Structura si compozitia substantelor organice

Structura si compozitia substantelor organice:

• Clasificarea compuşilor organici
• Elemente organogene
• Legături chimice în compuşii organici
• Tipuri de Catene de atomi de carbon
• Determinarea formulei Brute
• Determinarea formulei Moleculare
• Determinarea formulei Structurale
• Aplicaţii - determinare formule
• Izomeria de catenă, de poziţie pentru compuşii organici studiaţi

Clasificarea compuşilor organici

Substanțe organice : HIDROCARBURI și DERIVAȚI AI HIDROCARBURILOR
I. HIDROCARBURI
-saturate :alcani, cicoalcani
-nesaturate :alchene, alcadiene, alchine
-aromatice :arene

II. DERIVAȚI AI HIDROCARBURILOR
-cu funcțiuni simple : compuși halogenați, compuși hidroxilici, amine, compuși carbonilici, compuși carboxilici
-cu funcțiuni mixte : aminoacizi, hidroxiacizi, zaharide

După compoziție, compușii organici se împart în:
♦ hidrocarburi, care conțin numai atomi de carbon și hidrogen (alcani, alchene, alcadiene, alchine, arene);
♦ compuși organici cu grupe funcționale, care, în afară de carbon și hidrogen, conțin în molecula lor și atomi ai elementelor organogene, prezenți sub forma grupelor funcționale:

A. compuși cu grupe funcționale simple, care au în molecula lor una sau mai multe grupe funcționale de același tip;

 
♦ compuși cu grupă funcțională monovalentă
• compuși halogenați R—X
• compuși hidroxilici: alcooli (R—OH), fenoli (Ar—OH)
• amine R—NH2
• nitroderivați R—NO2

♦ compuși cu grupă funcțională divalentă
• compuși carbonilici: aldehide ; cetone

♦  compuși cu grupă funcțională trivalentă
• acizi carboxilici

*• derivați funcționali ai acizilor carboxilici esteri, amide, nitrili, cloruri de acil, anhidride.

B. compuși cu grupe funcționale mixte, în molecula cărora
apar două sau mai multe grupe funcționale de tipuri diferite.

• hidroxiacizi
• aminoacizi
• proteine

• hidroxialdehide (zaharide): monozaharide, dizaharide, polizaharide

Elemente organogene

Chimia organică (chimia carbonului) studiază hidrocarburile şi derivaţii acestora. Hidrocarburile sunt compuşi organici care conţin numai atomi de carbon şi hidrogen, iar derivaţii acestora conţin şi atomi ai altor elemente chimice.
Elementele organogene sunt elementele chimice care formează compuşii organici: carbon (C), hidrogen (H), oxigen (O), azot (N), halogeni (F, Cl, Br, I ), sulf (S), fosfor (P ) şi în unele cazuri atomi şi ioni metalici.

Legături chimice în compuşii organici
Majoritatea legăturilor sunt covalente. Dar apar şi legături ionice în compușii organici.

Legături covalente:
După numărul de electroni puşi în comun sunt:
  - simple- fiecare atom pune în comun câte un electron, se mai numeşte dublet sigma, σ (C-C ; H-H; C-O;  C-Br);
 - duble- fiecare atom pune în comun câte doi electroni, conţine două dublete: σ, π, dintr-o legătură sigma şi o legătură pi (O=O; C=O;         -N=N-);
  - triple- fiecare atom pune în comun câte trei electroni, conţine trei dublete: σ, 2π, dintr-o legătură sigma şi două legături pi (-C≡C-;  N≡N;  -C≡N).

După natura atomilor:
  - omogene (nepolare) - atomi identici
  - eterogene (polare) - atomi diferiţi

Etanul CH3─ CH3 conţine 7 legături σ

Etena CH2 = CH2 conţine 5 legături σ şi o legătură π

Etina CH ≡ CH H ─ C ≡ C ─H conţine 3 legături σ şi 2 legături π

Compuşii saturaţi conţin numai legături covalente simple, σ.

Compuşii nesaturaţi conţin atât legături simple cât şi legături π.

