Chapter-12 Organic Chemistry Some Basic Principles and Techniques
In the previous unit you have learnt that the element carbon has the unique property called catenation due to which it forms covalent bonds with other carbon atoms. It also forms covalent bonds with atoms of other elements like hydrogen, oxygen, nitrogen, sulphur, phosphorus and halogens. The resulting compounds are studied under a separate branch of chemistry called organic chemistry. This unit incorporates some basic principles and techniques of analysis required for understanding the formation and properties of organic compounds.
12.1 GENERAL INTRODUCTION
Organic compounds are vital for sustaining life on earth and include complex molecules like genetic information bearing deoxyribonucleic acid (DNA) and proteins that constitute essential compounds of our blood, muscles and skin. Organic compounds appear in materials like clothing, fuels, polymers, dyes and medicines. These are some of the important areas of application of these compounds.
Science of organic chemistry is about two hundred years old. Around the year 1780, chemists began to distinguish between organic compounds obtained from plants and animals and inorganic compounds prepared from mineral sources. Berzilius, a Swedish chemist proposed that a ‘vital force’ was responsible for the formation of organic compounds. However, this notion was rejected in 1828 when F. Wohler synthesised an organic compound, urea from an inorganic compound, ammonium cyanate.
$$\begin{array}{ll}\mathrm{NH}_4 \mathrm{CNO} \xrightarrow{\text { Heat }} & \mathrm{NH}_2 \mathrm{CONH}_2 \\ \text { Ammonium cyanate } & \text { Urea }\end{array}$$
The pioneering synthesis of acetic acid by Kolbe (1845) and that of methane by Berthelot (1856) showed conclusively that organic compounds could be synthesised from inorganic sources in a laboratory.
The development of electronic theory of covalent bonding ushered organic chemistry into its modern shape.
12.2 TETRAVALENCE OF CARBON: SHAPES OF ORGANIC COMPOUNDS
12.2.1 The Shapes of Carbon Compounds
The knowledge of fundamental concepts of molecular structure helps in understanding and predicting the properties of organic compounds. You have already learnt theories of valency and molecular structure in Unit 4. Also, you already know that tetravalence of carbon and the formation of covalent bonds by it are explained in terms of its electronic configuration and the hybridisation of $s$ and $p$ orbitals. It may be recalled that formation and the shapes of molecules like methane $\left(\mathrm{CH}_{4}\right)$, ethene $\left(\mathrm{C}_2 \mathrm{H}_4\right)$, ethyne $\left(\mathrm{C}_2 \mathrm{H}_2\right)$ are explained in terms of the use of $s p^{3}, s p^{2}$ and $s p$ hybrid orbitals by carbon atoms in the respective molecules.
Hybridisation influences the bond length and bond enthalpy (strength) in compounds. The $s p$ hybrid orbital contains more $s$ character and hence it is closer to its nucleus and forms shorter and stronger bonds than the $s p^{3}$ hybrid orbital. The $s p^{2}$ hybrid orbital is intermediate in $s$ character between $s p$ and $s p^{3}$ and, hence, the length and enthalpy of the bonds it forms, are also intermediate between them. The change in hybridisation affects the electronegativity of carbon. The greater the $s$ character of the hybrid orbitals, the greater is the electronegativity. Thus, a carbon atom having an $s p$ hybrid orbital with $50 \% s$ character is more electronegative than that possessing $s p^{2}$ or $s p^{3}$ hybridised orbitals. This relative electronegativity is reflected in several physical and chemical properties of the molecules concerned, about which you will learn in later units.
12.2.2 Some Characteristic Features of $\pi$ Bonds
In a $\pi$ (pi) bond formation, parallel orientation of the two $p$ orbitals on adjacent atoms is necessary for a proper sideways overlap. Thus, in $\mathrm{H_2} \mathrm{C}=\mathrm{CH_2}$ molecule all the atoms must be in the same plane. The $p$ orbitals are mutually parallel and both the $p$ orbitals are perpendicular to the plane of the molecule. Rotation of one $\mathrm{CH_2}$ fragment with respect to other interferes with maximum overlap of $p$ orbitals and, therefore, such rotation about carbon-carbon double bond $(\mathrm{C}=\mathrm{C})$ is restricted. The electron charge cloud of the $\pi$ bond is located above and below the plane of bonding atoms. This results in the electrons being easily available to the attacking reagents. In general, $\pi$ bonds provide the most reactive centres in the molecules containing multiple bonds.
Problem 12.1
How many $\sigma$ and $\pi$ bonds are present in each of the following molecules?
(a) $\mathrm{HC} \equiv \mathrm{CCH}=\mathrm{CHCH_3}$ (b) $\mathrm{CH_2}=\mathrm{C}=\mathrm{CHCH_3}$
Solution
(a) $\sigma_{\mathrm{C}-\mathrm{C}}: 4 ; \sigma_{\mathrm{C}-\mathrm{H}}: 6 ; \pi_{\mathrm{C}=\mathrm{C}}: 1 ; \pi \mathrm{C} \equiv \mathrm{C}: 2$
(b) $\sigma_{\mathrm{C}-\mathrm{C}}: 3 ; \sigma_{\mathrm{C}-\mathrm{H}}: 6 ; \pi_{\mathrm{C}=\mathrm{C}}: 2$.
Problem 12.2
What is the type of hybridisation of each carbon in the following compounds?
(a) $\mathrm{CH_3} \mathrm{Cl}$, (b) $\left(\mathrm{CH_3}\right)_{2} \mathrm{CO}$, (c) $\mathrm{CH_3} \mathrm{CN}$, (d) $\mathrm{HCONH_2}$, (e) $\mathrm{CH_3} \mathrm{CH}=\mathrm{CHCN}$
Solution
(a) $s p^{3}$, (b) $s p^{3}, s p^{2}$, (c) $s p^{3}, s p$, (d) $s p^{2}$, (e) $s p^{3}, s p^{2}, s p^{2}, s p$
Problem 12.3
Write the state of hybridisation of carbon in the following compounds and shapes of each of the molecules.
(a) $\mathrm{H_2} \mathrm{C}=\mathrm{O}$, (b) $\mathrm{CH_3} \mathrm{~F}$, (c) $\mathrm{HC} \equiv \mathrm{N}$.
Solution
(a) $s p^{2}$ hybridised carbon, trigonal planar; (b) $s p^{3}$ hybridised carbon, tetrahedral; (c) $s p$ hybridised carbon, linear.
12.3STRUCTURAL REPRESENTATIONS OF ORGANIC COMPOUNDS
12.3.1 Complete, Condensed and Bond-line
Complete, Condensed and Bond-line Structural Formulas Structures of organic compounds are represented in several ways. The Lewis structure or dot structure, dash structure, condensed structure and bond line structural formulas are some of the specific types. The Lewis structures, however, can be simplified by representing the two-electron covalent bond by a dash (-). Such a structural formula focuses on the electrons involved in bond formation. A single dash represents a single bond, double dash is used for double bond and a triple dash represents triple bond. Lonepairs of electrons on heteroatoms (e.g., oxygen, nitrogen, sulphur, halogens etc.) may or may not be shown. Thus, ethane $\left(\mathrm{C_2} \mathrm{H_6}\right)$, ethene $\left(\mathrm{C_2} \mathrm{H_4}\right)$, ethyne $\left(\mathrm{C_2} \mathrm{H_2}\right)$ and methanol $\left(\mathrm{CH_3} \mathrm{OH}\right)$ can be represented by the following structural formulas. Such structural representations are called complete structural formulas.
These structural formulas can be further abbreviated by omitting some or all of the dashes representing covalent bonds and by indicating the number of identical groups attached to an atom by a subscript. The resulting expression of the compound is called a condensed structural formula. Thus, ethane, ethene, ethyne and methanol can be written as:
$$ \begin{array}{cccc} \underset{\text{Ethane}}{\mathrm{CH_3CH_3}} & \underset{\text{Ethene}}{\mathrm{H_2C}=\mathrm{CH_2}} & \underset{\text{Ethyne}}{\mathrm{HC}=\mathrm{HC}} & \underset{\text{Methanol}}{\mathrm{CH_3} \mathrm{OH}} \end{array} $$
Similarly, $\mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{CH_3}$ can be further condensed to $\mathrm{CH_3}\left(\mathrm{CH_2}\right)_{6} \mathrm{CH_3}$. For further simplification, organic chemists use another way of representing the structures, in which only lines are used. In this bond-line structural representation of organic compounds, carbon and hydrogen atoms are not shown and the lines representing carbon-carbon bonds are drawn in a zig-zag fashion. The only atoms specifically written are oxygen, chlorine, nitrogen etc. The terminals denote methyl $\left(-\mathrm{CH_3}\right)$ groups (unless indicated otherwise by a functional group), while the line junctions denote carbon atoms bonded to appropriate number of hydrogens required to satisfy the valency of the carbon atoms. Some of the examples are represented as follows:
(i) 3-Methyloctane can be represented in various forms as:
(ii) Various ways of representing 2-bromo butane are:
In cyclic compounds, the bond-line formulas may be given as follows:
Problem 12.4
Expand each of the following condensed formulas into their complete structural formulas.
(a) $\mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{COCH_2} \mathrm{CH_3}$
(b) $\mathrm{CH_3} \mathrm{CH}=\mathrm{CH}\left(\mathrm{CH_2}\right)_{3} \mathrm{CH_3}$
Solution
Problem 12.5
For each of the following compounds, write a condensed formula and also their bond-line formula.
(a) $\mathrm{HOCH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{CH} \left(\mathrm{CH_3} \right) \mathrm{CH} \left(\mathrm{CH_3} \right) \mathrm{CH_3}$
(b)
Solution
Condensed formula:
(a) $\mathrm{HO}\left(\mathrm{CH_2}\right)_3 \mathrm{CH}\left(\mathrm{CH_3}\right) \mathrm{CH}\left(\mathrm{CH_3}\right)_2$
(b) $\mathrm{HOCH}(\mathrm{CN})_{2}$
Bond-line formula:
Problem 12.6
Expand each of the following bond-line formulas to show all the atoms including carbon and hydrogen
Solution
12.3.2 Three-Dimensional Representation of Organic Molecules
The three-dimensional (3-D) structure of organic molecules can be represented on paper by using certain conventions. For example, by using solid (-) and dashed ( …IIII) wedge formula, the 3 -D image of a molecule from a two-dimensional picture can be perceived. In these formulas the solid-wedge is used to indicate a bond projecting out of the plane of paper, towards the observer. The dashed-wedge is used to depict the bond projecting out of the plane of the paper and away from the observer. Wedges are shown in such a way that the broad end of the wedge is towards the observer. The bonds lying in plane of the paper are depicted by using a normal line ($-$). 3-D representation of methane molecule on paper has been shown in Fig. 12.1.
Fig. 12.1 Wedge-and-dash representation of CH4
Molecular Models
Molecular models are physical devices that are used for a better visualisation and perception of three-dimensional shapes of organic molecules. These are made of wood, plastic or metal and are commercially available. Commonly three types of molecular models are used: (1) Framework model, (2) Ball-and-stick model, and (3) Space filling model. In the framework model only the bonds connecting the atoms of a molecule and not the atoms themselves are shown. This model emphasizes the pattern of bonds of a molecule while ignoring the size of atoms. In the ball-and-stick model, both the atoms and the bonds are shown. Balls represent atoms and the stick denotes a bond. Compounds containing $\mathrm{C}=\mathrm{C}$ (e.g., ethene) can best be represented by using springs in place of sticks. These models are referred to as ball-and-spring model. The space-filling model emphasises the relative size of each atom based on its van der Waals radius. Bonds are not shown in this model. It conveys the volume occupied by each atom in the molecule. In addition to these models, computer graphics can also be used for molecular modelling.
12.4 CLASSIFICATION OF ORGANIC COMPOUNDS
The existing large number of organic compounds and their ever-increasing numbers has made it necessary to classify them on the basis of their structures. Organic compounds are broadly classified as follows:
I. Acyclic or open chain compounds
These compounds are also called as aliphatic compounds and consist of straight or branched chain compounds, for example:
II Cyclic or closed chain or ring compounds
(a) Alicyclic compounds
Alicyclic (aliphatic cyclic) compounds contain carbon atoms joined in the form of a ring (homocyclic).
