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Ciências da Natureza e suas Tecnologias - Química Ensino Médio, 3º Ano Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Características gerais das moléculas orgânicas Estrutura (geometria) • Depende da hibridização do átomo de carbono: – sp 3 tetraédrica; – sp 2 trigonal plana; – sp linear. N O 180º C 109, 5º 120º H Hibridizado sp³ Hibridizado sp² Hibridizado sp

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Características gerais das moléculas orgânicas Estabilidade: • C forma ligações muito fortes com H, O, N e halogênios; • também forma ligações fortes com ele mesmo, gerando estruturas estáveis de cadeias longas ou de anéis; • a força da ligação aumenta (e o comprimento diminui) no sentido: simples (C-C) dupla (C=C) tripla (C C) • C e H têm eletronegatividade semelhante, logo, a ligação C-H é basicamente apolar; • assim sendo, compostos com ligações C-C e C-H são termodinamicamente estáveis e cineticamente inertes; • a adição de grupos funcionais (por exemplo: -OH) introduz reatividade às moléculas orgânicas.

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Características gerais das moléculas orgânicas Solubilidade: Imagem: 3 D do benzeno / KS / The use of this image is free for any purpose. • compostos com apenas ligações C-C ou C-H são apolares, ou seja, solúveis em solventes apolares e pouco solúveis em água; • moléculas orgânicas solúveis em água têm grupos funcionais polares; • surfactantes têm longas partes apolares na molécula com uma pequena ponta iônica ou polar.

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Hidrocarbonetos São compostos cujas moléculas contêm apenas átomos de hidrogênio (H) e de carbono (C). Imagem: Petróleo é bombeado para um barril por uma réplica de um motor a vapor / Niagara / Creative Commons Attribution-Share Alike 3. 0 Unported

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Imagem: Um pumpjack no Texas / Flcelloguy / GNU Free Documentation License Imagem: Estação Autogas da Shell / Robert Brook / Creative Commons Attribution 2. 0 Generic • Existem várias subfamílias, podendo destacar as seguintes: – Alcanos – Alcenos – Alcinos – Alcadienos – Ciclanos – Ciclenos – Hidrocarbonetos aromáticos • Nesta aula, trataremos dos ciclanos, ciclenos e hidrocarbonetos aromáticos. Imagem: Diesel / Burger / Public Domain Classificação dos hidrocarbonetos Imagem: chemical structure of thujene / Edgar 181 / Public Domain.

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Ciclanos Fórmula geral: Cn. H 2 n: • Também chamados de cicloalcanos, cicloparafinas e hidrocarbonetos naftênicos (por serem encontrados em parafinas e empetróleo à base de naftênica); • apresentam apenas ligações simples em cadeias fechadas (anéis); • assim sendo, o carbono está com hibridização sp 3, ou seja, deverá formar quatro ligações simples (geometria tetraédrica). H H C 109, 5º H H CH - tetraédrica 4

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Ciclanos H H 88º 60º H H H Imagem: Ciclopropano / Benrr 101 / Public Domain H Imagem: Ciclopropano / Antimoni. GNU Free Documentation License. Imagem: Ciclobutano / Smokefoot / Public Domain • O ciclopropano (acima, à esquerda) e o ciclobutano (acima, à direita) são tensos porque os ângulos no anel são menores do que os 109, 5° necessários para a geometria tetraédrica; • por causa do tensionamento no anel, o ciclopropano é muito reativo.

