OMPONENŢI ANORGANII AI MATERIEI VII Apa este un metabolit fundamental în funcţionarea organismelor, intrând în alcătuirea tuturor ţesuturilor vegetale şi animale. onţinutul de apă în organismul animal este de aproximativ 60% din masa acestuia. În plante, conţinutul de apă este mai mare variind în funcţie de starea fiziologică a plantelor, de intensitatea metabolismului, de regiunea geografică în care acestea există etc. Human Biochemistry by J.M. Orten and O.W. Neuhaus (1982), - 70% din corpul uman e apa, distribuita in 3 compartimente principale: 70% fluidul intracelular, 20% lichidul interstitial, 7% plasma sangvina si 3 % in lumenul intestinal, lichidul cefalorahidian, etc. Apa este unică, prin aceea că este singura substanţă naturală care se află in atmosefera în cele trei stări de agregare, lichidă, solidă şi gazoasă. Importanţa apei pentru organismele vii este corelată cu particularităţile structurale ale moleculei sale, care îi conferă proprietăţi unice în raport cu alţi solvenţi. Proprietățile apei: 1. molecula de apă este un dipol electric, realizand legături de hidrogen. Proprietatea de dipol îi conferă moleculei de apă posibilitatea de a funcţiona ca un excelent solvent (solvent universal) atât faţă de compuşii ionici, cât şi faţă de compuşii covalenţi cu masă moleculară mică, proprietate de mare importanţă biologică. Toate substanţele cu rol biologic, esenţiale pentru funcţionarea normală a organismelor vii, sunt transportate sub formă de soluţii. De asemenea, toate reacţiile chimice implicate în procesele metabolice se desfăşoară în soluţii apoase. 2. în soluţii apoase, apa există sub formă de apă legată şi apă liberă. Macromoleculele reţin o parte din apă la suprafaţa lor, aceasta reprezentând aşa numita apă legată. Apa liberă este mediul în care există apa legată împreună cu macromoleculele pe care le hidratează. 3. Apa are o constantă dielectrică mare, proprietate care favorizează disocierea în ioni. 4. Apa are proprietăţi termice unice, care se datorează legăturilor de hidrogen ce se stabilesc între moleculele sale: -căldura specifică mare îi permite apei să primească sau să cedeze o cantitate mare de căldură, fără ca temperatura sa să crească sau să scadă foarte mult (proprietate importantă pentru organismele vii, deoarece le permite menţinerea unei temperaturi optime). -căldura de vaporizare mare - mecanism foarte eficient de răcire utilizat de organismele vii, deoarece atunci când apa se evaporă se eliberează o cantitate mare de energie; pentru menţinerea constantă a temperaturii, căldura în exces este eliberată prin transpiraţie. Molecula de apă prezintă caracter amfoter comportându-se ca acid faţă de bazele mai puternice decât ea şi ca bază faţă de acizii mai puternici decât ea Din punct de vedere chimic, apa este foarte reactivă şi participă la multe reacţii chimice cu metalele, nemetalele, oxizii bazici, oxizii acizi, unele săruri etc.
NOŢIUNI FUNDAMENTALE DE HIMIE ORGANIĂ himia organică ramură a chimiei care se ocupă cu studiul compuşilor. Numărul mare şi variat de compuşi organici este legat de: -proprietăţile atomilor şi H de a forma legături covalente σ stabile; -proprietatea unică a atomilor de de a se uni în număr nelimitat pentru a forma catene (lanturi) stabile. atenele pot fi: Hibridizare sp3 liniare ramificate ciclice mixte ompuşii organici se clasifică în compuşi aciclici şi ciclici. Atomii de carbon pot fi legaţi într-o catenă prin legături simple de tip σ (compuşi saturaţi) şi prin legături duble sau triple (compuşi nesaturaţi). În funcţie de poziţia atomilor de carbon în catene: * * * * * * * primari secundari terţiari * * * cuaternari
