-Introdução à Química Orgânica-, Notas de estudo de Química

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fe “m q PF ra] r. o a O, Rrzi =. Ada EuiZ CLÁUDIO DE EN L 2. e pa INTRODUÇÃO À de Es na, RGÂNICA De pçorda Cor ts regras aiuolizodois. do FUPAE abpate Clima PEARSON Luiz CLÁUDIO DE ALMEIDA BARBOSA INTRODUÇÃO À UÍMICA = RGÂNICA O renomado professor Luiz Cláudio de Almeida Barbosa presenteia o público com mais uma minuciosa aula: esta nova edição de Introdução à química orgânica. Com linguagem simples e primorosa didática, este livro apresenta os conceitos fundamentais de um dos assuntos que mais aproximam o conteúdo acadêmico da vida de quem o estuda ao tratar de tópicos como alcanos, álcoois, éteres, aldeídos e cetonas. Seguindo com rigor todas as normas e indicações da IUPAC, Introdução à química orgânica é referência para estudantes de agronomia, enfermagem, farmácia, biologia, engenharia de alimentos e de outras áreas afins que desejam estudar química com a mais alta qualidade. EN www.prenhall.com/barbosa br O site de apoio do livro oferece: para professores, apresentações em Power Point; para estudantes, respostas dos exercícios. Prentice Hall é um selo da ISBN n78 cas fi www.pearson.com.br | | MM Agradecimentos A gradeço a colaboração de diversos colegas professores, cujas sugestões uito contribuiram para a melhoria da versão final deste livro, reven- do alguns capítulos. Em especial, declaro meu apreço para com os seguintes colegas professores: Jomar de Oliveira Vasconcelos (IFET-NMG), José Lelis Teixeira (UFV), Katalin Carrara Geócze (IFET, Lepoldina-MG), Leila Aley “Tavares (UFES), Marcelo Henrique dos Santos (UNIFENAS), Márcia Pa- ranho Veloso (UNIFENAS), Roqueline Miranda (UFVJM), Sergio Antônio Fernandes (UFV), Silvia Ribeiro de Souza e Silva (UFOP) e Valdenir José Belinelo (UFES). Ao professor Flaviano Oliveira Silvério (UFMG) pela re- solução de grande parte dos exercícios. Expresso também meus sinceros agradecimentos aos químicos Adal- berto Manoel da Silva (DSc, USP), Alex Bruno de Carvalho (BS, UFV), Eder do Couto Tavares (MSc, UFV), Eduardo Vinícius Vieira Varejão (MSe, UFV), Fabrício Marques de Oliveira (MSc, UFV), Francisco Frede- rico Pelinson Arantes (MSc, UFV), Jodieh Oliveira Santana Varejão (BS, UFV), José Luiz Pereira (MSc, UFV), Luciana Moreno dos Santos (MSc, UENF). Mateus Ribeiro Lage (BS, UFV), Raphael Campos Cusati (MSc, UFV) e Ulisses Alves Pereira (MSc, UFV), pela resolução dos testes apre- sentados ao longo dos capítulos e pela leitura parcial e revisão desta nova edição. Ainda, os agradecimentos são estendidos a todos os colegas que contri- buíram com as edições anteriores, cujos nomes foram nelas explicitados. As contribuições deles muito colaboraram para o sucesso das edições anteriores. Agradeço também à Sociedade Brasileira de Química pela autorização para utilizar a tabela periódica. Ao professor Klaus Zinner (UFRG) e à editoria da revista Ciência Hoje pela autorização para publicar a Figura 9.3. À toda a equipe da Pearson Education, pelo excelente trabalho reali- zado, em especial ao Roger 'Trimer, Sabrina Cairo, Jean Xavier, Yuri Bileski e Aline Marques. Expresso minha gratidão aos colegas do Departamento de Química da UFV, professores Antônio Jacinto Demuner e Célia Regina Álvares Maltha vi Introdução à química orgânica que ao longo desses anos têm dividido comigo a tarefa de lecionar a discipli- na Fundamentos de Química Orgânica contribuindo diariamente para que essa nova edição se tornasse uma realidade. Também à professora Vander- lúcia Fonseca de Paula (UESB) por rever o livro integralmente, Finalmente, agradeço a minha filha Victória por emprestar suas mãos que aparecem na figura 6.2 e à minha filha Carolina que foi fonte de inspi- ração para nomear as Carolignanas descritas no Capitulo 10, Como sempre, todo e qualquer erro que porventura ainda tenha ficado no texto é de minha única responsabilidade. Disponivel em: www.quimicanaveiauesb.blobspot.com Compartilhe essa idéia Capítulo 1 Estrutura e propriedades de moléculas orgânicas Orbitais atômicos Ligações químicas Ligação iônica Ligação covalente ww MN Na Hibridação dos orbitais e forma