Legături chimice în compuşii organici

  Acetiluri ale metalelor alcaline Na+ -C ≡ C- Na+ Ca2+ -C ≡ C-

 Alcoxizi CH₃O- Na+

 Fenoxizi C₆H₅O- Na+

 Săruri cuaternare de amoniu [CH₃ NH₃]⁺ Cl^-

Numărul de covalenţe realizate de atomii elementelor organogene:

Carbonul este tetravalent (IV)

Azotul este trivalent (III )

Oxigenul şi sulful sunt divalenţi (II)

Halogenii şi hidrogenul sunt monovalenţi (I)

Tipuri de Catene de atomi de carbon

Atomii de carbon au capacitatea de a se lega unii cu alţii formând lanţuri de

atomi numite catene. Catenele pot fi:

1. Saturate, între atomii de carbon sunt numai legături simple;

    - catene liniare  -C-C-C-C-C- ;  -C=C- ;

    - catene ramificate 

    - catene ciclice simple şi cu catenă laterală:    

2. Nesaturate, între atomii de carbon sunt legături simple cât şi multiple;

    - catene liniare 

CH₂ = CH ─ CH₂ ─ CH₃

    - catene ramnificate

CH3 ─ CH2 ─ CH─ C ≡ CH
                        │
                       CH3

    - catene ciclice

CH2─CH2
│         │
CH = CH

3. Aromatice, atomii de carbon formează cicluri (nuclee benzenice);
    - Mononucleare

    - Polinucleare

În toate aceste cazuri avem de a face cu legături covalente.

 Pentru compuşii preponderent cu legături covalente pentru caracteristica numărului de legături formate este convenabil de folosit noţiunea de valenţă. Astfel în compuşii organici:

 - carbonul este tetravalent (formează 4 legături chimice);

 - hidrogenul este monovalent (formează o legătură chimică);

 - oxigenul este bivalent (formează 2 legături chimice);

 - halogenii (F; Cl; Br; I) sunt monovalenţi (formează o legătură chimică);

 - azotul este preponderent trivalent şi numai în nitrocompuşi este tetravalent;

 - sulful este bivalent şi numai în compuşi sulfonici este hexavalent.

Tipuri de atomi de carbon din catene

Atomii de carbon se clasifică după numărul legăturilor prin care se leagă de
alți atomi de carbon, astfel:
- Nulari, nu realizează nicio covalenţă cu alţi atomi de carbon;
- Primari, realizează o covalenţă cu alt atom de carbon;
- Secundari, realizează două covalenţe cu alt/alţi atomi de carbon;
- Terţiari, realizează trei covalenţe cu alt/alţi atomi de carbon;
- Cuaternari, realizează patru covalenţe cu alţi atomi de carbon.

Exemplu: 

Formule brute, moleculare şi de structură

DETERMINAREA FORMULEI BRUTE

Determinarea formulei Brute

Formula brută arată natura atomilor şi raportul in care se găsesc in moleculă, exprimat prin numere intregi.
Formula brută se poate stabili cunoscând compoziţia în procente de masă a substanţei organice şi masele atomice ale elementelor care o compun.

Formula brută arată raportul numeric al atomilor unei substanţe.
Formula brută se stabileşte din compoziţia procentuală de masă a substanţei
organice, astfel: se împart procentele la masele atomice corespunzătoare, iar
rezultatele se împart la cel mai mic.

Exemplu:
O hidrocarbură conţine 85,71% C şi 14,29% H şi are masa molară 56 g/mol.
Care este formula brută a hidrocarburii.

Exercitiu
Un compus organic conţine 85,71% C şi 14,29% H. Stabileşte formula brută a acestuia.

Rezolvare:
Se împarte fiecare valoare procentuală la masa atomică a elementului corespunzător:

C→ 85,71 /12 = 7,14
H→ 14,29 /1 = 14,29.

Se împarte fiecare rezultat la numărul cel mai mic:

H : C = 14,29 /7,14 = 2
C: C = 7,14 /7,14 = 1.

Raportul de combinare al atomilor se exprimă prin numere întregi: C : H = 1 : 2.

Formula brută este: CH₂.

Determinarea formulei Moleculare

DETERMINAREA FORMULEI MOLECULARE

Formula moleculară precizează felul atomilor din moleculă şi
numărul exact al acestora.
Formula moleculară este un multiplu întreg al formulei brute.
Unei formule brute îi pot corespunde mai multe formule moleculare.

Formula moleculară arată numărul real al atomilor dintr-o moleculă şi este
egală sau multiplu întreg al fomulei brute. Se notează (CH₂)_n, unde n poate fi
1,2,3,4..... şi se determină cunoscând masa molară.

μ_{fomulă brută} · n = μ_{fomulă moleculară}
14n = 56, n = 4 ⇒ formula moleculară C₄H₈

Exercitiu
Stabileşte care este formula moleculară a compusului organic
A ştiind că are formula brută CH₂ şi masa molară 28 g/mol.

