Química Orgânica: Fundamentos, Estrutura e Nomenclatura

Química Orgânica Básica: Fundamentos, Estrutura e Nomenclatura

A Química Orgânica é o estudo dos compostos de carbono. Os átomos de carbono são únicos em sua capacidade de formar cadeias e anéis muito estáveis, e combinam-se com outros elementos como hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, enxofre e fósforo.

Compreender a química orgânica é essencial para entender a base molecular da química da vida: a Bioquímica.

Visão Geral e Diferenças Fundamentais

As principais diferenças entre compostos orgânicos e inorgânicos devem-se a mudanças na composição, tipo de ligações moleculares e polaridade.

Símbolos e Estruturas Moleculares

Os átomos são normalmente ligados por fortes ligações covalentes, nas quais os átomos compartilham pares de elétrons.

Como o carbono possui quatro elétrons em sua camada de valência, ele pode formar ligações através do compartilhamento, como no caso do metano (CH₄).

Geometria Tetraédrica

A forma molecular é essencial para a compreensão dos fenômenos que ocorrem a nível molecular da vida.

Valências e Capacidades de Ligação

As valências com que outros elementos são encontrados nos compostos orgânicos de células vivas são:

• Hidrogênio (H) = 1
• Oxigênio (O) = 2
• Nitrogênio (N) = 3
• Enxofre (S) = 2
• Fósforo (P) = 5

Um exemplo de combinações diferentes é o metanol, que combina um átomo de carbono, um átomo de oxigênio e quatro átomos de hidrogênio da seguinte maneira:

Características Estruturais dos Compostos Orgânicos

As moléculas orgânicas podem ser lineares ou de cadeia ramificada, de cadeia aberta ou cíclicas, saturadas ou insaturadas, e podem ser carbocíclicas ou heterocíclicas.

• Ligações Simples: Saturadas
• Ligações Duplas ou Triplas: Insaturadas
• Muitas moléculas orgânicas contêm anéis de átomos de carbono.

Um anel de carbono é uma estrutura de três ou mais átomos de carbono que formam um ciclo fechado: compostos cíclicos.

• Se contêm apenas átomos de carbono: Carbocíclicos
• Nem todos os átomos do anel devem ser carbono, podendo ser O, N ou S: Heterocíclicos

Os anéis de compostos cíclicos podem ser condensados em polígonos simples.

Fórmulas estruturais condensadas reduzem o volume com pequeno sacrifício de informações.

  H H
  | |
H-C-C-H
  | |
  H H

CH₃-CH₃ ou H₃C-CH₃

É possível até subentender ligações mais simples. Ex: CH₃CH(CH₃)CH₂CH₂CH₃

Às vezes, os parênteses são utilizados para agrupar estruturas.

Grupos Funcionais

O estudo da química orgânica é organizado em torno de grupos funcionais.

São fragmentos moleculares que incluem átomos de não-metais além de C e H, ou que possuem ligações duplas ou triplas. São os locais específicos nos compostos orgânicos que são mais frequentemente atacados por outros reagentes químicos.

Cada grupo funcional define uma família orgânica.

Embora existam milhões de compostos, há apenas um punhado de grupos funcionais, e cada um define uma família desses compostos.

Os principais grupos funcionais encontrados em organismos vivos são:

1. Grupos Alquila Alifáticos
2. Grupos Hidroxila
3. Grupos Amino
4. Grupos Carbonila
5. Grupos Carboxila
6. Hemiacetais
7. Acetais

Hidrocarbonetos

Compostos por apenas dois elementos: carbono e hidrogênio.

As ligações covalentes entre átomos de carbono podem ser simples, duplas ou triplas.

Os esqueletos de carbono podem formar cadeias ou anéis.

Classificação dos Hidrocarbonetos

• Alcanos: Hidrocarbonetos saturados com apenas ligações simples, podendo ser de cadeia aberta ou fechada.
• Alcenos: Hidrocarbonetos com uma ou mais ligações duplas carbono-carbono, com esqueletos lineares ou cíclicos.
• Alcinos: Hidrocarbonetos com uma ou mais ligações triplas.

Alcanos e Cicloalcanos

Hidrocarbonetos Saturados

Os compostos alifáticos são aqueles que não possuem anéis de benzeno, enquanto os aromáticos os possuem.

Todos os hidrocarbonetos, saturados ou não, possuem propriedades físicas comuns.

São insolúveis em água, devido à sua baixa polaridade.

Aqueles com 1-4 átomos de carbono por molécula geralmente são gases à temperatura ambiente.

