Reações orgânicas

Reações orgânicas são processos químicos que ocorrem entre compostos orgânicos, caracterizados por uma vasta variedade de mecanismos e aplicações. Essas reações podem ser classificadas em:

• adição;
• substituição;
• eliminação;
• oxidação;
• redução.

A principal diferença entre as reações orgânicas e as inorgânicas reside na natureza dos compostos envolvidos. As reações orgânicas envolvem compostos que têm o carbono como elemento central em cadeias, compostas majoritariamente por átomos de hidrogênio e carbono. Por outro lado, as reações inorgânicas ocorrem entre substâncias compostas por metais e ametais.

As reações orgânicas são essenciais para a produção de diversos produtos que usamos diariamente, como medicamentos, plásticos, combustíveis, cosméticos e até alimentos. Um exemplo prático é a síntese da aspirina (ácido acetilsalicílico), amplamente usada como medicamento.

Esse tema tem sido recorrente no Exame Nacional do Ensino Médio (Enem), em questões que exigem que o estudante identifique os grupos funcionais presentes em moléculas orgânicas, preveja os produtos de reações químicas e compreenda os mecanismos de reações.

Leia também: Química orgânica — a subárea da Química que explora as propriedades, os aspectos estruturais e a reatividade dos compostos orgânicos

Resumo sobre reações orgânicas

• Reações orgânicas são processos de transformações de moléculas orgânicas em novas moléculas.
• Podem ser classificadas em: adição, substituição, eliminação e oxirredução.
• O mecanismo de uma reação orgânica é o conjunto de etapas que descrevem como os reagentes se transformam em produtos.
• Reagentes orgânicos são compostos formados por cadeias de carbono ligadas a hidrogênio, mas podem conter outros elementos, como oxigênio, nitrogênio, halogênios e enxofre.
• As reações orgânicas são utilizadas desde a produção de alimentos e medicamentos até a fabricação de materiais de construção e eletrônicos.
• Elas envolvem compostos formados por cadeias carbônicas, enquanto as reações inorgânicas ocorrem entre substâncias formadas por metais e ametais.
• Reações orgânicas têm sido um dos temas mais recorrentes no Exame Nacional do Ensino Médio (Enem).

O que são reações orgânicas?

Reações orgânicas são transformações químicas que ocorrem entre compostos orgânicos, ou seja, aqueles que têm em sua estrutura principal cadeias de carbono. Elas são fundamentais para a compreensão da natureza, o desenvolvimento de novas tecnologias e a resolução de problemas ambientais.

A característica principal das reações orgânicas é a presença de cadeia hidrocarbônicas, ou seja, compostas majoritariamente por átomos de carbono e hidrogênio. As ligações entre átomos de carbono e outros elementos mais eletronegativos, como oxigênio, nitrogênio e halogênios, conferem aos compostos orgânicos uma grande diversidade estrutural e, consequentemente, uma maior reatividade aos compostos orgânicos.

Tipos de reações orgânicas

As reações orgânicas podem ser divididas em: reação de adição, reação de eliminação, reação de substituição, reação de oxidação e redução.

→ Reação de adição

A reação de adição é o tipo de reação orgânica que ocorre quando duas moléculas se combinam para formar um único produto, geralmente envolvendo compostos que têm ligações duplas ou triplas. Esse tipo de reação é comum em alcenos e alcinos, em que a ligação pi é quebrada para adição de um novo substrato.

Um exemplo de adição é a reação entre o ácido bromídrico (HBr) e o eteno (C₂H₄), que resulta na formação do bromoetano (C₂H₅Br), como mostra o esquema abaixo.

Para saber mais sobre as reações de adição, clique aqui.

→ Reação de eliminação

A reação de eliminação é o tipo de reação orgânica em que um único reagente perde átomos ou grupos de átomos, levando à formação de alcenos ou alcinos. Esse tipo de reação geralmente ocorre em álcoois ou haletos.

Um exemplo de eliminação é a desidratação do etanol (C₂H₅OH) em meio ácido, que resulta na eliminação de uma molécula de água, formando eteno (C₂H₄), como mostra o esquema abaixo.

Para saber mais sobre as reações de eliminação, clique aqui.

