Introdução à Química dos compostos de carbono 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:

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: 4 ligações simples (4 ligações sigma, ) 2 ligações duplas (2  e 2 ) 2 ligações simples (2 ) 1 ligação dupla (1  e 1 ) 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.

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.

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.

Oxigênio (O): faz 2 ligações covalentes, é bivalente. Nitrogênio (N): faz 3 ligações covalentes, é trivalente.

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.

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.

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 p p p s p q t p p s s t p p s s p 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.

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.

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.

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.

4ª) Quanto à natureza dos átomos Cadeia homogênea: não possui heteroátomo (átomo diferente de carbonos entre dois carbonos). Cadeia heterogênea: possuem heteroátomo.

Observações 1ª) É importante entender que as quatro classificações anteriores são independentes, isto é, uma não exclui a outra.

Exemplos

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).

O anel benzênico forma os denominados compostos aromáticos, que se subdividem em: a) compostos aromáticos mononucleares ou mononucleados, quando contém um único anel benzênico.

b) compostos aromáticos polinucleares ou polinucleados, quando contém vários anéis benzênicos. Se subdividem em: polinucleares isolados anéis não possuem átomos de carbono em comum. polinucleares condensados quando os anéis possuem átomos de carbono em comum.

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:

Resumo

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.

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.

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.

Por causa da ressonância, a maneira mais usada para representar o benzeno é: Em que o círculo central indica a ressonância.