tridimensional das moléculas 6 Orbitais híbridos spº 6 Orbitais híbridos sp? AL 01 8 Orbitais híbridos sp Agua ND 9 Fórmulas estruturais dos compostos orgânicos e isomeria constitucional 10 Fórmulas estruturais 10 Isomeria constitucional 12 Estruturas de ressonância 13 Polaridade das ligações covalentes e das moléculas 14 Propriedades físicas e forças intermoleculares 16 Interação fon-dipolo 16 Interação dipolo-dipolo 17 Interação dipolo instantâneo-dipolo induzido 18 Ligação de hidrogênio 19 Solubilidade 22 Ácidos e bases 24 Ácidos e bases de Brônsted-Lowry 25 A força dos ácidos e das bases 27 Ácidos e bases de Lewis 30 Introdução à química orgânica Capítulo 2 Alcanos: propriedades e aplicações O gás natural Origem e uso do petróleo Nomenclatura Os alcanos não ramificados Os alcanos ramificados Os haletos de alquila Classificação dos átomos de carbono Propriedades físicas Propriedades fisiológicas Estrutura e isomeria em alcanos cíclicos Isomeria conformacional Estereoisomeria em compostos cíclicos Reações Radicais Halogenação Oxidação Um pouco sobre a química do petróleo Reação de pirólise Reforma catalítica A qualidade das gasolinas Os aditivos para a gasolina Capítulo 3 Alquenos: estrutura e reatividade Nomenclatura Isomeria em alquenos Propriedades físicas Reações de adição e carbocátions Adição de hidrogênio Margarina Adição de HX (X = |, Br, CI) Adição de água Adição de halogênio (Cl,, Br,, |,) Adição de halogênio e água Epoxidação Formação de dióis e clivagem oxidativa Ozondlise Ozonídios e malária Substituição em carbono alílico 35 36 37 38 38 39 43 46 47 48 48 50 51 52 53 55 56 56 57 59 so 64 66 68 7 7 73 75 77 78 so 81 83 84 86 87 Bs xii introdução à química orgânica Capítulo 6 Introdução à estereoquímica O polarímetro e a luz polarizada A descoberta de quiralidade em moléculas A história da talidomida Estereoisômeros com um carbono assimétrico Representação de enantiômeros Especificação da configuração absoluta Estereoisômeros com mais de um carbono assimétrico Convenção de Fischer-Rosanoff Capítulo 7 Haletos orgânicos: propriedades e reações Ocorrência Nomenclatura Propriedades físicas e estrutura Reações dos haletos orgânicos Substituição Substituição nucleofílica bimolecular (A,D,) Substituição nucleofílica unimolecular (D,, + A,) Eliminação Oxidorredução Clorofluorocarbonos e a camada de ozônio Capítulo 8 Álcoois Nomenclatura Nomenclatura substitutiva Nomenclatura radicofuncional Tióis Sais Propriedades físicas Preparo Reações Reações que envolvem a quebra da ligação oxigênio-hidrogênio Reações que envolvem a quebra da ligação carbono-oxigênio 144 145 147 149 149 150 151 155 158 163 164 165 165 166 167 168 171 172 175 176 180 181 181 183 183 184 184 186 187 187 190 Capítulo 9 Fenóis Nomenclatura Acidez de fenóis Reações dos fenóis Acilação e alquilação Substituição eletrofílica aromática Oxidação Capítulo 10 Éteres Nomenclatura Nomenclatura substitutiva Nomenclatura radicofuncional Éteres cíclicos Sulfetos Éteres coroa Propriedades físicas Reações Reações de epóxidos Capítulo 11 Aminas Nomenclatura Aminas primárias Aminas secundárias e terciárias Sais de amônio Aminas heterociclicas Estrutura e propriedades físicas Basicidade Reações Reação ácido-base Substituição nucleofílica Formação de amidas e sulfonamidas Reação com ácido nitroso Oxidação Reações de outros compostos nitrogenados Capítulo 12 Aldeídos e cetonas Nomenclatura Aldeídos Cetonas Propriedades físicas Reações Reações de oxidação Reações de redução 198 201 202 203 204 205 207 212 214 214 215 215 216 217 217 218 220 225 228 228 230 231 231 232 234 236 236 237 238 241 244 244 248 249 249 251 252 253 253 254 Apresentação Agina orgânica está em cada aspecto de nossa vida. Não temos dúvida de que as células de nosso corpo vão funcionar com absoluta precisão, no entanto elas precisam executar milhões de transformações químicas complexas de compostos orgânicos a cada segundo. Também esperamos que haja remédios disponíveis para todas as nossas doenças; que possamos comprar plásticos, tintas e tecidos sintéticos coloridos e brilhantes e que alimentos de boa qualidade estejam prontamente dis- poníveis a partir de lavouras que