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1 QUÍMICA ORGÂNICA I – LIGAÇÃO QUÍMICA Conceitos básicos da estrutura do átomo. Tipos básicos de interações atômicas e moleculares. Momento de dipolo e hibridação – o átomo de carbono CCℓ4; CH4; BeH2; BH3 → µ = 0 ∴ CH3Cℓ → µ = 1,87D ∴ H2O e NH3 Os átomos que formam os compostos orgânicos Esqueleto básico – C, H Caracterizam funções – O, N, S, halogênios Átomo Número de ligações que forma Designação C H O N* S Halogênios 4 1 2 3 2 a 6 1 Tetravalente Monovalente Divalente Trivalente Divalente a Hexavalente Monovalentes O nitrogênio pode apresentar quatro ligações no caso de sais de amônio quaternário. II – ALCANOS (CnH2n+2) II.1. Ocorrência – como se constituem no esqueleto básico de todos os compostos orgânicos, sua presença é generalizada em todos os seres vivos. II.2. Grupo funcional – parte que determina as propriedades químicas de um composto, no caso, o esqueleto da cadeia constituído por átomos de carbono e hidrogênio. O alcano mais simples é o metano (CH4), um gás encontrado em jazidas de petróleo, pântanos e minas de carvão, seguido do etano (C2H6), propano (C3H8) e do butano (C4H10) todos presentes na fração gasosa de jazidas de petróleo, conhecidos como GLP (gás liquefeito de petróleo). A partir de cinco átomos de carbono, os hidrocarbonetos são líquidos à temperatura ambiente, tendo sua viscosidade gradativamente aumentada à medida que a massa molar aumenta. A Tabela II.1 apresenta a família dos alcanos alifáticos, ou seja lineares. Tabela II.1 – Família dos alcanos estrutura Ponto de ebulição (oC) Aplicações C1-C4 <20 gás natural, gás engarrafado, indústria petroquímica C5-C6 20-60 éter de petróleo, solventes C6-C7 60-100 ligroína, solventes C5-C10 40-200 gasolina C12-C18 175-325 querosene, combustível de jatos >C12 250-400 gasóleo, óleo combustível, óleo diesel >C20 líquidos não voláteis óleo mineral refinado, óleo lubrificante, graxas >C20 sólidos não voláteis parafina, asfalto, alcatrão C700 a C8000 sólidos não voláteis polietileno de baixa massa molar C8000 a C80000 sólidos não voláteis polietileno de alta massa molar II.3. Nomenclatura – Em parte já mostrada no item anterior, a partir de cinco átomos de carbono, emprega-se prefixos numéricos gregos com a terminação ano, e.g. pentano, hexano, heptano, etc. Ao final da apostila está um quadro com a maioria dos números gregos para a nomenclatura orgânica. II.4. Representação – existem quatro tipos básicos de representação, a saber: Fórmula mínima – contém os elementos constituintes representados uma só vez com sub-índices indicando sua quantidade na molécula – ex. C4H10 Fórmula de traço – representa a fórmula completa com todos os elementos grafados na sua quantidade real com todas as ligações presentes. 2 C C H C H CH H H H H H H H Fórmula condensada – uma mistura das duas antecedentes, onde emprega-se a grafia dos grupamentos CH3, CH2 e CH além do uso de parênteses. As ligações podem estar representadas ou não. CH3CH2CH2CH3 CH3 CH2 CH2 CH3 CH3(CH2)2CH3 Fórmula de linha – nesse caso empregam-se linhas formando ângulos (zig-zag) ou figuras geométricas, onde cada ângulo ou extremidade representa um átomo de carbono. II.5. Os grupamentos substituintes e a isomeria estrutural A tetravalência do carbono permite que mais de um carbono ligue-se a outro átomo de carbono, gerando estruturas diversas que apresentam o que se chama de ramificação. Nesse caso, haverá um encadeamento de átomos de carbono que será o mais comprido e este será chamado de cadeia principal. Os átomos de carbono restantes (que não fazem parte da cadeia principal) serão chamados de ramificações. Como exemplo, toma-se o composto C6H14 (hexano). Sendo ele linear, sua representação será: a) CH3CH2CH2CH2CH2CH3 e seu nome será n-hexano. Mudando o posicionamento de alguns carbonos, pode-se representar a