLOMONS, T.W.G. Química Orgânica. 10. ed Rio de Janeiro: LTC, 2012. v.1., 648p. • SOLOMONS, T.W.G.; FRYHLE, C.B. Química Orgânica. 10. ed Rio de Janeiro: LTC, 2012. v.2., 642p. • MORRISON, R.T.; BOYD, R. N. Química Orgânica. Lisboa: Fundação Calouste Gulbenkian. 13a ed., 1996.
Conceitos Iniciais
Evolução da Química Orgânica Bergmam (1777) - Dividiu a química Compostos orgânicos: substâncias dos organismos vivos Compostos inorgânicos: substâncias do reino mineral
Evolução da Química Orgânica Síntese de Friedrich Wöhler (1828) NH4OCN → O = C (NH2)2 ∆ Preparou uréia (composto de excreção presente na urina) por aquecimento do cianato de amônio, um composto inorgânico não encontrado nos seres vivos.
Evoluçaõ da Química Orgânica
Berzélius início do século XIX Teoria da Força Vital “Os compostos encontrados nos seres vivos só podem ser produzidos no tecido vivo e possuem uma força vital”.
Evolução da Química Orgânica Gmelim 1848 - reconhece que o carbono é o elemento fundamental dos compostos orgânicos Kekulé 1858 – Definiu: “Química orgânica é a química dos compostos de carbono.” *Óxidos de C (CO, CO2) e carbonatos são considerados compostos inorgânicos
Postulados de Couper-Kekulé
1º Postulado: O carbono é tetravalente C ( Z=6) K=2 L=4
O carbono é tetravalente e capaz de formar ligações com outros átomos de carbono e com muitos outros elementos.
HIBRIDAÇÃO
sp
3
O carbono faz 4 ligações simples (tetraédrica: ângulo de 109º)
HIBRIDAÇÃO
sp
2
O carbono faz 2 ligações simples e 1 ligação dupla. (trigonal plana: ângulo 120º)
HIBRIDAÇÃO
sp
O carbono faz 2 ligações duplas ou 1 ligação simples e 1 ligação tripla. (geometria linear: ângulo de180º)
Postulados de Couper-Kekulé
2º Postulado As 4 valências do átomo de carbono são iguais entre sí Cl -
H
H
H
Cl
H - C - H
H - C - Cl
H -C -H
C -H
H
Cl
H
H
O Clorometano é um exemplo desta propriedade, só existe um composto com este nome, ele é formado pela substituição de um hidrogênio da molécula de Metano por um átomo de Cloro (Cl). O Cloro poderá substituir qualquer H da molécula que receberá a mesma nomenclatura.
Postulados de Couper-Kekulé
3º Postulado Os átomos de Carbono ligam-se entre sí formando cadeias C-C-C-C-C-C–C Átomos de carbono ligam-se diretamente entre si, formando estruturas denominadas cadeias carbônicas. A variedade de compostos orgânicos existentes na natureza se deve a esta propriedade do Carbono de formar cadeias.
CLASSIFICAÇÃO DOS ÁTOMOS DE CARBONO Carbono primário: ligado um outro átomo de carbono. Carbono secundário: ligado a dois outros carbonos. Carbono terciário: ligado a três outros carbonos. Carbono quaternário: ligado a quatro outros átomos de carbono
Classificação do Carbono H
H
CH3 H
H
CH3 H
H- C - C - C - C - C - C - C -H
H
H
CH3 H
H
H
H
CLASSIFICAÇÃO DAS CADEIAS CARBÔNICAS Aberta ou Acíclica ou Alifática
Fechadas ou CĂclicas
FUNÇÕES ORGÂNICAS Conceito: Funções orgânicas são grupos de compostos com comportamento químico semelhante, devido à semelhança nas suas estruturas químicas. As principais funções orgânicas são: hidrocarbonetos, álcoois, fenóis, cetonas, aldeídos, ácidos carboxílicos, sais de ácidos carboxílicos, ésteres, éteres, aminas e amidas.
