Química-rgânica 53 1. ITRDUÇÃ À QUÍMIA 1.1 istórico É fato que a descoberta dos modos de obtenção do fogo pela humanidade foi uma das mais importantes descobertas para a sobrevivência humana na Terra. Além disso, pode-se considerar que este foi o primeiro contato do homem com as transformações químicas permitindo-lhe dominar as técnicas de como conservar melhor os alimentos, as partir do processo de fumagem. a história da civilização Egípcia, utilizavam-se o índigo (proveniente do anil) e a alizarina para tingir têxteis. Ainda hoje, é usado o índigo para tingir as calças de ganga, mas este corante é obtido por processos industriais. Fórmula de estrutura do corante índigo. A alizarina, corante vermelho derivado da raiz da Rubia tinctorum, é o nome genérico de uma variedade de corantes, tais como o Verde Alizarina ianina G e o Azul Brilhante Alizarina R. Fórmula de estrutura do corante Alizarina. Já os fenícios utilizavam um corante de cor púrpura, o qual era obtido a partir das glândulas branquiais do molusco Murex trunculus, para tingir tecidos. Todos estes corantes eram de origem orgânica, demonstrando que o homem possuía um domínio da Química rgânica desde o aparecimento da civilização. desenvolvimento da Química rgânica om o culminar da Química Tradicional do século XVIII, Torbern lof BERGMA (1735-1784), dividiu, em 1777, a Química em: QUÍMIA RGÂIA (Química dos compostos provenientes dos organismos vivos) QUÍMIA IRGÂIA (Química dos compostos existentes no reino mineral) Deste modo, surgiu a distinção entre matéria orgânica e inorgânica. o final do século XVIII e
54 Química-rgânica início do século XIX, os químicos começaram a se dedicar ao estudo das substâncias encontradas em organismos vivos. omo todas as substâncias orgânicas conhecidas eram extraídas de animais e de vegetais, os químicos supunham que elas não poderiam ser produzidas (sintetizadas) em laboratório. A teoria do Vitalismo foi uma teoria formulada por Jons Jacob Berzelius (1807), a qual descrevia que a matéria orgânica só podia ser produzida pelos seres vivos. A base dessa teoria era a dificuldade ou até mesmo a impossibilidade de se obter matéria orgânica a partir de substâncias inorgânicas. princípio do acerto... Em 1828, Friedrich Wholler foi o primeiro cientista a sintetizar um composto orgânico (ureia) a partir de um composto inorgânico (cianato de amônio). 4 aquecimento 2 cianato de amônio 2 uréia Saiba mais Wholler era discípulo de Berzellius. A seguir há um trecho da carta escrita por Wholler ao seu professor: A química orgânica na atualidade enlouquece qualquer pessoa, para mim é como um bosque tropical primitivo cheio de coisas surpreendentes. Uma selva interminável que inspira medo, em que uma pessoa não se atreve entrar, porque parece não ter saída. Disponível em: <http://manueldamata.blogs.sapo.pt>. Acesso em: 28 out. 2013. om o desenvolvimento da ciência, o químico alemão Friedrich August Kekulé propôs a nova definição aceita atualmente: Química orgânica é o ramo da química que estuda os compostos do carbono. Esta afirmação está correta, contudo, nem todos os compostos que contêm carbono são orgânicos, por exemplo, o dióxido de carbono, o ácido carbônico, a grafite, o diamante, etc. 1.2 s compostos orgânicos e inorgânicos s compostos orgânicos se diferenciam dos inorgânicos através de certas propriedades específicas tais como: constituição, solubilidade, temperatura de fusão e ebulição, combustibilidade e condutividade elétrica. Vejamos do que se trata cada uma delas. onstituição s compostos orgânicos são formados por uma pequena gama de constituintes composta por carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, fósforo e enxofre conhecido como PS. Já na contramão deste conceito temos os inorgânicos que são formados por todos os elementos conhecidos sem exclusão. Solubilidade Sabemos segundo a teoria de interações intermoleculares que, para uma substância ser solúvel em outra, ambas precisam apresentar a mesma polaridade. É assim que dita a regra: semelhante dissolve semelhante.