→ Reação de substituição

A reação de substituição é o tipo de reação orgânica em que um átomo ou grupo de átomos em uma molécula é substituído por outro átomo ou grupo. Essa reação é uma das mais versáteis na Química orgânica, pois existe uma grande variedade de compostos que podem ser submetidos a uma substituição de grupos, como alcanos, aromáticos, haletos de alquila e compostos carbonilados.

Um exemplo de substituição são as reações de esterificação, de grande importância na indústria química, alimentícia e farmacêutica. Esse tipo de reação ocorre entre um ácido carboxílico e um álcool, dando origem a um éster. O esquema abaixo ilustra a reação do ácido acético com o etanol levando à formação do acetato de etila.

Um outro exemplo de substituição é a cloração do benzeno com cloro gasoso (Cl₂) na presença de um catalisador, como o FeCl₃, que resulta na formação de clorobenzeno, como mostra o esquema abaixo.

As reações de substituição podem ser classificadas como nucleofílica e eletrofílica, dependendo do tipo de reagente envolvido.

Para saber mais sobre as reações de substituição, clique aqui.

→ Reação de oxidação

Reação de oxidação é o tipo de reação orgânica que envolve a perda de elétrons ou o aumento do número de oxidação (nox) de átomos em uma molécula. Nos compostos orgânicos, as oxidações mais comuns envolvem álcoois e aldeídos.

Um exemplo é a oxidação do etanol, que, em presença de dicromato de potássio (K₂Cr₂O₇), resulta na formação de ácido acético após oxidação total, como mostra o esquema abaixo.

→ Reação de redução

Reação de redução é o tipo de reação orgânica que envolve o ganho de elétrons ou a diminuição do NOX de átomos em uma molécula. Compostos como cetonas podem ser reduzidos a álcoois secundários.

Um exemplo é a redução da propanona, que sofre hidrogenação catalisada por metais, como níquel, levando à formação do propan-2-ol, como mostra o esquema abaixo.

Mecanismos de reações orgânicas

O mecanismo de uma reação orgânica é o conjunto de etapas que descrevem como os reagentes se transformam em produtos. A compreensão desses mecanismos é crucial para prever o comportamento de compostos orgânicos, otimizar reações e desenvolver novos materiais e fármacos. Durante esse processo, ocorrem quebras e formações de ligações químicas. Existem duas formas principais de quebra de ligação química: homólise e heterólise.

• Homólise: é a quebra de uma ligação covalente de maneira que cada átomo envolvido na ligação recebe um elétron, formando radicais livres.

• Heterólise: é a quebra de uma ligação covalente em que um dos átomos envolvidos recebe ambos os elétrons da ligação, formando íons.

→ Mecanismo de reação de adição

O mecanismo da adição de haletos a alcenos ocorre em duas etapas principais, como pode ser visto, a seguir, na reação do eteno com brometo de hidrogênio:

Etapa 1: O par de elétrons da ligação dupla do alceno ataca o hidrogênio (H) ligado ao haleto (Br), formando um carbocátion intermediário.

Etapa 2: O ânion haleto (Br^-) ataca o carbocátion, resultando no produto final, um haleto de alquila.

→ Mecanismo de reação de eliminação

As reações de eliminação envolvem a remoção de átomos ou grupos de átomos de uma molécula, resultando na formação de uma ligação dupla ou tripla. Um exemplo comum é a desidratação de álcoois para formar alcenos.

O mecanismo de eliminação de um álcool pode ocorrer de formas diferentes, de acordo com o tipo de álcool (primário, secundário ou terciário). Álcoois terciários formam carbocátions mais estáveis e, por isso, sofrem eliminação unimolecular (E1), como pode ser vista a seguir, na desidratação do álcool terc-butílico.

Etapa 1: Protonação do grupo hidroxila (–OH) pelo íon hidróxido (H₃O⁺) e formação do íon terc-butiloxônio.

Etapa 2: Dissociação do íon terc-butiloxônio, com libeuração de água e formação do cátion terc-butila.

Etapa 3: Desprotonação do cátion terc-butila.

Álcoois secundários também sofrem eliminação do tipo E1 e, alguns casos, com rearranjo de carbocátion.