estrutura: CH3CHCH2CH2CH3 CH3 b) ou CH3CH2CHCH2CH3 CH3 c) Observa-se que em ambos os casos, o número de átomos de carbono e de hidrogênio não se alterou, comparativamente à estrutura linear. As duas estruturas, agora, não possuem mais cadeia principal com seis átomos de carbono e sim com cinco, sendo, o átomo de carbono restante, a ramificação da cadeia. Teoricamente, não há limites para o número de ramificações que um hidrocarboneto possa ter. Para o hidrocarboneto em questão, é possível obter-se duas ramificações: CH3CHCHCH3 CH3 CH3 d) e CH3CH2CCH3 CH3 CH3 e) e a cadeia principal, no caso, possuirá quatro átomos de carbono e haverá dois carbonos como ramificação. Os compostos a, b, c, d e e, possuindo a mesma fórmula mínima, são chamados de isômeros estruturais. As ramificações podem ter quantos átomos de carbono for possível, de forma que uma ramificação com 2, 3, 4 ou mais átomos de carbono é perfeitamente plausível mas, no caso em questão, não há possibilidade de uma estrutura com uma ramificação possuindo dois átomos de carbono. CH3CH2CCH3 CH2 CH3 f) Observa-se que, uma vez que a cadeia principal deverá possuir o maior número de átomos de carbono em sequência linear, o composto f, supostamente com uma ramificação com dois átomos de carbono, na verdade é o composto c. Isto se deve ao fato de que existe rotação livre entre as ligações simples, o que faz com que a cadeia possa assumir um número grande de conformações. A isso se dá o nome de isomeria conformacional. Tomando-se como exemplo o n-Hexano. tem-se: Em fórmula condensada Em fórmula de linha CH3CH2CH2CH2CH2CH3 CH3CH2 CH2CH2 CH2CH3 CH2CH2CH3 CH2 CH2 CH3 CH3CH2 CH2CH2CH2CH3 3 A possibilidade da ocorrência de estruturas isômeras aumenta a quantidade de compostos orgânicos, pois cada um deles possui propriedades físicas distintas, tal como pode ser visto na Tabela II.2. A isomeria estrutural começa a aparecer a partir do alcano com 4 átomos de carbono e o número de compostos isômeros estruturais aumenta exponencialmente com o aumento no número de átomos de carbono, como pode ser visto na Tabela II.3. Tabela II.2 – Algumas propriedades de isômeros estruturais Fórmula molecular Fórmula estrutural Ponto de fusão (oC) Ponto de ebulição (oC) CH3CH2CH2CH2CH2CH3 -95 68,7 CH3CH(CH3)CH2CH2CH3 -153,7 60,3 CH3CH2CH(CH3)CH2CH3 -118 63,3 CH3CH(CH2)CH(CH2)CH3 -128,8 58 C6H14 CH3C(CH3)2CH2CH3 -98 49,7 Tabela II.3. Número de isômeros possíveis para alguns compostos Fórmula molecular Isômeros Fórmula molecular Isômeros C4H10 2 C8H18 35 C5H12 3 C9H20 75 C6H14 5 C10H22 4.347 C7H16 18 C40H82 62.481.801.147.341 II.5.1. Nomenclatura com ramificações A partir do momento em que uma estrutura apresente ramificações, deverá escolher-se a cadeia mais comprida para ser a cadeia principal e o restante da molécula constituirá as ramificações. A nomenclatura das ramificações faz-se substituindo a terminação ano pela terminação ila, de modo que uma ramificação CH3 passa a se chamar metila. Na Tabela II.4 podem ser observados os primeiros cinco alcanos lineares e sua nomenclatura no caso de estarem na condição de ramificação. Tabela II.4. Nomes de alcanos lineares e seus grupamentos Fórmula Geral – CnH2n+2 Alcanos Grupamentos alquila Fórmula Nome Fórmula Nome Fórmula Nome CH4 Metano – CH3 (Me) Metila C2H6 Etano –CH2CH3 (Et) Etila C3H8 Propano –CH2CH2CH3 (Pro) n-Propila CH3CH2CH3 (iPro) Isopropila, sec-Propila ou 2-Propila C4H10 Butano –CH2CH2CH2CH3 (Bu) CH3CH2CH2CH3 CH2CH2CH3 CH3 n-Butila ou 1- butila sec-Butila ou 2- butila Isobutila CH3CHCH3 CH3 terc-Butila C5H12 Pentano –CH2(CH2)3CH3 CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CHCH2CH2 CH3 n-Pentila 2-Pentila 3-Pentila Isopentila CH3CHCHCH3 CH3 CHCHCH2CH3 CH3 CH3CCH2CH3 CH3 Isopent-3-ila ou 2-Metil-3-butila Isopent-1-ila ou 2-Metil-1-butila terc-Butila ou 2-Metil-2-butila II.5.2. As regras de