Química orgânica

Química orgânica

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Se, no entanto, um elétron do orbital 2s for transferido para o orbital 2pz vazio, o carbono passará a ter quatro elétrons desemparelhados (estado excitado), sendo, portanto, capaz de fazer quatro ligações. Desse modo, explica-se a tetra valência do átomo de carbono.

Porém, se os átomos de hidrogênio se ligassem aos orbitais 2s, 2px, 2py e 2pz, os ângulos entre as ligações H-C-H não seriam de 109,47º, (tetraedro), pois o ângulo entre os orbitais p é de 90º. Também não seriam iguais todos os comprimento das ligações C-H, pois o orbital 2s possui raio diferente dos orbitais 2p. O que acontece, na verdade, é uma hidridação dos orbitais s e p, dando origem a quatro novos orbitais denominados híbridos sp3. Esses orbitais são todos iguais, e o ângulo entre eles é de 109,47º, conforme representado na Figura 4.

Figura 4. Hibridização sp3. a) orbitais não hibridizados s e p. b) quatro orbitais hibridizados sp3. c) arranjo tetraédrico de todos orbitais sp3 em torno do átomo de carbono, ângulo entre os orbitais de 109,47º.

Como na molécula de metano, todo carbono que se encontrar ligado a quatro outros átomos ou grupo de átomos apenas por meio de ligações σ, terá hibridação sp3, ou seja, geometria tetraédrica. Tetracloreto de carbono, por exemplo, tem a mesma geometria do metano.

Além do carbono, outros elementos como o oxigênio e o nitrogênio também podem ter hibridação sp3. Nestes dois casos, as distribuições eletrônicas antes e depois da hibridação dos orbitais são as seguintes:

Hibridação sp3

N Hibridação sp3

Figura 5. Hibridização sp3 do átomo de oxigênio e nitrogênio. Nota: o átomo de oxigênio possui dois pares de elétrons desparelhados e o nitrogênio apenas um.

O mesmo tipo de hibridização que explica a estrutura do metano também explica como os átomos de carbono podem-se ligar uns aos outros em cadeias e anéis para tornar possível tantos milhões de compostos orgânicos. O etano, C2H6, é a molécula mais simples que contém uma ligação carbono-carbono:

Podemos ter uma idéia da molécula do etano ao imaginar dos dois átomos de carbono ligados entre si por uma sobreposição σ de um orbital híbrido sp3 proveniente de cada átomo. Os três orbitais híbridos sp3 remanscentes de cada carbono se sobrepõem com os orbitais 1s do hidrogênio para formar seis ligações C-H.

A hibridização sp3 é o estado eletrônico mais comum do carbono, mas não é a única possibilidade. Verificamos, que existem muitos compostos orgânicos importantes nos quais os átomos de carbono compartilham mais que dois elétrons com outro átomo. Nas moléculas desses compostos, algumas ligações que são formadas são ligações covalentes múltiplas. Quando dois átomos de carbono compartilham dois pares de elétrons, por exemplo, o resultado é uma ligação dupla carbono-carbono. Os hidrocarbonetos cujas moléculas contêm um ligação dupla carbono-carbono, são chamados de alcenos.

O arranjo espacial dos átomos dos alcenos é diferente dos alcanos. Os seis átomos de eteno são coplanares e o arranjo dos átomos em torno de cada átomo de carbono é triangular (Figura 6).

Figura 6. Hibridização sp2. a) orbitais não hibridizados s e p. b) Três orbitais hibridizados sp2 (2 orbitais p e 1 s). c) arranjo triangular de todos orbitais sp2 em torno do átomo de carbono, ângulo entre os orbitais de 120º. d) adição do orbital p não hibridizado, coplanar.

Um modelo satisfatório para a ligação dupla carbono-carbono, pode ser baseado nos átomos de carbono hibridizados sp2. A mistura de orbitais que fornece os orbitais sp2 para nosso modelo pode ser visualizada abaixo:

O orbital 2s é hibridizado com dois dos orbitais 2p. Um orbital 2p permanece não-hibridizado. Um elétron então é colocado em cada um dos orbitais híbridos sp2 e um elétron continua no orbital 2s.

