Structura compușilor organici și izomeria substanțelor organice

Introducere

Chimia organică se conturează ca ştiinţă abia la începutul secolului al 19-lea, odată cu preocupările privind izolarea, purificarea şi studiul substanţelor provenite din organismele vegetale şi animale. Chimiştii (Scheele, Rouelle, în anii 1770-1780) au izolat substanţe pure cum ar fi acizii oxalic, malic, citric din plante şi acidul uric şi ureea din organisme animale, substanţe pe care, deoarece proveneau din organisme vii, le-au denumit substanţe organice, care se deosebesc esenţial de substanţele anorganice, de provenienţă minerală. Deoarece substanţele organice cunoscute la acea epocă fuseseră obţinute numai prin izolare din fiinţe vii, formarea lor a fost explicată, prin influenţa unei forţe vitale, de natură mistică. Odată cu sinteza în laborator a primei substanţe organice (ureea) prin transformarea cianatului de amoniu, substanţă anorganică, se deschide calea sintezei organice şi se înlătură definitiv concepţia teoriei mistice, vitaliste:

cianat de amoniuureeNH4NCOH2N CO NH2

Odată cu dezvoltarea metodelor calitative şi cantitative de analiză a substanţelor organice au fost propuse şi primele formule moleculare. Aplicând metoda arderii, Lavoisier stabileşte calitativ că substanţele organice sunt compuse din carbon, hidrogen, oxigen, azot (1784). Prin dezvoltarea metodelor analizei cantitative s-a putut stabili compoziţia exactă a substanţelor organice (Liebig, Berzelius, Dumas). Chimistul german K. Schorlemmer (1889) defineşte chimia organică drept chimia hidrocarburilor şi a derivaţilor lor. Această definiţie pune la baza chimiei organice molecula de metan. Existenţa numărului şi varietăţii mari de compuşi organici se bazează pe două proprietăţi specifice carbonului şi hidrogenului: proprietatea comună de a forma legături stabile de doi electroni, numite legături covalente, şi proprietatea atomilor de carbon de a se uni între ei, practic nelimitat, formând catene de atomi de carbon. Metanul (hidrura carbonului) şi celelalte hidrocarburi se disting de alte hidruri prin stabilitate şi inerţie chimică a legăturilor lor. În metan, legăturile C-H sunt practic nepolare, el este neutru din punct de vedere electric. Metanul nu are caracter bazic (neavând electroni neparticipanţi pentru a fixa un proton) şi nu are tendinţa de a ceda protoni (nu are caracter acid).

Obiectul de studiu al chimiei organice constă în investigarea metodelor de sinteză a moleculelor cu anumite structuri, stabilirea structurii compuşilor sintetizaţi sau izolaţi şi studiul reactivităţii lor în funcţie de structura moleculară.

1. TEORII CLASICE ALE STRUCTURII

1.1. Teoria electronică a legăturilor chimice

Rezultatele descoperirilor privind structura atomilor de la începutul sec XX au condus la formularea teoriei electronice a legăturilor, structurii şi reacţiilor chimice ale compuşilor anorganici şi organici.

a) Electrovalenţă. Covalenţă

Teoria electronică a legăturilor chimice, formulată independent de W. Kossel şi de G.N. Lewis, se bazează pe concepţia că în transformările chimice ale elementelor sunt implicaţi electronii de valenţă. În decursul transformărilor lor, atomii care tind să-şi modifice de aşa manieră învelişul de electroni, încât să dobândească configuraţia electronică stabilă a gazului inert cel mai apropiat (dubletul pentru hidrogen, octetul pentru celelalte elemente), au la dispoziţie două căi.

O primă cale constă în transferul de electroni, în care un atom cedează electroni, devenind ion pozitiv, iar celălalt acceptă electroni, devenind ion negativ, ambii dobândind în acest fel configuraţia gazului inert cel mai apropiat. De exemplu, atomul de litiu, prin cedare de electroni trece în ionul de litiu Li+, cu configuraţia electronică a heliului, iar atomul de fluor, prin acceptarea unui electron, dobândeşte configuraţia neonului: Li + FLi + F

Ionii sunt atraşi între ei prin forţe electrostatice şi se formează o electrovalenţă (legătură electrovalentă sau ionică).

Cea de-a doua cale constă în punerea în comun a câte unui electron de la fiecare atom cu formarea unei legături de doi electroni, numită legătură covalentă sau covalenţă: H + HH H CI + CICI CI

Fiecare din cei doi atomi care participă la formarea legăturii covalente şi-a realizat configuraţia electronică de gaz inert, (de exemplu dublet pentru hidrogen, octet pentru clor). S-a format o legătură de doi electroni, puternică, al cărui simbol este liniuţa de valenţă propusă de Couper, care dobândeşte astfel o semnificaţie precisă.

b) Legături covalente multiple

Legăturile covalente, caracteristice mai ales combinaţiilor organice, se pot clasifica în:

• legături covalente simple: C−C, H−H, C−H

• legături covalente multiple:

- duble:

CCCCCOCS,,

- triple:

−C≡C−, −C≡N.

c) Electroni neparticipanţi. Legătură coordinativă. Acizi şi baze Lewis

Teoria electronică ia în considerare şi aportul perechilor de electroni neparticipanţi ai atomilor unor molecule (H2O, NH3, etc.) în formarea de legături covalente cu atomi cu deficit de electroni (protoni sau molecule cu octet incomplet).

Se acordă astfel o definiţie mai largă noţiunii de acid (compus capabil să accepte o pereche de electroni) şi de bază (compus capabil să doneze o pereche de electroni Lewis, 1923).

Legătura covalentă formată între o bază şi un acid Lewis, denumită legătură coordinativă, nu se deosebeşte fizic de alte covalenţe.

Deosebirea constă doar în modul de formare a covalenţelor, prin donarea unilaterală a perechii de electroni de către bază: