Sumário. 1 Estrutura e Ligação em Moléculas Orgânicas 1. 2 Estrutura e Reatividade O escopo da química orgânica: uma visão geral 2

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1 1 Estrutura e Ligação em Moléculas Orgânicas O escopo da química orgânica: uma visão geral 2 Destaque químico 1-1 Ureia: da urina à síntese de Wöhler e aos fertilizantes industriais Forças de Coulomb: uma visão simplificada da ligação Ligações iônicas e covalentes: a regra do octeto Modelos de ligação usando pontos: estruturas de Lewis Formas de ressonância Orbitais atômicos: uma descrição quantomecânica dos elétrons ao redor do núcleo Orbitais moleculares e ligações covalentes Orbitais híbridos: ligações em moléculas complexas Estruturas e fórmulas de moléculas orgânicas 37 Problemas de integração 40 Conceitos importantes 43 Problemas 44 2 Estrutura e Reatividade Cinética e termodinâmica de processos químicos simples Ácidos e bases; eletrófilos e nucleófilos; usando setas curvas de fluxo de elétrons 56 Destaque químico 2-1 O ácido do estômago e a digestão dos alimentos Grupos funcionais: centros de reatividade Alcanos lineares e ramificados Nomenclatura dos alcanos Propriedades estruturais e físicas dos alcanos 76 Destaque químico 2-2 Trapaça sexual por meio do mimetismo químico Rotação em torno de ligações simples: conformações Rotação em etanos substituídos 82 Problemas de integração 86 Conceitos importantes 88 Problemas 89

2 xviii Sumário 3 Reações de Alcanos Força das ligações dos alcanos: radicais A estrutura dos radicais alquila: hiperconjugação Conversão do petróleo: pirólise 100 Destaque químico 3-1 Sustentabilidade e as necessidades do século XXI: química verde Cloração do metano: o mecanismo em cadeia via radicais Outras halogenações do metano via radicais Cloração dos alcanos de cadeia longa: reatividade e seletividade relativa Seletividade na halogenação via radicais com flúor e bromo Halogenações via radicais úteis em sínteses 116 Destaque químico 3-2 Cloração, cloral e DDT Os compostos clorados sintéticos e a camada de ozônio da estratosfera A combustão e a estabilidade relativa de alcanos 121 Problemas de integração 123 Conceitos importantes 126 Problemas Cicloalcanos Nomes e propriedades físicas dos cicloalcanos Tensão de anel e estrutura dos cicloalcanos O ciclo-hexano: um cicloalcano livre de tensão Ciclo-hexanos substituídos Cicloalcanos maiores Alcanos policíclicos 149 Destaque químico 4-1 Ciclo-hexano, adamantano e diamantoides: moléculas-diamante Produtos carbocíclicos na natureza 152 Destaque químico 4-2 Colesterol: como e quão ruim ele é? 155 Destaque químico 4-3 Controle da fertilidade: da pílula ao RU Problemas de integração 158 Conceitos importantes 161 Problemas 161

3 xix 5 Estereoisômeros Moléculas quirais 171 Destaque químico 5-1 Substâncias quirais na natureza Atividade óptica Configuração absoluta: regras de sequência R-S Projeções de Fischer 182 Destaque químico 5-2 Configuração absoluta: um nota histórica Moléculas com mais de um centro quiral: diastereoisômeros 187 Destaque químico 5-3 Estereoisômeros do ácido tartárico Compostos meso Estereoquímica em reações químicas 193 Destaque químico 5-4 Fármacos quirais: racêmico ou enantiomericamente puro? 196 Destaque químico 5-5 Por que a natureza é quiral? Resolução: separação de enantiômeros 201 Problemas de integração 204 Conceitos importantes 206 Problemas Propriedades e Reações de Halogenoalcanos Propriedades físicas de halogenoalcanos 215 Destaque químico 6-1 Esteroides halogenados como agentes anti-inflamatórios e antiasmáticos Substituição nucleofílica Mecanismos de reações envolvendo grupos funcionais polares: usando setas de fluxo de elétrons Uma visão mais detalhada do mecanismo de substituição nucleofílica: cinética Ataque pelo lado da frente ou pelo lado de trás? A estereoquímica das reações S N Consequências da inversão nas reações S N Estrutura e reatividade das reações S N 2: o grupo de saída Estrutura e reatividade da reação S N 2: o nucleófilo Estrutura e reatividade da reação S N 2: o substrato 240 Destaque químico 6-2 O dilema do bromometano: extremamente útil, mas muito tóxico 241 Problemas de integração 244 Conceitos importantes 245 Problemas 246