EFETE ELETRONIE ÎN OMPUŞI ORGANII Unul sau mai mulţi atomi de H dintr-o hidrocarbură R-H pot fi înlocuiţi cu atomi sau grupe de atomi ai altor elemente rezultând derivaţi funcţionali R-X (X - grupare funcţională ce conferă moleculelor reactivitate specifică). H H H X Efect inductiv H H H Proprietăţile compuşilor organici sunt determinate de interacţiunile care se manifestă între R şi X. În compuşii organici care au în moleculă doar legături σ pot avea loc deplasări ale electronilor σ, printr-un mecanism de inducţie electromagnetică, spre unul din atomii prezenţi în moleculă. Acest efect se numeşte efect inductiv (I); se reprezintă grafic printr-o săgeată îndreptată spre atomul atrăgător de electroni; intensitatea efectului scade odată cu creşterea distanţei faţă de atomul care-l determină. După maximum 4 atomi de efectul inductiv devine nul. Efectul inductiv poate fi: permanent-existent în starea fundamentală a unor molecule (efect inductiv static, I s ); temporar-existent în starea activă a unor molecule (efect inductiv dinamic, I d ). I s poate fi: negativ (-I s ) - determinat de prezenţa în moleculă a unor atomi sau grupe de atomi care atrag electroni; pozitiv (+I s ) - determinat de prezenţa în moleculă a unor atomi sau grupe de atomi care resping electroni. X Y reste -I s -I s +I s NR3 > NO2 > SO2R > N > OOH > F > l > Br > I > OR > OR > OH > 6H5 > H=H2 > H reste +I s
Efectul electromer În moleculele compuşilor organici nesaturaţi pot avea loc deplasări ale electronilor π - efect electromer, interacţiune electronică intramoleculară datorată: atracţiei electronilor π de către un atom din moleculă; interacţiunii electronilor π (conjugării) cu alţi electroni π dintr-un sistem cu duble legături conjugate sau cu electroni p neparticipanţi ai unui element. Efectul electromer se reprezintă prin săgeţi curbe care indică sensul de deplasare a electronilor. Efectul electromer poate fi: static (E s ) - deplasare permanentă a electronilor π, existentă în starea fundamentală a moleculei; dinamic (E d ) - are loc în cursul desfăşurării unei reacţii şi este determinat de un reactant. E s determină polarizarea permanentă a moleculei spre deosebire E d care dă o polarizare temporară. Efectul electromer static poate fi: pozitiv - atrăgător de electroni (+Es); negativ - respingător de electroni (-Es). Ẍ R Y R -Es +Es Noţiuni de izomerie Izomeria - fenomen specific unor compuşi organici şi combinaţii complexe care au aceeaşi formulă brută dar proprietăţi fizice şi chimice diferite. Substanţele cu aceeaşi formulă brută dar cu proprietăţi diferite se numesc izomeri. Izomeria poate fi plană şi spaţială.
Izomeria plană poate fi determinată de: a) izomeria de catenă atomul de ce poate fi primar, secundar, terţiar şi cuaternar. H 3 H 3 H 2 H 2 H 2 H 3 H 3 H H 2 H 3 H 3 H 3 H 3 H 3 b) izomeria de poziţie poziţia unei particularităţi structurale (leg. multiplă, rad. organic, gr. funcţională, heteroatom etc.). H 2 H H 2 H 2 H 3 H 3 H H H 2 H 3 H 3 H 2 H 2 OH H 3 H H 2 c) izomeria de funcţiune sau epimeria substanţe cu funcţiuni organice diferite au aceeaşi formulă brută ( 3 H 6 O) OH H 2 H H 2 OH H 3 H 2 HO H 3 O H H 2 H 2 H H 3 O alcool alilic aldehidă propionică metil vinil eter oxid de propilenă acetonă d) izomeria dinamică sau tautomerie determinată de deplasarea simultană a unui proton şi a unei legături duble într-o moleculă organică nesaturată: H OH H 2 O enol compus carbonilic e) izomeria de compensare sau metamerie determinată de modificarea reciprocă şi simultană a poziţiei unor radicali dintr-o moleculă organică (aminele primare, secundare şi terţiare sunt izomere: H 3 H 2 H 2 NH 2 H 3 H 2 NH H 3 H 3 N H 3 H 3
