Química Reações Orgânicas Vestibular - FUVEST

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1 Química Reações Orgânicas Vestibular - FUVEST 1. (Fuvest 2015) Compostos com um grupo NO 2 ligado a um anel aromático podem ser reduzidos, sendo o grupo NO 2 transformado em NH 2, como representado abaixo. Compostos alifáticos ou aromáticos com grupo NH 2, por sua vez, podem ser transformados em amidas ao reagirem com anidrido acético. Essa transformação é chamada de acetilação do grupo amino, como exemplificado abaixo. Essas transformações são utilizadas para a produção industrial do paracetamol, que é um fármaco empregado como analgésico e antitérmico. a) Qual é o reagente de partida que, após passar por redução e em seguida por acetilação, resulta no paracetamol? Escreva a fórmula estrutural desse reagente. O fenol (C6H5OH) também pode reagir com anidrido acético. Nessa transformação, forma se acetato de fenila. b) Na etapa de acetilação do processo industrial de produção do paracetamol, formam se, também, ácido acético e um subproduto diacetilado (mas monoacetilado no nitrogênio). Complete o esquema a seguir, de modo a representar a equação química balanceada de formação do subproduto citado. 2. (Fuvest 2015) A preparação de um biodiesel, em uma aula experimental, foi feita utilizando se etanol, KOH e óleo de soja, que é constituído principalmente por triglicerídeos. A reação que ocorre nessa preparação de biodiesel é chamada transesterificação, em que um 1

2 éster reage com um álcool, obtendo se um outro éster. Na reação feita nessa aula, o KOH foi utilizado como catalisador. O procedimento foi o seguinte: 1ª etapa: Adicionou se 1,5 g de KOH a 35 ml de etanol, agitando se continuamente a mistura. 2ª etapa: Em um erlenmeyer, foram colocados 100 ml de óleo de soja, aquecendo se em banho maria, a uma temperatura de 45 C. Adicionou se a esse óleo de soja a solução de catalisador, agitando se por mais 20 minutos. 3ª etapa: Transferiu se a mistura formada para um funil de separação, e esperou se a separação das fases, conforme representado na figura abaixo. a) Toda a quantidade de KOH, empregada no procedimento descrito, se dissolveu no volume de etanol empregado na primeira etapa? Explique, mostrando os cálculos. b) Considere que a fórmula estrutural do triglicerídeo contido no óleo de soja é a mostrada a seguir. Escreva a fórmula estrutural do biodiesel formado. c) Se, na primeira etapa desse procedimento, a solução de KOH em etanol fosse substituída por um excesso de solução de KOH em água, que produtos se formariam? Responda, completando o esquema a seguir com as fórmulas estruturais dos dois compostos que se formariam e balanceando a equação química. 2

3 Dado: solubilidade do KOH em etanol a 25 C 40 g em 100 ml 3. (Fuvest 2015) O glicerol pode ser polimerizado em uma reação de condensação catalisada por ácido sulfúrico, com eliminação de moléculas de água, conforme se representa a seguir: a) Considerando a estrutura do monômero, pode se prever que o polímero deverá ser formado por cadeias ramificadas. Desenhe a fórmula estrutural de um segmento do polímero, mostrando quatro moléculas do monômero ligadas e formando uma cadeia ramificada. Para investigar a influência da concentração do catalisador sobre o grau de polimerização do glicerol (isto é, a porcentagem de moléculas de glicerol que reagiram), foram efetuados dois ensaios: 25 g de glicerol agitação e aquecimento Ensaio 1: polímero 1 0,5% (em mol) de H durante 4h 2SO4 25 g de glicerol agitação e aquecimento Ensaio 2 : polímero 2 3% (em mol) de H durante 4h 2SO4 Ao final desses ensaios, os polímeros 1 e 2 foram analisados separadamente. Amostras de cada um deles foram misturadas com diferentes solventes, observando se em que extensão ocorria a dissolução parcial de cada amostra. A tabela a seguir mostra os resultados dessas análises: Amostra Solubilidade (% em massa) Hexano (solvente apolar) polímero polímero Etanol (solvente polar) b) Qual dos polímeros formados deve apresentar menor grau de polimerização? Explique sua resposta, fazendo referência à solubilidade das amostras em etanol. 4. (Fuvest 2014) Ésteres podem reagir com álcoois ou com aminas, como exemplificado a seguir: 3