Alguns Grupos Funcionais Comuns das BiomolĂŠculas
Epinefrina
Hidrocarbonetos
Hidrocarbonetos (contêm apenas Carbonos e Hidrogênios)
Hidrocarbonetos Alifáticos (cadeias abertas e cíclicas) Alcanos (parafinas)
Alcenos
Alcinos
(acetileno) (etilenos ou olefinas)
CH3−CH3
CH2 = CH2
HC ≡ CH
Etano
Eteno (etileno)
Etino (acetileno)
Hidrocarbonetos Aromáticos (contêm o anel benzeno) Benzeno e seus derivados
Hidrocarbonetos Aromáticos Polinucleares
Benzeno
Naftaleno
Fontes naturais de hidrocarbonetos
Petróleo (“ouro negro”): principal fonte de hidrocarbonetos
Origem do petróleo: decomposição de matéria orgânica durante milhões de anos
Resíduos de organismos mortos se acumularam nas orlas dos mares e foram soterrados. Com o passar do tempo sob altas pressões, temperaturas e ação de microorganismos formouse o petróleo.
QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: Alcano, Alceno
EXTRAÇÃO DO PETRÓLEO Quando o petróleo é retirado de uma jazida sobre o mar, a extração acontece nas chamadas plataformas de petróleo.
Imagem: Agência Barasil / Licença Creative Commons Atribuição 3.0 Brasil.
QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: Alcano, Alceno
REFINO DO PETRÓLEO
GLP
Gasolina Parafina Óleo de Aquecimento
Bruto
Óleo Pesado
Óleo de lubrificação, óleo de parafina, asfalto Forno
Imagem: Psarianos, Theresa Knott / Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.
Imagem: dimhap / Creative Commons Attribution 2.0 Generic.
O processo de refino acontece na torre de destilação fracionada. Os alcanos mais leves são retirados no topo da torre e os mais pesados, na base.
QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: Alcano, Alceno
Principais produtos Produto
Quantidade de carbonos
Gases
1a5
Gasolina
6 a 10
Querosene
11 a 12
Óleo diesel
13 a 17
Óleos combustíveis
18 a 25
Óleos lubrificantes
26 a 30
Óleos pesados
35 a 38
Resíduo (asfalto)
Aliado ao 贸leo cru ou bruto, existe o g谩s natural (formado principalmente por metano).
Gรกs natural: mistura de hidrocarbonetos gasosos de baixa massa molecular, encontrada em rochas porosas do solo
Alcanos e Cicloalcanos: características, propriedades e reações
Alcanos e seus Isômeros
- São conhecidos também como Hidrocarbonetos Saturados. Compostos que possuem orientação tetraédrica dos grupos, resultante da superposição σ de orbitais sp3 do carbono. - Alcanos que se encontram ligados em linha são denominados Alcanos de cadeia linear ou alcanos normais (n-alcanos). Alcanos lineares.
Alcanos cujas cadeias carbônicas formam ramificações são chamados de alcanos de cadeia ramificada.
- Existem alcanos contendo grupos funcionais, como: • álcoois (CH3CH2OH), • haletos de alquila (CH3CH2Cl), • éteres (CH3CH2OCH2CH3). Alcanos ramificados.
Nome
F贸rmula
Estrutura
Metano
CH4
CH4
Etano
C 2H6
CH3CH3
Propano
C 3H8
Butano
C4H10
CH3CH2CH3 CH3(CH2)2CH3
Os alcanos mais comuns s茫o:
CH3 Isobutano
C4H10
Pentano
C5H12
CH3CHCH3 CH3(CH2)3CH3 CH3 CH3CH2CHCH3
Isopentano
C5H12
CH3 CH3CCH3
Neopentano
CH
CH3
Is么meros Constitucionais
Nomenclatura IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry)
Prefixo-Parte intermediária-Sufixo Número de atomos de C
Presença ou não de insaturações
Função Química
Nomenclatura IUPAC para Alcanos 1. Localize a cadeia carbônica mais longa para nomear a substância. Obs. Se duas cadeias de igual comprimento estão presentes, escolher aquela com maior número de ramificações. 2. Numere os átomos da cadeia principal, começando pela extremidade mais próxima ao substituinte. Obs. Se há ramificações em distâncias iguais de ambas as extremidades, comece a numeração na extremidade mais próxima a outra ramificação. 3. Identifique e numere os substituintes de acordo com a posição na cadeia principal. 4. Escreva o nome como uma só palavra. Use hífens para separar os prefixos diferentes e vírgulas para separar os números. Se dois ou mais substituintes diferentes estão presentes, citeos em ordem alfabética.
O número de átomos de carbono é definido pelos prefixos:
Prefixo
Número de carbonos
Met
1
Et
2
Prop
3
But
4
Pent
5
Hex
6
Hept
7
Oct
8
Non
9
Dec
10
ALCANOS Exemplos: CH4 H3C CH3
H3C CH2 CH3 H3C CH2 CH2 CH3 H3C CH2 CH2 CH2 CH3
Met + an + o = metano Et + an + o = etano Prop + an + o = propano But + an + o = butano Pent + an + o = pentano
QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: Alcano, Alceno
ALCANOS Para alcanos ramificados, devemos observar a presença de radicais ligados à cadeia principal.