Sometimes atoms other than carbon are also present in the ring (heterocylic). Tetrahydrofuran given below is an example of this type of compound:
These exhibit some of the properties similar to those of aliphatic compounds.
(b) Aromatic compounds
Aromatic compounds are special types of compounds. You will learn about these compounds in detail in Unit 9. These include benzene and other related ring compounds (benzenoid). Like alicyclic compounds, aromatic comounds may also have hetero atom in the ring. Such compounds are called hetrocyclic aromatic compounds. Some of the examples of various types of aromatic compounds are:
Benzenoid aromatic compounds
Non-benzenoid compound
Heterocyclic aromatic compounds
Organic compounds can also be classified on the basis of functional groups, into families or homologous series.
12.4.1 Functional Group
The functional group is an atom or a group of atoms joined to the carbon chain which is responsible for the characteristic chemical properties of the organic compounds. The examples are hydroxyl group (-OH), aldehyde group (-CHO) and carboxylic acid group $(\mathrm{COOH})$ etc.
12.4.2 Homologous Series
A group or a series of organic compounds each containing a characteristic functional group forms a homologous series and the members of the series are called homologues. The members of a homologous series can be represented by general molecular formula and the successive members differ from each other in molecular formula by a $-\mathrm{CH_2}$ unit. There are a number of homologous series of organic compounds. Some of these are alkanes, alkenes, alkynes, haloalkanes, alkanols, alkanals, alkanones, alkanoic acids, amines etc.
It is also possible that a compound contains two or more identical or different functional groups. This gives rise to polyfunctional compounds.
12.5 NOMENCLATURE OF ORGANIC COMPOUNDS
Organic chemistry deals with millions of compounds. In order to clearly identify them, a systematic method of naming has been developed and is known as the IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) system of nomenclature. In this systematic nomenclature, the names are correlated with the structure such that the reader or listener can deduce the structure from the name.
Before the IUPAC system of nomenclature, however, organic compounds were assigned names based on their origin or certain properties. For instance, citric acid is named so because it is found in citrus fruits and the acid found in red ant is named formic acid since the Latin word for ant is formica. These names are traditional and are considered as trivial or common names. Some common names are followed even today. For example, Buckminsterfullerene is a common name given to the newly discovered $\mathrm{C_60}$ cluster (a form of carbon) noting its structural similarity to the geodesic domes popularised by the famous architect R. Buckminster Fuller. Common names are useful and in many cases indispensable, particularly when the alternative systematic names are lengthy and complicated. Common names of some organic compounds are given in Table 12.1.
Table 12.1 Common or Trivial Names of Some Organic Compounds
Compound | Common name |
---|---|
$\mathrm{CH_4}$ | Methane |
$\mathrm{H_3} \mathrm{CCH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{CH_3}$ | $n$-Butane |
$\left(\mathrm{H_3} \mathrm{C_2} \mathrm{CHCH_3}\right.$ | Isobutane |
$\left(\mathrm{H_3} \mathrm{C}\right)_{4} \mathrm{C}$ | Neopentane |
$\mathrm{H_3} \mathrm{CCH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{OH}$ | $n$-Propyl alcohol |
$\mathrm{HCHO}$ | Formaldehyde |
$\left(\mathrm{H_3} \mathrm{C}\right)_{2} \mathrm{CO}$ | Acetone |
$\mathrm{CHCl_3}$ | Chloroform |
$\mathrm{CH_3} \mathrm{COOH}$ | Acetic acid |
$\mathrm{C_6} \mathrm{H_6}$ | Benzene |
$\mathrm{C_6} \mathrm{H_5} \mathrm{OCH_3}$ | Anisole |
$\mathrm{C_6} \mathrm{H_5} \mathrm{NH_2}$ | Aniline |
$\mathrm{C_6} \mathrm{H_5} \mathrm{COCH_3}$ | Acetophenone |
$\mathrm{CH_3} \mathrm{OCH_2} \mathrm{CH_3}$ | Ethyl methyl ether |
12.5.1 The IUPAC System of Nomenclature
A systematic name of an organic compound is generally derived by identifying the parent hydrocarbon and the functional group(s) attached to it. See the example given below.
By further using prefixes and suffixes, the parent name can be modified to obtain the actual name. Compounds containing carbon and hydrogen only are called hydrocarbons. A hydrocarbon is termed saturated if it contains only carbon-carbon single bonds. The IUPAC name for a homologous series of such compounds is alkane. Paraffin (Latin: little affinity) was the earlier name given to these compounds. Unsaturated hydrocarbons are those, which contain at least one carboncarbon double or triple bond.
12.5.2 IUPAC Nomenclature of Alkanes
Straight chain hydrocarbons: The names of such compounds are based on their chain structure, and end with suffix ‘-ane’ and carry a prefix indicating the number of carbon atoms present in the chain (except from $\mathrm{CH_4}$ to $\mathrm{C_4} \mathrm{H_10}$, where the prefixes are derived from trivial names). The IUPAC names of some straight chain saturated hydrocarbons are given in Table 8.2. The alkanes in Table 12.2 differ from each other by merely the number of $-\mathrm{CH_2}$ groups in the chain. They are homologues of alkane series.
Table 12.2 IUPAC Names of Some Unbranched Saturated Hydrocarbons
Name | Molecular formula | Name | Molecular formula |
---|---|---|---|
Methane | $\mathrm{CH_4}$ | Heptane | $\mathrm{C_7} \mathrm{H_16}$ |
Ethane | $\mathrm{C_2} \mathrm{H_6}$ | Octane | $\mathrm{C_8} \mathrm{H_18}$ |
Propane | $\mathrm{C_3} \mathrm{H_8}$ | Nonane | $\mathrm{C_9} \mathrm{H_20}$ |
Butane | $\mathrm{C_4} \mathrm{H_10}$ | Decane | $\mathrm{C_10} \mathrm{H_22}$ |
Pentane | $\mathrm{C_5} \mathrm{H_12}$ | Icosane | $\mathrm{C_20} \mathrm{H_42}$ |
Hexane | $\mathrm{C_6} \mathrm{H_14}$ | Triacontane | $\mathrm{C_30} \mathrm{H_62}$ |
Branched chain hydrocarbons: In a branched chain compound small chains of carbon atoms are attached at one or more carbon atoms of the parent chain. The small carbon chains (branches) are called alkyl groups. For example:
In order to name such compounds, the names of alkyl groups are prefixed to the name of parent alkane. An alkyl group is derived from a saturated hydrocarbon by removing a hydrogen atom from carbon. Thus, $\mathrm{CH_4}$ becomes $-\mathrm{CH_3}$ and is called methyl group. An alkyl group is named by substituting ’ $y$ l’ for ‘ane’ in the corresponding alkane. Some alkyl groups are listed in Table 12.3.
Table 12.3 Some Alkyl Groups
Alkane | Alkyl group | ||
---|---|---|---|
Molecular formula | Name of alkane | Structural formula | Name of alkyl group |
$\mathrm{CH_4}$ | Methane | $-\mathrm{CH_3}$ | Methyl |
$\mathrm{C_2} \mathrm{H_6}$ | Ethane | $-\mathrm{CH_2} \mathrm{CH_3}$ | Ethyl |
$\mathrm{C_3} \mathrm{H_8}$ | Propane | $-\mathrm{CH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{CH_3}$ | Propyl |
$\mathrm{C_4} \mathrm{H_10}$ | Butane | $-\mathrm{CH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{CH_3}$ | Butyl |
$\mathrm{C_10} \mathrm{H_22}$ | Decane | $-\mathrm{CH_2}\left(\mathrm{CH_2}\right)_{8} \mathrm{CH_3}$ | Decyl |
Alkane | Alkyl group | ||
---|---|---|---|
Molecular formula |
Name of alkane |
Structural formula |
Name of alkyl group |
$\mathrm{CH}_4$ | Methane | $-\mathrm{CH}_3$ | Methyl |
$\mathrm{C}_2 \mathrm{H}_6$ | Ethane | $-\mathrm{CH}_2 \mathrm{CH}_3$ | Ethyl |
$\mathrm{C}_3 \mathrm{H}_8$ | Propane | $-\mathrm{CH}_2 \mathrm{CH}_2 \mathrm{CH}_3$ | Propyl |
$\mathrm{C} _4 \mathrm{H} _{10}$ | Butane | $-\mathrm{CH} _2 \mathrm{CH} _2 \mathrm{CH} _2 \mathrm{CH} _3$ | Butyl |
$\mathrm{C} _{10} \mathrm{H} _{22}$ | Decane | $-\mathrm{CH} _2\left(\mathrm{CH} _2\right) _8 \mathrm{CH} _3$ | Decyl |
Abbreviations are used for some alkyl groups. For example, methyl is abbreviated as Me, ethyl as Et, propyl as Pr and butyl as Bu. The alkyl groups can be branched also. Thus, propyl and butyl groups can have branched structures as shown below.Common branched groups have specific trivial names. For example, the propyl groups can either be n-propyl group or isopropyl group. The branched butyl groups are called sec-butyl, isobutyl and tert-butyl group. We also encounter the structural unit, $-\mathrm{CH_2} \mathrm{C}\left(\mathrm{CH_3}\right)_{3}$, which is called neopentyl group.
Nomenclature of branched chain alkanes: We encounter a number of branched chain alkanes. The rules for naming them are given below.
1. First of all, the longest carbon chain in the molecule is identified. In the example (I) given below, the longest chain has nine carbons and it is considered as the parent or root chain. Selection of parent chain as shown in (II) is not correct because it has only eight carbons.
2. The carbon atoms of the parent chain are numbered to identify the parent alkane and to locate the positions of the carbon atoms at which branching takes place due to the substitution of alkyl group in place of hydrogen atoms. The numbering is done in such a way that the branched carbon atoms get the lowest possible numbers. Thus, the numbering in the above example should be from left to right (branching at carbon atoms 2 and 6) and not from right to left (giving numbers 4 and 8 to the carbon atoms at which branches are attached).
3. The names of alkyl groups attached as a branch are then prefixed to the name of the parent alkane and position of the substituents is indicated by the appropriate numbers. If different alkyl groups are present, they are listed in alphabetical order. Thus, name for the compound shown above is: 6-ethyl-2methylnonane. [Note: the numbers are separated from the groups by hyphens and there is no break between methyl and nonane.]
4. If two or more identical substituent groups are present then the numbers are separated by commas. The names of identical substituents are not repeated, instead prefixes such as di (for 2), tri (for 3), tetra (for 4), penta (for 5), hexa (for 6) etc. are used. While writing the name of the substituents in alphabetical order, these prefixes, however, are not considered. Thus, the following compounds are named as:
5. If the two substituents are found in equivalent positions, the lower number is given to the one coming first in the alphabetical listing. Thus, the following compound is 3-ethyl-6-methyloctane and not 6-ethyl-3-methyloctane.
6. The branched alkyl groups can be named by following the above mentioned procedures. However, the carbon atom of the branch that attaches to the root alkane is numbered 1 as exemplified below.
The name of such branched chain alkyl group is placed in parenthesis while naming the compound. While writing the trivial names of substituents’ in alphabetical order, the prefixes iso- and neo- are considered to be the part of the fundamental name of alkyl group. The prefixes sec- and tert- are not considered to be the part of the fundamental name. The use of iso and related common prefixes for naming alkyl groups is also allowed by the IUPAC nomenclature as long as these are not further substituted. In multisubstituted compounds, the following rules may aso be remembered:
- If there happens to be two chains of equal size, then that chain is to be selected which contains more number of side chains.
- After selection of the chain, numbering is to be done from the end closer to the substituent.
Cyclic Compounds: A saturated monocyclic compound is named by prefixing ‘cyclo’ to the corresponding straight chain alkane. If side chains are present, then the rules given above are applied. Names of some cyclic compounds are given below.
Problem 12.7
Structures and IUPAC names of some hydrocarbons are given below. Explain why the names given in the parentheses are incorrect.
Solution
(a) Lowest locant number, 2,5,6 is lower than 3,5,7, (b) substituents are in equivalent position; lower number is given to the one that comes first in the name according to alphabetical order.
