INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLÓGIA DO PARÁ - IFPA

FUNÇÕES ORGÂNICAS I

Função Orgânica : Grupo de substâncias com propriedades químicas semelhantes, denominadas propriedades funcionais. Grupo Funcional : Átomos ou grupos de átomos que determinam as propriedades químicas das substâncias. As funções orgânicas podem ser classificadas em: Simplificação de fórmulas estruturais Quando representamos todas as ligações entre os átomos nos compostos orgânicos, as fórmulas estruturais podem ficar grandes. Para facilitar a escrita dessas fórmulas mais complexas utilizarmos representações abreviadas. Pode-se deixar de representar algumas ligações dispondo os átomos lateralmente. Também podemos representar as substâncias através da forma em ziguezague, onde cada vértice indica um átomo de carbono, os átomos de hidrogênio ficam implícitos e os átomos diferentes de carbono e hidrogênio deverão ser representados porém serão ligados à cadeia carbônica por linhas menores. As ligações duplas e triplas serão representadas normalmente.

C C C C C

H

H

H

H

H H

H O H

C

H

O H

H

H CH3 CH2 C CH2 CH2

O

CH2

OH

CCH2 OCH2CH3 CH2CH2OH

OH

O

1. Função Simples : Quando o composto apresenta um só grupo funcional na molécula. Ex.: H3C—CH2—OH etanol (álcool etílico) 2. Função Múltipla : Quando o composto apresenta dois ou mais grupos funcionais iguais na molécula. Ex.: H2C—CH—CH2 propan-1,2,3-triol (glicerina) │ │ │ OH OH OH 3. Função Mista : Quando o composto apresenta dois ou mais grupos funcionais diferentes. Ex.: H3C—CH—COOH 2-hidróxi-propanóico (ácido láctico) │ OH Obs.: Nas funções mistas a ordem de preferência da função principal é: ácido carboxílico > amida > aldeído > cetona > álcool > amina > éter > haleto orgânico.

Nomenclatura Oficial dos Compostos Orgânicos

A nomenclatura oficial de compostos orgânicos segue as regras elaboradas pela IUPAC (União Internacional de Química Pura e Aplicada). O nome é formado unindo-se três fragmentos:

Prefixo + Intermediário + Sufixo O prefixo indica o número de átomos de carbono presentes na molécula. Número de Carbonos 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Prefixo met et prop but pent hex hept oct non dec

Número

de Carbonos

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Prefixo eicos triacont tetracont pentacont hexacont heptacont octacont nonacont hect O intermediário indica o tipo de ligação entre os átomos de carbono. Ligações entre carbonos

só ligações simples

uma dupla ligação

duas ligações duplas

uma ligação tripla

duas ligações triplas

Intermediário an en dien in diin O sufixo indica a função orgânica do composto. Função orgânica

Hidrocarboneto Álcool Aldeído Cetona Àcido carboxílico

Amina

Sufixo o ol al ona óico amina 1. Hidrocarbonetos

� São compostos orgânicos formados apenas por átomos de carbono e hidrogênio.(CxHy)

� Compostos mais simples da química orgânica. � São substâncias apolares, cujas moléculas se mantêm unidas por forças de

Van der Waals (ligações fracas). � Apresentam baixos pontos de fusão e ebulição � Fase de agregação em condições ambientais: de 1 a 4 carbonos são

gasosos, de 5 a 17 carbonos são líquidos e acima de 17 carbonos são sólidos.

� São insolúveis em água e solúveis nos solventes orgânicos. � São os principais constituintes do petróleo.

Frações do petróleo

Temperatura de ebulição (ºC)

Número de átomos de carbono

Gás abaixo de 20 1 a 4

Éter de petróleo 20 - 60 5 a 6

Ligroína (nafta leve)

60 - 100 6 a 7

Gasolina natural 40 - 205 5 a 10 e cicloalcanos

Petróleo de iluminação

175 - 325 12 a 18 e aromáticos

Gasóleo acima de 275 12 ou mais

Óleo de lubrificação

líquidos não voláteis

cadeias longas ligadas a ciclos

Asfalto ou coque do petróleo

sólidos não voláteis

estruturas policíclicas

Tabela 1 : Frações do petróleo � Utilizados como combustíveis, na produção de plásticos, isopor, borrachas

sintéticas, tintas, detergentes, fertilizantes, explosivos, medicamentos e etc. � subdividem-se em classes.

1.1. Alcanos :

� São hidrocarbonetos de cadeia aberta que apresentam apenas ligações simples entre carbonos.

� Possuem fórmula geral CnH2n+2 � Os alcanos voláteis são narcóticos por inalação, os termos superiores, não

voláteis, são fisiologicamente inertes. � A medida que aumenta a massa molecular aumenta os pontos de ebulição

dos alcanos, Ex.: CH4 P.E. -162°C e C 10H22 P.E. 174°C. O aumento das ramificações da estrutura molecular diminui o ponto de ebulição.

� O alcano mais simples e um dos mais importantes é o metano , conhecido também como gás do lixo, gás dos pântanos ou gás grisu (pois pode ser encontrado em minas de carvão, onde forma com o ar uma mistura explosiva). O gás metano é um produto residual de bactérias anaeróbicas que produzem essa substância tanto em pântanos e solos alagados como em ambientes formados pelo ser humano, tais como plantações de arroz e aterros sanitários. Em alguns locais, o metano é utilizado como combustível e, nesse caso é produzido em biodigestores. O metano também pode ser obtido como um derivado do petróleo.

� São também chamados de parafinas, porque são pouco reativos. Para fazer reagir um alcano é preciso fornecer grande quantidade de energia, pois sua estrutura é muito estável e muito difícil de ser quebrada. Só uma partícula extremamente reativa consegue atacar a molécula do alcano. As reações geralmente se dão pela substituição de hidrogênios do alcano, rompendo homoliticamente a ligação. Forma-se então um radical livre, que continua a sequência da reação. A molécula do alcano, todavia, possui diversos átomos de hidrogênio, e o produto, que efetivamente se forma, depende de qual desses hidrogênios é removido.

Radicais derivados dos alcanos Os radicais monovalentes derivados dos alcanos pela saída de 1 H são denominados radicais ALQUIL(A) ou ALCOIL(A ), representados por R e apresentam terminação IL(A).

Nomenclatura IUPAC dos alcanos - Sufixo O Substâncias de cadeias normais 1) CH3—CH2—CH2—CH3 : butano 2) CH3—CH2—CH2— CH2—CH3 : pentano 3) CH3—(CH2)6—CH3 : octano 4) CH3—(CH2)8—CH3: decano Substâncias de cadeias ramificadas 1. Escolher a cadeia principal (com maior número de átomos de carbono e a mais ramificada); 2. Numerar a cadeia, quando necessário, de modo que as ramificações (radicais) recebam os menores números possíveis;

Exs.: CH4 → -CH3 ou •CH3 + -H ou •H metano radical metil (a) CH3—CH3 → -CH2—CH3 + -H etano radical etil (a) │ CH3—CH2—CH3 → -CH2—CH2—CH3 ou CH3—CH—CH3 + -H propano n-propil sec-propil ou isopropil

Prefixo iso - apresentam a terminação CH3—CH— Ex.: CH3—CH—CH2— isobutil │ │ CH3 CH3 Prefixo neo - apresentam a terminação CH3 CH3 │ │ CH3—C— Ex: CH3—C—CH2— neopentil │ │ CH3 CH3

3. Elaborar o nome do composto, citando as ramificações em ordem alfabética, precedidas de seus números de colocação na cadeia principal e finalizar com o nome correspondente a cadeia principal. Ex.:

CH3 CH2 CH CH3

CH3

metilbutano1) CH3 CH CH CH3

CH3CH3

1 2 3 4

12342, 3 - dimetilbutano2)

CH3 CH2 CH CH3

CH2

CH3

1 2 3

4

5

3 - metilpentano3) CH3 CH2 CH CHCH2

CH3

CH2 CH3

CH3

1 2 3 4 5 63-etil-4-metil-hexano4)

As conformações

As ligações C-C nos alcanos apresentam livre rotação possibilitando diferentes disposições espaciais para os átomos. Observe a estrutura do etano.

Essas conformações poderão apresentar os átomos dispostos em oposição (alternada) ou em coincidência (eclipsada), no entanto, entre essas duas posições existe uma infinidade de outras posições possíveis. Abaixo são representadas as projeções de Newman para o etano.

Certas propriedades físicas indicam que a conformação eclipsada, no caso do etano, aumenta a energia do sistema em 3 kcal/mol, devido as repulsões que surgem entre os pares de elétrons que mantêm os hidrogênios em coincidência desestabilizando o sistema. A maioria das moléculas do etano, portanto, deve existir na conformação alternada, que é mais estável. Contudo, a barreira de 3 kcal não se pode considerar alta, mesmo à temperatura ambiente, é bastante elevada a fração de choques entre as moléculas que se dão com energia suficiente para promover a passagem de uma conformação à outra.

1.2. Alcenos:

� São hidrocarbonetos de cadeia aberta com uma ligação dupla (=) entre carbonos.

� Possuem fórmula geral CnH2n.

� Devido a presença da ligação π (pi) entre carbonos (ligação fraca), os alcenos são mais reativos que os alcanos.

� São chamados de olefinas ("gerador de óleos”), devido ao aspecto oleoso dos alcenos com mais de 5 carbonos.

� Industrialmente, os alcenos são obtidos a partir do craqueamento de alcanos

encontrados no petróleo. Ex.: 1C12H26(ℓ) 800 - 900°C→ 1C8H18(ℓ) + 2C2H4(g)

dodecano octano eteno � O alceno mais simples e importante é o eteno ou etileno ( H2C=CH2). Trata-

se de um gás incolor, encontrado principalmente em poços petrolíferos, de sabor adocicado é utilizado como combustível, no amadurecimento artificial de frutos e na fabricação de plásticos como o polietileno.

Nomenclatura IUPAC dos alcenos � A nomenclatura dos alcenos é semelhante à dos alcanos, bastando trocar a

terminação ANO por ENO. � A cadeia principal é a mais longa que contém a dupla ligação. � É necessário indicar a posição da insaturação quando houver mais de uma

possibilidade para essa posição. Para isso, faz-se a numeração dos carbonos da cadeia. A numeração deve iniciar pela extremidade mais próxima da dupla ligação.

Obs.: Em 1993, a IUPAC recomendou a indicação da posição da insaturação no meio do nome da cadeia principal, separada por hífens, e não mais precedendo-o, porém algumas publicações ainda utilizam a nomenclatura anterior.

Exs.: 1) CH3—CH2—CH=CH2 but-1-eno 2) CH3—CH=CH—CH3 but-2-eno 3) CH2=CH—CH—CH3 3-metilbut-1-eno │ CH3 4) CH3—CH—CH=C—CH2—CH3 2-etil-4-metil-hex-3-eno │ │ CH2 CH3 │ CH3 Nomenclatura usual � Substitui-se o sufixo ENO por ILENO.

Exs.: 1) CH2=CH2 etileno 2) CH2=CH—CH3 propileno Obs.: Compostos que apresentam duas ligações duplas entre carbonos são denominados alcadienos.

Exs.:1) CH2=C=CH2 propadieno (alcadieno acumulado)

2) CH2=CH—CH2—CH=CH2 pent-1,4-dieno (alcadieno isolado) 1.3 . Alcinos : � São hidrocarbonetos de cadeia aberta onde ocorre uma ligação tripla (≡)

entre carbonos. � Possuem fórmula geral CnH2n-2. � Devido a presença de duas ligações π (pi) em um mesmo carbono, os

alcinos são compostos mais reativos que os alcenos. � São classificados em alcinos verdadeiros ou falsos . Os verdadeiros

apresentam pelo menos um dos carbonos insaturados ligado a um átomo de hidrogênio. Os falsos não apresentam hidrogênio ligado a carbono da insaturação.

Exs.: HC≡C—CH3 (alcino verdadeiro) H3C—C≡C—CH3 (alcino falso) � O alcino mais importante é o etino , conhecido também por acetileno

(HC≡CH).Não é encontrado na natureza. Pode ser obtido pela hidrólise do carbureto de cálcio. Ca2+[C≡C]2- + H2O → Ca(OH)2 + HC≡CH

� Dentre as aplicações o etino é usado como gás de maçarico oxiacetilênico, cuja chama azul, atinge temperatura de 3000°C, pode ndo cortar chapas de aço. O acetileno também é utilizado para produção de acetona, ácido acético, borracha sintética, isopor, plásticos, acrílico e etc...

Nomenclatura IUPAC dos alcinos � A nomenclatura é semelhante à dos alcanos, bastando trocar a terminação

ANO por INO. Para os alcinos mais complexos, a nomenclatura oficial é feita de modo semelhante à dos alcenos.

Exs.: 1) HC≡CH etino 2) HC≡C—CH3 propino 3) H3C—C≡C—CH3 but-2-ino 4)H3C—C≡C—CH—CH2—CH3 4-metil-hex-2-ino

│ CH3

2. HIDROCARBONETOS FECHADOS (CÍCLICOS) 2.1.Cicloalcanos ou ciclanos � São hidrocarbonetos cíclicos contendo apenas ligações simples. � Apresentam fórmula geral CnH2n ( igual aos alcenos). � Estão presentes em certos tipos de petróleo. � Ciclos com 3 e 4 carbonos são classificados como anéis pequenos; 5-7

carbonos, anéis comuns; 8-11 carbonos, anéis médios e a partir de 12 carbonos são anéis grandes.

� Os anéis comuns e grandes são semelhantes aos alcanos acíclicos na maioria de suas propriedades físicas e químicas, enquanto que os anéis pequenos e médios apresentam propriedades diferentes.

� A nomenclatura é semelhante a dos alcanos: usamos a terminação ANO e antepomos ao nome o termo CICLO.

ciclopropano ciclobutano ciclopentano Geometria dos cicloalcanos

Nos anéis pequenos a exigência geométrica reduz o ângulo das ligações sp3 que é de 109,5º, porém na combinação de orbitais s (ângulo de 180º) com orbitais p (ângulo de 90º) não existe situação capaz de produzir ângulos interorbitais menores que 90º. No ciclopropano, que é planar, a situação mais favorável apresenta ângulos de ligação de 60º muito diferente do valor do ângulo tetraédrico, consequentemente a sobreposição dos orbitais das ligações C-C é pouco eficiente, justificando as fracas ligações. No ciclopropano os orbitais não se encontram segundo a mesma linha reta e as ligações são bem mais descritas como curvas, a região de maior densidade eletrônica destas ligações se encontram deslocadas para o exterior, definindo um ângulo de ligação de cerca de 104º. Além da tensão angular elevada o ciclopropano apresenta tensão torsional máxima, pois todos os hidrogênios se encontram eclipsados.

Se o ciclobutano tivesse uma conformação planar, teria também uma tensão angular elevada, o ângulo seria de 90ºe a tensão torsional seria de oito hidrogênios eclipsados. O ciclobutano tem essa energia minimizada por adotar uma forma dobrada em que um dos carbonos se encontra fora do plano. Esta conformação corresponde a uma maior tensão angular (ângulo 88º), mas permite uma diminuição da energia torsional porque as ligações C-H deixam de estar em eclipse. Assim a tensão de anel do ciclobutano é menor que do ciclopropano.

O ciclo-hexano apresenta grande estabilidade porque pode adotar uma conformação com tensão angular e tensão torsional mínimas. Há duas conformações para o ciclo-hexano, uma mais estável a conformação em cadeira com tensão angular mínima uma vez que forma ângulos de 111º e tensão torsional mínima porque todas as ligações C-H em carbonos adjacentes se encontram alternadas. A outra conformação possível é denominada por conformação em barco que também apresenta ângulos praticamente tetraédricos, porém apresenta tensões torsional e de van der Waals elevadas. A tensão torsional resulta de quatro ligações C-H em eclipse e a tensão de van der Waals da interação entre dois átomos de hidrogênio dispostos em coincidência. Como conseqüência a conformação em barco tem uma tensão aproximadamente 28,8 kJ/mol mais elevada que a conformação em cadeira.

2.2 . Cicloalcenos ou ciclenos � São hidrocarbonetos cíclicos contendo uma dupla ligação no anel. � Apresentam fórmula geral CnH2n-2 ( igual aos alcinos). � Reagem semelhantemente aos alcenos, observando a estabilidade do anel. � A nomenclatura é semelhante a dos alcenos, a numeração inicia-se a partir

da insaturação e faz-se uso do prefixo CICLO.

ciclopenteno ciclohexeno 123

45

6 3-etil-5-metilciclo-hexeno

2.3. Hidrocarbonetos Aromáticos � Esse termo foi empregado primeiramente por Hoffmann em 1855 para

designar compostos contendo o anel fenila, na verdade, alguns compostos aromáticos possuem odor muito desagradável.

� Os hidrocarbonetos aromáticos apresentam um sistema cíclico (completamente conjugado) de elétrons π, são planos (para garantir a conjugação entre as ligações π) e obedecem à regra de Hückel, que diz que o número de elétrons no sistema conjugado deve ser igual a 4n + 2, sendo n um número inteiro.

� O benzeno é o mais importante dos aromáticos. É obtido a partir do petróleo ou pela destilação do alcatrão da hulha (carvão mineral resultado da fossilização da madeira). O benzeno apresenta grande poder solvente de gorduras, resinas, borrachas e etc. É tóxico por inalação ou absorção cutânea, levando a destruição das hemácias e leucócitos.

� Todas as ligações do benzeno possuem o mesmo tamanho (1,39 Å), intermediário entre o tamanho de uma ligação C-C (1,47 Å) e uma ligação C=C (1,33 Å). Por isso, a estrutura do benzeno mostrou-se um desafio para os químicos ao longo de anos. Kekulé foi o primeiro a propor uma estrutura compatível com a reatividade do benzeno, sugerindo uma estrutura cíclica de seis carbonos com ligações duplas alternadas. Entretanto, podem ser desenhadas duas estruturas de Kekulé para o benzeno. O composto real é, na verdade, um híbrido dessas duas formas hipotéticas, que contribuem igualmente para explicar suas propriedades químicas.

� Aplicação da regra de Hückel para determinação do caráter aromático:

é aromático é aromático não aromático não aromático

Esses compostos, que não obedecem à regra de Hückel, são denominados antiaromáticos. Eles possuem alta reatividade e, em muitos casos, não existem em forma planar, como ocorre com o ciclooctatetraeno:

Íons também podem ser aromáticos.

Esse fato explica a acidez incomum de certos hidrocarbonetos:

Compostos heterocíclicos também podem ser aromáticos, contando ou não com a participação de pares eletrônicos livres dos heteroátomos:

� Devido à ressonância das ligações π, os aromáticos são compostos bastante estáveis e só reagem em condições enérgicas. Por exemplo, quando se mede o calor de hidrogenação do ciclo-hexeno, encontra-se o valor de 28,6 kcal/mol; o valor esperado para o benzeno seria de 85,8 kcal/mol. Entretanto, o calor de hidrogenação medido para a conversão de benzeno em ciclo-hexano é de 49,8 kcal/mol, ou seja, 36 kcal/mol a menos que o esperado, e ainda menor que o calor de hidrogenação do cicloexadieno, que é de 55,4 kcal/mol. A diferença entre o calor de hidrogenação teórico e o experimental do benzeno (36 kcal/mol) é definida como a energia de ressonância do benzeno.

� A nomenclatura não segue as regras dos demais hidrocarbonetos. Eles

recebem nomes particulares e a terminação ENO é devida às duplas ligações do anel. Com a substituição de dois hidrogênios do benzeno por radicais utilizam-se os prefixos orto (radicais nas posições 1 e 2), meta (radicais nas posições 1 e 3) e para (radicais nas posições 1 e 4)

Radicais derivados de aromáticos pela saída de um hidrogênio do anel aromático denominam-se ARIL(A)

.

radical fenil (a) (Ph ou Ø)

CH3

.

radical o-toluil

Abaixo são apresentadas as nomenclaturas de alguns compostos aromáticos.

Referências Bibliográficas:

AICHINGER, E.C. MANGE, G.C. Química 2 (orgânica) São Paulo. EPU, 1978. ALLINGER, N.L. & OUTROS. Química Orgânica . 2 ed. Rio de Janeiro, Guanabara Koogan, 1978. COVRE, G.J. Química: o homem e a natureza . Vol. 3. São Paulo, FTD, 2000. FONSECA, M.R. Completamente Química: química orgânica . Vol. 3. São Paulo, FTD, 2001. SOLOMONS, T.W.G. Química Orgânica. 6 ed., vols. 1 e 2. Rio de Janeiro, LTC,1996.