Já os álcoois primários sofrem eliminação bimolecular (E2) sem formação de carbocátion primário devido a sua instabilidade.

O mecanismo a seguir representa a desidratação do etanol (álcool primário), que ocorre por eliminação do tipo E2 em meio ácido.

Etapa 1: Protonação do grupo hidroxila (–OH) pelo íon hidróxido (H₃O⁺) e formação do íon etiloxônio.

Etapa 2: Uma molécula de água captura um próton (H⁺) do íon etiloxônio, favorecendo a clivagem da ligação carbono oxigênio e liberando água.

→ Mecanismo de reação de substituição

As reações de substituição também podem apresentar diferentes mecanismos, dependendo do tipo de carbono (primário, secundário ou terciário) e do grupo abandonador (grupo que sofrerá substituição).

• Substituição nucleofílica unimolecular (S_N1): ocorre com formação de carbocátions secundários ou terciários, determinantes para a velocidade da reação. Um exemplo de reação que segue por S_N1 é a formação do cloreto de terc-butila com base no álcool terc-butílico e no cloreto de hidrogênio, como descrito a seguir.

Etapa 1: Ocorre a protonação do álcool terc-butílico para formar um íon alquiloxônio:

Etapa 2: Ocorre a dissociação do íon terc-butiloxônio para formar um carbocátion:

Etapa 3: Ataque do íon cloreto ao carbocátion.

• Substituição nucleofílica bimolecular (S_N2): ocorre sem a formação de carbocátion, devido a sua instabilidade, em que a velocidade da reação é dependente de efeitos estéricos. Um exemplo de reação que segue por S_N2 é a formação do metanol com base no brometo de metila, que ocorre em uma única etapa, como descrito a seguir.

A reação ocorre em meio básico, em que o íon hidróxido realiza o ataque ao carbono eletrofílico no lado oposto a ligação C-Br, gerando uma inversão tetraédrica.

• Substituição eletrofílica aromática (SEAr): é um tipo de reação de substituição similar à adição eletrofílica de alcenos, porém a SEAr ocorre especificamente em compostos aromáticos via ataque de elétrons \(\pi \) (pi) a um grupo aceitador de elétrons (eletrófilo). A SEAr passa pela formação de um carbocátion (cátion ciclo-hexadienila), também chamado de complexo-\(\mathsf{\sigma} \), que é estabilizado por ressonância. Um exemplo de SEAr é a nitração do benzeno, como descrito a seguir.

Etapa 1: Ocorre o ataque dos elétrons \(\pi \) e a formação do intermediário cátion ciclo-hexadienila.

Etapa 2: Ocorre a perda de um próton do cátion ciclo-hexadienila.

→ Mecanismo de reação de oxidação

O mecanismo de oxidação pode variar de acordo com o substrato orgânico e o agente oxidante empregado na reação.

• Ozonólise de alcenos: é uma das reações mais comuns de oxidação, cujo mecanismo segue sendo um desafio. A proposta mecanística mais recente aponta que a reação tem início por uma cicloadição entre o alceno e o ozônio, como ilustrado a seguir.

Etapa 1: Ocorrem a cicloadição e a formação do molozonídeo.

Etapa 2: Ocorrem cicloreversão e a formação do zwitterion.

Etapa 3: Ocorre uma nova cicloadição, levando à formação do ozonídeo.

Etapa 4: Ocorre uma hidrólise em água, produzindo os compostos carbonilados.

• Oxidação de álcoois: é outra reação muito comum que leva à conversão em compostos carbonilados, sendo muito importante em diferentes processos biológicos. O mecanismo da oxidação de álcoois pode ser entendido pela oxidação do 2-propanol por ácido crômico, como ilustrado a seguir.

Etapa 1: O álcool faz um ataque nucleofílico ao ácido crômico, gerando o cromato de isopropila.

Etapa 2: Ocorre uma eliminação \(\beta \), em que a água atua como uma base e remove o próton do carbono enquanto ocorre a quebra da ligação C-Cr.