12.5.3 Nomenclature of Organic Compounds having Functional Group(s)
A functional group, as defined earlier, is an atom or a group of atoms bonded together in a unique manner which is usually the site of chemical reactivity in an organic molecule. Compounds having the same functional group undergo similar reactions. For example, $\mathrm{CH_3} \mathrm{OH}, \mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{OH}$, and $\left(\mathrm{CH_3}\right)_{2} \mathrm{CHOH}-$ all having - $\mathrm{OH}$ functional group liberate hydrogen on reaction with sodium metal. The presence of functional groups enables systematisation of organic compounds into different classes. Examples of some functional groups with their prefixes and suffixes along with some examples of organic compounds possessing these are given in Table 12.4.
First of all, the functional group present in the molecule is identified which determines the choice of appropriate suffix. The longest chain of carbon atoms containing the functional group is numbered in such a way that the functional group is attached at the carbon atom possessing lowest possible number in the chain. By using the suffix as given in Table 12.4, the name of the compound is arrived at.
In the case of polyfunctional compounds, one of the functional groups is chosen as the principal functional group and the compound is then named on that basis. The remaining functional groups, which are subordinate functional groups, are named as substituents using the appropriate prefixes. The choice of principal functional group is made on the basis of order of preference. The order of decreasing priority for some functional groups is:
$-\mathrm{COOH},-\mathrm{SO_3} \mathrm{H},-\mathrm{COOR} \text{(R=alkyl group)}, \mathrm{COCl}, -\mathrm{CONH_2},-\mathrm{CN},-\mathrm{HC}=\mathrm{O},>\mathrm{C}=\mathrm{O},-\mathrm{OH},-\mathrm{NH_2},> \mathbf{C}=\mathbf{C}<, \quad-\mathbf{C} \equiv \mathbf{C}-$.
The $-\mathrm{R}, \mathrm{C_6} \mathrm{H_5}-$, halogens ( $\left.\mathrm{F}, \mathrm{Cl}, \mathrm{Br}, \mathrm{I}\right),-\mathrm{NO_2}$, alkoxy (-OR) etc. are always prefix substituents. Thus, a compound containing both an alcohol and a keto group is named as hydroxyalkanone since the keto group is preferred to the hydroxyl group.
For example, $\mathrm{HOCH_2}\left(\mathrm{CH_2}\right)_{3} \mathrm{CH_2} \mathrm{COCH_3}$ will be named as 7-hydroxyheptan-2-one and not as 2-oxoheptan -7-ol. Similarly, $\mathrm{BrCH_2} \mathrm{CH}=\mathrm{CH_2}$ is named as 3-bromoprop-1-ene and not 1 -bromoprop-2-ene.
If more than one functional group of the same type are present, their number is indicated by adding di, tri, etc. before the class suffix. In such cases the full name of the parent alkane is written before the class suffix. For example $\mathrm{CH_2}(\mathrm{OH}) \mathrm{CH_2}(\mathrm{OH})$ is named as ethane-1,2-diol. However, the ending - ne of the parent alkane is dropped in the case of compounds having more than one double or triple bond; for example, $\mathrm{CH_2}=\mathrm{CH}-\mathrm{CH}=\mathrm{CH_2}$ is named as buta-1,3-diene.
Problem 12.8
Write the IUPAC names of the compounds i-iv from their given structures.
Solution
- The functional group present is an alcohol (OH). Hence the suffix is ‘-ol’.
- The longest chain containing $-\mathrm{OH}$ has eight carbon atoms. Hence the corresponding saturated hydrocarbon is octane.
- The $-\mathrm{OH}$ is on carbon atom 3. In addition, a methyl group is attached at $6^{\text {th }}$ carbon.
Hence, the systematic name of this compound is 6-Methyloctan-3-ol.
Solution
The functional group present is ketone ( $>\mathrm{C}=\mathrm{O}$ ), hence suffix ‘-one’. Presence of two keto groups is indicated by ‘di’, hence suffix becomes ‘dione’. The two keto groups are at carbons 2 and 4 . The longest chain contains 6 carbon atoms, hence, parent hydrocarbon is hexane. Thus, the systematic name is Hexane-2,4-dione.
Table 12.4 Some Functional Groups and Classes of Organic Compounds
Class of compounds |
Functional group structure |
IUPAC group prefix |
IUPAC group suffix |
Example |
---|---|---|---|---|
Alkanes | - | - | -ane | Butane, $\mathrm{CH}_3\left(\mathrm{CH}_2\right)_2 \mathrm{CH}_3$ |
Alkenes | $>\mathrm{C}=\mathrm{C}<$ | - | -ene | But-1-ene, $\mathrm{CH}_2=\mathrm{CHCH}_2 \mathrm{CH}_3$ |
Alkynes | $-\mathrm{C} \equiv \mathrm{C}-$ | - | -yne | But-1-yne, $\mathrm{CH} \equiv \mathrm{CCH}_2 \mathrm{CH}_3$ |
Arenes | - | - | - | Benzene, |
Halides | $-\mathrm{X}$ $(\mathrm{X}=\mathrm{F}, \mathrm{Cl}, \mathrm{Br}, \mathrm{I})$ |
halo- | - | 1-Bromobutane. $\mathrm{CH}_3\left(\mathrm{CH}_2\right)_2 \mathrm{CH}_2 \mathrm{Br}$ |
Alcohols | $-\mathrm{OH}$ | hydroxy- | $-\mathrm{ol}$ | Butan-2-ol, |
Aldehydes | $-\mathrm{CHO}$ | formyl, or oxo |
Butanal, $\mathrm{CH}_3\left(\mathrm{CH}_2\right)_2 \mathrm{CHO}$ |
|
Ketones | $>\mathrm{C}=\mathrm{O}$ | Butan-2-one, $\mathrm{CH}_3 \mathrm{CH}_2 \mathrm{COCH}_3$ |
||
Nitriles | $-\mathrm{C} \equiv \mathrm{N}$ | I | Pentanenitrile, $\mathrm{CH}_3 \mathrm{CH}_2 \mathrm{CH}_2 \mathrm{CH}_2 \mathrm{CN}$ |
|
Ethers | -R-O-R- | alko | Ethoxyethane, $\mathrm{CH}_3 \mathrm{CH}_2 \mathrm{OCH}_2 \mathrm{CH}_3$ |
|
Carboxylic acids |
$-\mathrm{COOH}$ | carboxy | -oic acid | Butanoic acid, $\mathrm{CH}_3\left(\mathrm{CH}_2\right)_2 \mathrm{CO}_2 \mathrm{H}$ |
Carboxylate ions |
$-\mathrm{COO}^{-}$ | -oate | Sodium butanoate, $\mathrm{CH}_3\left(\mathrm{CH}_2\right)_2 \mathrm{CO}_2^{-} \mathrm{Na}^{+}$ |
|
Esters | -COOR | alkoxycarbonyl | -oate | Methyl propanoate, $\mathrm{CH}_3 \mathrm{CH}_2 \mathrm{COOCH}_3$ |
Acyl halides | $-\mathrm{COX}$ $(\mathrm{X}=\mathrm{F}, \mathrm{Cl}, \mathrm{Br}, \mathrm{I})$ |
halocarbonyl | -oyl halide | Butanoyl chloride, $\mathrm{CH}_3\left(\mathrm{CH}_2\right)_2 \mathrm{COCl}$ |
Amines | $-\mathrm{NH}_2$, $>\mathrm{NH},>\mathrm{N}-$ |
amino- | -amine | Butan-2-amine , $\mathrm{CH}_3 \mathrm{CHNH}_2 \mathrm{CH}_2 \mathrm{CH}_3$ |
Amides | $-\mathrm{CONH}_2$, - $\mathrm{CONHR}^2$, - $\mathrm{CONR}_2$ |
-carbamoyl | -amide | Butanamide, $\mathrm{CH}_3\left(\mathrm{CH}_2\right)_2 \mathrm{CONH}_2$ |
Nitro compounds |
$-\mathrm{NO}_2$ | nitro | - | 1-Nitrobutane, $\mathrm{CH}_3\left(\mathrm{CH}_2\right)_3 \mathrm{NO}_2$ |
Sulphonic acids |
$-\mathrm{SO}_3 \mathrm{H}$ | sulpho | sulphonic acid |
Methylsulphonic acid $\mathrm{CH}_3 \mathrm{SO}_3 \mathrm{H}$ |
Here, two functional groups namely ketone and carboxylic acid are present. The principal functional group is the carboxylic acid group; hence the parent chain will be suffixed with ‘oic’ acid. Numbering of the chain starts from carbon of - $\mathrm{COOH}$ functional group. The keto group in the chain at carbon 5 is indicated by ‘oxo’. The longest chain including the principal functional group has 6 carbon atoms; hence the parent hydrocarbon is hexane. The compound is, therefore, named as 5-Oxohexanoic acid.
(iv) $\underset{6}{\mathrm{CH}} \equiv \underset{5}{\mathrm{C}}-\underset{4}{\mathrm{CH}}=\underset{3}{\mathrm{CH}}-\underset{2}{\mathrm{CH}}=\underset{1}{\mathrm{CH_2}} $
Solution
The two $\mathrm{C}=\mathrm{C}$ functional groups are present at carbon atoms 1 and 3, while the $\mathrm{C} \equiv \mathrm{C}$ functional group is present at carbon 5 . These groups are indicated by suffixes ‘diene’ and ‘yne’ respectively. The longest chain containing the functional groups has 6 carbon atoms; hence the parent hydrocarbon is hexane. The name of compound, therefore, is Hexa-1,3dien-5-yne.
Problem 12.9
Derive the structure of (i) 2-Chlorohexane, (ii) Pent-4-en-2-ol, (iii) 3-Nitrocyclohexene, (iv) Cyclohex-2-en-1-ol, (v) 6-Hydroxyheptanal.
Solution
(i) ‘hexane’ indicates the presence of 6 carbon atoms in the chain. The functional group chloro is present at carbon 2. Hence, the structure of the compound is $\mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{CH}(\mathrm{Cl}) \mathrm{CH_3}$.
(ii) ‘pent’ indicates that parent hydrocarbon contains 5 carbon atoms in the chain. ’en’ and ‘ol’ correspond to the functional groups $\mathrm{C}=\mathrm{C}$ and $-\mathrm{OH}$ at carbon atoms 4 and 2 respectively. Thus, the structure is $ \mathrm{CH_2}=\mathrm{CHCH_2} \mathrm{CH}(\mathrm{OH}) \mathrm{CH_3} . $
(iii) Six membered ring containing a carbon-carbon double bond is implied by cyclohexene, which is numbered as shown in (I). The prefix 3-nitro means that a nitro group is present on $\mathrm{C}-3$. Thus, complete structural formula of the compound is (II). Double bond is suffixed functional group whereas $\mathrm{NO_2}$ is prefixed functional group therefore double bond gets preference over $-\mathrm{NO_2}$ group:
(iv) ‘1-ol’ means that a - $\mathrm{OH}$ group is present at $\mathrm{C}-1$. OH is suffixed functional group and gets preference over $\mathrm{C}=\mathrm{C}$ bond. Thus the structure is as shown in (II):
(v) ‘heptanal’ indicates the compound to be an aldehyde containing 7 carbon atoms in the parent chain. The ‘6-hydroxy’ indicates that - $\mathrm{OH}$ group is present at carbon 6 . Thus, the structural formula of the compound is: $\mathrm{CH_3} \mathrm{CH}(\mathrm{OH})$ $\mathrm{CH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{CHO}$. Carbon atom of $\mathrm{CHO}$ group is included while numbering the carbon chain.
12.5.4 Nomenclature of Substituted Benzene Compounds
For IUPAC nomenclature of substituted benzene compounds, the substituent is placed as prefix to the word benzene as shown in the following examples. However, common names (written in bracket below) of many substituted benzene compounds are also universally used.
If benzene ring is disubstituted, the position of substituents is defined by numbering the carbon atoms of the ring such that the substituents are located at the lowest numbers possible. For example, the compound(b) is named as 1,3-dibromobenzene and not as 1,5-dibromobenzene.
In the trivial system of nomenclature the terms ortho $(o)$, meta $(\mathrm{m})$ and para $(p)$ are used as prefixes to indicate the relative positions 1,2;1,3 and 1,4 respectively. Thus, 1,3-dibromobenzene (b) is named as $m$-dibromobenzene (meta is abbreviated as $m$-) and the other isomers of dibromobenzene 1,2-(a) and 1,4-(c), are named as ortho (or just $o^{-}$) and para (or just $p$-)-dibromobenzene, respectively.