Os três orbitais sp2, resultantes da hibridização, são direcionados para os cantos de um triângulo regular (com ângulos de 120º entre si). O orbital p do carbono que não é hibridizado está perpendicular ao plano do triângulo formado pelos orbitais híbridos. Quando dois orbitais hibridizados sp2 se aproximam um do outro, eles formam uma ligação σ através da sobreposição sp2-sp2 de acordo com a teoria de ligação de valência (teoria de ligação de valência: uma ligação covalente forma quando dois átomos se aproximam tão perto um do outro que o orbital ocupado de um átomo se sobrepõe ao orbital ocupado do outro átomo). Ao mesmo tempo, os orbitais p não-hibridizados se aproximam com uma geometria correta para que ocorra uma sobreposição lateral, originando a formação de um ligação pi (pi). A combinação de uma ligação σ sp2-sp2 e uma ligação pi 2p-2p resulta no compartilhamento de quatro elétrons e na formação de uma dupla ligação carbono-carbono, Figura 7.

Figura 7. Ligação de dois átomos de carbono com hibridização sp2.

O modelo σ-pi para a ligação dupla carbono-carbono é também responsável por uma propriedade importante da ligação dupla: Há uma grande barreira de energia à rotação, associada aos grupos unidos pela ligação dupla. Estimativas baseadas em cálculos termodinâmicos indicam que a força de uma ligação pi é de 264 kJ mol-1. Esta então é a barreira á rotação da ligação dupla.

Ela é visivelmente mais elevada do que a barreira rotacional dos grupos unidos pelas ligações simples carbono-carbono (13-26 kJ mol-1). Enquanto os grupos unidos pelas ligações simples giram de modo relativamente livre à temperatura ambiente, isso não acontece àqueles unidos pelas ligações duplas.

Além da formação de ligações simples e duplas pelo compartilhamento de dois e quatro elétrons, respectivamente, o carbono também pode formar uma tripla ligação pelo compartilhamento de seis elétrons. Para explicar a ligação tripla em um molécula como o etino (acetileno), C2H2, precisamos de um terceiro tipo de orbital híbrido, um híbrido sp.

Imagine que, em vez de combinar com dois ou três orbitais p, o orbital 2s do carbono hibridiza apenas com um único orbital p. Surgem dois orbitais híbridos sp e dois orbitais p permanecem inalterados. Os dois orbitais sp são lineares ou estão afastados um do outro em 180º no eixo x, enquanto os dois orbitais p remanescentes situados nos eixos y e z são perpendiculares, conforme Figura 8.

Figura 8. Hibridização sp. a) orbitais não hibridizados s e p. b) dois orbitais hibridizados sp (1 orbitais p e 1 s). c) arranjo linear dos dois orbitais sp em torno do átomo de carbono, ângulo entre os orbitais de 180º. d-e) adições dos orbitais p não hibridizados, perpendicular ao orbital híbrido.

Quando dois átomos de carbono hibridizados sp aproximam-se um do outro, os orbitais híbridos sp de cada carbono se sobrepõem frontalmente para formar uma ligação σ forte sp-sp. Além do mais, os orbitais pz de cada átomo de carbono formam uma ligação pi pz-pz através da sobreposição lateral, e os orbitais py se sobrepõe de forma análoga para formar uma ligação pi py-py. O efeito total é o compartilhamento de seis elétrons e a formação da ligação tripla carbono-carbono. Cada um dos orbitais híbridos sp remanescente formam um ligação σ com o hidrogênio para completar a molécula de etino (acetileno) (Figura 9).

Figura 9. Ligação de dois átomos de carbono com hibridização sp. 20

3. LIGAÇÕES COVALENTES CARBONO-CARBONO

A capacidade do carbono de formar ligações covalentes fortes com outros átomos de carbono é a propriedade que, mais do que qualquer outra, justifica a existência de um campo de estudo chamado química orgânica.

