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Apostila:

Introdução ao Editor de Estruturas e Equações

Químicas Isis Draw 2.4 (Versão 2)

Uma visão da Química Orgânica no dia-a-dia

Gabriel Mamoru Marques Shinohara Prof. Dr. Marcos Augusto de Lima Nobre Universidade Estadual Paulista - UNESP

Faculdade de Ciências e Tecnologia - FCT Departamento de Física, Química e Biologia - DFQB

Laboratório de Compósitos e Cerâmicas Funcionais - LaCCeF

Presidente Prudente 2005

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_____________________________Introdução ao Editor de Estruturas e Equações Químicas Isis Draw 2.4

LaCCeF - Laboratório de Compósitos e Cerâmicas Funcionais SHINOHARA, G.M.M. e NOBRE, M.A.L.

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Apresentação

A participação de disciplinas experimentais e aulas complementares de apoio na grade curricular tem se tornado atrativo nos cursos técnicos, bem como no desenrolar do primeiro (conteúdo de ciências) e segundo grau. Entretanto, dificuldades intrínsecas como a aquisição e manutenção de infra-estrutura adequada podem ser um empecilho, a uma rápida implantação e consolidação destas disciplinas e aulas de apoio. Entretanto, um aspecto é favorável, a existência de salas ambiente de informática as quais propiciam infinitas oportunidades. Dentre tais oportunidades podemos enumerar aspectos de interesse geral, os quais agregam valores universais aos investimentos realizados. Vejamos alguns, a inclusão digital, domínio de novas tecnologias, treinamento em instrumentos avançados de trabalho e prestação de serviços baseados em informática, aquisição e sistematização de informação. Seguem-se recursos pedagógicos auxiliares de mídia e multimídia. Neste sentido, um passo significativo no aperfeiçoamento e otimização de utilização adequada de salas ambiente de informática é a implantação não somente de hardware, mas de softwares que permitam consolidação de conteúdos, expansão do conhecimento de estruturas e programas de informáticas que não sejam Word, Excell, Corel e geradores de página na internet. Tais laboratórios concentram recursos computacionais e de multimídia digital. Os recursos computacionais prestam-se ao manuseio de softwares que permitam modelar processos e propriedades físicas e químicas das substâncias presentes no dia-a dia, bem como executar simulações em áreas diversas. Neste sentido, softwares de apoio às disciplinas e projetos da grade curricular com dificuldade de inclusão e exposição de conteúdos experimentais podem ser utilizados. O conteúdo desta apostila apresenta um manual em português de um software tipo “freeware” Isis Draw, o qual pode ser classificado como mídia de apoio. Para tanto, os recursos do software permitem a execução, ilustração e finalização de trabalhos científicos ou de natureza didática nas áreas de Física, Química e Ciências. Isto se deve a capacidade gráfica e recursos avançados do mesmo. Também, o material desenvolvido presta-se ao processo de aprendizagem e consolidação de conceitos tipo “texto de apoio”, em particular em trabalhos extraclasse. As cerca de 450 moléculas, 25 tabelas, referências e índice remissivo devem auxiliar o leitor na compreensão da forma de utilização dos recursos do software e material didático. Neste sentido, a incorporação de diversos Apêndices confere uma certa independência ao material didático, enquanto um Índice Remissivo detalhado permite uma consulta pontual do material. Trata-se de um material moderno e flexível pôr conter como ilustração figuras, reações e textos produzidos através do próprio software. Assim, o conteúdo de informação e formação atende estudantes de Física, Química e Ciências. Para tanto, esta apostila foi dividida em dois capítulos. O primeiro capítulo trata-se do manual, versão em português, de uso do software Isis Draw 2.4. O capítulo é complementado por uma introdução à química orgânica. O segundo capítulo ilustra o potencial do software apresentando um conjunto de moléculas, características e reações realizadas através do Isis Draw. Estas aplicações foram motivadas por temas do cotidiano, compondo um conjunto de informações, as quais podem ser utilizadas em conjunto com o primeiro capítulo para formação de recursos humanos.

Presidente Prudente, 17 de fevereiro de 2006

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Índice

1 Editor de Equações Químicas Isis Draw 2.4 1.1 Barras de ferramentas 1.1.1 Menu principal 06 1.1.2 Menu superior 07 1.1.3 Menu inferior 08 1.2 Utilização de algumas ferramentas 1.2.1 Construindo uma estrutura molecular 12 1.2.2 Inserindo informações na molécula criada 21 1.2.3 Utilizando moléculas do banco de dados 22 1.2.4 Construindo uma equação química 29 1.2.5 Utilizando as ferramentas de rotação de moléculas 34 1.2.6 Visualizando a molécula em três dimensões 40 1.3 O estudo do carbono e suas aplicações 1.3.1 Classificação do carbono 42 1.3.2 Classificação das cadeias carbônicas 43 1.3.3 Hidrocarbonetos 1.3.3.1 Alcanos 46 1.3.3.2 Alcenos 48 1.3.3.3 Alcinos 48

1.3.4 Hidrocarbonetos aromáticos 49

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1.4 Funções orgânicas 1.4.1 Álcoois 50 1.4.2 Éteres 51 1.4.3 Aldeídos 52 1.4.4 Cetonas 53 1.4.5 Ácidos carboxílicos 54 1.4.6 Ésteres 55 1.4.7 Aminas 56 1.4.8 Amidas 57 1.4.9 Fenóis 58 1.5 Isomeria 1.5.1 Isomeria plana 1.5.1.1 Isomeria funcional ou de função 59 1.5.1.2 Tautomeria 59 1.5.1.3 Isomeria de posição 60 1.5.1.4 Isomeria de compensação ou metameria 60 1.5.1.5 Isomeria de cadeia 60 1.5.2 Isomeria espacial 1.5.2.1 Isomeria geométrica ou cis-trans ou Z-E 61 1.5.3 Isomeria óptica 63 1.6 Reações orgânicas 1.6.1 Reação de adição 65 1.6.2 Reação de substituição 66 1.6.3 Reação de eliminação 67 1.6.4 Reação de redução 67 1.6.5 Reação de oxidação 67

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1.7 Orbitais moleculares 1.7.1 Introdução 69 1.7.2 Caracterização dos elétrons a) Número quântico principal 69 b) Número quântico secundário (azimutal) 70 c) Número quântico magnético 70 d) Número quântico spin 70 1.7.3 Classificação dos orbitais a) Orbitais s 70 b)Orbitais p 71 c) Orbitais d 71 d) Orbitais f 71 e) Orbitais g 71 1.7.4 Hibridação dos orbitais atômicos a) Hibridação sp 71 b) Hibridação sp2 72 c) Hibridação sp3 72 1.7.5 A ligação covalente conforme a teoria dos orbitais 72

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2 Características e Aplicações de Algumas Substâncias Orgânicas

2.1 Aditivos alimentares 75 2.2 Flavorizantes 79 2.3 Combustíveis gasosos 92 2.4 Combustíveis líquidos 93 2.5 Matérias-primas e Explosivos 95 2.6 Substâncias farmacológicas 97 2.7 Produção de polímeros 110 2.8 Sistemas de refrigeração 116 2.9 Substâncias metabólicas 117 2.10 Substâncias de elevada toxidade biológica 122

2.11 Algumas substâncias presentes no cigarro 127 2.12 Matérias-primas e corantes 133

2.13 Aminoácidos e suas funções 144 2.14 Vitaminas e suas funções 152

2.15 Os Antibióticos 169 2.16 Cosméticos 209 Apêndice 1 Nomenclatura orgânica 216 Apêndice 2 Tabelas 253 Índice Remissivo 263 Anexo 1 273 Anexo 2 275 Sobre os autores 276

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1 Editor de Equações Químicas Isis Draw 2.4

Isis Draw 2.4

Isis Draw é um editor flexível de estruturas e equações químicas. Permite desenhar desde hidrocarbonetos simples, passando pelos compostos cíclicos, até o desenho de orbitais moleculares do tipo s, p, d e f. Estruturas e equações podem ser salvas em arquivos.

1.1 Barras de ferramentas 1.1.1 Menu principal

1) New: para criar um novo arquivo. 2) Open: para abrir um arquivo já salvo. 3) Insert: para inserir arquivo já criado e salvo.

4) Save: para salvar um arquivo. 5) Print: para imprimir um arquivo.

6) Undo: para retornar a uma ação anterior.

7) Cut: para cortar alguma figura ou molécula.

8) Copy: para copiar.

9) Paste: para colar.

10) Select All: para selecionar todas as figuras ou moléculas. 11) Select Chem Group: para selecionar uma molécula inteira a partir de uma parte dela. 12) Duplicate: para duplicar uma molécula já existente, ferramenta que facilita na hora de

construir estruturas moleculares que possuem diversas partes que são iguais, por exemplos cadeias poliméricas.

13) General Name: para nomear uma molécula selecionada.

14) Calcule Mol Values: para inserir sobre a molécula selecionada as seguintes

informações: peso molecular, massa exata, fórmula molecular e composição molecular.

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1.1.2 Menu Superior

1) Run Chen Inspector: para verificar se uma reação criada está correta e para analisar quais são as suas possíveis falhas.

2) Open Last Template Page: para abrir uma molécula ou função orgânica que já tenha sido criada e armazenada no banco de dados.

3) Draw Previous Template: para utilizar, uma molécula ou função orgânica, que foi selecionada do banco de dados.

4) Cyclohexane: para criar um ciclohexano.

5) Cyclopentane: para criar um ciclopentano.

6) Cycloheptane: para criar um cicloheptano.

7) Benzene: para criar um anel benzeno.

8) Cyclopentane: para criar um ciclopentano.

9) Cyclopentane: para criar um ciclopentano com a ponta para baixo.

10) Cyclopentadiene: para criar um ciclopentano com duas ligações duplas.

11) Cyclopentadiene: para criar um ciclopentano com duas ligações duplas com a ponta para baixo.

12) Cyclobutane: para criar um ciclobutano.

13) Cyclopropane: para criar um ciclopropano.

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1.1.3 Menu inferior

1) Lasso Select: clique sobre essa tecla com o botão esquerdo do mouse e surgirá uma pequena janela com três opções:

• Lasso Tool: para mover figuras com maior mobilidade de acordo do

tamanho selecionado. • Select: para selecionar figuras e movê-las. • Molecule Select: para selecionar e mover moléculas e átomos.

2) 2D Rotate: clique sobre essa tecla com o botão esquerdo do mouse e surgirá uma pequena janela com duas opções:

• 2D Rotate Tool: para mover o centro de rotação de átomos e moléculas. • 3D Rotate Tool: para mover moléculas e átomos em torno dos seus três

eixos x, y e z.

3) Eraser: para apagar moléculas, estruturas e átomos criados.

4) Atom: para criar estruturas moleculares. O átomo de carbono fica subtendido, cada intersecção da ligação representa um átomo de carbono. Para construir estruturas moleculares, onde o carbono esteja visível, basta criar a molécula, dar um duplo clique sobre ela; onde surgirá uma nova janela Edit Molecule, em Symbol, selecione C (show).

5) Single Bond: clique sobre essa tecla com o botão esquerdo do mouse e surgirá uma pequena janela com três opções:

• Single Bond Tool: para criar uma ligação simples entre dois átomos de

carbono. • Double Bond Tool: para criar uma dupla ligação entre dois átomos de

carbono. • Triple Bond Tool: para criar uma tripla ligação entre dois átomos de

carbono. Nessas ligações já estão incluídas as ligações do hidrogênio, as quais ficam subtendidas.

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6) Up Wedge: clique sobre essa tecla com o botão esquerdo do mouse e surgirá uma pequena janela com cinco opções:

• Up Wedge Tool: para representar uma ligação no espaço 3D; ligação

saindo do plano. • Down Wedge Tool: para representar uma ligação no espaço 3D; ligação

entrando no plano. • Either Bond Tool: para representar uma simples ligação, que equivale a

qualquer uma das duas ligações existentes (ligação para cima ou ligação para baixo).

• Up Bond Tool: para representar uma ligação para cima. • Down Bond Tool: para representar uma ligação para baixo.

