Formule organice

Formula brută (empirică) arată cel mai simplu raport al atomilor; formula moleculară arată numărul lor real; formula structurală arată legăturile. Pentru etena ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_4$, formula brută este $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$, iar formula structurală $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2=\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$. Nesaturarea echivalentă, numită și indice de insaturare, numără inelele și legăturile multiple: o legătură dublă sau un inel contribuie cu 1, o legătură triplă cu 2. Pentru formula ${\mathrm{C}}_{\mathrm{c}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{h}}{\mathrm{N}}_{\mathrm{n}}{\mathrm{X}}_{\mathrm{x}}$, $I=(2c+2+n-h-x)/2$, unde X este halogen; oxigenul nu intră în expresie.

Formula structurală. Formula moleculară ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_6\mathrm{O}$ nu deosebește etanolul de dimetileter; numai formula structurală arată ordinea în care sunt legați atomii. Formula plană desenează toți atomii și toate legăturile. Formula condensată (restrânsă) grupează atomii de hidrogen pe fiecare carbon: $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{OH}$ pentru etanol, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3-\mathrm{O}-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$ pentru dimetileter.

De la o formulă la alta. Din compoziția procentuală se află formula brută. Formula moleculară se obține înmulțind indicii formulei brute cu $k=M/M_{\mathrm{br}}$, unde $M$ este masa molară a substanței, iar $M_{\mathrm{br}}$ este masa formulei brute. Formula structurală se alege apoi dintre structurile compatibile cu formula moleculară.

Formula procentuală și raportul de masă. Formula procentuală dă procentele masice ale elementelor. Raportul de masă dintre elemente rezultă din formula moleculară: în etenă, ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_4$, raportul de masă C:H este $24:4=6:1$, iar procentul de carbon este $\frac{24}{28}\cdot 100=85,7\%$. Toate alchenele au același raport de masă C:H, deoarece au aceeași formulă brută, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$.

Verificarea valențelor. O formulă structurală este corectă dacă fiecare atom are numărul lui de covalențe: C 4, N 3, O 2, H 1, halogen 1. O legătură dublă numără două covalențe, iar una triplă trei. Suma valențelor tuturor atomilor este de două ori numărul legăturilor.

Cum se interpretează nesaturarea echivalentă $I$.

• $I=0$: compus saturat, fără cicluri;
• $I=1$: o legătură dublă sau un ciclu;
• $I=2$: două legături duble, o legătură triplă, un ciclu și o legătură dublă sau două cicluri;
• $I\ge 4$: ciclul benzenic este posibil, deoarece benzenul are $I=4$.

Oxigenul și sulful nu modifică $I$: ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_6\mathrm{O}$ are același indice ca ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_6$, adică 0. Azotul se adaugă la numărătorul formulei, deci ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_7\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2$ are $I=(8+1-7)/2=1$. Un halogen se numără ca un atom de hidrogen: ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{Cl}$ are $I=0$.

Exemplu rezolvat 1: structurile cu formula ${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_8$.

1. $I=(2\cdot 4+2-8)/2=1$.
2. O unitate de nesaturare înseamnă o legătură dublă sau un ciclu.
3. Cu legătură dublă: but-1-ena, but-2-ena și 2-metilpropena; cu ciclu: ciclobutanul și metilciclopropanul.
4. Verificăm fiecare structură: patru atomi de carbon, opt atomi de hidrogen, carbonul tetravalent.

Exemplu rezolvat 2: formula unei hidrocarburi cu 85,7% C și $M=84$ g/mol.

1. Procentul de hidrogen este $100-85,7=14,3\%$.
2. Cantitățile de substanță: $85,7/12=7,14$ mol C și $14,3/1=14,3$ mol H; raportul este $1:2$, deci formula brută este $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$, cu masa 14 g/mol.
3. $k=84/14=6$, deci formula moleculară este ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}$.
4. $I=(14-12)/2=1$: structura are o legătură dublă sau un ciclu.

Exemplu rezolvat 3: structuri pentru ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_7\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2$.

1. $I=(2\cdot 3+2+1-7)/2=1$.
2. Unitatea de nesaturare poate fi o legătură dublă din grupa $-\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2$ sau din grupa $\mathrm{C}=\mathrm{O}$.
3. Structuri compatibile: 1-nitropropan, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2-\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2$; 2-nitropropan, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{CH}(\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2)\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$; alanina, $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{CH}(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2)\mathrm{COOH}$.
4. Cele trei substanțe au aceeași formulă moleculară, dar grupe funcționale și proprietăți diferite.