4 a) Escreva as fórmulas estruturais dos produtos da reação entre acetato de etila (CH3CO2CH2CH3) e metilamina (CH3NH2). Considere o seguinte esquema de reação: O composto intermediário se transforma no produto final, por meio de uma reação intramolecular que resulta na formação de um novo ciclo na estrutura molecular do produto. b) Escreva, nos espaços indicados, as fórmulas estruturais dos compostos e. 5. (Fuvest 2013) Os chamados compostos de Grignard foram preparados, pela primeira vez, por Victor Grignard no final do século XIX. Esses compostos podem ser obtidos pela reação de um haleto de alquila ou haleto de arila com magnésio metálico, utilizando um éter como solvente, conforme representado pelas seguintes equações químicas: Os compostos de Grignard são muito úteis, por exemplo, para preparar alcoóis a partir de cetonas ou aldeídos, conforme representado abaixo: 4

5 Os compostos de Grignard também reagem com aminas, alcoóis e ácidos carboxílicos, conforme representado pelas seguintes equações químicas: RNH2 R'MgBr R'H RNHMgBr ROH R'MgBr R'H ROMgBr RCO2H R'MgBr R'H RCOOMgBr Assim sendo, para preparar um composto de Grignard, é preciso escolher corretamente o haleto orgânico, que não deve conter grupos funcionais que reajam com o composto de Grignard que se pretende preparar. a) Dentre os cinco compostos representados abaixo, apenas dois são adequados para reagir com magnésio e preparar compostos de Grignard. Indique esses dois compostos, justificando sua escolha. b) Escreva a fórmula estrutural do produto orgânico da reação representada abaixo. 6. (Fuvest 2010) Na dupla hélice do DNA, as duas cadeias de nucleotídeos são mantidas unidas por ligações de hidrogênio entre as bases nitrogenadas de cada cadeia. Duas dessas bases são a citosina (C) e a guanina (G). 5

6 a) Mostre a formula estrutural do par C-G, indicando claramente as ligações de hidrogênio que nele existem. No nosso organismo, a síntese das proteínas e comandada pelo RNA mensageiro, em cuja estrutura estão presentes as bases uracila (U), citosina (C), adenina (A) e guanina (G). A ordem em que aminoácidos se ligam para formar uma proteína e definida por tríades de bases, presentes no RNA mensageiro, cada uma correspondendo a um determinado aminoácido. Algumas dessas tríades, com os aminoácidos correspondentes, estão representadas na tabela da folha de respostas. Assim, por exemplo, a tríade GUU corresponde ao aminoácido valina. Letra da esquerda Letra do meio Letra da direita G U U b) Com base na tabela da folha de respostas e na estrutura dos aminoácidos aqui apresentados, mostre a fórmula estrutural do tripeptídeo, cuja sequência de aminoácidos foi definida pela ordem das tríades no RNA mensageiro, que era GCA, GGA, GGU. O primeiro aminoácido desse tripeptídeo mantém livre seu grupo amino. Letra da esquerda Letra do meio U C A G G Val Ala Asp Gly U G Val Ala Asp Gly C G Val Ala Glu Gly A G val Ala Glu Gly G Letra da direita 7. (Fuvest 2010) Pesquisadores da Universidade de São Paulo mostraram que as bromélias, que vivem no alto de árvores e acumulam água entre suas folhas, obtêm nitrogênio da ureia presente nessa água e que é proveniente da urina dos anfíbios que aí habitam. Nessas plantas, a ureia sofre uma reação catalisada pela enzima uréase, que origina amônia e gás carbônico. Em outra reação, catalisada pela enzima sintetase de glutamina, a amônia formada é utilizada na produção do aminoácido glutamina. 6