Em geral, a oxidação de álcoois primários e secundários segue um mecanismo similar, mudando apenas o produto formado. Assim, temos que:

• Álcoois primários levam à formação de aldeídos (oxidação branda).
• Álcoois primários levam à formação de ácido carboxílico (oxidação enérgica).
• Álcoois secundários levam à formação de cetonas.
• Álcoois terciários não sofrem oxidação.

→ Mecanismo de reação de redução

O mecanismo de redução segue com uma transferência de hidreto a carbonila e pode ser entendido como uma adição nucleofílica à carbonila. Para entendermos melhor o mecanismo, vamos analisar a redução do ácido propanóico com o hidreto de lítio e alumínio (LiAlH₄) ilustrada a seguir.

O mecanismo se inicia com um hidreto capturando o hidrogênio ácido, levando à formação do hidrogênio molecular. Na sequência, o íon carboxiláto faz uma ligação coordenada com alumínio, seguida de uma transferência de hidreto para o carbono de carbonila, levando à formação do propanal. Na sequência, ocorre uma segunda transferência de hidreto que leva à formação do íon propanolato. No final, é realizado um tratamento com solvente prótico para gerar o álcool propanol.

Dependendo do composto oxidado, podemos ter a formação de álcoois primários e secundários ou aminas. Assim, temos que:

• Ésteres, ácidos carboxílicos e cloretos de ácido são reduzidos para aldeídos (redução branda, uso de DIBAL-H).
• Ésteres, ácidos carboxílicos e seus derivados são reduzidos para álcoois primários (com agente redutor forte, LiAlH₃).
• Aldeídos são reduzidos para álcoois primários.
• Cetonas são reduzidas para álcoois secundários.
• Amidas são reduzidas para aminas.

Reagentes orgânicos

Reagentes orgânicos são as peças fundamentais das reações orgânicas. Essencialmente, são compostos formados por cadeias de carbono ligadas a hidrogênio, mas também podem conter outros elementos, como oxigênio, nitrogênio, halogênios e enxofre. A versatilidade desses compostos permite uma infinidade de reações, dando origem a uma vasta gama de produtos orgânicos.

No nosso dia a dia, encontramos inúmeros exemplos de reagentes orgânicos em ação: os hidrocarbonetos, base para os combustíveis fósseis; os álcoois, presentes em bebidas e produtos de limpeza; os ácidos carboxílicos, encontrados em vinagre e frutas cítricas; e os ésteres, que conferem aromas e sabores característicos a muitos alimentos. Na indústria, a importância dos reagentes orgânicos é ainda maior, sendo utilizados na produção de plásticos, medicamentos, tintas, solventes e muitos outros produtos.

Qual a importância das reações orgânicas?

As reações orgânicas são a base da indústria química moderna. Tanto na produção de alimentos e medicamentos como até na fabricação de materiais de construção e eletrônicos, as reações orgânicas desempenham um papel fundamental.

Na indústria alimentícia, as reações orgânicas são utilizadas para modificar propriedades de alimentos, como sabor, textura e cor. A fermentação, por exemplo, é um processo bioquímico que envolve reações orgânicas e é utilizado na produção de pão, cerveja, vinho e iogurte.

Na indústria farmacêutica, as reações orgânicas são essenciais para a síntese de fármacos. Muitos medicamentos são moléculas orgânicas complexas, obtidas por meio de uma série de reações químicas.

A indústria petroquímica também se baseia em reações orgânicas para transformar o petróleo em uma variedade de produtos, como combustíveis, plásticos, fibras sintéticas e solventes.

Reações orgânicas x reações inorgânicas

As reações orgânicas e inorgânicas, embora compartilhem algumas características, apresentam diferenças importantes. Ambas envolvem a quebra e a formação de ligações químicas, mas os compostos envolvidos e os mecanismos das reações são distintos.

As reações orgânicas envolvem compostos de carbono, enquanto as reações inorgânicas envolvem compostos de outros elementos, como metais e não metais. Além disso, as reações orgânicas tendem a ser mais complexas e a ocorrer em condições mais suaves, como temperatura ambiente e pressão atmosférica. As reações inorgânicas, por sua vez, podem ocorrer em condições mais extremas, como altas temperaturas e pressões.

