U. 9 Química del carboni estructura I reactivitat de les molècules orgàniques

3. ESTRUCTURA DE LES MOLÈCULES ORGÀNIQUES

Una vegada estudiades les possibilitats de combinació que ens ofereix l'àtom de car­boni amb ell mateix i amb heteroàtoms, anem a considerar la molècula orgànica com un conjunt, de manera que puguem estudiar el seu comportament químic. No oblidem que, en general, les substàncies orgàniques posseeixen les propietats típiques de les substàncies co­valents moleculars precisament per estar constituïdes, en gran part, per molècules discretes. Malgrat tot, una part important de compostos orgànics -els anomenats polímers, dels quals els plàstics en serien un bon exemple- presenten propietats poc fàcils d'enquadrar en un grup determinat perquè estan formades per macromolècules o molècules gegants.

Bàsicament tota molècula orgànica posseeix una arquitectura singular, l'anàlisi de la qual ens durà a establir els conceptes de radical i grup funcional i ens permetrà d'iniciar l'estudi del comportament electrònic de la molècula. Així podrem predir algunes de les seues propietats i definirem l'important concepte de funció orgànica.

Radical i grup funcional d'una molècula orgànica

Tot al llarg del segle XIX, a mesura que es coneixien major quantitat de compostos, es va presentar la necessitat de classificar les substàncies orgàniques. Al principi hom va usar nocions empíriques tals com les propietats físiques i químiques i la reactivitat en front de substàncies específiques. Aquesta classificació va donar com a resultat un conjunt de famí­lies de compostos amb propietats químiques semblants que avui coneixem com a fun­cions orgàniques.

A.14 En una molècula orgànica podem distingir una agrupació atòmica caracte­rística de la funció en gran part responsable de la seua reactivitat (grup funcional) i la resta de la molècula (radical). Distingiu els radicals i grups funcionals d'aquestes molècules:

CH₂=CH CH₃ ; CH₃ CH₂OH ; CH₃ NH₂

CH₃ CHOH CH₃ ; CH₃ CH₂ COOH ; CH₃ CHO



A.15 Poseu exemples de radicals d'aquests tipus: a) un alifàtic lineal ; b) un ali­fàtic ramificat ; c) un alicíclic (= alifàtic cíclic) ; d) un aromàtic.

A.16 Digueu a quines funcions pertanyen les molècules de l'activi­tat 14.

Arquitectura de les molècules orgàniques. Estereoquímica

Ara classificarem les molècules orgàniques a partir de la disposició espa­cial dels seus àtoms i els grups funcionals que posseeixen, ja que la reactivitat química de­pèn en gran me­sura de l'arquitectura de les molècules orgàniques. L'estudi detallat d'a­questa arquitectura o geometria molecular s'anomena estereoquímica.

A.17 Classifiqueu els hidrocarburs a partir de dos criteris bàsics: la forma de l'es­quelet de carboni i el tipus d'enllaços entre aquests àtoms.

 Segons la forma de l'esquelet distingirem quatre tipus d'hidrocarburs:

1) Alifàtics de cadena lineal

2) Alifàtics de cadena ramificada

3) Alifàtics de cadena cíclica

4) Aromàtics (derivats del benzè o d'altres hidrocarburs aromàtics)

Segons el tipus d'enllaç C-C distingirem també quatre tipus d'hidrocarburs:

1) Saturats o alcans: enllaços simples C-C

2) Insaturats d'enllaços dobles C=C, alquens o etilènics

3) Insaturats d'enllaços triples CºC, alquins o acetilènics

4) Aromàtics amb un o més anells benzènics que contenen enllaços deslocalitzats



A.18 Determineu quina serà la fórmula molecular general en funció del nombre d'àtoms de carboni que fixa de forma automàtica el nombre d'àtoms d'hi­drogen presents, per a aquests compostos:

a) Un hidrocarbur alifàtic saturat (alcà).

b) Un hidrocarbur alicíclic (cicloalcà).

c) Un hidrocarbur etilènic (alquè) amb un sol enllaç doble.

d) Un hidrocarbur acetilènic (alquí) amb un sol enllaç triple.

A.19 Classifiqueu els alcohols segons la ubicació del grup funcional. Poseu al­gun exemple de cadascun.