Exemplos de moléculas em 3D: CO2H

HO2C

HH

H

H

H

H

HH

Molécula em uma etapaanterior ao cubano

Cubano

7) Chain: clique sobre essa tecla com o botão esquerdo do mouse e surgirá uma pequena janela com duas opções:

• Chain Tool: para criar cadeias de carbonos com picos. • Multi-Bond Tool: para criar seqüências de cadeias de carbonos, só que

com patamares.Cada intersecção representa um carbono e suas ligações com o átomo de hidrogênio ou outro átomo que se queira ligar.

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8) Plus: para produzir o sinal de adição de uma equação química.

9) Arrow: para construir o sinal que indica que uma equação está ocorrendo, e quais são seus reagentes e produtos. Clique sobre essa tecla com o botão esquerdo do mouse e surgirá uma pequena janela com trinta opções:

10) Atom-atom map: clique sobre essa tecla com o botão esquerdo do mouse e surgirá uma pequena janela com duas opções:

• Atom-atom map Tool: para montar equações químicas. • Delete Atom-atom map Tool: para apagar equações químicas.

11) Sequence: clique sobre essa tecla com o botão esquerdo do mouse e surgirá uma pequena janela com duas opções:

• Sequence Tool: para criar uma seqüência que inicia por NH2 e termina

com COOH, para construir estruturas como aminoácidos ou cadeias protéicas.

• Sequence Shape Tool: para alterar a posição dos átomos da seqüência criada.

12) Bracket: para criar um parênteses que represente a quantidade de vezes que uma molécula se repete, função de interesse na representação de moléculas poliméricas.

13) Text: para inserir texto.

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14) Straight Line: clique sobre essa tecla com o botão esquerdo do mouse e surgirá uma pequena janela com quatro opções:

• Straight Line Tool: para construir uma única reta. • Continuous Line Tool: para construir uma seqüência de retas. • Circular Arc Tool: para construir um arco circular. • Elliptical Arc Tool: para criar um arco elíptico.

15) Rectangle: clique sobre essa tecla com o botão esquerdo do mouse e surgirá uma pequena janela com quatro opções:

• Rectangle Tool: para criar um retângulo, que pode ser utilizado para

circular uma equação química pronta. • Rounded Rectangle Tool: para criar um retângulo com as bordas

redondas. • Polygon Tool: para construir um polígono de n lados. • Ellipse Tool: para construir uma elipse.

16) Generate Name With AutoNom: para dar nome para a molécula selecionada.

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1.2 Utilização de algumas ferramentas

1.2.1 Construindo uma estrutura molecular

• Para ilustrar esse tópico, iremos construir passo a passo a seguinte molécula abaixo.

CH2 CH

CH2

CH3

CO

OH

• Ao construir uma molécula, começamos pela extremidade esquerda dela. Nesse caso,

temos um anel benzênico. Então, selecione com o auxílio do mouse a opção benzene do Menu Superior.

• Pressione o botão esquerdo do mouse na tela de desenho, rotacione com o mouse o anel de acordo com a forma que será utilizada. Exemplos a seguir:

A forma que utilizaremos será a primeira.

• Agora iremos construir a ramificação que está ligada ao anel benzênico. Selecione a

opção Atom do Menu Inferior. Clique com o botão esquerdo do mouse no local onde será criada a ligação.

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Digite na caixa de rolamento aberta, qual será o átomo criado. Nesse caso, o átomo CH2.

• Para criar as outras ligações entre os átomos, pressione com o botão esquerdo do mouse sobre um átomo já criado e arraste para a posição que terá a ligação criada. A molécula com todos os átomos criados ficará dessa forma.

CH2

CH

CH2

CH2

CH2

O

OH

• Para posicionar os átomos de hidrogênios ao lado dos átomos de carbono, dê dois cliques com o botão esquerdo do mouse sobre os átomos que serão alterados. Ou selecione o átomo que será alterado, selecione no menu principal a opção Object e depois a opção Edit Atom. Após isso, surgirá a seguinte janela. Nessa janela é possível selecionar diversas operações.

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• Na janela Atom, que está visível acima, temos as seguintes operações: 1) Isotope: para acrescentar à molécula seu número isotópico. Por exemplo, o átomo de hidrogênio apresenta três isótopos conhecidos.

H1 H2 H3

2) Charge: para adicionar à molécula a carga elétrica do átomo. Através dessa ferramenta, é possível criar ânions e cátions.

Na

+Cl Mg

2+Al

3+

3) Radical: para acrescentar símbolos indicando que aquele átomo apresenta uma quantidade de radicais. Essa ferramenta é útil, na substituição de átomos de hidrogênios. Os símbolos possíveis são: dois pontos (:), que representa dois átomos de hidrogênio, um ponto (.) um átomo e dois acentos circunflexos (^^) dois átomos. A seguir, a molécula de metano nas suas diversas formas de representação.

CH4 CH2

CH3 CH2̂^

4) Valence: para incluir na molécula o seu número de valência, que é a capacidade de combinação com átomos monovalentes. Exemplos de valência do átomo de carbono.

CH3 CH3

(IV)CH4

(IV)

5) Symbol: para substituir um átomo por outro. Nessa opção, pode-se selecionar na caixa de rolamento outras janelas especiais:

a) RGroup: para acrescentar um determinado radical genérico na estrutura.

b) Periodic Table: essa função apresenta a tabela periódica completa. A janela no topo da tabela mostra as principais informações do átomo selecionado, como a sua massa, sua valência e seu número atômico.

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• Ao selecionar a opção Extended, pode-se visualizar outra janela com outros radicais e com as siglas dos principais aminoácidos.

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c) Beilstein Generic: para acrescentar os principais grupos genéricos utilizados na construção de moléculas. Por exemplo, a letra M para indicar qualquer metal, X para qualquer halogênio.

d) List, Not List: apresenta a mesma janela que a da tabela periódica. Na opção List é possível acrescentar uma lista, em que os elementos serão colocados entre colchetes e separados por vírgula. Em Not List, é uma lista semelhante a anterior só que precedida pela palavra Not.

NOT [Na,Cl][Na,Cl]

6) Hydrogens: para posicionar os átomos de hidrogênio de determinada molécula. Existem sete opções:

a) Off: função desligada. b) Auto position: posicionamento automático. c) Right: para posicionar do lado direito da molécula. d) Left: para posicionar do lado esquerdo. e) Above: para posicionar em cima. f) Below: para posicionar em baixo. g) Dot: para representar os hidrogênios por um pingo. h) Circle: para representar por um circulo.

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7) Atom number: para numerar cada átomo de uma molécula. Ferramenta útil para numerar cadeias carbônicas e facilitar a nomenclatura delas. 8) Number position: para posicionar a numeração de cada átomo na molécula. Por exemplo, numeração dos átomos de carbono do anel benzênico.

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3

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1

9) Color: para dar coloração para determinado átomo, molécula ou ligação.

CH3 CH

CH3

Cl

10) Thickness: para aumentar a espessura da molécula.

• Na opção Query Atom, temos algumas informações auxiliares na construção de moléculas.

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• Na opção Query Atom, temos algumas as seguintes ferramentas:

1) Font: para selecionar determinada fonte. 2) Size: para determinar o tamanho da fonte. 3) Style: para selecionar estilo da fonte. Essa função também está disponível no menu principal, na opção Text. A seguir, os estilos da fonte existente: a) Bold: para deixar na forma de negrito. b) Italic: na forma de itálico. c) Underline: para sublinhar. d) Formula: para deixar no modo de fórmula química com os números subscritos. e) Regular: texto normal sem alteração. f) Supercript: texto superscrito. g) Subscript: texto subscrito.

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• Ao selecionar uma molécula inteira aparece uma outra opção Bold, que apresenta as seguintes ferramentas:

1) Bond type: para selecionar o tipo de ligação. Existem diversas opções:

a) Single: simples ligação. b) Double: dupla ligação. c) Triple: tripla ligação. d) Up: ligação saindo do plano. e) Dow: ligação entrando no plano. f) Aromatic: ligação aromática.

2) Bond lenght: para determinar o comprimento da ligação. • Voltando a nossa molécula, agora podemos posicionar os átomos de hidrogênio de acordo com a ferramenta Hydrogens e suas instruções apresentadas. Portanto, ela ficará assim:

CH2 CHCH2

CH2

CH2

O

OH

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• Para dimensionar o comprimento de cada ligação, que estão distorcidas, basta dar dois cliques na ligação, selecionar a janela Bond e alterar o comprimento da ligação. Outra forma é selecionar cada parte da molécula e com o auxílio das setas do teclado, ir organizando o comprimento de cada ligação.

CH2 CH

CH2

CH2

CH2

O

OH

• Para gerar uma dupla ou uma tripla ligação, selecione o botão , com o botão esquerdo do mouse clique sobre a ligação que será alterada e clique uma, para criar um dupla ligação ou duas vezes para criar uma tripla ligação. • Quando a quantidade de ligações permitidas for excedida surgirá uma tela de aviso Valence Warning. • Nesse editor, o carbono tende a ficar subtendido como pode ser observado na molécula acima. Para que o carbono fique visível, dê dois cliques sobre o carbono, será aberta a janela Atom, selecione a caixa de rolamento Symbol e escolha a opção C (show). • Para colorir uma determinada parte da estrutura molecular, basta selecionar o que será colorido, dar dois cliques sobre essa parte. Na janela Atom, selecione a opção Color e selecione a cor a ser utilizada, como o vermelho.

A seguir, nossa molécula pronta.

CH2 CH

CH2

CH3

CO

OH

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1.2.2 Inserindo informações na molécula criada • Selecione a molécula que receberá informações.

NH2

• Selecione no menu principal a opção Chemistry. • Selecione a seguinte opção Calcule Mol Values. • Escolha Calculate. • As informações que serão inseridas são: Peso Molecular, Massa Exata, Fórmula Molecular e Composição Molecular. • Selecione a posição onde as informações serão fixadas.

• Para organizar as informações, por exemplo, separar as porcentagens com ponto e

vírgula ou mudar a fonte, basta selecionar no Menu Inferior a opção Text e dar um clique sobre a caixa de texto.

• Para nomear uma molécula, basta selecionar no menu inferior a opção Generate Name

With AutoNom .

• Determine onde o nome da molécula será fixado. Para que não haja erro na hora de nomear uma molécula é necessário que todas as ligações estejam explícitas. Porque o editor irá interpretar aquele conjunto de átomos, como uma seqüência de hidrogênios. A seguir, nossa molécula com suas informações inseridas e seu nome.

N

Peso Molecular = 93,13 gMassa Exata = 93 gFórmula Molecular = C6H7NComposição Molecular: C= 77,38%; H= 7,58% e N= 15,04%

Fenilanina

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1.2.3 Utilizando moléculas do banco de dados

• Selecione no menu principal a opção Templates.

• Surgirá um Menu. Ao selecionar cada opção, uma nova janela se abrirá com diversas opções. 1) Alpha-D-Sugar: para exibir carboidratos alfa dextrógiros. 2) Amino Acids: para exibir aminoácidos. 3) Aromatics: para exibir estruturas moleculares, em que o anel benzênico está presente

em sua composição. 4) Arrows: para exibir diversos tipos de flecha, que podem sr usados em uma equação

química ou para destacar algo em uma estrutura molecular. 5) Bases: para exibir estruturas que compõe moléculas fundamentais como a Adenina,

Citosina e Guanina. 6) Beta-D-Sugar: para exibir carboidratos beta dextrógiros. 7) Bicyclics: para exibir moléculas formadas por anéis. 8) Carbonyls: para exibir estruturas moleculares com ó átomo de carbono.