For tri - or higher substituted benzene derivatives, these prefixes cannot be used and the compounds are named by identifying substituent positions on the ring by following the lowest locant rule. In some cases, common name of benzene derivatives is taken as the base compound.
Substituent of the base compound is assigned number 1 and then the direction of numbering is chosen such that the next substituent gets the lowest number. The substituents appear in the name in alphabetical order. Some examples are given below.
When a benzene ring is attached to an alkane with a functional group, it is considered as substituent, instead of a parent. The name for benzene as substituent is phenyl $\left(\mathrm{C_6} \mathrm{H_5}{ }^{-} \text{ , also abbreviated as } \mathrm{Ph} \right)$.
Problem 12.10
Write the structural formula of:
(a) o-Ethylanisole,
(b) $p$-Nitroaniline,
(c) 2,3-Dibromo - 1 - phenylpentane,
(d) 4-Ethyl-1-fluoro-2-nitrobenzene.
12.6 ISOMERISM
The phenomenon of existence of two or more compounds possessing the same molecular formula but different properties is known as isomerism. Such compounds are called as isomers. The following flow chart shows different types of isomerism.
12.6.1 Structural Isomerism
Compounds having the same molecular formula but different structures (manners in which atoms are linked) are classified as structural isomers. Some typical examples of different types of structural isomerism are given below:
(i) Chain isomerism: When two or more compounds have similar molecular formula but different carbon skeletons, these are referred to as chain isomers and the phenomenon is termed as chain isomerism. For example, $\mathrm{C_5} \mathrm{H_12}$ represents three compounds:
(ii) Position isomerism: When two or more compounds differ in the position of substituent atom or functional group on the carbon skeleton, they are called position isomers and this phenomenon is termed as position isomerism. For example, the alcohols:
(iii) Functional group isomerism: Two or more compounds having the same molecular formula but different functional groups are called functional isomers and this phenomenon is termed as functional group isomerism. For example, the molecular formula $\mathrm{C_3} \mathrm{H_6} \mathrm{O}$ represents an aldehyde and a ketone:
(iv) Metamerism: It arises due to different alkyl chains on either side of the functional group in the molecule. For example, $\mathrm{C_4} \mathrm{H_10} \mathrm{O}$ represents methoxypropane $\left(\mathrm{CH_3} \mathrm{OC_3} \mathrm{H_7}\right)$ and ethoxyethane $\left(\mathrm{C_2} \mathrm{H_5} \mathrm{OC_2} \mathrm{H_5}\right)$.
12.6.2 Stereoisomerism
The compounds that have the same constitution and sequence of covalent bonds but differ in relative positions of their atoms or groups in space are called stereoisomers. This special type of isomerism is called as stereoisomerism and can be classified as geometrical and optical isomerism.
12.7 FUNDAMENTAL CONCEPTS IN ORGANIC REACTION MECHANISM
In an organic reaction, the organic molecule (also referred as a substrate) reacts with an appropriate attacking reagent and leads to the formation of one or more intermediate(s) and finally product(s)
The general reaction is depicted as follows :
Substrate is that reactant which supplies carbon to the new bond and the other reactant is called reagent. If both the reactants supply carbon to the new bond then choice is arbitrary and in that case the molecule on which attention is focused is called substrate.
In such a reaction a covalent bond between two carbon atoms or a carbon and some other atom is broken and a new bond is formed. A sequential account of each step, describing details of electron movement, energetics during bond cleavage and bond formation, and the rates of transformation of reactants into products (kinetics) is referred to as reaction mechanism. The knowledge of reaction mechanism helps in understanding the reactivity of organic compounds and in planning strategy for their synthesis.
In the following sections, we shall learn some of the principles that explain how these reactions take place.
12.7.1 Fission of a Covalent Bond
A covalent bond can get cleaved either by : (i) heterolytic cleavage, or by (ii) homolytic cleavage.
In heterolytic cleavage, the bond breaks in such a fashion that the shared pair of electrons remains with one of the fragments.
After heterolysis, one atom has a sextet electronic structure and a positive charge and the other, a valence octet with at least one lone pair and a negative charge. Thus, heterolytic cleavage of bromomethane will give $\stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H_3}$ and $\mathrm{Br}^{-}$as shown below.
$$ \mathrm{H} _{3} \mathrm{C} -\curvearrowright \mathrm{Br} \longrightarrow \mathrm{H} _{3} \stackrel{+}{\mathrm{C}}+\mathrm{Br}^{-} $$
A species having a carbon atom possessing sextext of electrons and a positive charge is called a carbocation (earlier called carbonium ion). The $\stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H_3}$ ion is known as a methyl cation or methyl carbonium ion. Carbocations are classified as primary, secondary or tertiary depending on whether one, two or three carbons are directly attached to the positively charged carbon. Some other examples of carbocations are: $\mathrm{CH_3} \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H_2}$ (ethyl cation, a primary carbocation), $\left(\mathrm{CH_3}\right)_2 \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H}$ (isopropyl cation, a secondary carbocation), and $\left(\mathrm{CH_3}\right)_3 \stackrel{\perp}{\mathrm{C}}$ (tert-butyl cation, a tertiary carbocation). Carbocations are highly unstable and reactive species. Alkyl groups directly attached to the positively charged carbon stabilise the carbocations due to inductive and hyperconjugation effects, which you will be studying in the sections 12.7.5 and 12.7.9. The observed order of carbocation stability is: $\stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H_3}<\mathrm{CH_3} \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H_2}<\left(\mathrm{CH_3}\right)_2 \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H}<\left(\mathrm{CH_3}\right)_3 \stackrel{+}{\mathrm{C}}$. These carbocations have trigonal planar shape with positively charged carbon being $s p^{2}$ hybridised. Thus, the shape of $\stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H_3}$ may be considered as being derived from the overlap of three equivalent $\mathrm{C}\left(s p^{2}\right)$ hybridised orbitals with $1 s$ orbital of each of the three hydrogen atoms. Each bond may be represented as $\mathrm{C}\left(s p^{2}\right)-\mathrm{H}(1 s)$ sigma bond. The remaining carbon orbital is perpendicular to the molecular plane and contains no electrons. [Fig. 12.3(a)].
Fig. 12.3 (a) Shape of methyl carbocation
The heterolytic cleavage can also give a species in which carbon gets the shared pair of electrons. For example, when group $\mathrm{Z}$ attached to the carbon leaves without
electron pair, the methyl anion $\left(\mathrm{H_3} \mathrm{C}^{-}\right)$is formed. Such a carbon species carrying a negative charge on carbon atom is called carbanion. Carbon in carbanion is generally $\mathrm{sp}^{3}$ hybridised and its structure is distorted tetrahedron as shown in Fig. 12.3(b).
Fig. 12.3 (b) Shape of methyl carbanion
Carbanions are also unstable and reactive species. The organic reactions which proceed through heterolytic bond cleavage are called ionic or heteropolar or just polar reactions. In homolytic cleavage, one of the electrons of the shared pair in a covalent bond goes with each of the bonded atoms. Thus, in homolytic cleavage, the movement of a single electron takes place instead of an electron pair. The single electron movement is shown by ‘half-headed’ (fish hook: $\sim$ ) curved arrow. Such cleavage results in the formation of neutral species (atom or group) which contains an unpaired electron. These species are called free radicals. Like carbocations and carbanions, free radicals are also very reactive. A homolytic cleavage can be shown as:
Alkyl radicals are classified as primary, secondary, or tertiary. Alkyl radical stability increases as we proceed from primary to tertiary:
$ \underset{\substack{\text{Methyl} \\ \substack{ \text{free} \\ \text{radical}}}}{\dot{\mathrm{C}} \mathrm{H_3}} < \underset{\substack{\text{Ethyl} \\ \substack{ \text{free} \\ \text{radical}}}}{\dot{\mathrm{C}} \mathrm{H_2} \mathrm{CH_3}} < \underset{\substack{\text{Isopropyl} \\ \substack{ \text{free} \\ \text{radical}}}}{\dot{\mathrm{C}} \mathrm{H} \left(\mathrm{CH_3} \right)_2} < \underset{\substack{\text{Tert-butyl} \\ \substack{ \text{free} \\ \text{radical}}}}{\dot{\mathrm{C}} \left(\mathrm{CH_3}\right)_3}$
Organic reactions, which proceed by homolytic fission are called free radical or homopolar or nonpolar reactions.
12.7.2 Substrate and Reagent
Ions are generally not formed in the reactions of organic compounds. Molecules as such participate in the reaction. It is convenient to name one reagent as substrate and other as reagent. In general, a molecule whose carbon is involved in new bond formation is called substrate and the other one is called reagent. When carbon-carbon bond is formed, the choice of naming the reactants as substrate and reagent is arbitrary and depends on molecule under observation. Example:
Nucleophiles and Electrophiles
Reagents attack the reactive site of the substrate. The reactive site may be electron deficient portion of the molecule (a positive reactive site) e.g., an atom with incomplete electron shell or the positive end of the dipole in the molecule. If the attacking species is electron rich, it attacks these sites. If attacking species is electron deficient, the reactive site for it is that part of the substrate molecule which can supply electrons, e.g., $\pi$ electrons in a double bond.
A reagent that brings an electron pair to the reactive site is called a nucleophile (Nu:) i.e., nucleus seeking and the reaction is then called nucleophilic. A reagent that takes away an electron pair from reactive site is called electrophile $\left(\mathrm{E}^{+}\right)$i.e., electron seeking and the reaction is called electrophilic.
During a polar organic reaction, a nucleophile attacks an electrophilic centre of the substrate which is that specific atom or part of the substrate which is electron deficient. Similarly, the electrophiles attack at nucleophilic centre, which is the electron rich centre of the substrate. Thus, the electrophiles receive electron pair from the substrate when the two undergo bonding interaction. A curved-arrow notation is used to show the movement of an electron pair from the nucleophile to the electrophile. Some examples of nucleophiles are the negatively charged ions with lone pair of electrons such as hydroxide $\left(\mathrm{HO}^{-}\right)$, cyanide $\left(\mathrm{NC}^{-}\right)$ ions and carbanions $\left(\mathrm{R_3} \mathrm{C} \mathrm{C}^{-}\right)$. Neutral molecules such as $\mathrm{H_2} \ddot{\mathrm{O}}:, \mathrm{R_3} \mathrm{~N}$ :, $\mathrm{R_2} \ddot{\mathrm{N}} \mathrm{H}$ etc., can also act as nucleophiles due to the presence of lone pair of electrons. Examples of electrophiles include carbocations $\left(\stackrel{\stackrel{\rightharpoonup}{C}}{ } \mathrm{H_3}\right)$ and neutral molecules having functional groups like carbonyl group ( $>\mathrm{C}=\mathrm{O})$ or alkyl halides $\left(\mathrm{R_3} \mathrm{C}-\mathrm{X}\right.$, where $\mathrm{X}$ is a halogen atom). The carbon atom in carbocations has sextet configuration; hence, it is electron deficient and can receive a pair of electrons from the nucleophiles. In neutral molecules such as alkyl halides, due to the polarity of the $\mathrm{C}-\mathrm{X}$ bond a partial positive charge is generated on the carbon atom and hence the carbon atom becomes an electrophilic centre at which a nucleophile can attack.
Problem 12.11
Using curved-arrow notation, show the formation of reactive intermediates when the following covalent bonds undergo heterolytic cleavage.
(a) $\mathrm{CH_3}-\mathrm{SCH_3}$, (b) $\mathrm{CH_3}-\mathrm{CN}$, (c) $\mathrm{CH_3}-\mathrm{Cu}$
Solution
Problem 12.12
Giving justification, categorise the following molecules/ions as nucleophile or electrophile:
$\mathrm{HS}^{-}, \mathrm{BF_3}, \mathrm{C_2} \mathrm{H_5} \mathrm{O}^{-},\left(\mathrm{CH_3}\right)_{3} \mathrm{~N:}$,
Ci+ $, \mathrm{CH_3} \stackrel{+}{\mathrm{C}}=\mathrm{O}, \mathrm{H_2} \mathrm{~N:^-} , \stackrel{+}{\mathrm{N}} \mathrm{O_2}$
Solution
Nucleophiles: $\mathrm{HS}^{-}, \mathrm{C_2} \mathrm{H_5} \mathrm{O}^{-},\left(\mathrm{CH_3}\right)_{3} \mathrm{~N}: \mathrm{H_2} \mathrm{~N}^{-}$ These species have unshared pair of electrons, which can be donated and shared with an electrophile.