Outra diferença importante é a natureza das ligações químicas. Nas reações orgânicas, as ligações covalentes são predominantes, enquanto, nas reações inorgânicas, as ligações iônicas e metálicas são mais comuns.

Para saber mais detalhes sobre as reações inorgânicas, clique aqui.

Reações orgânicas no Enem

O tema das reações orgânicas tem sido muito recorrente no Exame Nacional do Ensino Médio (Enem). Geralmente, as reações orgânicas são abordadas de forma contextualizada, relacionando-se os conceitos químicos com problemas sociais e ambientais.

O tema está relacionado com a habilidade 24 da competência 7 da matriz do Enem: “Apropriar-se de conhecimentos da Química para, em situações problema, interpretar, avaliar ou planejar intervenções científico-tecnológicas”.

Questões sobre reações orgânicas geralmente exigem que o estudante identifique os grupos funcionais presentes em moléculas orgânicas, preveja os produtos de reações químicas e compreenda os mecanismos de reações. Para se sair bem nas questões sobre reações orgânicas no Enem, é fundamental dominar os seguintes conhecimentos:

• Estrutura e nomenclatura de compostos orgânicos: Reconhecer os diferentes grupos funcionais e nomear os compostos de acordo com as regras da Iupac.
• Tipos de reações orgânicas: Compreender os mecanismos de reações, como substituição, adição, eliminação e oxidação.
• Aplicações das reações orgânicas: Relacionar as reações orgânicas com processos industriais e com o cotidiano.
• Sustentabilidade e impacto ambiental: Analisar as implicações ambientais das reações orgânicas e propor alternativas mais sustentáveis.

Exercícios resolvidos sobre reações orgânicas

Questão 1

(Enem) As cetonas fazem parte de famílias olfativas encontradas em muitos alimentos. A molécula de hexan-3-ona é um exemplo desses compostos voláteis responsáveis pelo aroma, podendo ser obtida por processos energéticos realizados em meio ácido, na presença de oxidantes como o permanganato de potássio.

Para se produzir esse composto volátil em laboratório, deve-se oxidar a molécula de

A) hexanal.

B) hexan-1-ol.

C) hexan-3-ol.

D) hex-1-en-1-ol.

E) ácido hexanoico.

Resolução:

Alternativa C

A oxidação de álcoois secundários leva à formação de cetonas, e, entre os compostos apresentados nas alternativas, apenas o hexan-3-ol é um álcool secundário.

Questão 2

(Enem) A própolis é um produto natural conhecido por suas propriedades anti-inflamatórias e cicatrizantes. Esse material contém mais de 200 compostos identificados até o momento. Dentre eles, alguns são de estrutura simples, como é o caso do C₆H₅CO₂CH₂CH₃, cuja estrutura está mostrada a seguir.

O ácido carboxílico e o álcool capazes de produzir o éster em apreço por meio da reação de esterificação são, respectivamente,

A) ácido benzoico e etanol.

B) ácido propanoico e hexanol.

C ácido fenilacético e metanol.

D) ácido propiônico e cicloexanol.

E) ácido acético e álcool benzílico.

Resolução:

Alternativa A

Os ésteres são obtidos por meio de reações de esterificação, que ocorre entre um ácido carboxílico e um álcool.

Dessa forma, o benzoato de etila é obtido pela esterificação entre o ácido benzóico e o etanol.

Fontes

BRONDANI, Patrícia B. Oxidação e redução em química orgânica. Disponível em: https://patyqmc.paginas.ufsc.br/files/2019/07/Oxidac%CC%A7a%CC%83o-e-Reduc%CC%A7a%CC%83o-em-Qui%CC%81mica-Orga%CC%82nica.pdf.

CAREY, Francis A. Química orgânica., vol. 1e2.  7. ed; Porto Alegre, RS: AMGH Ed., 2011.

OLIVEIRA, Alfredo R. M., WOSCH, Celso L. Ozonólise: a busca por um mecânismo. Quim. Nova, Vol. 35, No. 7, 1482-1485, 2012.

ROBERT G. JOHNSON; T.W.G. SOLOMONS; CRAIG B. FRYHLE – Química Orgânica, volume 1 e 2. LTC, 2013.