1

STRUCTURA COMPUŞILOR ORGANICI

1. Compoziţia substanţelor organice

Moleculele substanţelor organice sunt formate din lanţuri de atomi de carbon de care se leagă atomi ai altor elemente, dintre care cele mai importante sunt: H, O, N, S, halogenii(F,Cl, Br, I). Toate aceste elemente se numesc elemente organogene.

Din studiul compoziţiei chimice a compuşilor organici s-a constatat că există un număr mare de compuşi alcătuiţi din C şi H.

Compuşii organici care conţin numai carbon şi hidrogen se numesc hidrocarburi.

Prezenţa altor elemente organogene în substanţe în afară de carbon şi hidrogen, determină proprietăţi diferite de ale hidrocarburilor. Derivaţii hidrocarburilor sunt compuşi organici care conţin alături de carbon şi hidrogen şi alte elemente organogene. Unele grupe de atomi imprimă substanţelor care le conţin proprietăţi specifice. De aceea, fiecare grupă de atomi este considerată o grupă funcţională.

Unele substanţe organice sunt sintetizate de organismele vii(proteine, vitamine, zaharide, grăsimi), iar multe altele sunt obţinute în industria chimică(medicamente, detergenţi, pesticide, mase plastice). Cele mai importante surse de substanţe organice sunt: petrolul, gazele naturale, cărbunii, plantele şi animalele.

2. Analiza elementală

Ansamblul de procese (fizice, chimice, mecanice) prin care se determină compoziţia chimică a unei substanţe organice se numeşte analiză elementală.

Analiza elementală este:

calitativă când prin anumite reacţii chimice se stabileşte tipul elementelor organogene care intră în compoziţia substanţei de analizat.

cantitativă când prin dozări(cântăriri) se determină compoziţia substanţei(raportul dintre atomi). Analiza elementală se realizează în scopul stabilirii formulei moleculare a compusului dat. În acest scop se folosesc diverse procedee de lucru, bazate pe determinări cantitative ale elementelor, cu excepţia oxigenului care se determină prin diferenţă.

Pentru a analiza un compus organic, acesta trebuie separat din mediul de reacţie şi apoi purificat până la puritate analitică. Un compus ajuns la puritate analitică se caracterizează prin invariabilitatea constantelor fizice.

Izolarea şi purificarea substanţelor organice.

Cel mai folosite metode sunt: sublimarea, cristalizarea, extracţia, cromatografia, distilarea.

Sublimarea este operaţia de purificare bazată pe proprietatea unei substanţe solide de a trece, prin încălzire, direct în fază gazoasă, fără a se topi(naftalen, acid benzoic, anhidrida ftalică, ftalimida)

Cristalizarea se bazează pe diferenţa de solubilitate a componentelor unui amestec într-un solvent oarecare la o temperatură apropiată de punctul său de fierbere; din soluţia saturată, prin răcire se obţin cristale pure. Se aplică amestecurilor de substanţe solide.

Extracţia permite separarea substanţei dintr-un amestec cu ajutorul unui solvent specific(solvent selectiv). Se aplică atât amestecurilor solide cât şi lichide.

Distilarea este un procedeu de separare şi purificare a substanţelor lichide miscibile. Această metodă se bazează pe diferenţa punctelor de fierbere ale lichidelor de separat. În acest sens se foloseşte:

distilare fracţionată simplă, pentru diferenţe mari ale punctelor de fierbere 40- 50◦C;

distilare fracţionată cu coloane de distilare, pentru diferenţe mici ale punctelor de fierbere 5-10◦C;

distilare fracţionată la presiune scăzută pentru diferenţe foarte mici ale punctelor de fierbere 1-5◦C.

Cromatografia este o metodă fizică de separare bazată pe distribuţia componentelor între două faze: una fixă, denumită fază staţionară şi alta mobilă, ce străbate faza staţionară.

Analiza elementală calitativă.

