Chimie Organică

INTRODUCERE ÎN CHIMIA ORGANICĂ

DEZVOLTAREA CHIMIEI ORGANICE CA ŞTIINŢĂ

Wohler, 1828 – transformarea cianatului de amoniu în ureeNH4+NCO-H2NCNH2Ocãldurã

în prezent există 16 milioane de compuşi organici cunoscuţi

NHONHOOOOHOHindigoalizarinaNNMeOHOchinina

DEFINIŢIA CHIMIEI ORGANICE

1848- Gmelin şi Kekulé - “chimia compuşilor carbonului”

-definiţie incompletă

-CO, CO2, H2CO3, carburile metalelor – compuşi anorganici.

- 1889 - Karl Schorlemmer “chimia hidrurilor carbonului (hidrocarburi) şi a

derivaţilor lor funcţionali”.

PRINCIPALELE DIRECŢII ALE CHIMIEI ORGANICE CA DISCIPLINĂ

• Izolarea şi purificarea compuşilor organici

• Determinarea structurii noilor compuşi organici

• Chimia organică teoretică – studiază modul de legare al atomilor în compuşii organici.

• Mecanismele de reacţie – studiul modului de a reacţiona al moleculelor unele cu altele.

• Sinteza de noi molecule

• Chimia biologică – studiază procesele din natură şi legătura dintre structura moleculelor biologic active şi proprietăţile lor.

CARACTERUL SPECIFIC AL COMPUŞILOR ORGANICI

- Compuşii organici sunt alcătuiţi în principal din C şi H, alături de care pot apărea şi alte elemente (O, N, S, X, P, Si, B) numite elemente organogene

- Formula moleculară a unui compus organic precizează:

• compoziţia sa calitativă (specii de atomi constituenți)

• compoziţia cantitativă (număr de atomi din fiecare specie)

- În urma interacţiilor dintre atomii elementelor organogene se formează structuri moleculare, care se modifică în cursul reacţiilor chimice

- Ca urmare a structurii lor electronice, elementele organogene (C, H, N, O, S, X) îşi unesc atomii, în moleculele organice, prin legături covalente

- Are la bază două proprietăţi specifice ale carbonului şi hidrogenului:

• proprietatea comună a celor două elemente de a forma legături covalente stabile;

• proprietatea unică a atomului de carbon de a se uni, formând în număr nelimitat catene de carbon (liniare, ramificate, ciclice).

STRUCTURA COMPUŞILOR ORGANICI

Formarea legăturii covalente

 Se realizează prin punerea în comun a unui număr egal de electroni neîmperecheaţidin

stratul de valenţă al atomilor care se leagă

Are loc prin întrepătrunderea într-o anumită măsură a doi orbitali atomici (OA) monoelectronici de la doi atomi independenţi, rezultând un orbital molecular de legătură (OML), ocupat de un dublet electronic de legătură, care satisface necesarul de sarcină negativă pentru cele 2 nuclee.+1s2pHCl

Ex.: formarea moleculei de H-Cl

- Tipuri de legături covalente

LEGĂTURA COVALENTĂ

Funcţie de numărul de electroni puşi în comun de către cei doi atomi participanţi la legătură, legăturile covalente pot fi:

• simple;

• duble;

• triple.

După modul de întrepătrundere al OA la formarea OML, legăturile covalente pot fi:

• de tip  – prin combinarea OA monoelectronici de-a lungul axei de simetrie (permite rotaţia liberă în jurul ei)

• de tip  - prin suprapunerea laterală a OA monoelectronici (rigidă, nu permite rotaţia liberă în jurul ei)

HIBRIDIZAREA

 Elementele organogene pot participa la formarea legăturilor covalente:

• în stare fundamentală (H, X, N, S)

• în stare hibridizată (C, O, N, S)

În compuşii organici C este tetracovalent, N trivalent, O şi S divalenţi, H şi X monovalenţi

Hibridizarea reprezintă procesul complex de reorganizare a orbitalilor atomici de valenţă, proces care are loc la atom numai în momentul formării legăturii chimice şi constă în:

• decuplarea unei perechi de electroni din stratul de valenţă şi promovarea acestuia pe un orbital de energie apropiată;

• egalarea orbitalilor din punct de vedere energetic şi al formei, transformându-se în orbitali atomici hibrizi (O.H);

 Orbitalii hibrizi:

• au o orientare diferită în spaţiu faţă de cei din care provin, dependentă de tipul de hibridizare

• au formă bilobară, cu lobii inegali

- Tipuri de hibridizări

 Elementele organogene C, O, N, S prezintă 3 tipuri de hibridizări: sp3, sp2 şi sp

 Tipul de hibridizare dictează:

• geometria şi simetria moleculelor formate

• electronegativitatea atomilor hibridizaţi (în eV)

• tăria legăturilor covalente formate cu orbitalii hibrizi

Orbitali moleculari hibridizaţi ai carbonului: sp3, sp2, sp.

