Química Orgânica: os compostos do carbono


Propriedades físicas dos alcanos



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  • Propriedades físicas dos alcanos:

Os alcanos são substâncias apolares, o que justifica sua baixa solubilidade em água. Considerando estruturas não-ramificadas, os alcanos de 1 a 4 carbonos são gases; com 5 a 17 carbonos são líquidos e com 18 carbonos em diante são sólidos.

O petróleo é uma enorme mistura de hidrocarbonetos e você sabe que esse liquido flutua no mar. Isso ocorre porque a densidade dos hidrocarbonetos líquidos é menos que a da água.




  • Propriedades químicas dos alcanos:

A principal reação química dos alcanos é a combustão , que pode ser completa ou não, dependendo das quantidades relativas de combustível e gás oxigênio.
Combustão completa: CH4 + 2 O2  CO2 + 2 H2O
Combustão incompleta: CH4 + O2  C + 2 H2O

(fuligem)




  • Propriedades bioquímicas dos alcanos:

As propriedades fisiológicas dos alcanos variam de acordo com o tamanho da cadeia. O metano parece ser fisiologicamente inerte. Em um aposento com alta concentração dessa substância, há riscos que não derivam de uma ação biológica desse gás. Uma amostra de ar contendo 15% de metano, por ex. torna-se explosiva sob a ação de uma simples faísca. Um outro ex. pode ser a respiração humana em uma atmosfera carregada de metano. Nesse ambiente a respiração pode ser prejudicada não pela ação do metano em si, mas pela proporção de gás oxigênio na mistura, que pode provocar asfixia. Alcanos gasosos não possuem cheiro. Para que se possa detectar vazamentos em botijões domiciliares, costuma-se acrescentar ao gás de botijão outro gás de cheiro forte, como as mercaptanas. Alcanos com cadeias maiores, como os componentes líquidos da gasolina, podem provocar náuseas e vômitos, quando ingeridos ocasionalmente, ou problemas de pele (dermatites), quando manuseados. Mas, por outro lado, alcanos obtidos com grande massa molecular, são usados como creme amaciante. A vaselina, por ex., é um dos componentes empregados na fabricação de cremes cosméticos.


  • Estruturas dos alcanos:

As fórmulas para os alcanos dadas na tabela estão escritas em uma notação chamadas fórmulas estruturais condensadas. Essa notação revela a maneira pela qual os átomos estão ligados uns aos outros, mas não exige o desenho de todas as ligações.
H H H H H3C – CH2 – CH2 – CH3




H – C – C – C – C – H ou

H H H H CH3CH2CH2CH3


Por ex., a estrutura de Lewis e as fórmulas estruturais para o butano (C4H10) são apresentadas acima.

Usaremos freqüentemente as estruturas de Lewis ou as fórmulas estruturais condensadas para representar os compostos orgânicos. Observe que cada átomo de C em um alcano tem 4 ligações simples, enquanto cada átomo de H forma uma ligação simples. Observe, também, que cada composto seguinte na série relacionada na tabela acima tem unidade CH2 adicional.

Os alcanos relacionados na tabela são chamados hidrocabonetos de cadeia linear porque todos os átomos de C estão unidos em uma cadeia contínua. Os alcanos consistindo em 4 ou mais átomos de C podem também formar hidrocarbonetos de cadeias ramificadas. Os compostos com a mesma fórmula molecular, mas com diferentes arranjos de ligação (e, conseqüentemente, diferentes estruturas) são chamados isômeros estruturais. Os isômeros estruturais de determinado alcano diferem ligeiramente um do outro nas propriedades físicas. Observe os pontos de fusão e ebulição dos isômeros do butano e pentano abaixo.


