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Unidade 1
Introdução e Noções Históricas
A primeira separação da Química em Inorgânica e Orgânica ocorreu por volta de 1777 e foi proposta pelo químico alemão Torbern Olof Bergman (1735 - 1784):
Química Inorgânica é a parte da Química que estuda os compostos extraídos dos minerais.
Química Orgânica é a parte da Química que estuda os compostos extraídos dos organismos vivos.
Com base nessa definição, Jons Jakob Berzelius
(1779-1848) formulou a Teoria da Força Vital, ou
vitalismo, segundo a qual os compostos orgânicos
necessitavam de uma força maior, a vida (força
vital), para serem sintetizados. Essa teoria era um
empecilho para o desenvolvimento da Química
Orgânica, pois acreditava-se que somente a partir
de organismos vivos seria possível extrair
substâncias orgânicas.
Em 1828, um aluno de Berzelius, Friedrich Wöhler (1800-1882) sintetizou, de forma acidental, um composto orgânico chamado uréia, comumente encontrado no suor, sangue e urina dos animais. A reação feita por Wöhler pode ser representada pela equação química abaixo, na qual o cianato de amônio é aquecido:
(NH4)OCN O C
NH2
NH2cianato deamônio ureia
calor
Apesar de o vitalismo não ter sido derrubado de imediato após a síntese de Wöhler, os cientistas perceberam que a definição de Bergman para Química Orgânica não era adequada.
Devido à presença constante do carbono nos compostos orgânicos conhecidos na época, como a uréia, o ácido tartárico, C4H6O6(s), a glicerina, C3H8O3(l), o ácido cítrico, C6H8O6(s), e o ácido lático, C3H6O3(l), dentre outros, o químico alemão Friedrich August Kekulé (1829-1896) propôs em 1858 a definição aceita atualmente:
Química Orgânica é a parte da Química que estuda praticamente todos os compostos do elemento
carbono.
Desse modo, Química Inorgânica é a parte da Química que estuda os compostos dos demais elementos e alguns poucos compostos do elemento carbono, que são denominados compostos de transição, ou seja, compostos que possuem o carbono, mas tem propriedades semelhantes às dos compostos inorgânicos.
Dentre eles podemos citar o gás carbônico, CO2(g), o monóxido de carbono, CO(g), o cianeto de hidrogênio, HCN(g) entre outros.
Com a síntese da ureia, Wöhler deu início a um grande campo de pesquisa, o das sínteses orgânicas. Hoje são conhecidos mais de 19 milhões de compostos orgânicos presentes em inúmeros produtos que utilizamos diariamente, como gasolina, querosene, álcoois, plásticos, borrachas, tintas, remédios, fibras têxteis, papéis, produtos de limpeza, cosméticos, produtos de higiene, pesticidas e fertilizantes agrícolas.
Isso ocorre em razão da versatilidade única do elemento carbono que, por ser tetravalente e ter um raio atômico relativamente pequeno é capaz de formar compostos que contêm milhares de átomos ligados, arranjados das mais diferentes maneiras.
Além do carbono, o hidrogênio, o oxigênio e o nitrogênio – denominados elementos organógenos – formam a maioria dos compostos orgânicos conhecidos.
Postulados de Kekulé
1º) Postulado O carbono é tetravalente: faz 4 ligações covalentes
que podem ser estabelecidas de uma das seguintes formas esquematizadas a seguir:
C C
C C
4 ligações simples (4 ligações sigma, )
2 ligações simples (2 ) 1 ligação dupla (1 e 1 )
2 ligações duplas (2 e 2 )
1 ligação simples (1 ) 1 ligação tripla (1 e 2 )
2º) Postulado
As quatro ligações simples do carbono são iguais em comprimento e energia. Assim, por exemplo, as quatro fórmulas exemplificadas a seguir representam, na realidade, um único composto, de fórmula molecular CH3Cl.
C
Cl
H
H
HC
H
H
H
ClC
H
H
Cl
HC
H
Cl
H
H
3º ) Postulado
Átomos de carbono ligam-se diretamente entre si ou
com outros elementos, formando estruturas denominadas cadeias carbônicas.
As cadeias carbônicas podem conter milhares de
átomos de carbono ligados sucessivamente formando compostos estáveis. É o que justifica o grande número de compostos orgânicos conhecidos.
C
CC
C
CC
H
H H
H H
OH
C
H
H N
H
C H
H
C C
H
H O
C
C
H
H
H H
C
H H
C
H
H
H C C
H
H
H
Elementos Organógenos
Os elementos organógenos são os quatro elementos que formam praticamente todos os compostos orgânicos. Além do carbono que é tetravalente, temos:
Hidrogênio (H): faz 1 ligação covalente, é monovalente.
