20.2: Hidrocarbonetos

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Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

Explicar a importância dos hidrocarbonetos e o motivo de sua diversidade
Nomeie hidrocarbonetos saturados e insaturados e moléculas derivadas deles
Descreva as reações características dos hidrocarbonetos saturados e insaturados
Identificar isômeros estruturais e geométricos de hidrocarbonetos

O maior banco de dados ¹ de compostos orgânicos lista cerca de 10 milhões de substâncias, que incluem compostos originários de organismos vivos e aqueles sintetizados por químicos. O número de compostos orgânicos em potencial foi estimado em ² em 10 ⁶⁰ - um número astronomicamente alto. A existência de tantas moléculas orgânicas é uma consequência da capacidade dos átomos de carbono de formar até quatro ligações fortes com outros átomos de carbono, resultando em cadeias e anéis de diversos tamanhos, formas e complexidades.

Os compostos orgânicos mais simples contêm apenas os elementos carbono e hidrogênio e são chamados de hidrocarbonetos. Embora sejam compostos por apenas dois tipos de átomos, há uma grande variedade de hidrocarbonetos porque eles podem consistir em diferentes comprimentos de cadeias, cadeias ramificadas e anéis de átomos de carbono, ou combinações dessas estruturas. Além disso, os hidrocarbonetos podem diferir nos tipos de ligações carbono-carbono presentes em suas moléculas. Muitos hidrocarbonetos são encontrados em plantas, animais e seus fósseis; outros hidrocarbonetos foram preparados em laboratório. Usamos hidrocarbonetos todos os dias, principalmente como combustíveis, como gás natural, acetileno, propano, butano e os principais componentes da gasolina, diesel e óleo para aquecimento. Os conhecidos plásticos polietileno, polipropileno e poliestireno também são hidrocarbonetos. Podemos distinguir vários tipos de hidrocarbonetos por diferenças na ligação entre átomos de carbono. Isso leva a diferenças nas geometrias e na hibridização dos orbitais de carbono.

Alcanos

Os alcanos, ou hidrocarbonetos saturados, contêm apenas ligações covalentes simples entre átomos de carbono. Cada um dos átomos de carbono em um alcano tem orbitais híbridos sp ³ e está ligado a outros quatro átomos, cada um dos quais é carbono ou hidrogênio. As estruturas e modelos de Lewis de metano, etano e pentano são ilustrados na Figura 20.2. As cadeias de carbono geralmente são traçadas como linhas retas nas estruturas de Lewis, mas é preciso lembrar que as estruturas de Lewis não se destinam a indicar a geometria das moléculas. Observe que os átomos de carbono nos modelos estruturais (os modelos de bola e bastão e preenchimento de espaço) da molécula de pentano não estão em uma linha reta. Por causa da hibridização sp ³, os ângulos de ligação nas cadeias de carbono são próximos a 109,5°, dando a essas cadeias em um alcano uma forma de ziguezague.

As estruturas dos alcanos e outras moléculas orgânicas também podem ser representadas de forma menos detalhada por fórmulas estruturais condensadas (ou simplesmente fórmulas condensadas). Em vez do formato usual para fórmulas químicas em que cada símbolo de elemento aparece apenas uma vez, uma fórmula condensada é escrita para sugerir a ligação na molécula. Essas fórmulas têm a aparência de uma estrutura de Lewis da qual a maioria ou todos os símbolos de ligação foram removidos. As fórmulas estruturais condensadas para etano e pentano são mostradas na parte inferior da Figura 20.2, e vários exemplos adicionais são fornecidos nos exercícios no final deste capítulo.

A figura ilustra quatro maneiras de representar moléculas para moléculas de metano, etano e pentano. Na primeira linha da figura, as fórmulas estruturais de Lewis mostram símbolos de elementos e ligações entre átomos. O metano tem um átomo C central com quatro átomos de H ligados a ele. O etano tem um átomo de C com três átomos de H ligados a ele. O átomo C também está ligado a outro átomo C com três átomos H ligados a ele. O pentano tem um átomo de C com três átomos de H ligados a ele. O átomo C está ligado a outro átomo C com dois átomos H ligados a ele. O átomo C está ligado a outro átomo C com dois átomos H ligados a ele. O átomo C está ligado a outro átomo C com dois átomos H ligados a ele. O átomo C está ligado a outro átomo C com três átomos H ligados a ele. Na segunda linha, os modelos de bola e bastão são mostrados. Nessas representações, os laços são representados com paus e os elementos são representados com bolas. Os átomos de carbono são pretos e os átomos de hidrogênio são brancos nesta imagem. Na terceira linha, os modelos de preenchimento de espaço são mostrados. Nesses modelos, os átomos são ampliados e unidos, sem paus para representar ligações. Os nomes das moléculas e as fórmulas estruturais são fornecidos na quarta linha. O metano é nomeado e representado com uma fórmula estrutural condensada como C H subscrito 4. O etano é nomeado e representado com duas fórmulas estruturais C H subscrito 3 C H subscrito 3 e C subscrito 2 H subscrito 6. O pentano é nomeado e representado como subscrito C H 3 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 3 e C subscrito 5 H subscrito 12.

A Figura 20.2 Na foto estão as estruturas de Lewis, modelos de bola e bastão e modelos de preenchimento de espaço para moléculas de metano, etano e pentano.

Um método comum usado por químicos orgânicos para simplificar os desenhos de moléculas maiores é usar uma estrutura esquelética (também chamada de estrutura de ângulo linear). Nesse tipo de estrutura, os átomos de carbono não são simbolizados com um C, mas representados por cada extremidade de uma linha ou curva em uma linha. Os átomos de hidrogênio não são extraídos se estiverem ligados a um carbono. Outros átomos além do carbono e do hidrogênio são representados por seus símbolos elementares. A Figura 20.3 mostra três maneiras diferentes de desenhar a mesma estrutura.

Nesta figura, uma molécula de hidrocarboneto é mostrada de três maneiras. Primeiro, uma fórmula expandida mostra todos os átomos de carbono individuais, átomos de hidrogênio e ligações em uma molécula de hidrocarboneto ramificada. Um átomo C inicial está ligado a três átomos de H. O átomo C está ligado a outro átomo C na cadeia. Esse segundo átomo C está ligado a um átomo H e outro átomo C acima da cadeia. O átomo C ligado acima do segundo átomo C na cadeia está ligado a três átomos H. O segundo átomo de C na cadeia está ligado a um terceiro átomo de C na cadeia. Este terceiro átomo C está ligado a um átomo H e outro átomo C abaixo da cadeia. Esse átomo C está ligado a dois átomos H e outro átomo C abaixo da cadeia. Este segundo átomo C abaixo da cadeia está ligado a três átomos H. O terceiro átomo de C na cadeia está ligado a um quarto átomo de C na cadeia. O quarto átomo C está ligado a dois átomos H e um quinto átomo C. O quinto átomo C está ligado a dois átomos H e um sexto átomo C. O sexto átomo de C está ligado a três átomos de H. Segundo, uma fórmula condensada mostra cada átomo de carbono da molécula em grupos com os átomos de hidrogênio ligados a ele, deixando grupos C H, C H subscrito 2 e C H subscrito 3 com ligações entre eles. A estrutura mostra um grupo C H subscrito 3 ligado a um grupo C H. O grupo C H está ligado acima a um grupo C H subscrito 3. O grupo C H também está ligado a outro grupo C H. Este grupo C H está vinculado a um grupo C H subscrito 2 abaixo e um grupo C H subscrito 3 abaixo desse. Esse grupo C H também está vinculado a um grupo C H subscrito 2 que está vinculado a outro grupo C H subscrito 2. Este grupo C H subscrito 2 está vinculado a um grupo final C H subscrito 2. A estrutura final na figura é uma estrutura esquelética que inclui apenas segmentos de linha dispostos para indicar a estrutura da molécula.

Figura 20.3 A mesma estrutura pode ser representada de três maneiras diferentes: uma fórmula expandida, uma fórmula condensada e uma estrutura esquelética.

Exemplo 20.1

Desenhando estruturas esqueléticas

Desenhe as estruturas esqueléticas para essas duas moléculas:

A Figura a mostra uma molécula ramificada com C H subscrito 3 ligado a C com C H subscrito 3 grupos ligados acima e abaixo dela. À direita do C central, é ligado um C H que tem um grupo C H subscrito 3 ligado acima e à direita e abaixo e à direita e à direita. A Figura b mostra uma molécula de cadeia reta composta por C H subscrito 3 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 3.

Solução

Cada átomo de carbono é convertido no final de uma linha ou no local onde as linhas se cruzam. Todos os átomos de hidrogênio ligados aos átomos de carbono são deixados de fora da estrutura (embora ainda precisemos reconhecer que eles estão lá):

A Figura a mostra uma estrutura de esqueleto ramificada que parece um sinal de mais com segmentos de linha se estendendo para cima, para a direita e para baixo e para a esquerda do ponto mais à direita do sinal de mais. A figura b aparece em um padrão em zigue-zague feito com seis segmentos de linha. Os segmentos sobem, descem, sobem, caem, sobem e descem movendo-se da esquerda para a direita ao longo da figura.

