Os compostos orgânicos

Os compostos podem ser classificados como orgânicos ou inorgânicos. Os compostos orgânicos contêm o elemento carbono e, normalmente, também o hidrogênio. Existem milhões de compostos orgânicos, inclusive combustíveis, como o metano ou o propano, açúcares, como a glicose e a sacarose, e a maior parte dos medicamentos. Esses compostos são denominados orgânicos porque se acreditava, incorretamente, que só poderiam ser sintetizados pelos organismos vivos. Os compostos inorgânicos são todos os demais compostos. Eles incluem água, sulfato de cálcio, amônia, sílica, ácido clorídrico e muitos outros. Além disso, compostos muito simples de carbono, particularmente o dióxido de carbono e os carbonatos, que incluem o giz (carbonato de cálcio), são tratados como compostos inorgânicos.

A riqueza da química orgânica vem, em parte, do fato de que, embora quase sempre o carbono forme quatro ligações, ele pode formar cadeias e anéis muito variados. Outra explicação para essa riqueza é que os átomos podem juntar-se a partir de ligações simples, indicadas por uma linha simples, $\ce{C-C}$; ligações duplas, representadas por uma linha dupla , $\ce{C=C}$; e ligações triplas, representadas por uma linha tripla, $\ce{C#C}$. Um átomo de carbono pode formar quatro ligações simples, duas ligações duplas ou qualquer combinação que resulte em quatro ligações, como uma ligação simples e uma tripla.

As fórmulas estruturais

A fórmula estrutural indica como os átomos estão ligados, mas não mostra seu arranjo no espaço tridimensional. Por exemplo, a fórmula molecular do metanol é $\ce{CH4O}$, e sua fórmula estrutural é:

Cada linha representa uma ligação química (a ligação entre dois átomos) e cada símbolo, um átomo. As fórmulas estruturais são muito claras e oferecem mais informações do que as fórmulas químicas, mas são incômodas. Por isso, os químicos as condensam e escrevem, por exemplo, $\ce{CH3OH}$ para representar o metanol.

As fórmulas estruturais condensadas

A fórmula estrutural condensada indica os agrupamentos de átomos e resume a fórmula estrutural completa. Na maior parte dos casos, os símbolos e subscritos representam átomos ligados ao elemento precedente na fórmula. Um grupo de átomos unidos a outro átomo da molécula é colocado entre parênteses. Por exemplo, o metil-propano tem um grupo metila, $\ce{-CH3}$, unido ao átomo de carbono central de uma cadeia de três carbonos e sua fórmula estrutural condensada é escrita como $\ce{CH3CH(CH3)CH3}$ ou $\ce{HC(CH3)3}:$

As fórmulas de linhas

Os químicos orgânicos encontraram um modo de representar estruturas moleculares muito complexas de maneira simplificada, sem mostrar os átomos de $\ce{C}$ e $\ce{H}$. Uma fórmula de linhas representa uma cadeia de átomos de carbono por uma linha em ziguezague, na qual cada linha curta indica uma ligação, e o fim de cada linha, um átomo de carbono. Os átomos diferentes de $\ce{C}$ e $\ce{H}$ são explicitados. Como o átomo de carbono forma sempre quatro ligações nos compostos orgânicos, não há necessidade de mostrar as ligações $\ce{C-H}$. Basta completar mentalmente a fórmula com o número correto de átomos de hidrogênio: compare a estrutura de linhas do 2-clorobutano, $\ce{CH3CHClCH2CH3}$, com sua fórmula estrutural:

As estruturas de linhas são particularmente úteis no caso de moléculas complexas, como a testosterona:

Os hidrocarbonetos alifáticos

Um hidrocarboneto é um composto de carbono e hidrogênio. Existem dois tipos principais de hidrocarbonetos: os alifáticos e os aromáticos. Os hidrocarbonetos alifáticos não têm anéis aromáticos como o benzeno. Os hidrocarbonetos aromáticos têm pelo menos um.