4 xx Sumário 7 Outras Reações de Halogenoalcanos Solvólise de halogenoalcanos terciários e secundários Substituição nucleofílica unimolecular Consequências estereoquímicas das reações S N Efeitos do solvente, do grupo de saída e do nucleófilo na substituição unimolecular Efeito do grupo alquila sobre a reação S N 1: estabilidade do carbocátion 260 Destaque químico 7-1 Deslocamento S N 1 estereosseletivo surpreendente na síntese de uma droga anticâncer Eliminação unimolecular: E Eliminação bimolecular: E Competição entre substituição e eliminação: a estrutura determina a função Resumo da reatividade dos halogenoalcanos 273 Problemas de integração 275 Novas reações 277 Conceitos importantes 278 Problemas Grupo Funcional Hidroxila: Álcoois Nomenclatura dos álcoois Propriedades estruturais e físicas dos álcoois Álcoois como ácidos e bases Fontes industriais de álcoois: monóxido de carbono e eteno Síntese de álcoois por substituição nucleofílica Síntese de álcoois: relação de oxidação-redução entre álcoois e compostos carbonilados 297 Destaque químico 8-1 Oxidação e redução biológica 298 Destaque químico 8-2 O teste do bafômetro Reagentes organometálicos: fontes de carbono nucleofílico para a síntese de álcoois Reagentes organometálicos na síntese de álcoois Álcoois complexos: uma introdução à estratégia de sínteses 309 Destaque químico 8-3 Reações de acoplamento cruzado catalisadas por metais de transição 310 Problemas de integração 319 Novas reações 322 Conceitos importantes 326 Problemas 326

5 xxi 9 Outras Reações dos Álcoois e a Química dos Éteres Reações de álcoois com bases: preparação de alcóxidos Reações de álcoois com ácidos fortes: íons alquil-oxônio em reações de substituição e eliminação de álcoois Rearranjos de carbocátions Síntese de ésteres a partir de álcoois e halogenoalcanos Nomes e propriedades físicas dos éteres Síntese de Williamson de éteres 350 Destaque químico 9-1 Quimioluminescência dos 1,2-Dioxa-ciclo-butanos Síntese de éteres: álcoois e ácidos minerais Reações de éteres 357 Destaque químico 9-2 Grupos protetores em sínteses Reações de oxaciclopropanos 360 Destaque químico 9-3 Resolução cinética hidrolítica dos oxaciclopropanos Análogos de enxofre dos álcoois e éteres Propriedades fisiológicas e usos de álcoois e éteres 367 Destaque químico 9-4 Alho e enxofre 371 Problemas de integração 372 Novas reações 374 Conceitos importantes 376 Problemas O Uso da Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear para Determinar a Estrutura Testes físicos e químicos Definição de espectroscopia Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 390 Destaque químico 10-1 Obtenção de um espectro de RMN Uso dos espectros de RMN para analisar a estrutura molecular: o deslocamento químico do hidrogênio Testes para a equivalência química 400 Destaque químico 10-2 Imagens por ressonância magnética na medicina Integração Desdobramento spin-spin: o efeito dos hidrogênios vizinhos não equivalentes Desdobramento spin-spin: algumas complicações 414 Destaque químico 10-3 A não equivalência dos hidrogênios diastereotópicos 418

6 xxii Sumário 10-9 Ressonância nuclear magnética de carbono Destaque químico 10-4 Espectros de correlação de RMN: COSY e HETCOR 428 Destaque químico 10-5 Caracterização estrutural de produtos naturais: antioxidantes de sementes de uva 430 Problemas de integração 432 Conceitos importantes 435 Problemas Alquenos Espectroscopia de Infravermelho e Espectrometria de Massas Nomenclatura dos alquenos Estrutura e ligação no eteno: a ligação pi Propriedades físicas dos alquenos Ressonância magnética nuclear dos alquenos Hidrogenação catalítica de alquenos: estabilidade relativa das ligações duplas 459 Destaque químico 11-1 Prostaglandinas Preparação de alquenos a partir de halogenoalcanos e sulfonatos de alquila: a eliminação bimolecular revista Preparação de alquenos por desidratação de álcoois Espectroscopia de infravermelho Medida da massa molecular de compostos orgânicos: espectrometria de massas 473 Destaque químico 11-2 Segurança no século XXI: aplicações de IV e EM 475 Destaque químico 11-3 Detecção de substâncias que aumentam o desempenho por espectrometria de massas Padrões de fragmentação de moléculas orgânicas Grau de insaturação: outra ajuda na identificação da estrutura molecular 482 Problemas de integração 484 Novas reações 486 Conceitos importantes 487 Problemas 488 Interlúdio: Como resolver problemas de química orgânica Reações de Alquenos Por que as reações de adição acontecem: viabilidade termodinâmica Hidrogenação catalítica Caráter nucleofílico da ligação pi: adição eletrofílica de halogenetos de hidrogênio 512

7 xxiii 12-4 Síntese de álcoois por hidratação eletrofílica: controle termodinâmico Adição eletrofílica de halogênios a alquenos A generalidade da adição eletrofílica Oximercuração-desmercuração: uma adição eletrofílica especial 525 Destaque químico 12-1 Análogos do hormônio juvenil na batalha contra doenças transmitidas por insetos Hidroboração-oxidação: uma hidratação antimarkovnikov estereoespecífica Diazometano, carbenos e a síntese de ciclopropanos Síntese de oxaciclopropanos (epóxidos): epoxidação com ácidos peroxicarboxílicos Di-hidroxilação vicinal sin com tetróxido de ósmio 535 Destaque químico 12-2 Síntese de drogas antitumorais: oxa-ciclopropanação e di-hidroxilação enantiosseletiva de Sharpless Quebra oxidativa: ozonólise Adições via radicais: formação do produto antimarkovnikov Dimerização, oligomerização e polimerização de alquenos Síntese de polímeros 543 Destaque químico 12-3 Polímeros na limpeza de derramamentos de óleo Eteno: uma importante matéria-prima 547 Destaque químico 12-4 Metátese de alqueno catalisada por metal para a construção de anéis médios e grandes Alquenos na natureza: feromônios de insetos 548 Problemas de integração 550 Novas reações 553 Conceitos importantes 555 Problemas Alquinos Nomenclatura dos alquinos Propriedades e a ligação nos alquinos Espectroscopia dos alquinos Preparação de alquinos por eliminação dupla Preparação de alquinos a partir de ânions alquinila Redução dos alquinos: a reatividade relativa das duas ligações pi Reações de adição eletrofílica de alquinos Adições antimarkovnikov às ligações triplas Química dos halogenoalquenos 587 Destaque químico 13-1 Reações de acoplamento de Stille, Suzuki e Sonogashira catalisadas por metais Etino como matéria-prima industrial 590

8 xxiv Sumário Alquinos fisiologicamente ativos que ocorrem na natureza 592 Problemas de integração 594 Novas reações 595 Conceitos importantes 599 Problemas Sistemas Pi Deslocalizados Superposição de três orbitais p adjacentes: deslocalização de elétrons no sistema 2-propenila (alila) Halogenação alílica via radicais Substituição nucleofílica de halogenetos de alila: S N 1 e S N Reagentes organometálicos alílicos: nucleófilos úteis de três carbonos Duas ligações duplas alternadas: dienos conjugados Ataque nucleofílico em dienos conjugados: controle cinético e termodinâmico 621 Destaque químico 14-1 Interação face a face de duas ligações duplas Deslocalização por mais de duas ligações pi: conjugação estendida e benzeno Uma transformação especial dos dienos conjugados: a cicloadição de Diels-Alder 628 Destaque químico 14-2 Polienos condutores: novos materiais funcionais 630 Destaque químico 14-3 A reação de Diels-Alder é verde Reações eletrocíclicas 640 Destaque químico 14-4 Uma eletrociclização em cascata na natureza: imunossupressores a partir de culturas de Streptomicinas Polimerização de dienos conjugados: borracha Espectro eletrônico: espectroscopia de ultravioleta e visível 650 Destaque químico 14-5 As contribuições de IV, EM e UV para a caracterização do viniferona 655 Problemas de integração 656 Novas reações 659 Conceitos importantes 660 Problemas 661 Interlúdio: Um resumo dos mecanismos de reações orgânicas Benzeno e Aromaticidade Nomeclatura dos derivados do benzeno Estrutura e energia de ressonância do benzeno: uma primeira visão da aromaticidade 677