Verifique seu aprendizado

Desenhe as estruturas esqueléticas para essas duas moléculas: A Figura a mostra cinco grupos C H subscrito 2 e um grupo C H unidos em um anel hexagonal. Um grupo C H subscrito 3 aparece acima e à direita do anel, ligado ao anel no grupo C H que aparece na parte superior direita do anel. Em b, uma molécula de cadeia reta composta por C H subscrito 3 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 3 é mostrada.

A Figura a mostra cinco grupos C H subscrito 2 e um grupo C H unidos em um anel hexagonal. Um grupo C H subscrito 3 aparece acima e à direita do anel, ligado ao anel no grupo C H que aparece na parte superior direita do anel. Em b, uma molécula de cadeia reta composta por C H subscrito 3 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 3 é mostrada.

Resposta:

Em a, um hexágono com um vértice na parte superior é mostrado. O vértice logo à direita tem um segmento de linha anexado que se estende para cima e para a direita. Em b, um padrão em zigue-zague é mostrado no qual os segmentos de linha sobem, descem, sobem, descem e sobem movendo-se da esquerda para a direita.

Exemplo 20.2

Interpretando estruturas esqueléticas

Identifique a fórmula química da molécula representada aqui: Esta figura mostra um pentágono com um vértice apontando para a direita, do qual se estende um segmento de linha que tem dois segmentos de linha conectados na extremidade direita, um se estendendo para cima e para a direita e o outro se estendendo para baixo e para a direita.

Esta figura mostra um pentágono com um vértice apontando para a direita, do qual se estende um segmento de linha que tem dois segmentos de linha conectados na extremidade direita, um se estendendo para cima e para a direita e o outro se estendendo para baixo e para a direita.

Solução

Há oito lugares onde as linhas se cruzam ou terminam, o que significa que há oito átomos de carbono na molécula. Como sabemos que os átomos de carbono tendem a fazer quatro ligações, cada átomo de carbono terá o número de átomos de hidrogênio necessários para quatro ligações. Este composto contém 16 átomos de hidrogênio para uma fórmula molecular de C ₈ H ₁₆.

Localização dos átomos de hidrogênio:

Nesta figura, é mostrado um anel composto por quatro grupos C H subscrito 2 e um grupo C H em forma pentagonal. Do grupo C H, que está no lado direito do pentágono, um C H é ligado. A partir deste C H, um grupo C H subscrito 3 é vinculado acima e à direita e um segundo está ligado abaixo e à direita.

Verifique seu aprendizado

Identifique a fórmula química da molécula representada aqui: Um modelo de esqueleto é mostrado com um padrão em zigue-zague que sobe, desce, sobe e desce novamente da esquerda para a direita através do centro da molécula. A partir dos dois pontos elevados, os segmentos de linha se estendem para cima e para baixo, criando quatro ramificações.

Um modelo de esqueleto é mostrado com um padrão em zigue-zague que sobe, desce, sobe e desce novamente da esquerda para a direita através do centro da molécula. A partir dos dois pontos elevados, os segmentos de linha se estendem para cima e para baixo, criando quatro ramificações.

Resposta:

C ₉ H ₂₀

Todos os alcanos são compostos de átomos de carbono e hidrogênio e têm ligações, estruturas e fórmulas semelhantes; todos os alcanos não cíclicos têm uma fórmula de C _n H _2n+2. O número de átomos de carbono presentes em um alcano não tem limite. Um maior número de átomos nas moléculas levará a atrações intermoleculares mais fortes (forças de dispersão) e propriedades físicas correspondentemente diferentes das moléculas. Propriedades como ponto de fusão e ponto de ebulição (Tabela 20.1) geralmente mudam de forma suave e previsível à medida que o número de átomos de carbono e hidrogênio nas moléculas muda.

Propriedades de alguns alcanos ³

Alcano	Fórmula molecular	Ponto de fusão (° C)	Ponto de ebulição (°C)	Fase na STP ⁴	Número de isômeros estruturais
metano	CH ₄	—182,5	—161,5	gás	1
etano	C ₂ H ₆	—183,3	—88,6	gás	1
propano	C ₃ H ₈	—187,7	—42,1	gás	1
butano	C ₄ H ₁₀	—138,3	—0,5	gás	2
pentano	C ₅ H ₁₂	—129,7	36,1	líquido	3
hexano	C ₆ H ₁₄	—95,3	68,7	líquido	5
heptano	C ₇ H ₁₆	—90,6	98,4	líquido	9
octano	C ₈ H ₁₈	—56,8	125,7	líquido	18
nonane	C ₉ H ₂₀	—53,6	150,8	líquido	35
decano	C ₁₀ H ₂₂	—29,7	174,0	líquido	75
tetradecano	C ₁₄ H ₃₀	5.9	253,5	sólido	1858
octadecano	C ₁₈ H ₃₈	28.2	316,1	sólido	60.523

Tabela 20.1

Hidrocarbonetos com a mesma fórmula, incluindo alcanos, podem ter estruturas diferentes. Por exemplo, dois alcanos têm a fórmula C ₄ H ₁₀: Eles são chamados de n-butano e 2-metilpropano (ou isobutano) e têm as seguintes estruturas de Lewis:

A figura ilustra três maneiras de representar moléculas de n traço butano e 2 traços de metilpropano. Na primeira linha da figura, as fórmulas estruturais de Lewis mostram símbolos de elementos e ligações entre átomos. A molécula de butano n traço mostra 4 átomos de carbono representados pela letra C ligados em uma cadeia horizontal reta com átomos de hidrogênio representados pela letra H ligada acima e abaixo de todos os átomos de carbono. Os átomos de H estão ligados nas extremidades à esquerda e à direita dos átomos C mais à esquerda e à direita. Na segunda linha, os modelos de bola e bastão são mostrados. Nessas representações, os laços são representados com paus e os elementos são representados com bolas. Os átomos de carbono são pretos e os átomos de hidrogênio são brancos nesta imagem. Na terceira linha, os modelos de preenchimento de espaço são mostrados. Nesses modelos, os átomos são ampliados e unidos, sem paus para representar ligações. Os nomes das moléculas são fornecidos na quarta linha.

Os compostos n-butano e 2-metilpropano são isômeros estruturais (o termo isômeros constitucionais também é comumente usado). Os isômeros constitucionais têm a mesma fórmula molecular, mas diferentes arranjos espaciais dos átomos em suas moléculas. A molécula de n-butano contém uma cadeia não ramificada, o que significa que nenhum átomo de carbono está ligado a mais de dois outros átomos de carbono. Usamos o termo normal, ou o prefixo n, para nos referirmos a uma cadeia de átomos de carbono sem ramificação. O composto 2-metilpropano tem uma cadeia ramificada (o átomo de carbono no centro da estrutura de Lewis está ligado a três outros átomos de carbono)

Identificar isômeros das estruturas de Lewis não é tão fácil quanto parece. Estruturas de Lewis que parecem diferentes podem, na verdade, representar os mesmos isômeros. Por exemplo, as três estruturas na Figura 20.4 representam todas a mesma molécula, o n-butano, e, portanto, não são isômeros diferentes. Eles são idênticos porque cada um contém uma cadeia não ramificada de quatro átomos de carbono.

A figura ilustra três maneiras de representar moléculas de n traço de butano. Na primeira linha da figura, as fórmulas estruturais de Lewis mostram símbolos dos elementos carbono e hidrogênio e ligações entre os átomos. A primeira estrutura nesta linha mostra três dos átomos de C ligados em uma linha horizontal com um único átomo de C ligado acima do carbono mais à esquerda. O átomo C mais à esquerda tem dois átomos de H ligados a ele. O átomo C ligado acima do átomo C mais à esquerda tem três átomos H ligados a ele. O átomo C ligado à direita do átomo C mais à esquerda tem dois átomos H ligados a ele. O átomo C mais à direita tem três átomos de H ligados a ele. Os átomos de C e as ligações que conectam todos os átomos de C são vermelhos. A segunda estrutura na linha mostra de forma semelhante a linha de três átomos C ligados com um único átomo de C ligado abaixo do átomo de C à esquerda. O átomo C mais à esquerda tem dois átomos de H ligados a ele. O átomo C ligado abaixo do átomo C mais à esquerda tem três átomos H ligados a ele. O átomo C ligado à direita do átomo C mais à esquerda tem dois átomos H ligados a ele. O átomo mais à direita tem três átomos de H ligados a ele. Todos os átomos de C e as ligações entre eles são vermelhos. A terceira estrutura tem dois átomos C ligados em uma fileira com um terceiro átomo C ligado acima do átomo C esquerdo e o quarto átomo C ligado abaixo do átomo C direito. O átomo C ligado acima do átomo C esquerdo tem três átomos H ligados a ele. O átomo C esquerdo tem dois átomos de H ligados a ele. O átomo C direito tem dois átomos de H ligados a ele. O átomo C ligado abaixo do átomo C direito tem três átomos H ligados a ele. Todos os átomos de C e as ligações entre eles são vermelhos. Na segunda linha, são mostrados modelos de bola e bastão para as estruturas. Nessas representações, os laços são representados com paus e os elementos são representados com bolas. Os átomos de carbono são pretos e os átomos de hidrogênio são brancos nesta imagem. Na terceira linha, os modelos de preenchimento de espaço são mostrados. Nesses modelos, os átomos são ampliados e unidos, sem paus para representar ligações.

