Aula 6 - Geometria Molecular e Funções Orgânicas I

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Geometria Molecular

sp

sp2

sp3

(50% s)

(33% s)

(25% s)

Comparação dos ângulos e comprimento de ligações para o etano, eteno (etileno) e etino (acetileno) – as ligações mais curtas estão

associadas aos orbitais com maior caráter “s”. 1

Geometria Molecular

A estrutura tetraédrica do metano permite a separação máxima dos quatro pares de elétrons ligantes (ângulos das ligações = 109,5) 2

Geometria Molecular VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) theory “Teoria da Repulsão entre os Pares de Elétrons da Camada de Valência”

107,3o 107,3o

107,3o

A estrutura pirâmide trigonal da amônia permite que o par de elétrons não ligante ocupe um dos vértices de um tetraedro regular (ângulos das ligações = 107,3) 3

Geometria Molecular VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) theory “Teoria da Repulsão entre os Pares de Elétrons da Camada de Valência”

A estrutura angular da água permite que os dois pares de elétrons não ligantes atinjam um arranjo “aproximadamente” tetraédrico (ângulo da ligação ≈ 105) 4

Geometria Molecular VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) theory “Teoria da Repulsão entre os Pares de Elétrons da Camada de Valência” Pares de elétrons não ligantes ocupam maior volume e exercem forças de repulsão maiores do que os orbitais de ligação com o hidrogênio (por ex.).

5

Geometria Molecular VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) theory “Teoria da Repulsão entre os Pares de Elétrons da Camada de Valência”

A estrutura triangular (trigonal planar) do trifluoreto de boro (BF3) permite uma separação máxima dos três pares de elétrons ligantes

(ângulo da ligação = 120)

6

Geometria Molecular VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) theory “Teoria da Repulsão entre os Pares de Elétrons da Camada de Valência”

O

C

O

H Be H

O

C O 180o

180o H Be H

A estrutura linear da CO2 e do BeH2 permite que os quatro elétrons de cada dupla ligação fiquem em posições opostas (ângulo da ligação = 180) 7

Geometria Molecular VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) theory “Teoria da Repulsão entre os Pares de Elétrons da Camada de Valência” Estrutura de moléculas segundo a teoria VSEPR Número de pares de elétrons no átomo central

Não Ligante

Total

Estado de hibridização do átomo central

2

0

2

sp

Linear

CO2, BeH2

3

0

3

sp2

Trigonal planar

BF3, BH3, CH3+

4

0

4

sp3

Tetraédrica

CH4, NH4+

3

1

4

~sp3

Trigonal piramidal

NH3, CH3-

2

2

4

~sp3

Angular

H2O

Ligante

Estrutura da molécula *

Exemplos

* Se refere somente às posições dos átomos excluindo-se os elétrons.

8

Geometria Molecular VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) theory “teoria da Repulsão entre os Pares de Elétrons da Camada de Valência” A substituição do H do metano (CH4) por halogênios (Cl, Br, I) não afeta muito o ângulo entre as ligações H-C-H.

Isto é devido ao comprimento da ligação química entre C – X (X= Cl, Br, I). Em outras palavras, o halogênio fica tão longe do átomo de C que não interfere no ângulo da ligação H-C-H 9

Ligações em haletos de hidrogênio

10

Comprimento e energia de ligações

11

Hibridização em outros átomos Ânion borohidreto (BH4-), metano (CH4) e cátion amônio (NH4+) O que possuem em comum? São isoeletrônicos, possuem o mesmo número de elétrons ligantes (oito).

Podemos considerar que todos possuem o átomo central com hibridização sp3.

12

Hibridização de outros átomos Compostos com três ligações, como o borano (BH3). Qual é a hibridização do átomo central? O boro no BH3 possui hibridização sp2, pois está fazendo ligação com os três átomos de H (ligação B sp2 – H s). Na hora de povoar o orbital de menor energia (“to populate the lowest energy orbital”) para ganhar maior estabilidade, precisamos lembrar que o sp2 é mais estável que o sp3. Possui maior caráter s. O orbital vazio é o que tem maior energia (orbital p comparado com o sp3). Outra forma de pensar: se é preciso deixar um orbital vazio, que este seja o de mais alta energia, pois ele está vazio e não afeta a estabilidade da molécula. 13

Hibridização de outros átomos Compostos com três ligações, como o cátion metilo CH3+. Qual é a hibridização do átomo central?

O C no CH3+ possui hibridização sp2, pois está fazendo ligação com os três átomos de H (ligação C sp2 – H s). Semelhante ao borano (BH3). sp2 é mais estável que o sp3. Possui maior caráter s.