H
1 ligação simples
Oxigênio (O): faz 2 ligações covalentes, é bivalente.
Nitrogênio (N): faz 3 ligações covalentes, é trivalente.
O
2 ligações simples
O
1 ligação dupla
N N N
3 ligações simples
1 ligação simples e1 ligação dupla
1 ligação tripla
Eventualmente outros elementos também podem formar compostos orgânicos, só que em menor número – por exemplo, o enxofre (bivalente), o fósforo (trivalente) e os halogênios, como cloro, o bromo, o iodo e o iodo (monovalentes). Até metais como magnésio e sódio podem fazer parte da estrutura de compostos orgânicos específicos, denominados compostos organometálicos.
Como representar uma estrutura orgânica
Estrutura I: mostra todas as ligações, inclusive a geometria tetraédrica do carbono. Essa estrutura tenta passar uma idéia tridimensional da molécula.
Estrutura II: É uma simplificação da primeira representação; mostra todas as ligações, mas omite o caráter tetraédrico do carbono dando a impressão de que a cadeia é plana.
grupamentos estão atrás do plano
grupamentos a frente do plano
C C CC H
H
H
H
HH
H
H
HH
C C C C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
formula estrutural de traços
Estrutura III: Informa a sequência da cadeia, porém deve-se estar familiarizado com o número máximo de ligações que cada elemento pode fazer.
Estrutura IV: É a forma mais simplificada, mas nos permite obter todas as informações a respeito da cadeia, desde que saibamos de antemão, as regras.
Estrutura V: É a fórmula molecular. Mostra somente a quantidade de cada elemento na formação da molécula.
fórmula em linhas, bastão (bond line)
C4H10
fórmula molecular
CH3 CH2 CH2 CH3
formula estrutural condensada
CH3 (CH2)2 CH3
Observações
Todas as representações dizem respeito ao mesmo composto, o butano, porém, o nível de informação é diferente em cada caso. A escolha da foram como será feita a representação dependerá muito do interesse envolvido.
É comum misturarem-se diferentes formas de representação de uma estrutura orgânica.
Classificação dos átomos de carbono
Primário Ligado diretamente a, no máximo, um átomo de carbono.
Secundário Ligado diretamente a dois átomos de carbono.
Terciário Ligado diretamente a três átomos de carbono.
Quaternário Ligado diretamente a quatro átomos de carbono.
Exemplos
CH3 O CH2 CH
CH3
CH2 C
CH3
CH3
CH3
H2C CH CH2 CH CH3
CH3
H3C CH2 C C OH
H3C C
Cl
CH2
CH3
CH3
p
p
p
p
p s
t
q
p
p
p s s t
p s s p
p
p
p s t
Classificação das cadeias carbônicas
1ª ) Quanto ao fechamento da cadeia
Cadeia aberta, acíclica ou alifática: quando o encadeamento dos átomos não sofre nenhum fechamento.
CH3CHH2C H3C CH2CH CH3
CH3
Cadeia fechada ou cíclica: quando há fechamento na cadeia, formando-se um ciclo, núcleo ou anel.
Mista: os átomos de carbono se ligam entre si de modo a terem extremos livres e também formarem ciclo.
H2C CH2
CH2H2C
H2C CH2
CHCH
H2C
H2C CH
CH2H2C
CH2 CH3
2ª) Quanto a disposição dos átomos
Cadeia normal: apresenta uma cadeia com duas extremidades de carbono.
Cadeia ramificada: quando a sequência carbônica apresenta mais que duas extremidades. Em geral com carbonos terciários e/ou quaternários.
carbono terciário
carbono quaternário
H2C CH CH
CH3
CH3
C
CH3
H3C
CH3
CH3
HC CH
H3C CH2 CH2 CH3
3ª) Quanto aos tipos de ligação
Cadeia saturada: quando só existem ligações simples entre os átomos de carbono.
Cadeia insaturada: quando, além de ligações simples, aparecem ligações duplas ou triplas entre os átomos de carbono.
CH3 HC C
H2C CH2
CHCH
H2C
CH3CH2H3C
O
4ª) Quanto à natureza dos átomos
Cadeia homogênea: não possui heteroátomo (átomo diferente de carbonos entre dois carbonos).
Cadeia heterogênea: possuem heteroátomo.