 Hi ha tres tipus d'alcohols: primaris, secundaris i terciaris, segons el tipus de carboni en què s'insereix el grup funcional -OH. Convé recordar que en una cadena carbonada hi tenim quatre possibles tipus de carbonis: a) primari o terminal, si només està unit a un altre carboni, de manera que conté 3 àtoms d'hidrogen; b) secundari, si està unit a dos carbonis i, doncs, com a molt a dos àtoms d'hidrogen; c) terciari, si està unit a tres car­bonis i només a un hidrogen; d) quaternari, si està unit a quatre carbonis i cap hidrogen. En aquest darrer cas no hi pot anar cap grup funcional, per això no hi ha alcohols qua­ternaris. Vegem alguns exemples:

Alcohol primari: 1-butanol CH₃-CH₂-CH₂-CH₂OH

Alcohol secundari: 2-butanol CH₃-CH₂-CHOH-CH₃

Alcohol terciari: 2-metil-2-propanol CH₃-COH(CH₃)-CH₃

A.20 Proposeu una classificació de les amines basada en la diferent substitució dels àtoms d'hidrogen de l'amoníac per radicals. Poseu exemples de ca­dascun d'aquests tipus.

 Les amines també es classifiquen en: primàries, secundàries i terciàries. El criteri ara no té res a veure amb el tipus de carboni, sinó amb el nitrogen. Són primàries les amines que tenen només un radical alquílic en substitució d'un hidrogen, són secundàries les que tenen dos àtoms d'hidrogen substituïts i són terciàries les que tenen els tres àtoms d'hidrogen de l'amoníac substituïts per radicals. Vegem aquests exemples:

Amina primària: metilamina CH₃-NH₂

Amina secundària: dimetilamina CH₃-NH-CH₃

Amina terciària: trimetilamina CH₃-N(CH₃)-CH₃

En el cas de les amines, com el nitrogen encara té un parell solitari -de forma semblant al que passa amb els ions amoni- s'hi poden formar els ions amoni quaternari tetrasubsti­tuïts, com ara l'ió tetrametilamoni: [N-(CH₃)₄]⁺ que forma les sals conegudes com a sals d'amoni quaternari.

Isomeria

Diversos alcohols i amines amb el mateix nombre i tipus d'àtoms poden presentar propietats físiques i químiques molt diferents. Això passa amb moltes altres substàncies or­gàniques. El coneixement de la fórmula molecular d'un compost és necessari però no pas suficient per a caracteritzar de forma completa la seua es­tructura. Per això els químics dis­posen avui dia d'espectres d'infraroig i ultravioleta, ressonància magnètica nuclear i espec­trometria de masses, totes elles tècniques que perme­ten d'esbrinar la complexitat, sovint la­beríntica, de moltes molècules orgàniques.

Aquest fenomen s'anomena isomeria i consisteix en l'existència de nombroses subs­tàncies amb la mateixa fórmula molecular, però amb estructura diferent, i per tant amb propietats diferents. Els diversos compostos s'anomenen isòmers. Tractarem ara la iso­meria que apareix en els hidrocarburs, continuarem amb la que té lloc en una mateixa fun­ció i acabarem esmentant de forma breu l'existència d'isomeria entre funcions distintes.

A.21 Escriviu les fórmules desenrotllades de totes les molècules isòmeres de fórmula molecular C₅H₁₀.

A.22 Escriviu tots els alcohols isòmers que tenen com a fórmula molecular C₄H₁₀O.

A.23 Analitzem un compost per combustió i dóna com a resultat una fórmula molecular C₃H₆O. Dibuixeu les fórmules desenrotllades de tots els isòmers que tinguen aquesta mateixa fórmula molecular.

A.24 Hi ha tres compostos diferents de fórmula molecular idèntica (C₂H₂Br₂) que podem identificar per les propietats diferents que tenen. Escriviu la fórmula de­senrotllada de cadascun d'aquests compostos i indica quin tipus d'iso­me­ria presenten.

A.25 Dibuixeu les molècules de 2 butè i 1 cloropropè i assenyaleu quins àtoms es troben en un mateix pla.

Molècules amb deslocalització electrònica

El químic alemany Friedrich August KEKULÉ (1829 1896) va proposar per a la molècula de benzè una forma hexagonal amb dobles enllaços alternats. Tanmateix l'expe­riència demostra que el benzè no es comporta totalment com un hidrocarbur insaturat. Tots els seus enllaços C C són equivalents i es tracta d'una molècula coplanària regular, amb una gran densitat electrònica. L'hexagon és regular amb longituds d'enllaç C-C iguals i angles d'enllaç de 120⁰ i quan substituïm un únic àtom d'hidrogen sempre obtenim el mateix deri­vat, ja que els sis hidrògens són equivalents.

A.26 Dibuixeu la fórmula de Lewis per al benzè i proposeu una nova descripció de la molècula que siga coherent amb els fets observats.



Formes ressonants de Kekulé i forma actual de la molècula de benzè