O orbital vazio é o que tem maior energia (orbital “p” comparado com o “sp3”). 14

Hibridização de outros átomos Compostos com três ligações, como a amônia, NH3. Qual é a hibridização do átomo central?

Amônia não é isoeletrônica ao BH3 e CH3+. Possui 8 elétrons no total, sendo 6 elétrons derivados da ligação N-H. Resta um par de elétrons não ligante.

O par de elétrons não ligante é colocado em um orbital mais estável (sp3 comparado com o orbital p). Este par de elétrons contribui para a energia da amônia.

15

Hibridização de outros átomos – S (enxofre) Metanotiol

Dimetil sulfeto

Nestes compostos o átomo de S possui hibridização sp3, mas os ângulos de ligação são menores do que um tetraedro normal (109,5 o) devido a repulsão dos elétrons não ligantes.

16

Hibridização de outros átomos – P (fósforo) Metil fosfato

~ 110o

Nos organofosfatos, o átomo P possui hibridização sp3

17

Hibridização de orbitais “d”

Fósforo e enxofre podem expandir o octeto da camada externa. Por exemplo, fósforo frequentemente forma 5 ligações covalentes e enxofre ocasionalmente faz 4 ligações. 18

19

20

21

Localizam-se na posição equatorial

Localizam-se na posição axial

22

Breve visão das principais funções orgânicas

23

Estrutura dos Hidrocarbonetos

A presença do grupo funcional determina o modo que a molécula atua quimicamente e biologicamente.

24

Estrutura dos Hidrocarbonetos

A estrutura do hidrocarboneto é feita de cadeias e anéis de átomos de carbono e atua como suporte para os grupos funcionais

Uma cadeia

Um anel

Uma cadeia ramificada

25

Desenhando moléculas Estrutura do ácido linoleico por raios X

A estrutura não é linear

Para sermos econômicos

26

Desenhando moléculas

Posso representar a leucina de diversas formas:

27

Exemplo de diversas moléculas

28

Desenhando moléculas

Para trás do plano

Para frente do plano

29

Hidrocarbonetos

30

Parte 1

31

Nomes IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry): Sistema formal de nomenclatura de compostos orgânicos.

Os quatro primeiros são denominados metano, etano, propano e butano, nomes mantidos por tradição. A partir de 5 átomos de carbono, acrescentamos a terminação “ano” ao prefixo grego (ou latino) que indica o número de carbonos do alcano. 32

Nomes do Alcanos Lineares (CnH2n+2) pela IUPAC Número de Carbonos (n)

Nome

Fórmula

Número de

(CnH2n+2)

Carbonos (n)

Nome

Fórmula (CnH2n+2)

1

Metano

CH4

17

Heptadecano

C17H36

2

Etano

C2H6

18

Octadecano

C18H38

3

Propano

C3H8

19

Nonadecano

C19H40

4

Butano

C4H10

20

Eicosano*

C20H42

5

Pentano

C5H12

21

Henicosano

C21H44

6

Hexano

C6H14

22

Docosano

C22H46

7

Heptano

C7H16

23

Tricosano

C23H48

8

Octano

C8H18

30

Triacontano

C30H62

9

Nonano

C9H20

31

Hentriacontano

C30H62

10

Decano

C10H22

40

Tetracontano

C40H82

11

Undecano

C11H24

50

Pentacontano

C50H102

12

Dodecano

C12H26

60

Hexacontano

C60H122

13

Tridecano

C13H28

70

Heptacontano

C70H142

14

Tetradecano

C14H30

80

Octacontano

C80H162

15

Pentadecano

C15H32

90

Nonacontano

C90H182

16

Hexadecano

C16H34

100

Hectano

C100H202

* Também encontrado como “icosano” (C20H42). 33

Do inglês para o português: trocar o final “ane” por “ano”. Methane → metano

Cyclopropane - ciclopropano

34

NOMENCLATURA IUPAC

DE

GRUPOS ALQUILO

Grupos Alquilo: -ano  -ilo (alcano  alquilo)

Alcano CH3—H Metano CH3CH2—H Etano CH3CH2CH2—H Propano CH3CHCH3 | H

Grupo Alquilo torna-se

torna-se

torna-se

torna-se

CH3— Metilo CH3CH2— Etilo CH3CH2CH2— n-Propilo CH3CHCH3 |

Abreviação Me–

Et–

n-Pr–

i-Pr–

Isopropilo

Todos esses grupos alquílicos podem ser designados por “R”