foram protegidas dos ataques de inse- tos, fungos e ervas daninhas. A qualidade de nossa vida está, portanto, inextricavelmente ligada a drogas criadas para salvar vidas, a polímeros sintéticos, a inseticidas, fungicidas e herbicidas e a uma miríade de ou- tros produtos químicos orgânicos. Nem é preciso comentar a importância da química orgânica para estudantes de biologia, medicina, veterinária, farmácia, agronomia, en- genharia de alimentos e agricultura, e esses estudantes vão encontrar tudo o que precisam saber no novo livro do prof. Barbosa — uma intro- dução concisa e ao mesmo tempo abrangente de todos os aspectos da moderna química orgânica. O tratamento é rigoroso, mas Os interesses biológicos dos estudantes não foram ignorados: o texto está repleto de exemplos fascinantes de moléculas com interessantes propriedades bio- lógicas. Luiz Cláudio de Almeida Barbosa escreve com grande autoridade, apoiado em suas pesquisas de ponta realizadas no Reino Unido e no Brasil. Seu livro é simplesmente a melhor introdução à química orgânica que o dinheiro pode comprar. John Mann, PhD Professor emérito da Queens University of Belfast, Reino Unido Autor de Secondary metabolism e Murder, magic, and medicine Prefácio uma grande satisfação apresentar o livro de química orgânica de autoria do amigo Luiz Cláudio de Almeida Barbosa. O prof. Luiz Cláudio é docente do departamento de química da Universidade Federal de Viçosa, onde atua há vários anos. Com uma atuação destacada em ensino e pesquisa, o autor tem como um dos pontos de destaque de sua atuação docente, o fato de ter grande interesse em produzir livros textos, em português, e contribuir de forma eficiente para o ensino da química aos alunos de todo o país. Da sua produção bibliográfica constam vários livros como: Introdução à Química Orgânica; Os Pesticidas, o Homem e o Meio Ambiente; Espectroscopia no Infravermelho na Caracterização de Compostos Orgânicos; Química Orgânica: uma In- trodução para Ciências Agrárias e Biológicas, além do livro Experimentos de Química Orgânica, em colaboração com outros autores. O livro Introdução à Química Orgânica, que agora é publicado em sua segunda edição, traz várias novidades com relação à edição anterior. Na primeira, o autor apresentou um livro simples, que abordava de forma clara muitas das questões envolvidas no ensino de química orgânica, fazendo que seu livro fosse adotado como referência em vários cursos. Eu mesmo tive oportunidade de usá-lo, na Universidade Federal de São Carlos, nos cursos de química orgânica para engenheiros e em ciências biológicas. Com uma linguagem simples, mas nem por isso menos profunda, o au- tor discute alguns dos tópicos de química orgânica com a clareza necessária para que os alunos tenham um bom aprendizado. Faz uso ainda, de forma bastante interessante e atraente, de alguns exemplos de aplicação da qui- mica orgânica no dia-a-dia, conectando os conhecimentos desta disciplina com o cotidiano, o que certamente, faz com os alunos tenham mais interesse em aprender os conceitos explorados no livro. Nesta nova edição, o autor introduz no início de cada capítulo um resu- mo, no qual descreve, de uma forma geral, o conteúdo do capítulo, assim, o estudante já sabe exatamente o que vai encontrar de informação e desafio de aprendizagem. Para completar esta ideia, acrescentou uma parte de objetivos instrucionais, que visam a orientar o aluno e dando-lhe melhores condições Introdução pós doze anos desde a publicação da primeira edição deste livro, que vem sendo amplamente utilizado por instituições de ensino superior para o ensino de química orgânica, vimos a necessidade de empreender uma revisão de modo a atender às várias sugestões recebidas de professores de todo o pais. Nesse sentido, procuramos manter a estrutura do livro de modo que não se descaracterizasse o estilo de apresentação do conteúdo. Como nas edições anteriores, sempre tivemos a dificil tarefa de selecionar os tópicos a serem incluídos, deixando de fora muitas reações e informações. Assim, procuramos manter apenas reações características de cada um dos grupos funcionais apresentados, a fim de atender às necessidades de