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9) Chains: para exibir cadeias carbônicas. 10) Crown Ethers: para exibir estruturas na forma de coroas compostas pela função éter. 11) D-Sugar: para exibir carboidratos dextrógiros. 12) Down L-Amino Acids: para exibir aminoácidos levógiros com a extremidade principal para baixo. 13) Function Group: para exibir os grupos de funções orgânicas. 14) Fused Rings: para exibir anéis fusionados. 15) Heterocyclic Ring: para exibir anéis carbônicos com a presença de heteroátomos. 16) L-Amino Acids: para exibir aminoácidos levógiros. 17) More Rings: para exibir mais anéis carbônicos. 18) Nitrogen: para exibir estruturas com a presença do átomo de nitrogênio. 19) Orbitals: para exibir diversos orbitais. 20) Phosphorus: para exibir estruturas com a presença do átomo de fósforo. 21) Polycyclics: para exibir estruturas na forma de anéis. 22) Rings: para exibir anéis carbônicos. 23) Up L-mino Acids: para exibir aminoácidos levógiros com a extremidade principal para cima.

A seguir, alguns exemplos de janelas exibindo grupos de estruturas.

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• Para utilizar determinada estrutura do Menu, selecione qual o grupo de interesse. Irá abrir-se uma janela, selecione a estrutura e transfira a molécula através de um clique com o botão esquerdo do mouse na tela de desenho. Ao selecionar uma estrutura, o ícone Draw

Previous Template , estará ativado. Para utilizar a mesma estrutura basta clicar sobre este ícone. • Para pesquisar pelo nome das moléculas, selecione Open. Surgirá uma lista com todas as estruturas moleculares organizadas em ordem alfabética. Uma alternativa é procurar pelo Menu. • Pode se acrescentar novos grupos ao Menu. Basta selecionar Templates, depois escolher Template Menu.

• Para inserir um grupo, basta selecionar Insert, procurar nos arquivos criados e salvos e acrescentar ao Menu. • Os grupos do Menu podem ser renomeados. Basta selecionar Rename, alterar o nome e dar OK. • Para remover um grupo, basta procurar o arquivo no Menu, selecioná-lo e clicar em Remove.

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• Novos ícones de atalho podem ser acrescentados ao Menu superior, basta selecionar a opção Template Tools. • Ao selecionar essa opção, abrirá uma outra janela.

• No Menu Superior é possível ter no máximo dez ícones de atalho, é aconselhável que sejam acrescentados os mais utilizados. Para substituir um ícone, basta selecionar o que já faz parte do Menu Superior, escolher qual será colocado no lugar e clicar novamente no ícone a ser substituído.

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1.2.4 Construindo uma equação química • Para ilustrar esse tópico iremos construir passo a passo a seguinte reação de hidrólise:

CH3 CO

OH

O CH2 CH3

O CH2 CH3

CH3 C

O

OH2H+ +

Ácido acético(Ácido etanóico)

Etanol Acetato de etila(Etanoato de etila)

Água

Reação de Hidrólise:

• Construa primeiramente as moléculas que serão os reagentes da equação. Utilizando as informações do item 1.2.1, construa a molécula de ácido acético e o etanol.

CH3 CO

OH OH CH2 CH3

• Se os reagentes forem mais de um, utilize o sinal de adição da equação, Plus, que está no Menu Inferior. • Depois indique qual será o tipo de reação que está ocorrendo, selecionando Arrow Tool também no Menu Inferior. Iremos escolher as setas que indicam uma reação reversível, que é uma das características das reações de hidrólise. • Construa as moléculas que serão os produtos da equação. Nesse caso, pode se aproveitar as duas moléculas já criadas, basta substituir a hidroxila do etanol por um hidrogênio, selecione a molécula de ácido acético e de etanol, sobre elas dê um clique com o botão direito do mouse, surgirá uma janela, selecione a opção Duplicate. Na seqüência aproxime a molécula de etanol sobre a do ácido formando outra molécula. • Construa o último produto dessa reação, que é uma molécula de água. A nossa equação está assim:

O CH2 CH3

CH3 CO

CH3 CO

OH OH CH2 CH3

OH2

++

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• Para alinhar cada componente da reação, selecione a equação inteira. Dê um clique sobre ela com o botão direito do mouse; surgirá uma janela. Selecione a opção Align. • Surgirá uma janela Alignment Options, ferramenta muito útil para alinhar moléculas, reações e figuras.

• Como nosso interesse é alinhar os componentes da reação na horizontal, então selecionaremos a opção Horizontal. Existem quatro opções possíveis:

1) None: para selecionar nenhum alinhamento. 2) Tops: para alinhar no topo das figuras. 3) Top/Bottom Centers: para alinhar de acordo com o centro de cada figura. 4) Bottoms: para alinhar na parte de baixo das figuras.

Ao selecionar uma dessas opções com exceção da None, tanto na Horizontal

quanto na Vertical, pode alinhar as figuras de mais duas formas:

1) Space Evenly: para alinhar as figuras com um mesmo espaçamento entre elas. 2) Align to a line: para alinhar em determinado lugar na tela de desenho. • Para a nossa reação iremos primeiro alinhar na Horizontal, iremos escolher a opção Top/Bottom Centers e Space Evenly para alinhar com espaçamento. Equação ficará assim:

O CH2 CH3

CH3 CO

CH3 CO

OH

OH CH2 CH3 OH2+ +

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• Para nomear a reação e cada molécula, basta selecionar Text , e abrir uma caixa de texto. • A reação ficará dessa forma:

O CH2 CH3

CH3 CO

CH3 C

O

OH

OH CH2 CH3 OH2+ +



Água


• Agora, teremos que alinhar os nomes horizontalmente, de acordo com o que já foi relatado anteriormente. • Depois teremos que alinhar também no modo Vertical, cada molécula e seu respectivo nome, para isso selecione-os, dê um clique sobre eles com o botão direito do mouse. Selecione a opção Align, então selecionaremos a opção Vertical. Existem quatro opções possíveis: 1) None: para selecionar nenhum alinhamento. 2) Left Sides: para alinhar na esquerda 3) Left/Right Centers: para alinhar de acordo com o centro de cada figura. 4) Right Sides: para alinhar na direita. • Selecionar a opção Left/Right Sides e Space Evenly para alinhar com espaçamento. Na vertical, é necessário alinhar cada molécula e seu respectivo nome, um por vez. Para evitar-se o desalinhando, é necessário também desativar o alinhamento Horizontal, que já está pronto, deixando na opção None. Nossa equação ficará assim:

O CH2 CH3

CH3 CO

CH3 C

O

OH

OH CH2 CH3 OH2+ +



Água


LaCCeF



32

• Para dar destaque à transformação que está ocorrendo, pode-se destacar partes da molécula utilizando a cor vermelha. Para isso basta selecionar a parte que será colorida, dar dois cliques sobre ela com o botão direito do mouse e em Color, selecionar a cor desejada, que nesse caso é a cor vermelha.

• Figuras geométrica podem ser geradas, para isso basta selecionar Polygon Tool ou qualquer figura. • Ao selecionar a figura e dar dois clique com o botão esquerdo do mouse, surgirá a janela de ferramentas:

• Nessa janela é possível a realização de algumas operações como: 1) Line Style: para selecionar o tipo de tracejado que a figura terá. 2) Fill / Pattern: para preencher a figura de vários modos. Através dessa ferramenta é

possível criar um fundo preenchido para as moléculas, basta criar o fundo inicialmente e depois construir as moléculas.

3) Fill / Color: para escolher a cor que terá o preenchimento da figura. 4) Opague: para que a figura esteja opaca. 5) Transparent: para deixar a figura transparente, impedindo que ela se sobressaia e

distorça as demais figuras.

LaCCeF



33

• A figura terá forma de L e na forma de pontilhados, opção escolhida em Line Style. Posicionaremos a figura em volta dos grupos hidroxila e do átomo de hidrogênio que formará a molécula de água. • A equação química pronta ficará na forma:

CH3 CO

OH

O CH2 CH3

O CH2 CH3

CH3 C

O

OH2H+ +



Água


• Utilize a opção Run Chen Inspector , para verificar se a equação está correta. • Para inserir informações das moléculas e seus nomes, siga a seqüência dada no item 2.2

• Para inserir outra informação, selecione Text , que está no Menu Inferior, e selecione onde será digitada a informação.

LaCCeF



34

1.2.5 Utilizando as ferramentas de rotação de moléculas A rotação de moléculas passo a passo.

• Para demonstrar iremos utilizar a Quinina, a qual é um alcalóide utilizado no tratamento da malária. Por ser uma molécula com diversos grupos na sua composição, as transformações realizadas poderão ser visualizadas de forma rápida:

NO

CH3CHOH

CH CH2

• Para invertê-la no sentido horizontal, devemos selecionar a molécula, depois a opção Object, que está no Menu Principal. Depois selecione Flip e a opção Horizontal. A molécula ficará assim:

NO

CH3CH OH

CHCH2

• Para invertê-la no sentido vertical, devemos selecionar a molécula, depois a opção Object, que está no Menu Principal. Depois selecione Flip e a opção Vertical. A molécula ficará assim:

NO

CH3 CHOHCH CH2

• Pode-se inverter a molécula também através de suas ligações, basta selecionar uma ligação e escolher a opção Rotate, que está abaixo de Flip, pode rotacionar também de duas formas: Bond to Horizontal e Bond to Vertical.

• Outra forma de rotacionar moléculas é utilizando o modo 2D Rotate Tool . Para a rotação basta selecionar a molécula, após isso a função 2D Rotate Tool, depois pressione com o botão esquerdo do mouse a molécula e com a ajuda do mouse rotacione a molécula.

LaCCeF



35

• Algumas rotações em duas dimensões em sentido anti-horário:

NO

CH3CHOH

CH CH2

N

OCH3

CHOH

CH

CH2

N

OCH3

CH

OH

CH

CH2

N

O

CH3

CH

OH

CH

CH2

NO

CH3CH OHCHCH2

N

O CH3

CH

OH

CH

CH2

• A rotação de moléculas é realizada através do modo 3D Rotate Tool . Para a rotação, basta selecionar a molécula, após isso a função 3D Rotate Tool, depois pressione com o botão esquerdo do mouse a molécula e com a ajuda do mouse rotacione a molécula. A seguir, algumas rotações em três dimensões. • Em torno do eixo horizontal:

NO

CH3CHOH

CH CH2

NO

CH3 CHOHCH CH2

LaCCeF



36

• Rotações em torno do eixo vertical:

NO

CH3CHOH

CH CH2

NO

CH3CHOH

CH CH2

NOCH3CHOH CH CH2

NOCH3 CHOH CH CH2

NOCH3 CHOH CH CH2

• Outras rotações:

N

OCH3

CH

OH

CH

CH2

N

OCH3

CHOH

CHCH2

N

OCH3

CHOH

CH

CH2

LaCCeF



37

• Rotação em 2D do Indol em sentido horário:

NH

NH

NH NH

NH

NH

NHNH

• Rotação em 3D do Indol em diversos sentidos:

NH

NHN

H

NH

NH

NH

NH

NH

NH

LaCCeF



38

• Representação de parte da estrutura do Diamante construída a partir de ferramentas de visualização em 3D*. A grande dureza do diamante resulta do fato de que o cristal de diamante inteiro é na verdade uma molécula muito grande – unida por milhões de ligações covalentes fortes.

• A molécula de Adamantano, cuja extensão da estrutura em três dimensões dá origem à estrutura do diamante, essa molécula foi construída utilizando as ferramentas em 3D:

H

H HH

H

H

H

H

HH

H

HH

H

HH

* As ligações químicas podem ser visualizadas de forma prática em ângulos específicos.

LaCCeF



39

• A molécula de Grafita construída a partir de ferramentas de visualização em 3D:

LaCCeF



40

1.2.6 Visualizando a molécula em três dimensões

• Para visualizar uma molécula em 3D, deve primeiramente selecionar a molécula que será visualizada, depois selecionar Chemistry que está no Menu Principal. Depois escolha a opção View Molecule in RasMol. Abrirá uma janela denominada Ras Mol Version 2.5. • Com o auxílio do mouse rotacione a molécula de várias formas. Existem alguns modelos de visualização que podem ser selecionados em Display:

1) Wireframe: modelo em forma de arames. 2) Sticks: modelo semelhante a varetas. 3) Spacefill: modelo de espaços preenchidos pelos orbitais. 4) Ball e Stick: modelo de bolas e varetas.