Química-rgânica 55 A maioria dos compostos orgânicos são apolares e se o solvente em questão for a água (polar), já se pode imaginar o resultado: compostos orgânicos não interagem muito bem com água. Temperatura de fusão e ebulição Pelo fato de podermos encontrar compostos orgânicos em três estados físicos na natureza já é uma prova que possuem temperatura de fusão menor do que compostos inorgânicos. Já as substancias inorgânicas como os minerais, por exemplo, só existem à temperatura ambiente no estado sólido. As interações intermoleculares presentes em compostos orgânicos são mais fracas quando comparadas as interações existentes nos compostos inorgânicos. Sendo assim as moléculas se afastam e podem existir no estado líquido ou gasoso. Já em compostos inorgânicos, as interações entre as moléculas são muito, portanto, é a forma que adquirem. ombustibilidade Quanto à capacidade de sofrer combustão, pode-se dizer que os compostos orgânicos são responsáveis por grande parte da energia que consumimos. Por exemplo, o que mantêm nossos fogões acesos são os gases propano e butano ambos orgânicos. Exercícios de sala 1 (UFES) om relação aos compostos orgânicos e inorgânicos, é incorreto afi rmar: a) s compostos orgânicos geralmente apresentam ponto de ebulição maior que os compostos inorgânicos. b) s compostos orgânicos geralmente apresentam ponto de fusão menor que os compostos inorgânicos. c) s compostos inorgânicos são geralmente mais solúveis em água que os compostos orgânicos. d) s organismos vivos são constituídos por grande quantidade de compostos orgânicos. e) em todo composto que apresenta carbono em sua estrutura é composto orgânico. 2 (FUVEST-SP) ite dois procedimentos experimentais para distinguir uma amostra de composto inorgânico de uma amostra de composto orgânico, ambas sólidas. Explique sua resposta. 3 (VEST) Em relação às moléculas orgânicas, é correto afi rmar: a) uma molécula orgânica não pode ter diferentes grupos funcionais. b) algumas moléculas orgânicas não contêm átomos de carbono. c) moléculas orgânicas são produzidas somente por organismos vivos. d) todas as moléculas, contendo o elemento carbono, são orgânicas. e) moléculas orgânicas apresentam um esqueleto de carbono e podem apresentar grupos funcionais a ele ligados. 1.3 carbono É o elemento químico fundamental, obrigatório na constituição de todos compostos orgânicos, sem exceção. químico alemão Friedrich Kekulé (1829-896) desenvolveu diversas investigações na área da química orgânica; inclusive em 1858, propôs a Teoria da Tetravalência do arbono. A partir dessa teoria, ele constatou que as principais características do átomo de carbono são: Seu número atômico é 6 e a sua configuração eletrônica é: K = 2 e L = 4;. omo possui quatro elétrons na última camada, estes podem formar quatro ligações covalentes.
56 Química-rgânica Você se lembra... Uma ligação covalente consiste na partilha de um par de elétrons por dois átomos. Deste modo, cada elétron de valência poderá estabelecer uma ligação química com outro átomo. Assim, o átomo de carbono poderá estabelecer quatro ligações químicas de forma a obedecer à regra do octeto. átomo de carbono, por apresentar quatro elétrons na camada de valência, tem a capacidade de estabelecer quatro ligações covalentes, que podem ser simples, duplas ou triplas. 3 3 3 3 3 Dupla ligação Ligações Simples 3 Ligação tripla átomo de carbono tem a capacidade de se ligar a outros átomos, formando cadeias curtas (por exemplo, o etano) ou longas (por exemplo, os polímeros) com as mais variadas disposições. Exemplos: 2 3 3 22 21 20 12 3 18 17 11 13 1 3 16 19 9 14 10 8 15 5 7 23 3 24 4 6 Esteróides arboidratos Saiba mais Surge um novo conceito de isômero dois compostos diferentes possuem a mesma fórmula molecular, mas diferente fórmula estrutural. Exemplo, o álcool etílico (etanol) e o éter dimetílico (etoxietano) são substâncias com propriedades químicas diferentes, mas a sua fórmula molecular é a mesma ( 2 6 ). 3 etanol 3 3 etóxi-etano Resumindo: que torna o átomo de carbono especial é que: a) na maioria dos compostos orgânicos, encontra-se ligado a átomos de hidrogênio, oxigênio, azoto, enxofre e outros, embora o carbono se possa ligar praticamente a todos os elementos, metálicos ou não metálicos. Deste modo, pode-se originar uma grande variedade de compostos orgânicos. b) pode estabelecer ligações fortes a outros átomos de carbono e, assim, criar cadeias longas e ramificadas ou em anéis.