35

NOMENCLATURA IUPAC

DE

GRUPOS ALQUILO

Grupos Alquilo: -ano  -ilo (alcano  alquilo)

Alcano

CH3CH2CH2CH2—H n-Butano CH3CH2CHCH3 | H (CH3)2CHCH2—H Isobutano (CH3)3C—H Isobutano

Grupo Alquilo

torna-se

torna-se

CH3CH2CH2CH2— n-Butilo CH3CH2CHCH3 |

Abreviação

n-Bu–

s-Bu–

sec-Butilo torna-se torna-se

(CH3)2CHCH2— Isobutilo (CH3)3C— terc-Butilo

i-Bu– t-Bu–

Algumas vezes, aparece como tert-Butilo, mas a pronúncia é tércio-butilo

36

NOMENCLATURA IUPAC

DE

GRUPOS ALQUILO

Grupos Alquilo: -ano  -ilo (alcano  alquilo)

Alcano CH3(CH2)3CH2—H Pentano CH3(CH2)4CH2—H Hexano

Grupo Alquilo

torna-se torna-se

CH3(CH2)5CH2—H Heptano

CH3(CH2)3CH2— Pentilo CH3(CH2)4CH2— Hexilo CH3(CH2)5CH2—

torna-se

Heptilo

37

NOMENCLATURA IUPAC

DE

ALCANOS RAMIFICADOS

1. Localize a cadeia continua mais longa (cadeia principal) de átomos de

carbono (esta cadeia com n carbonos dará o nome do alcano principal) contendo alguns átomos de hidrogênios substituídos por grupos alquilo:

2. Enumere a cadeia principal começando pela parte que se encontra mais próxima do grupo substituinte:

38

NOMENCLATURA IUPAC

DE

ALCANOS RAMIFICADOS

3. Use os números encontrados pela aplicação da regra 2 para designar a

localização do grupo substituinte:

a) O nome principal é colocado por último. O nome do grupo substituinte é colocado no início, precedido pelo número que indica a sua localização na cadeia principal. b) Para formar esses nomes deve-se omitir a letra “o” final dos grupos alquilo. Por exemplo: é 2-metilpentano e não 2-metilopentano 39

NOMENCLATURA IUPAC

DE

ALCANOS RAMIFICADOS

4. Quando dois ou mais substituintes estão presentes, dê a cada substituinte um número correspondente à sua localização ao longo da cadeia principal:

a) Os grupos substituintes são listados em ordem alfabética. (etil vem antes de metil). b) Para decidir a ordem alfabética não leve em conta os sufixos multiplicativos tais como: “di”, “tri” e “tetra”. 40

NOMENCLATURA IUPAC

DE

ALCANOS RAMIFICADOS

5. Quando dois substituintes estão presentes no mesmo átomo de carbono, use o número duas vezes:

41

NOMENCLATURA IUPAC

DE

ALCANOS RAMIFICADOS

6. Quando dois ou mais substituintes são idênticos, indique isso pelo uso dos prefixos di-, tri-, tetra-, e assim por diante:

42

NOMENCLATURA DE GRUPOS ALQUILO RAMIFICADOS 1. Grupos com três átomos de carbono:

a) 1-Metiletil é o nome sistemático; isopropil é o nome comum. b) A nomenclatura sistemática dos grupos alquilo é semelhante a dos alcanos com cadeias ramificadas. A numeração sempre começa pela posição da cadeia principal onde o grupo encontra-se ligado.

43

NOMENCLATURA DE GRUPOS ALQUILO RAMIFICADOS 2. Grupos com quatro átomos de carbono Existem 4 grupos alquilo derivados do butano: 2 são derivados do butano e outros 2 são derivados do isobutano.

44

NOMENCLATURA DE GRUPOS ALQUILO RAMIFICADOS 3. Exemplos:

45

NOMENCLATURA DE GRUPOS ALQUILO RAMIFICADOS 4. Os nomes comuns isopropil, isobutil, sec-butil, terc-butil são aprovados pela IUPAC para grupos não substituídos.

a)

Para decidir a ordem alfabética desses grupos substituintes deve-se

separar a estrutura de seus prefixos – que estão escritos em itálico e separados do nome por um hífen. Então “terc-butil” vem antes de “etil”, mas

“etil” vem antes de “isobutil”.