A seguir, alguns exemplos:

LaCCeF



41

Dióxido de silício cristalino Dióxido de silício não-cristalino

LaCCeF



42

1.3 O estudo do carbono e suas aplicações

O carbono (tetravalente) efetua quatro ligações e apresenta a capacidade de ligar-se entre si, formando cadeias carbônicas. Para facilitar a compreensão das propriedades físicas e químicas na Química Orgânica, os átomos de carbonos e as cadeias carbônicas são classificados da seguinte maneira:

1.3.1 Classificação do Carbono

1) Quanto ao número de carbonos ligantes a) Carbono primário é o carbono que está ligado apenas a outro átomo de carbono. b) Carbono secundário é o carbono que está ligado a dois outros átomos de carbono. c) Carbono terciário é o carbono que está ligado a três outros átomos de carbono. d) Carbono quaternário é o carbono que está ligado a quatro outros átomos de carbono.

CH3 CH2 CH

CH3

C

CH3

CH3

CH3primário

secundário

terciário

quaternário

2) Com relação à assimetria ou a quiralidade. Carbono quiral ou assimétrico: está ligado a quatro ligantes ou radicais

diferentes.

Ex.:

CCH3

H

OH

CH2CH3

2 Butanol

3) Com relação a insaturação a) Saturado é o átomo de carbono que apresenta somente ligações do tipo sigma.

Ex.:

C

b) Insaturado é o átomo de carbono que apresenta ao menos uma ligação do tipo pi. Ex.:

C C Cou ou

LaCCeF



43

1.3.2 Classificação das cadeias carbônicas As cadeias carbônicas podem ser classificadas em acíclicas e cíclicas.

1) Cadeias acíclicas, abertas ou alifáticas As cadeias acíclicas, abertas ou alifáticas são aquelas que não formam ciclos.

Ex.: CH3 CH

OH

CH32-propanol

a) Quanto à disposição dos átomos, as cadeias acíclicas podem ser classificadas em:

• Cadeias normais: possuem apenas carbonos primários e/ou secundários.

Ex.:

C C

H

H

H

H

OH

H

Etanol

• Cadeias ramificadas: possuem carbonos terciários e/ou quaternários.

Ex.: CH3

CH3

CH3CH2-metilpropano

b) Quanto às ligações entre os átomos de carbono, as cadeias acíclicas podem ser classificadas em:

• Saturadas: possuem somente ligações simples entre átomos de carbono.

Ex.:

CH3

CH3

CH3CH2-metilpropano

• Insaturadas: possuem ligação dupla ou tripla entre átomos de carbono.

Ex.: C CH

H

H

H

Eteno

LaCCeF



44

c) Quanto à presença de heteroátomo, as cadeias acíclicas podem ser classificadas em:

• Homogêneas: não possuem heteroátomo entre os átomos de carbono.

Ex.:

C C C

H

H

H

H H

HH

C

H

H

H

Butano

• Heterogêneas: possuem heteroátomo entre os átomos de carbono.

Ex.:

C CH

H H

O C

H

C

H

HÉter vinílico

2) Cadeias fechadas ou cíclicas

As cadeias fechadas ou cíclicas são aquelas formadas por ciclos. Podem ser

classificadas em aromáticas e alicíclicas.

Ex.:

Benzeno (aromática) Cicloexeno (alicíclica)

a) Quanto às ligações entre os átomos de carbono, as cadeias fechadas podem ser classificadas em: • Saturadas: possuem somente ligações simples entre átomos de carbono.

Ex.:

OCiclo-hexanona

LaCCeF



45

• Insaturadas: possuem ligação dupla ou tripla entre os átomos de carbono.

Ex.: O2-Ciclo-hexenona

b) Quanto à presença de heteroátomo, as cadeias fechadas podem ser classificadas em:

• Homocíclicas: não possuem heteroátomos entre os átomos de carbono.

Ex.: OHCiclo-hexanol

• Heterogêneas: possuem heteroátomo entre os átomos de carbono.

Ex.: OCicloxipentano

Outros exemplos:

• Cicloalcanos são hidrocarbonetos de cadeia fechada e saturada.

Ex.:

Ciclopropano

• Cicloalcenos são hidrocarbonetos de cadeia fechada e insaturada.

Ex.:

1,4-ciclo-hexeno

LaCCeF



46

1.3.3 Hidrocarbonetos

Os hidrocarbonetos são compostos binários formados por átomos de carbono e hidrogênio. Eles podem ser classificados de acordo com a sua reatividade química, a qual está relacionada ao tipo de ligação, como alcanos, alcenos e alcinos.

Para esses hidrocarbonetos, a nomenclatura oficial é estabelecida de acordo com o esquema a seguir: prefixo indicativo do número de átomos de carbono + intermediário indicativo da natureza das ligações + terminação indicativa da função. Segundo o quadro abaixo:

Prefixo indicativo do número de carbonos

Intermediário indicativo da natureza das ligações

Terminação indicativa da função

1C → met 6C → hex 2C → et 7C → hept

3C → prop 8C → oct 4C → but 9C → non 5C → pent 10C → dec

Somente ligações simples = an Uma ligação dupla = en Duas ligações duplas = dien Uma ligação tripla = in Duas ligações triplas = diin

o

1.3.3.1 Alcanos

Alcanos são hidrocarbonetos de cadeia aberta e saturada, composta por átomos de

carbono e hidrogênio. Os alcanos possuem somente ligações covalentes simples. Sua fórmula molecular é CnH2n+2.

Ex.:

C C

H

H H

H

C C C C

H

H

H H

H

H H

HH

H

Hexano

Propriedades e aplicações dos alcanos • São pouco reativos. • São compostos não-polares. • São utilizados como combustíveis nas reações de combustão. • São insolúveis em compostos polares como a água e solúveis em solventes não-polares,

como o tetracloreto de carbono CCl4. • Em geral, os alcanos são gasosos se os compostos contiverem entre 1 e 4 átomos de

carbono, líquidos se eles contiverem entre 5 e 16 átomos de carbono e sólidos se eles contiverem mais de 16 carbonos.

LaCCeF



47

• Grupos alquila Ao remover-se um átomo de hidrogênio de um alcano forma-se um grupo alquila.

Os nomes dos grupos alquila são obtidos trocando o final do nome de –ano para –ila. Por exemplo, o grupo alquila de dois átomos de carbono, formado a partir do etano, é chamado etila. O grupo alquila de três carbonos, formado a partir do propano, é chamado de propila. Alguns exemplos:

CH3

CH3 CH2

CH3 CH2 CH2

C2H5

C3H7

CH3 CH2 CH2 CH2 C4H9

CH3 CH CH3

CH3 C CH3

CH3

Grupos alquilas simples:

ou

ou

ou

Metila

Etila

Propila

Butila

Isopropila

Terciobutila

Nome do grupo alquila

• Cicloalcanos

Os alcanos também existem na forma de um anel. Tais estruturas são chamadas de cicloalcanos, as quais constituem hidrocarbonetos de cadeia fechada e saturada. Eles são nomeadas colocando-se o prefixo ciclo- antes do nome da cadeia contínua do alcano correspondente.

As estruturas dos cicloalcanos podem ser abreviadas pelo uso de uma forma geométrica, na qual cada linha representa uma ligação entre átomos de carbono e cada vértice, um átomo de carbono e seus hidrogênios. As estruturas abaixo representam o ciclopropano e o ciclobutano:

Ciclopropano Ciclobutano

LaCCeF



48

1.3.3.2 Alcenos Alcenos, também conhecidos como alquenos, são hidrocarbonetos de cadeia aberta

e insaturada, composta de pelo menos uma ligação dupla (duas ligações) entre dois átomos de carbono. Os alcenos apresentam fórmula molecular CnH2n.

Ex.:

C C C C

H

H

H

H

H

H

HH

2 Buteno

Propriedades e aplicações dos alcenos • São usados na produção de polímeros. • É a classe de hidrocarbonetos mais usada na indústria química. • Cicloalcenos

Cicloalcenos são hidrocarbonetos de cadeia fechada e insaturada, que possuem pelo menos uma ligação dupla. Os cicloalcenos são nomeados de maneira similar aos alcenos.

Ciclobuteno Ciclopenteno

1. 3.3.3 Alcinos

Alcinos, também conhecidos como alquinos, são hidrocarbonetos de cadeia aberta e

insaturada, composta de pelo menos uma ligação tripla. Os alcinos apresentam fórmula molecular CnH2n-2.

Ex.:

C C C CH

H

H

HH

HButino

Propriedades dos alcinos

• São insolúveis em água e solúveis em solventes orgânicos. • São menos densos do que os alcenos e a água.

LaCCeF



49

1.3.4 Hidrocarbonetos Aromáticos Dos hidrocarbonetos aromáticos, será dada ênfase aos compostos que possuem, no

mínimo, um anel benzênico em sua molécula. O anel benzênico possui seis carbonos, formando um ciclo de três ligações covalentes duplas, alternadas com três ligações simples. O exemplo mais simples de hidrocarboneto aromático é o benzeno.

Benzeno

O benzeno possui a fórmula C6H6. Uma vez que existe um átomo de hidrogênio para cada átomo de carbono, devemos esperar que o benzeno tenha várias ligações duplas para satisfazer os requisitos de ligação para o carbono; assim, ele se torna insaturado e de forma previsível muito reativo. Pelo contrário, o benzeno é bastante estável.

Sua verdadeira estrutura é intermediária entre duas estruturas de Kekulé. Isso é indicado pela flecha de duas pontas. As duas estruturas de Kekulé são chamadas de estruturas de ressonância; ressonância é uma propriedade apresentada por um composto, que é representado por duas ou mais estruturas que diferem apenas na posição dos elétrons de valência.

As estruturas de ressonância do benzeno:

CC

CCC

C

HH

HH

H

H

CC

CCC

C

HH

HH

H

H

Aplicações dos hidrocarbonetos aromáticos

• São utilizados como solventes. • São extremamente inflamáveis. • São muito utilizados em indústrias farmacêuticas. • Em geral, são cancerígenos. Porém, associados a outros grupos funcionais, podem perder essa “propriedade”.

Exemplos:

CH3

CH3

Xileno Naftaleno Antraceno

LaCCeF



50

1.4 Funções orgânicas

1.4.1 Álcoois Álcoois são compostos que contêm ao menos um grupo hidroxila (-OH) ligado a

um carbono saturado. A fórmula geral do monoálcool é: R-OH, onde R representa um grupo alquila ligado ao grupo –OH. Os termos primários, secundários e terciários, no caso de álcoois, refere-se ao número de átomos de carbono ligados ao carbono que por sua vez, está ligado ao grupo -OH.

Ex.:

C C

H

H

H

H

H

OH

Etanol

Os álcoois na presença de um agente desidratante, como o H2SO4, a temperaturas

superiores a 150ºC, podem ser desidratados formando alcenos.

CH

H

H

C

H

H

OH

CH C H

H HEtanol

H2SO4

acima de 180ºC

Eteno

+ H2O

Propriedades e aplicações dos álcoois

• São não-eletrolíticos, pois não são bases. • Reagem com ácidos para formar compostos chamados ésteres. • São solúveis em água, pois formam ligações de hidrogênio com moléculas de água. • Sua solubilidade diminui com o aumento da cadeia carbônica, a parte apolar da

molécula. • Em razão da maior eletronegatividade do oxigênio em relação ao carbono ou

hidrogênio, são compostos polares. • Não se ionizam, suas reações são mais lentas que as de bases inorgânicas, que contém

um íon hidroxila (OH-). • Possuem ponto de fusão e de ebulição altos, pois os álcoois efetuam interações

intermoleculares do tipo ponte de hidrogênio.

LaCCeF



51

1.4.2 Éteres Éteres são compostos que apresentam como grupo funcional um átomo de oxigênio

ligado a dois grupos alquilas (R) ou arilas (Ar, que indica um anel aromático). Sua fórmula geral é: R-O-R ou R-O-Ar ou Ar-O-Ar.

Ex.:

C CH

H H

O C

H

C

H

HÉter vinílico

Um éter é formado durante a desidratação intermolecular de um álcool, a uma temperatura de 140ºC ou menos. Nessa reação, o ácido sulfúrico pode ser considerado um agente desidratante que remove uma molécula de água de duas moléculas de álcool.