Figura 20.4 Essas três representações da estrutura do n-butano não são isômeros porque todas contêm o mesmo arranjo de átomos e ligações.

Noções básicas da nomenclatura orgânica: nomenclatura de alcanos

A União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) criou um sistema de nomenclatura que começa com os nomes dos alcanos e pode ser ajustado a partir daí para dar conta de estruturas mais complicadas. A nomenclatura dos alcanos é baseada em duas regras:

Para nomear um alcano, primeiro identifique a cadeia mais longa de átomos de carbono em sua estrutura. Uma cadeia de dois carbonos é chamada de etano; uma cadeia de três carbonos, propano; e uma cadeia de quatro carbonos, butano. Cadeias mais longas são denominadas da seguinte forma: pentano (cadeia de cinco carbonos), hexano (6), heptano (7), octano (8), nonano (9) e decano (10). Esses prefixos podem ser vistos nos nomes dos alcanos descritos na Tabela 20.1.
Adicione prefixos ao nome da cadeia mais longa para indicar as posições e os nomes dos substituintes. Os substituintes são ramos ou grupos funcionais que substituem os átomos de hidrogênio em uma cadeia. A posição de um substituinte ou ramo é identificada pelo número do átomo de carbono ao qual ele está ligado na cadeia. Numeramos os átomos de carbono na cadeia contando a partir da extremidade da cadeia mais próxima dos substituintes. Vários substituintes são nomeados individualmente e colocados em ordem alfabética na frente do nome.

Esta figura mostra fórmulas estruturais para propano, 2 traços de cloropropano, 2 traços de metilpropano, 2 vírgulas 4 traços de difluorohexano e 1 traço de bromo traço 3 traços de clorohexano. Em cada uma das estruturas, os átomos de carbono estão em uma fileira com átomos de halogênio ligados e um grupo metil ligado abaixo das figuras. O propano é listado simplesmente como C H subscrito 3 C H subscrito 2 C H subscrito 3, com os números 1, 2 e 3 aparecendo acima dos átomos de carbono da esquerda para a direita. 2 traços de cloropropano também mostra C H subscrito 3 C H subscrito 3 C H subscrito 3, com os números 1, 2 e 3 aparecendo acima dos átomos de carbono da esquerda para a direita. Um átomo de C l está ligado abaixo do carbono 2. O átomo C l é vermelho. O metilpropano de 2 traços mostra similarmente C H subscrito 3 C H subscrito 3 C H subscrito 3, com os números 3, 2 e 1 aparecendo acima dos átomos de carbono da esquerda para a direita. Um grupo C H subscrito 3 está ligado abaixo do carbono 2 e é vermelho. 2 vírgula 4 traços de difluorohexano mostra similarmente C H subscrito 3 C H subscrito 2 C H C H subscrito 2 C H C H subscrito 3, com os números 6, 5, 4, 3, 2 e 1 aparecendo acima dos átomos de carbono da esquerda para a direita. Os átomos F estão ligados aos carbonos 4 e 2 na parte inferior da estrutura e são vermelhos. 1 traço de bromo traço 3 traços de clorohexano mostra similarmente C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 3, com números 1, 2, 3, 4, 5 e 6 aparecendo acima dos átomos de carbono da esquerda para a direita. B r está ligado abaixo do carbono 1 e C l está ligado abaixo do carbono 3. Tanto B r quanto C l são vermelhos.

Quando mais de um substituinte está presente, seja no mesmo átomo de carbono ou em átomos de carbono diferentes, os substituintes são listados em ordem alfabética. Como a numeração dos átomos de carbono começa na extremidade mais próxima de um substituinte, a cadeia mais longa de átomos de carbono é numerada de forma a produzir o menor número para os substituintes. A terminação -o substitui -ide no final do nome de um substituinte eletronegativo (em compostos iônicos, o íon carregado negativamente termina com -ide como cloreto; em compostos orgânicos, esses átomos são tratados como substituintes e a terminação -o é usada). O número de substituintes do mesmo tipo é indicado pelos prefixos di- (dois), tri- (três), tetra- (quatro) e assim por diante (por exemplo, difluoro- indica dois substituintes de flúor).

Exemplo 20.3

Nomeando alcanos substituídos por halogênio

Nomeie a molécula cuja estrutura é mostrada aqui: Essa estrutura mostra um átomo de C ligado aos átomos de H e outro átomo de C. Este segundo átomo C está ligado a dois átomos H e outro átomo C. Esse terceiro átomo C está ligado a um átomo B r, um átomo H e outro átomo C. Este quarto átomo de C está ligado a dois átomos de H e a um átomo de C l.

Essa estrutura mostra um átomo de C ligado aos átomos de H e outro átomo de C. Este segundo átomo C está ligado a dois átomos H e outro átomo C. Esse terceiro átomo C está ligado a um átomo B r, um átomo H e outro átomo C. Este quarto átomo de C está ligado a dois átomos de H e a um átomo de C l.

Solução

A cadeia de quatro carbonos é numerada do final com o átomo de cloro. Isso coloca os substituintes nas posições 1 e 2 (a numeração do outro lado colocaria os substituintes nas posições 3 e 4). Quatro átomos de carbono significam que o nome básico desse composto será butano. O bromo na posição 2 será descrito adicionando 2-bromo-; isso virá no início do nome, já que bromo- vem antes do cloro- em ordem alfabética. O cloro na posição 1 será descrito pela adição de 1-cloro-, resultando no nome da molécula sendo 2-bromo-1-clorobutano.

Verifique seu aprendizado

Nomeie a seguinte molécula: Esta figura mostra um átomo de C ligado a três átomos de H e outro átomo de C. Este segundo átomo de C está ligado a dois átomos de H e a um terceiro átomo de C. O terceiro átomo C está ligado a dois átomos B r e um quarto átomo C. Este átomo de C está ligado a um átomo de H, a um átomo de I e a um quinto átomo de C. Este último átomo de C está ligado a três átomos de H.

Esta figura mostra um átomo de C ligado a três átomos de H e outro átomo de C. Este segundo átomo de C está ligado a dois átomos de H e a um terceiro átomo de C. O terceiro átomo C está ligado a dois átomos B r e um quarto átomo C. Este átomo de C está ligado a um átomo de H, a um átomo de I e a um quinto átomo de C. Este último átomo de C está ligado a três átomos de H.

Resposta:

3,3-dibromo-2-iodopentano

Chamamos um substituinte que contém um hidrogênio a menos que o alcano correspondente de grupo alquil. O nome de um grupo alquil é obtido eliminando o sufixo -ane do nome do alcano e adicionando -yl:

Nesta figura, o metano é nomeado e representado como C com quatro átomos de H ligados acima, abaixo, à esquerda e à direita do C. O grupo metil é mostrado, que aparece como metano sem a maior parte direita H. Um traço permanece no local onde o H estava anteriormente ligado. O etano é nomeado e representado por dois átomos C ligados centralmente aos quais seis átomos H estão ligados; dois acima e abaixo de cada um dos dois átomos de C e nas extremidades esquerda e direita dos átomos C ligados. O grupo etil aparece como uma estrutura semelhante com o átomo H mais à direita removido. Um traço permanece no local onde o átomo H estava anteriormente ligado.

As ligações abertas nos grupos metil e etil indicam que esses grupos alquil estão ligados a outro átomo.

Exemplo 20.4

Nomeando alcanos substituídos

Nomeie a molécula cuja estrutura é mostrada aqui: Uma cadeia de seis átomos de carbono, numerados 6, 5, 4, 3, 2 e 1 é mostrada. Ligada acima do carbono 3, uma cadeia de dois carbonos é mostrada, numerada 1 e 2 movendo-se para cima. Os átomos de H estão presentes diretamente acima, abaixo, à esquerda e à direita de todos os átomos de carbono em posições ainda não ocupadas na ligação a outros átomos de carbono.

Uma cadeia de seis átomos de carbono, numerados 6, 5, 4, 3, 2 e 1 é mostrada. Ligada acima do carbono 3, uma cadeia de dois carbonos é mostrada, numerada 1 e 2 movendo-se para cima. Os átomos de H estão presentes diretamente acima, abaixo, à esquerda e à direita de todos os átomos de carbono em posições ainda não ocupadas na ligação a outros átomos de carbono.