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Ciclanos Nomenclatura: • • são nomeados com o prefixo ciclo- seguido do nome do alcano com o mesmo número de carbonos; assim como no caso dos alcenos, existe isomeria cis/trans. Quando os substituintes estiverem na mesma face da molécula, serão cis, quando estiverem em lados opostos, serão trans; CH 3 1 5 2 4 3 C H 2 5 3 -etil-1 -metilciclopentano

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Ciclanos Nomenclatura (cont. ): a única diferença é o fato de ter que citar inicialmente a ramificação; se houver mais de uma ramificação, enumera-se a cadeia lembrando que é preciso partir da ramificação baseando-se na ordem alfabética e de modo que as ramificações sejam citadas com os menores números possíveis. Observe bem o exemplo abaixo: • • Correto Errado 5 4 3 1 CH 2 4 CH 3 5 1 -etil-3 -metil-ciclipentano 3 1 2 CH 3 Errado CH 3 CH 2 CH 3 3 2 2 1 4 CH 2 CH 3 5 CH 3 O erro está no fato da numeração não ter Está errado porque numerou-se começado em ordem alfabética: etil vem números maiores, 1 e 4, quando antes de metil deveriam ser menores: 1 e 3.

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Ciclanos Propriedades físicas: • possuem pontos de fusão e ebulição mais elevados que os alcanos com número de carbonos equivalente; a rigidez do anel permite um maior número de interações intermoleculares, que precisam ser quebradas para converter as moléculas para a fase gasosa. Imagem: Ciclohexano / Jynto and Ben Mills / Public Domain. •

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Ciclanos H H c c H CH 2 H c H c H H H C 2 CH 2 Tensão do anel: • • os ciclanos menores (ciclobutano e ciclopropano) apresentam um estresse significativo devido aos ângulos de ligação (conforme visto anteriormente); os ciclanos maiores, como o ciclopentano (acima, à esquerda) e o ciclohexano (acima, à direita) são quase livre de tensão.

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Ciclenos • São hidrocarbonetos de cadeia fechada, não-saturados (ao menos uma ligação dupla). • Fórmula geral: Cn. H 2 n-2 HC CH CH CH (C 4 H 6) H C 2 CH 2 (C 5 H 8) H C 2 CH 2

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Ciclenos Nomenclatura: • é semelhante a dos alcenos, antepondo ao nome o prefixo ciclo- e usandose o prefixo correspondente ao número de átomos de carbono, seguido do sufixo eno. 4 1 H C 2 CH 3 ciclobuteno CH 3 2 metilciclobuteno H C 3 4 1 CH C 2 3 CH 2 1, 4 -dimetilbuteno

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Hidrocarbonetos aromáticos: • não há uma fórmula geral para os aromáticos (ou arenos), assim chamados em virtude do forte cheiro apresentado pelos primeiros a serem descobertos; • as estruturas aromáticas estão formalmente relacionadas ao anel benzênico. Os elétrons deslocalizados normalmente são representados como um círculo no centro do anel; H Benzeno H c c c c H H ou H c c c c H H c H Representações simplificadas ou CH 3’ ou CH 2’ CH 3’ A sua nomenclatura será vista adiante São hidrocarbonetos aromáticos

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Hidrocarbonetos aromáticos: • o benzeno é uma molécula simétrica plana, muito pouco reativo por causa da estabilidade associada aos elétrons deslocalizados; • apesar de conterem ligações , os hidrocarbonetos aromáticos sofrem substituição mais facilmente que adição. Isso devido à elevada estabilidade causada ressonância do anel. Imagem: Estrutura Química do Benzeno / Cacycle / GNU Free Documentation License. Imagem: Estrutura do benzeno em 3 D / Alundra / Public Domain.

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Hidrocarbonetos aromáticos Classificação: 1) Mononucleares: – possuem apenas um anel benzênico (substituído ou não). A substituição será de um ou mais átomos de hidrogênio do anel pelos radicais de hidrocarbonetos. Ex. : benzeno, metil-benzeno (tolueno), dimetil-benzeno (xileno) etc. CH 2 CH 3 OH

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Hidrocarbonetos aromáticos Classificação (cont. ): 2) Polinucleares: a) isolados: união de anéis benzênicos por ligação simples entre os átomos de carbono. Exemplo: bifenila b) condensados: união de anéis benzênicos de modo que dois ou mais átomos de carbono sejam comuns a mais de um anel Exemplos: naftaleno (com 2), antraceno e fenantreno (com 3) etc. Imagem: Modelo de molécula de bifenila / Kemikungen / Public Domain. Imagem: Naftaleno / Autor Desconhecido / Disponibilizado por Benjah-bmm 27 / Public Domain.