Por exemplo, quando álcool metílico reage com ácido sulfúrico, é formado o éter metílico (também chamado dimetil éter).

CH3 OH OH CH3

H2SO4CH3 O CH3+

Álcool metílico Álcool metílico+ H2O

Éter metílico(dimetil éter)

O éter possui seu nome derivado do álcool a partir do qual foi obtido, por exemplo,

éter etílico do álcool etílico e éter metílico do álcool metílico. Se dois álcoois diferentes reagem, é formado um éter misto. Ésteres mistos são

chamados de derivados alcóxidos de hidrocarbonetos, com a cadeia mais curta recebendo o nome de grupo alcóxido e a cadeia mais longa de alcano.

Propriedades dos éteres

• São bons solventes, pois são inertes, não reagem com o soluto. • São moléculas polares com baixos pontos de fusão e de ebulição, o baixo ponto de

ebulição facilita sua remoção e recuperação. • São capazes de formar ligações do tipo ponte de hidrogênio com a água, sendo, por

isso, solúveis em água. Mas sua solubilidade diminui com o aumento da cadeia carbônica, a parte apolar da molécula.

LaCCeF



52

1.4.3 Aldeídos Aldeídos são compostos que apresentam um grupo funcional -CHO (carbonila) na

extremidade da cadeia carbônica. Sua fórmula geral é: R-CHO ou Ar-CHO.

Ex.:

C

H

C

H

HO

H

Etanal

Os aldeídos são formados a partir da oxidação de um álcool. Por exemplo, a seguinte equação apresenta a oxidação do álcool etílico; durante a oxidação um H foi removido do grupo OH e um outro H foi removido do átomo de carbono ao qual o grupo OH está ligado. A água é um produto e o outro é um composto chamado aldeído, que nesse caso é o acetaldeído.

C C

H H

H

H H

O O

C C

H H

H

H

OH + + H2O

Álcool etílico Acetaldeído

Aldeídos aromáticos apresentam fórmula geral Ar-CHO, onde Ar indica um anel aromático. O aldeído aromático mais simples é o benzaldeído, o qual consiste de um grupo aldeído ligado a um anel benzênico. O benzaldeído é preparado pela oxidação do tolueno em condições brandas*.

O

CH3 CHO

+

Metilbenzeno (tolueno)

catalisador

Benzaldeído

Propriedades dos aldeídos

• São moléculas polares com altos pontos de fusão e de ebulição. • São solúveis em água, pois fazem interações de hidrogênio com as moléculas de água.

Mas, à medida que a cadeia carbônica (parte apolar) aumenta, sua solubilidade diminui. * Condições brandas: na presença de KMnO4 e K2Cr2O7, com a solução do oxidante diluída a frio.

LaCCeF



53

1.4.4 Cetonas Cetonas são compostos que possuem um grupo carbonila ligado a dois grupos

alquilas (R) ou arilas (Ar). Sua fórmula geral é: R-COR ou Ar-COAr ou R-COAr.

Ex.:

C C C C

O OH

H

H

H

H

H

Biacetila

Álcool secundário é aquele no qual o grupo –OH está ligado a um átomo de

carbono. Por exemplo, o álcool isopropílico. Durante a oxidação de um álcool secundário, como o álcool isopropílico, o átomo de oxigênio do agente oxidante reage com o H do grupo –OH e com o H ligado ao mesmo carbono onde se encontra o grupo –OH, para forma como produto dessa reação água e uma nova classe de composto chamado cetonas, que nesse caso é a propanona.

O

CH3 C

H

O

CH3

H

CH3 C

O

CH3+

Álcool isopropílico (2-propanol)

+ H2O

Acetona(Propanona)

Para dar nome a uma cetona, determina-se o nome da cadeia mais longa do alcano

que contém o grupo carbonila, retire a terminação “o”, e adicione a terminação ona. Assim, a cetona de quatro átomos de carbono é chamada butanona.

Propriedades das cetonas

• São moléculas polares com altos pontos de fusão e de ebulição. • São solúveis em água, pois fazem interações de hidrogênio com as moléculas de água.

Mas, à medida que a cadeia carbônica (parte apolar) aumenta, sua solubilidade diminui.

LaCCeF



54

1.4.5 Ácidos carboxílicos Os ácidos são compostos que apresentam um grupo hidroxila ligado a carbonila,

formando o grupo funcional carboxila (-COOH). Sua fórmula geral é: R-COOH ou Ar-COOH.

Ex.:

COH

OÁcido benzóico

Os ácidos carboxílicos ou orgânicos são produzidos a partir da oxidação de um

aldeído. Como exemplo a equação a seguir:

O CH3 C

H

OCH3 C

O

OH+ + H2O

Acetaldeído Ácido acético O composto resultante possui caráter ácido, pois produz íons hidrogênio em

solução. A oxidação do álcool metílico, um álcool primário, para um aldeído e então para um ácido é ilustrada pela seguinte equação:

H C O

H

H C

H

H

OO

O

H C

O

OH

H

Álcool metílico Formaldeído (Metanal)

Ácido fórmico(Ácido metanóico)

Para dar nome a um ácido, determine a cadeia mais longa do alcano contendo o

grupo ácido, remova a terminação o e adicione a palavra ácido ao grupo alquila com terminação óico.

Propriedades dos ácidos carboxílicos

• São capazes de formar um número maior de ligações intermoleculares de hidrogênio do

que os álcoois, tendo, portanto, pontos de fusão e de ebulição mais altos. • São solúveis em água, devido à capacidade de interagir com a água pela ligação de

hidrogênio.

LaCCeF



55

1.4.6 Ésteres Os ésteres são derivados dos ácidos carboxílicos pela substituição do hidrogênio da

hidroxila por um grupo alquila (R) ou arila (Ar). Sua fórmula geral é: R-COO-R.

Ex.:

C C

H

H

H

O

O C C

H

H H

H

H

Acetato de etila

Os ésteres são produzidos pela reação de um ácido carboxílico com um álcool, reação conhecida como esterificação. Por isso, as moléculas de um éster são constituídas por uma parte de ácido carboxílico e outra de álcool. Por exemplo, a equação a seguir:

CO

OH O CH2 CH2 CH3

CO

O CH2 CH2 CH3H

Ácido benzóico Propanol

+ + H2O

Benzoato de propila

As reações são escritas com uma dupla flecha, indicando serem reações de equilíbrios; ou seja, as reações reversas também ocorrem, assim, ésteres hidrolisam para formar ácidos orgânicos e álcoois. Ésteres em solução aquosa não se ionizam rapidamente.

Propriedades e aplicações dos ésteres

• São menos solúveis do que os ácidos. • São sólidos e líquidos à temperatura ambiente. • São polares devido à presença dos grupos carbonila e alcoxila. • Não são capazes de formar ligações de hidrogênio entre suas moléculas. Assim, seus

pontos de fusão e de ebulição são baixos. • Possuem um cheiro (aroma) agradável, sendo usados como aromatizantes na fabricação

de perfumes, em confeitarias e indústrias alimentícias e de bebidas.

LaCCeF



56

1.4.7 Aminas São compostos derivados da amônia, pela substituição de um, dois ou três átomos

de hidrogênio por grupos alquilas (R) ou arilas (Ar). Sua fórmula geral é: RNH2 ou R2NH ou R3N.

Ex.:

NH2Fenilamina

Aminas são compostos orgânicos derivados de amônia. Existem três classes de amina: primárias, secundárias e terciárias. Em relação às aminas, os termos primária, secundária e terciária referem-se ao número de átomos de hidrogênio da amônia que foram substituídas por grupos alquilas. Aminas primárias são aquelas nas quais um dos átomos de hidrogênio da amônia (NH3) foi substituído por um grupo alquila. Elas possuem fórmula geral RNH2. Aminas secundárias são aquelas nas quais dois dos átomos de hidrogênio da amônia foram substituídos por grupos alquila. Elas possuem fórmula geral RNH. Aminas terciárias são aquelas nas quais todos os três átomos de hidrogênio da amônia foram substituídos por grupos alquila. Elas possuem fórmula geral R3N.

N

H

HCH3

N

CH3

H

CH3

N

CH3

CH3

CH3

Metilamina Dimetilamina Trimetilamina

Propriedades e aplicações das aminas

• Possuem cheiro característico de amônia. • São solúveis em água, pois efetuam ligações de hidrogênio com as moléculas de água. • Possuem pontos de fusão e de ebulição menores do que os dos álcoois, pois as ligações

intermoleculares de hidrogênio são menos intensas, visto que o elemento nitrogênio é menos eletronegativo que o elemento oxigênio.

• Quando aminas reagem com um ácido, sais de amônio são produzidos. Alguns sais de amônio quaternários apresentam tanto ação detergente como atividade bactericida. Eles são usados com fins medicinais como anti-sépticos.

LaCCeF



57

1.4.8 Amidas São compostos derivados dos ácidos pela substituição da hidroxila por um grupo

amino (NH2) ou alquilamino (NHR) ou dialquilamino (NR1R2). Possui o grupo funcional R-CONR1R2.

Ex.:

CH

O

NH

H

Formamida(derivada do ácido fórmico)

Ácidos orgânicos podem reagir com amônia ou com aminas para formar os compostos chamados amidas. Por exemplo, a equação a seguir:

CH3 C

O

OH NH

H

H CH3 C

O

NH2+calor

Ácido etanóico(ácido acético)

Amônia Etanamida(acetamida)

+ H2O

Se um ácido orgânico reage com uma amina primária ou secundária, é formada uma amida substituída. Por exemplo, como mostrado na reação abaixo:

H C

O

OH H N

H

CH2 CH3 H C

O

N CH2

H

CH3+Ácido metanóico (ácido fórmico)

+ H2O

Etilamina N-etilmetanamida (N-etilformamida)

Amidas aromáticas possuem a fórmula geral ArCONH2. A amida aromática mais simples é a benzamida, formada pela reação do acido benzóico com amônia como mostrado abaixo:

CO

OH NH H

H

CO

NH2

Ácido benzóico

+

Amônia

calor

Benzamida

+ H2O

Propriedades físicas das amidas • São solúveis em água, pois formam interação de hidrogênio com as moléculas de água. • Suas temperaturas de fusão e ebulição são mais altas do que as dos álcoois e cetonas,

pois forma maior número de ligações de hidrogênio do que esses compostos funcionais.

LaCCeF



58

1.4.9 Fenóis Fenóis são compostos que possuem um ou mais grupos de hidroxilas (OH-) ligados

a um anel benzênico. Tais substâncias podem ser obtidas através da destilação da hulha e da lignina.

Ex.:

OHFenol

Propriedades físicas dos fenóis

• Apresentam pontos de fusão e de ebulição altos, pois são moléculas polares que efetuam ligações intermoleculares de hidrogênio.

• São solúveis em água, pois efetuam ligações de hidrogênio com as moléculas de água.

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59

1.5 Isomeria

1.5.1 Isomeria plana Isomeria plana é o tipo de isomeria em que as substâncias de mesma fórmula

molecular diferem em suas fórmulas estruturais planas.

1.5.1.1 Isomeria funcional ou de função

Os isômeros pertencem a diferentes funções orgânicas, exceto os enóis. Os principais casos de isomeria funcional ocorrem com as funções álcool e éter; aldeído e cetona; ácido carboxílico e éster; álcool aromático, fenol e éter aromático. Ex.: Aldeído e cetona Fórmula molecular: C3H8O

C

H

H

H

C C

H

H

HO

CH3 CH2 CO

H

PropanonaPropanal

1.5.1.2 Tautomeria

Os isômeros coexistem em equilíbrio dinâmico. Ocorrem com compostos que apresentam átomo de hidrogênio no átomo (carbono ou nitrogênio) ligado ao carbono da carbonila das funções aldeídos, cetonas ou amidas. Ex.: Enol Cetona Fórmula molecular: C3H6O

C

H

H

H

C C

H

H

HO

CH3 C CH2

OH

CetonaEnol

O enol apresenta ligação dupla no carbono da hidroxila (OH-). Como o oxigênio é

muito eletronegativo, ele atrai os elétrons pi (π) e ao mesmo tempo libera o hidrogênio para o carbono. Isso leva à formação de cetona (tautomeria cetoenólica) ou à formação de aldeído (tautomeria aldoenólica), sendo a transformação é reversível.