Electrophiles: $\mathrm{BF_3}, \mathrm{C} \stackrel{+}{1} \mathrm{H_3}-\stackrel{+}{\mathrm{C}}=\mathrm{O}, \stackrel{+}{\mathrm{N}} \mathrm{O_2}$. Reactive sites have only six valence electrons; can accept electron pair from a nucleophile.
Problem 12.13
Identify electrophilic centre in the following: $\mathrm{CH_3} \mathrm{CH}=\mathrm{O}, \mathrm{CH_3} \mathrm{CN}, \mathrm{CH_3} \mathrm{I}$.
Solution
Among $\mathrm{CH_3} \mathrm{H} \stackrel{*}{\mathrm{C}}=\mathrm{O}, \mathrm{H_3} \mathrm{C} \stackrel{\ast}{\mathrm{C}} \equiv \mathrm{N}$, and $\mathrm{H_3} \mathrm{C}^\ast-\mathrm{I}$,, the starred carbon atoms are electrophilic centers as they will have partial positive charge due to polarity of the bond.
12.7.3 Electron Movement in Organic Reactions
The movement of electrons in organic reactions can be shown by curved-arrow notation. It shows how changes in bonding occur due to electronic redistribution during the reaction. To show the change in position of a pair of electrons, curved arrow starts from the point from where an electron pair is shifted and it ends at a location to which the pair of electron may move.
Presentation of shifting of electron pair is given below :
Movement of single electron is indicated by a single barbed ‘fish hooks’ (i.e. half headed curved arrow). For example, in transfer of hydroxide ion giving ethanol and in the dissociation of chloromethane, the movement of electron using curved arrows can be depicted as follows:
12.7.4 Electron Displacement Effects in Covalent Bonds
The electron displacement in an organic molecule may take place either in the ground state under the influence of an atom or a substituent group or in the presence of an appropriate attacking reagent. The electron displacements due to the influence of an atom or a substituent group present in the molecule cause permanent polarlisation of the bond. Inductive effect and resonance effects are examples of this type of electron displacements. Temporary electron displacement effects are seen in a molecule when a reagent approaches to attack it. This type of electron displacement is called electromeric effect or polarisability effect. In the following sections we will learn about these types of electronic displacements.
12.7.5 Inductive Effect
When a covalent bond is formed between atoms of different electronegativity, the electron density is more towards the more electronegative atom of the bond. Such a shift of electron density results in a polar covalent bond. Bond polarity leads to various electronic effects in organic compounds. Let us consider cholorethane $\left(\mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{Cl}\right)$ in which the $\mathrm{C}-\mathrm{Cl}$ bond is a polar covalent bond. It is polarised in such a way that the carbon-1 gains some positive charge $\left(\delta^{+}\right)$ and the chlorine some negative charge ( $\delta^{-}$). The fractional electronic charges on the two atoms in a polar covalent bond are denoted by symbol $\delta$ (delta) and the shift of electron density is shown by an arrow that points from $\delta^{+}$to $\delta^{-}$end of the polar bond.
$\stackrel{\delta \delta^+}{\underset{2}{\mathrm{CH_3}}} \xrightarrow{}— \stackrel{\delta^+}{\underset{1}{\mathrm{CH_2}}} \xrightarrow{}— \stackrel{\delta^-}{\mathrm{Cl}}$
In turn carbon-1, which has developed partial positive charge $\left(\delta^{+}\right)$draws some electron density towards it from the adjacent $\mathrm{C}-\mathrm{C}$ bond. Consequently, some positive charge $\left(\delta \delta^{+}\right)$develops on carbon- 2 also, where $\delta \delta^{+}$ symbolises relatively smaller positive charge as compared to that on carbon - 1 . In other words, the polar $\mathrm{C}-\mathrm{Cl}$ bond induces polarity in the adjacent bonds. Such polarisation of $\sigma$-bond caused by the polarisation of adjacent $\sigma$-bond is referred to as the inductive effect. This effect is passed on to the subsequent bonds also but the effect decreases rapidly as the number of intervening bonds increases and becomes vanishingly small after three bonds. The inductive effect is related to the ability of substituent(s) to either withdraw or donate electron density to the attached carbon atom. Based on this ability, the substitutents can be classified as electron-withdrawing or electron donating groups relative to hydrogen. Halogens and many other groups such as nitro $\left(-\mathrm{NO_2}\right)$, cyano (- $\mathrm{CN}$ ), carboxy (- $\left.\mathrm{COOH}\right)$, ester (COOR), aryloxy (-OAr, e.g. $-\mathrm{OC_6} \mathrm{H_5}$ ), etc. are electron-withdrawing groups. On the other hand, the alkyl groups like methyl $\left(-\mathrm{CH_3}\right)$ and ethyl $\left(-\mathrm{CH_2}-\mathrm{CH_3}\right)$ are usually considered as electron donating groups.
Problem 12.14
Which bond is more polar in the following pairs of molecules: (a) $\mathrm{H_3} \mathrm{C}-\mathrm{H}, \mathrm{H_3} \mathrm{C}-\mathrm{Br}$ (b) $\mathrm{H_3} \mathrm{C}-\mathrm{NH_2}, \mathrm{H_3} \mathrm{C}-\mathrm{OH}$ (c) $\mathrm{H_3} \mathrm{C}-\mathrm{OH}$, $\mathrm{H_3} \mathrm{C}$-SH
Solution
(a) $\mathrm{C}-\mathrm{Br}$, since $\mathrm{Br}$ is more electronegative than $\mathrm{H}$, (b) $\mathrm{C}-\mathrm{O}$, (c) $\mathrm{C}-\mathrm{O}$
Problem 12.15
In which $\mathrm{C}-\mathrm{C}$ bond of $\mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{Br}$, the inductive effect is expected to be the least?
Solution
Magnitude of inductive effect diminishes as the number of intervening bonds increases. Hence, the effect is least in the bond between carbon-3 and hydrogen.
12.7.6 Resonance Structure
There are many organic molecules whose behaviour cannot be explained by a single Lewis structure. An example is that of benzene. Its cyclic structure containing alternating $\mathrm{C}-\mathrm{C}$ single and $\mathrm{C}=\mathrm{C}$ double bonds shown is inadequate for explaining its Benzene characteristic properties.
As per the above representation, benzene should exhibit two different bond lengths, due to $\mathrm{C}-\mathrm{C}$ single and $\mathrm{C}=\mathrm{C}$ double bonds. However, as determined experimentally benzene has a uniform $\mathrm{C}-\mathrm{C}$ bond distances of $139 \mathrm{pm}$, a value intermediate between the $\mathrm{C}-\mathrm{C}$ single $(154 \mathrm{pm}$ ) and $\mathrm{C}=\mathrm{C}$ double (134 $\mathrm{pm}$ ) bonds. Thus, the structure of benzene cannot be represented adequately by the above structure. Further, benzene can be represented equally well by the energetically identical structures I and II.
Therefore, according to the resonance theory (Unit 4) the actual structure of benzene cannot be adequately represented by any of these structures, rather it is a hybrid of the two structures (I and II) called resonance structures. The resonance structures (canonical structures or contributing structures) are hypothetical and individually do not represent any real molecule. They contribute to the actual structure in proportion to their stability.
Another example of resonance is provided by nitromethane $\left(\mathrm{CH_3} \mathrm{NO_2}\right)$ which can be represented by two Lewis structures, (I and II). There are two types of $\mathrm{N}-\mathrm{O}$ bonds in these structures.
However, it is known that the two $\mathrm{N}-\mathrm{O}$ bonds of nitromethane are of the same length (intermediate between a $\mathrm{N}-\mathrm{O}$ single bond and a $\mathrm{N}=\mathbf{O}$ double bond). The actual structure of nitromethane is therefore a resonance hybrid of the two canonical forms I and II.
The energy of actual structure of the molecule (the resonance hybrid) is lower than that of any of the canonical structures. The difference in energy between the actual structure and the lowest energy resonance structure is called the resonance stabilisation energy or simply the resonance energy. The more the number of important contributing structures, the more is the resonance energy. Resonance is particularly important when the contributing structures are equivalent in energy.
The following rules are applied while writing resonance structures: The resonance structures have (i) the same positions of nuclei and (ii) the same number of unpaired electrons. Among the resonance structures, the one which has more number of covalent bonds, all the atoms with octet of electrons (except hydrogen which has a duplet), less separation of opposite charges, (a negative charge if any on more electronegative atom, a positive charge if any on more electropositive atom) and more dispersal of charge, is more stable than others.
Problem 12.16
Write resonance structures of $\mathrm{CH_3} \mathrm{COO}^{-}$ and show the movement of electrons by curved arrows.
Solution
First, write the structure and put unshared pairs of valence electrons on appropriate atoms. Then draw the arrows one at a time moving the electrons to get the other structures.
Problem 12.17
Write resonance structures of $\mathrm{CH_2}=\mathrm{CH}-\mathrm{CHO}$. Indicate relative stability of the contributing structures.
Solution
[I: Most stable, more number of covalent bonds, each carbon and oxygen atom has an octet and no separation of opposite charge II: negative charge on more electronegative atom and positive charge on more electropositive atom; III: does not contribute as oxygen has positive charge and carbon has negative charge, hence least stable].
Problem 12.18
Explain why the following two structures, I and II cannot be the major contributors to the real structure of $\mathrm{CH_3} \mathrm{COOCH_3}$.
Solution
The two structures are less important contributors as they involve charge separation. Additionally, structure I contains a carbon atom with an incomplete octet.
12.7.7 Resonance Effect
The resonance effect is defined as ’the polarity produced in the molecule by the interaction of two $\pi$-bonds or between a $\pi$-bond and lone pair of electrons present on an adjacent atom’. The effect is transmitted through the chain. There are two types of resonance or mesomeric effect designated as $\mathrm{R}$ or $\mathrm{M}$ effect.
(i) Positive Resonance Effect ( $+R$ effect)
In this effect, the transfer of electrons is away from an atom or substituent group attached to the conjugated system. This electron displacement makes certain positions in the molecule of high electron densities. This effect in aniline is shown as :
(ii) Negative Resonance Effect (- $\boldsymbol{R}$ effect)
This effect is observed when the transfer of electrons is towards the atom or substituent group attached to the conjugated system. For example in nitrobenzene this electron displacement can be depicted as :
The atoms or substituent groups, which represent $+\mathrm{R}$ or $-\mathrm{R}$ electron displacement effects are as follows :
-
+R effect: - halogen, - $\mathrm{OH},-\mathrm{OR},-\mathrm{OCOR},-\mathrm{NH_2}$, $-\mathrm{NHR},-\mathrm{NR_2}$, -NHCOR,
-
R effect: $-\mathrm{COOH},-\mathrm{CHO},>\mathrm{C}=\mathrm{O},-\mathrm{CN},-\mathrm{NO_2}$
The presence of alternate single and double bonds in an open chain or cyclic system is termed as a conjugated system. These systems often show abnormal behaviour. The examples are 1,3- butadiene, aniline and nitrobenzene etc. In such systems, the $\pi$-electrons are delocalised and the system develops polarity.
12.7.8 Electromeric Effect (E effect)
It is a temporary effect. The organic compounds having a multiple bond (a double or triple bond) show this effect in the presence of an attacking reagent only. It is defined as the complete transfer of a shared pair of $\pi$-electrons to one of the atoms joined by a multiple bond on the demand of an attacking reagent. The effect is annulled as soon as the attacking reagent is removed from the domain of the reaction. It is represented by $\mathrm{E}$ and the shifting of the electrons is shown by a curved arrow $(\frown)$. There are two distinct types of electromeric effect.
(i) Positive Eelctromeric Effect (+E effect) In this effect the $\pi$-electrons of the multiple bond are transferred to that atom to which the reagent gets attached. For example:
(ii) Negative Electromeric Effect (-E effect) In this effect the $\pi$ - electrons of the multiple bond are transferred to that atom to which the attacking reagent does not get attached. For example:
When inductive and electromeric effects operate in opposite directions, the electomeric effect predominates.
12.7.9 Hyperconjugation
Hyperconjugation is a general stabilising interaction. It involves delocalisation of $\sigma$ electrons of $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ bond of an alkyl group directly attached to an atom of unsaturated system or to an atom with an unshared $p$ orbital. The $\sigma$ electrons of $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ bond of the alkyl group enter into partial conjugation with the attached unsaturated system or with the unshared $p$ orbital. Hyperconjugation is a permanent effect.
