Compozitia Si Structura Substantelor Organice

Studiul chimiei a progresat simțitor în cursul secolului al 18-lea, când, s-au preparat multe substanțe anorganice și s-au separat numeroase substanțe organice din plante și din animale. O dată cu creșterea numărului descoperirilor de noi combinații chimice, s-a aprofundat mult studiul compoziției și comportării substanțelor. În modul acesta s-a constatat că între substanțele de origine vegetală și cele de origine animală nu există deosebire principială. Astfel A. L. Lavoisier, cercetând compoziția acestor substanțe, a observat că ele conțin totdeauna carbon, foarte des hidrogen și oxigen, iar uneori sulf, azot și câteva alte elemente.

Această constatare a fost susținută de J. J. Berzelius, care vedea în faptul că în compoziția substanțelor provenite din regnul animal și din regnul vegetal intră numai aceleași câteva elemente, o diferențiere a acestor substanțe de cele provenite din regnul mineral. Ca urmare, clasificarea substanțelor s-a redus la două categorii: substanțe organice, adică cele provenite din organisme (vegetale sau animale), și substanțe anorganice, adică cele provenite din regnul mineral.

Dar acesta nu a fost criteriul fundamental după care Berzelius a deosebit cele două categorii de substanțe. Deoarece toate încercările făcute până atunci în vederea reproducerii pe cale artificială a substanțelor existente în plante și în animale au rămas nereușite, a apărut concepția potrivit căreia combinațiile rezultate din plante și din animale s-ar forma sub acțiunea unei forțe speciale, numită forță vitală, și că legile chimice care acționează în lumea minerală nu ar fi valabile pentru organismele vii. De îndată ce viața se stinge, „forța vitală” încetează de a acționa, iar materia este supusă legilor fizice și chimice valabile pentru substanțele minerale. De aceea ar fi imposibil ca, folosind metodele cunoscute ale chimiei anorganice, să se reproducă în laborator substanțe existente în organismele vegetale și animale. Potrivit acestei concepții, Berzelius a definit chimia organică drept „chimia substanțelor vegetale și animale sau a substanțelor care se formează sub influența forței vitale”. [1]

În anii următori, realizarea unui număr din ce în ce mai mare de sinteze organice a contribuit la dovedirea lipsei de temei a concepției vitaliste. Se menționează sinteza acidului acetic din cărbune, sulf, clor și apă, realizată de H. Kolbe, în 1845, căreia îi urmează în scurt timp sintezele altor acizi organici, cum sunt acelea ale acidului tartric, acidului citric, acidului malic etc. M. Berthelot, în 1854, prepară prin sinteză substanțe din clasa grăsimilor și, în 1862, reușește să facă sinteza acetilenei trecând un curent de hidrogen printr-un arc electric între electrozi de cărbune; tot așa, în 1861, A. M. Butlerov prepară pe cale de sinteză o substanță din clasa zaharurilor etc.

O dată cu căderea teoriei „forței vitale” a căzut și criteriul de definire a chimiei organice drept „chimia substanțelor vegetale și animale sau a substanțelor ce se formează sub influența forței vitale”.[2]

În decursul anilor, sinteza organică a devenit un mijloc curent, nu numai pentru prepararea unui mare număr de substanțe organice ce se obțineau din plante și din animale, ci și pentru obținerea unor substanțe care nu se găsesc in natură, dar sunt asemănătoare substanțelor de origine organică. Toate aceste substanțe conțin în compoziția lor carbon.

Ca urmare, domeniul chimiei organice s-a extins considerabil; el cuprinde astăzi atât studiul separării substanțelor conținute în organismele vii, a proprietăților lor, a structurii lor, a preparării lor în mod artificial, cât și studiul altor compuși ai carbonului care se pot obține numai prin metode de sinteză și al căror interes științific și practic este deseori tot atât de mare, dacă nu mai mare, ca al produselor naturale. De aceea denumirea de chimie organică, dată de Berzelius studiului substanțelor de origine vegetală și animală, nu are decât un interes istoric; ea se menține prin tradiție.

Nenumăratele sinteze făcute în chimia organică au dovedit că substanțele organice urmează aceleași legi fizice și chimice ca și substanțele anorganice. Totuși, s-a menținut diferențierea între chimia organică și chimia anorganică, diferențiere bazată acum pe un criteriu analitic, și anume: datorită faptului că în toate combinațiile organice există elementul carbon, s-a definit chimia organică drept, chimia combinațiilor carbonului, pe când chimia anorganică drept studiul combinațiilor tuturor celorlalte elemente.[3]

Studierea combinațiilor carbonului separat de combinațiile celorlalte elemente a fost necesară și din motive metodice: numărul acestor combinații este cu mult mai mare decât numărul combinațiilor tuturor celorlalte elemente.

Constatându-se însă că hidrocarburile sunt substanțele de bază ale chimiei organice și că celelalte substanțe organice pot fi considerate ca derivați ai hidrocarburilor, K. Schorlemmer (1889) definește chimia organică, drept chimia hidrocarburilor și a derivaților lor.[4]

Deși nici această definiție nu este cea mai perfectă, ea se apropie cel mai mult de realitate. De altfel nu se poate da o definiție riguroasă pentru chimia organică ca o știință deosebită de chimia anorganică, deoarece între ele nu există o delimitare strictă, ci, dimpotrivă contingențe, ca de altfel între toate științele naturii. Totuși, definiția dată de Schorlemmer ajută la o bună înțelegere a domeniilor fiecărei din aceste ramuri ale chimiei. Chimia anorganică, având ca obiect studiul comportării elementelor și a compușilor lor, se ocupă cu studiul unor molecule destul de simple, ale căror proprietăți și transformări depind de proprietățile elementelor chimice care le alcătuiesc. Chimia organică, studiind hidrocarburile și derivații lor, ale căror reacții reprezintă transformări de grupe de atomi, stabile din punct de vedere structural (radicali), are drept obiect o organizare superioară a materiei.

Chimia este și un factor important în dezvoltarea industriei și economiei țării. Cerințele mereu crescânde ale diferitelor industrii, cât și ale agronomiei, medicinii, biologiei etc., sunt elemente importante pentru dezvoltarea industriei chimice, după cum produsele industriei chimice contribuie în mare măsură la dezvoltarea multor sectoare ale economiei și industriei țării. Un rol esențial îi revine chimiei organice.

Necesitatea unor cantități mereu crescânde de combustibil pentru motoare cu explozie, lubrifianți etc., a ridicat problema înlocuirii carburanților obișnuiți cu carburanți de sinteză, adică obținuți din alte materii prime decât țițeiul. Cerințele din ce în ce mai mari de materiale de construcție în diferite sectoare ale tehnicii au pus problema înlocuirii metalelor și a lemnului cu alte materiale mai accesibile; așa s-a dezvoltat fabricarea maselor plastice.

În ultimul timp, o mare parte din aceste mase plastice a început să fie utilizată, în cantități din ce în ce mai mari, ca fibre textile, a căror calitate întrece în multe cazuri calitatea fibrelor naturale. Coloranții, care în vechime se extrăgeau din plante, se fabrică astăzi pe cale de sinteză din gudroane de cărbuni de pământ, într-o mare varietate de culori și nuanțe. Multe dintre produsele folosite pentru combaterea dăunătorilor din agricultură și pentru fabricarea stimulatorilor de creștere a plantelor sunt rezultatul unor îndelungate cercetări făcute în laboratoarele de chimie organică. Sinteza organică a pus la dispoziția oamenilor medicamente eficace pentru combaterea unor boli periculoase și răspândite, cum sunt: tuberculoza, sifilisul, malaria etc., contribuind prin aceasta la apărarea sănătății poporului.

Obținerea vitaminelor, sulfamidelor și antibioticelor (substanțe care opresc dezvoltarea microbilor) reprezintă alte noi succese ale chimiei organice. Astăzi aproape nu există domeniu de activitate practică la care să nu ia parte chimia organică.

Începuturile cercetărilor, chimice din țara noastră sunt legate de numele lui Petru Poni (1841-1925), în Moldova, și al lui Constantin Istrati (1850-1918) în Muntenia.

Lucrările lui Petru Poni asupra compoziției și proprietăților țițeiului românesc sunt de o deosebită importanță, atât ca atare, cât și pentru perspectivele de valorificare pe care le-au indicat pentru această bogăție a solului țării noastre. Temeinică a fost și activitatea depusă de Constantin Istrati atât la catedră cât și în laborator, de la el rămânând publicații în legătură cu țițeiul, sarea, chihlimbarul, alcoolul, vinul, bogății ale țării noastre pe care le-a studiat din punct de vedere chimic.[4]

Lucrările lui Lazăr Edeleanu în legătură cu extracția hidrocarburilor aromatice din benzine sunt dintre cele mai importante pentru industria petrolieră, și brevetul lui a fost valorificat în toate statele din lume cu o asemenea industrie; la noi în țară însă, exista numai o singură instalație, nu prea mare, care lucra după procedeul Edeleanu.

O creație științifică și tehnică reprezintă și lucrările lui Martin Bank asupra producerii acetilenei din gaz metan. Brevetele lui, primele din lume în acest domeniu, nefiind luate în seamă, au rămas nevalorificate în țara noastră.

La dezvoltarea chimiei organice la noi în țară trebuie menționat aportul însemnat adus de acad. prof. C.D. Nenițescu, unul din cei mai eminenți profesori și cercetători în chimia organică. În jurul lui s-a format o adevărată școală de chimie organică din care s-au ridicat mulți chimiști de valoare. [4]

1.2 Compoziția compușilor organici

Compușii organici sunt alcătuiți dintr-un număr relativ mic de elemente chimice, numite elemente organogene, care, în ordinea descrescătoare a frecvenței sunt: C, H, O, N, Cl, S, P, Br, I, F, Si, metale (Na, Li, Mg, Fe,Co,Cu, Zn, Pb).

Toți compușii organici conțin carbon în moleculă, iar majoritatea substanțelor organice conțin hidrogen (există cca.600 compuși organici fără hidrogen).

Compoziția compușilor organici se determină prin analiza elementală, [4] astfel:

prin analiza elementală calitativă se identifică elementele organogene,

prin analiza elementală cantitativă se determină proporția elementelor care intră în compoziția substanței analizate.

Principiul analizei elementale organice constă în transformarea compușilor organici în compuși anorganici. Identificarea carbonului și a hidrogenului dintr-un compus organic se face prin oxidarea acestora, folosind oxidul de cupru sau dioxidul de mangan care au rol de oxidanți și de catalizatori.

Substanța (C,H) + CuO → CO2 + H 2 O + Cu

Exemplu: C6 H12 O6 + 12 CuO → 6CO2 + 6H2 O + 12 Cu

Bioxidul de carbon se identifică sub forma de BaCO3 sau CaCO3, iar apa se identifică sub formă de picături pe pereții eprubetei.

Figura 1.1 Identificarea C și H

Sursă: [5]

Pentru identificarea azotului, sulfului și halogenilor, substanța organică se mineralizează cu sodiu, când se formează compuși anorganici, ușor de identificat prin reacții simple și specifice.

Substanța (C,H,N,S,X) + Na → NaCN + Na2S+ NaX

Ionul cian se identifică sub forma de albastru de Berlin, ionul sulfură se identifică sub forma de sulfură de plumb, iar ionul halogenură sub forma de halogenură de argint.

Din datele analizei elementale calitative și cantitative se determină formula procentuală și formula brută. Exemplu: 40%C, 6,66%H, 53,34%O și masa molară 60 g/mol.