7 Revista Pesquisa FAPESP, 157, março de Adaptado. a) Escreva a equação química balanceada que representa a reação, citada no texto, em que são produzidos amônia e gás carbônico. b) Em que processos, associados ao crescimento das plantas, as bromélias podem utilizar o gás carbônico e a glutamina? 8. (Fuvest 2010) A hidroxicetona (I) pode ser oxidada à dicetona (II), pela ação de ácido nítrico concentrado, com formação do gás N2O4. Utilizando formulas moleculares, a) escreva a equação química balanceada que representa a semirreação de oxidação da hidroxicetona (I). b) escreva a equação química balanceada que representa a semirreação de redução do íon nitrato. c) com base nas semirreações dos itens a) e b), escreva a equação química global balanceada que representa a transformação de (I) em (II) e do íon nitrato em N2O4. 9. (Fuvest 2010) O endosperma do grão de milho armazena amido, um polímero natural. A hidrólise enzimática do amido produz glicose. a) Em que fase do desenvolvimento da planta, o amido do grão de milho é transformado em glicose? b) Cite o processo celular em que a glicose é utilizada. O amido de milho é utilizado na produção industrial do polímero biodegradável PLA, conforme esquematizado: O PLA é um poliéster, no qual moléculas de ácido láctico se uniram por sucessivas reações de esterificação. c) Escreva a equação química balanceada que representa a reação de esterificação entre duas moléculas de ácido láctico. 7

8 10. (Fuvest 2011) A espectrometria de massas é uma técnica muito utilizada para a identificação de compostos. Nesse tipo de análise, um feixe de elétrons de alta energia provoca a quebra de ligações químicas, gerando fragmentos das moléculas da amostra, os quais são registrados como linhas verticais em um gráfico, chamado espectro de massas. Nesse gráfico, em abscissas, são representadas as massas molares dos fragmentos formados e, em ordenadas, as abundâncias desses fragmentos. Quando alcoóis secundários são analisados por espectrometria de massas, resultam várias quebras de ligações, sendo a principal a que ocorre entre o átomo de carbono ligado ao grupo OH e o átomo de carbono vizinho. Para o 3-octanol, por exemplo, há duas possibilidades para essa quebra, como mostrado abaixo. Forma-se, em maior abundância, o fragmento no qual o grupo OH está ligado à cadeia carbônica mais curta. A reação de hidratação do cis-2-penteno produz dois alcoóis secundários que podem ser identificados por seus espectros de massas (A e B), os quais estão apresentados no espaço destinado à resposta desta questão. a) Escreva a equação química que representa a reação de hidratação do cis-2-penteno, mostrando os dois alcoóis secundários que se formam. b) Atribua, a cada espectro de massas, a fórmula estrutural do álcool correspondente. Indique, em cada caso, a ligação que foi rompida para gerar o fragmento mais abundante. H C O massa molar g mol (Fuvest 2011) A borracha natural apresenta propriedades que limitam o seu uso. Por exemplo, ao ser aquecida, torna-se mole e pegajosa. O processo de vulcanização da borracha, desenvolvido a partir de 1839 e exemplificado na figura abaixo, permitiu a produção de pneus, mangueiras e outros utensílios incorporados à vida cotidiana. A utilidade industrial da borracha estimulou sua exploração comercial a partir das seringueiras da Amazônia. A produção brasileira desse produto dominou o mercado mundial até 1913, quando foi superada pela produção proveniente do cultivo de seringueiras na Ásia. a) Por que a adição de enxofre, no processo de vulcanização, altera as características mecânicas da borracha natural? b) Supondo que 16 g de enxofre foram adicionados a 1000 g de borracha natural pelo processo de vulcanização, exemplificado no esquema acima, responda: Que porcentagem de 8