3.1. HIDROCARBONETOS

Hidrocarbonetos, como o sugere o nome, são compostos cujas moléculas contêm apenas átomos de carbono e hidrogênio. Metano (CH4) e etano (C2H6) são hidrocarbonetos. Eles também pertencem a um subgrupo de hidrocarbonetos conhecidos como alcanos, cujos membros não possuem ligações múltiplas entre os átomos de carbono. Hidrocarbonetos cujas moléculas possuem uma ligação dupla carbono-carbono são chamados alcenos e aqueles com uma ligação tripla são chamados alcinos. Hidrocarbonetos que contêm um anel especial, são chamados hidrocarbonetos aromáticos.

Geralmente, compostos como os alcanos, cujas moléculas possuem apenas ligações simples, são chamados de compostos saturados pois contêm o número máximo de átomos de hidrogênio que um composto de carbono pode possuir. Compostos com ligações múltiplas, tais como alcenos, alcinos e hidrocarbonetos aromáticos, são chamados de compostos insaturados pois possuem menos que o número máximo de átomos de hidrogênio, podendo ser hidrogenados em condições apropriadas.

Alcanos - As principais fontes de alcanos são o gás natural e o petróleo. Os alcanos menores (metano até butano) são gases a temperatura ambiente. Os alcanos de maior peso molecular são obtidos principalmente através do refinamento do petróleo.

Alcenos - Eteno e propeno, os dois alcenos mais simples, estão entre os mais importantes produtos químicos industriais produzidos nos Estados Unidos. A cada ano as indústrias químicas produzem mais de 15 milhões de toneladas de eteno e cerca de 7,5 milhões de toneladas de propeno. Eteno é usado como matéria-prima para a síntese de diversos compostos industriais, incluindo etanol, óxio de etileno, etanal e o polímero polietileno. Propeno é usado na preparação do polímero polipropileno e, além de outros usos, o propeno é a matéria-prima para a síntese de acetona e cumeno.

Eteno também ocorre na natureza como hormônio de plantas. É produzido naturalmente por frutos tais como tomates e bananas, estando ainda envolvido no processo de amadurecimento dessas frutas. Hoje em dia se faz muito uso de eteno no comércio de frutas para causar o amadurecimento de tomates e bananas colhidos ainda verdes, já que frutas verdes são menos suscetíveis a danos durante o transporte.

Alcinos – O Alcino mais simples é o etino (também chamado acetileno). Alcinos ocorrem na natureza e podem ser sintetizados em laboratório. Um exemplo de aplicação do acetileno é a produção do PVC (policloreto de vinila), etanol e ácido acético.

Hidrocarboneto aromático – São hidrocarbonetos cíclicos insaturados. Um exemplo é o composto conhecido como benzeno. O benzeno é utilizado amplamente na industria de polímeros, solventes, defensivos agrícolas e indústria química em geral.

3.2. LIGAÇÕES COVALENTES POLARES

Os hidrocarbonetos possuem apenas ligações C-C e C-H, isto é, ligações com pouca ou nenhuma diferença de eletronegatividade entre os átomos ligados. Logo veremos o grupo de átomos chamados grupos funcionais. Muitos grupos funcionais contêm átomos de eletronegatividade diferentes. Quando dois átomos de eletronegatividade diferentes formam uma ligação covalente, os elétrons não são divididos igualmente entre eles. O átomo com maior eletronegatividade (figura 1), puxa o par de elétrons para si, resultando em uma ligação covalente polar.

Figura 1. Tabela de eletronegatividade dos átomos. Exemplo:

La Ac

H Cl δ-δ+

Como o átomo de cloro possui uma eletronegatividade maior, puxa os elétrons para si. Isso torna o átomo de hidrogênio deficiente de elétrons e dá a ele uma carga positiva e uma carga negativa ao cloro. A molécula com extremidades com cargas é uma molécula com dipolo e que possui um momento de dipolo (µ).

De maneira geral: - As ligações entre átomos com valores de eletronegatividade próximos são ligações covalentes apolares. - Ligações entre átomos cujos valores de eletronegatividade diferem menos de duas unidades são ligações covalentes polares. - Ligações entre átomos cujos valores diferem de duas ou mais unidades são iônicas.