conhecimento de estudantes de cursos de agronomia, bioquímica, ciências biológicas, en- fermagem, farmácia, engenharia de alimentos, engenharia ambiental, en- genharia florestal, engenharia química, nutrição, química e outros de áreas afins. antendo a linha das edições anteriores, procuramos ser rigorosos com o uso das regras mais atuais de nomenclatura de compostos orgânicos da TUPAC. Também chamamos a atenção para o uso de símbolos e termos diversos como cis, trans, R, S, E, Z, DH e K, que estão mostradas em itálico conforme recomendado pela IUPAC. O texto foi todo revisado de acordo com as novas regras gramaticais, e nesse sentido, os nomes de alguns compostos aparecem um pouco diferentes do observado na edição anterior. De acordo com as novas regras gramaticais instituídas no país, os no- mes de alguns compostos poderiam ser hifenizados como, por exemplo, ciclo-hexano. Entretanto, assim como na edição anterior, a hifenização não foi adotada, uma vez esse procedimento é contrário às normas da IUPAC, prevalecendo, portanto, a citação cicloexano, que também atende as regras gramaticais da lingua portuguesa. Buscando-se melhoria e atualizações no texto, Bannfias Paes Plinio seas macli várias inclusões e modi- ue Abras se dice us! aistass ias Ílicio saio MQÉAs - No início de cada capítulo foi incluído um pequeno resumo, cujo obje- tivo é apresentar uma visão geral sobre o conteúdo a ser estudado. Objetivos instrucionais (objetivos de aprendizagem) estão apresentados de modo a orientar o estudante sobre pontos importantes a serem conside- rados durante o estudo de cada capítulo. Testes foram inseridos ao final de algumas seções para auxiliar na ava- liação sequencial de aprendizagem do conteúdo. As respostas de todos os testes foram incluídas ao final do livro. Foram incluídos diversos exercícios novos ao final de cada capítulo, cujas respostas estão disponíveis no site de apoio da editora. Isso possibilita ao estudante avaliar seu desempenho durante o estudo da matéria. Para professores, foi preparado um material didático em Power Point que está disponível no site de apoio do livro (www.prenhall. com/barbosa. br). A editoração gráfica do texto foi feita utilizando-se a cor azul para des- taques pontuais. Por exemplo, as fórmulas estruturais apresentam destaque azul para substituintes e grupos funcionais considerados. Esse procedimento facilita a correlação entre as fórmulas estruturais e os nomes dos compostos. A representação dos mecanismos de reação também apresenta destaque azul enfatizando as modificações ocorridas nos grupos funcionais. Alguns capítulos tiveram os títulos alterados, tornando-os mais apro- priados à descrição do conteúdo. Aspectos históricos, de grande relevância para o desenvolvimento da química, são frequentemente abordados ao longo do texto. A aplicação comercial ou caseira de diversas substâncias é discutida em todos os capítulos, de modo a mostrar ao estudante a utilidade prática da química orgânica. Essa nova edição é o resultado de nosso esforço contínuo para ofere- cer aos leitores diversos um material atraente e útil. Assim como ocorreu nas edições anteriores, esperamos poder contar com sugestões e críticas de nossos colegas e estudantes de todo o Brasil para que possamos continuar adequando o texto às reais necessidades de todos. Luiz C. A. Barbosa Viçosa - MG Capítulo Estrutura e propriedades = Resumo Ei capítulo tem como objetivo geral revisar alguns conceitos bási- cos necessários para a aprendizagem efetiva do conteúdo da qui- mica orgânica. Com esse intuito foram apresentados de forma resumida os seguintes tópicos: conceito de ligações iônica e covalente; conceitos de hibridação; polaridade de ligações e de moléculas; representação de fórmulas estruturais de compostos orgânicos; isomeria constitucional; estruturas de ressonância; forças intermoleculares e suas relações com propriedades físicas; solubilidade de compostos orgânicos em solventes apolares e em água; e conceitos e reações de ácidos e bases ), O: átomos são formados por nêutrons, prótons e elétrons. Os prótons são partículas carregadas positivamente, e os nêutrons não possuem carga. Essas duas partículas