To understand hyperconjugation effect, let us take an example of $\mathrm{CH_3} \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H_2}$ (ethyl cation) in which the positively charged carbon atom has an empty $p$ orbital. One of the $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ bonds of the methyl group can align in the plane of this empty $p$ orbital and the electrons constituting the $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ bond in plane with this $p$ orbital can then be delocalised into the empty $p$ orbital as depicted in Fig. 12.4 (a).
Fig. 12.4(a) Orbital diagram showing hyperconjugation in ethyl cation
This type of overlap stabilises the carbocation because electron density from the adjacent $\sigma$ bond helps in dispersing the positive charge.
In general, greater the number of alkyl groups attached to a positively charged carbon atom, the greater is the hyperconjugation interaction and stabilisation of the cation. Thus, we have the following relative stability of carbocations
Hyperconjugation is also possible in alkenes and alkylarange and are condensed simultaneously. The technique of fractienes. Delocalisation of electrons by hyperconjugation in the case of alkene can be depicted as in Fig. 12.4(b).
Fig. 12.4(b) Orbital diagram showing hyperconjugation in propene
There are various ways of looking at the hyperconjugative effect. One of the way is to regard $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ bond as possessing partial ionic character due to resonance.
The hyperconjugation may also be regarded as no bond resonance.
Problem 12.19
Explain why $\left(\mathrm{CH_3}\right)_3 \stackrel{+}{\mathrm{C}}$ is more stable than $\mathrm{CH_3} \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H_2}$ and $\stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H_3}$ is the least stable cation.
Solution
Hyperconjugation interaction in $\left(\mathrm{CH_3}\right)_3 \stackrel{+}{\mathrm{C}}$ is greater than in $\mathrm{CH_3} \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H_2}$ as the $\left(\mathrm{CH_3}\right)_3 \stackrel{+}{\mathrm{C}}$ has nine $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ bonds. In $\stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H_3}$, vacant $p$ orbital is perpendicular to the plane in which $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ bonds lie; hence cannot overlap with it. Thus, $\stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H_3}$ lacks hyperconjugative stability.
12.7.10 Types of Organic Reactions and Mechanisms
Organic reactions can be classified into the following categories:
(i) Substitution reactions
(ii) Addition reactions
(iii) Elimination reactions
(iv) Rearrangement reactions
You will be studying these reactions in Unit 9 and later in class XII.
12.8 METHODS OF PURIFICATION OF ORGANIC COMPOUNDS
Once an organic compound is extracted from a natural source or synthesised in the laboratory, it is essential to purify it. Various methods used for the purification of organic compounds are based on the nature of the compound and the impurity present in it.
The common techniques used for purification are as follows :
(i) Sublimation
(ii) Crystallisation
(iii) Distillation
(iv) Differential extraction and
(v) Chromatography
Finally, the purity of a compound is ascertained by determining its melting or boiling point. Most of the pure compounds have sharp melting points and boiling points. New methods of checking the purity of an organic compound are based on different types of chromatographic and spectroscopic techniques.
12.8.1 Sublimation
You have learnt earlier that on heating, some solid substances change from solid to vapour state without passing through liquid state. The purification technique based on the above principle is known as sublimation and is used to separate sublimable compounds from nonsublimable impurities.
12.8.2 Crystallisation
This is one of the most commonly used techniques for the purification of solid organic compounds. It is based on the difference in the solubilities of the compound and the impurities in a suitable solvent. The impure compound is dissolved in a solvent in which it is sparingly soluble at room temperature but appreciably soluble at higher temperature. The solution is concentrated to get a nearly saturated solution. On cooling the solution, pure compound crystallises out and is removed by filtration. The filtrate (mother liquor) contains impurities and small quantity of the compound. If the compound is highly soluble in one solvent and very little soluble in another solvent, crystallisation can be satisfactorily carried out in a mixture of these solvents. Impurities, which impart colour to the solution are removed by adsorbing over activated charcoal. Repeated crystallisation becomes necessary for the purification of compounds containing impurities of comparable solubilities.
12.8.3 Distillation
This important method is used to separate (i) volatile liquids from nonvolatile impurities and (ii) the liquids having sufficient difference in their boiling points. Liquids having different boiling points vaporise at different temperatures. The vapours are cooled and the liquids so formed are collected separately. Chloroform (b.p $334 \mathrm{~K}$ ) and aniline (b.p. 457 K) are easily separated by the technique of distillation (Fig 8.5). The liquid mixture is taken in a round bottom flask and heated carefully. On boiling, the vapours of lower boiling component are formed first. The vapours are condensed by using a condenser and the liquid is collected in a receiver. The vapours of higher boiling component form later and the liquid can be collected separately.
Fig.8.5 Simple distillation. The vapours of a substance formed are condensed and the liquid is collected in conical flask.
Fractional Distillation: If the difference in boiling points of two liquids is not much, simple distillation cannot be used to separate them. The vapours of such liquids are formed within the same temperature range and are condensed simultaneously. The technique of fractional distillation is used in such cases. In this technique, vapours of a liquid mixture are passed through a fractionating column before condensation. The fractionating column is fitted over the mouth of the round bottom flask (Fig.12.6).
Vapours of the liquid with higher boiling point condense before the vapours of the liquid with lower boiling point. The vapours rising up in the fractionating column become richer in more volatile component. By the time the vapours reach to the top of the fractionating column, these are rich in the more volatile component. Fractionating columns are available in various sizes and designs as shown in Fig.12.7. A fractionating column provides many surfaces for heat exchange between the ascending vapours and the descending condensed liquid. Some of the condensing liquid in the fractionating column obtains heat from the ascending vapours and revaporises. The vapours thus become richer in low boiling component. The vapours of low boiling component ascend to the top of the column. On reaching the top, the vapours become pure in low boiling component and pass through the condenser and the pure liquid is collected in a receiver. After a series of successive distillations, the remaining liquid in the distillation flask gets enriched in high boiling component. Each successive condensation and vaporisation unit in the fractionating column is called a theoretical plate. Commercially, columns with hundreds of plates are available.
Fig.8.6 Fractional distillation. The vapours of lower boiling fraction reach the top of the column first followed by vapours of higher boiling fractions.
One of the technological applications of fractional distillation is to separate different crude oil in petroleum industry. Distillation under reduced pressure: This method is used to purify liquids having very high boiling points and those, which decompose at or below their boiling points. Such liquids are made to boil at a temperature lower than their normal boiling points by reducing the pressure on their surface. A liquid boils at a temperature at which its vapour pressure is equal to the external pressure. The pressure is reduced with the help of a water pump or vacuum pump (Fig.8.8). Glycerol can be separated from spent-lye in soap industry by using this technique.
Fig.8.7 Different types of fractionating columns.
Fig.8.8 Distillation under reduced pressure. A liquid boils at a temperature below its vapour pressure by reducing the pressure
Steam Distillation: This technique is applied to separate substances which are steam volatile and are immiscible with water. In steam distillation, steam from a steam generator is passed through a heated flask containing the liquid to be distilled. The mixture of steam and the volatile organic compound is condensed and collected. The compound is later separated from water using a separating funnel. In steam distillation, the liquid boils when the sum of vapour pressures due to the organic liquid $\left(p_{1}\right)$ and that due to water $\left(p_{2}\right)$ becomes equal to the atmospheric pressure (p), i.e. $p=p_{1}+p_{2}$. Since $p_{1}$ is lower than $p$, the organic liquid vaporises at lower temperature than its boiling point.
Thus, if one of the substances in the mixture is water and the other, a water insoluble substance, then the mixture will boil close to but below, 373K. A mixture of water and the substance is obtained which can be separated by using a separating funnel. Aniline is separated by this technique from aniline - water mixture (Fig.12.9,).
12.8.4 Differential Extraction
When an organic compound is present in an aqueous medium, it is separated by shaking it with an organic solvent in which it is more soluble than in water. The organic solvent and the aqueous solution should be immiscible with each other so that they form two distinct layers which can be separated by separatory funnel. The organic solvent is later removed by distillation or by evaporation to get back the compound. Differential extraction is carried out in a separatory funnel as shown in Fig. 12.10 (Page 282). If the organic compound is less soluble in the organic solvent, a very large quantity of solvent would be required to extract even a very small quantity of the compound. The technique of continuous extraction is employed in such cases. In this technique same solvent is repeatedly used for extraction of the compound.
12.8.5 Chromatography
Chromatography is an important technique extensively used to separate mixtures into their components, purify compounds and also to test the purity of compounds. The name chromatography is based on the Greek word chroma, for colour since the method was first used for the separation of coloured substances found in plants. In this technique, the mixture of substances is applied onto a stationary phase, which may be a solid or a liquid. A pure solvent, a mixture of solvents, or a gas is allowed to move slowly over the stationary phase. The components of the mixture get gradually separated from one another. The moving phase is called the mobile phase.
Fig.8.9 Steam distillation. Steam volatile component volatilizes, the vapours condense in the condenser and the liquid collects in conical flask.
Based on the principle involved, chromatography is classified into different categories. Two of these are:
(a) Adsorption chromatography, and
(b) Partition chromatography.
a) Adsorption Chromatography: Adsorption chromatography is based on the fact that different compounds are adsorbed on an adsorbent to different degrees. Commonly used adsorbents are silica gel and alumina. When a mobile phase is allowed to move over a stationary phase (adsorbent), the components of the mixture move by varying distances over the stationary phase. Following are two main types of chromatographic techniques based on the principle of differential adsorption.
Fig.8.10 Differential extraction. Extraction of compound takes place based on difference in solubility
(a) Column chromatography, and
(b) Thin layer chromatography.
Column Chromatography: Column chromatography involves separation of a mixture over a column of adsorbent (stationary phase) packed in a glass tube. The column is fitted with a stopcock at its lower end (Fig. 12.11). The mixture adsorbed on adsorbent is placed on the top of the adsorbent column packed in a glass tube. An appropriate eluant which is a liquid or a mixture of liquids is allowed to flow down the column slowly. Depending upon the degree to which the compounds are adsorbed, complete separation takes place. The most readily adsorbed substances are retained near the top and others come down to various distances in the column (Fig.12.11).
Fig.8.11 Column chromatography. Different stages of separation of components of a mixture.
Thin Layer Chromatography: Thin layer chromatography (TLC) is another type of adsorption chromatography, which involves separation of substances of a mixture over a thin layer of an adsorbent coated on glass plate. A thin layer (about $0.2 \mathrm{~mm}$ thick) of an adsorbent (silica gel or alumina) is spread over a glass plate of suitable size. The plate is known as thin layer chromatography plate or chromaplate. The solution of the mixture to be separated is applied as a small spot about $2 \mathrm{~cm}$ above one end of the TLC plate. The glass plate is then placed in a closed jar containing the eluant (Fig. 12.12a). As the eluant rises up the plate, the components of the mixture move up along with the eluant to different distances depending on their degree of adsorption and separation takes place. The relative adsorption of each component of the mixture is expressed in terms of its retardation factor i.e. $\mathbf{R_f}$ value (Fig.8.12 b).
$$R_f = \frac{\text{Distance moved by the substance from base line(x)}}{\text{Distance moved by the solvent from base line(y)}}$$
Fig.8.12 (a) Thin layer chromatography. Chromatogram being developed.
Fig.8.12 (b) Developed chromatogram
The spots of coloured compounds are visible on TLC plate due to their original colour. The spots of colourless compounds, which are invisible to the eye but fluoresce in ultraviolet light, can be detected by putting the plate under ultraviolet light. Another detection technique is to place the plate in a covered jar containing a few crystals of iodine. Spots of compounds, which adsorb iodine, will show up as brown spots. Sometimes an appropriate reagent may also be sprayed on the plate. For example, amino acids may be detected by spraying the plate with ninhydrin solution (Fig.8.12b).
Partition Chromatography: Partition chromatography is based on continuous differential partitioning of components of a mixture between stationary and mobile phases. Paper chromatography is a type of partition chromatography. In paper chromatography, a special quality paper known as chromatography paper is used. Chromatography paper contains water trapped in it, which acts as the stationary phase.