H H H H H H H




H – C – C – C – C – H H – C – C – C – H

H H H H H H



Butano: p.f. = -135ºC H C H

p.e. = -0,5ºC

H

Isobutano (2-metilpropano):



p.f. = -145ºC

p.e. = -10ºC


H H H H H H H H H




H – C – C – C – C – C – H H – C – C – C – C – H

H H H H H H H H



Pentano: p.f. = -130ºC H C H

p.e. = +36ºC

H

Isopentano (2-metilbutano):



p.f. = -160ºC

p.e. = +28ºC

O número possível de isômeros estruturais aumenta rapidamente com o número de átomos de C no alcano. Existem 18 isômeros possíveis tendo a mesma fórmula molecular C8H18, por ex., e 75 isômeros possíveis com a fórmula molecular C10H22.


  • Nomenclatura dos alcanos:

Os primeiros nomes dados para os isômeros estruturais acima são chamados nomes comuns. O isômero no qual, um grupo CH3 está ramificada da cadeia principal é chamado isômero isso- (por ex., isobutano). À medida que o numero de isômeros cresce, torna-se impossível encontrar um prefixo apropriado para denominar o isomero. Os químicos de todo o mundo, independentemente de suas nacionalidades ou afiliações políticas, concordam com um sistema comum para dar nomes aos compostos. Os nomes da Iupac para os isômeros do butano e pentano são aqueles dados entre parênteses para cada composto. Esses nomes, bem como aqueles de outros compostos orgânicos, têm 3 partes:
Prefixo base sufixo


Quantos carbonos?

Quais substituintes? Qual família?


As seguintes etapas resumem os procedimentos usados para chegar aos nomes dos alcanos, todos com nomes finalizados com o sufixo –ano.

  1. Encontre a cadeia mais longa de átomos de C e use o nome dessa cadeia com o nome base do composto. A cadeia mais longa nem sempre está escrita em uma linha reta, como visto no seguinte exemplo:



CH3 – CHCH3




CH2 – CH2 – CH2 – CH3
2-metilhexano
Uma vez que esse composto tem cadeia de seis átomos de C, recebe o nome como um hexano substituído. Os grupos ligados à cadeia principal são chamados substituintes porque substituem um H ligado a um carbono da cadeia principal.


  1. Numere os átomos de cada C na cadeia mais longa, começando com o lado da cadeia mais próximo de um substituinte. A cadeia é numerada a partir do lado que fornece o menor número para a posição do substituinte.

  2. Dê o nome e forneça a localização de cada grupo substituinte. Um grupo substituinte formado pela remoção de um átomo de H do alcano é chamado grupo alquil ou alquila. Os grupos alquila são nomeados pela substituição da terminação –ano do nome do alcano por –il. O grupo metil (CH3), pó ex., é derivado do metano (CH4). Analogamente, o grupo etil (C2H5) é derivado do etano (C2H6).

  3. Quando dois substituintes estão presentes, relacione-os em ordem alfabética. Quando existem dois ou mais do mesmo substituinte, o número de substituintes daquele tipo é indicado por um prefixo: di (2), tri (3), tetra (4), penta (5), e assim por diante. Observe o seguinte ex.:

CH3


CH3 – CH – CH2
CH – CH – CH2 – CH3
CH3 CH – CH3
CH3

3-etil-2,4,5-trimetileptano




  • Cicloalcanos:

Os alcanos podem formar não apenas cadeias ramificadas, mas também anéis ou ciclos. Os alcanos com essa forma de estrutura são chamados cicloalcanos. As estruturas dos cicloalcanos algumas vezes são desenhadas como polígonos simples nos quais cada vértice do polígono representa um grupo CH2. Esse método de representação é similar ao usado para os anéis de benzeno. No caso das estruturas aromáticas, cada vértice representa um grupo CH. Os anéis de carbono contendo menos de 5 átomos de C são tensionados porque o ângulo de ligação C – C nos anéis menores deve ser menor que o ângulo tetraédrico de 109,5º. A tensão é aumentada à medida que os anéis ficam menores. No ciclopropano, o ângulo é de apenas é de apenas 60º; essa molécula é, conseqüentemente, muito mais reativa que o propano, seu semelhante na cadeia linear. Os cicloalcanos, particularmente os compostos de anéis pequeno, algumas vezes comportam-se quimicamente como os hidrocarbonetos insaturados.
Cicloehano ciclopentano ciclobutano ciclopropano


  • Reações dos alcanos:

Uma vez que contenham apenas ligações C – C e C – H, muitos alcanos são relativamente não-reativos. À temperatura ambiente, por ex., não reagem com ácidos, bases ou agente oxidantes fortes, não sendo sequer atacados por ácido nítrico fervente. A baixa reatividade química dos alcanos deve-se basicamente à falta de polaridade das ligações C – C e C – H.

