Chimie organică – Noțiuni introductive

Introducere în chimia organică: surse de carbon, clasificarea compușilor organici și tipuri de formule.

De ce carbonul stă la baza unei chimii separate

Chimia organică studiază compușii carbonului, cu câteva excepții istorice pe care programa le lasă la anorganică: CO, CO2, acidul carbonic, carbonații și carburile. Nu întâmplător carbonul are o chimie proprie, cu milioane de compuși, în timp ce alte elemente au câteva sute.

Motivele sunt trei și se cer explicit:

• Tetravalența – carbonul are 4 electroni pe stratul de valență (configurație 1s2 2s2 2p2) și formează întotdeauna 4 covalențe, niciodată mai multe, niciodată mai puține într-un compus stabil.
• Catenarea – atomii de carbon se leagă între ei în lanțuri lungi (catene), stabile, pentru că legătura C–C este puternică (energie mare de legătură).
• Legături multiple – între doi atomi de carbon pot apărea legături simple, duble sau triple, ceea ce multiplică variantele structurale.

Starea de hibridizare a carbonului decide geometria, iar la examen se cere corelația exactă:

• sp3 – 4 legături simple, unghi ~109°28, geometrie tetraedrică (alcani);
• sp2 – o dublă legătură, unghi ~120°, geometrie plan-trigonală (alchene, arene, grupa carbonil);
• sp – o triplă legătură sau două duble cumulate, unghi 180°, geometrie liniară (alchine).

O dublă legătură este formată dintr-o legătură sigma și una pi; o triplă legătură dintr-o sigma și două pi. Legătura sigma este cea care ține molecula, legăturile pi sunt cele reactive — de aceea alchenele și alchinele dau reacții de adiție, iar alcanii nu.

Sursele naturale de compuși organici sunt petrolul, gazele naturale, cărbunii și biomasa (lemn, grăsimi, zaharuri).

Clasificarea compușilor organici

Primul criteriu este natura catenei:

• Aciclice (alifatice) – catena e deschisă; poate fi liniară (neramificată) sau ramificată;
• Ciclice – catena e închisă; se împart în carbociclice (inelul are doar carbon) și heterociclice (inelul conține și N, O sau S).
• Carbociclicele se împart mai departe în alicicice (cicloalcani, ciclohexan) și aromatice (benzenul și derivații lui).

Al doilea criteriu este saturarea: catenă saturată (numai legături simple) sau nesaturată (cel puțin o dublă sau triplă legătură).

Al treilea criteriu, cel mai important pentru restul manualului, este grupa funcțională — atomul sau gruparea de atomi care dă compusului proprietățile lui chimice caracteristice. Compușii se numesc monofuncționali (o singură grupă), polifuncționali (mai multe grupe identice) sau cu funcțiuni mixte (grupe diferite, ca la aminoacizi).

Grupele de reținut pentru clasa a X-a:

• –X (F, Cl, Br, I) – compuși halogenați;
• –OH – alcooli (legat de C sp3) sau fenoli (legat direct de nucleul aromatic);
• –CHO – aldehide;
• >C=O – cetone;
• –COOH – acizi carboxilici;
• –NH2 – amine;
• –COO– – esteri.

Un alt element de vocabular cerut la grile: tipul atomului de carbon din catenă. Un carbon e primar dacă e legat de un singur alt carbon, secundar de doi, terțiar de trei, cuaternar de patru. Atenție: clasificarea se face după numărul de atomi de carbon vecini, nu după numărul de atomi de hidrogen — deși cele două se corelează la alcani.

Formule chimice: brută, moleculară, structurală

În chimia organică o singură formulă nu spune totul, de aceea se folosesc mai multe tipuri:

• Formula brută (empirică) – indică doar raportul cel mai simplu dintre numerele de atomi. Exemplu: CH2.
• Formula moleculară – indică numărul real de atomi din moleculă. Ea este un multiplu întreg al formulei brute: (CH2)n. Pentru n = 2 rezultă C2H4, pentru n = 3 rezultă C3H6.
• Formula structurală (plană) – arată cum sunt legați atomii între ei, cu toate legăturile desenate.
• Formula de condensare (restrânsă) – comprimă formula structurală: CH3–CH2–OH sau CH3CH2OH.