A strip of chromatography paper spotted at the base with the solution of the mixture is suspended in a suitable solvent or a mixture of solvents (Fig. 12.13). This solvent acts as the mobile phase. The solvent rises up the paper by capillary action and flows over the spot. The paper selectively retains different components according to their differing partition in the two phases. The paper strip so developed is known as a chromatogram. The spots of the separated coloured compounds are visible at different heights from the position of initial spot on the chromatogram. The spots of the separated colourless compounds may be observed either under ultraviolet light or by the use of an appropriate spray reagent as discussed under thin layer chromatography.
Fig.8.13 Paper chromatography. Chromatography paper in two different shapes.
12.9 QUALITATIVE ANALYSIS OF ORGANIC COMPOUNDS
The elements present in organic compounds are carbon and hydrogen. In addition to these, they may also contain oxygen, nitrogen, sulphur, halogens and phosphorus.
12.9.1 Detection of Carbon and Hydrogen
Carbon and hydrogen are detected by heating the compound with copper(II) oxide. Carbon present in the compound is oxidised to carbon dioxide (tested with lime-water, which develops turbidity) and hydrogen to water (tested with anhydrous copper sulphate, which turns blue).
$\mathrm{C}+ \mathrm{2CuO} \xrightarrow{\Delta} 2\mathrm{Cu}+ \mathrm{CO_2}$
$2\mathrm{H}+ \mathrm{CuO} \xrightarrow{\Delta} \mathrm{Cu}+ \mathrm{H_2O}$
$\mathrm{CO_2}+ \mathrm{Ca(OH)_2} \rightarrow \mathrm{CaCO_3}\downarrow+ \mathrm{H_2O}$
$5\mathrm{H_2O}+ \underset{\text{White}}{\mathrm{CuSO_4}} \rightarrow \underset{\text{Blue}}{\mathrm{CuSO_4.5H_2O}}$
12.9.2 Detection of Other Elements
Nitrogen, sulphur, halogens and phosphorus present in an organic compound are detected by “Lassaigne’s test”. The elements present in the compound are converted from covalent form into the ionic form by fusing the compound with sodium metal. Following reactions take place:
$$ \begin{array}{lll} \mathrm{Na}+\mathrm{C}+\mathrm{N} & \xrightarrow{\Delta} & \mathrm{NaCN} \\ 2 \mathrm{Na}+\mathrm{S} & \xrightarrow{\Delta} & \mathrm{Na_2} \mathrm{~S} \\ \mathrm{Na}+\mathrm{X} & \xrightarrow{\Delta} & \mathrm{Na} \mathrm{X} \\ & & (\mathrm{X}=\mathrm{Cl}, \text { Br or } \mathrm{I}) \end{array} $$
C, N, S and X come from organic compound. Cyanide, sulphide and halide of sodium so formed on sodium fusion are extracted from the fused mass by boiling it with distilled water. This extract is known as sodium fusion extract.
(A) Test for Nitrogen
The sodium fusion extract is boiled with iron(II) sulphate and then acidified with concentrated sulphuric acid. The formation of Prussian blue colour confirms the presence of nitrogen. Sodium cyanide first reacts with iron(II) sulphate and forms sodium hexacyanidoferrate(II). On heating with concentrated sulphuric acid some iron(II) ions are oxidised to iron(III) ions which react with sodium hexacyanidoferrate(II) to produce iron(III) hexacyanidoferrate(II) (ferriferrocyanide) which is Prussian blue in colour.
$$ \begin{aligned} & 6 \mathrm{CN}^{-}+\mathrm{Fe}^{2+} \rightarrow\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN}) _{6}\right]^{4-} \\ & 3\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN}) _{6}\right]^{4-}+4 \mathrm{Fe}^{3+} \quad \rightarrow \mathrm{Fe} _{4}\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN}) _{6}\right] _{3} \\ & \hspace{40 mm} \text { Prussian Blue } \end{aligned} $$
(B) Test for Sulphur
(a) The sodium fusion extract is acidified with acetic acid and lead acetate is added to it. A black precipitate of lead sulphide indicates the presence of sulphur.
$$ \begin{aligned} & \mathrm{S}^{2-}+\mathrm{Pb}^{2+} \longrightarrow \underset{\text{Black}}{\mathrm{PbS}} \end{aligned} $$
(b) On treating sodium fusion extract with sodium nitroprusside, appearance of a violet colour further indicates the presence of sulphur.
$$ \mathrm{S}^{2-}+\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_5 \mathrm{NO}\right]^{2-} \longrightarrow \quad \underset{\text { Violet }}{\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_5 \mathrm{NOS}\right]^{4-}} $$
In case, nitrogen and sulphur both are present in an organic compound, sodium thiocyanate is formed. It gives blood red colour and no Prussian blue since there are no free cyanide ions.
$$ \begin{aligned} & \mathrm{Na}+\mathrm{C}+\mathrm{N}+\mathrm{S} \rightarrow \mathrm{NaSCN} \\ & \mathrm{Fe}^{3+}+3 \mathrm{SCN}^{-} \rightarrow \mathrm{Fe}(\mathrm{SCN}) _{3} \end{aligned} $$ $\hspace{80 mm}$ Blood Red
If sodium fusion is carried out with excess of sodium, the thiocyanate decomposes to yield cyanide and sulphide. These ions give their usual tests.
$$ \mathrm{NaSCN}+2 \mathrm{Na} \longrightarrow \mathrm{NaCN}+\mathrm{Na_2} \mathrm{~S} $$
(C) Test for Halogens
The sodium fusion extract is acidified with nitric acid and then treated with silver nitrate. A white precipitate, soluble in ammonium hydroxide shows the presence of chlorine, a yellowish precipitate, sparingly soluble in ammonium hydroxide shows the presence of bromine and a yellow precipitate, insoluble in ammonium hydroxide shows the presence of iodine.
$$ \begin{aligned} & \mathrm{X}^{-}+\mathrm{Ag}^{+} \rightarrow \mathrm{AgX} \\ & {[\mathrm{X}=\mathrm{Cl}, \mathrm{Br} \text { या } \mathrm{I}]} \end{aligned} $$
If nitrogen or sulphur is also present in the compound, the sodium fusion extract is first boiled with concentrated nitric acid to decompose cyanide or sulphide of sodium formed during Lassaigne’s test. These ions would otherwise interfere with silver nitrate test for halogens.
(D) Test for Phosphorus
The compound is heated with an oxidising agent (sodium peroxide). The phosphorus present in the compound is oxidised to phosphate. The solution is boiled with nitric acid and then treated with ammonium molybdate. A yellow colouration or precipitate indicates the presence of phosphorus.
$ \begin{aligned} & \mathrm{Na} _{3} \mathrm{PO} _{4}+3 \mathrm{HNO} _{3} \rightarrow \mathrm{H} _{3} \mathrm{PO} _{4}+3 \mathrm{NaNO} _{3} \\ & \mathrm{H} _{3} \mathrm{PO} _{4}+\underset{\text{Ammonium molybdate}}{12\left(\mathrm{NH} _{4}\right) _{2} \mathrm{MoO} _{4}}+2 \mathrm{HNO} _{3} \rightarrow \underset{\text{ Ammonium phosphomolybdate }}{\left(\mathrm{NH} _{4}\right) _{3} \cdot \mathrm{PO} _{4} \cdot 12 \mathrm{MoO} _{3}}+21 \mathrm{NH} _{4} \mathrm{NO} _{3}+12 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O} \end{aligned} $
12.10 QUANTITATIVE ANALYSIS
Quantitative analysis of compounds is very important in organic chemistry. It helps chemists in the determination of mass per cent of elements present in a compound. You have learnt in Unit-1 that mass per cent of elements is required for the determination of emperical and molecular formula.
The percentage composition of elements present in an organic compound is determined by the following methods:
12.10.1 Carbon and Hydrogen
Both carbon and hydrogen are estimated in one experiment. A known mass of an organic compound is burnt in the presence of excess of oxygen and copper(II) oxide. Carbon and hydrogen in the compound are oxidised to carbon dioxide and water respectively.
$\mathrm{C_\mathrm{x}} \mathrm{H_\mathrm{y}}+(\mathrm{x}+\mathrm{y} / 4)_2 \mathrm{O_2} \longrightarrow \mathrm{xCO_2}+(\mathrm{y} / 2) \mathrm{H_2O}$
Fig.8.14 Estimation of carbon and hydrogen. Water and carbon dioxide formed on oxidation of substance are absorbed in anhydrous calcium chloride and potassium hydroxide solutions respectively contained in U tubes.
The mass of water produced is determined by passing the mixture through a weighed U-tube containing anhydrous calcium chloride. Carbon dioxide is absorbed in another U-tube containing concentrated solution of potassium hydroxide. These tubes are connected in series (Fig. 12.14). The increase in masses of calcium chloride and potassium hydroxide gives the amounts of water and carbon dioxide from which the percentages of carbon and hydrogen are calculated.
Let the mass of organic compound be $\mathrm{m} g$, mass of water and carbon dioxide produced be $m_{1}$ and $m_{2}$ g respectively;
Percentage of carbon $=\frac{12 \times \mathrm{m_2} \times 100}{44 \times \mathrm{m}}$
Percentage of hydrogen $=\frac{2 \times m_{1} \times 100}{18 \times m}$
Problem 12.20
On complete combustion, $0.246 \mathrm{~g}$ of an organic compound gave $0.198 \mathrm{~g}$ of carbon dioxide and $0.1014 \mathrm{~g}$ of water. Determine the percentage composition of carbon and hydrogen in the compound.
Solution
Percentageof carbon $=\frac{12 \times 0.198 \times 100}{44 \times 0.246}$ $$ =21.95 \% $$
Percentage of hydrogen $=\frac{2 \times 0.1014 \times 100}{18 \times 0.246}$ $$ =4.58 \% $$
12.10.2 Nitrogen
There are two methods for estimation of nitrogen: (i) Dumas method and (ii) Kjeldahl’s method.
(i) Dumas method: The nitrogen containing organic compound, when heated with copper oxide in an atmosphere of carbon dioxide, yields free nitrogen in addition to carbon dioxide and water.
$$ \begin{aligned} & \mathrm{C} _{x} \mathrm{H} _{y} \mathrm{~N} _{z}+[2 x+y / 2] \mathrm{CuO} \rightarrow x \mathrm{CO} _{2}+y / 2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}+z / 2 \mathrm{~N} _{2}+(2 x+y / 2) \mathrm{Cu} \end{aligned} $$
Traces of nitrogen oxides formed, if any, are reduced to nitrogen by passing the gaseous mixture over a heated copper gauze. The mixture of gases so produced is collected over an aqueous solution of potassium hydroxide which absorbs carbon dioxide. Nitrogen is collected in the upper part of the graduated tube (Fig.8.15).
Let the mass of organic compound $=\mathrm{mg}$
Volume of nitrogen collected $=V_{1} \mathrm{~mL}$
Room temperature $=T_{1} \mathrm{~K}$
V olume of nitrogen atSTP $=\frac{P_{1} V_{1} \times 273}{760 \times T_{1}}$
(Let it be $\mathrm{V} \mathrm{mL}$ )
Where $p_{1}$ and $V_{1}$ are the pressure and volume of nitrogen, $p_{1}$ is different from the atmospheric pressure at which nitrogen gas is collected. The value of $p_{1}$ is obtained by the relation;
$p_{1}=$ Atmospheric pressure - Aqueous tension $22400 \mathrm{~mL} \mathrm{~N_2}$ at STP weighs $28 \mathrm{~g}$.
Fig. 12.15 Dumas method. The organic compound yields nitrogen gas on heating it with copper(II) oxide in the presence of CO2 gas. The mixture of gases is collected over potassium hydroxide solution in which CO2 is absorbed and volume of nitrogen gas is determined.