Solução

A cadeia de carbono mais longa percorre horizontalmente a página e contém seis átomos de carbono (isso torna a base do nome hexano, mas também precisaremos incorporar o nome do ramo). Nesse caso, queremos numerar da direita para a esquerda (conforme mostrado pelos números azuis) para que a ramificação seja conectada ao carbono 3 (imagine os números da esquerda para a direita — isso colocaria a ramificação no carbono 4, violando nossas regras). O ramo ligado à posição 3 de nossa cadeia contém dois átomos de carbono (numerados em vermelho) - então usamos nosso nome para dois carbonos eth- e anexamos -yl no final para significar que estamos descrevendo um ramo. Juntando todas as peças, essa molécula é 3-etil-hexano.

Verifique seu aprendizado

Nomeie a seguinte molécula:

Esta figura mostra um átomo de C ligado a três átomos de H e outro átomo de C. Este átomo C está ligado a dois átomos de H e um terceiro átomo de C. O terceiro átomo C está ligado a dois átomos de H e a um quarto átomo de C. O quarto átomo C está ligado a dois átomos H e um quinto átomo C. Este átomo C está ligado a um átomo H, um sexto átomo C na cadeia e outro átomo C que parece se ramificar da cadeia. O átomo C no ramo está ligado a dois átomos H e outro átomo C. Este átomo C está ligado a dois átomos H e outro átomo C. Esse terceiro átomo de C aparece à esquerda do segundo e está ligado a três átomos de H. O sexto átomo C na cadeia está ligado a dois átomos H e um sétimo átomo C. O sétimo átomo C está ligado a dois átomos H e um oitavo átomo C. O oitavo átomo de C está ligado a três átomos de H.

Resposta:

4-propiloctano

Alguns hidrocarbonetos podem formar mais de um tipo de grupo alquil quando os átomos de hidrogênio que seriam removidos têm “ambientes” diferentes na molécula. Essa diversidade de possíveis grupos alquil pode ser identificada da seguinte maneira: Os quatro átomos de hidrogênio em uma molécula de metano são equivalentes; todos eles têm o mesmo ambiente. Eles são equivalentes porque cada um está ligado a um átomo de carbono (o mesmo átomo de carbono) que está ligado a três átomos de hidrogênio. (Pode ser mais fácil ver a equivalência nos modelos de bola e bastão na Figura 20.2. A remoção de qualquer um dos quatro átomos de hidrogênio do metano forma um grupo metil. Da mesma forma, os seis átomos de hidrogênio no etano são equivalentes (Figura 20.2) e a remoção de qualquer um desses átomos de hidrogênio produz um grupo etil. Cada um dos seis átomos de hidrogênio está ligado a um átomo de carbono que está ligado a dois outros átomos de hidrogênio e a um átomo de carbono. No entanto, tanto no propano quanto no 2-metilpropano, existem átomos de hidrogênio em dois ambientes diferentes, diferenciados pelos átomos ou grupos de átomos adjacentes:

Nesta figura, o propano é mostrado como uma cadeia de três átomos de C ligados. Oito átomos de H são mostrados com três ligados ao primeiro átomo de C, dois ao átomo C médio e três ao terceiro átomo de C. Os átomos de H ligados ao átomo C médio são roxos. Também é mostrado metilpropano de 2 traços, que também tem uma cadeia de três átomos de C ligados. Nessa estrutura, um átomo C está ligado abaixo do átomo C médio da cadeia. Dez átomos H são mostrados com três ligados ao primeiro átomo C, um ao átomo C médio, três ao terceiro átomo C e três ao átomo C também ligado ao átomo C médio. O átomo H ligado ao átomo C médio é verde.

Cada um dos seis átomos de hidrogênio equivalentes do primeiro tipo em propano e cada um dos nove átomos de hidrogênio equivalentes desse tipo em 2-metilpropano (todos mostrados em preto) estão ligados a um átomo de carbono que está ligado a apenas um outro átomo de carbono. Os dois átomos de hidrogênio roxo no propano são de um segundo tipo. Eles diferem dos seis átomos de hidrogênio do primeiro tipo porque estão ligados a um átomo de carbono ligado a dois outros átomos de carbono. O átomo de hidrogênio verde no 2-metilpropano difere dos outros nove átomos de hidrogênio nessa molécula e dos átomos de hidrogênio roxo no propano. O átomo de hidrogênio verde no 2-metilpropano está ligado a um átomo de carbono ligado a três outros átomos de carbono. Dois grupos alquil diferentes podem ser formados a partir de cada uma dessas moléculas, dependendo de qual átomo de hidrogênio é removido. Os nomes e estruturas desses e de vários outros grupos alquil estão listados na Figura 20.5.

Esta tabela fornece uma lista dos grupos alquil e estruturas correspondentes. O metil é mostrado como C H subscrito 3 seguido por um traço. O etil é mostrado como C H subscrito 3 C H subscrito 2 seguido por um traço. n traço propil é mostrado como C H subscrito 3 C H subscrito 2 C H subscrito 2 seguido por um traço. O isopropil é mostrado como C H subscrito 3 C H C H subscrito 3 com um traço que se estende para cima a partir do meio C. n traço butil é mostrado como C H subscrito 3 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 2 seguido por um traço. O segundo traço butil é mostrado como C H subscrito 3 C H subscrito 3 C H subscrito 3 com um traço estendendo-se para cima a partir do terceiro C contando da esquerda para a direita. O isobutil é mostrado como C H subscrito 3 C H C H subscrito 2 com um traço que se estende para a direita. Há um subscrito C H 3 ligado ao meio C. tert traço butil é mostrado como C H subscrito 3 C C H subscrito 3 com um grupo C H subscrito 3 com um grupo C H subscrito 3 ligado abaixo do meio C e um traço que se estende para cima a partir do C central.

Figura 20.5 Esta lista fornece os nomes e fórmulas para vários grupos alquil formados pela remoção de átomos de hidrogênio de diferentes locais.

Observe que os grupos alquil não existem como entidades independentes estáveis. Eles sempre fazem parte de alguma molécula maior. A localização de um grupo alquil em uma cadeia de hidrocarbonetos é indicada da mesma forma que qualquer outro substituinte:

Esta figura mostra estruturas de 3 traços de etil-heptano, 2 vírgulas, 2 vírgulas, 4 traços de trimetilpentano e 4 traços de isopropilheptano. A estrutura de etilheptano de 3 traços mostra C H subscrito 3 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 3. Sob o átomo C rotulado 3, há uma ligação com C H subscrito 2 C H subscrito 3 que aparece em vermelho. Os átomos de C são rotulados como 7, 6, 5, 4, 3, 2 e 1 da esquerda para a direita. A estrutura de trimetilpentano de 2 vírgula 2 vírgula 4 traços mostra C H subscrito 3 C ligado ao subscrito C H 2 C H subscrito 3. Os átomos de C são rotulados como 1, 2, 3, 4 e 5 da esquerda para a direita. O átomo C rotulado 2 tem um subscrito C H 3 ligado acima e abaixo dele. Os grupos C H subscritos 3 aparecem em vermelho. O átomo C marcado com 4 tem uma ligação acima dele com C H subscrito 3. O grupo C H subscrito 3 aparece em vermelho. A estrutura isopropilheptano de 4 traços mostra C H subscrito 3 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 2 C H subscrito 3. Do quarto C contando da esquerda para a direita, há um grupo C H ligado acima. Ligados à direita e à esquerda deste grupo C H estão os grupos C H subscrito 3.

Os alcanos são moléculas relativamente estáveis, mas o calor ou a luz ativarão reações que envolvem a quebra de ligações simples C—H ou C—C. A combustão é uma dessas reações:

{CH}_{4} (g) + 2 O_{2} (g) ⟶ {CO}_{2} (g) + 2 H_{2} O (g)

Os alcanos queimam na presença de oxigênio, uma reação de redução de oxidação altamente exotérmica que produz dióxido de carbono e água. Como consequência, os alcanos são excelentes combustíveis. Por exemplo, o metano, CH ₄, é o principal componente do gás natural. O butano, C ₄ H ₁₀, usado em fogões e isqueiros de acampamento é um alcano. A gasolina é uma mistura líquida de alcanos de cadeia contínua e ramificada, cada um contendo de cinco a nove átomos de carbono, além de vários aditivos para melhorar seu desempenho como combustível. Querosene, óleo diesel e óleo combustível são principalmente misturas de alcanos com massas moleculares mais altas. A principal fonte desses combustíveis alcanos líquidos é o petróleo bruto, uma mistura complexa que é separada por destilação fracionada. A destilação fracionada aproveita as diferenças nos pontos de ebulição dos componentes da mistura (veja a Figura 20.6). Você deve se lembrar que o ponto de ebulição é uma função das interações intermoleculares, que foi discutida no capítulo sobre soluções e coloides.

