curs 10 compusii organici ai carbonului
Post on 13-Aug-2015
268 Views
Preview:
TRANSCRIPT
COMPUŞII ORGANICI AI CARBONULUI
Numărul imens de compuşi ai carbonului provine din compuşii organici.
Acest număr mare de compuşi organici se datorează tipului de legătură chimică
covalentă a carbonului, care permite o varietate enormă de structuri.
La început să luăm în considerare compuşii care conŃin numai carbon şi
hidrogen denumiŃi hidrocarburi (vezi fig. 1.10).
ciclohexan cubanprisman
norbornanciclononan
Fig. 1.10
Hidrocarburile sunt unice datorită faptului că legătura carbon – hidrogen
reacŃionează extrem de încet cu umiditatea şi oxigenul atmosferic la temperatura
camerei, iar tăria legături carbon – carbon nu este slăbită prin prezenŃa altei
legături carbon – carbon ataşată oricărui atom.
RaŃiunea formării unui număr aşa de mare de hidrocarburi are la bază
abilitatea carbonului de a forma lanŃuri stabile, proces care poartă denumirea de
catenare (formare de catene).
Deoarece fiecare atom de carbon poate fi legat cu 1 – 4 alŃi atomi de
carbon, catena (lanŃul) poate fi ramificat, închis în cicluri sau în poliedre (vezi fig.
1.10). Deci fără a introduce alt factor structural decât legătura simplă carbon –
carbon sau carbon – hidrogen numărul de tipuri moleculare de hidrocarbură este
teoretic infinit.
Dacă menŃionăm că legături covalente tot aşa de puternice ca şi legăturile
C – C sau C – H se formează de către carbon şi cu oxigenul, azotul, halogenii şi
sulful, se poate aprecia complexitatea structurilor organice ce pot apărea.
1.4.3.1 IZOMERIA
Se spune că două molecule sunt izomere atunci când conŃin aceeaşi
atomi în acelaşi număr (au aceeaşi formulă brută), dar diferită în aranjamentul
atomilor în moleculă (au structură diferită).
Deoarece proprietăŃile fizico – chimice ale moleculelor sunt o consecinŃă
directă a structurii acestora, două molecule izomere vor diferi în proprietăŃile lor
fizico – chimice.
Există diferite tipuri de izomerie în chimia organică care depind de tipul de
structurare a atomilor în moleculă. Astfel distingem:
Izomeri de lanŃ (sau de schelet carbonic)
Acest tip de izomeri se referă mai ales la hidrocarburi şi are în vedere
legarea celor 4 covalenŃe ale carbonului cu atomi de acelaşi fel sau cu hidrogen.
În cazul metanului CH4 cele patru orbitale ale carbonului sunt orientate în spaŃiu
după vârfurile unui tetraedru unde atomul de carbon va fi legat cu câte un atom
de hidrogen. Acest aranjament plasează atomii de hidrogen cât mai departe unul
de altul în spaŃiu şi astfel minimalizează repulsia dintre electronii de legătură.
Acest aranjament este unic pentru metan. În cazul atomului C2H6 care este
format din două grupări metil CH3 de asemeni nu este posibilă decât o singură
structură aşa cum se observă mai jos
metan etan
C C
H
HH
H
H
H
C HH
HH
CH3CH3;CH4
Fig. 1.11
În cazul propanului care este metan disubstituit în care doi atomi de
hidrogen sunt substituiŃi cu două grupări metil sunt posibile mai multe structuri
izomere. Astfel pot apărea două forme în plan (planare) şi două forme cu
structură tetraedrică (piramidale) distorsionată.
Formula proiectataFormula condensataFormula structurala
Doua structuri izomere piramidale distorsionate
Doua structuri izomere planare
C CH3H
H
H3CC CH3
CH3
H
H
CH3CH2CH3
H3C C CH3
H
H
H C CH3
H
CH3
H C C C H
H
H
H
H
H
H
C C
H
H
HH
HCH
HH
Fig. 1.12 Propanul
În continuare hidrocarburile cu 4, 5, 7 atomi de carbon au următoarele
structuri izomere:
n-Butan (normal
butan)
p.t. – 138.3°C
p.f. – 0.5°C
nD = 1.3543-13
2046012.0=ρ
C4H10
i-Butan
(izobutan)
p.t. – 145°C
p..f 10.2°C
nD = --------
204557.0=ρ
CH3CH2CH2CH
2CH3
n-Pentan
p.t. – 130°C
p.f. 36°C
nD = 1.357920
2046262.0=ρ
C5H12
neo-Pentan
p.t. – 20°C
p.f. 9.5°C
nD = 1.34766
2046135.0=ρ
CH3
Cicloheptan
p.t. – 12°C
p.f. 118°C
nD = 1.4449-20
2048109.0=ρ
C7H14
Metilciclohexan
p.t. – 126°C
p.f. – 100°C
nD = 1.425315
2047695.0=ρ
CH3 CH2 CH2 CH3CH3 CH CH3
CH3
CH3 C
CH3
CH3
CH3
Izomeri de lanŃ unde: nD = indici de refracŃie; ρ = densitate; p.t. = punct
topire; p.f. = punct de fierbere.