Entretanto, os alcanos não são completamente inertes. Uma das suas reações mais importantes comercialmente é a combustão ao ar, a base de seu uso como combustível. Por ex., a combustão completa do etano prossegue como segue:


2 C2H6(g) + 7 O2(g)  4 CO2(g) + 6 H2O(l) ∆H = - 2.855 Kj

3. Alcenos:
São hidrocarbonetos alifáticos, acíclicos e insaturados com uma dupla ligação, sendo também chamados alquenos , hidrocarbonetos olefínicos (originam líquidos oleosos em presença de halogêneos) ou etilênicos (derivam teoricamente do eteno, também conhecido como etileno). Os alcenos são hidrocarbonetos insaturados que contém uma ligação C = C . O alceno mais simples é o CH2 = CH2, chamado eteno (Iupac) ou etileno. O etileno é um hormônio vegetal. Ele tem papel importante na germinação das sementes e no amadurecimento das frutas. O próximo membro da série é CH3 – CH = CH2, chamado propeno ou propileno. Para os alcanos com 4 ou mais átomos de C existem vários isômeros para cada fórmula molecular. O nome dos alcenos são baseados na cadeia contínua mais longa de átomos de C que conte a ligação dupla. O nome dado a cadeia é obtido a partir do nome do alcano correspondente trocando a terminação de –ano para –eno. A localização da ligação dupla ao longo da cadeia do alceno é indicada por um prefixo numérico que designa o número do átomo de C que é parte da ligação dupla e que está mais próximo de um lado da cadeia. A cadeia é sempre numerada do lado que leva a ligação dupla mais rapidamente e, portanto, fornece o menor prefixo numérico. No propeno a única posição possível para a ligação dupla é entre o primeiro e o segundo C; assim um prefixo que indique sua localização torna-se desnecessário. Para o buteno existem duas posições possíveis para a ligação dupla: depois do primeiro carbono (1-buteno) ou depois do segundo carbono (2-buteno).

Metilpropeno 1-buteno cis-2-buteno trans-2-buteno

p.e. = -7ºC p.e. = -6ºC p.e. = +4ºC p.e. = +1ºC

Se uma substância contém duas ou mais ligações duplas, cada uma é localizada por um prefixo numérico. A terminação do nome é alterada para identificar o número de ligações duplas: dieno (duas), trieno (três) etc, por ex., CH2 = CH – CH2 – CH = CH2 é 1,4- pentadieno. Os dois isômeros (cis-2-buteno e trans-2-buteno) diferem nas localizações relativas de seus grupos metil terminais. Esses dois compostos são isômeros geométricos, compostos que tem a mesma fórmula molecular e os mesmos grupos ligados entre si, mas diferem no arranjo espacial dos grupos. No isômero cis os dois grupos metil estão no mesmo lado da ligação dupla, enquanto no isômero trans eles estão em lados opostos. Os isômeros geométricos possuem propriedades físicas distintas e, geralmente, diferem significativamente no comportamento químico. O isomerismo geométrico em alcenos origina-se porque, diferentemente da ligação C – C, a ligação C = C resiste a rotação. Recorde-se que a ligação dupla entre dois átomos de C consiste em uma outra ligação  e uma .

Os principais grupos derivados dos alcenos são chamados vinil e alil, nomes usuais aceitos pela Iupac.


H2C = C – H H2C = C –

H

eteno H


grupo vinil (vinila)


H2C = CH – CH2

grupo alil (alila)

H2C = CH – CH3 – CH = CH – CH3

Propeno grupo 1-propen-1-il (nome usual: propenil (a))

H2C = C – CH3

grupo 1-propen-2-il (nome usual: isopropenil(a))





  • Propriedades físicas dos alcenos

Alcenos até quatro carbonos são gases pouco solúveis em água, porém um pouco mais solúveis que os alcanos correspondentes. Todos os alcenos são menos densos que a água, e suas temperaturas de ebulição e fusão aumentam à medida que cresce a cadeia.