De reținut: aceeași formulă moleculară poate corespunde mai multor formule structurale — acesta este chiar fenomenul de izomerie. Deci formula moleculară nu identifică univoc o substanță organică; formula structurală da.

O relație utilă la probleme este gradul de nesaturare (echivalenți de dublă legătură): pentru un compus CxHy, numărul de nesaturări este (2x + 2 – y) / 2. Fiecare unitate înseamnă fie o dublă legătură, fie un ciclu; o triplă legătură valorează două unități. Exemplu: pentru C6H6 rezultă (14 – 6)/2 = 4, adică benzenul are un ciclu și trei duble legături.

Seriile omoloage sunt șiruri de compuși cu aceeași formulă generală, în care fiecare termen diferă de precedentul prin –CH2–. Formulele generale de reținut: alcani CnH2n+2, alchene și cicloalcani CnH2n, alchine și alcadiene CnH2n–2, arene mononucleare CnH2n–6.

Analiza elementală și determinarea formulei

Analiza calitativă răspunde la întrebarea ce elemente conține substanța. Metoda clasică: proba se arde sau se descompune, iar produșii se identifică — apariția CO2 (care tulbură apa de var) dovedește carbonul, apariția apei dovedește hidrogenul, iar mirosul de amoniac după topirea cu sodiu indică azotul.

Analiza cantitativă determină compoziția procentuală de masă a fiecărui element. De aici se ajunge la formula brută în trei pași, care se cer exact în această ordine:

• se împarte procentul fiecărui element la masa lui atomică — se obțin numerele de moli de atomi;
• se împart toate rezultatele la cel mai mic dintre ele;
• dacă rezultatele nu sunt numere întregi, se înmulțesc toate cu același număr până devin întregi.

Exemplu de lucru: un compus conține 40% C, 6,67% H și 53,33% O. Împărțind: 40/12 = 3,33; 6,67/1 = 6,67; 53,33/16 = 3,33. Împărțind la 3,33: 1 : 2 : 1, deci formula brută este CH2O.

Pentru a trece de la formula brută la cea moleculară avem nevoie de masa molară, dată de obicei prin densitate relativă. Dacă M = 180 g/mol, iar masa formulei brute este 30, atunci n = 180/30 = 6 și formula moleculară este C6H12O6 (glucoza).

Densitatea relativă a unui gaz față de aer se calculează cu M/28,9, iar față de hidrogen cu M/2 — de aici se scoate rapid masa molară în problemele de examen.

Izomeria: aceeași formulă, substanțe diferite

Izomerii sunt compuși cu aceeași formulă moleculară, dar cu structuri diferite și deci proprietăți diferite. Este noțiunea care se întoarce în absolut toate capitolele următoare.

A. Izomeria de constituție (structurală) — diferă ordinea legării atomilor:

• de catenă – scheletul e liniar la unul și ramificat la celălalt (n-butan și izobutan, ambele C4H10);
• de poziție – grupa funcțională sau legătura multiplă stă în locuri diferite (1-butena și 2-butena; 1-propanol și 2-propanol);
• de funcțiune – grupe funcționale complet diferite pentru aceeași formulă moleculară (C2H6O poate fi etanol, CH3–CH2–OH, sau dimetil-eter, CH3–O–CH3; C3H6O poate fi propanal sau acetonă).

B. Stereoizomeria — atomii sunt legați la fel, dar aranjați diferit în spațiu:

• geometrică (cis-trans) – apare la dubla legătură C=C, care nu permite rotirea liberă; condiția obligatorie este ca fiecare carbon al dublei legături să aibă doi substituenți diferiți. De aceea 2-butena are izomeri cis și trans, dar 1-butena nu are;
• optică – apare când molecula conține un atom de carbon asimetric (chiral), adică legat de patru substituenți diferiți. Cei doi izomeri, numiți enantiomeri, sunt imagini în oglindă nesuprapozabile și rotesc planul luminii polarizate în sensuri opuse.

Confuzia clasică: mulți elevi cred că izomerii au proprietăți asemănătoare pentru că au aceeași formulă moleculară. Este fals — etanolul fierbe la 78 grade Celsius, iar dimetil-eterul este gaz la temperatura camerei, tocmai pentru că structura diferă.

Test — 6 întrebări ca la examen

Grile de admitere UMF — 5