Identificarea carbonului:

substanţa de analizat se acoperă cu un strat de pulbere de trioxid de molibden fără să se amestece. Se încălzeşte eprubeta la flacără direct, din partea superioară spre cea inferioară. Reacţia este pozitivă dacă la zona de contact dintre cele două straturi apare o coloraţie albastră.

Într-o eprubetă uscată prevăzută cu un dop prin care trece un tub de sticlă îndoit în unghi drept se amestecă substanţa de analizat cu oxid de cupru, se astupă eprubeta şi se fixează pe un stativ în poziţie orizontală. Capătul liber al tubului se introduce până aproape de baza unei eprubete ce conţine soluţie diluată de hidroxid de calciu. Se încălzeşte amestecul. La început barbotează aerul, apoi se

dezvoltă dioxidul de carbon:

Substanţa (C) + CuO → CO2 + Cu CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O

Identificare hidrogenului:

se amestecă într-o eprubetă puţină substanţă de analizat cu o cantitate egală de sulf pulbere. Se

acoperă gura eprubetei cu o hârtie de filtru înmuiată într-o soluţie diluată de acetat de plumb(c=10%). Se încălzeşte eprubeta până când conţinutul devine lichid. Reacţia este pozitivă dacă pe hârtia de filtru apare o coloraţie neagră de sulfură de plumb.

Pe pereţii reci ai eprubetei ca şi pe traseul tubului (de la punctul 1) se depun mici picături de apă, ce

se formează prin oxidarea hidrogenului din substanţă. Substanţa (H) + CuO → H2O + Cu

Celelalte elemente organogene se determină prin mineralizarea substanţei cu sodiu neoxidat.

Într-un tubuşor de combustie se introduc 0,1g substanţă şi o bucăţică de sodiu neoxidat şi uscat pe hârtie de filtru. Se prinde tubuşorul într-un cleşte de lemn şi se încălzeşte treptat la flacăra unui bec, mai întâi în zona unde se află bucăţica de sodiu, iar după topirea ei şi în zona substanţei până la incandescenţă. În această fază, tubul înroşit se aruncă într-un pahar Berzelius ce conţine 10-20ml apă distilată. Soluţia

obţinută după agitare se filtrează şi filtratul se împarte în trei părţi în vederea identificării azotului, sulfului şi halogenilor.

Identificarea azotului

într-o eprubetă cu filtrat se adaugă 2-3 picături de sulfat feros şi 2-3 picături de clorură de fier(III); se încălzeşte la fierbere şi se acidulează cu 2-3ml soluţie de HCl. Dacă substanţa conţine azot puţin se formează o coloraţie verde-albăstruie; în cazul unui conţinut mai mare de azot se formează un precipitat albastru de hexacianoferat(II) de fier (III) sau albastru de Berlin. Au loc următoarele reacţii:

substanţa(C,N) + Na → NaCN

2NaCN + FeSO4 → Fe(CN)2 + Na2SO4 Fe(CN)2 + 4 NaCN → Na2[Fe(CN)6]

Na2[Fe(CN)6] + 4FeCl3 → Fe4[Fe(CN)6]3 + 12NaCl

se amestecă într-o eprubetă 0,1g substanţă de analizat cu 0,2g MnO2. Se acoperă gura eprubetei cu cu o hârtie de filtru îmbibată cu reactiv Griess(volume egale de soluţii de acid acetic 30% , acid

sulfanilic 1% şi α naftilamină) proaspăt preparat. Se încălzeşte conţinutul eprubetei 1-2min. Dacă

substanţa cercetată conţine azot are loc degajarea unor oxizi de azot(N2O3, N2O4) care determină apariţia unei coloraţii roz-roşu pe hârtia de filtru.