Exemplu rezolvat 4: benzenul. Formula brută este $\mathrm{CH}$ (13 g/mol), iar masa molară este 78 g/mol. Factorul este $k=78/13=6$, deci formula moleculară este ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_6$, cu $I=(14-6)/2=4$.

Exemplu (complement grupat). Sunt corecte afirmațiile:

1. formula moleculară ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_6\mathrm{O}$ corespunde unui singur compus
2. formula brută a acidului lactic, ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_6{\mathrm{O}}_3$, este $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$
3. ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_7\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2$ are nesaturarea echivalentă 2
4. hexena, ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}$, și ciclohexanul au aceeași nesaturare echivalentă

• 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: afirmația 1 este falsă, deoarece ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_6\mathrm{O}$ corespunde etanolului și dimetileterului. Afirmația 2 este adevărată: ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_6{\mathrm{O}}_3$ se împarte la 3. Afirmația 3 este falsă: $I=(2\cdot 3+2+1-7)/2=1$. Afirmația 4 este adevărată: ambele au $I=(14-12)/2=1$. Răspuns corect: C.

Exemplu. O hidrocarbură conține 90% C și are masa molară 120 g/mol. Care este formula moleculară și nesaturarea echivalentă?

1. Hidrogenul reprezintă 10%. Raport molar: $90/12:10/1=7,5:10=3:4$, deci formula brută este ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_4$, cu masa 40 g/mol.
2. $k=120/40=3$, deci formula moleculară este ${\mathrm{C}}_9{\mathrm{H}}_{12}$.
3. $I=(2\cdot 9+2-12)/2=4$; formula corespunde unui derivat al benzenului, de exemplu trimetilbenzenul.

Exemplu. O hidrocarbură cu formula brută $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$ și masa molară 70 g/mol are $k=70/14=5$, deci formula ${\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_{10}$.

Exemplu. Formula ${\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_8$ are $I=(16-8)/2=4$, valoare compatibilă cu un inel benzenic și o grupă metil: toluenul, ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5-\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3$.

Exemplu. Formula ${\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_{10}\mathrm{O}$ are $I=(12-10)/2=1$. Unitatea de nesaturare poate fi dubla legătură C=O din pentanal sau din pentan-2-onă, o dublă legătură C=C într-un alcool nesaturat sau un ciclu într-un eter ciclic.

Exemplu. Formula brută $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ și masa molară 90 g/mol dau $k=90/30=3$, adică ${\mathrm{C}}_3{\mathrm{H}}_6{\mathrm{O}}_3$, formula acidului lactic.

Exemplu. O hidrocarbură are 88,89% C și densitatea relativă față de hidrogen 27.

1. $M=2\cdot 27=54$ g/mol; hidrogenul reprezintă $11,11\%$.
2. Raport molar: $88,89/12:11,11/1=7,41:11,11=2:3$, deci formula brută este ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_3$, cu masa 27 g/mol.
3. $k=54/27=2$, deci formula moleculară este ${\mathrm{C}}_4{\mathrm{H}}_6$, iar $I=(10-6)/2=2$.
4. Structurile aciclice posibile sunt patru: but-1-ina, but-2-ina, buta-1,2-diena și buta-1,3-diena.

Valoarea lui $I$ pentru o moleculă neutră trebuie să fie un număr întreg, pozitiv sau zero. O valoare negativă sau fracționară arată o formulă incompatibilă ori o valență greșită.

Greșeli frecvente

• Greșit: $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$ este formula moleculară a etenei.
  Corect: $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2$ este formula brută; molecula de etenă este ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_4$.
• Greșit: Indicele de insaturare 1 dovedește obligatoriu o legătură dublă.
  Corect: Valoarea 1 corespunde fie unei legături duble, fie unui ciclu; formula moleculară singură nu le deosebește.
• Greșit: Oxigenul influențează nesaturarea echivalentă, deci ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_6\mathrm{O}$ are $I=1$.
  Corect: Oxigenul și sulful nu intră în formulă; ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_6\mathrm{O}$ are $I=0$.
• Greșit: Atomul de azot se scade din numărător ca un halogen.
  Corect: Azotul se adună; halogenul se scade, ca un atom de hidrogen.

Înainte și după