Propriedades físicas de alguns alcenos



Nome

Fórmula

Ponto de fusão (ºC)

Ponto de ebulição (ºC)

eteno

CH2 = CH2

-169

-104

propeno

CH3 – CH = CH2

-185

-47

1-buteno

H2C = CH – CH2 – CH3

-185

-6

1-penteno

CH3 – CH2 – CH2 – CH = CH2

-106

+30




  • Propriedades químicas dos alcenos:

A principal reação química dos alcenos consiste na quebra parcial da ligação dupla, em um processo genericamente denominado reação de adição.

adição


– C = C – + A – B – C – C –
A B
Pelo fato de existirem muitas possibilidades de reações de adição, os alcenos são fontes para a produção de várias substâncias, constituindo-se assim, em matérias-primas muito importantes para as indústrias. O eteno por ex., está em quarto lugar na lista das substâncias mais produzidas no mundo, enquanto o propeno ocupa um considerável nono lugar.

etanol
Solvente, produtos farmacêuticos

polietileno



Plásticos



Eteno


Óxido de etileno




Detergentes, anticongelantes, fibras sintéticas

Cloreto de etila




Propeno

polipropileno

Outros usos
Anestésicos, polímeros, solvente, sínteses orgânicas


Plásticos

Solventes, resinas, produtos farmacêuticos





  • Propriedades bioquímicas dos alcenos:

As propriedades fisiológicas dos alcenos são semelhantes ás dos alcanos. Assim como ocorre com os alcanos gasosos, o etileno pode causar desmaios (e até a morte) por asfixia. Os alcenos de cadeia longa, porém, fazem parte do metabolismo de alguns seres vivos. O 1-octeno, por ex., é encontrado no limão e o octadeceno (C18H36) faz parte do metabolismo no fígado de peixes. Além disso, o etileno é produto do metabolismo de frutas, sendo utilizado para acelerar seu amadurecimento.


  1. Alcinos:

São hidrocarbonetos alifáticos, acíclicos e insaturados com uma tripla ligação, sendo também chamados alquinos e hidrocarbonetos acetilênicos (derivam teoricamente do etino, conhecido como acetileno). Os alcinos são hidrocarbonetos insaturados que contém uma ou mais ligações C  C . Os alcinos que apresentam tripla ligação na extremidade da cadeia são denominados verdadeiros; os que apresentam insaturação entre os demais átomos de C são chamados falsos. Os alcinos, em geral, são moléculas altamente reativas. Por causa de sua alta reatividade, não estão bastante distribuídos na natureza como os alcenos; entretanto, os alcinos são intermediários importantes em muitos processos industriais. Os alcinos, em geral, são poucos solúveis em água, mas dissolvem-se em solventes orgânicos, como o benzeno e o clorofórmio. Ao contrário dos alcanos, os alcinos possuem odor característico, mas também têm ação asfixiante. Eles são nomeados com a identificação da cadeia contínua mais longa na molécula contendo a ligação tripla e com a modificação da terminação do nome, de –ano para –ino.




  • Reações de adição de alcenos e alcinos:

A presença de ligações C – C duplas ou triplas, nos hidrocarbonetos aumenta notavelmente a reatividade química deles. As rações mais características dos alcenos e alcinos são as reações de adição, nas quais um reagente é adicionado aos dois átomos que formam a ligação múltipla. Um ex. simples é a adição de um halogênio como Br2 ao etileno:
H2C = CH2 + Br2  H2C = CH2

Br Br


O par de elétrons que forma a ligação  no etileno não está acoplado e é usado para formar duas novas ligações com átomos de bromo. A ligação  entre os átomos de C é mantida. A adição de H2 ao alceno o converte a um alcano:
Ni, 500ºC

CH3CH = CHCH3 + H2 CH3CH2CH2CH3


A reação entre um alceno e H2, chamada hidrogenação, não ocorre rapidamente sob condições ordinárias de temperatura e pressão. Para promover a reação, é necessário usar um catalisador que auxilie na ruptura da ligação H – H . Os catalisadores mais usados são metais finamente divididos nos quais H2 é adsorvido.