9 unidades de isopreno foi modificada por ligações cruzadas? (Massas molares: H = 1 g/mol, C = 12 g/mol e S = 32 g/mol) c) Cite e explique uma consequência social provocada pela exploração da borracha na Amazônia até (Fuvest 2011) Aldeídos aromáticos reagem com anidrido acético, produzindo ácidos com uma ligação dupla entre os dois átomos de carbono adjacentes ao grupo carboxila, como exemplificado: Fenóis também podem reagir com anidrido acético, como exemplificado: Um novo polímero, PAHF, foi preparado a partir da vanilina, por uma sequência de etapas. Na primeira delas, ocorrem duas transformações análogas às já apresentadas. Seguem as representações da vanilina e do PAHF. a) Escreva a equação química balanceada que representa a reação da vanilina com anidrido acético. O composto aromático obtido na reação descrita no item a pode ser transformado no polímero PAHF pela seguinte sequência de reações: hidrogenação, hidrólise e polimerização. b) Considerando a ligação entre duas unidades monoméricas no polímero, como se pode classificar o PAHF? Seria: poliamida, poliálcool, poliácido, poliéster ou polialdeído? Explique. 13. (Fuvest 2011) Os componentes principais dos óleos vegetais são os triglicerídeos, que possuem a seguinte fórmula genérica: 9

10 Nessa fórmula, os grupos R, R' e R" representam longas cadeias de carbono, com ou sem ligações duplas. A partir dos óleos vegetais, pode-se preparar sabão ou biodiesel, por hidrólise alcalina ou transesterificação, respectivamente. Para preparar sabão, tratam-se os triglicerídeos com hidróxido de sódio aquoso e, para preparar biodiesel, com metanol ou etanol. a) Escreva a equação química que representa a transformação de triglicerídeos em sabão. b) Escreva uma equação química que representa a transformação de triglicerídeos em biodiesel. 14. (Fuvest 2012) Peptídeos são formados por sequências de aminoácidos, como exemplificado para o peptídeo a seguir: Para identificar os dois primeiros aminoácidos desse peptídeo e também a sequência de tais aminoácidos, foram efetuadas duas reações químicas. Na primeira reação, formaram-se uma hidantoína e um novo peptídeo com um aminoácido a menos. Esse novo peptídeo foi submetido a uma segunda reação, análoga à anterior, gerando outra hidantoína e outro peptídeo: O mesmo tipo de reação foi utilizado para determinar a sequência de aminoácidos em um outro peptídeo de fórmula desconhecida, que é formado por apenas três aminoácidos. Para tanto, três reações foram realizadas, formando-se três hidantoínas, na ordem indicada na página de resposta. Preencha a tabela da página de resposta, escrevendo a) as fórmulas dos três aminoácidos que correspondem às três respectivas hidantoínas formadas; 10

11 b) a fórmula estrutural do peptídeo desconhecido formado pelos três aminoácidos do item a). 15. (Fuvest 2012) Dois tipos de reação, bastante utilizados na síntese e transformação de moléculas orgânicas, são: - Ozonólise: reação química em que cada carbono da ligação dupla de um composto orgânico forma uma ligação dupla com oxigênio, como exemplificado: - Condensação aldólica: reação química em que dois compostos carbonílicos se unem e perdem água, formando um novo composto carbonílico com uma ligação dupla adjacente ao grupo carbonila, como exemplificado: Em 1978, esses dois tipos de reação foram utilizados na síntese do hormônio progesterona, de acordo com a sequência ao lado, em que A e A identificam, respectivamente, partes das fórmulas estruturais dos produtos I e II, cujas representações, abaixo, não estão completas. Na página de resposta, complete as fórmulas estruturais a) do composto I; b) do composto II, em que A é um anel constituído por 6 átomos de carbono, e em que o anel B não possui grupo carbonila. 16. (Fuvest 2013) Uma vela foi colocada dentro de um recipiente cilíndrico e com raio igual a 10 cm, sem tampa, ao qual também foi adicionado hidrogenocarbonato de sódio sólido, NaHCO3. A vela foi acesa e adicionou-se ao recipiente, lentamente, solução aquosa de ácido acético, C2H4O2, de tal forma que o nível da solução atingiu somente a parte inferior da vela, ficando distante da chama. Após 3 segundos, observou-se que a chama apagou. 11

