Catene de carbon

O catenă este succesiunea atomilor de carbon legați între ei. Catenele sunt aciclice (liniare sau ramificate) sau ciclice; un ciclu poate purta ramuri, ca în metilciclohexan. Catena saturată are numai legături simple C–C; cea nesaturată conține legături duble sau triple. Tipul unui atom de carbon depinde de numărul covalențelor cu alți atomi de carbon: nular (0, în $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$), primar (1), secundar (2), terțiar (3), cuaternar (4). O legătură dublă C=C numără două covalențe, iar una triplă C≡C numără trei. Astfel, fiecare C din etenă este secundar, iar fiecare C din acetilenă este terțiar.

Catene aciclice și ciclice. Într-o catenă liniară, atomii de carbon formează un singur șir, fără ramuri. Într-o catenă ramificată, cel puțin un atom de carbon este legat de trei sau patru alți atomi de carbon; ramificațiile apar începând cu patru atomi de carbon. Ciclurile pot fi saturate, ca în ciclopentan și ciclohexan, nesaturate, ca în ciclohexenă, sau aromatice, ca în benzen.

Prefixele izomerilor. Prefixul n- indică catena liniară, de exemplu n-butan. Prefixul izo- indică o grupă metil la penultimul atom de carbon: izobutanul este 2-metilpropanul, iar izopentanul este 2-metilbutanul. Prefixul neo- indică un atom de carbon cuaternar la capătul catenei: neopentanul este 2,2-dimetilpropanul.

Catena și punctul de fierbere. Dintre alcanii izomeri, cel cu catena liniară are punctul de fierbere cel mai mare: n-pentanul fierbe la $36,1{}^{\circ }\mathrm{C}$, izopentanul la $27,7{}^{\circ }\mathrm{C}$, iar neopentanul, cu molecula cea mai compactă, la $9,5{}^{\circ }\mathrm{C}$.

Saturare și formula generală. Pentru hidrocarburi, formula generală arată tipul catenei:

• alcanii, aciclici saturați: ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2n+2}$;
• alchenele și cicloalcanii: ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2n}$, cu o nesaturare echivalentă;
• alchinele și alcadienele: ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2n-2}$, cu două nesaturări echivalente;
• arenele mononucleare: ${\mathrm{C}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{H}}_{2n-6}$, cu patru nesaturări echivalente.

Un alcan aciclic respectă relația: numărul atomilor de C primari = 2 + numărul celor terțiari + dublul numărului celor cuaternari. Relația servește ca verificare la clasificarea atomilor.

Exemplu rezolvat 1: clasificarea atomilor de carbon din 2,2,4-trimetilpentan (izooctan), $(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3{)}_3\mathrm{C}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{CH}(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3{)}_2$.

1. Atomul C2 este legat de patru atomi de carbon (C1, C3 și două grupe metil): cuaternar.
2. Atomul C3, grupa $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$, este legat de C2 și de C4: secundar.
3. Atomul C4 este legat de C3, de C5 și de o grupă metil: terțiar.
4. Cele cinci grupe $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$ au câte o covalență C–C: cinci atomi primari.
5. Verificare: $5+1+1+1=8$ atomi de carbon, formula ${\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_{18}$; relația primari $=2+1+2\cdot 1=5$ se verifică.

Exemplu rezolvat 2: tipul catenei pornind de la formula ${\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_{10}$.

1. $N.E.=(2\cdot 5+2-10)/2=1$: structura are o legătură dublă sau un ciclu.
2. Cu o dublă legătură: pent-1-ena, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2=\mathrm{CH}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$, este aciclică, liniară și nesaturată; 2-metilbut-2-ena, $(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3{)}_2\mathrm{C}=\mathrm{CH}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$, este aciclică, ramificată și nesaturată.
3. Cu un ciclu: ciclopentanul este ciclic și saturat; metilciclobutanul este tot ciclic și saturat, dar poartă o ramură (grupa metil).

Toate cele patru substanțe au aceeași formulă moleculară, dar catene diferite.