Química-rgânica 57 utro ponto importante: a hibridação do carbono s átomos de carbono têm uma grande capacidade de se ligar a outros átomos (de carbono ou de outros elementos). Além disso, o carbono é capaz de fazer múltiplas ligações, cujo átomo mais abundante na natureza é o isótopo -12. Ele possui 6 prótons, 6 nêutrons e 6 elétrons. Sua configuração eletrônica, em seu estado fundamental, está representada a seguir. 1s 2 2s 2 2p 2 2p 2s 1s Assim o carbono deveria ser divalente. Mas isso não se confirma na prática, já que é tetravalente. Isso ocorre graças à hibridação, processo em que um elétron do orbital 2 s passa para o orbital vazio p devido ao fato de receber energia. 1s 2 2s 1 2p 3 2p 2s estado excitado 1s Após a promoção do elétron, dá-se a fusão dos orbitais, que ocorre de três maneiras diferentes. 1 orbital s funde-se com 1p 1 orbital s funde-se com 2p 180º 180º 2p 2sp linear 2p 2sp 2 trigonal 120º plana 2s 2s 1s 1s 1 orbital s funde-se com todos os 3p 2p 2sp 3 109º28 tetraédrico 2s 1s bservação: 109º28 é aproximadamente 109,5º
58 Química-rgânica Exercícios de sala 4 Que tipo de hibridização você esperaria para cada átomo de carbono das seguintes moléculas: a) propano 3 2 3 b) 2-metilpropano 3 3 3 c) 1-buten-3-ino 2 d) Ácido acético 3 5 Por que as moléculas descritas a seguir não podem existir? a) 5 b) 2 6 c) 3 5 Br 2 6 Formaldeído, 2, contém uma dupla ligação carbono-oxigênio. Desenhe as estruturas de Lewis e a fórmula estrutural de traços para o formaldeído indicando a hibridização do átomo de carbono. 7 Desenhe a fórmula estrutural do propeno ( 3 2 ), indicando a hibridização de cada carbono e o valor de cada ângulo de ligação. 8 (UFBA) a estrutura α γ 2 2 β, o valor real dos ângulos são: a) 180 o, 90 o e 90 o. b) 180 o, 120 o e 90 o. c) 120 o, 90 o e 109,5 o. d) 180 o, 120 o 109,5 o. e) 90 o, 120 o e 90 o.
Química-rgânica 59 9 (FAAP-SP) Dada a estrutura do hidrocarboneto: 1 2 3 4 5 indique os átomos de carbono que apresentam hibridização sp 2 e os que apresentam hibridização sp 3. 10 A cafeína, estrutura a seguir, é um estimulante encontrado no café. 7 6 5 4 8 1 3 2 afeína Em relação aos carbonos, assinale a alternativa que apresenta as hibridações corretas. 1 2 3 4 5 6 7 8 a) sp 3 sp 3 sp 3 sp 3 sp 2 sp 2 sp sp b) sp 3 sp 2 sp 2 sp 2 sp 2 sp 2 sp 3 sp 3 c) sp 2 sp 3 sp sp sp 3 sp 3 sp sp 3 d) sp 3 sp 3 sp sp sp sp 3 sp 3 sp 3 e) sp 3 sp 3 sp 2 sp 3 sp 3 sp 3 sp 3 sp 3 11 (IFPI) A heroína ou diacetilmorfi na é uma droga opioide, natural ou sintética, produzida e derivada do ópio, extraído da cápsula (fruto) de algumas espécies de papoula. consumo de heroína pode causar dependência física, envelhecimento acelerado e danos cerebrais irreversíveis, além de outros problemas de saúde. om relação à estrutura química da heroína, assinale a alternativa que apresenta a sua fórmula molecular. a) 21 23 5 b) 20 20 5 c) 18 20 5 d) 16 18 5 e) 16 18 5
60 Química-rgânica úmero de oxidação (X) para o carbono Quando dois átomos de diferentes eletronegatividades se ligam por covalência, a nuvem eletrônica fica mais próxima do átomo de maior eletronegatividade. Portanto, nas substâncias moleculares, não existem de fato cargas reais positivas e negativas. É por comodidade didática que atribuímos carga elétrica aos átomos de uma molécula. número que mede essa carga aparente, presente nas substâncias moleculares que possuem ligações polares, bem como a carga do íon, chama-se número ou estado de oxidação. Para o carbono o valor do X terá valor máximo e mínimo de +4 a 4. bserve os exemplos que se seguem: F F F F + 4 F F F + 2 F F 0-4 Exercícios de sala 12 Determine o número de oxidação dos carbonos marcados (*) a) 3 2 b) 2 3 c) 3 l 3 d)
Química-rgânica 61 lassificação dos carbonos carbono pode ser classificado de acordo com a posição que ocupa na cadeia carbônica. Sua classificação compreende de primário a quaternário. bserve o esquema a seguir. P P P P P T T S P Em que: P = primário (ligado diretamente a um carbono). S = secundário (ligado a dois carbonos). T = terciário (ligado a três carbonos). Q = quaternário (ligado a quatro carbonos). = nulário (ligado a outros átomos que não são carbonos). S Q P P Exercícios de sala 13 (UERJ) A testosterona, um dos principais hormônios sexuais masculinos, possui fórmula estrutural plana: 3 3 Determine: a) o número de átomos de carbono, classifi cados como terciários, de sua molécula; b) sua fórmula molecular. 14 (FGV-SP) composto de fórmula: 3 3 3 3 3 3 3 apresenta quantos carbonos primários, secundários, terciários e quaternários, respectivamente? a) 5, 5, 2 e 1. b) 5, 4, 3 e 1. c) 7, 4, 1 e 1. d) 6, 4, 1 e 2. e) 7, 3, 1 e 2.