12 a) Apresente a fórmula estrutural do ácido acético. b) Escreva a equação química balanceada da reação entre o sólido e a solução aquosa de ácido acético. c) O experimento foi repetido com outra vela de mesma altura e com as mesmas quantidades de reagentes utilizadas anteriormente. Mudou-se apenas o recipiente, que foi substituído por outro, de mesma altura que o anterior, mas com raio igual a 20 cm. Dessa vez, após os mesmos 3 segundos, observou-se que a chama não apagou. Proponha uma explicação para esse fato, considerando a densidade das substâncias gasosas presentes. Dados: Massa molar (g/mol): C=12; N=14; O=16. 12

13 Gabarito: Resposta da questão 1: a) De acordo com as equações fornecidas no texto, tem-se redução e em seguida acetilação: b) Formação do subproduto: Resposta da questão 2: a) Dados: Solubilidade do KOH em etanol a 25 C 40 g em 100 ml. Adicionou-se 1,5 g de KOH a 35 ml de etanol, agitando-se continuamente a mistura. 100 ml (e tanol) 40 g (KOH) 35 ml (e tanol) mkoh mkoh 14 g (valor máximo que pode ser dissolvido) Foi colocado 1,5 g. 1,5 g 14 g Conclusão: toda a quantidade de KOH empregada no procedimento descrito, se dissolveu. b) Tem-se a seguinte reação de transesterificação: 13

14 c) Utilizando-se excesso de solução de KOH em água, vem: Resposta da questão 3: a) A formação do polímero ocorre a partir do glicerol, conforme indicado no texto. 14

15 Possível polímero de cadeia ramificada: b) Quanto maior for o grau de polimerização menor o número de hidroxilas restantes, já que estas são utilizadas na polimerização e menor será a solubilidade deste polímero em etanol. 15

16 Quanto menor for o grau de polimerização maior o número de hidroxilas restantes, já que estas são utilizadas na polimerização e maior será a solubilidade deste polímero em etanol (polar dissolve polar - pontes de hidrogênio entre as hidroxilas). Analisando a tabela, Solubilidade (% em massa) Amostra Hexano (solvente apolar) Etanol (solvente polar) polímero (mais solúvel) polímero > 3, conclui-se que o polímero 1 é o mais solúvel, ou seja, possui maior quantidade de hidroxilas não utilizadas no processo de polimerização, consequentemente é o polímero de menor grau de polimerização. Resposta da questão 4: a) Reação entre acetato de etila (CH3CO2CH2CH3) e metilamina (CH3NH2) e seus produtos: b) Fórmula de A e C: 16

17 Resposta da questão 5: a) De acordo com o enunciado, para formar composto de Grignard, o reagente tem que apresentar o bromo ligado diretamente a carbono saturado e não pode apresentar grupos funcionais que reajam com o composto formado, ou seja, carboxila, carbinol e amino. Neste caso os compostos I e IV se encaixam. b) Teremos: Observação teórica: 17

18 Resposta da questão 6: a) Teremos as seguintes ligações de hidrogênio (pontes de hidrogênio): b) Teremos: Letra da esquerda Letra do meio Letra da direita Aminoácido G C A Alanina G G A Glicina G G U Glicina Resposta da questão 7: a) A equação química balanceada que representa a reação, citada no texto, em que são produzidos amônia e gás carbônico é dada por: 18

19 b) As bromélias podem utilizar o gás carbônico e a glutamina nos seguintes processos: - Fotossíntese (gás carbônico). - Síntese de proteínas nos ribossomos (glutamina). Resposta da questão 8: a) Podemos verificar que o número de oxidação do carbono varia de zero para +2 na hidroxicetona. Consequentemente temos uma oxidação. b) Equação química balanceada que representa a semirreação de redução do íon nitrato: 2NO 4H 2e N O 2H O (Re dução) c) Equação química global balanceada da transformação citada: C14H12O2 C14H10O2 2H 2e (Oxidação) 2NO 2e 4H N O 2H O (Re dução) C H O 2NO 2H C H O N O 2H O Global Resposta da questão 9: a) O amido é transformado em glicose durante a germinação da semente. b) A glicose é utilizada no processo de respiração celular. c) Na reação de esterificação entre duas moléculas de ácido láctico, o grupo álcool de uma molécula interage com a carboxila de outra: Resposta da questão 10: a) A equação química, que representa a reação de hidratação do cis-2-penteno, pode ser representada por: 19

