Química orgânica introdução

Fábio Erminio Mingatto

Química Orgânica

Universidade Estadual Paulista “Júlio Mesquita Filho”Campus de Dracena

Curso de Engenharia Agronômica

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.

HIBRIDAÇÃOHIBRIDAÇÃO

spsp33 O carbono faz 4 ligações simples

(tetraédrica: ângulo de 109º)

HIBRIDAÇÃOHIBRIDAÇÃO

spsp22 O carbono faz 2 ligações simples e 1 ligação dupla.(trigonal plana: ângulo 120º)

HIBRIDAÇÃOHIBRIDAÇÃO

spspO 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

H H H Cl

Cl - C - H H - C - H H - C - Cl 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 – CÁtomos 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 Cíclicas

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 Biomoléculas

Epinefrina

Hidrocarbonetos

Hidrocarbonetos(contêm apenas Carbonos e Hidrogênios)

Hidrocarbonetos Alifáticos(cadeias abertas e cíclicas)

Alcanos(parafinas)

Alcenos(etilenos

ou olefinas)

Alcinos(acetileno)

CH3CH3

Etano

CH2 = CH2

Eteno(etileno)

HC CHEtino

(acetileno)

Hidrocarbonetos Aromáticos(contêm o anel benzeno)

Benzenoe seus

derivados

HidrocarbonetosAromáticos

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 formou-se o petróleo.

Quando o petróleo é retirado de uma jazida sobre o mar, a extração acontece nas chamadas plataformas de petróleo.

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino MédioHidrocarboneto: Alcano, Alceno

Imagem: Agência Barasil / Licença Creative Commons Atribuição 3.0 Brasil.

EXTRAÇÃO DO PETRÓLEO

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.

REFINO DO PETRÓLEO

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino MédioHidrocarboneto: Alcano, Alceno

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0 G

ener

ic.

GLP

Gasolina

Parafina

Óleo de Aquecimento

Óleo Pesado

Óleo de lubrificação, óleo de parafina, asfalto

Bruto

Forno

Principais produtos

Produto Quantidade de carbonosGases 1 a 5

Gasolina 6 a 10Querosene 11 a 12Óleo diesel 13 a 17

Óleos combustíveis 18 a 25Óleos lubrificantes 26 a 30

Óleos pesados 35 a 38Resíduo (asfalto)

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino MédioHidrocarboneto: Alcano, Alceno

Aliado ao óleo cru ou bruto, existe o gás natural (formado principalmente por metano).

Gás 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.

Alcanos lineares.

- Compostos que possuem orientação tetraédrica dos grupos, resultante da superposição de orbitais sp3 do carbono.

- Alcanos que se encontram ligados em linha são denominados Alcanos de cadeia linear ou alcanos normais (n-alcanos).

- 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 Fórmula Estrutura

Metano CH4 CH4

Etano C2H6 CH3CH3

Propano C3H8 CH3CH2CH3

Butano C4H10 CH3(CH2)2CH3

Isobutano C4H10

Pentano C5H12 CH3(CH2)3CH3

Isopentano C5H12

Neopentano C5H12

CH3CHCH3

CH3

CH3CH2CHCH3

CH3

CH3CCH3

CH3

CH3

IsômerosConstitucionais

Os alcanos mais comuns são:

Nomenclatura IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry)

Prefixo-Parte intermediária-Sufixo

Presença ou nãode insaturações

Função QuímicaNúmero de atomos de C

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, cite-os em ordem alfabética.

O número de átomos de carbono é definido pelos prefixos:

Prefixo Número de carbonosMet 1Et 2

Prop 3

But 4

Pent 5

Hex 6

Hept 7

Oct 8

Non 9

Dec 10

Exemplos:CH4

CH3 CH3

CH3 CH2 CH3

CH3 CH2 CH2 CH3

CH3 CH2 CH2 CH2 CH3

Met + an + o = metano

Et + an + o = etano

Prop + an + o = propano

But + an + o = butano

Pent + an + o = pentano

ALCANOS

Para alcanos ramificados, devemos observar a presença de radicais ligados à cadeia principal.

CH3 CH CH3

CH3

Os radicais recebem nomes específicos e são chamados de grupos alquila (-R).

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino MédioHidrocarboneto: Alcano, Alceno

ALCANOS

Grupo NomeCH3 – Metila

CH3 – CH2 – Etila

CH3 – CH2 – CH2 – Propila

CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – Butila

CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – Pentila

Principais radicais ALCANOS

Exemplo:

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.