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60

1.5.1.3 Isomeria de posição

Os isômeros pertencem à mesma função e diferem quanto à posição das ramificações, insaturações ou dos grupos funcionais.

Ex.: Álcoois Fórmula molecular: C4H10

OHOH

1-butanol 2-butanol

Difere na posição do grupo funcional hidroxila (OH-).

1.5.1.4 Isomeria de compensação ou metameria Os isômeros pertencem à mesma função, porém ao menos um deles apresenta

cadeia heterogênea.

Ex.: Éteres Fórmula molecular: C4H10O

OO

Etóxi-etano Metóxi-propano

1.5.1.5 Isomeria de cadeia

Os isômeros pertencem à mesma função química, mas diferem no tipo de cadeias carbônicas. Ex.: Alcanos Fórmula molecular: C7H16

CH3

Cadeia normal Cadeia ramificada

Heptano Metil-hexano

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61

1.5.2 Isomeria espacial Isomeria espacial é o tipo de isomeria em que a identificação é feita por meio de

fórmulas espaciais.

1.5.2.1 Isomeria geométrica ou cis-trans ou Z-E

Isômeros cis-trans ou isômeros geométricos são compostos com a mesma fórmula molecular e com diferentes fórmulas estruturais, pois tanto uma ligação dupla quanto um anel impedem a rotação necessária para transformar um no outro. Ou seja, isômeros cis-trans apresentam a mesma seqüência de átomos, mas um arranjo espacial diferenciado e diferentes propriedades físicas, tais como diferentes pontos de ebulição e congelamento.

Isomeria geométrica ocorre em compostos acíclicos com ligação dupla, cujos carbonos insaturados (sp2) apresentam ligantes diferentes entre si. Passa-se um plano entre os dois átomos de carbono da dupla e analisa-se a posição dos ligantes de maiores (ou menores) massas molares. Se os dois ligantes de maiores (ou menores) massas molares estiverem do mesmo lado do plano, este é o isômero cis (ou Z); se estiverem em lados opostos, trata-se do isômero trans (ou E).

Ex.:

cis trans

H3CC C

H

CH3

H

H3CC C

H

H

CH3

Ocorre em compostos cíclicos que apresentam dois átomos de carbono do ciclo com

ligantes diferentes entre si.

Ex.:

Se os dois grupos ou átomos ligados a um dos átomos de carbono que fazem parte

da dupla ligação são idênticas, apenas uma estrutura é possível. Os dois grupos ou átomos ligados a cada átomo de carbono devem ser diferentes para que ocorra isomeria cis-trans.

H3 C

H

CH3

H H

CH 3

CH3

H

cis tra ns

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62

A importância da isomeria cis-trans no mecanismo da visão

As alterações químicas que ocorrem quando a luz atinge a retina do olho envolvem muitos fenômenos da química orgânica e da fotoquímica, sub-área de estudo da físico-química. Os pontos centrais para o entendimento do processo visual em escala molecular são dois fenômenos em particular: a absorção da luz pelos polienos conjugados (moléculas orgânicas com várias duplas ligações em série) e a interconversão de isômeros cis-trans. Essa mudança de geometria molecular gera um pulso elétrico que é transportado através do nervo óptico até o cérebro, causando a sensação de visão. Segundo o esquema abaixo:

CH2OH

H

H

CHO

H

H

CHO

Beta - caroteno

Vitamina A

Cis - retinalLuz

Trans - retinal

Acima, representação estrutural do retinal e do ácido retinóico, ou vitamina A, essencial para a visão. A carência desta vitamina do organismo provoca anomalias na visão, e deve ser suprida com complexos vitamínicos sintéticos.

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63

1.5.3 Isomeria óptica Estereoisômeros são compostos com a mesma fórmula molecular, porém com

diferentes estruturas, que são imagens especulares um da outra. A imagem especular de um objeto é o reflexo desse objeto em um espelho plano.

Este tipo de isomeria está relacionado com a maioria dos compostos com atividade biológica, tais como enzimas, hormônios, medicamentos, etc. Para cada isômero (chave) só existe um receptor (fechadura) no ser vivo.

A isomeria óptica ocorre com moléculas assimétricas. Uma possibilidade de se ter assimetria molecular é com a presença de carbono ou centro quiral, que apresenta quatro ligantes distintos L1, L2, L3 e L4.

C

L1

L3

L4

L2

Ex.:

C*

CH3

H OH

CH2

CH3

C*

CH3

HO H

CH2

CH3

Estereoisômeros que são quirais são chamados enantiômeros e considerados opticamente ativos. Eles causam rotações semelhantes do plano da luz polarizada, mas em direções opostas e não podem ser superpostos. A luz polarizada vibra apenas em um plano, em contraste com a luz comum, a qual vibra em todos os planos. Quando luz polarizada passa através de uma solução de uma substância opticamente ativa, o plano da luz polarizada sofre rotação, que segundo a teoria de van’t Hoff, tal efeito no plano da luz polarizada se deve presença de um ou mais átomos de carbono quirais.

O enantiômero que apresenta a atividade de desviar a luz polarizada para a direita é dito dextrógiro (d ou +), já o que desvia para a esquerda é chamado de levógiro (l ou -). A mistura inativa formada em partes iguais (equimolar) dos enantiômeros d e l constitui a mistura racêmica ou racemato (dl ou r).

Esse tipo de isomeria é conhecido como isomeria óptica, pois cada molécula isomérica age de maneira diferente com a luz polarizada. Esse fenômeno que foi reconhecido desde o século XIX pelo francês Louis Pauster não é somente uma curiosidade química, mas algo importante para a vida, como veremos a seguir:

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64

N N

O O

OHCH3

Bu-nPh

NN

OO

OH CH3

n-Bu Ph

NH2OH

O NH2 H

ONH2

OHONH2H

O

OHClOH H

OH ClOHH

OHN N

OH

Et Et

OHN N

OH

Et Et

(narcótico) (anticonvulsivo)

Derivados de ácido barbitúrico

Asparagina

(amarga) (doce)

(substância tóxica) (fármaco)

1-cloro-2,3-propanodiol

(fármaco) (provoca cegueira)

Atambutol

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65

1.6 Reações orgânicas As substâncias podem ser transformadas por meio de reações químicas. As

principais reações químicas podem ser classificadas em reação de: adição, de substituição, de eliminação, de redução e de oxidação.

1.6.1 Reação de adição

A reação de adição ocorre quando um reagente é adicionado a um substrato. Ela

acontece com compostos que apresentam ligação pi, tais como alcenos, alcinos, aldeídos, cetonas, etc.

Exemplo 1: Hidrogenação catalítica de alceno ou alcino com o gás hidrogênio, em presença de um catalisador (Pd, Pt ou Ni).

H H C

H

C

H

HH

CH3 CH3C C

HCH3

H CH3

+ Pt

Exemplo 2: Adição de bromo a alceno, em presença de tetraclorometano.

CCl4Br Br C

H

C

Br

HBr

CH3 CH3C C

HCH3

H CH3

+

Exemplo 3: Adição a aldeídos e cetonas (Reação de Grignard)

CH3MgBr

MgBr

Mg(OH)BrOH2

CH3 CH2 CO

H

CH3 CH2 C

H

OCH3 CH3 CH2 C

H

OCH3

H

+ +

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66

1.6.2 Reação de substituição

A reação de substituição ocorre pela substituição de um ligante por outro de mesma natureza, como, por exemplo, de um elemento de alta eletronegatividade por outro também de alta eletronegatividade.

Exemplo 1: Reação de substituição radicalar de alcanos, em presença de aquecimento ou de luz de comprimento de onda adequado.

CH3 CH3 Cl2 CH3 CH2 ClHCl+ +

Exemplos 2: Substituição nucleofílica, com substituição de um grupo com elemento de alta eletronegatividade por outro também de alta eletronegatividade.

a)

NaOH NaClCH CH3

Cl

CH3 CH CH3

OH

CH3+ +

b)

OHC

O

CH3 PCl5Cl

C

O

CH3 POCl3 ClH+ + +

c)

COC

OCH3

OC

NH2

CH3

H3

NH3 HOCH3+ +

Exemplo 3: Substituição aromática eletrofílica, substituição de um átomo de hidrogênio por uma espécie deficiente em elétrons (eletrófilo), catalisada por um ácido de Lewis. Na bromação do benzeno, o eletrófilo é a espécie Cl+ e o FeCl3 é o ácido de Lewis.

H

Cl2FeCl3

ClH Cl+ +

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67

1.6.3 Reação de eliminação A reação de eliminação ocorre pela saída de ligantes de uma dada molécula, com

formação de ligação pi (ligação dupla ou tripla).

Ex.: Desidratação de álcoois.

CHCH3 CH3

OH

CHCH3 CHCH

H

CH3

H+

+/

H2O

Regra de Saytzeff: “O ‘OH’ sai com o hidrogênio do carbono menos hidrogenado”.

1.6.4 Reação de redução A reação de redução ocorre com a redução do Nox (número de oxidação) do

carbono, o que em geral ocorre pela adição de hidrogênio de um hidreto metálico (LiAlH4 ou NaBH4).

Ex.:

CCH3 CH3 CHCH3 CH3

OLiAlH4

OH

Propanona Propanol

1.6.5 Reação de oxidação A reação de oxidação ocorre com o aumento do número de oxidação (Nox) do

carbono. As principais oxidações envolvem os seguintes compostos:

Hidrocarboneto → metanol → metanal → ácido metanóico → gás carbônico; Hidrocarboneto → álcool primário → aldeído → ácido carboxílico → gás carbônico; Hidrocarboneto → álcool secundário → cetona → gás carbônico; Hidrocarboneto → álcool terciário → gás carbônico.

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68

A ozonólise é um tipo de oxidação de alquenos, cujo agente oxidante é o ozônio. Essa oxidação produz cetonas (no carbono terciário) e/ou aldeídos (no carbono primário ou secundário).

Ex.:

O3

ZnCH3 C

CH3

C

H

CH3 CH3 C

O

CH3 CH

OCH3+ em

pó, H2O+

2-metilbuteno Propanona Etanal

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69

1.7 Orbitais moleculares 1.7.1 Introdução

Segundo o Princípio da Incerteza de Heisenberg, é impossível conhecer com exatidão a posição e a velocidade de um elétron, simultaneamente. Portanto, os elétrons não giram em órbitas determinadas ao redor do núcleo. Por isso podemos somente prever a probabilidade do elétron estar em certa posição, em um determinado instante.

A partir disso, suponhamos que o elétron move-se ao acaso em todas as direções, mas sendo encontrado com mais freqüência em algumas regiões do que em outras. Depois, suponhamos que fosse possível localizar o elétron no espaço em dado momento e marcar com um ponto esse lugar. Repetindo esta operação inúmeras vezes, a densidade relativa dos pontos assim marcados representaria a possibilidade de encontrar o elétron no espaço.

Exemplo de orbital:

Portanto; Orbital é a região do espaço que o elétron ocupa a maior parte do tempo, ou Orbital é a região do espaço de máxima probabilidade de encontrar-se o elétron.

1.7.2 Caracterização dos elétrons

A determinação da expressão analítica dos orbitais atômicos e moleculares é um problema da mecânica quântica de difícil ou impossível resolução. Para isso, cada um dos elétrons de um átomo distingue-se dos demais mediante quatro números, denominados números quânticos.

Pode-se destacar que os elétrons isolados em repouso são exatamente iguais, não se podendo distinguir um dos outros. Os quatro números quânticos são:

a) Número quântico principal “n”: representa aproximadamente a distância do elétron ao núcleo. O numero n tem valores inteiros 1, 2, 3, ..., ∞, sendo responsável pela determinação da energia do elétron, do tamanho do orbital ocupado pelo elétron e da distância do orbital do núcleo. Assim a distância média do orbital 7s ao núcleo é maior que a distância média do orbital 1s ao núcleo.