Izomeri geometrici Există posibilitatea ca diferitele grupări sau atomi să se rotească în jurul
axei C-C a unei hidrocarburi. Această mişcare dă posibilitatea obŃinerii a două
forme. Una în care atomul de hidrogen rămâne în linie cu altul de la carbonul
adiacent şi a doua structură în care hidrogenul unui carbon ocupă locul opus
bisectoarei unghiului dintre doi hidrogeni de la carboni diferiŃi (vezi mai jos):
C4H8
cis-2-Butan
p.t. = - 138.9°, p.f. = 3.7°C
trans-2-Butan
p.t. = - 105.6°, p.f. = 0.9°
H
HCH3
HH
H
H
H
CH3
H
C7H14
H
H
H
H
H
H
CH3
H
H
CH3
trans-1,2-Dimetilciclopentan
p.t. = - 117.57°, p.f. = 91.87°C
cis-1,2- Dimetilciclopentan
p.t. = - 93.80°, p.f. = 99.53°
Prima structură se numeşte cis (de aceeaşi parte), iar cea de a doua trans
(de cealaltă parte). Izomerii care rezultă din plasarea grupărilor prin rotire
restricŃionată în jurul unei axe C – C, se numesc izomeri geometrici.
Izomeri de poziŃie
Dacă un atom de hidrogen dintr-o hidrocarbură este înlocuit cu un alt atom
sau grup de atomi, acesta se numeşte grupare funcŃională. De exemplu dacă în
metan CH4 un hidrogen este înlocuit cu gruparea hidroxil-OH atunci se obŃine
CH3-OH care poartă denumirea de alcool metilic, gruparea –OH fiind gruparea
funcŃională denumită alcool.
C C
H3C
H
CH3
H
C CH3C
H
H
CH3
Dacă vom înlocui un hidrogen cu gruparea alcool (-OH) în etan, propan
butan, etc. vom obŃine alcoolii respectivi. Dacă gruparea alcool va ocupa poziŃii
diferite în lanŃul atomilor de carbon vom obŃine izomeri de poziŃie corespunzători.
CH3CH2CH3OH CH3CHCH3
OH
n-propil alcool
(solvent şi intermediar
pentru sinteze chimice)
i-propil alcool
(alcool de
curăŃat)
CH3CH2CH2CH2OH CH3CHCH2OH
CH3
CH3CH2CHCH3
OH
n-butil alcool i-butil alcool s-butil
alcool
CH3 C
CH3
CH3
OH
CH3 C
CH3
CH3
CH2
t-butil alcool neopentil
alcool
În care grupare OH este aşezată astfel:
n = normal – la capătul lanŃului CH3CH2CH2 – OH
i = izo CH OH
CH3
CH3
s = secundar CH3CH2 CH OH
CH3
t = terŃ (terŃiar) CH3 C
CH3
CH3
OH
neo = CH3 C
CH3
CH3
CH2 OH
Izomeri funcŃionali
Două molecule care conŃin acelaşi număr şi tip de atomi dar care sunt
astfel aranjaŃi încât să aibă grupe funcŃionale diferite se numesc izomeri
funcŃionali.
De exemplu formula brută C2H6O corespunde la două tipuri izomere de
molecule funcŃionale:
a) H3C – CH2 – OH alcool etilic
b) H3C – O – CH3 eter etilic (dimetil eter)
sau
formula brută C3H8O corespunde:
a) H3C – CH2 – CH2OH alcool propilic normal
b) H3C – O – CH2CH3 metil – etil eter
Izomerii optici Când un fascicol de lumină plan – polarizată (obŃinută prin trecerea prin
prisme denumite Nicol) trece prin anumite substanŃe chimice solide, lichide şi
gazoase este deviat prin rotaŃie faŃă de planul incident (vezi fig. 1.9). Aceste
substanŃe care produc rotirea (devierea) fascicolului emergent se numesc
substanŃe optic active. Pentru fiecare din aceste substanŃe optic active se găsesc
izomeri care au proprietăŃi fizice identice, cu excepŃia interacŃiei cu fascicolul de
lumină plan polarizată.
CantităŃi identice din asemenea izomeri optici rotesc planul luminii
polarizate în aceeaşi măsură dar în direcŃii opuse. Când rotirea se face spre
dreapta izomerul se numeşte dextro (D), iar când se face spre stânga se
numeşte levo (L).
Izomerii optici diferă numai în aranjamentul atomilor lor în spaŃiu, un
izomer fiind imaginea în oglindă a celuilalt.