Formula brută indică felul și raportul numeric dintre atomii componenți: (CH 2O)n

Formula moleculară sau reală reprezintă tipul și numărul real al atomilor componenți dintr-o moleculă C2 H 4O2 , ea fiind fie egală, fie multiplu întreg al formulei brute. Oxigenul organic se determină indirect, prin diferență.

Formula moleculară este suficientă numai pentru caracterizarea substanțelor cu structură simplă. În aceste cazuri, unei formule moleculare îi corespunde o singură formulă structurală:

C2 H4 H2 C=CH2 ; CH4 O H3 C- OH ; CH5 N H 3C- NH2

Formula structurală reprezintă numărul și felul atomilor componenți, tipul de legătură chimică, modul de legare a atomilor în moleculă și configurația moleculei. Pentru substanțele organice cu structură simplă, formula structurală se stabilește pe baza formulei moleculare și a valenței elementelor componente. În cazul substanțelor cu structură mai complexă formula structurală nu mai corespunde necesității de individualizare din cauza izomeriei.

Izomeria este fenomenul existenței mai multor substanțe cu aceeași formulă moleculară, dar cu structură și deci proprietăți diferite. Substanțele care au aceeași formulă moleculară dar structură diferită se numesc izomeri. De exemplu,formulei moleculare C2 H 6O îi corespund două formule structurale:

CH 3– CH 2– OH H3 C – O -CH3

Alcool etilic(lichid solubil în apă) Eter metilic(gaz puțin solubil în apă)

Pentru determinarea structurii unei substanțe organice obținute în laborator sau izolate din produse naturale este necesară, pe lângă formula moleculară, și cunoașterea proprietăților fizice și chimice.

Cunoașterea structurii chimice permite aprecierea proprietăților fizice și chimice, precum și stabilirea metodelor de sinteză.

Structura chimică se reprezintă grafic prin formule plane (a), formule de proiecție (b), formule de configurație(c), formule de conformație(d) sau prin modele structurale(e,f).

Figura 1.2 Formule și modele folosite în chimia organică

Sursă: [5]

1.3 Clasificarea compușilor organici

Clasificarea compușilor organici se realizează în funcție de compoziție și de grupele funcționale pe care le conțin în moleculă. Astfel, hidrocarburile conțin în moleculă numai atomi de carbon și de hidrogen, clasificarea făcându-se în funcție de modul de legare a atomilor de carbon și de raportul numeric al atomilor C/H.

Derivații funcționali ai hidrocarburilor, R-Z conțin în moleculă atomi de carbon, hidrogen și atomi ai altor elemente organogene. Radicalul hidrocarbonat R este partea puțin activă a moleculei, iar gruparea funcțională Z este un atom sau o grupare de atomi care conferă moleculei proprietăți fizice și chimice specifice. Acești compuși se clasifică după numărul și natura grupărilor funcționale. Compușii organici cu grupări funcționale simple au în moleculă una sau mai multe grupări funcționale de același tip, iar cei cu grupări funcționale mixte au în structura lor două sau mai multe grupări funcționale diferite. [5]

Figura 1.3 Schema compușilor organici

Sursă: [5]

Compușii organici în a căror moleculă exista numai carbon și hidrogen poartă numele de hidrocarburi. În acești compuși, raportul dintre carbon și hidrogen nu este totdeauna maxim, încât vor apare hidrocarburi saturate, hidrocarburi nesaturate, hidrocarburi ciclice și hidrocarburi aromatice.

Hidrocarburile aciclice nesaturate cu două duble legături în moleculă poartă numele de alcadiene. Alcadienele se clasifică după poziția reciprocă a dublelor legături în diene cumulate, conjugate, izolate și hiperconjugate.

Nomenclatura dienelor se face asemănător alchenelor, folosindu-se însă sufixul „dienă". Practic, se consideră ca hidrocarbură de bază, lanțul cel mai lung care cuprinde cele două lovituri duble, la care se adaugă sufixul „dienă".

Importanță deosebită prezintă dienele în sistem conjugal, cum sunt butadiena
și izoprenul.