20 b) Para o 3- pentanol: Verificamos que o fragmento de massa molar 59 é mais abundante: A ligação rompida foi entre o carbono 2 e 3. Para o 2-pentanol Verificamos que o fragmento de massa molar 45 é mais abundante: A ligação rompida foi entre o carbono 2 e 3. 20

21 Resposta da questão 11: a) A adição do enxofre forma ligações tridimensionais cruzadas. Os átomos de enxofre funcionam como pontes de ligação entre uma cadeia carbônica e sua vizinha. Estas ligações aumentam a resistência mecânica, a elasticidade, e diminuem a sensibilidade ao calor e aos agentes naturais. b) De acordo com a figura fornecida no enunciado, podemos observar a adição de enxofre a quatro átomos de carbono: Para 2 monômeros temos 4 átomos de enxofre g 128 g m 16 g m = 17 g Para 16 g de enxofre adicionados a 1000 g de borracha natural, teremos: 1000 g 100 % 17 g p p = 1,7 % c) Dentre as diversas consequências do Ciclo da Borracha iniciado no século XIX e, como afirma o próprio enunciado da questão, enfraquecido em 1913, podemos citar um grande fluxo migratório do sertão nordestino para a região amazônica quando um grande número de retirantes da seca foi em busca de melhores condições de vida extraindo o ouro branco da floresta. Porém, boa parte dessas pessoas foi dizimada pelas insalubres condições da floresta, como pela malária por exemplo. Além das condições naturais os seringueiros foram submetidos a um regime de trabalho conhecido como aviamento, quando ele tinha sua viagem paga por atravessadores e suas primeiras despesas pelo dono do seringal. Tais encargos constituíam-se em dívidas impagáveis e acabavam por prender o trabalhador ao seringal, pois com seu trabalho deveria saldá-las, mas como isso não era possível nunca poderia parar de trabalhar. Resposta da questão 12: a) A equação química balanceada que representa a reação da vanilina com anidrido acético pode ser representada por: 21

22 b) O PAHF seria um poliéster: Reação de hidrogenação do composto formado: Reação de hidrólise: Reação de polimerização: Resposta da questão 13: a) Escreva a equação química que representa a transformação de triglicerídeos em sabão pode ser dada por: 22

23 b) Uma equação química que representa a transformação de triglicerídeos em biodiesel pode ser dada por: Resposta da questão 14: a) As moléculas das hidantoínas produzidas nas reações podem ser utilizadas na descoberta dos aminoácidos que as compõe. Por exemplo: A partir da tabela da página de resposta obtemos os aminoácidos. 23

24 b) A condensação dos três aminoácidos obtidos na tabela anterior, na ordem dada, gerando o peptídeo desconhecido pode ser representada Resposta da questão 15: a) De acordo com a reação de ozonólise descrita no texto, teremos: b) De acordo com a reação de condensação aldólica descrita no texto, teremos: 24

25 Resposta da questão 16: a) Fórmula estrutural do ácido acético: b) Teremos: c) Massa molares dos gases envolvidos: CO O N g/ mol (produzido) 32 g/mol (presentes no ar) 28 g/mol Nas mesmas condições de pressão e temperatura, a densidade de um gás pode ser dada por: M d V (molar) (molar) Como o volume molar é o mesmo, quanto maior a massa molar, mais denso será o gás e vice-versa. O gás carbônico formado é mais denso do que os outros gases presentes no sistema e se acumula na parte de baixo do recipiente. Quando o gás carbônico alcança o pavio da vela impede o contato do gás oxigênio com o pavio e a combustão cessa. Com o aumento do raio do recipiente, e supondo o mesmo volume de gás carbônico (em 3 segundos), o gás se acomodará na parte de baixo do recipiente e não atingirá o pavio e a vela continuará acessa. 25