62 Química-rgânica 1.4 adeias carbônicas carbono possui a propriedade de formar diferentes tipos de cadeias, as quais podem ser representadas por três tipos de fórmulas. 1) Fórmula molecular: representa o número de átomos presentes na estrutura. Exemplo: 2 6 5 10 2) Fórmula estrutural: representa a estrutura da molécula. ou 3 3 ou 2 2 2 2 2 3) Fórmula resumida: representa os átomos de carbonos por vértices e/ou pontas. Exercícios de sala 15 (UFSAR) ipro (ciprofl oxacino) é um antibiótico administrado por via oral ou intravenosa, usado contra infecções urinárias e, recentemente, seu uso tem sido recomendado no tratamento do antraz, infecção causada pelo micro-organismo Bacillus anthracis. A fórmula estrutural deste antibiótico é mostrada na fi gura a seguir. F Qual a fórmula molecular deste antibiótico?
Química-rgânica 63 16 (UFF) Analise a estrutura seguinte e escreva sua fórmula molecular. 17 (PU-RI) A fórmula molecular de um hidrocarboneto com cadeia carbônica é: 3 a) 9 8. b) 9 7. c) 9 10. d) 9 12. e) 9 14. adeia arbônica pode ser definida como o conjunto de todos os átomos de carbono, como também de heteroátomos que constituem a molécula de qualquer composto orgânico. Elas podem ser classificadas de acordo com a presença ou ausência de uma determinada característica. São elas: adeia aberta: são aquelas cadeias carbônicas que possuem duas ou mais extremidades livres, ou seja, não possuem nenhum ciclo. encadeamento dos átomos não sofre nenhum fechamento. Exemplo: 3 3 3 3 2 3 3 2 adeia fechada: não há nenhuma extremidade, isto é, forma-se um ciclo, núcleo ou anel, pois há o encadeamento dos átomos de carbono. 3 3 3
64 Química-rgânica adeia Mista: é aquela cadeia que possui pelo menos uma parte em que os átomos não estão encadeados (ou seja, fechados), e a outra parte é fechada. 3 3 3 P P adeia homogênea: é aquela cadeia carbônica que não possui nenhum heteroátomo, ou seja, átomos entre carbonos. Atenção: é só entre carbonos. Se for fora da cadeia, continuará sendo homogênea. Exemplo: 3 3 3 adeia heterogênea: possui algum heteroátomo em sua cadeia. Exemplo: adeia Saturada: quando apresenta somente ligações simples entre os átomos de carbono. u seja, possui somente ligações do tipo sigma (σ) entre os carbonos. 3 3 Dizemos que o carbono presente nesta cadeia é saturado, pois apresenta quatro ligações simples. adeia Insaturada: quando apresenta pelo menos uma ligação dupla (=) ou então uma tripla ( ). u seja, possui pelo menos uma ligação pi (π) entre os carbonos. 3 2 A ligação tripla na extremidade direita da cadeia a caracteriza como insaturada. oxigênio inserido entre os dois átomos de carbono é classificado como heteroátomo adeia normal: cadeia possui apenas duas extremidades. Só existem carbonos primários e secundários para o caso de cadeias abertas e homogêneas quando heterogêneas podem aparecer carbonos primários. Para cadeias fechadas temos carbonos secundários e para quando estas são heterogêneas também podem aparecer carbono primário.
Química-rgânica 65 3 3 adeia ramificada: aquela cadeia que possui mais de duas extremidades e tem pelo menos um carbono terciário ou quaternário. o caso de cadeias ramificadas o que ocorre é que com a presença do heteroátomo podemos encontrar nesta cadeia átomos de carbono primários ou até nulários. 3 3 adeias aromáticas: Possuem uma cadeia carbônica especial chamada de Anel Benzênico ou úcleo Benzênico, ou seja, formada por seis átomos de carbono e seis átomos de hidrogênio em uma disposição especial de ligações simples e duplas que se alternam: 3 Uma cadeia carbônica aromática pode ser mononuclear ou polinuclear: quando existir mais de um anel aromático na molécula, ela é classificada como polinuclear, sendo que as cadeias com apenas um anel benzênico são mononucleares. Mononuclear Polinuclear Uma cadeia aromática polinuclear pode ser condensada ou isolada: quando existe ao menos um átomo de carbono comum a mais de um anel aromático, a cadeia é classificada como condensada, enquanto as demais são chamadas de isoladas. Esquema geral para classificação das cadeias carbônicas Abertas, Acíclicas ou Alifáticas ormais Ramificadas Saturada Insaturada omogênea eterogênea Saturada Insaturada omogênea eterogênea
66 Química-rgânica Fechadas ou íclicas Alicíclicas ormais Ramificadas Saturada Insaturada omogênea eterogênea Saturada Insaturada omogênea eterogênea Aromáticas Mononucleares Polinucleares Isoladas ondensadas Exercícios de sala 18 (UFPB) ácido adípico de fórmula: 2 2 2 2, empregado na fabricação do náilon apresenta cadeia carbônica: a) saturada, aberta, homogênea e normal. b) saturada, aberta, heterogênea e normal. c) insaturada, aberta, homogênea e normal. d) insaturada, fechada, homogênea e aromática. e) insaturada, fechada, homogênea e alicíclica. 19 (ovest) onsidere estas cadeias carbônicas: 2 (I) 2 2 S 2 Gás mostarda, usado l em guerras químicas l 3 2 2 2 2 3 omposto responsável pelo sabor de banana (II) (III) 3 3 2 3 omposto responsável pela essência de morango 3 2 2 3 (IV) Éter sulfúrico, usado como anestésico 2 2 S omposto responsável pelo odor e sabor do alho (V)
Química-rgânica 67 Analise estas afi rmações: 0-0) composto (I) apresenta cadeia alifática, normal, homogênea e saturada. 1-1) Em (II), temos uma cadeia alifática, normal, heterogênea e saturada. 2-2) A cadeia do composto (III) é aberta, ramifi cada, heterogênea e insaturada. 3-3) composto (IV) possui cadeia alifática, normal, heterogênea e saturada. 4-4) A classifi cação da cadeia do composto (V) é aberta, normal, homogênea e insaturada. 20 (PU-PR) om respeito à estrutura: 1 2 3 4 5 Assinale a alternativa correta. a) A hibridação dos carbonos 1, 3 e 5 assinalados na estrutura são, respectivamente, sp 2, sp 3, sp. b) A cadeia pode ser classifi cada como acíclica, insaturada, ramifi cada e heterogênea. c) á apenas uma ligação sigma. d) Existem cinco (5) ligações pi. e) s átomos de carbono 2, 3 e 4 são, respectivamente, secundário, quaternário e terciário. 21 (UFPR) A vida na Terra se organizou em torno de alguns poucos elementos, dos quais os mais encontrados na estrutura dos seres vivos são: hidrogênio, oxigênio, carbono e nitrogênio. Além da disponibilidade desses elementos (estão entre os mais abundantes na crosta terrestre e na água do mar), outros fatores devem ter contribuído para a utilização desses elementos pelos seres vivos. o que se refere ao carbono, por exemplo, a capacidade de seus átomos de se ligarem entre si, formando cadeias, que podem incluir também átomos de outros elementos, deve ter desempenhado um papel essencial. Dessa capacidade, resulta a formação de um grande número de compostos e estruturas diversas, com suas diferentes propriedades. a fi gura a seguir, estão exemplos dessas cadeias. Sobre essas cadeias, é correto afi rmar: A B D E 01) (A) é uma cadeia aberta, insaturada e ramifi cada. 02) (B) é uma cadeia aromática. 04) () é uma cadeia heterocíclica. 08) (D) é uma cadeia acíclica heterogênea. 16) (E) é uma cadeia aberta ramifi cada, na qual a principal tem 7 carbonos.
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