Clasificarea compuşilor organici

Clasificarea compuşilor organici Pe parcursul studierii chimiei organice în clasa a Xl-a, am constatat că „lumea“ compuşilor organici este foarte numeroasă şi diversă, am stabilit cauzele acestei diversităţi şi am încercat să ne orientăm în haosul alcătuit din mai mult de 12 milioane de compuşi organici. Fundamentul compuşilor organici îl constituie hidrocarburile. De la diversele tipuri de hidrocarburi (saturate, nesaturate, aromatice), prin înlocuirea unuia sau a câtorva atomi de hidrogen din molecula lor cu alţi atomi sau grupe de atomi, numite grupe funcţionale (de exemplu -OH, -NO2, -N H 2), se obţin derivaţi ai hidrocarburilor sau clase de compuşi organici. Astfel, de la alcani, înlocuind un atom de hidrogen H prin grupa OH sau, respectiv, N 0 2, NH2, CH=O ş.a., rezultă clasele: alcanoli, nitroalcani, aminoalcani, *alcanali etc. În mod similar, se pot forma diverse clase de compuşi în bază de alchene, alchine, arene ş.a. Să încercăm a exemplifica cele expuse mai sus în formă generală: să efectuăm o clasificare simplă pe baza alcanilor, clasificare sub forma unui tabel, la care vom putea reveni şi atunci când vom studia materia nouă din clasa a XII-a. Drept călăuză de ordonare ne va servi, pe orizontală, structura celor mai simple substanţe pe clase de compuşi (după grupele funcţionale ce le conţin), iar pe verticală - aranjarea ascendentă în serii omoloage pentru majoritatea claselor de compuşi, ţinându-se cont şi de fenomenul izomeriei. În formă simplă se obţine un tabel cu următorul început: Q Să ne încercăm com petenţele Transcrieţi acest tabel pe o coala mare de hârtie, completaţi-l cu formulele generale, cu structurile unor noi omologi şi izomeri (pe verticală), cu alte clase de compuşi (nitroalcani ş.a.), apoi denumiţi tabelul (de ex. Tabelul clasificării, realizat de Ursu T.). Alcani (CnH2n+2) Halogenoalcani Alcanoli Alchilamine *Alcanali Omologi, izomeri o X CH3CI CH3OH CH3-NH2 X 1 0 X II O C2H6 C2H5CI C2H5OH C2H5- NH2 0 X II 0 X co 1 0 CaHs c 3h 7c i c 3h 7o h c 3h 7—n h 2 C 2H5-C H = O < Recapitulare 8 Acest tabel se aseamănă cu o „poartă deschisa' spre alţi compuşi, de care am luat cunoştinţă parţial în clasa a XI-a, iar alţii vor fi studiaţi în manualul de faţă. Compuşii organici cunoscuţi au fost descrişi în literatura de specialitate. Probabil, există în natură sau pot fi obţinute pe cale chimică şi alte substanţe, care încă nu au fost descoperite. Să acceptăm tabelul respectiv ca pe o cale spre infinit, deoarece nimeni nu poate spune care este limita de jos sau cea din dreapta a tabelului. Cu certitudine, vor fi descoperite noi substanţe în tipurile de hidrocarburi sau în clasele cunoscute deja, sau vor fi constituite noi clase de compuşi organici. I.2. În chimie, nomenclatura este modalitatea de a numi substanţele. Există mai multe tipuri de nomenclaturi. Noi o cunoaştem pe cea istorică, ce conţine nume acordate sporadic sau nume de provenienţă grecească şi este legată de condiţiile descoperirii substanţei, şi cea contemporană (sistematică sau IUPACj, care constituie o sistematizare ştiinţifică ce permite numirea substanţei după componentele structurii şi, invers, scrierea formulei de structură a substanţei după denumirea acesteia. La baza oricăror clase de compuşi stau diversele tipuri de hidrocarburi. Rădăcina care indică numărul atomilor de carbon în denumirea lor este aceeaşi (C1 - met, C2 - et, C3 - prop, C4 - but, C5 - pent etc.), iar terminaţiile diferă: an înseamnă hidrocarburi saturate; enă - cu legătură dublă, ină - cu