constituem o núcleo atômico e são virtual- is pela massa atômica. Os elétrons são carregados nega- mente responsé tivamente e se encontram circulando o núcleo. Cada átomo contém um número de elétrons igual ao de prótons e, por consequência, é eletrica- mente neutro. À massa dos elétrons é desprezível, comparada à massa dos prótons e nêutrons. O volume ocupado pelos elétrons, denominado eletrosfera, é te maior que o tomado pelo núcleo. Só como exemplo, se todo o volume ocu- pado pelos elétrons em uma moeda de 5,5 gramas de níquel fosse tomado por prótons e nêutrons, ela pesaria aproximadamente 100 milhões de toneladas. Uma vez que os elétrons são responsáveis por praticamente todo o vo- lume dos átomos, eles têm um papel predominante sobre as propriedades s dos elementos e compostos químicos. tremamen- químicas e fisi de moléculas orgânicas Objetivos de aprendizagem Após o estudo deste capítulo você deverá ser capaz de: Explicar os conceitos de ligações iônicas é covalentes, apresentan- do exemplos para cada caso. Representar as fórmulas estrutu- rais de compostos orgânicos. Representar fórmulas de Lewis e estruturas de ressonância para compostos orgânicos e inorgâni- cos e calcular cargas formais. Prever o momento de dipolo resul- tante de moléculas simples e cor relacionar essa propriedade com a polaridade de moléculas. Explicar o conceito de isomeria constitucional e apresentar exem- plos. Correlacionar forças intermolecu- lares com propriedades físicas de compostos orgânicos. Explicar o conceito de ligação de hidrogênio e apresentar exemplos de moléculas capazes de realizar esse tipo de ligação. Apresentar exemplos de ácidos e bases de acordo com os concei- tos de Brônsted-Lowry e de Lewis e prever os produtos de reações envolvendo ácidos e bases. 2 Introdução à química orgânica = ad x (8) | Figura 1.1 Representação dos orbitais s (A) e p (B). Poa NARRA se sb & & NASA AN NANA a às ” NNE NEN Figura 1,2 Diagrama para a determinação da ordem aproximada de preenchimento dos orbitais. 4» Orbitais atômicos O orbital atômico é a região do espaço onde é mais provável encontrar o elétron. Ele representa, portanto, a distância em que há maior probabi- lidade de se encontrar o elétron a partir do núcleo, bem como a forma e a orientação geométrica do espaço ocupado por ele, e também seu spin. Os orbitais atômicos são designados pelas letras s, p, d ef. Os orbitais s são esféricos e os p têm a forma de halteres, conforme representados na Figura 1.1. Os orbitais atômicos localizam-se em vários níveis de energia ou cama- das, que são designadas pelos números 1, 2, 3, 4,5,6 e 7. À medida que o número da camada aumenta, cresce a distância em que há maior probabi- lidade de se encontrar o elétron a partir do núcleo. A primeira camada tem um orbital s denominado 1s; a segunda, um orbital s (25) e três orbitais p (2. 2p e 2); e a terceira, um orbital s (35), três orbitais p (3h, 3, e 3/) e cinco orbitais d, Cada orbital pode comportar no máxi- mo dois elétrons, que possuem spins opostos (+1/2 e —1/2). No preenchimento dos orbitais atômicos, os elétrons ocupam sempre os níveis de menor energia possível. Esse procedimento é conhecido como princípio de Aufbau," / atômicos pode ser obtida por meio do diagrama apresentado na Figura 1.2, bastando seguir a direção das setas. A ordem aproximada de preenchimento dos orbitais Exemplos da configuração eletrônica de alguns elementos são apresen- tados no Quadro 1.1. Quadro 1.1 Configuração eletrônica de alguns elementos químicos rm es RTEE Sm eo q 1 H 1 18! He Z a erga 1 qo Li 3 3 1si2s! Be 4 ENEM SE pe AROS B 5 5 18:28º2p! E so 6 18289; N 7 Z 18:292pº o 8 8 18292p! f F 9 9 152s:2p* NBS care se HOR porre iba Dt Ar 18 18 15º25:2p'35:3pº Pa Ligações químicas Os átomos, apesar da neutralidade elétrica, são, em sua maioria, es- pécies instáveis e reativas. Eles tendem a se combinar, formando os mais diversos tipos de compostos. Nestes, os átomos são mantidos unidos por meio de ligações químicas. Essas ligações envolvem sempre os elétrons de sua camada de valência (a mais externa). Uma ligação química entre dois átomos será formada sc houver redução na energia do sistema resultante,