3.3. MOLÉCULAS POLARES E APOLARES

Quando observamos moléculas diatômicas simples é fácil verificarmos a polaridade da molécula. Para moléculas orgânicas com mais átomos podem se avaliar da mesma forma, porém considerando todas as ligações entre os átomos.

Figura 12. Polaridade da molécula avaliando a eletronegatividade de cada átomo.

Esse deslocamento do par de elétrons para o átomo mais eletronegativo e freqüentemente chamado de Efeito indutivo. Esses efeitos indutivos têm uma importância grande na reatividade química, influenciando as ligações químicas e propriedades físicas.

A polaridade das moléculas é um resultado do somatório vetorial das polaridades individuais das ligações e das contribuições dos elétrons isolados na molécula.

A polaridade resultante é chamada de momento de dipolo, µ. Que é calculado considerando as cargas resultantes produzidas pelos efeitos indutivos.

O momento dipolo é uma propriedade física que pode ser medida experimentalmente. É definida como o produto da magnitude da carga em unidades eletrostáticas (ue) e a distância que as separa em centímetros (cm)

Momento de dipolo = carga (ue) x distância (cm) µ = Q x r

As cargas estão tipicamente na ordem de 10-10 ue e as distâncias estão na ordem de 10-8 cm. Conseqüentemente, os momentos de dipolo estão tipicamente na ordem de 10-18 ue cm. Por conveniência, esta unidade, 1 × 10-18 ue cm, é definida como um debye e é abreviada como D.

C Cl

ClCl Cl

4. GRUPOS FUNCIONAIS

A habilidade do carbono em formar quatro ligações fortes com outros átomos de carbono, bem como com H, O, S e N, fornece a versatilidade necessária à estrutura, que torna possível a existência de um vasto número de moléculas diferentes presentes em organismos vivos complexos. Os inúmeros compostos orgânicos podem ser organizados em famílias chamados grupos funcionais.

São esses grupos funcionais que determinam a maioria das propriedades químicas e físicas de cada família, Tabela 2.

Tabela 2. Principais grupos funcionais.

continuação

Grupo alquila: São provenientes dos alcanos. Existem para facilitar a nomenclatura dos compostos. São grupos que seriam obtidos pela remoção de um átomo de hidrogênio de um alcano, Tabela 3:

Tabela 3. Grupo alquila, nomenclatura e abreviações.

Alcano Grupo alquila Abreviação

CH4 (metano)CH3- (Grupo metila)Me- CH3CH3 (etano)CH3CH2- (Grupo etila)Et- CH3CH2CH3 (propano)CH3CH2CH2-

(Grupo propila)

Pr-

CH3CH2CH3 (propano)CH3CHCH3 (Grupo isopropila) i-Pr-

CH3CH2CH2CH3 (Butano)CH3

CH3-C-CH3 (Grupo terc-butila)

Freqüentemente é utilizado um simbolo (R) que representa qualquer grupo alquila em um composto orgânico. Assim a fórmula geral para um alcano é R-H.

Grupo fenila e benzila: Quando o anel do benzeno está ligado a algum outro grupo de átomos em uma molécula ele é chamado de grupo fenila.

A combinação de um grupo fenila e um grupo –CH2- são chamados de grupo benzila.

Haletos de alquila ou haloalcanos: São compostos nos quais um átomo halogênio (F, Cl, Br ou I) substitui um átomo de hidrogênio de um alcano.

Exemplo: CH3Cl (cloreto de metila); CH3CH2Cl (Cloreto de etila). Os haletos de alquila são classificados como primários, secundários ou terciários. Esta classificação refere-se ao átomo de carbono ao qual o halogênio está diretamente ligado.

Álcoois: O grupo funcional característico para esta família é a hidroxila (-OH) ligada a um átomo de carbono com hibridização sp3.

Os álcoois podem ser reconhecidos estruturalmente de dois modos: a) como derivados hidroxi de alcanos; b) Como derivados alquilados da água.

(a)(b)

Assim como os haletos de alquila, os álcoois são classificados em três grupos: primários, secundários e terciários. Esta classificação baseia-se no grau de substituição do carbono ao qual o grupo hidroxila está diretamente ligado, de modo análogo ao haleto de alquila.

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