5. O nome comum grupo neopentil é aprovado pela IUPAC.

46

CLASSIFICAÇÃO DOS ÁTOMOS DE CARBONO

47

CLASSIFICAÇÃO DOS ÁTOMOS DE HIDROGÊNIO Os átomos de hidrogênio são classificados com bases no átomo de carbono ao qual ele está ligado: Primário (1°), secundário (2°), terciário (3°):

2,2-Dimetilpropano (neopentano) possui somente átomos de hidrogênio primário 48

NOMENCLATURA

DOS

COMPOSTOS CÍCLICOS

COMPOSTOS MONOCÍCLICOS: Considere alcanos lineares (não ramificados), com um número de átomos de C igual ou maior do que 3. Nesta situação podemos imaginar os dois extremos ligando-se um ao outro, com remoção de 2 átomos de H, formando um anel. O nome da substância resultante é acrescentar o prrefixo “ciclo” ao nome do alcano correspondente.

49

NOMENCLATURA

DOS

COMPOSTOS CÍCLICOS

COMPOSTOS MONOCÍCLICOS:

50

Hidrocarbonetos

51

Grupos arílicos Grupo fenil

ou C6H5― ou Ph― ou

ou

―

Grupo benzil

H

H C H

ou

C

ou C6H5CH2― ou Bn―

H

Se houver substituintes no anel aromático designa-se por “Ar―” 52

Haletos orgânicos

53

NOMENCLATURA

DOS

HALETOS

DE

ALQUILO

Haloalcanos: CH3CH2Cl Cloroetano Cloreto de etilo

CH3CH2CH2F

CH3CHBrCH3

1-Fluoropropano Fluoreto de n-propilo

2-Bromopropano Brometo de isopropilo

1) Quando a cadeia principal possui dois substituintes – um grupo alquilo e um haleto – enumere a cadeia a partir do lado mais próximo do primeiro substituinte:

2-Cloro-3-metilpentano

2-Cloro-4-metilpentano

54

NOMENCLATURA

DOS

HALETOS

DE

ALQUILO

2) Nomes comuns para haloalcanos simples são aceitos pela IUPAC  haletos de alquilo (nomenclatura radical-funcional) 2-Bromo-2-metilpropano Brometo de terc-butilo

CH3CH(CH3)CH2Cl

1-Bromo-2,2-dimetilpropano Brometo de neopentilo

(CH3)3CBr

1-Cloro-2-metilpropano Cloreto de isobutilo

(CH3)3CCH2Br

55

56

Funções oxigenadas

Carbono 1o

OH

H H CH2

H C C O H H H Álcool etílico

Geraniol

Carbono 2o H H H

OH

Álcool benzílico

Carbono 3o CH3

H C C C H

H3C C O H OH

H O H

CH3

H Isopropanol

Mentol

Álcool tert-butílico

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NOMENCLATURA DOS ÁLCOOIS 1. Nomenclatura substitutiva IUPAC: composto principal e um sufixo:

número

localizador,

prefixo,

4-Metil-hexan-1-ol localizador prefixo

sufixo nome

localizador

a) O número localizador 4- indica onde o grupo substituinte metilo, nomeado como um

prefixo, está ligado ao composto principal (no C-4). b) O nome do composto principal é hexano. c) Um álcool possui o sufixo -ol. d) O número localizador 1- indica que o C-1 está ligado a um grupo hidroxila. e) Em geral, a numeração da cadeia sempre começa do lado mais próximo ao grupo denominado como sufixo.

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NOMENCLATURA DOS ÁLCOOIS 2. Nomes substitutivos IUPAC para álcoois: a) Selecione a cadeia contínua de carbono mais longa à qual o grupo hidroxila está ligado. b) Mude o nome do alcano correspondente a esta cadeia trocando a letra final -o pelo sufixo -ol. c) Enumere a cadeia continua de carbono mais longa de maneira que o átomo de carbono ligado ao grupo hidroxila tenha o menor número. d) Indique a posição do grupo hidroxila usando este número como localizador; indique as posições dos outros substituintes (como prefixos) usando os números correspondentes às suas posições.

Propan-1-ol Butan-2-ol

4,4-Dimetil-pentan-2-ol

4-Metil-pentan-1-ol (e não 2-metil-pentan-5-ol)

3-Cloro-propan-1-ol 59

NOMENCLATURA DOS ÁLCOOIS 3. Nomes radical-funcional comuns para álcoois: a) Álcoois simples frequentemente são chamados pelos nomes comuns que são aprovados pela IUPAC. b) Álcool metílico, álcool etílico, álcool isopropílico, e outros exemplos:

CH3CH2CH2OH

CH3CH2CH2CH2OH

Álcool propílico (álcool primário)

Álcool n-butílico (álcool primário)

Álcool terc-butílico (álcool primário)

Álcool isobutílico (álcool primário)

Álcool sec-butílico (álcool secundário)

Álcool neopentílico (álcool primário)

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