CH3 H3C
HC
CH3
Os radicais recebem nomes específicos e são chamados de grupos alquila (-R).
ALCANOS Principais radicais Grupo
Nome
CH3 –
Metila
CH3 – CH2 –
Etila
CH3 – CH2 – CH2 –
Propila
CH3 – CH2 – CH2 – CH2 –
Butila
CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 –
Pentila
ALCANOS Exemplo:
CH3 H3C CH CH2 CH2 CH3 2–metil-pentano
Como nomear a cadeia acima? 1) Identificar a cadeia principal e os radicais; 2) numerar os carbonos para dar ao radical metila o menor número possível; 3) identificar a posição do radical (usar di e tri quando necessário) e o nome completo da cadeia.
ALCANOS Agora nomeie as seguintes cadeias:
CH3 H3C C CH2 CH3
CH3
CH3
H3C CH
CH CH3 CH3
Nomenclatura IUPAC Nomenclatura de alcanos e grupos alquila CH3CH2CH3
CH3CH2CH2
propano
grupo propila
CH3CH2CH2CH3 butano
CH3CH
CH3CHCH3 grupo isopropila ou 1metiletila
CH3CH2CH2CH2
CH3
grupo butila
CH3
CH3 isobutano
CH3CH
CH3CH2CH grupo sec-butila ou 1metilpropila
CH2
CH3 grupo isobutila
CH3 C
CH3
CH3 grupo terc-butila ou 1,1-dimetiletila
Nomenclatura IUPAC para Cicloalcanos MonocĂclicos: prefixo ciclo ligado ao nome do alcano H2C
CH2 CH2
CH2 CH2
=
H2C CH2
ciclopropano H3C
CH
ciclopentano CH3
CH3
4 5
isopropilcicloexano
CH2
=
3 6
CH3
2 1
6 5
CH2 CH3
1-etil-3-metilcicloexano
1 4
CH2 CH3 2 3
CH3
2-etil-1,4-dimetilcicloexano
Propriedades Físicas dos Alcanos e Cicloalcanos Os alcanos também podem ser chamados de parafinas. São inertes em relação à maioria dos reagentes de laboratório. Os alcanos apresentam aumento regular do ponto de ebulição e do ponto de fusão com o aumento da massa molecular.
Pontos de fusão e ebulição dos alcanos.
Quanto maior o número de ramificações do alcano, mais baixo será o ponto de ebulição. Em relação aos cicloalcanos, os pontos de fusão são afetados de maneira irregular pelo aumento da massa molecular, enquanto que os pontos de ebulição mostram o aumento regular com a massa molecular esperada.
P.E. de alcanos e de seus isômeros ramificados.
P.E. de alcanos lineares e de cicloalcanos.
Reações de alcanos
Combustão completa e incompleta dos alcanos (parafinas, baixa reatividade em relação aos outros HC):
Fuligem: potencialmente poluente se a concentração for maior que 15 mg/m3
Metano: utilizado como combustível de indústrias, carros e aquecimento de residências. É responsável por cerca de 15% do efeito estufa de nosso planeta.
Biogás e biomassa: a produção e industrialização de metano por meio da fermentação de resíduos vegetais do lixo é uma alternativa interessante!
Halogenação de Alcanos
Os alcanos podem reagir também com os halogênios (F2, Cl2, Br e I2).
CH3CH2CH3
Cl2 luz, 25oC
45%
CH3CH2CH2Cl
55%
+ CH3CHCH3 Cl
Alcenos e Alcinos: características, propriedades e reações
Alcenos são os hidrocarbonetos alifáticos insaturados, isto é, que apresentam uma ligação covalente dupla (C═C) entre seus átomos de carbono. Fórmula geral: CnH2n O número de átomos de hidrogênio é o dobro do número de átomos de carbono. Em relação aos alcanos, a formação da dupla ligação “retira” dois átomos de hidrogênio. Exemplo: 1-buteno (C4H8) H2C═CH─CH2─CH3
Alcinos são os hidrocarbonetos alifáticos insaturados, isto é, que apresentam uma ligação covalente tripla entre átomos de carbono sem que a seqüência de carbonos forme um ciclo. Fórmula geral: CnH2n-2 O número de átomos de hidrogênio da molécula de alcino é o dobro do número de átomos de carbono, menos dois. Em relação aos alcenos, a formação da tripla ligação “retira” dois átomos de hidrogênio. Exemplo: Propino (C3H4)
Alcenos e Alcinos - Propriedades Físicas
Alcenos e alcinos têm propriedades físicas similares aos seus alcanos correspondentes. Alcenos e alcinos contendo até 4 carbonos (exceto 2-butino) são gases à temperatura ambiente.