Esta figura contém uma foto de uma refinaria, mostrando grandes estruturas colunares. Um diagrama de uma coluna de destilação fracionada também é mostrado. Perto da parte inferior da coluna, uma seta apontando para a coluna da esquerda mostra um ponto de entrada para o petróleo bruto aquecido. A coluna contém várias camadas nas quais diferentes componentes são removidos. Na parte inferior, os materiais residuais são removidos através de um tubo, conforme indicado por uma seta para fora da coluna. Em cada nível sucessivo, diferentes materiais são removidos através de tubos que vão da parte inferior para a parte superior da coluna. De baixo para cima, esses materiais são óleo combustível, seguido por óleo diesel, querosene, nafta, gasolina e gás de refinaria no topo. À direita do diagrama de colunas, uma seta de dupla face é mostrada que é azul na parte superior e muda gradualmente de cor para vermelho movendo-se para baixo. O topo azul da seta está rotulado: “Moléculas pequenas: baixo ponto de ebulição, muito voláteis, fluem facilmente, inflamam-se facilmente”. A parte inferior vermelha da seta está rotulada como “Moléculas grandes: alto ponto de ebulição, não muito voláteis, não fluem facilmente, não se inflamam facilmente”.

Figura 20.6 Em uma coluna para a destilação fracionada do petróleo bruto, o óleo aquecido a cerca de 425 °C no forno vaporiza quando entra na base da torre. Os vapores sobem através das tampas de bolhas em uma série de bandejas na torre. À medida que os vapores esfriam gradualmente, frações de pontos de ebulição mais altos e depois de menores se condensam em líquidos e são retiradas. (crédito restante: modificação da obra de Luigi Chiesa)

Em uma reação de substituição, outra reação típica de alcanos, um ou mais átomos de hidrogênio do alcano é substituído por um átomo ou grupo de átomos diferente. Nenhuma ligação carbono-carbono é quebrada nessas reações, e a hibridização dos átomos de carbono não muda. Por exemplo, a reação entre etano e cloro molecular descrita aqui é uma reação de substituição:

Este diagrama ilustra a reação do etano e do C l subscrito 2 para formar cloroetano. Nesta reação, a fórmula estrutural do etano é mostrada com dois átomos de C unidos e três átomos de H ligados a cada átomo de C. O átomo H na extrema direita é vermelho. O etano é adicionado a C l ligado a C l, seguido por uma seta que aponta para a direita. A seta é rotulada como “Calor ou luz”. À direita, a molécula de cloroetano é mostrada com dois átomos de C unidos. O átomo C esquerdo tem três átomos H ligados a ele, mas o átomo C direito tem dois átomos H ligados acima e abaixo dele junto com um átomo C l. O átomo C l aparece em vermelho com 3 pares de pontos de elétrons na extremidade direita da molécula. Isso é seguido por um sinal de mais, que por sua vez é seguido em vermelho por H ligado a C l. Três pares de pontos de elétrons estão presentes acima, à direita e abaixo do C l.

A porção C—Cl da molécula de cloroetano é um exemplo de um grupo funcional, a parte ou porção de uma molécula que transmite uma reatividade química específica. Os tipos de grupos funcionais presentes em uma molécula orgânica são os principais determinantes de suas propriedades químicas e são usados como um meio de classificar compostos orgânicos, conforme detalhado nas seções restantes deste capítulo.

Link para o aprendizado

Quer praticar mais nomes para alcanos? Assista a este breve tutorial em vídeo para revisar o processo de nomenclatura.

Alcenos

Compostos orgânicos que contêm uma ou mais ligações duplas ou triplas entre átomos de carbono são descritos como insaturados. Você provavelmente já ouviu falar de gorduras insaturadas. São moléculas orgânicas complexas com longas cadeias de átomos de carbono, que contêm pelo menos uma ligação dupla entre átomos de carbono. As moléculas de hidrocarbonetos insaturados que contêm uma ou mais ligações duplas são chamadas de alcenos. Os átomos de carbono ligados por uma ligação dupla são unidos por duas ligações, uma ligação σ e uma ligação π. Ligações duplas e triplas dão origem a uma geometria diferente em torno do átomo de carbono que participa delas, levando a diferenças importantes na forma e propriedades moleculares. As diferentes geometrias são responsáveis pelas diferentes propriedades das gorduras insaturadas versus saturadas.

O eteno, C ₂ H ₄, é o alceno mais simples. Cada átomo de carbono no eteno, comumente chamado de etileno, tem uma estrutura plana trigonal. O segundo membro da série é propeno (propileno) (Figura 20.7); os isômeros de buteno seguem na série. Quatro átomos de carbono na cadeia do buteno permitem a formação de isômeros com base na posição da ligação dupla, bem como em uma nova forma de isomerismo.

As fórmulas estruturais de Lewis mostram símbolos dos elementos carbono e hidrogênio e ligações entre os átomos. A primeira estrutura nesta linha mostra dois átomos C ligados com uma ligação dupla entre eles. Cada átomo de C também tem dois átomos de H ligados a ele. A segunda estrutura na linha mostra três átomos C ligados com uma ligação dupla para cima e para a direita entre o primeiro e o segundo átomos de C movendo-se da esquerda para a direita através da cadeia, e uma única ligação para baixo e para a direita entre o segundo e o terceiro átomo de C. O primeiro átomo C tem dois átomos H ligados a ele, o segundo átomo C tem um átomo H ligado a ele e o terceiro átomo C tem três átomos H ligados a ele. A terceira estrutura mostra quatro átomos de C ligados, um ligado para cima e para a direita a um átomo de C, para baixo e para a direita a um átomo de C, e duplamente ligado para cima e para a direita a um átomo de C. O primeiro átomo C, movendo-se da esquerda para a direita, tem três átomos H ligados a ele. O segundo átomo C tem dois átomos de H ligados a ele. O terceiro átomo C tem um átomo H ligado a ele, e o quarto átomo C tem dois átomos H ligados a ele. Na segunda linha, são mostrados modelos de bola e bastão para as estruturas. Nessas representações, as ligações simples são representadas com paus, as ligações duplas são representadas com duas varetas paralelas e os elementos são representados com bolas. Os átomos de carbono são pretos e os átomos de hidrogênio são brancos nesta imagem. Na terceira linha, os modelos de preenchimento de espaço são mostrados. Nesses modelos, os átomos são ampliados e unidos, sem paus para representar ligações. Na linha final, os nomes são fornecidos. A molécula com a ligação dupla entre dois átomos de C é chamada de eteno. A molécula com a ligação dupla entre o primeiro e o segundo átomos de C na cadeia de três é chamada de propeno. A molécula com a ligação dupla entre os átomos de carbono na cadeia de quatro é chamada de 1 traço de buteno.

Figura 20.7 Estruturas expandidas, estruturas esféricas e modelos de preenchimento de espaço para os alcenos eteno, propeno e 1-buteno são mostrados.

O etileno (o nome industrial comum para eteno) é uma matéria-prima básica na produção de polietileno e outros compostos importantes. Mais de 135 milhões de toneladas de etileno foram produzidas em todo o mundo em 2010 para uso nas indústrias de polímeros, petroquímicos e plásticos. O etileno é produzido industrialmente em um processo chamado craqueamento, no qual as longas cadeias de hidrocarbonetos em uma mistura de petróleo são divididas em moléculas menores.

Química na vida cotidiana

Reciclagem de plásticos

Polímeros (das palavras gregas poli que significa “muitos” e mer significa “partes”) são moléculas grandes compostas por unidades repetidas, chamadas de monômeros. Os polímeros podem ser naturais (o amido é um polímero de resíduos de açúcar e as proteínas são polímeros de aminoácidos) ou sintéticos [como polietileno, cloreto de polivinil (PVC) e poliestireno]. A variedade de estruturas de polímeros se traduz em uma ampla gama de propriedades e usos que os tornam partes integrantes de nossas vidas diárias. Adicionar grupos funcionais à estrutura de um polímero pode resultar em propriedades significativamente diferentes (veja a discussão sobre o Kevlar mais adiante neste capítulo).

Um exemplo de reação de polimerização é mostrado na Figura 20.8. O monômero etileno (C ₂ H ₄) é um gás à temperatura ambiente, mas quando polimerizado, usando um catalisador de metal de transição, é transformado em um material sólido formado por longas cadeias de unidades —CH ₂ chamadas polietileno. O polietileno é um plástico básico usado principalmente para embalagens (sacos e filmes).