9 xxv 15-3 Orbitais moleculares pi do benzeno Características espectrais do anel benzeno Hidrocarbonetos policíclicos aromáticos 687 Destaque químico 15-1 Os alótropos de carbono: grafita, diamante e fulerenos Outros polienos cíclicos: a Regra de Hückel 693 Destaque químico 15-2 Justaposição de anéis aromáticos e antiaromáticos nos hidrocarbonetos fundidos A Regra de Hückel e moléculas com cargas Síntese de derivados do benzeno: substituição eletrofílica em aromáticos Halogenação do benzeno: a necessidade de um catalisador Nitração e sulfonação do benzeno A alquilação de Friedel-Crafts Limitações das alquilações de Friedel-Crafts Acilação de Friedel-Crats (alcanoilação) 714 Problemas de integração 717 Novas reações 720 Conceitos importantes 722 Problemas Ataque Eletrofílico nos Derivados do Benzeno Ativação ou desativação do anel de benzeno pelos substituintes Orientação dos grupos alquila por efeito indutivo Orientação dos substituintes por conjugação com o anel benzeno 738 Destaque químico 16-1 Nitroarenos explosivos: TNT e ácido pícrico Ataque eletrofílico em benzenos dissubstituídos Estratégias de síntese de benzenos substituídos Reatividade dos hidrocarbonetos benzenoides policíclicos Hidrocarbonetos policíclicos aromáticos e câncer 758 Problemas de integração 760 Novas reações 764 Conceitos importantes 765 Problemas Aldeídos e Cetonas Nomenclatura de aldeídos e cetonas Estrutura do grupo carbonila Propriedades espectroscópicas dos aldeídos e cetonas Preparação de aldeídos e cetonas Reatividade do grupo carbonila: mecanismos de adição 787

10 xxvi Sumário 17-6 Adição de água para formar hidratos Adição de álcoois para dar hemiacetais e acetais Acetais como grupos protetores Adição nucleofílica da amônia e seus derivados 797 Destaque Químico 17-1 Iminas em biologia Desoxigenação do grupo carbonila Adição de cianeto de hidrogênio para dar cianoidrinas Adição de ilídeos de fósforo: reação de Wittig Oxidação por ácidos peroxicarboxílicos: a reação de oxidação de Baeyer-Villiger Testes químicos oxidativos para aldeídos 809 Problemas de integração 810 Novas reações 812 Conceitos importantes 815 Problemas Enóis, Enolatos e a Condensação de Aldol Acidez dos aldeídos e cetonas: íons enolato Equilíbrio cetoenólico Halogenação de aldeídos e cetonas Alquilação de aldeídos e cetonas Ataque de enolatos à carbonila: condensação de aldol Condensação de aldol cruzada 840 Destaque químico 18-1 Condensações de aldol seletivas catalisadas por enzimas na natureza 841 Destaque químico 18-2 Enzimas em sínteses: condensações de aldol cruzadas estereosseletivas Condensação de aldol intramolecular 843 Destaque químico 18-3 Reações de aldeídos insaturados na natureza: a química da visão Propriedades de aldeídos e cetonas, -insaturados Adição conjugada a aldeídos e cetonas, -insaturados Adições 1,2 e 1,4 de reagentes organometálicos Adições conjugadas aos enolatos: adição de Michael e anelação de Robinson 852 Destaque químico 18-4 Aleksandr Borodin: compositor, químico e professor pioneiro 853 Problemas de integração 856 Novas reações 858 Conceitos importantes 861 Problemas 862