 Structura electronică a carbonului (C): 1s22s22px12py12pz0

 Configuraţiile electronice ale atomului de carbon liber şi în diferite stări de hibridizare

 Electronegativitatea atomului de carbon hibridizat creşte în ordinea:

Csp3< Csp2 < Csp

2sspsp2sp3pxpypzpzpypzEpstarea fundamentalaa atomului de carbonsp3:25% s+75% p4 OA hibrizi sp34 leg. sp2:33% s+66% p3 OA hibrizi sp2 - 3 leg. 1 OA pz - 1 leg.sp:50% s+50% p2 OA hibrizi sp - 2 leg. 2 OA py, pz - 2 leg. 

8 LEGĂTURA CHIMICĂ ÎN COMPUŞII ORGANICI

- Exemple de legături covalente între 2 atomi de carbon

Compusul

Tipul de hibridizare

Simetria

Geometria

Lungimea legăturii C-C (Å)

Unghiul dintre valenţe

H3C-CH3

Csp3

tetraedrică

1,54

109°,28’

H2C=CH2

Csp2

trigonală

1,33

120°

Csp

digonală

1,20

180°

CHCHCHHHCHHHsp3-sp3sp3-ssp3-ssp2-sp2sp2-sCHHCHHpzpzsp2-ssp-spsp-sCHHCpzpzpypy

 Funcţie de numărul de covalenţe satisfăcute de alţi atomi de carbon, există:

 atom de C nular – nici o covalenţă satisfăcută de alţi atomi de carbon

 atom de C primar – o covalenţă satisfăcută de alţi atomi de carbon

 atom de C secundar – 2 covalenţe satisfăcute de alţi atomi de carbon

 atom de C terţiar – 3 covalenţe satisfăcute de alţi atomi de carbon

 atom de C cuaternar – 4 covalenţe satisfăcute de alţi atomi de carbon

- Tipuri de atomi de carbon

CnCCppCCCCCsppssCCCCCCCCCtppptttspCCCCCCCCCCCCCCCqqqqppppppptsss

PROPRIETĂŢILE LEGĂTURILOR CHIMICE ÎN COMPUŞII ORGANICI

A. FACTORI CARE DEFINESC GEOMETRIA MOLECULEI

 Influenţează:

• geometria moleculei

• aspectele energetice

• densitatea de electroni a legăturii

1. Lungimea legăturii covalente

Reprezintă distanţa dintre nucleele a 2 atomi legaţi prin legături  sau 

Unitatea de măsură: 1Ǻ=10-8 cm

Tinde să aibă o valoare minimă astfel ca sistemul să aibă energie minimă

Cu cât creşte procentul de orbital s participant la hibridizare, legătura este mai scurtă

Dublele şi triplele legături sunt mai scurte decât legăturile simple

H-F

H-O

H-N

H-C

C-C

C-N

C-O

C-F

C=C

C≡C

C≡N

0,94Ǻ

0,96Ǻ

1,00Ǻ

1,09Ǻ

1,54Ǻ

1,47Ǻ

1,43Ǻ

1,40Ǻ

1,33Ǻ

1,20Ǻ

1,30Ǻ

LEGĂTURA CHIMICĂ ÎN COMPUŞII ORGANICI

2. Unghiul de valenţă

Reprezintă unghiul format între direcţiile de orientare ale orbitalilor moleculari

depinde de tipul de hibridizare

3. Energia de legătură

Reprezintă cantitatea de energie degajată la formarea unei legături covalente

cu cât Eleg este mai mare cu atât legătura este mai stabilă

- Energia legăturii carbon-heteroatom creşte odată cu creşterea caracterului electronegativ al heteroatomului

- Energia de disociere - cantitatea de căldură consumată la scindarea unei legături şi este egală cu energia eliberată la formarea legăturii.

B. FACTORI CARE INFLUENŢEAZĂ DENSITATEA DE ELECTRONI A LEGĂTURII COVALENTE

cantitativ

calitativ

Dipolmoment

Efectele electronice

- Dipol – un sistem format din 2 sarcini electrice punctiforme, egale şi de semn cotrar, aflate la o anumită distanţă

- Legăturile covalente formate între atomi cu aceeaşi electronegativitate se numesc legături covalente nepolare.

- Legătura covalentă formată între atomi cu electronegativităţi diferite devine o legătură covalentă polară, atomii legaţi capătă sarcini electrice parţiale (+,  molecula apare ca un dipol în care centrul sarcinii pozitive nu coincide cu centrul sarcinii negative.

- Polaritatea legăturii

• este o proprietate caracteristică legăturii covalente.

• se notează cu sarcini fracţionate

• se determină cantitativ prin dipolmoment sau moment electric de dipol

1. Dipolmoment molecular. Polaritate

e·d

[S.I. = 1Debye (D) = 10 –10 u.e.s x 10-8 cm

Momentul electric de dipol:

• este o mărime vectorială, caracterizată prin mărime şi orientare

• se reprezintă grafic, convenţional printr-o săgeată paralelă, cu legătura covalentă, al cărei vârf este îndreptat spre atomul mai electronegativ

Csp3ClXC= 2,5 eVXCl= 3 eVABHFH3COHH3COH

Dipolmomentul molecular:

• este rezultanta însumării vectoriale a momentelor de legătură

• dacă moleculele prezintă legături de acelaşi fel între atomi, orientate simetric sau legături polare care datorită simetriei se pot anula reciproc, două câte două, vor prezenta un dipolmoment molecular nul.