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Hidrocarbonetos aromáticos Nomenclatura: • benzeno é o nome-base e o substituinte é indicado por um prefixo; H C 2 CH 3 etilbenzeno CH 2 propilbenzeno CH 3

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Hidrocarbonetos aromáticos Nomenclatura: • em alguns casos, o substituinte e o anel benzênico podem ser nomeados em conjunto formando novo nome-base; CH 3 benzeno metilbenzeno ou tolueno 1, 2 -dimetilbenzeno ou o-xileno

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Hidrocarbonetos aromáticos Nomenclatura (cont. ): • quando dois substituintes estão presentes, suas posições relativas podem ser indicadas pelo uso de orto (o), meta (m) e para (p); CH 3 6 6 5 4 1 5 2 4 1 2 3 3 CH 3 1, 2 -dimetilbenzeno ortodimetilbenzeno 1, 4 -dimetilbenzeno o-xileno metadimetilbenzeno m-xileno CH 3 1 6 2 5 3 4 CH 3 1, 4 -dimetilbenzeno parametilbenzeno p-xileno CH 3

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Hidrocarbonetos aromáticos Nomenclatura (cont. ): • quando mais de dois grupos estiverem presentes no anel benzênico, suas posições devem ser indicadas por números; CH 2 CH 3 1 6 2 5 CH 2 CH 3 3 4 CH 2 CH 3 1, 2, 4 -trietilbenzeno

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Hidrocarbonetos aromáticos Nomenclatura (cont. ): • quando o próprio anel benzênico é um substituinte, ele é chamado grupo fenila. A remoção de um hidrogênio do benzeno produz o radical fenila; • a remoção de um hidrogênio do grupo metila do tolueno produz o radical benzila. CH 2

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Hidrocarbonetos aromáticos Nomenclatura (cont. ): • Os hidrocarbonetos aromáticos de núcleos condensados têm nomes particulares. Derivados do naftaleno: – os átomos de carbono têm numeração fixa no caso dos naftalenos; – todos os átomos de carbono que possuem número 1, 4, 5 e 8 são equivalentes e denominados carbono α (alfa); – os átomos de carbono que possuem números 2, 3, 6 e 7 são equivalentes e denominados carbono β(beta). Naftaleno naftalina antraceno fenantreno CH 3 α α β β β α – metil-naftaleno β α α CH 3 β – metil-naftaleno

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Reações mais comuns com o anel benzeno: • os compostos aromáticos sofrem reações de adição bem características. Abaixo alguns exemplos mais importantes: • Acilação: substituição de hidrogênios do anel aromático por um ou mais grupos derivados de ácidos carboxílicos. O + H + + C CH 3 AICI 3 H C O CH 3 + H C CH 3 metil fenil cetona O

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Reações mais comuns com o anel benzeno • Alquilação: substituição de um ou mais hidrogênios do anel aromático por um ou mais grupos derivados de alcanos (grupo alquila). + H + CH 3 + AICI 3 + H H CH 3 tolueno

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Exercícios de fixação 1. (UEL) Quantos átomos de hidrogênio há na molécula do ciclobuteno? a) b) c) d) e) 4 5 6 7 8 Imagem: What? / Lilyu / WTF Public License.

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Exercícios de fixação a) b) c) d) e) C 6 H 14 C 6 H 12 C 6 H 10 C 6 H 8 C 6 H 6 Imagem: Cautela / Rursus / Domínio Público. 2. (UEL) Qual das fórmulas moleculares representa um ciclano?