Com 5 a 16 átomos de carbono, são líquidos à temperatura ambiente.

Acima disso, são sólidos cerosos.

Nomenclatura de Alcanos

1. Identifica-se a cadeia contínua de átomos de carbono mais longa na estrutura, que será a cadeia principal para a nomenclatura.
2. Adiciona-se um prefixo ao sufixo '-ano' para especificar o número de átomos de carbono na cadeia principal. Os prefixos, até C-10, são:
   • met- (1 C)
   • et- (2 C)
   • prop- (3 C)
   • but- (4 C)
   • pent- (5 C)
   • hex- (6 C)
   • hept- (7 C)
   • oct- (8 C)
   • non- (9 C)
   • dec- (10 C)
3. No caso dos cicloalcanos, a nomenclatura é a seguinte: Ciclopropano, Ciclobutano, Ciclohexano, etc.
4. Os números são atribuídos a cada carbono da cadeia principal, começando pela extremidade que atribui o menor número possível ao primeiro substituinte.
5. Determina-se o nome correto de cada ramificação (ou qualquer outro átomo ou grupo).
6. Qualquer ramificação composta apenas por carbono e hidrogênio, que possui apenas ligações simples, é chamada de grupo alquila. Os nomes desses grupos terminam em '-il' e podem ser considerados como um alcano com um hidrogênio a menos.
7. O nome do grupo alquila ou de outro substituinte é adicionado como prefixo, com o número de sua localização, antes do nome final. O número e o nome são separados por um hífen.
8. Se dois ou mais grupos estiverem ligados à cadeia principal, cada um é designado e localizado com um número. A nomenclatura IUPAC sempre usa hífens para separar números de palavras e classifica os nomes dos grupos alquila em ordem alfabética antes do nome final.
9. Quando há dois ou mais substituintes idênticos, utilizam-se os prefixos di- (dois), tri- (três), tetra- (quatro), etc., e especifica-se o número de localização de cada grupo. Os números são sempre separados por vírgulas.
10. Quando há grupos idênticos no mesmo carbono, o número de localização é repetido em seu nome.
11. Para nomear um cicloalcano, o prefixo 'ciclo-' é colocado antes do nome do alcano de cadeia aberta com o mesmo número de átomos de carbono no anel.
12. Quando necessário, os átomos do anel são numerados, atribuindo-se o número 1 à posição do carbono que possui um substituinte, e seguindo a direção em que o próximo substituinte está mais próximo do carbono 1.

Propriedades Químicas dos Alcanos

• Combustão
• Reações de Substituição (Halogenação)

Combustão de Alcanos

Todos os alcanos são capazes de combustão, e de determinadas misturas de alcanos, energia é obtida.

CH₃CH₂CH₃ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O

Liberam 531 kcal/mol de propano.

Halogenação de Alcanos

Metano, etano e outros alcanos reagem com os três primeiros membros da família dos halogênios: flúor, cloro e bromo. Não reagem significativamente com o iodeto. A reação geral pode ser expressa como segue:

RH + X₂ → R-X + HX

Onde X = F, Cl, Br.

Hidrocarbonetos Insaturados

Nomenclatura de Alcenos

1. Utiliza-se o sufixo '-eno' para todos os alcenos e cicloalcenos.
2. Como prefixo, conta-se o número de átomos de carbono na sequência mais longa que contém a ligação dupla. Em seguida, utiliza-se o mesmo prefixo que seria aplicável se o composto fosse saturado.
3. Para alcenos de cadeia aberta, a cadeia principal é numerada a partir da extremidade que atribui o menor número à primeira ligação dupla de carbono. Esta regra dá prioridade à numeração da ligação dupla sobre a localização dos substituintes na cadeia principal.
4. Para cicloalcenos, deve-se sempre atribuir a posição 1 e 2 aos carbonos da ligação dupla. Para decidir qual carbono recebe o número 1, a numeração deve seguir a direção que atribui o menor número ao primeiro substituinte.

Propriedades Químicas de Alcenos

Reações de Adição

A ligação dupla carbono-carbono permite a adição de H₂, Cl₂, HX, H₂SO₄ e H₂O, e é atacada por agentes oxidantes fortes.

• O hidrogênio se liga a uma ligação dupla, saturando-a.
• O efeito da hidrogenação ocorre a nível molecular em sistemas biológicos.
• Cloro e bromo também são adicionados às ligações duplas.
• Cloreto de hidrogênio, brometo de hidrogênio (compostos HX assimétricos) e ácido sulfúrico são facilmente adicionados às ligações duplas.
• A água é adicionada à ligação dupla para produzir álcool. Isso ocorre na presença de um catalisador (ácido ou uma enzima apropriada).
• A ligação dupla carbono-carbono torna a molécula suscetível ao ataque de agentes oxidantes fortes.
• Os produtos de oxidação podem ser cetonas, ácidos carboxílicos, dióxido de carbono ou misturas destes. (Alcanos são inertes a agentes oxidantes).

Alcinos

Hidrocarbonetos insaturados com ligações triplas.

Nomenclatura de Alcinos

O sufixo é '-ino'.

As posições dos grupos substituintes ramificados e dos alcinos substituídos também são indicadas por números.

Reações de Alcinos

Como a ligação tripla possui características semelhantes à ligação dupla, os alcinos reagem de forma similar aos alcenos em reações de adição.

Benzeno e Compostos Aromáticos

O anel de benzeno sofre reações de substituição, em vez de adição, apesar do seu alto grau de insaturação.

Nomenclatura de Compostos Aromáticos

Os nomes de benzenos monossubstituídos são diretos. O substituinte é indicado por um prefixo à palavra 'benzeno'. Por exemplo: nitrobenzeno, fluorobenzeno, clorobenzeno.

Exemplo: 1,3,5-tribromobenzeno.

Orto (o-), meta (m-) e para (p-) são termos usados para indicar as posições 1,2-, 1,3- e 1,4-, respectivamente. Por exemplo: o-diclorobenzeno, m-diclorobenzeno, p-diclorobenzeno.

Grupos Funcionais Específicos

Grupo Hidroxila (-OH)

Quando ligado a uma cadeia de hidrocarbonetos, produz um composto chamado álcool. São nomeados com o sufixo '-ol'.

Exemplo: Etanol (CH₃CH₂OH). Os carboidratos possuem vários grupos -OH.

Grupo Amino (-NH₂)

Estes compostos são aminas. Eles derivam da substituição parcial ou total dos hidrogênios da amônia (NH₃). São nomeados com o sufixo '-amina' (aminas alquílicas).

O grupo é hidrofílico e reativo, e o hidrogênio pode ser substituído por outros grupos.

Exemplos: propilamina, ciclohexilamina.

Grupo Carbonila (C=O)

É um dos grupos mais importantes e reativos, tanto em células quanto na química orgânica em geral.

Existem dois principais tipos de compostos carbonílicos:

• Aldeídos: Possuem o grupo -C=O ligado a um hidrogênio e a um radical orgânico (R-CHO).
• Cetonas: Possuem o grupo -C=O ligado a dois radicais orgânicos (R-CO-R'), ou seja, o grupo carbonila está no meio de uma cadeia de hidrocarbonetos.

Grupo Carboxila (-COOH)

O termo 'carboxila' vem da combinação de 'carbonila' e 'hidroxila'.

São nomeados usando o sufixo '-oico'.

Exemplos: ácido metanoico (HCOOH), ácido etanoico (CH₃COOH), ácido propanóico (CH₃CH₂COOH).

Derivados de Ácidos Carboxílicos

• Cloreto de Acila (ou Cloreto de Ácido): R-COCl
• Anidrido de Ácido: R-CO-O-CO-R'
• Éster: R-COOR'
• Nitrila: R-C≡N

Regras de Prioridade na Nomenclatura

A ordem de prioridade para a nomeação de grupos funcionais é:

1. Ácido Carboxílico
2. Amida
3. Aldeído
4. Cetona
5. Álcool
6. Amina
7. Ligação Dupla
8. Ligação Tripla
9. Alcano
10. Halogeneto

Hemiacetais e Acetais

Hemiacetais: São formados a partir da reação de um aldeído ou cetona com um álcool.

Acetais: São formados a partir de um hemiacetal com outra molécula de álcool.

Estes grupos são particularmente importantes na química de carboidratos.

    OR   OH   H
R-C=O → R-C-OR → R-C-OR
    H    H    OR

Isomeria

Compostos diferentes com a mesma fórmula molecular.

Classificação dos Isômeros

• Isômeros Constitucionais: Isômeros cujos átomos possuem uma conectividade diferente.
• Estereoisômeros: Isômeros que possuem a mesma conectividade, mas diferem no arranjo de seus átomos no espaço.
  • Enantiômeros: Estereoisômeros que não são sobreponíveis e são imagens de espelho um do outro.
  • Diastereoisômeros: Estereoisômeros que não são imagens de espelho um do outro.
  • Epímeros: Diferem na configuração de um único carbono quiral.
  • Anômeros: Diferem na configuração do carbono hemiacetal (carbono anomérico).