legătură triplă. Pentru derivaţii hidrocarburilor (numiţi şi clase de compuşi) denumirea grupei funcţionale este situată fie în faţa denumirii hidrocarburii (halogeno; nitro; amino), fie la sfârşitul denumirii hidrocarburii (ol, al/ onă, oic), marcându-se, dacă e nevoie, locul aflării grupei sau a legăturii multiple şi numărul lor (di-, tri-, dacă sunt 2-3). Numerotarea catenei carbonice începe din capătul unde e mai aproape ramificarea sau/ şi grupa funcţională. De exemplu: Denumirile sistematice C H 3 - Cl clorometan OH °2Nv.6^C :l , no2 4I NO, 2,4,6 - trin/frofeno/ 5 4 3 2 1 C H 3 - C H 2 - CH = CH - C H 3 pent-2-enă 3 2 1 C H 3 - C H 2 - C H 2 - OH propan-1-ol 1 CH . C H - C H - 3 ! 2 NH, 4 -C H , *C H ,—CP C H , H 2 1 - C H - C O O H I C H , 2 - om/'/iobutan etan al acid 2-metilpropano/c Omologia şi izomeria_____________________ se numesc omologi compuşii asemănători după compoziţie, structură şi proprietăţi, care se deosebesc între ei prin una sau mai multe grupe CH2. Omologia este fenomenul de existenţă a omologilor. Cunoscând câteva substanţe de acest fel, putem alcătui şi caracteriza diferiţi reprezentanţi din seria omoloagă a hidrocarburilor sau a clasei respective de compuşi. Izomeri sunt substanţele cu aceeaşi compoziţie moleculară, dar cu structură şi proprietăţi diferite. Izomeria este fenomenul de existenţă a izomerilor. Fenomenele izomeriei şi omologiei explică multitudinea şi diversitatea substanţelor organice. Pe parcursul studierii chimiei organice am însuşit principalele tipuri de izomerie. 9 1) Izomeria de ramificare a catenei (izomerie de catenă) CH3 Exemple: a) CH3 b) 2) Izomeria de poziţie (a legăturii multiple sau a grupei funcţionale, ori de aranjare reciprocă a acestora) a) but-2-enă but-1-enă b) CH2-CH2-CH 3 şi CH3-CH -CH 3 OH OH propan-1-ol propan-2-ol *3) Izomeria de funcţiune, izomerii fiind reprezentanţi ai diverselor tipuri de hidrocarburi sau clase de compuşi organici Exemple: a) CH2=CH-CH=CH2 şi C H = C -C H 2-C H 3 alcadienă alchină b) alcool eter I.4. Relaţiile dintre structura 9 şi proprietăţile compuşilor organici Hidrocarburile saturate. Alcanii şi *cicloalcanii, în condiţii obişnuite, sunt stabili din punct de vedere chimic, deoarece reprezintă hidrocarburi saturate şi nu conţin grupe funcţionale active, iar legăturile chimice C-C şi C-H sunt slab polarizate. În condiţii rigide, ei participă la reacţii de substituţie (clorurare), eliminare (dehidrogenare), oxidare. De exemplu: 1) CH4 + Cl2 CH3 - Cl + HCl (substituţie) metan clorometan 2) C2H6 etan Pt, 350°C C2H4 + H2 (eliminare - dehidrogenare) etenă 3) C6H12 + 9 0 2 ► 6C02 + 6H20 + Q (oxidare totală, ardere) ciclohexan Hidrocarburile nesaturate (alchenele, alcadienele, alchinele). Hidrocarburile nesaturate sunt mai active chimic decât cele saturate *datorită prezenţei legăturii n (mai slabe decât legătura o). Ele participă la reacţii de adiţie, oxidare, polimerizare. 1) Adiţie: Ni, p, to H+ a) CH2=CH2 + H2 CH3-CH3 c) CH2=CH2 + HOH CH3-CH2-OH b) CH^=CH2 + HCl CH3-CH2CI d) CH^CH + 2 CI2 CHCI^-CHCl2 Recapitulare Recapitulare 10 *Remarcă. Adiţia hidracizilor sau a apei la legătura dublă din alchenele nesimetrice are loc conform regulii lui Markovnikov (hidrogenul se leagă de carbonul mai hidrogenat): C H 3- C H = C H 2 + H Br — ► C H 3- C H - C H 3 l Br 2) Oxidare: a) *C H 2=C H 2 + [O] + HOH — - HO—C H 2_ C H 2—OH (oxidare blândă) b) 2 C H =CH + 5O 2 — ► 4 C O 2 + 2 H 2O + Q (oxidare totală, ardere) 3) Polimerizare: a) n C H 2=C H 2 — ► ( - C H 2-C H 2 - )n b) n C H 2= C H -C H = C H 2 — ► ( -C H 2—C