11 xxvii 19 Ácidos Carboxílicos Nomenclatura dos ácidos carboxílicos Propriedades físicas e estruturais dos ácidos carboxílicos Espectrometrias de RMN e IV de ácidos carboxílicos Caráter ácido e caráter básico dos ácidos carboxílicos Sínteses dos ácidos carboxílicos na indústria Métodos de síntese de ácidos carboxílicos Substituição no carbono do grupo carbóxi: o mecanismo de adição eliminação Derivados dos ácidos carboxílicos: halogenetos de acila e anidridos Derivados de ácidos carboxílicos: ésteres Derivados de ácidos carboxílicos: amidas Redução dos ácidos carboxílicos por hidreto de alumínio e lítio A Bromação no átomo vizinho do grupo carbóxi: a reação de Hell-Volhard-Zelinsky Atividade biológica dos ácidos carboxílicos 900 Destaque químico 19-1 Sabões de carboxilatos de cadeia longa 902 Destaque químico 19-2 Os ácidos graxos trans e sua saúde 905 Destaque químico 19-3 Plásticos, fibras e energia de hidroxiésteres derivados da biomassa 906 Problemas de integração 907 Novas reações 910 Conceitos importantes 913 Problemas Derivados de Ácidos Carboxílicos Reatividades relativas, estruturas e espectros dos derivados de ácidos carboxílicos Química de halogenetos de acila A reatividade dos anidridos A química dos ésteres Os ésteres na natureza: ceras, gorduras, óleos e lipídeos 942 Destaque químico 20-1 Alternativas mais verdes para o petróleo: biocombustíveis Amidas: o derivado menos reativo dos ácidos carboxílicos 944 Destaque químico 20-2 Atacando os germes: guerras dos antibióticos Amidatos e sua halogenação: rearranjo de Hofmann 950 Destaque químico 20-3 O isocianato de metila, inseticidas baseados nos carbamatos e a segurança na indústria química 953

12 xxviii Sumário 20-8 Alcanonitrilas: uma classe especial de derivados de ácidos carboxílicos 953 Problemas de integração 957 Novas reações 960 Conceitos importantes 963 Problemas Aminas e seus Derivados Nomeclatura de aminas Propriedades físicas e estruturais de aminas 973 Destaque químico 21-1 As aminas fisiologicamente ativas e o controle do peso A espectroscopia do grupo amina Acidez e basicidade de aminas 981 Destaque químico 21-2 Separação de aminas de outros compostos orgânicos por técnicas de extração em água Síntese de aminas por alquilação Síntese de aminas por aminação redutiva Síntese de aminas a partir de amidas Sais quaternários de amônio: eliminação de Hofmann A reação de Mannich: alquilação de enóis por íons imínio Nitrosação de aminas 996 Destaque químico 21-3 N-Nitroso-dialcanaminas e câncer 998 Destaque químico 21-4 Aminas na indústria: náilon 1000 Problemas de integração 1003 Novas reações 1006 Conceitos importantes 1010 Problemas Química dos Substituintes do Benzeno Reatividade no carbono da fenilmetila (benzila): estabilização por ressonância Reduções e oxidações benzílicas Nomes e propriedades de fenóis 1026 Destaque químico 22-1 Dois fenóis na mídia: bisfenol A e resveratrol Preparação de fenóis: substituição nucleofílica em aromáticos A química dos fenóis é semelhante à dos álcoois 1041 Destaque químico 22-2 Aspirina: um alcanoato de fenila usado em medicina Substituições eletrofílicas de fenóis Uma reação eletrocíclica do anel aromático: o rearranjo de Claisen 1048