Este diagrama tem três linhas, mostrando o etileno reagindo para formar o polietileno. Na primeira linha, as fórmulas estruturais de Lewis mostram três moléculas de etileno sendo adicionadas, cada uma composta por dois átomos de C duplamente ligados, cada um com dois átomos de H ligados. Elipses, ou três pontos, estão presentes antes e depois das estruturas da molécula, que por sua vez são seguidas por uma seta apontando para a direita. No lado direito da seta, as elipses ou pontos aparecem novamente à esquerda de um traço que se conecta a uma cadeia de 7 átomos de C, cada um com átomos de H conectados acima e abaixo. Um traço aparece no final da cadeia, que por sua vez é seguido por elipses ou pontos. O diagrama de reação é repetido na segunda linha usando modelos de bola e bastão para as estruturas. Nessas representações, as ligações simples são representadas com paus, as ligações duplas são representadas com duas varetas paralelas e os elementos são representados com bolas. Os átomos de carbono são pretos e os átomos de hidrogênio são brancos nesta imagem. Na terceira linha, os modelos de preenchimento de espaço são mostrados. Nesses modelos, os átomos são esferas ampliadas que são unidas, sem bastões para representar ligações.

Figura 20.8 A reação para a polimerização do etileno em polietileno é mostrada.

O polietileno é um membro de um subconjunto de polímeros sintéticos classificados como plásticos. Os plásticos são sólidos orgânicos sintéticos que podem ser moldados; eles são normalmente polímeros orgânicos com altas massas moleculares. A maioria dos monômeros que entram em plásticos comuns (etileno, propileno, cloreto de vinila, estireno e tereftalato de etileno) são derivados de produtos petroquímicos e não são muito biodegradáveis, tornando-os materiais candidatos à reciclagem. A reciclagem de plásticos ajuda a minimizar a necessidade de usar mais suprimentos petroquímicos e também minimiza os danos ambientais causados pelo descarte desses materiais não biodegradáveis.

A reciclagem de plástico é o processo de recuperar resíduos, sucatas ou plásticos usados e reprocessar o material em produtos úteis. Por exemplo, o tereftalato de polietileno (garrafas de refrigerante) pode ser derretido e usado em móveis de plástico, tapetes ou outras aplicações. Outros plásticos, como polietileno (sacos) e polipropileno (copos, recipientes plásticos para alimentos), podem ser reciclados ou reprocessados para serem usados novamente. Muitas áreas do país têm programas de reciclagem que se concentram em um ou mais plásticos básicos aos quais foi atribuído um código de reciclagem (veja a Figura 20.9). Essas operações estão em vigor desde a década de 1970 e tornaram a produção de alguns plásticos uma das operações industriais mais eficientes da atualidade.

Esta tabela mostra símbolos, nomes e usos de reciclagem de vários tipos de plásticos. Os símbolos são mostrados com três setas em forma triangular ao redor de um número. O número 1 é rotulado P E T E. O plástico relacionado, o tereftalato de polietileno (P E T E), é usado em garrafas de refrigerante e bandejas de alimentos prontas para o forno. O número 2 é rotulado como H D P E. O plástico relacionado é o polietileno de alta densidade (H D P E), que é usado em garrafas para leite e líquidos para lavar louça. O número 3 é rotulado V. O plástico relacionado é cloreto de polivinil ou (P V C). Esse plástico é usado em bandejas de alimentos, embalagens plásticas e garrafas para água mineral e xampu. O número 4 é rotulado como L D P E. Este plástico é polietileno de baixa densidade (L D P E). É usado em sacolas de compras e sacos de lixo. O número 5 é rotulado P P. O plástico relacionado é polipropileno (P P). É usado em banheiras de margarina e bandejas de alimentos para micro-ondas. O número 6 é rotulado como P S. O plástico relacionado é poliestireno (P S). É usado em banheiras de iogurte, bandejas de espuma para carne, caixas de ovos, copos de venda automática, talheres de plástico e embalagens para eletrônicos e brinquedos. O número 7 é rotulado como outro para qualquer outro plástico. Os itens nesta categoria incluem os materiais plásticos que não se encaixam em nenhuma outra categoria. A melamina usada em pratos e copos de plástico é um exemplo.

Figura 20.9 Cada tipo de plástico reciclável é impresso com um código para facilitar a identificação.

O nome de um alceno é derivado do nome do alcano com o mesmo número de átomos de carbono. A presença da ligação dupla é significada pela substituição do sufixo -ane pelo sufixo -ene. A localização da ligação dupla é identificada nomeando o menor dos números de átomos de carbono que participam da ligação dupla:

Quatro fórmulas e nomes estruturais são mostrados. O primeiro mostra dois átomos C vermelhos conectados por uma ligação dupla vermelha ilustrada com dois segmentos de linha paralela. Os átomos de H estão ligados acima e abaixo à esquerda do átomo C mais à esquerda. Mais dois átomos de H estão ligados de forma semelhante à direita do átomo de C à direita. Abaixo dessa estrutura, o nome eteno e o nome alternativo etileno são mostrados. O segundo mostra três átomos de C unidos por uma ligação dupla vermelha entre o primeiro e o segundo átomos C vermelhos movendo-se da esquerda para a direita ao longo da cadeia de três carbonos. Os átomos de H estão ligados acima e abaixo à esquerda do átomo de C à esquerda. Um único H está ligado acima do átomo C médio. Mais três átomos de H estão ligados acima, abaixo e à direita do terceiro átomo de C. Abaixo dessa estrutura, o nome propeno e o nome alternativo propileno são mostrados. O terceiro mostra quatro átomos de C unidos, numerados de um a quatro movendo-se da esquerda para a direita com uma ligação dupla vermelha entre o primeiro e o segundo carbono vermelho na cadeia. Os átomos de H estão ligados acima e abaixo à esquerda do átomo de C à esquerda. Um único H está ligado acima do segundo átomo de C. Os átomos de H estão ligados acima e abaixo do terceiro átomo de C. Mais três átomos de H estão ligados acima, abaixo e à direita do quarto átomo de C. Abaixo dessa estrutura, o nome 1 traço de buteno é mostrado. O quarto mostra quatro átomos de C unidos, numerados de um a quatro movendo-se da esquerda para a direita com uma ligação dupla vermelha entre o segundo e o terceiro átomos C vermelhos na cadeia. Os átomos de H estão ligados acima, abaixo e à esquerda do átomo C mais à esquerda. Um único átomo de H está ligado acima do segundo átomo de C. Um único átomo de H está ligado acima do terceiro átomo de C. Mais três átomos de H estão ligados acima, abaixo e à direita do quarto átomo de C. Abaixo dessa estrutura, o nome 2 traços de buteno é mostrado.

Isômeros de Alcenes

Moléculas de 1-buteno e 2-buteno são isômeros estruturais; a disposição dos átomos nessas duas moléculas é diferente. Como exemplo de diferenças de arranjo, o primeiro átomo de carbono em 1-buteno está ligado a dois átomos de hidrogênio; o primeiro átomo de carbono em 2-buteno está ligado a três átomos de hidrogênio.

O composto 2-buteno e alguns outros alcenos também formam um segundo tipo de isômero chamado isômero geométrico. Em um conjunto de isômeros geométricos, os mesmos tipos de átomos estão ligados uns aos outros na mesma ordem, mas as geometrias das duas moléculas são diferentes. Os isômeros geométricos dos alcenos diferem na orientação dos grupos em ambos os lados de um $C = C$ vínculo.

Os átomos de carbono são livres para girar em torno de uma única ligação, mas não em torno de uma ligação dupla; uma ligação dupla é rígida. Isso torna possível ter dois isômeros de 2-buteno, um com os dois grupos metil no mesmo lado da ligação dupla e outro com os grupos metil em lados opostos. Quando estruturas de buteno são desenhadas com ângulos de ligação de 120° em torno dos átomos de carbono hibridizado sp ² que participam da ligação dupla, os isômeros são aparentes. O isômero 2-buteno no qual os dois grupos metil estão do mesmo lado é chamado de isômero cis; aquele em que os dois grupos metil estão em lados opostos é chamado de isômero trans (Figura 20.10). As diferentes geometrias produzem propriedades físicas diferentes, como ponto de ebulição, que podem possibilitar a separação dos isômeros:

A figura ilustra três maneiras de representar isômeros de buteno. Na primeira linha da figura, as fórmulas estruturais de Lewis mostram símbolos dos elementos carbono e hidrogênio e ligações entre os átomos. A primeira estrutura nesta linha mostra um átomo C com uma ligação dupla a outro átomo C que está ligado para baixo e à direita para C H subscrito 2 que, por sua vez, está ligado ao C H subscrito 3. O primeiro átomo C, movendo-se da esquerda para a direita, tem dois átomos H ligados a ele e o segundo átomo C tem um átomo de H ligado a ele. A segunda estrutura na linha mostra um átomo de C com uma ligação dupla a outro átomo de C. O primeiro átomo C está ligado a um átomo H para cima e para a esquerda e C H subscrito 3 para baixo e para a esquerda. O segundo átomo C está ligado a um átomo H para cima e para a direita e C H subscrito 3 para baixo e para a direita. Ambas as estruturas C H subscrito 3 aparecem em vermelho. A terceira estrutura mostra um átomo de C com uma ligação dupla a outro átomo de C. O primeiro átomo C da esquerda está ligado à esquerda ao C H subscrito 3 que aparece e é vermelho. Também está ligado para baixo e para a esquerda a um átomo de H. O segundo átomo de C está ligado para cima e para a direita a um átomo de H e para baixo e para a esquerda a C H subscrito 3 que aparece em vermelho. Na segunda linha, são mostrados modelos de bola e bastão para as estruturas. Nessas representações, as ligações simples são representadas com paus, as ligações duplas são representadas com duas varetas paralelas e os elementos são representados com bolas. Os átomos C são pretos e os átomos H são brancos nesta imagem. Na terceira linha, os modelos de preenchimento de espaço são mostrados. Nesses modelos, os átomos são ampliados e unidos, sem paus para representar ligações. Na linha final, os nomes são fornecidos. A molécula com a ligação dupla entre o primeiro e o segundo carbonos é chamada de 1 traço de buteno. As duas moléculas com a ligação dupla entre o segundo e o terceiro átomos de carbono são chamadas de 2 traços de buteno. O primeiro modelo, que tem ambos os grupos C H subscrito 3 abaixo da ligação dupla, é chamado de isômero cis. O segundo, que tem os grupos C H subscrito 3 em lados opostos da ligação dupla, é chamado de isômero trans.

Figura 20.10 Esses modelos moleculares mostram os isômeros estruturais e geométricos do buteno.

Os alcenos são muito mais reativos do que os alcanos porque o $C = C$ a metade é um grupo funcional reativo. Uma ligação π, sendo uma ligação mais fraca, é interrompida com muito mais facilidade do que uma ligação σ. Assim, os alcenos sofrem uma reação característica na qual a ligação π é quebrada e substituída por duas ligações σ. Essa reação é chamada de reação de adição. A hibridização dos átomos de carbono na ligação dupla em um alceno muda de sp ² para sp ³ durante uma reação de adição. Por exemplo, os halogênios se somam à ligação dupla em um alceno em vez de substituir o hidrogênio, como ocorre em um alcano:

Este diagrama ilustra a reação do eteno e do C l subscrito 2 para formar 1 vírgula 2 traços de dicloroetano. Nessa reação, a fórmula estrutural do etano é mostrada. Ele tem uma ligação dupla entre os dois átomos de C com dois átomos de H ligados a cada átomo de C mais C l ligado a C l. Isso é mostrado à esquerda de uma seta. Os dois átomos de C e a ligação dupla entre eles são mostrados em vermelho. À direita da seta, a molécula de dicloroetano de 1 vírgula e 2 traços é mostrada. Ele tem apenas ligações simples e cada átomo de C tem um C l com três pares de pontos de elétrons ligados abaixo dele. Os átomos C e C l, ligação única entre eles e pares de elétrons são mostrados em vermelho. Cada átomo de C também tem dois átomos de H ligados a ele.

Exemplo 20.5

Reatividade e nomenclatura do alceno

Forneça os nomes da IUPAC para o reagente e o produto da reação de halogenação mostrados aqui:

O lado esquerdo de uma reação e a seta são mostrados com o lado vazio do produto. À esquerda, C H subscrito 3 é vinculado para baixo e à direita para C H, que tem uma ligação dupla com outro C H. O segundo C H está ligado para cima e à direita para C H subscrito 2, que também está ligado ao C H subscrito 3. Um sinal positivo é mostrado com um átomo de C l ligado a um átomo de C l após ele. Isso também é seguido por uma seta de reação.

Solução

O reagente é uma cadeia de cinco carbonos que contém uma ligação dupla carbono-carbono, então o nome base será penteno. Começamos a contar na extremidade da cadeia mais próxima da ligação dupla - neste caso, da esquerda - a ligação dupla abrange os carbonos 2 e 3, então o nome se torna 2-penteno. Como existem dois grupos contendo carbono ligados aos dois átomos de carbono na ligação dupla - e eles estão do mesmo lado da ligação dupla - essa molécula é o isômero cis, fazendo o nome do alceno inicial cis -2-penteno. O produto da reação de halogenação terá dois átomos de cloro ligados aos átomos de carbono que faziam parte da ligação dupla carbono-carbono: C H subscrito 3 está ligado para baixo e para a direita a C H que está ligado para baixo e para a esquerda para C l. C H também está ligado a outro C H que está ligado para baixo e para a direita para C l e para cima e para a direita para C H subscrito 2. C H subscrito 2 também está vinculado ao C H subscrito 3.

C H subscrito 3 está ligado para baixo e para a direita a C H que está ligado para baixo e para a esquerda para C l. C H também está ligado a outro C H que está ligado para baixo e para a direita para C l e para cima e para a direita para C H subscrito 2. C H subscrito 2 também está vinculado ao C H subscrito 3.

Essa molécula agora é um alcano substituído e será denominada como tal. A base do nome será pentano. Contaremos a partir do final que numera os átomos de carbono aos quais os átomos de cloro estão ligados como 2 e 3, fazendo com que o nome do produto seja 2,3-dicloropentano.

Verifique seu aprendizado

Forneça nomes para o reagente e o produto da reação mostrada:

Isso mostra um átomo de C ligado a três átomos de H e outro átomo de C. Este segundo átomo de C está ligado a dois átomos de H e a um terceiro átomo de C. Esse terceiro átomo de C está ligado a um átomo de H e também forma uma ligação dupla com um quarto átomo de C. Este quarto átomo de C está ligado a um átomo de H e a um quinto átomo de C. Este quinto átomo de C está ligado a dois átomos de H e a um sexto átomo de C. Este sexto átomo de C está ligado a três átomos de H. Há um sinal positivo seguido por um átomo de C l ligado a outro átomo de C l. Há uma seta de reação. Nenhum produto é mostrado.

Resposta:

reagente: cis-3-hexeno produto: 3,4-diclorohexano

Alcinos

As moléculas de hidrocarbonetos com uma ou mais ligações triplas são chamadas de alcinos; elas formam outra série de hidrocarbonetos insaturados. Dois átomos de carbono unidos por uma ligação tripla são unidos por uma ligação σ e duas ligações π. Os carbonos hibridizados sp envolvidos na ligação tripla têm ângulos de ligação de 180°, dando a esses tipos de ligações uma forma linear semelhante a uma haste.

O membro mais simples da série alcina é o etino, C _{2 H ₂}, comumente chamado de acetileno. A estrutura de Lewis para o etino, uma molécula linear, é:

A fórmula estrutural e o nome do etino, também conhecido como acetileno, são mostrados. Em vermelho, dois átomos de C são mostrados com uma ligação tripla ilustrada por três segmentos de linha horizontal entre eles. Mostrado em preto em cada extremidade da estrutura, um único átomo de H está ligado.

A nomenclatura IUPAC para alcinos é semelhante à dos alcenos, exceto que o sufixo -yne é usado para indicar uma ligação tripla na cadeia. Por exemplo, ${CH}_{3} {CH}_{2} C \equiv CH$ é chamado de 1-butino.

Exemplo 20.6

Estrutura dos alcinos

Descreva a geometria e a hibridização dos átomos de carbono na seguinte molécula: Uma fórmula estrutural é mostrada com C H subscrito 3 ligado a um átomo C que é triplamente ligado a outro átomo C que está ligado ao subscrito C H 3. Cada átomo de C é rotulado como 1, 2, 3 e 4 da esquerda para a direita.

Uma fórmula estrutural é mostrada com C H subscrito 3 ligado a um átomo C que é triplamente ligado a outro átomo C que está ligado ao subscrito C H 3. Cada átomo de C é rotulado como 1, 2, 3 e 4 da esquerda para a direita.

Solução

Os átomos de carbono 1 e 4 têm quatro ligações simples e, portanto, são tetraédricos com hibridização sp ³. Os átomos de carbono 2 e 3 estão envolvidos na ligação tripla, então eles têm geometrias lineares e seriam classificados como híbridos sp.

Verifique seu aprendizado

Identifique os ângulos de hibridação e ligação nos átomos de carbono na molécula mostrada: Uma fórmula estrutural é mostrada com um átomo de H ligado a um átomo de C. O átomo C tem uma ligação tripla com outro átomo C que também está ligado a C H. O C H tem uma ligação dupla com outro C H que também está ligado e à direita ao C H subscrito 3. Cada átomo de C é rotulado como 1, 2, 3, 4 ou 5 da esquerda para a direita.

Uma fórmula estrutural é mostrada com um átomo de H ligado a um átomo de C. O átomo C tem uma ligação tripla com outro átomo C que também está ligado a C H. O C H tem uma ligação dupla com outro C H que também está ligado e à direita ao C H subscrito 3. Cada átomo de C é rotulado como 1, 2, 3, 4 ou 5 da esquerda para a direita.