COMPUSII AZOTULUI ContribuŃia plantelor fixatoare de azot la desfăşurarea proceselor din
lumea vie este imensă. Cei mai importanŃi compuşi biochimici au în compoziŃia
lor azot în starea de oxidare –3, în această grupă sunt incluşi în principal
aminoacizii şi polimerii lor, proteinele de tot felul şi enzimele. Trebuie subliniat în
mod deosebit faptul ca nici un sistem viu nu poate supravieŃui fără o sursă
constantă de azot în starea de oxidare –3. În natură această sursă este
insuficientă datorită faptului că ciclul azotului este de 108 ani pe când cel al
carbonului este de câteva sute de ani. Este deci necesară o sursă sintetică,
artificială de azot –3. Forma cea mai obişnuită a compuşilor sintetici ai azotului –
3 este amoniacul, NH3, substanŃă gazoasă dar care în laboratoare se găseşte
sub forma soluŃiei amoniacale de hidroxid de amoniu, NH4OH. De altfel aşa cum
s-a constat şi în natură, sursa de azot –3 pentru lumea vie este tot amoniacul
care rezultă în urma reducerii azotului gazos.
În hidroxidul de amoniu fiecare moleculă de amoniac este legată prin punŃi
de hidrogen cu mai multe molecule de apă astfel încât echilibrul este de forma:
NH3,(g) +H2O(l) ↔ NH3(aq) (1.4)
a cărei constantă de echilibru este:
11
NH
3K298 xatmmolxL25
P]NH[
K3
−−≅= (1.5)
sau reacŃia de echilibru:
NH3,(aq) + H2O(l)↔ NH4(aq)+ + OH(aq)
- (1.8)
pentru care constanta de echilibru este:
115
3
4K298 atmLmol108,1
]NH[]OH][NH[
K −−−−+
×××== (1.9)
Se observă astfel faptul că, deşi amoniacul este foarte solubil în apă
soluŃia rezultată conŃine puŃini ioni amoniu NH4+ ceea ce face ca amoniacul să fie
o bază moderată.
Caracterul bazic sau de reducere sau de complexare pentru cationi sau
alte entităŃi cu orbitali vacanŃi, poate fi corelat cu perechea de electroni nelegaŃi,
cu densitatea de sarcină negativă mare, adică o cantitate mare de sarcină
negativă –3 este raportată la mărimea redusă a moleculei.
ReacŃiile tipice pentru toate aceste proprietăŃi ale amoniacului sunt:
• Ca bază Bronstedt:
H+(aq) + :NH3 (aq) ↔ NH4
+(aq) (1.10)
cu constanta de echilibru ,
9
3
4298 108,1
]][[][ ×== +
+
NHH
NHK K mol × L-1 × atm-1 (1.11)
• Ca agent reducător:
( )−+ ++= eNHNH gaqaq 1
61
:31
)(2)(3 cu potenŃialul de echilibru ε°= +0,72 V/enh*
şi constanta de echilibru K1/2 = 1,6 × 1012 mol × L-1 × atm-1
*enh = electrodul normal de hidrogen
• Ca agent complexant
++++ ↔+ )aq(43)aq(3)aq( )NH(CuNH:4Cu (1.12)
cu constanta de echilibru
( ) atm L mol102,1
]NH][Cu[
]NHCu[K 1-1-2
43
43K298 ×××== ++
++ (1.13)
Spre deosebire de amoniac, ionul amoniu, NH4+ nu mai are perechea de
electroni neangajaŃi, deci poate funcŃiona ca acid slab pierzând cu uşurinŃă ionul
de hidrogen H+. Este un agent reducător lent şi nu formează combinaŃii
complexe. Datorită acestor proprietăŃi hidroxidul de amoniu este mult mai util
pentru reacŃiile biologice care decurg cu transfer de energie redus, fiind cea mai
importantă bază biochimică.
Această substanŃă are proprietăŃi unice care o fac comparabilă cu apa în
ceea ce priveşte importanŃa pentru viaŃă. Astfel:
1) La temperatura obişnuită, CO2 are aceeaşi concentraŃie moleculară pe
unitatea de volum atât în apă cât şi în aer. Între gaze este singurul care are
această proprietate. Aceasta permite un schimb continuu de CO2 între aer şi apă
şi între organismele vii şi mediul de viaŃă.
În felul acesta CO2 este disponibil oriunde pe Terra pentru fotosinteza în
plantele verzi. Dioxidul de carbon este în acelaşi timp produsul rezidual final al
metabolismului, reprezentând oxidarea compuşilor carbonului la CO2. Faptul că
CO2 este gaz foarte solubil în apă, permite îndepărtarea lui cu uşurinŃă din corp.
Un om produce 1 kg de CO2 pe zi care ar fi foarte greu de evacuat în lipsa
volatilităŃii gazului.
top related