Sendo relativamente apolares, alcenos e alcinos se dissolvem em solventes apolares ou em solventes de baixa polaridade. Alcenos e alcinos são apenas ligeiramente solúveis em água. As densidades de alcenos e alcinos são menores do que a água.
Nomenclatura IUPAC para Alcenos e Alcinos
Alcenos e alcinos são nomeados segundo regras semelhantes às dos alcanos. 1. Determine o nome principal ao selecionar a cadeia mais comprida que contém a ligação dupla ou tripla, e modifique o final do nome do alcano de comprimento igual, de –ano para –eno ou –ino, respectivamente. 2. Numere a cadeia de modo a incluir ambos os átomos de carbono da ligação dupla ou tripla, e comece a numeração a partir da extremidade mais próxima da insaturação. Designe a localização da ligação dupla ou tripla usando o número do primeiro átomo da ligação dupla ou tripla como prefixo. Obs.: Se a ligação dupla ou tripla é eqüidistante das duas extremidades, comece pela extremidade mas próxima do primeiro ponto de ramificação.
Nomenclatura IUPAC para Alcenos e Alcinos
3. Indique as localizações dos grupos substituintes pelos números dos átomos de carbono aos quais estão ligados. Obs.: Se houver mais de uma ligação dupla ou tripla, indique a posição de cada uma e use um dos prefixos –dieno, -trieno, etc ou –diino, -triino, etc.
Nomenclatura IUPAC para Alcenos e Alcinos
4. No caso dos cicloalcenos, a numeração é feita de tal modo que os átomos de carbono da ligação dupla fiquem nas posições 1 e 2, e que os substituintes recebam os números mais baixos possíveis. CH3
CH3
5
1 5
CH3
4
2
1
1 4
3
6
3
2
1-metilciclopenteno
2
1,5-dimetilciclopenteno H3C
5
3 4
CH3
3,5-dimetilcicloexeno
1) Escreva as fórmulas estruturais e moleculares dos seguintes alquenos: a)propeno; b) 1-penteno; c)2-hexeno; d) 3-hexeno. 2) Determine o número de átomos de hidrogênio existentes, por molécula, nos alquenos que apresentam: a)5 átomos de carbono; b) 10 átomos de carbono; c) 20 átomos de carbono. 3) Escreva as fórmulas estruturais e moleculares dos seguintes alquinos: a)1-butino; c) 2-pentino;b) 1-pentino; d) 3-hexino.
Isomeria Cis-Trans nos Alcenos
A ausência de rotação em torno da ligação dupla tem conseqüências químicas. Estereoisômeros: substâncias que diferem no arranjo espacial de seus átomos. cis → do latim “sobre este lado” trans → do latin “através” H3C
CH3 C
H
H3C
H C
C H
cis-2-buteno
H
C CH3
trans-2-buteno
Estabilidade Relativa de Alcenos
Isômeros cis e trans de alcenos não têm a mesma estabilidade. Os alcenos cis são, em geral, menos estáveis do que os isômeros trans devido à tensão estérica (espacial) entre os dois grupos substituintes maiores situados no mesmo lado da ligação dupla. H H
H
H
C C H
H
H C
H
C
H
C
C H
H
H C C
H H
H H
Aplicaçþes de alcenos e alcinos
Principais produtos industriais derivados do etileno e propileno
H2C H2C
CH2 CH
- eteno (etileno) CH3 - propeno (propileno)
(eteno)
Reaçþes de alcenos e alcinos
NUCLEÓFILO X ELETRÓFILO
Nucleófilo: substância “amante de núcleos”, isto é, tem um átomo rico em elétrons que pode formar uma ligação doando um par de elétrons a um átomo pobre em elétrons. Muitos nucleófilos são negativamente carregados. Eletrófilo: substância “amante de elétrons”, isto é, tem um átomo pobre em elétrons que pode formar uma ligação aceitando um par de elétrons de um nucleófilo. Muitos eletrófilos são positivamente carregados.