H = C H —C H 2- )n Hidrocarburile aromatice (arenele). Nucleul benzenic este stabil chimic, deoarece toate legăturile carbon-carbon din el sunt identice *(6 legături g şi 6 orbitali p comuni). Reacţiile caracteristice arenelor sunt cele de substituţie în nucleul benzenic (nitrare, halogenare). În anumite condiţii decurg şi reacţii de adiţie (a hidrogenului, clorului). Omologii benzenului sunt mai activi chimic, datorită influenţei reciproce a grupei alchil şi a nucleului benzenic. Substituţie: H H | || + Rr ■ Rr cat- FeBr3 , - HBr H ^ c H 1 H ,Br (bromobenzen) Compuşii hidroxilici (alcoolii şi fenolul). Proprietăţile fizice şi chimice sunt determinate de prezenţa grupei hidroxil OH. 1) Pentru alcooli sunt caracteristice reacţiile de substituţie, de oxidare şi de deshidratare. Compuşii hidroxilici interacţionează cu metalele alcaline: 2 CH3—OH + 2 Na 2C6H5-O H + 2Na ■ 2CH3—ONa + H2Î 2C6H5-O N a + H2Î 2) În molecula de fenol, legătura chimică O-H este mai polarizată decât cea din alcooli, de aceea hidrogenul este mai labil. Astfel, fenolul, spre deosebire de alcanoli, interacţionează uşor cu alcaliile: C6H5-O-H + NaOH — - C6H.r-O-Na + H2O *3) La oxidarea alcoolilor primari, se formează aldehide, iar a celor secundari - cetone: CH3- C H 2-O H + CuO ------► CH3- C H = 0 + Cu + H20 alcool etilic aldehidă acetică OH O I 11 CH3-CH-CH3 + [O] ----- CH3-C-CH3 + H2O propan-2-ol propanonă Arderea alcoolilor decurge conform ecuaţiei: 2CH3-OH + 3O2 2CO2 + 4H2O + Q 4) La deshidratarea etanolului, în funcţie de condiţii, se pot forma etenă (a), *eter (b) sau *but-1,3-dienă (c): H2SO4 conc., 180°C a) CH^-OHr-OH CH ^C H + H2O H2SO4 conc., 135oC *b) 2 C H 3- C H 2- OH ■ C H ^ - O H r - O -O H r-C H s + H2O Al2O3, ZnO *c) 2 C H ^-C H r - OH ■ C H 2=C H - C H =C H 2 + 2 H2O + H2 425oC În molecula de fenol sunt două centre reactante: grupa OH şi nucleul benzenic. Astfel, fenolul participă şi la reacţii de substituţie, caracteristice nucleului benzenic. Datorită influenţei grupei OH, substituţia decurge mai uşor decât în cazul benzenului, avantajate fiind poziţiile 2, 4, 6: OH OH I I H 02NT ^N02 H H + 3HONO2 -3H2O (2,4,6-trinitrofenol) Aminele, anilina conţin grupa funcţională amină şi, asemeni amoniacului, manifestă proprietăţi bazice interacţionând cu acizii. Protonul din molecula de acid se leagă de atomul de azot din grupa amină prin cuplul de electroni neparticipanţi ai acestuia: . . 5 * 5 - r h + - r -| C H 3 - NH2 + H :Cl — >► metilamină C H 3 - NH2 C l- sau C H 3 - NH3 clorură de metilamoniu + ClÎn molecula de anilină, ca şi în cea de fenol, sunt două centre reactante care se influenţează reciproc. În nucleul benzenic mai active sunt poziţiile 2, 4, 6. Astfel, anilina interacţionează uşor cu apa de brom, formând 2,4,6-tribromoanilină: H H H H + 3Br2 -3HBr Br H NH2 I Br Br H (2,4,6-tribromoanilină) *Compuşii carbonilici (aldehidele şi cetonele). Compuşii carbonilici participă la reacţii de reducere (1) şi de oxidare (2), aldehidele oxidându-se mult mai uşor decât cetonele. O O H II Ni t°î 1) P P 2) R -c r + [o] ------ - R -c r H OH *Acizii carboxilici şi esterii. Pentru acizii carboxilici este caracteristică prezenţa legăturii de hidrogen. Acizii carboxilici sunt mai slabi decât acizii minerali. Ei interacţionează cu agenţii bazici (metalele, oxizii, bazele etc.) şi cu alcoolii (reacţie de esterificare). 11 Recapitulare Recapitulare 12 a) CH3-COOH + NaOH — - CH3-COONa + H2O H+ b) CH3-COOH + HO-CH3 CH3-COOCH3 + H2O Particularităţile acidului formic. Prin structura sa, acidul formic îmbină două grupe funcţionale - una carboxil (acidă) şi alta aldehidică, manifestând proprietăţi duale. Astfel, spre deosebire de ceilalţi omologi, acidul formic se oxidează uşor, dând reacţia oglinzii de argint: grupă aldehidică H — grupă carboxil + Ag2O — ► O II C OH CO2 + H2O + 2Ag l arcini imediate Completaţi schema legăturii genetice cu formule generale şi exemplificaţi astfel încât să ajungeţi la: a) aminoetan; b) anilină; c) fenol; d) *etanal; *e) acetat de etil. În toate cazurile, punctul de pornire trebuie să fie hidrocarburile saturate. Legătura genetică dintre clasele de compuşi organici studiaţi Parcurgând materia studiată în cadrul chimiei organice prin diverse ecuaţii ale reacţiilor ce vizează metodele de obţinere şi proprietăţile chimice ale hidrocarburilor şi ale derivaţilor acestora, examinând diferite scheme mai simple de legătură genetică, prin care se demonstrează relaţia dintre reprezentanţii seriilor omoloage, putem elabora un proiect de schemă generală a legăturii genetice, care să cuprindă compuşii organici studiaţi anterior: I.6.1. Exerciţii 1. Scrieţi formulele de structură pentru cinci hidrocarburi care nu au izomeri. Rezolvare: Nu pot avea izomeri următoarele hidrocarburi: a) CH4 b) CH3 - CH3 c) CH3 - CH2 - CH3 d) CH2 = CH2 e) CH = CH *2. Se dau hidrocarburile: a) acetilenă; b) 3-metiloctan; c) ciclohexan; d) hex-2-ină; e) 3,3-dimetilbut-1-ină; f) but-1,3-dienă; g) oct-2,4-dienă. Care dintre acestea sunt omologii (1) şi care sunt izomerii (2) hexadienei C6H10? Rezolvare: 1) Omologii hexadienei trebuie să facă parte din seria alcadienelor şi să se deosebească prin diferenţa omoloagă (CH2)n. Aceştia sunt: f) şi g). 2) Izomerii trebuie să corespundă formulei moleculare C6H10. Aceştia sunt: d) şi e). 3. Pentru care dintre substanţele a-g există legături de hidrogen între molecule: a) etenă, b) izopren, c) etandiol, d) fenol, *e) propanal, *f) acid acetic, *g) formiat de etil? Rezolvare: Dintre compuşii organici studiaţi până acum, doar pentru alcooli, fenoli şi acizii carboxilici sunt caracteristice legăturile de hidrogen, adică pentru substanţele c), d) şi f). 13 *4. Care dintre compuşii a-j dau reacţia oglinzii de argint la încălzire cu reactivul Tollens: a) etenă c) cloroetan e) propanal g) propanonă i) formiat de etil b) etină d) etanol f) propină h) acid metanoic j) anilină Rezolvare: Doar compuşii care conţin gruparea aldehidică (CH=O) dau reacţia oglinzii de argint: e), h) şi i). *I.6.2. Probleme de calcul Stabilirea formulei moleculare după părţile de masă ale elementelor (w) şi masa moleculară relativă (Mr) a substanţei sau clasa de compuşi. 1. Părţile de masă ale carbonului şi hidrogenului într-un alcanol sunt egale, respectiv, cu 52,17% (C) şi 13,04% (H). Stabiliţi formulele moleculară şi de structură ale alcanolului. Rezolvare 1) Stabilim partea de masă de oxigen în alcanol: w(O) = 100% - w(C) - w(H) = 100% - 52,17% - 13,04% = 34,79%. 2) Determinăm raportul cantităţilor de substanţă de carbon, hidrogen şi oxigen în alcanol, considerând masa substanţei egală cu 100 g: Se dă: w(C) = 52,17% w(H) = 13,04% Formula moleculară - ? v(C) : v(H) : v(O) = 52,17 g 13,04 g 34,79 g = 4,34 mol : 13,04 mol : 2,17 mol 12 g/mol ' 1 g/mol ' 16 g/mol 3) Ţinând cont de faptul că alcoolul este monohidroxilic (conţine doar un atom de oxigen), reducem toate cifrele prin 2,17 mol, obţinând astfel un atom de oxigen: 4,34 2,17 13,04 : 2,17 2,17 : 2,17 2 : 6 : 1 Răspuns: Formula moleculară şi cea de structură ale alcanolului sunt, respectiv, C2H6O şi CH3-CH 2-OH. 2. O substanţă organică (A), cu masa mo