Aula 1 - Introdução à Química Orgânica

Aula de João Víctor Pimentel

1. Introdução à Química Orgânica

A área da Química que estuda quase a totalidade dos compostos conhecidos, em geral muito mais estruturalmente complexos que os inorgânicos, é a Química Orgânica. Tais compostos são marcados pela presença do elemento carbono. Compostos como carbetos, carbonatos, bicarbonatos, cianetos, $CO, CO_2, H_2CO_3, HCN$ etc. são considerados compostos de transição, pois possuem carbono em sua estrutura, mas comportam-se como compostos inorgânicos.

Um breve histórico do desenvolvimento da referida área é mostrado a seguir:

Século XVIII: Scheele isola diversos compostos de materiais biológicos; Bergman define a Química Orgânica como a que estuda compostos de organismos vivos.
Século XIX: Berzelius lança a teoria da força vital, afirmando que somente os sistemas vivos poderiam sintetizar compostos orgânicos; Wohler, no entanto, sintetiza ureia a partir de cianeto de prata, oxigênio molecular e cloreto de amônio:
$AgCN_{(s)} + \frac{1}{2}O_{2(g)} \xrightarrow\Delta AgOCN_{(s)}$

$AgOCN_{(s)} + NH_4Cl_{(aq)}\rightarrow AgCl_{(s)} + NH_4OCN_{(aq)}$

$NH_4OCN_{(s)}\xrightarrow\Delta CO(NH_2)_{2(s)}$

A Química é uma ciência unificada, regida pelas mesmas leis em todas as suas áreas. A divisão em Química Orgânica e Inorgânica é puramente didática.

1.1. Carbono

Em 1858, Kekulé e Couper propuseram independentemente os postulados:

O carbono é tetravalente.
As quatro valências do carbono são equivalentes.
Os átomos de carbono podem formar longas cadeias, chamadas cadeias carbônicas.

Em 1865, Kekulé sugeriu a existência de cadeias carbônicas cíclicas. Em 1874, muito antes do desenvolvimento da teoria da repulsão dos pares eletrônicos de valência, Van't Hoff e Le Bel propuseram a orientação tetraédrica das quatro ligações do carbono, este ocupando o centro do tetraedro regular. Uma ligação simples entre dois átomos de carbono ocorreria por um vértice comum aos dois tetraedros, uma dupla, por uma aresta comum e uma tripla, por uma face comum. Com o tempo, essa teoria foi modificada e aperfeiçoada.

1.2. Hibridização

É a combinação linear das funções de onda dos orbitais atômicos. Com ela, o número de orbitais é conservado, isto é, o número de orbitais não híbridos que havia no início e que participaram da hibridização é igual ao número de orbitais híbridos no final. Os orbitais híbridos apresentam a mistura das características dos orbitais que se combinaram para gerá-lo, como energia e penetrabilidade. Devido a isso, quanto maior o caráter ${p}$ de um orbital híbrido de orbitais ${s}$ e ${p}$ , ou seja, a razão entre o número de orbitais ${p}$ e o número de total de orbitais hibridizados para formá-lo, e.g., Caráter ${p}$ (orbital ${sp^3}$ ) ${=\frac{3}{1+3}=\frac{3}{4}}$ , maior sua energia e menor sua eletronegatividade, pois os orbitais ${p}$ puros são alongados, ou seja, possuem alta energia e baixa proximidade do núcleo do átomo. Os orbitais híbridos aumentam a força da ligação e SEMPRE formam ligações ${\sigma}$ . As ligações ${\pi}$ são formadas por orbitais puros.

Geometria molecular e hibridização estão intimamente relacionadas. No metano, um exemplo simples, um orbital ${s}$ e três orbitais ${p}$ do átomo de carbono são hibridizados, resultando em quatro orbitais ${sp^3}$ . O orbital ${s}$ é esférico e os orbitais ${p}$ apresentam dois lóbulos simétricos cada um. Já os orbitais ${sp^3}$ resultantes possuem dois lóbulos assimétricos (um longo e um curto) cada um e apontam para os vértices do tetraedro regular que possui o carbono no centro. A hibridação dá maior simetria ao sistema e minimiza as repulsões eletrônicas.

1.3. Fórmulas estruturais dos compostos orgânicos

Os compostos orgânicos podem ser representados nas seguintes formas: fórmula estrutural de traços, fórmula estrutural condensada e fórmula de linhas. A mais utilizada é a de linhas, visto que ela evita a escrita de átomos de carbono e de átomos de hidrogênio ligados aos primeiros. Cada interseção entre linhas representa um átomo de carbono ligado a tantos átomos de hidrogênios quantos forem necessários para completar sua valência. Lembrete: carbonos que apresentam ligação tripla são hibridizados em ${sp}$ , sendo, portanto, lineares.

1.4. Classificação dos átomos de carbono

Um átomo de carbono pode ser classificado em primário, secundário, terciário ou quaternário de acordo com o número de átomos de carbono ligados diretamente a ele. Nessa ordem, um, dois, três e quatro átomos de carbono ligados diretamente a ele.

1.5. Classificação das cadeias carbônicas

Quanto ao fechamento da cadeia
- Aberta, acíclica ou alifática: no mínimo duas extremidades livres e nenhum ciclo.
- Fechada ou cíclica: nenhuma extremidade livre e no mínimo um ciclo.
- Mista: no mínimo uma extremidade livre e um ciclo.
Quanto à disposição dos átomos de carbono
- Normal: apenas duas extremidades livres. Só há carbonos primários e secundários.
- Ramificada: mais de duas extremidades livres. Há, também, carbonos terciários e/ou quaternários.
Quanto ao tipo de ligação entre os átomos de carbono
- Saturada: apenas ligações simples entre os átomos de carbono.
- Insaturada: há pelo menos uma insaturação (ligação dupla ou tripla) entre átomos de carbono.
Quanto à natureza dos átomos
- Homogênea: não há heteroátomo (átomo de elemento diferente de carbono) entre dois átomos de carbono da cadeia.
- Heterogênea: há heteroátomo entre dois átomos de carbono da cadeia.
Classificações exclusivas de cadeias fechadas
1. Quanto à aromaticidade
  1. Aromática: normalmente, mas não sempre, possuem núcleo benzênico.
  2. Alicíclica ou cicloalifática: não há núcleo aromático.
2. Quanto ao número de anéis, ciclos ou núcleos
  - Monocíclica ou mononuclear: apenas um ciclo.
  - Policíclica ou polinuclear: dois ou mais ciclos.
    - Condensada: os ciclos não possuem átomo de carbono em comum.
    - Isolada: os ciclos possuem ao menos dois átomos de carbono em comum.