Os haletos de hidrogênio e a água podem, também, ser adicionados à ligação dupla dos alcenos, como ilustrados nas seguintes reações do etileno:


CH2 = CH2 + HBr  CH3CH2Br
H2SO4

CH2 = CH2 + H2O CH3CH2OH


A adição de água é catalisada por um ácido forte, como o H2SO4. As reações de adição dos alcinos lembram as dos alcenos, como mostrado nos seguintes exemplos:
Cl CH3


CH3C  CCH3 + Cl2 C = C




2-butino CH3 Cl

trans-2,3-dicloro-2-buteno

Cl Cl



CH3C  CCH3 + 2Cl2 CH3 – C – C – CH3

2-butino

Cl Cl


2,2,3,3-tretraclorobutano
5. Alcadienos:

São hidrocarbonetos alifáticos, acíclicos e insaturados com duas duplas ligações. Observe que um alcadieno é isômero de um Alcino de mesmo conteúdo carbônico: com fórmula molecular C4H6, podemos ter quatro estruturas planas acíclicas.


H2C = C = CH2 H3C – C  C – CH3

1-butino 2-butino


H2C = C = CH – CH3 H2C = CH – CH = CH2

1,2-butadieno 1,3-butadieno


Os alcadienos são classificados em função da posição das duas duplas ligações em:


  • Alcadienos de duplas acumuladas, quando elas são consecutivas:

H2C = C = CH2

Propadieno



  • Alcadienos de duplas conjugadas, quando elas estão separadas por uma ligação simples:

H2C = CH – CH = CH2

1,3-butadieno


  • Alcadienos de duplas isoladas, quando elas estão separadas por mais de uma ligação simples:

H2C = CH – CH2 – CH2 – CH = CH – CH3



1,5-heptadieno



  1. Hidrocarbonetos aromáticos:

São hidrocarbonetos que apresentam um ou mais núcleos benzênicos. O membro mais simples dessa série é o benzeno (C6H6). A estrutura plana a altamente simétrica do benzeno, com seus ângulos de 120º, sugere alto grau de insaturação. O comportamento químico do benzeno é diferente do dos alcenos e alcinos. O benzeno e outros hidrocarbonetos aromáticos são muito mais estáveis que os alcenos e alcinos porque os elétrons  estão deslocalizados nos orbitais . A cada sistema de anel aromático é dado um nome comum.










CH3
Benzeno Naftaleno Antraceno Tolueno
Provavelmente por ter um odor característico, o benzeno e seus derivados mais simples foram chamados de compostos aromáticos. Embora essa não seja uma propriedade exclusiva dessa substância e alguns desses compostos tenham um odor muito desagradável, esse nome histórico permanece até hoje e serve para designar qualquer substância que possua núcleo benzênico. Os anéis aromáticos são representados por hexágonos com um círculo inscrito para denotar o caráter aromático. Cada vértice representa um átomo de C. Cada C está ligado a três outros átomos – três átomos de C ou dois átomos de C e um de H. Os átomos de H não são mostrados. Apesar de hidrocarbonetos aromáticos serem insaturados, eles não sofrem reações de adição rapidamente. O benzeno, por ex., não adiciona Cl2 ou Br2 às ligações duplas sob condições ordinárias. Em contraste, os hidrocarbonetos aromáticos sofrem reações de substituição de maneira relativamente fácil. Em uma reação de substituição, um átomo de uma molécula é removido e substituído por outro átomo ou grupo de átomos. Os radicais ligados ao núcleo aromático podem ser saturados ou insaturados.



CH3 CH2 – CH3 CH = CH2
Benzeno metilbenzeno (tolueno) etilbenzeno vinilbenzeno (estireno)
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