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70

b) Número quântico secundário (azimutal) “l”: representa a forma do orbital. Assim, os orbitais s são os esféricos, os orbitais p têm a forma de halteres ou de um oito.

Valores de l: 0 (s), 1 (p), 2 (d), 3 (f),... (n-1). Para átomos com muitos elétrons, a energia de um elétron é determinada não só pelo valor de n, mas também pelo valor de l. Assim, para dado valor de n, elétrons p têm energia ligeiramente maior que elétrons s. c) Número quântico magnético “m”: descreve a orientação do orbital no espaço. O número m pode ter qualquer valor inteiro entre +l e –l, inclusive zero. Ex.: orbitais p: m = -1, 0, +1. Uma vez que a energia de um elétron em um átomo é independente da direção do orbital ( a não ser quando o átomo está em um campo magnético ou elétrico), elétrons com diferentes valores de m terão a mesma energia, quando apresentarem o mesmo n e o mesmo l. d) Número quântico spin “ms”: descreve a rotação do elétron em torno do seu eixo. O número ms pode ter somente os valores +1/2 e -1/2.

Dois elétrons de um mesmo orbital apresentam os três primeiros números quânticos iguais, mas possuem spins opostos. Observação: o primeiro elétron que entra em um orbital pode ter spin +1/2 ou -1/2. Assim, existem na natureza os dois átomos de hidrogênio.

Cada orbital atômico caracteriza-se pela energia (associada ao número quântico

principal “n”), pelo número quântico do momento angular “l”, pelo número quântico do momento magnético “m” e pelo spin “ms”. Estes quatro números são necessários e suficientes para identificar o estado de um elétron em um átomo. De acordo com o Princípio de Pauli, dois elétrons de um mesmo átomo nunca podem ter os quatro mesmos números quânticos.

1.7.3 Classificação dos orbitais

O número quântico do momento angular determina a forma do orbital e a densidade de probabilidade. Os orbitais classificam-se:

a) Orbitais s: com este número igual a zero, possuem simetria esférica.

X

z

Y

Orbital s

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71

b) Orbitais p: com o número quântico do momento angular igual a 1, são axialmente simétricos em relação aos eixos de coordenadas favorecendo a permanência dos elétrons em direções preferenciais, possuem a forma de halteres ou de um oito. Em um orbital p existe um plano nodal, passando pelo núcleo, onde a probabilidade de se encontrar o elétron é zero.

X

z

Y

Orbital p

c) Orbitais d: com o número quântico do momento angular igual a dois, os orbitais são também simétricos em relação ao eixo de coordenadas e em relação as diagonais dos triedros.

X

z

Y

Orbital d Estes dois últimos tipos favorecem uma distribuição mais complicada dos elétrons.

d) Orbitais f: com o numero quântico igual a três.

e) Orbitais g: com o numero quântico igual a quatro.

1.7.4 Hibridação dos orbitais atômicos Os orbitais híbridos formam-se pela combinação de dois orbitais de momento angular diferente. Relevantes, em especial, os orbitais resultantes da hibridação de um s com um p.

a) Hibridação sp: interação de um orbital s com um orbital p. Os dois orbitais híbridos sp são iguais e situam-se sobre a mesma reta, possuem a forma linear e um ângulo de 180°. Exemplos: BeF2, CdBr2 e HgCl2.

Hibridação sp

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72

b) Hibridação sp2: Interação de dois orbitais p com um orbital s. Os três orbitais híbridos são todos iguais, apresentam forma trigonal plana, situando-se os três no mesmo plano, com seus eixos a 120° entre si. Exemplos: BF3, B(CH3)3 e GaI3.

Hibridação sp2 c) Hibridação sp3: Resultado de uma interação entre um orbital s e três orbitais p. Como a carga negativa das quatro nuvens eletrônicas é idêntica, temos que, devido à repulsão entre elas, as nuvens ficarão a uma mesma “distância”, uma das outras. Conclui-se, assim, que as nuvens estão dirigidas tetraedricamente no espaço, sendo que o ângulo entre os eixos de cada um dos orbitais é de 109°28`. Na hibridação sp3, sempre um elemento irá ocupar o centro da pirâmide tetraédrica imaginária. Exemplos: CCl4, SiF4, SiH4, SiCl4, GeH4, GeCl4 e TiCl4.

Hibridação sp3

1.7.5 A ligação covalente conforme a teoria dos orbitais

Quando elétrons compartilham a mesma região do espaço, essa região é denominada orbital molecular. Existem várias espécies de orbitais moleculares dentre os quais os orbitais sigmas e os orbitais π. O orbital molecular sigma σ é formado pela interpenetração do dois orbitais, um apontando diretamente para o outro.

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73

Ex.:

P

Cl

P PP

Cl Cl2

+

+ =

=

=

="overlap"

Overlap: é a interpenetração de orbitais que se processa durante uma ligação

química. Dá-se o nome de plano nodal a um plano em que a densidade eletrônica é nula.

Nota-se que o orbital sigma σ não tem plano nodal contendo o eixo internuclear. Quando o orbital sigma é ocupado por dois elétrons, dizemos que os átomos estão ligados por uma ligação sigma σ.

As ligações σ que ocorrem com freqüência:

S S

HH

S S

S

H

P

Cl

S P

ClH

P

Cl

P PP

Cl Cl2

+

+ =

=

+

+ =

=

+

+ =

=

a)

b)

c)

H2

O orbital π é formado quando dois orbitais p se aproximam lateralmente, isto é, paralelamente aos eixos.

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74

Núcleo

"overlap"

Plano nodal

Orbital π

Representaçãoesquemática

O orbital molecular π apresenta um plano nodal contendo o eixo internuclear.

Quando o orbital π é preenchido com dois elétrons, o resultado é uma ligação π. Ligações π são mais fracas do que as ligações sigmas σ.

O O O2

8O 2He

py

pz

+

+ = ==

πsigma

= [ ] +

ππ

πππ

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75

2 Características e Aplicações de Algumas Substâncias Orgânicas

2.1 Aditivos alimentares

1) Etileno-glicol

O etileno-glicol é um diálcool utilizado como: agente umectante em doces,

solvente e como aditivo anticongelante, em radiadores de automóveis, em países frios.

CH

H

H

C

H

H

OHPeso Molecular = 62,07 gMassa Exata = 62 gFórmula Molecular = C2H6O2Composição Molecular: C= 38,70%; H= 9,74% e O= 51,55%

Etileno-glicol

2) Cafeína

A cafeína pertence ao grupo de compostos químicos denominados metil-xantinas, presente em uma grande quantidade de vegetais (cerca de 60 espécies de plantas no mundo contêm esses compostos) como café, guaraná, cola, cacau ou chocolate, mate. Também compõem fármacos do tipo analgésico, medicamentos contra a gripe e inibidores de apetite. As xantinas são substâncias capazes de estimular o sistema nervoso, produzindo um estado de alerta de curta duração. É também a cafeína que confere tal propriedade característica ao café, guaraná em pó, cacau, chá mate e alguns fármacos.

N

N N

N

OCH3

O

CH3

CH3Cafeína

Peso Molecular = 194,19 gMassa Exata = 194 gFórmula Molecular = C8H10N4O2Composição Molecular: C= 49,48%; H= 5,19%; N= 28,85% e O= 16,48%

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76

3) Ácido benzóico

O ácido benzóico é utilizado como reagente orgânico e como conservante de alimentos, por possuir ação bacteriostática (inibidora do crescimento de população bacteriana).

OH

OÁcido benzóico

Peso Molecular = 122,12 gMassa Exata = 122 gFórmula Molecular = C7H6O2Composição Molecular: C= 68,85%; H= 4,95% e O= 26,20%

CO

H KOH

C

H

H

OH CO

OK ClHC

O

OH

Aldeído benzóico

2 +

Álcool benzílico Benzoato de potássio Ácido benzóico

Síntese do ácido benzóico:Reação de redução (Reação de Cannizzaro)

4) Ácido ascórbico

Ácido ascórbico é conhecido como vitamina C podendo ser encontrado em frutas cítricas, acerola, tomate, morango e outras fontes naturais, oxida-se quando exposto ao ar, perdendo suas propriedades terapêuticas.

OHOHOH OH

OH COH O


Ácido ascórbico

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77

5) Ácido etanóico ou ácido acético

Ácido etanóico é o constituinte do vinagre (solução aquosa 4 a 5% em ácido acético). Quando puro, é denominado ácido acético glacial, pois se solidifica a 16,6ºC com aspecto similar ao gelo. Quando se diz que o vinho “avinagra”, é porque o álcool etílico foi oxidado (em presença de acetobactérias) a aldeído acético e este, por sua vez oxidado a ácido acético.

É utilizado na fabricação de diversos sais como acetato de celulose, bem como corantes, pigmentos, perfumes, fármacos e ravonacetato.

C

H

H

H CO

OH


Ácido acético

C

H

H

C

H

H

H OH C

H

H

H

CO

OHC

H

H

H

CO

H

Álcool etílico

oxidação oxidação

Ácido acéticoAldeído acético 6) Amarelo de manteiga

Amarelo de manteiga é um corante usado para dar cor à margarina. Tem se

mostrado um agente cancerígeno ativo. Seu uso em alimentos não é mais permitido.

N N

N(CH3)2

Peso Molecular = 225,30 gMassa Exata = 225 gFórmula Molecular = C14H15N3Composição Molecular: C= 74,64%; H= 6,71% e N= 18,65%

Amarelo de manteiga

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78

7) Ácido cítrico

Ácido orgânico de função mista (função álcool e ácido carboxílico), de nome 2 hidroxi- 1,2,3 propanotricarboxílico. Comum na natureza é um dos principais componentes dos sucos de laranja e limão. É empregado: em processos analíticos qualitativos e quantitativos, na indústria farmacêutica, de alimentos, refrigerantes, tintas e na preparação de sais. Seus sais mais comuns são o citrato de magnésio (limonada purgativa) e o citrato de ferro.

O ácido cítrico é também utilizado para remoção de impurezas dos metais (ferrugem). Age como acidulante/conservante e agente de sabor de alimentos. É obtido em maior quantidade por oxidação parcial aeróbica de hidratos de carbono (Ex.: a sacarose, C12H22O11) por ação de certos fungos, entre os quais Aspergillus niger, A. wentii, Mucor spp. etc. O substrato utilizado é um verdadeiro meio de cultura, contendo sais minerais e cerca de 20% de sacarose, com pH baixo (entre 2,2 e 3,2); é colocado em bandejas onde o meio tem pequena profundidade e grande superfície; e no qual o fungo se desenvolve por 7-10 dias, entre 25-30ºC. O ácido cítrico é, então separado do meio de cultura por processos químicos.

C

OH O

C

OH

O

C C C C

H OH H

H HOH

OÁcido cítrico


8) Conservantes

Para evitar a ação do tempo nos alimentos, as indústrias utilizam agentes que preservam a integridade do produto, o que aumenta o prazo de validade do produto. Os antioxidantes são compostos que previnem a deterioração dos alimentos por mecanismos oxidativos. A oxidação envolve a adição de um átomo de oxigênio ou a remoção de um átomo de hidrogênio das moléculas que constituem os alimentos. Estes antioxidantes incluem os naturais, tais como o tocoferol (vitamina E) e os sintéticos, tais como o BHA e BHT, ambos derivado do fenol.

OH

OCH3

C(CH3)3(CH3)3COH

CH3

C(CH3)3(CH3)3C

Butilhidroxianisol (BHA)

Butilhidroxitolueno (BHT)

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79

2.2 Flavorizantes

Também chamados de aromatizantes, são substâncias ou misturas acrescentadas a um alimento ou medicamento para suplementar ou modificar seu "flavor" próprio ou para mascarar o original. São necessários, uma vez que alguns produtos perdem parte de seu sabor durante o processo de industrialização. "Flavor" é uma sensação complexa, sendo a integração da sensação de odor, gosto, textura etc. Há quatro gostos básicos identificados pela língua humana: salgado (NaCl), doce (açúcar), azedo (ácido) e amargo (quinino).