Izomeria spaţială sau stereoizomeria poate fi: a) izomeria geometrică datorată prezenţei în molecula organică a unei particularităţi structurale care blochează rotirea liberă a doi atomi de în jurul legăturii care îi uneşte (legătură dublă, structură ciclică): H H b) izomeria optică este consecinţă a asimetriei structurale a moleculelor datorită prezenţei unui atom de asimetric Substanţele cu un asimetric rotesc planul de vibraţie al luminii polarizate și există în două structuri distincte numite enantiomeri. Una roteşte planul luminii polarizate spre dreapta şi este denumită dextrogiră (+ sau d) şi cealaltă spre stânga şi este denumită levogiră (- sau l). Ex: acidul α-br propionic: l cis l H l trans l H OOH OOH Br * H 3 H H * H 3 Br
OMPUŞI ORGANII Hidrocarburi Hidrocarburile se clasifică în: - saturate - nesaturate - aromatice Hidrocarburi saturate Se clasifică în: hidrocarburi saturate aciclice; hidrocarburi saturate ciclice sau cicloalcani. Alcani - hidrocarburi saturate aciclice formate din catene de uniţi între ei prin legături σ. elelalte valenţe sunt satisfăcute de H. Formula generală - n H 2n+2. Alcanii se clasifică în: alcani normali - lanţul atomilor de este liniar; izoalcani - lanţul atomilor de este ramificat Denumire - adăugarea sufixului -an la un prefix care desemnează numărul atomilor de din moleculă în limba greacă. Excepţie fac primii patru alcani din seria omologă - metan, etan, propan, butan. Pentru hidrocarburile cu două grupe metil la un capăt al catenei liniare se foloseşte prefixul izo- la numele hidrocarburii. ând catena este ramificată cu trei grupe metil la unul din capetele se foloseşte prefixul neo-. Izoalcanii se denumesc prin numerotarea catenei celei mai lungi în aşa fel încât substituenţii să aibă cele mai mici numere. Substituenţii se pot citi în ordine alfabetică sau în ordinea creşterii complexităţii lor. Radicalii alcanilor se denumesc prin înlocuirea sufixului -an cu: - il - radicali monovalenţi; - iliden - radicali divalenţi cu cele două valenţe libere la acelaşi atom de (excepţie metilen); - ilen - radicali divalenţi cu cele două valenţe libere la doi atomi de vecini; - in radicali trivalenţi.
Proprietăţi chimice Alcanii - substanţe organice cu reactivitate scăzută datorită prezenţei în moleculă a legăturilor relativ puternice - şi -H şi faptului că sunt compuşi saturaţi. În condiţii speciale alcanii participă la reacţii de substituţie, descompunere termică, dehidrogenare, izomerizare, oxidare. Reacţii de substituţie - un atom de H este înlocuit de un alt atom sau grupare de atomi. reacţia de halogenare poate fi declanşată termic, fotochimic sau catalitic. De ex. clorurarea metanului conduce la obţinerea unui amestec de derivaţi cloruraţi: +l 2 +l 2 +l 2 +l 2 H 4 H 3 l H 2 l 2 Hl 3 l 4 -Hl -Hl -Hl -Hl reacţia de nitrare se realizează la temperaturi ridicate (aprox. 425 o ), în fază gazoasă. Grupa nitro se poate lega la oricare dintre atomii de din catenă. În condiţiile energice ale reacţiei se pot obţine, datorită scindării catenei alcanului şi nitroderivaţi ai omologilor inferiori ai alcanului supus nitrării. H 3 H 2 H 2 NO 2 1-nitropropan (25%) H 3 H H 3 2-nitropropan (40%) H 3 H 2 H 3 + HNO 3 NO 2 H 3 H 2 NO 2 H 3 NO 2 nitroetan (10%) nitrometan (25%)
Reacţii de dehidrogenare - eliminarea atomilor de hidrogen, în anumite condiţii de temperatură şi în prezenţa catalizatorilor; alcanii inferiori se transformă în hidrocarburi nesaturate iar cei mijlocii în compuşi din alte clase de hidrocarburi: +r 2 O 3 H 3 H 3 500 o H 2 H 2 + H 2 Reacţii de izomerizare - la temperatură (50 100 o ) şi în prezenţa catalizatorilor (All 3, AlBr 3 ), rezultă izoalcanii corespunzători: All 3 ; AlBr 3 H 3 H 2 H 2 H 2 H 3 50 o H 3 H H 2 H 3 H 3 Reacţii de oxidare se desfăşoară în condiţii diferite, în funcţie de care se pot obţine alcooli, aldehide sau acizi organici. De ex, în prezenţa aerului la 280 o şi 100 atm etanul conduce la un amestec: H 3 H 2 OH H 3 H 3 + O 2 H 3 HO H 3 OH H 3 OOH Oxidarea la temperatură ridicată în prezenţă de aer sau oxigen pune în libertate o cantitate mare de energie şi de aceea alcanii sunt utilizaţi drept combustibili.