Resposta:

carbono 1: sp, 180°; carbono 2: sp, 180°; carbono 3: sp ², 120°; carbono 4: sp ², 120°; carbono 5: sp ³, 109,5°

Quimicamente, os alcinos são semelhantes aos alcenos. Desde o $C \equiv C$ o grupo funcional tem duas ligações π, os alcinos normalmente reagem ainda mais rapidamente e reagem com o dobro de reagente, além de reações adicionais. A reação do acetileno com o bromo é um exemplo típico:

Este diagrama ilustra a reação do etino e de duas moléculas de B r subscrito 2 para formar 1 vírgula 1 vírgula 2 vírgula 2 traços de tetrabromoetano. Nesta reação, a fórmula estrutural do etino, um átomo H ligado a um átomo C vermelho com uma ligação tripla vermelha a outro átomo C vermelho ligado a um átomo de H preto, mais B r ligado a B r mais B r ligado a B r ligado a B r é mostrada à esquerda de uma seta. À direita, a forma 1 vírgula 1 vírgula 2 vírgula 2 traços da molécula de tetrabrometano é mostrada. Tem um átomo H ligado a um átomo C que está ligado a outro átomo C que está ligado a um átomo de H. Cada átomo de C está ligado acima e abaixo a um átomo B r. Cada átomo B r tem três pares de pontos de elétrons. Os átomos C e B r, ligação única entre eles e pares de elétrons são mostrados em vermelho.

O acetileno e os outros alcinos também queimam rapidamente. Uma tocha de acetileno aproveita o alto calor de combustão do acetileno.

Hidrocarbonetos aromáticos

O benzeno, C ₆ H ₆, é o membro mais simples de uma grande família de hidrocarbonetos, chamados hidrocarbonetos aromáticos. Esses compostos contêm estruturas em anel e exibem ligações que devem ser descritas usando o conceito híbrido de ressonância da teoria da ligação de valência ou o conceito de deslocalização da teoria orbital molecular. (Para revisar esses conceitos, consulte os capítulos anteriores sobre ligação química). As estruturas de ressonância do benzeno, C ₆ H ₆, são:

Essa fórmula estrutural mostra um anel de hidrocarbonetos de seis carbonos. No lado esquerdo, há seis átomos de C. O átomo de C na parte superior e à esquerda forma uma ligação única com o átomo de C na parte superior e à direita. O átomo C tem uma ligação dupla com outro átomo C que tem uma ligação simples a um átomo de C. Esse átomo C tem uma ligação dupla com outro átomo C que tem uma ligação única a um átomo de C. Esse átomo de C forma uma ligação dupla com outro átomo de C. Cada átomo de C tem uma ligação única a um átomo de H. Há uma seta dupla face e a estrutura à direita é quase idêntica à estrutura à esquerda. A estrutura à direita mostra ligações duplas, onde a estrutura à esquerda mostra ligações simples. A estrutura à direita mostra ligações simples, onde a estrutura à esquerda mostra ligações duplas.

A teoria da ligação de valência descreve a molécula de benzeno e outras moléculas planares de hidrocarbonetos aromáticos como anéis hexagonais de átomos de carbono hibridizado sp ² com o orbital p não hibridizado de cada átomo de carbono perpendicular ao plano do anel. Três elétrons de valência nos orbitais híbridos sp ² de cada átomo de carbono e o elétron de valência de cada átomo de hidrogênio formam a estrutura das ligações σ na molécula de benzeno. O quarto elétron de valência de cada átomo de carbono é compartilhado com um átomo de carbono adjacente em seus orbitais p não hibridizados para produzir as ligações π. O benzeno, no entanto, não apresenta as características típicas de um alceno. Cada uma das seis ligações entre seus átomos de carbono é equivalente e exibe propriedades intermediárias entre as de uma ligação única C—C e uma $C = C$ ligação dupla. Para representar essa ligação única, as fórmulas estruturais para o benzeno e seus derivados são normalmente desenhadas com ligações simples entre os átomos de carbono e um círculo dentro do anel, conforme mostrado na Figura 20.11.

Uma fórmula estrutural de seis anéis de hidrocarbonetos de hidrocarbonetos é mostrada. Cada átomo de C está ligado a apenas um átomo de H. Um círculo está no centro do anel.

Figura 20.11 Esta fórmula condensada mostra a estrutura de ligação exclusiva do benzeno.

Existem muitos derivados do benzeno. Os átomos de hidrogênio podem ser substituídos por muitos substituintes diferentes. Compostos aromáticos sofrem mais facilmente reações de substituição do que reações de adição; a substituição de um dos átomos de hidrogênio por outro substituinte deixará intactas as ligações duplas deslocalizadas. A seguir estão exemplos típicos de derivados de benzeno substituídos:

Três fórmulas estruturais são mostradas. O primeiro é rotulado como tolueno. Essa molécula tem um anel de seis hidrocarbonetos de carbono no qual cinco dos átomos de C estão cada um ligado a apenas um átomo de H. No canto superior direito do anel, o átomo C que não tem um átomo H ligado tem um grupo C H subscrito 3 vermelho anexado. Um círculo está no centro do anel. O segundo é rotulado como xileno. Essa molécula tem um anel de seis hidrocarbonetos de carbono no qual quatro dos átomos de C estão cada um ligado a apenas um átomo de H. No canto superior direito e direito do anel, os dois átomos de C que não têm átomos H ligados têm 3 grupos subscritos C H anexados. Esses grupos C H subscritos 3 aparecem em vermelho. Um círculo está no centro do anel. O terceiro é rotulado como estireno. Essa molécula tem um anel de seis hidrocarbonetos de carbono no qual cinco dos átomos de carbono estão cada um ligado a apenas um átomo de H. No canto superior direito do anel, o carbono que não tem um átomo H ligado tem um grupo vermelho C H subscrito 2 de ligação dupla C H anexado. Um círculo está no centro do anel.

O tolueno e o xileno são solventes e matérias-primas importantes na indústria química. O estireno é usado para produzir o poliestireno polimérico.

Exemplo 20.7

Estrutura dos hidrocarbonetos aromáticos

Um possível isômero criado por uma reação de substituição que substitui um átomo de hidrogênio ligado ao anel aromático de tolueno por um átomo de cloro é mostrado aqui. Desenhe dois outros isômeros possíveis nos quais o átomo de cloro substitui um átomo de hidrogênio diferente ligado ao anel aromático:

Duas fórmulas estruturais são mostradas. O primeiro tem um anel de seis hidrocarbonetos de carbono no qual quatro dos átomos de carbono estão cada um ligado a apenas um átomo de H. No canto superior direito do anel, o carbono que não tem um átomo H ligado tem um grupo C H subscrito 3 anexado. O C no canto inferior direito tem um átomo de C l. Um círculo está no centro do anel. A segunda molécula tem um hexágono com um círculo no interior. De um vértice do hexágono no canto superior direito, um grupo C H subscrito 3 é anexado. Do vértice no canto inferior direito, um átomo de C l é anexado.

Solução

Como o anel de seis carbonos com ligações duplas alternadas é necessário para que a molécula seja classificada como aromática, isômeros apropriados só podem ser produzidos alterando as posições do cloro-substituinte em relação ao substituinte metil:

Dois pares de fórmulas estruturais são mostrados. O primeiro tem um anel de seis hidrocarbonetos de carbono no qual quatro dos átomos de C estão cada um ligado a apenas um átomo de H. No canto superior direito do anel, o átomo C que não tem um átomo H ligado tem um grupo C H subscrito 3 anexado. O átomo C à direita tem um átomo C l anexado. Um círculo está no centro do anel. A segunda molécula do primeiro par tem um hexágono com um círculo no interior. De um vértice do hexágono no canto superior direito, um grupo C H subscrito 3 é anexado. Do vértice à direita, um átomo de C l é anexado. O segundo par mostra primeiro um anel de seis hidrocarbonetos de carbono no qual quatro dos átomos de C estão cada um ligado a apenas um átomo de H. Um átomo C l é anexado ao átomo C mais à esquerda e um grupo C H subscrito 3 é anexado ao átomo C mais à direita. Um círculo está no centro do anel. A segunda molécula do par tem um hexágono com um círculo no interior. Um grupo C H subscrito 3 é anexado a um vértice no lado direito do hexágono e a um vértice no lado esquerdo, um átomo C l é ligado.

Verifique seu aprendizado

Desenhe três isômeros de um composto de anel aromático de seis membros substituído por dois bromos.

Resposta:

Notas de pé

1 Esse é o banco de dados Beilstein, agora disponível no site da Reaxys (www.elsevier.com/online-tools/reaxys).
2 pessoas, Mark. “Síntese orgânica: o robô-químico”, Nature 512 (2014): 20—2.
3 As propriedades físicas de C ₄ H ₁₀ e moléculas mais pesadas são as do isômero normal, n -butano, n -pentano, etc.
4 STP indica uma temperatura de 0 °C e uma pressão de 1 atm.