13 xxix 22-8 Oxidação de fenóis: benzoquinonas Processos de oxidação-redução na natureza 1053 Destaque químico 22-3 A guerra química na natureza: o besouro bombardeiro Sais de arenodiazônio A substituição eletrofílica com sais arenodiazônio: o acoplamento diazo 1061 Destaque químico 22-4 William Perkin e as origens da química industrial e da química medicinal 1063 Problemas de integração 1064 Novas reações 1066 Conceitos importantes 1071 Problemas Enolatos de Ésteres e Condensação de Claisen Compostos -dicarbonilados: condensações de Claisen 1082 Destaque químico 23-1 Condensações de Claisen em bioquímica Compostos -dicarbonilados como intermediários de síntese Química dos ânions -dicarbonilados: adições de Michael Equivalentes de ânions acila: preparação de -hidroxicetonas 1098 Destaque químico 23-2 Tiamina: um sal de tiazólio natural, metabolicamente ativo 1100 Problemas de integração 1104 Novas reações 1107 Conceitos importantes 1109 Problemas Carboidratos Nomenclatura e estrutura dos carboidratos Conformações e formas cíclicas dos açúcares Anômeros de açúcares simples: mutarrotação da glicose A química polifuncional dos açúcares: oxidação a ácidos carboxílicos Quebra oxidativa dos açúcares Redução dos monossacarídeos a alditóis Condensações da carbonila com derivados de amina Formação de éster e éter: glicosídeos 1133 Destaque químico 24-1 Grupos protetores na síntese de vitamina C Construção e degradação de açúcares por etapas 1136 Destaque químico 24-2 Bioquímica dos açúcares 1138

14 xxx Sumário Configuração relativa das aldoses: um exercício de determinação da estrutura Açúcares complexos na natureza: dissacarídeos 1142 Destaque químico 24-3 Substitutos de açúcar derivados de carboidratos Polissacarídeos e outros açúcares na natureza 1146 Destaque químico 24-4 Ácido siálico, gripe aviária e desenho racional de fármacos 1152 Problema de integração 1153 Novas reações 1156 Conceitos importantes 1158 Problemas Heterociclos Nomenclatura dos heterociclos Heterociclos não aromáticos 1168 Destaque químico 25-1 Fumo, nicotina, câncer e química medicinal Estrutura e propriedades dos heterociclopentadienos aromáticos Reações dos heterociclopentadienos aromáticos Estrutura e preparação da piridina: um azabenzeno Reações da piridina 1184 Destaque químico 25-2 Os sais de piridínio na natureza: nicotinamida-adenina-dinucleotídeo, di-hidropiridinas e organocatalisadores Quinolina e isoquinolina: as benzopiridinas 1188 Destaque químico 25-3 Ácido fólico, vitamina D, colesterol e a cor de sua pele Alcaloides: heterociclos nitrogenados naturais com potente ação fisiológica 1191 Destaque químico 25-4 Nem sempre a natureza é verde: pesticidas naturais 1192 Problemas de integração 1195 Novas reações 1198 Conceitos importantes 1200 Problemas Aminoácidos, Peptídeos, Proteínas e Ácidos Nucleicos Estrutura e propriedades dos aminoácidos 1212 Destaque químico 26-1 Arginina e óxido nítrico na bioquímica e na medicina 1216

15 xxxi 26-2 Síntese de aminoácidos: uma combinação da química das aminas e dos ácidos carboxílicos Sínteses de aminoácidos enantiomericamente puros 1220 Destaque químico 26-2 Síntese enantiosseletiva de aminoácidos opticamente puros: catalisadores de transferência de fase Peptídeos e proteínas: oligômeros e polímeros dos aminoácidos Determinação da estrutura primária: sequenciamento dos aminoácidos Síntese de polipeptídeos: o desafio do uso de grupos protetores Síntese em fase sólida de Merrifield Polipeptídeos na natureza: o transporte de oxigênio pelas proteínas mioglobina e hemoglobina Biossíntese de proteínas: ácidos nucleicos 1241 Destaque químico 26-3 As bases ácidos nucleicos e nucleosídeos sintéticos em medicina A síntese de proteínas via RNA O sequenciamento e a síntese do DNA: marcos na tecnologia genética 1248 Destaque químico 26-4 Impressão digital do DNA 1256 Problemas de integração 1260 Novas reações 1262 Conceitos importantes 1264 Problemas 1264 Questões MCAT 1271 Respostas das Questões MCAT 1304 Respostas dos Exercícios 1305 Créditos das Fotografias 1363 Índice 1365