1) Acetato de etila

Acetato de etila é um éster proveniente da reação entre o ácido acético e o álcool

etílico, sendo um líquido incolor e volátil. Utilizado na fabricação de vernizes, o acetato de etila possui odor agradável, semelhante ao de frutas sendo comercializado com o nome de acetila.

C

H

H

H

CO

O C

H

C

H

H

H H


Acetato de etila

2) Acetato de isopentila

O acetato de isopentila é utilizado para produzir sabor artificial de banana.

O

OAcetato de isopentila


LaCCeF



80

3) Antranilato de metila

O antranilato de metila está presente nas uvas, sendo responsável pelo seu aroma característico.

NH2

COOCH3

Peso Molecular = 151,17 gMassa Exata = 151 gFórmula Molecular = C8H9NO2Composição Molecular: C= 63,57%; H= 6,00%; N= 9,27% e O= 21,17%

Antranilato de metila

4) Biacetila ou butanodiona

A biacetila é o nome usual da butano-2,3-diona, principal ingrediente do aroma de

margarina.

C C C C

O OH

H

H

H

H

H


Biacetila

5) Benzaldeído ou aldeído benzóico

O benzaldeído é o ingrediente ativo do aroma de amêndoas, em forma de um glicosídio, o qual tem o nome de amigdalina. Por oxidação, produz o ácido benzóico. É utilizado na fabricação de perfumes, na indústria farmacêutica e indústria alimentícia.

CO

H

Peso Molecular = 106,13 gMassa Exata = 106 gFórmula Molecular = C7H6OComposição Molecular: C= 79,23%; H= 5,70% e O= 15,08%

Aldeído benzóico

LaCCeF



81

6) Butanoato de etila

Butanoato de etila é o flavorizante para sabor característico de abacaxi.

CH3 CH2 CH2 CO

O CH2 CH3

Butanoato de etila


7) Aspartame

Aspartame, adoçante sintético para substituição do açúcar, pouco calórico, obtido a

partir de proteínas naturais.

OO

NH

ON

O

OH

H

H

CH3

Peso Molecular = 280,28 gMassa Exata = 280 gFórmula Molecular = C13H16N2O5Composição Molecular: C= 55,71%; H= 5,75%; N= 9,99% e O= 28,54%

Aspartame

8) Etanoato de etila

Etanoato de etila é o flavorizante para sabor característico de maçã.

CH3 CO

O CH2 CH3

Etanoato de etila


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9) Etanoato de octila

Etanoato de octila é o flavorizante para o sabor característico de laranja.

CH3 CO

O CH2 CH37


Etanoato de octila

10) Propanoato de isobutila

O propanoato de isobutila é utilizado como flavorizante para sabor característico de rum.

O C CCH3

CH3

HH

H

CH3 C CH

H

O


Propanoato de isobutila

11) Glutamato monossódico (MSG)

Há vários séculos, na Ásia, se utilizava uma substância que acabou sendo o primeiro flavorizante a ser comercializado com essa classificação: os cozinheiros utilizavam o aminoácido L-glutâmico ou o glutamato monossódico (MSG). Esta substância é capaz de proporcionar um sabor intenso e característico (chamado “unami”), típico em pratos orientais.

COH

O

CH2 CH2 CH

NH2

CO

O Na+

Glutamato monossódico (MSG)

Peso Molecular = 146,12 gMassa Exata = 146 gFórmula Molecular = C5H8NO4 . NaComposição Molecular: C= 35,1%; H= 4,77%; N= 8,28%; Na= 13,59% e O= 37,84%

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12) Etanoato de isobutila Etanoato de isobutila ou acetato de isobutila é o flavorizante para sabor

característico de morango.

CH3 CO

O CH2 CH CH3

CH3


Etanoato de isobutila

13) Butanoato de butila

Butanoato de butila ou buterato de butila é o flavorizante para sabor característico

de damasco.

CH2 CO

O CH2 CH2 CH2

CH2CH3

CH3


Butanoato de butila

14) Etanoato de butila Etanoato de butila é o flavorizante para sabor característico de framboesa.

CH3 CO

O CH2 CH33

Etanoato de butila


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15) Capsaicina Capsaicina é a substância responsável por uma sensação picante em várias espécies

de pimenta.

NC

O

OCH3

OHH

Peso Molecular = 291,39 gMassa Exata = 291 gFórmula Molecular = C17H25NO3Composição Molecular: C= 70,07%; H= 8,65%; N= 4,81% e O= 16,47%

Capsaicina

16) Gingerol

Gingerol é uma substância encontrada no gengibre, responsável pela sensação

picante e refrescante.

O OH

OH

CH3O


Gingerol

17) Cinamaldeído Cinamaldeído (ou aldeído cinâmico) é o nome usual de 3-fenil-propenal. Trata-se

da substância responsável pelo odor característico da canela, que é a casca odorífera de uma árvore (Cinanamomum zeylanicum), utilizada como especiaria.

CH CH CO

H

Cinamaldeído

Peso Molecular = 132,16 gMassa Exata = 132 gFórmula Molecular = C9H8OComposição Molecular: C= 81,79%; H= 6,10% e O=12,11%

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18) Vanilina Vanilina, aldeído metil protocatéquico, utilizado na forma de cristais aciculares

(forma de agulha) incolores, com aroma agradável de baunilha em produtos alimentícios, como chocolate e doces. Encontrada em diversas plantas, em particular, no fruto da baunilha (Vanilla aromatica), porém obtida por via sintética. Também é um subproduto da indústria do papel, utilizado não só como flavorizante, mas também para mascarar os odores desagradáveis em tintas.

OHOCH3

CO H


Vanilina

19) Trimetilamina

Trimetilamina, amina terciária, responsável pelo forte odor característico de peixe

podre.

N CH3CH3

CH3Peso Molecular = 59,11 gMassa Exata = 59 gFórmula Molecular = C3H9NComposição Molecular: C= 60,96%; H= 15,35% e N= 23,70%

Trimetilamina

20) Geraniol Geraniol é a substância responsável pela fragrância característica de rosa.

CH3 C

CH3

CH CH2 CH2 C

CH3

CH CH2 OH

Peso Molecular = 154,25 gMassa Exata = 154 gFórmula Molecular = C10H18OComposição Molecular: C= 77,87%, H= 11,76% e O= 10,37%

Geraniol

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21) Mentol Mentol é uma substância extraída da hortelã-pimenta (Mentha piperita), utilizada

em balas, gomas de mascar e medicamentos, sendo responsável pelo aroma de menta.

OH

CH3 CH

CH3

CH3

Mentol


22) Citral

Citral, nome usual do α-terpineno, é o componente do óleo de capim-limão

(Andropogon schoenanthus), sendo responsável pelo aroma característico de limão. Quando o citral é aquecido por algumas horas com álcali em meio aquoso, converte-se em um óleo neutro (C8H14O). A ozonólise deste óleo, seguida por tratamento com H2O2, resulta em acetona e ácido levulínico.

CH3 C

CH3

CH CH2 CH2 C

CH3

CH CO

H


Citral

23) Salicilaldeído

Salicilaldeído, com um odor semelhante ao de amêndoas amargas, é usado em perfumaria.

CHO

OHPeso Molecular = 122,12 gMassa Exata = 122 gFórmula Molecular = C7H6O2Composição Molecular: C= 68,85%; H= 4,95% e O= 26,20%

Salicilaldeído

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24) Acetato de benzila Acetato de benzila, nome usual de 3-metil-2-penteno-3-ciclopentanona, é a substância responsável pela fragrância característica de jasmim.

OCH2 CH CH CH2 CH3

CH3


Acetato de benzila

25) Acetato de pentila

Acetato de pentila é o flavorizante para sabor característico de pêra.

CH3 CO

O CH2 CH2 CH2 CH2 CH3


Acetato de pentila

26) Alfa-irone (alfa-ferro)

Alfa-irone é o nome usual de (2,2,3,6 tetrametil-ciclohexaneno)-3-butenona, responsável pela fragrância característica de violeta.

CH3

CH3CH3

CH3

CH CH CO

CH3


Alfa-irone (alfa-ferro)

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27) Dissulfeto de dialila Dissulfeto de diatila é o responsável pelo aroma característico de alho e cebola.

SS

Peso Molecular = 148,29 gMassa Exata = 148 gFórmula Molecular = C6H12S2Composição Molecular: C= 48,60%; H= 8,16% e S= 43,24%

Dissulfeto de dialila

28) Óxido de tiopropionaldeído

Óxido de tiopropionaldeído é o responsável pela irritação dos olhos ao cortar uma cebola.

OS

Peso Molecular = 90,14 gMassa Exata = 90 gFórmula Molecular = C3H6OSComposição Molecular: C= 39,97%; H= 6,71%; O= 17,75% e S= 35,57%

Óxido de tiopropionaldeído

29) Muscona

Muscona, nome usual de 3-metil-ciclo-pentadecanona, é extraída das glândulas de secreção externa do almíscar macho, que é um mamífero ruminante (Moschus moschiferus) asiático. A muscona é um ingrediente importante de alguns dos perfumes.

CH3 O


3-metil-ciclo-pentadecanona

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30) Furfuril-mercaptan

O furfuril-mercaptan é um constituinte importante do aroma natural de café. O composto possui um aroma agradável característico apenas em concentrações muito baixas. É formado a partir de um carboidrato durante o processo de torrefação de café.

OCH2SHFurfuril-mercaptan

Peso Molecular = 114,17 gMassa Exata = 114 gFórmula Molecular = C5H6OSComposição Molecular: C= 52,60%; H= 5,30%; O= 14,01% e S= 28,09% 31) Timol

Timol é o constituinte do flavorizante para o sabor de tomilho (Thymus vulgaris), erva originária da Europa, de flores rosadas e cujas folhas são utilizadas como tempero. Devido o gosto do timol ser agradável é um composto usual para os anti-sépticos bucais.

CH3

OHCH

CH3 CH3


Timol

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32) Eugenol

Eugenol é um composto aromático presente no cravo, canela, sassafrás e mirra. A nomenclatura para o eugenol é 4-alil-2-metoxifenol. É o eugenol o responsável pelo aroma característico de cravo-da-índia (fruto do craveiro-da-índia, Caryophyllus aromaticus). O óleo de cravo é constituído, em essência, por eugenol (70 a 80%), acetato de eugenol (15%) e beta-cariofileno (5 a 12%). É um anti-séptico de uso freqüente na odontologia. Seus efeitos medicinais compreendem o tratamento de náuseas, flatulência, indigestão, diarréia, além de possuir propriedades antibactericidas e anestésicas para o alívio de dores de dente.

OH

CH2 CH CH2

OCH3

Eugenol

Peso Molecular = 164,21 gMassa Exata = 164 gFórmula Molecular = C10H12O2Composição Molecular: C= 73,15%; H= 7,37% e O= 19,49% 33) Safrol

Safrol ou acetal cíclico exibe estrutura similar ao eugenol. O safrol é o principal constituinte do óleo de sassafrás (óleo obtido por destilação da madeira da canela-sassafrás, Ocotea pretiosa). Possui um forte odor característico.

CH2 CH CH2

O CH2

O

Safrol


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34) Ciclohexadecano Ciclohexadecano, extraído da almiscareira (Styrax glabratum), planta geraniácea, é responsável pela fragrância similar ao do almíscar.

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2

CH2

CH2 CH2 CH2

CH2 CH2

Ciclohexadecano

Peso Molecular = 224,43 gMassa Exata = 224 gFórmula Molecular = C16H32Composição Molecular: C= 85,63% e H= 14,37% 35) Indol

Indol nome usual de 2-metil-indol forma cristais incolores, com odor intenso e agradável que lembra, em baixas concentrações, o aroma de flores. O composto é usado na indústria de perfumes.

NH

CH3

Peso Molecular = 131,18 gMassa Exata = 131 gFórmula Molecular = C9H9NComposição Molecular: C= 82,41%; H= 6,92% e N= 10,68%

2-metil-indol

36) Formiato de etila

Formiato de etila é o flavorizante para sabor característico de groselha.

CO

OH

CH2 CH3

Formiato de etila


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