1) Reações de Adição Eletrofílica nos Alcenos
Os alcenos se comportam como nucleófilos nas reações polares. A ligação dupla C=C é rica em elétrons e pode ceder um par de elétrons para um eletrófilo.
H3C
CH3
H + H−Br
H3C
H3C
CH3
nucleófilo
H3C
eletrófilo
Br CH3 CH3
Orientação da Adição Eletrofílica: Regra de Markovnikov Regra de Markovnikov: na adição de HX a um alceno, o hidrogênio se liga ao carbono que possui menos substituintes alquila e o halogênio se liga ao carbono com mais substituintes alquila. H3C CH2
+ H−Cl
éter
Cl CH3
H3C CH3
H3C CH3 + H-Br
éter
Br H H
H
CH3CH2CH=CHCH3 + HBr
CH3
CH3CH3CH3-CHCH3 + CH3CH3CHCH2CH3 Br
Br
2) Hidratação Eletrofílica de Alcenos
A adição de água à dupla ligação de um alceno, catalisada por ácido, é um método de preparação de álcoois com baixa massa molecular, que possui maior utilidade em processos industriais de grande escala. segue a regra de Markovnikov pode sofrer rearranjos H3C C H3C
CH2
+ HOH
H3O+ 25 oC
CH3 H3C
C CH3
OH
H
3) Adição Eletrofílica de Halogênios a Alcenos
H C
H
C
+ Cl2 H
H
Cl
Cl
C
C
H
H
H
4) Hidrogenação Catalítica de Alcenos Os alcenos reagem com hidrogênio molecular (H2) na presença de um catalisador para formar os alcanos saturados correspondentes. Platina e paládio são os dois catalisadores mais comumente usados; Pd é normalmente usado na forma de um pó fino “suportado” sobre um material inerte como o carvão, para aumentar a área superficial (Pd / C); Pt é geralmente usada como PtO2.
Catalisador
Produto alcano
Hidrogênio adsorvido na superfície do catalisador
Catalisador regenerado
Complexo entre o alceno e o catalisador
Inserção de hidrogênios na ligação dupla C=C
5) Oxidação de Alcenos
Permanganato de potássio ou tetróxido de ósmio, por exemplo, podem ser utilizados para oxidar os alcenos a 1,2-dióis que são chamados de glicóis. H2C
H3C
CH
CH2 + KMnO4
CH2 + KMnO 4
frio
H2C
OH−, H2O
1) OsO4, Piridina 2) Na2SO3, H2O
CH2
OH OH
H3C
CH CH2 OH OH
6) Polimerização dos Alcenos Polímeros são substâncias constituídas de várias subunidades que se repetem. As subunidades moleculares utilizadas para sintetizar os polímeros são chamadas de monômeros, e as reações através das quais os monômeros são unidos são chamadas de polimerizações. Muitas polimerizações são iniciadas por radicais. unidades monoméricas
m CH2 = CH2
Polimerização
-CH2CH2-(CH2CH2)n-CH2CH2-
Etileno
Polietileno
(monômero)
(polímero)
Outros polímeros de cadeia comum Monômero
CH2=CHCH3
Polímero
−(CH2−CH)n−
Nomes Polipropileno
CH3 CH2=CHCl
−(CH2−CH)n−
Policloreto de vinila (PVC)
Cl CH2=CHCN
−(CH2−CH)n−
Poliacrilonitrila (Orlon)
CN CF2=CF2
−(CF2−CF2)n−
Politetrafluoreteno (Teflon)
7) Alcinos Adição de Bromo e Cloro aos Alcinos C
C
Br2 CCl4
Br C
C
Br2 CCl4
Br
Br
Br
C
C
Br
Br
H
X
C
C
H
X
Adição de Haletos de Hidrogênio aos Alcinos HX C
X
C
C
HX
C
H
H9C4 C
CH
1-hexino
HBr
H9C4 C
CH2
HBr
Br H9C4
C
CH3
Br
Br
2-bromo-1-hexeno
2,2-dibromoexano
8) Preparação de alcenos via Reações de Eliminação Desidrohalogenação de Haletos de Alquila H
H
C
H C H X
H
- HX base
H
H C
C H
H
Desidratação de Álcoois H
H
C
H
H C H OH
H+, calor
H
H C
- HOH
C
H
H
H
H
Desbromação de vic-Dibrometos Br
H
C
H
H C H Br
Zn, CH3CO2H - ZnBr2
C H
C H
9) Preparação do acetileno