Rezolvare:
Masa molară , M a compuşilor cu formula moleculară (CH₂)_n
este: M = (12 + 2) n = 14 n.
M = 28 => n = 2; formula moleculară a lui A este (CH₂)₂, adică:
C₂H₄ .

Determinarea formulei Structurale

DETERMINAREA FORMULEI STRUCTURALE

Formula structurală arată modul de legare a atomilor în moleculă și se
reprezintă prin:
1. Formule plane
   - Formule Lewis, arată electronii puşi în comun;

   - Formule de proiecţie, se reprezintă legăturile chimice prin linii;

   - Formule de proiecţie restrânse (formule de structură plană)

!În scrierea formulelor moleculelor compuşilor organici se folosesc frecvent formule de proiecţie restrânse; ele se vor numi formule de structură plană.

 2. Formule spaţiale, modele spaţiale prezintă modul de orientare în spaţiu a legăturilor chimice.

Formula procentuală. Compoziţia cantitativă

Formula procentuală (compoziţia procentuală) arată masa fiecărui element
din 100g substanţă.
Dacă suma procentelor este mai mică de 100, atunci diferenţa se atribuie
oxigenului.

Exemplu:
Determinaţi compoziţia procentuală a acidului propanoic, CH₃─CH₂─ COOH
_μC₃H₆O₂ = 36 + 6 +32 = 74 g/mol

74 g substanță...........36g C.........6g H..............32g O
100 g substanță...........p1............ p2................. p3

Sau

Aplicaţii - determinare formule

1) O substanţă organică conține 52,17% C, 13,04% H și are densitatea în raport cu hidrogenul d_H2 = 23. Identificați formula brută, moleculară și o formulă structurală.

μ = 2·23= 46 g/mol, (24 + 6 + 16) n = 46, n = 1
formula moleculară C₂H₆O

- se scrie formula structurală ținând seama de numărul de covalențe ale atomilor.

2) Un compus organic conține carbon, hidrogen și oxigen în rapoartele masice C:H:O = 6:1:8. Cunoscând că, densitatea vaporilor compusului în raport cu aerul este 3,114, stabiliți formula moleculară a compusului. (μ_aer = 28,9 g/mol).

Rezolvare:
- se determină formula brută (se procedează la fel ca și în cazul procentelor),

μ = 3,114 · 28,9 = 90 g/mol, (12+ 2 + 16) n = 90, n=3

formula moleculară C₃H₆O₃

3) O hidrocarbură cu masa molară 100 g/mol are raportul masic C:H = 21:4.
Determinați formula moleculară și formula structurală care să conțină 4 atomi de Cprimari, 2atomi Csecundari și un atom de Ccuaternar.

Rezolvare:
- se calculează formula brută

 - se calculează formula moleculară (CH_2,28 )n
14,28n = 100, n = 7, formula moleculară C₇H₁₆

- formula structurală

4) Un compus organic are densitatea vaporilor săi în raport cu aerul egală cu
3,01 și compoziția procentuală 68,96 C, 14,94% H și 16,09% N.
a. Să se stabilească formula moleculară a compusului și o formulă structurală.
b. Precizați numărul de legături σ din formula determinată.

Rezolvare:

a.

d_aer = 3,01 μ = 3,01·28,9 = 87 g/mol
(5·12 + 13 + 14)n = 87, n=1, formula moleculară C₅H₁₃N
CH₃ ─ CH₂─ CH₂─ CH₂─ CH₂─NH₂

b. Compusul conține 18 legături σ.

Izomeria de catenă, de poziţie pentru compuşii organici studiaţi

 Exemplu:

și

2-clorobutan

CH₂ = CH ─ CH₂ ─ CH₂─CH₃     1-pentena

CH₃ ─ CH= CH─ CH₂─CH₃      2-pentena

    -  Izomeri de catenă, sunt izomeri care diferă prin aranjamentul atomilor
de carbon (tipul atomilor de carbon) în catenă;

 Exemplu:

CH₃─ CH₂ ─ CH2─CH₃      n-butan

2-metilpropan

    -  Izomeri de funcțiune, sunt izomeri care conțin în moleculă grupe
funcționale diferite și care aparțin unor clase de substanțe diferite;
    -  Izomeri de compensație, sunt izomeri care conțin în moleculă aceeași
grupă funcțională și diferă prin mărimea radicalilor legați de grupa
funcțională.