Os hidrocarbonetos alifáticos são divididos em duas classes amplas, segundo o tipo de ligação entre seus átomos de carbono. Um hidrocarboneto saturado é um hidrocarboneto alifático sem ligações múltiplas carbono-carbono. Um hidrocarboneto insaturado tem uma ou mais ligações carbono-carbono duplas ou triplas. É possível adicionar outros hidrogênios aos compostos que têm ligações múltiplas, porém os compostos que só têm ligações simples são considerados como saturados com hidrogênios. O hexano é saturado, O hex-2-eno e o hex-3-eno são insaturados:

Os hidrocarbonetos saturados são chamados de alcanos. Cada átomo de carbono em um alcano tem quatro ligações simples em um arranjo tetraédrico, com hibridação $\mathrm{sp^3}$. O alcano mais simples é o metano, $\ce{CH4}$. Os alcanos possuem estruturas tridimensionais com as ligações em arranjos tetraédricos em cada átomo de carbono. Além disso, como as ligações são ligações simples, as diferentes partes de uma molécula de alcano podem girar umas em relação às outras.

O hidrocarboneto insaturado mais simples com uma ligação dupla é o eteno, $\ce{CH2=CH2}$, comumente chamado de etileno. O eteno é o alqueno mais simples. O próximo membro da família é o propeno, $\ce{CH3CH=CH2}$. Os alquinos são hidrocarbonetos que têm pelo menos uma ligação tripla. O mais simples deles é o etino, $\ce{HC#CH}$, que é comumente chamado de acetileno.

Os hidrocarbonetos aromáticos

Os compostos aromáticos são formalmente chamados de arenos. O composto principal é o benzeno, $\ce{C6H6}$, uma substância cuja molécula é melhor descrita por um híbrido de ressonância. Ela é um anel hexagonal de seis átomos de carbono, com um átomo de hidrogênio ligado a cada um. Uma das estruturas de Lewis que contribui para o híbrido de ressonância é conhecida como estrutura de Kekulé:

Todas as evidências experimentais que diferem o benzeno dos alquenos podem ser explicadas pela sua ressonância.

As ligações do benzeno

Todas as ligações carbono-carbono no benzeno têm o mesmo comprimento. Uma estrutura sem ressonância sugere que o benzeno deveria ter dois comprimentos de ligação diferentes: três ligações simples mais longas e três ligações duplas mais curtas. Na verdade, as ligações têm, experimentalmente, o mesmo comprimento.

Se não houvesse ressonância, deveriam existir dois dicloro-benzenos distintos com os átomos de cloro ligados a carbonos adjacentes: um com os átomos de carbono unidos por uma ligação simples e o outro com os átomos de carbono unidos por uma ligação dupla. Porém, só se conhece um dicloro-benzeno.

O conceito de ressonância explica essas características da molécula do benzeno. Existem duas estruturas de Kekulé, exatamente com a mesma energia, que só diferem na posição das ligações duplas. Como resultado da ressonância entre as duas estruturas:

Os elétrons partilhados nas ligações duplas $\ce{C=C}$ estão deslocalizados por toda a molécula, dando a cada ligação um comprimento intermediário entre o de uma ligação simples e o de uma ligação dupla. A ressonância torna idênticas as seis ligações $\ce{C-C}$. Essa equivalência está implícita na representação das ligações duplas no híbrido de ressonância com um círculo. Podemos ver em por que existe somente um 1,2-dicloro-benzeno.

A reatividade do benzeno

O benzeno não sofre as reações típicas de compostos com ligações duplas. Por exemplo, quando uma solução de bromo, marrom-avermelhada, é misturada com um alqueno como o pent-1-eno, a cor do bromo desaparece porque as moléculas de $\ce{Br2}$ atacam as ligações duplas:

O benzeno, entretanto, não descora o bromo. Uma consequência importante da ressonância é que ela estabiliza a molécula pelo abaixamento da energia total. Essa estabilização torna o benzeno menos reativo do que o esperado para uma molécula com três ligações $\ce{C=C}.$

Os isômeros constitucionais

A fórmula molecular de um composto representa apenas os tipos e a quantidade de átomos que entram em sua constituição. Já a fórmula estrutural mostra, além disso, o arranjo dos átomos e a sequência de ligações entre ele. Considere o composto de fórmula molecular $\ce{C4H10},$

Esses compostos têm a mesma fórmula molecular, mas, por suas fórmulas estruturais, fica evidente que as sequência em que os átomos estão ligados entre si são diferentes. Eles são, portanto, denominados isômeros constitucionais.

Exemplo 4A.2.1

Determinação dos isômeros constitucionais

Apresente a fórmula estrutural dos isômeros constitucionais com fórmula molecular $\ce{C5H10}.$

Etapa 1. Escreva as fórmulas estruturais dos isômeros acíclicos insaturados.

Etapa 2. Escreva as fórmulas estruturais dos isômeros cíclicos saturados.