Identificarea sulfului

într-o eprubetă cu filtrat se adaugă 1ml soluţie de acetat de plumb. Dacă substanţa organică a avut sulf în compoziţia sa, se formează un precipitat negru de sulfură de plumb. Reacţiile care au loc sunt:

3

Substanţa(S) + Na → Na2S

Na2S + (CH3COO)2 Pb → PbS + CH3COONa

într-o eprubetă mai largă decât obişnuit se introduc aproximativ 0,1g substanţă peste care se adaugă 1-2ml soluţie apă oxigenată 30% şi o picătură de soluţie de clorură ferică. Se încălzeşte încet sub

agitare până la declanşarea reacţiei când se întrerupe încălzirea, procesul fiind exoterm. După terminarea

reacţiei în soluţia clară obţinută se adaugă câteva picături de HCl şi 1ml soluţie 5% BaCl2. Reacţia este pozitivă dacă se formează un precipitat alb de sulfat de bariu.

Identificarea halogenilor

într-o eprubetă curată se introduc 5ml filtrat ; se acidulează cu HNO3 şi se fierbe 1-2min. Se răceşte şi se

adaugă 1ml soluţie de AgNO3 de concentraţie 5%. Dacă în substanţa analizată este prezent un halogen se formează un precipitat de halogenură de argint. Reacţiile care au loc sunt:

substanţa(S) + Na → NaX

NaX + AgNO3 → AgX + NaNO3

o lamă de cupru se încălzeşte în flacăra unui bec de gaz până când flacăra rămâne incoloră şi lama se acoperă cu un strat negru de CuO; pe lama oxidată, după răcire, se pune o cantitate mică de substanţă şi se încălzeşte din nou în flacără. Dacă substanţa cercetată conţine halogen se formează halogenuri de cupru volatile care colorează flacăra în verde.

Formule ale compuşilor organici

Formula chimică este reprezentarea simbolică a compoziţiei substanţei. Pentru compuşii organici se cunosc următoarele tipuri de formule chimice:

formula procentuală: - cota de participare a unui element organogen în 100 părţi substanţă organică.

Formula brută - raportul numeric de combinare a atomilor elementelor organogene în substanţa organică

Formula moleculară – natura şi numărul real de atomi de elemente organogene care se găsesc în molecula compusului organic.

Formula structurală – indică pe lângă compoziţia compusului toate legăturile de valenţă ale

atomilor componenţi, succesiunea legării lor în moleculă şi locul pe care îl ocupă în moleculă o anumită particularitate structurală(legătură multiplă, grupare funcţională).

O formulă este reală dacă nesaturarea echivalentă(N.E.) este un număr întreg şi pozitiv.

N.E. =

( 2 a 2 ) ( b d e )

pentru un compus organic cu formula generală: CaHbOcNdXe

2

Valoare

Clasa de compuşi

N.E.

0

Alifatici saturaţi

1, 2, 3

Alifatici nesaturaţi

4, 5, 6

Aromatice mononucleare

7.....

Aromatice polinucleare

4. Legături chimice. Hibridizarea

Elementele organogene sunt în general nemetale. Atomii acestor elemente se leagă între ei prin legături covalente şi formează molecule. Legăturile covalente se formează prin punere în comun de electroni. Capacitatea atomilor elementelor de a forma legături covalente se numeşte covalenţă. Valoarea covalenţei

este în funcţie de structura electronică a atomilor elementelor organogene. Astfel, carbonul este tetracovalent; N- tricovalent; O,S- dicovalente; H, X – monocovalente.

4

În compuşii organici se întâlnesc următoarele tipuri de legături covalente:

simple de tip σ ;

multiple (duble sau triple) care conţin o legătură σ şi una respectiv două legături π.

Atomul de carbon suferă un proces de hibridizare(contopire) prin care se formează orbitali hibrizi. Se cunosc trei stări de hibridizare pentru carbon, în funcţie de natura legăturii covalente(simplă, dublă sau triplă).

Hibridizarea atomului de carbon explică geometria moleculelor (unghiuri între valenţe, lungimea legăturilor) compuşilor organici.

Hibridizarea atomului de carbon

Orbitalii care se

Orbitalii hibrizi

Molecule ce conţin atomi

Observaţii

contopesc

de carbon hibridizaţi

2p

H

-

cei

patru

orbitali

hibrizi

sp3

sunt

orientaţi către vârfurile unui tetraedru

1 0 9 0 2 8 '

sp 3

sp 3

sp 3

sp 3

C

regulat (unghiul de 109

◦

28 )

H

H

2s

H

-

atomul de carbon formează

prin

intermediul

orbitalilor

hibrizi numai

legături covalente simple

2p

2p

H

H

-

Cei

trei

orbitali

hibrizi

sp

2

sunt

C

C

orientaţi în plan către vârfurile unui

H

H

triunghi echilateral (unghiul de 120◦)

sp

2

sp

2

sp

2

- prin întrepătrunderea laterală a celor

2s

H 2 C

C H

2

doi orbitali p nehibridizaţi se

formează o legătură covalentă π

2p

2p

-

cei

doi

orbitali

hibrizi

sp

au

orientare coliniară (unghiul de 180

◦

)

H C C

H

- prin întrepătrunderea laterală a câte

doi orbitali p nehibridizaţi de la cei

2s

sp

sp

doi atomi

de carbon

se formează

două legături π.

H C

C

H

Exemple de legături covalente întâlnite în compuşii organici:

Tipuri de legături covalente

Exemple

Legătură simplă

nepolară

C

C

H

C

H

(legătură σ)

C

C

sau

;

C

sau

polară

O

C

O

H ; sau

C C l

C

H sau

C

C l

sau

Legătură dublă

nepolară

C

C

C

C

; N

N sau

N

N

(1 legătură σ + 1 legătură π)

sau

polară

C

O

C

O

sau C

N

C

N

sau

sau

Legătură triplă

nepolară

C

C

C

C

sau

5

(1 legătură σ + 2 legături π) polară

C

N sau C N

5.Catene de atomi de carbon

Carbonul are proprietatea de a se uni cu el însuşi, formând lanţuri sau catene. Catenele se clasifică în două categorii, după:

formă: liniare, ramificate, ciclice;

natura legăturilor conţinute: saturate, nesaturate, aromatice.

A. Catene saturate: - liniare: CH3

CH2

CH3

- ramificate:

CH3

CH

CH3

CH3

- ciclice:

CH2

CH2

CH2

CH2

B. Catene nesaturate:

- liniare:

H2C

CH

CH3

- ramificate:

HC

C

CH CH3

CH3

- ciclice:

C. Catene aromatice :

- mononucleare:

- polinucleare:

6. Tipuri de atomi de carbon

Atomii de carbon prezenţi în cadrul catenelor se diferenţiază între ei prin numărul de valenţe(legături) pe care le formează cu alţi atomi de carbon vecini. Astfel ei pot fi:

primari – se leagă printr-o singură covalenţă ;

secundari – se leagă prin două covalenţe;

terţiari - se leagă prin trei covalenţe;

cuaternar – se leagă prin patru covalenţe.

Există şi molecule de compuşi organici care conţin un singur atom de carbon, sau se leagă de alte elemente

organogene. În acest caz este un atom de carbon nular: CH3Cl, CH3–O–CH3 etc.

Exemple:

6

C

C

C

C

C

C

C C C

C

C

C

carbon terţiar

carboni primari

carbon secundar

ca rb o n cu a te rn a r

7. Izomeria

Substanţele chimice care au aceeaşi formulă chimică, dar structuri diferite(deci proprietăţi diferite) se numesc izomeri. Proprietatea substanţelor de a prezenta izomeri se numeşte izomerie.

Izomerii pot fi: a) de constituţie: de catenă, de poziţie, de funcţiune. b) stereoizomeri: geometrici şi optici.

Exemplu: pentru formula moleculară C2H6O corespund două structuri

CH3–CH2–OH alcool etilic CH3–O–CH3 dimetil eter.