2. Izomeri de configurație (sterici, stereoizomeri), au aranjament spațial diferit al atomilor sau grupelor de atomi; diferă mai puțin prin proprietățile fizicochimice.
    -  Izomeri geometrici, stereoizomeri care prezintă aranjamente diferite ale
atomilor față de un plan (legătură dublă, ciclu) al moleculei;
    -  Izomeri optici, stereoizomeri nesuperpozabili care se află unul față de
altul în relația obiect-imaginea sa în oglindă;

Izomeria geometrică
Condiția ca, o substanță cu legătură dublă să prezinte izomeri geometrici,
este: fiecare atom de carbon din legătura dublă să aibă substituenți diferiți:
a ≠ b și c ≠ d

Izomerul cis are substituenții identici de la atomii de carbon din legătura dublă de aceeași parte a planului legăturii π din legătura dublă.

Izomerul trans are substituenții identici de la atomii de carbon din legătura dublă de o parte și de alta a planului legăturii π din legătura dublă.

Exemplu: 2-butena CH₃─ CH = CH ─ CH₃

cis-2-butena

trans-2-butena

Izomeria optică

Un compus chimic prezintă izomerie optică dacă molecula sa conține cel
puțin un atom de carbon asimetric (centru de chiralitate). Molecula care conține un atom de carbon asimetric este chirală. Moleculele chirale nu admit un plan sau centru de simetrie.
Un atom de carbon asimetric este un atom de carbon saturat care are cele
patru covalențe ocupate cu patru substituenți (atomi sau grupe de atomi) diferiți.

Izomerii optici sunt modelul structural al moleculei și imaginea sa în oglindă
și se reprezintă prin:
   - Formule de configurație

   -  Formule de proiecție Fischer

Pereche de enantiomeri (+, -)

Izomerii optici se mai numesc enantiomeri sau antipozi optici. Ei rotesc
planul luminii polarizate, proprietate numită activitate optică.

Izomerii optici sunt:
- Dextrogir, d sau +, rotește planul luminii polarizate spre dreapta cu un
unghi, α.
- Levogir, l sau -, rotește planul luminii polarizate spre stânga cu același
unghi, α.

Amestecul racemic este amestecul echimolar (ʋ+ = ʋ-) al celor doi
enantiomeri (antipozi optici). Amestecul racemic nu are activitate optică (optic inactiv) și se notează ( ± ).
Sensul de rotație al planului luminii polarizate se determină cu ajutorul
polarimetrului.
Activitatea optică a unei substanțe se exprimă prin rotația specifică, [α].

c – concentrația procentuală a soluției (g/100cm³soluție);
l – lungimea stratului de substanță sau soluție străbătut de lumină.

 Numărul de enantiomeri este dat de relația 2ⁿ, unde n reprezintă numărul de atomi de carbon asimetrici (chirali).

 Exemplu:

ac. 2-aminopropanoic (α-alanina)

2-cloro-3-hidroxi-butan, are doi atomi de carbon asimetrici, 2² = 4 enantiomeri
(2 perechi de enantiomeri).

Stereoizomerii I și II sau III și IV sunt enantiomeri, deoarece se află unul față de celălalt în relația obiect-imagine în oglindă.
Stereoizomerii I și III sau I și IV sau II și III sau II și IV sunt diastereoizomeri, deoarece nu se află în relația obiect-imagine în oglindă.

Exceptie: dacă atomii de carbon asimetrici au aceeași substituenți, numărul enantiomerilor se reduce, deoarece apare o configurație mezoformă care nu are activitate optică (optic inactivă). Configurația mezoformă admite un plan de simetrie, iar cei doi atomi de carbon vor determina o rotire a planului luminii polarizate în sensuri opuse cu același unghi, ceea ce determină anularea activității optice.

Exemplu: acidul tartric (acid 2,3-dihidroxibutandioic)

Acidul tartric conține 2 atomi de carbon asimetrici, aceștia au aceeași substituenți, iar numărul de stereoizomeri se reduce la 3 (2 enantiomeri și o configurație mezoformă).

Substanțele organice cu activitate optică pot fi întâlnite la toate clasele de compuși, cu condiția ca acestea să prezinte fenomenul de chiralitate. Aminoacizii, proteinele, zaharidele, etc. sunt clase de compuși din organismele vii, a căror comportare biochimică este determinată mai ales de activitatea optică pe care o au.

Cuprins: Lectii chimie organica. Ghid bacalaureat