CH3 CH CH2

CH3

CH2 CH32–metil-pentano

ALCANOS

Agora nomeie as seguintes cadeias:

CH3 C CH2

CH3

CH3CH3

CH3 CH CHCH3

CH3

CH3

ALCANOS

Nomenclatura IUPACNomenclatura de alcanos e grupos alquila

CH3CH2CH3 CH3CH2CH2 CH3CHCH3

propano grupo propila grupo isopropila ou 1-metiletila

CH3CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2

butano grupo butilagrupo sec-butila ou 1-

metilpropila

CH3CH2CHCH3

CH3CH

CH3

CH3 CH3CH

CH3

CH2 CCH3

CH3CH3

isobutano grupo isobutila grupo terc-butila ou 1,1-dimetiletila

Monocíclicos: prefixo ciclo ligado ao nome do alcano

CH2

CH2CH2= CH2

CH2

CH2

CH2

CH2=

ciclopropano ciclopentano

isopropilcicloexano 1-etil-3-metilcicloexano

2-etil-1,4-dimetilcicloexano

CHCH3CH3 CH3

CH2CH3

1234

56

CH3

CH3

CH2CH3123

4

65

Nomenclatura IUPAC para 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.

Propriedades Físicas dos Alcanos e Cicloalcanos

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

Cl2luz, 25oC

CH3CH2CH2Cl + CH3CHCH3

Cl

45% 55%

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.

1-metilciclopenteno

3,5-dimetilcicloexeno

1,5-dimetilciclopenteno

CH3

1

2

34

5

CH3CH3

6

1

2

34

5

CH3

CH3

1

23

4

5

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”

cis-2-buteno trans-2-buteno

C C

CH3

H H

CH3

C C

CH3

H CH3

H

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.

C C

C

H H

C

H

H HHH

H C C

C

H C

H

H

H H

H

H

H

Aplicações de alcenos e alcinos

Principais produtos industriais derivados do etileno e propileno

H2C CH2 - eteno (etileno)H2C CH CH3 - propeno (propileno)

(eteno)

Reações 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.

nucleófilo eletrófiloCH3

CH3CH3

CH3

+ H Br

H Br

CH3

CH3CH3

CH3

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.

CH3CH2CH=CHCH3 + HBr CH3CH3CH3-CHCH3 + CH3CH3CHCH2CH3

Br Br

Orientação da Adição Eletrofílica: Regra de Markovnikov

CH2

CH3

CH3

+ H Cl CH3

Cl

CH3

CH3

éter

CH3

H

+ H-Bréter

CH3

BrHH

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

C CH2

CH3

CH3

+ HOH C OH

CH3

CH3

CH3

H3O+

25 oC

3) Adição Eletrofílica de Halogênios a Alcenos

C C

H

HH

H

+ Cl2 C C

Cl Cl

H

HH

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 Hidrogênio adsorvido na superfície do catalisador

Complexo entre o alceno e o catalisador

Produto alcano Catalisador regenerado

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.

CH2 CH2 + KMnO4

frio

OH, H2O

CH2 CH2

OH OH

CH CH2CH3 + KMnO4

1) OsO4, PiridinaCH CH2

OH OH

CH32) Na2SO3, H2O

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.

6) Polimerização dos Alcenos

m CH2 = CH2 -CH2CH2-(CH2CH2)n-CH2CH2-Polimerização

Etileno(monômero)

Polietileno(polímero)

unidades monoméricas

Outros polímeros de cadeia comum

Monômero Polímero Nomes

Polipropileno

Policloreto de vinila (PVC)

Poliacrilonitrila (Orlon)

Politetrafluoreteno (Teflon)

CH2=CHCH3 CH2

CH)n

CH3

CH2=CHCl CH2 CH)n

Cl

CH2=CHCN CH2 CH)n

CN

CF2=CF2 CF2

CF2)n

7) Alcinos

Adição de Bromo e Cloro aos Alcinos

C CBr2

CCl4C C

Br Br

BrBr

C CBr

Br Br2

CCl4

Adição de Haletos de Hidrogênio aos Alcinos

C CHX

C C

H X

XH

C CH

X HX

C CHH9C4

HBrH9C4 C

Br

Br

CH3C CH2H9C4

Br

HBr

1-hexino 2-bromo-1-hexeno 2,2-dibromoexano

8) Preparação de alcenos via Reações de Eliminação

Desidrohalogenação de Haletos de Alquila

C CH

H

HH

X

H- HX

baseC C

H

H

H

H

Desidratação de Álcoois

C CH

H

HH

OH

H H+, calor

- HOHC C

H

H

H

H

Desbromação de vic-Dibrometos

C CH

H

HH

Br

BrZn, CH3CO2H

- ZnBr2

C CH

H

H

H

9) Preparação do acetileno