Exemplu rezolvat 3: clasificarea atomilor de carbon din 3-etil-2-metilpentan, $(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3{)}_2\mathrm{CH}-\mathrm{CH}({\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5)-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$.

1. Catena principală are cinci atomi de carbon; C2 poartă o grupă metil, iar C3 poartă o grupă etil. Formula este ${\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_{18}$.
2. C2 este legat de C1, de C3 și de metil: trei covalențe C–C, deci terțiar. C3 este legat de C2, de C4 și de $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$ din etil: tot terțiar.
3. Grupa $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$ din etil și C4 au câte două covalențe C–C: doi atomi secundari.
4. Patru grupe $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$ (C1, metilul de la C2, metilul din etil, C5) sunt primare.
5. Verificare: $4+2+2=8$ atomi de carbon, iar primarii sunt $2+2+2\cdot 0=4$.

Exemplu (complement simplu). Câți atomi de carbon primari, secundari, terțiari și cuaternari are 2,2,3-trimetilbutanul?

1. Formula este $(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3{)}_3\mathrm{C}-\mathrm{CH}(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3{)}_2$, adică ${\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_{16}$.
2. Primari sunt cele cinci grupe $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$; terțiar este grupa $\mathrm{CH}$, legată de trei atomi de carbon; cuaternar este atomul C legat de patru atomi de carbon; secundari nu există.
3. Control: $5+1+1=7$ atomi de carbon, iar $2+1+2\cdot 1=5$ primari.

Exemplu (alcan cu atomi terțiari și cuaternari). Un alcan aciclic are 3 atomi de carbon terțiari și 1 cuaternar. Din relația atomilor primari: $2+3+2\cdot 1=7$ atomi primari.

Exemplu (complement grupat). Conțin cel puțin un atom de carbon terțiar:

1. propina
2. etena
3. izobutanul
4. etanul

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte.
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte.
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte.
• D. Numai 4 este corectă.
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false.

Rezolvare: în propină, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3-\mathrm{C}\equiv \mathrm{CH}$, carbonul terminal are trei covalențe C–C, deci este terțiar (1 adevărată). În etenă ambii atomi sunt secundari, fiecare cu două covalențe C–C (2 falsă). În izobutan, $\mathrm{CH}(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3{)}_3$, grupa $\mathrm{CH}$ este legată de trei atomi de carbon (3 adevărată). În etan ambii atomi sunt primari (4 falsă). Răspuns corect: B.

Atomi de carbon în hidrocarburi nesaturate. În propină, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3-\mathrm{C}\equiv \mathrm{CH}$, carbonul metil este primar, carbonul central este cuaternar (o covalență simplă și trei din legătura triplă), iar carbonul terminal este terțiar. În ciclohexenă, ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}$, cei doi atomi ai dublei legături au câte trei covalențe C–C și sunt terțiari, iar ceilalți patru atomi sunt secundari.

Nesaturarea echivalentă. Ciclohexanul, ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}$, are $N.E.=1$, deși toate legăturile sunt simple; ciclohexena, ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{10}$, are $N.E.=2$.

Greșeli frecvente

• Greșit: Ciclohexanul are $N.E.=0$, deoarece toate legăturile C–C sunt simple.
  Corect: Catena este saturată, dar ciclul contribuie cu 1 la nesaturarea echivalentă.
• Greșit: În etenă, fiecare C este primar pentru că are un singur vecin carbon.
  Corect: Legătura dublă reprezintă două covalențe C–C; fiecare C este secundar.
• Greșit: Un atom de carbon din ciclu este întotdeauna secundar.
  Corect: Tipul depinde de numărul covalențelor C–C; în metilciclohexan, atomul care poartă grupa metil este terțiar.
• Greșit: Catena ramificată are alt număr de atomi de carbon decât cea liniară cu aceeași formulă.
  Corect: Butanul și 2-metilpropanul au amândoi patru atomi de carbon și formula ${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_{10}$; diferă modul de legare.

Înainte și după