CH3OH3C
H2C NH
CH2H2C
cadeia heterogêneas
heteroátomos
OH
H2C CH2
CH CH2
H2C
H3C CH2 CH3
Observações
1ª) É importante entender que as quatro classificações anteriores são independentes, isto é, uma não exclui a outra.
cadeia aberta, ramificada, saturada e homogênea
CH3
CH3CH3C
CH3
dimetilpropanocadeia aberta, normal,
insaturada e heterogênea
H2C CH O CH CH2
éter divinílico
Exemplos
cadeia cíclica, normalsaturada, heterocíclica
H2C NH
CH2H2C
cadeia cíclica, normal, insaturada, homocíclica
H2C CH2
CH
CH
H2C
OH3C
cadeia cíclica, ramificada,saturada e homocíclica
2ª) Compostos Aromáticos
Dentre as numerosas cadeias cíclicas na Química Orgânica, uma das mais importantes é a que se denomina núcleo (ou anel) benzênico, nome proveniente do composto mais simples que apresenta esse anel – o benzeno (C6H6).
ouC
CC
C
CC
H
H
H
H
H
H
representado por
O anel benzênico forma os denominados compostos aromáticos, que se subdividem em:
a) compostos aromáticos mononucleares ou mononucleados, quando contém um único anel benzênico.
H3C
CH2CH3
polinucleares isolados anéis
não possuem átomos de carbono em comum.
polinucleares condensados quando os anéis possuem átomos de carbono em comum.
b) compostos aromáticos polinucleares ou polinucleados, quando contém vários anéis benzênicos. Se subdividem em:
CH2 CH2
O número de compostos aromáticos conhecido é tão grande que praticamente determinou, dentro da Química Orgânica, uma nova divisão, denominada Química dos Aromáticos. Disso resulta outra classificação muito comum, que divide os compostos orgânicos em:
Compostos alifáticos (os que têm cadeia aberta)
Compostos alicíclicos (os que têm cadeias cíclicas que
não sejam anéis benzênicos)
Compostos aromáticos (os que têm anéis benzênicos)
Evidentemente, são ainda muito comuns os compostos mistos, como, por exemplo:
CH2 CH2 CH3
Esta cadeia corresponde a umcomposto aromático com ramificação
alifática.
C CH2
CH2 CH2
H
Esta cadeia representa umcomposto em parte aromático
em parte alicíclico.
Resumo
CADEIASCARBÔNICAS
ABERTAS,ALIFÁTICASACÍCLICAS
FECHADASCÍCLICAS
NORMAIS ou RAMIFICADASHOMOGÊNEAS ou HETEROGÊNEASSATURADAS ou INSATURADAS
AROMÁTICAS
ALICÍCLICAS
NORMAIS ou RAMIFICADASHOMOCÍCLICAS ou HETEROCÍCLICASSATURADAS ou INSATURADAS
MONONUCLEARES
POLINUCLEARESISOLADA
CONDENSADA
Benzeno e compostos aromáticos
Quando vestimos jeans ou uma roupa de poliéster, quando nos sentamos em um estofado de espuma ou se ingerimos certos alimentos industrializados, estamos tomando contato com corantes, fibras têxteis, materiais sintéticos, conservantes de alimentos e outras substâncias que podem ter vindo indiretamente do benzeno.
C
CC
C
CC
H
H
H
H
H
Hou
Ressonância no benzeno
Vamos colocar em cada carbono do benzeno um número, de 1 a 6. Mudando apenas a posição das ligações duplas, sem alterar a posição dos carbonos e hidrogênios, podemos escrever outra fórmula estrutural para o benzeno. Essa situação é denominada de ressonância.
C
CC
C
CC
H
H
H
H
H
H
12
3
45
6
Estrutura A
CC
CC
C
C
H
H
H
H
H
H
12
3
45
6
Estrutura B
Ressonância é o termo usado para descrever uma situação na qual, sem mudar a posição dos átomos, podemos escrever mais de uma fórmula
estrutural diferente, mudando apenas a posição de alguns elétrons.
As estruturas A e B são chamadas de estruturas de ressonância. Nenhuma delas isoladamente representa bem o benzeno. Os elétrons das ligações duplas não se localizam nem como está mostrado em A nem como em B. Dizemos que os elétrons das ligações duplas estão delocalizados (ou deslocalizados) e que o benzeno é um híbrido de ressonância.
ESTRUTURAS DE RESSONÂNCIA
Por causa da ressonância, a maneira mais usada para representar o benzeno é:
Em que o círculo central indica a ressonância.
Benzeno