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Exercícios de fixação a) b) c) d) e) C 14 H 8 C 14 H 10 C 14 H 12 C 18 H 14 Imagem: Pergunta Feliz / Nevit Dilmen / GNU Free Documentation License. 2. (UFSCar) A queima do eucalipto para produzir carvão pode liberar substâncias irritantes e cancerígenas, tais como benzoantracenos, benzofluorantracenos e dibenzoantracenos, que apresentam em suas estruturas anéis de benzeno condensados. O antraceno apresenta três anéis e tem a seguinte fórmula molecular:

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Atividade extra: modelos tridimensionais Objetivo: • ampliar a capacidade de entendimento dos estudantes por meio da visualização tridimensional de estruturas químicas. Material: • kits moleculares para o ensino de Química Orgânica suficientes para disponibilizar um por grupo na turma. Ver link: http: //bimg 1. mlstatic. com/kit-molecularpara-ensino-de-quimica-orgnica_MLB-F 192370708_8340. jpg

QUÍMICA, 3º Ano do Ensino Médio Hidrocarboneto: ciclano, cicleno e compostos aromáticos Atividade extra: modelos tridimensionais Desenvolvimento: • dividir a turma em grupos (máximo de 5 estudantes); • distribuir um kit de montagem para cada grupo; • solicitar que os estudantes montem estruturas tridimensionais dos hidrocarbonetos estudados até agora, com ênfase para os dessa aula (ciclanos, ciclenos e aromáticos); • cada grupo deve apresentar sua estrutura e discutir seu conhecimento com os demais. Ver link: http: //www. 3 bscientific. com. br/imagelibra ry/W 19805_01_Kit-de-quimicainorganica-para-classes. jpg

Tabela de Imagens n° do direito da imagem como está ao lado da foto link do site onde se consegiu a informação Data do slide Acesso 4 3 D do benzeno / KS / The use of this image http: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Benezene_c 16/10/2012 is free for any purpose ross. png? uselang=pt-br 5 Petróleo é bombeado para um barril por 16/10/2012 uma réplica de um motor a vapor / Niagara / Creative Commons Attribution-Share Alike http: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Drake_Well 3. 0 Unported _petroleum. jpg 6 a Um pumpjack no Texas / Flcelloguy / GNU 16/10/2012 Free Documentation License http: //en. wikipedia. org/wiki/File: Oil_well. jpg 6 b http: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Diesel_in_ 16/10/2012 Diesel / Burger / Public Domain mason_jar. JPG 6 c Estação Autogas da Shell / Robert Brook / http: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Autogas_st 16/10/2012 Creative Commons Attribution 2. 0 Generic ation. jpg 6 d chemical structure of thujene / Edgar 181 / http: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Thujene 3 D. 16/10/2012 Public Domain. png 8 a http: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Cyclopropa 16/10/2012 Ciclopropano / Benrr 101 / Public Domain ne-stereo 2. svg 8 b Ciclopropano / Antimoni. GNU Free http: //commons. wikimedia. org/w/index. php? title=Fi 17/10/2012 Documentation License le: Syklopropaanin_taipuneet_sidokset. svg&page=1 8 c http: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Cyclobutan 18/10/2012 Ciclobutano / Smokefoot / Public Domain e. Conf. png

Tabela de Imagens n° do direito da imagem como está ao lado da foto link do site onde se consegiu a informação slide 11 Ciclohexano / Jynto and Ben Mills / Public http: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Cyclohexan Domain. e-3 D-balls-B. png 16 a Estrutura Química do Benzeno / Cacycle / http: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Benzene_st GNU Free Documentation License. ructure. png 16 b Estrutura do benzeno em 3 D / Alundra / http: //commons. wikimedia. org/wiki/File: 3 DBenzene. Public Domain png 18 a Modelo de molécula de bifenila / http: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Biphenyl. Kemikungen / Public Domain. 3 D-balls. png 18 b Naftaleno / Autor Desconhecido / Disponibilizado por Benjah-bmm 27 / Public http: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Naphthalen Domain. e-3 D-balls. png 27 What? / Lilyu / WTF Public License. http: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Lilyu__what. svg 28 http: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Tox_cautio Cautela / Rursus / Domínio Público. n. svg? uselang=pt-br 29 Pergunta Feliz / Nevit Dilmen / GNU Free http: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Happy_Que Documentation License. stion. svg Data do Acesso 17/10/2012 24/10/2012 24/10/2012 16/10/2012