$\mathrm{V} \mathrm{mL} \mathrm{N}{ _2}$ atSTP weighs $=\frac{28 \times \mathrm{V}}{22400} \mathrm{~g}$
Percentage of nitrogen $=\frac{28 \times \mathrm{V} \times 100}{22400 \times \mathrm{m}}$
Problem 12.21
In Dumas’ method for estimation of nitrogen, $0.3 \mathrm{~g}$ of an organic compound gave $50 \mathrm{~mL}$ of nitrogen collected at $300 \mathrm{~K}$ temperature and $715 \mathrm{~mm}$ pressure. Calculate the percentage composition of nitrogen in the compound. (Aqueous tension at $300 \mathrm{~K}=15 \mathrm{~mm}$ )
Solution
Volume of nitrogen collected at $300 \mathrm{~K}$ and $715 \mathrm{~mm}$ pressure is $50 \mathrm{~mL}$
Actual pressure $=715-15=700 \mathrm{~mm}$
Volume of nitrogen atSTP $\frac{273 \times 700 \times 50}{300 \times 760}$ $41.9 \mathrm{~mL}$
$22,400 \mathrm{~mL}$ of $\mathrm{N_2}$ at STP weighs $=28 \mathrm{~g}$
$$ \begin{aligned} & 41.9 \mathrm{~mL} \text { of nitrogen weighs }=\frac{28 \times 41.9}{22400} \mathrm{~g} \\ & \begin{aligned} \text { Percentage of nitrogen } & =\frac{28 \times 41.9 \times 100}{22400 \times 0.3} \\ & =17.46 \% \end{aligned} \end{aligned} $$
(ii) Kjeldahl’s method: The compound containing nitrogen is heated with concentrated sulphuric acid. Nitrogen in the compound gets converted to ammonium sulphate (Fig. 12.16). The resulting acid mixture is then heated with excess of sodium hydroxide. The liberated ammonia gas is absorbed in an excess of standard solution of sulphuric acid. The amount of ammonia produced is determined by estimating the amount of sulphuric acid consumed in the reaction. It is done by estimating unreacted sulphuric acid left after the absorption of ammonia by titrating it with standard alkali solution. The difference between the initial amount of acid taken and that left after the reaction gives the amount of acid reacted with ammonia.
Fig.8.16 Kjeldahl method. Nitrogen-containing compound is treated with concentrated H2SO4 to get ammonium sulphate which liberates ammonia on treating with NaOH; ammonia is absorbed in known volume of standard acid.
Organic compound $+\mathrm{H_2} \mathrm{SO_4} \longrightarrow\left(\mathrm{NH_4}\right)_{2} \mathrm{SO_4}$
$$ \begin{aligned} & \xrightarrow{2 \mathrm{NaOH}} \mathrm{Na_2} \mathrm{SO_4}+2 \mathrm{NH_3}+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O} \\ & 2 \mathrm{NH_3}+\mathrm{H_2} \mathrm{SO_4} \longrightarrow\left(\mathrm{NH_4}\right)_{2} \mathrm{SO_4} \end{aligned} $$
Let the mass of organic compound taken $=\mathrm{mg}$
Volume of $\mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}$ of molarity, M, taken $=V \mathrm{~mL}$
Volume of $\mathrm{NaOH}$ of molarity, M, used for titration of excess of $\mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}=V_{1} \mathrm{~mL}$
$V_{1} \mathrm{~mL}$ of $\mathrm{NaOH}$ of molarity $\mathrm{M}$
$$ =V_{1} / 2 \mathrm{~mL} \text { of } \mathrm{H_2} \mathrm{SO_4} \text { of molarity } \mathrm{M} $$
$\left(V-V_{1} / 2\right) \mathrm{mL}$ of $\mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}$ of molarity $\mathrm{M}$
$$=2\left(V-V_{1} / 2\right) \mathrm{mL}$$ of $$\mathrm{NH_3} \text{ solution of } $$
$1000 \mathrm{~mL}$ of $1 \mathrm{M} \mathrm{NH_3}$ solution contains $17 \mathrm{~g} \mathrm{NH_3}$ or $14 \mathrm{~g}$ of $\mathrm{N}$
$2\left(V-V_{1} / 2\right) \mathrm{mL}$ of $\mathrm{NH_3}$ solution of molarity M contains:
$$ \frac{14 \times \mathrm{M} \times 2\left(\mathrm{~V}-\mathrm{V_1} / 2\right)}{1000} \mathrm{gN} $$
Percentage of $\mathrm{N}=\frac{14 \times \mathrm{M} \times 2\left(\mathrm{~V}-\mathrm{V_1} / 2\right)}{1000} \times \frac{100}{\mathrm{~m}}$
$$ =\frac{1.4 \times \mathrm{M} \times 2(\mathrm{~V}-\mathrm{V} / 2)}{\mathrm{m}} $$
Kjeldahl method is not applicable to compounds containing nitrogen in nitro and azo groups and nitrogen present in the ring (e.g. pyridine) as nitrogen of these compounds does not change to ammonium sulphate under these conditions.
Problem 12.22
During estimation of nitrogen present in an organic compound by Kjeldahl’s method, the ammonia evolved from $0.5 \mathrm{~g}$ of the compound in Kjeldahl’s estimation of nitrogen, neutralized $10 \mathrm{~mL}$ of $1 \mathrm{M} \mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}$. Find out the percentage of nitrogen in the compound.
Solution
$1 \mathrm{M}$ of $10 \mathrm{~mL} \mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}=1 \mathrm{M}$ of $20 \mathrm{~mL} \mathrm{NH_3}$ $1000 \mathrm{~mL}$ of $1 \mathrm{M}$ ammonia contains $14 \mathrm{~g}$ nitrogen
$20 \mathrm{~mL}$ of $1 \mathrm{M}$ ammonia contains
$ \frac{14 \times 20}{1000} \mathrm{~g} \text { nitrogen } $
Percentage of nitrogen $=\frac{14 \times 20 \times 100}{1000 \times 0.5}=56.0 \%$
12.10.3 Halogens
Carius method: A known mass of an organic compound is heated with fuming nitric acid in the presence of silver nitrate contained in a hard glass tube known as Carius tube, (Fig.12.17) in a furnace. Carbon and hydrogen present in the compound are oxidised to carbon dioxide and water. The halogen present forms the corresponding silver halide $(\operatorname{AgX})$. It is filtered, washed, dried and weighed.
Fig. 12.17 Carius method. Halogen containing organic compound is heated with fuming nitric acid in the presence of silver nitrate.
Let the mass of organic compound taken $=\mathrm{m} \mathrm{g}$
Mass of $\mathrm{AgX}$ formed $=\mathrm{m_1} \mathrm{~g}$ $1 \mathrm{~mol}$ of $\mathrm{AgX}$ contains $1 \mathrm{~mol}$ of $\mathrm{X}$
Mass of halogen in $\mathrm{m_1} \mathrm{~g}$ of $\mathrm{AgX}$
$$ =\frac{\text { atomic mass of } \mathrm{X} \times \mathrm{m_1} \mathrm{~g}}{\text { molecular mass of } \mathrm{AgX}} $$
Percentage of halogen
$$ =\frac{\text { atomic mass of } X \times \mathrm{m_1} g}{\text { molecular mass of } \mathrm{AgX}} $$
Problem 12.23
In Carius method of estimation of halogen, $0.15 \mathrm{~g}$ of an organic compound gave $0.12 \mathrm{~g}$ of $\mathrm{AgBr}$. Find out the percentage of bromine in the compound.
Solution
Molar mass of $\mathrm{AgBr}=108+80$ $$ =188 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1} $$
$188 \mathrm{~g}$ AgBr contains $80 \mathrm{~g}$ bromine
$0.12 \mathrm{~g}$ AgBr contains $\frac{80 \times 0.12}{188} \mathrm{~g}$ bromine
$$ \begin{aligned} \text { Percentage of bromine } & =\frac{80 \times 0.12 \times 100}{188 \times 0.15} \\ & =34.04 \% \end{aligned} $$
12.10.4 Sulphur
A known mass of an organic compound is heated in a Carius tube with sodium peroxide or fuming nitric acid. Sulphur present in the compound is oxidised to sulphuric acid. It is precipitated as barium sulphate by adding excess of barium chloride solution in water. The precipitate is filtered, washed, dried and weighed. The percentage of sulphur can be calculated from the mass of barium sulphate.
Let the mass of organic $$ \text { compound taken }=\mathrm{mg} $$
and the mass of barium $$ \text { sulphate formed }=\mathrm{m_1} \mathrm{~g} $$
$1 \mathrm{~mol} \text{ of } \mathrm{BaSO_4}=233 \mathrm{~g} \mathrm{BaSO_4}=32 \mathrm{~g}$ sulphur
$\mathrm{m_1} \mathrm{~g} \mathrm{BaSO_4}$ contains $\frac{32 \times m_{1}}{233}$ g sulphur
$$ \text { Percentage of sulphur }=\frac{32 \times m_{1} \times 100}{233 \times m} $$
Problem 12.24
In sulphur estimation, $0.157 \mathrm{~g}$ of an organic compound gave $0.4813 \mathrm{~g}$ of barium sulphate. What is the percentage of sulphur in the compound?
Solution
Molecular mass of $\mathrm{BaSO_4}=137+32+64$
$$ =233 \mathrm{~g} $$
$233 \mathrm{~g} \mathrm{BaSO_4}$ contains $32 \mathrm{~g}$ sulphur
$0.4813 \mathrm{~g} \mathrm{BaSO_4}$ contains $\frac{32 \times 0.4813}{233} \mathrm{~g}$ $\mathrm{~g}$ sulphur
Percentage of sulphur $=\frac{32 \times 0.4813 \times 100}{233 \times 0.157}$
$$ =42.10 \% $$
12.10.5 Phosphorus
A known mass of an organic compound is heated with fuming nitric acid whereupon phosphorus present in the compound is oxidised to phosphoric acid. It is precipitated as ammonium phosphomolybdate, $\left(\mathrm{NH _4}\right) _{3}$ $\mathrm{PO _4} \cdot 12 \mathrm{MoO _3}$, by adding ammonia and ammonium molybdate. Alternatively, phosphoric acid may be precipitated as $\mathrm{MgNH _4} \mathrm{PO _4}$ by adding magnesia mixture which on ignition yields $\mathrm{Mg _2} \mathrm{P _2} \mathrm{O _7}$.
Let the mass of organic compound taken $=\mathrm{mg}$ and mass of ammonium phospho molydate $=\mathrm{m_1} \mathrm{~g}$
Molar mass of $\left(\mathrm{NH _4}\right) _{3} \mathrm{PO _4} \cdot 12 \mathrm{MoO _3}=1877 \mathrm{~g}$ Percentage of phosphorus $=\frac{31 \times m _{1} \times 100}{1877 \times m} \%$
If phosphorus is estimated as $\mathrm{Mg_2} \mathrm{P_2} \mathrm{O_7}$, Percentage of phosphorus $=\frac{62 \times m_{1} \times 100}{222}$ :
where, $222 \mathrm{u}$ is the molar mass of $\mathrm{Mg_2} \mathrm{P_2} \mathrm{O_7}$, $m$, the mass of organic compound taken, $m_{1}$, the mass of $\mathrm{Mg_2} \mathrm{P_2} \mathrm{O_7}$ formed and 62, the mass of two phosphorus atoms present in the compound $\mathrm{Mg_2} \mathrm{P_2} \mathrm{O_7}$.
12.10.6 Oxygen
The percentage of oxygen in an organic compound is usually found by difference between the total percentage composition (100) and the sum of the percentages of all other elements. However, oxygen can also be estimated directly as follows:
A definite mass of an organic compound is decomposed by heating in a stream of nitrogen gas. The mixture of gaseous products containing oxygen is passed over red-hot coke when all the oxygen is converted to carbon monoxide. This mixture is passed through warm iodine pentoxide $\left(\mathrm{I_2} \mathrm{O_5}\right)$ when carbon monoxide is oxidised to carbon dioxide producing iodine.
Compound $\xrightarrow{\text { heat }} \mathrm{O_2}+ \text{other gaseous product} $
$$2 \mathrm{C}+\mathrm{O_2} \xrightarrow{1373 \mathrm{~K}} 2 \mathrm{CO}] 5 \quad \quad \quad \quad [A]$$ $$\mathrm{I_2} \mathrm{O_5}+5 \mathrm{CO} \longrightarrow \mathrm{I_2}+5 \mathrm{CO_2}] 2 \quad \quad \quad \quad [B]$$
On making the amount of $\mathrm{CO}$ produced in equation (A) equal to the amount of $\mathrm{CO}$ used in equation (B) by multiplying the equations (A) and (B) by 5 and 2 respectively; we find that each mole of oxygen liberated from the compound will produce two moles of carbondioxide.
Thus $88 \mathrm{~g}$ carbon dioxide is obtained if $32 \mathrm{~g}$ oxygen is liberated.
Let the mass of organic compound taken be $m g$ Mass of carbon dioxide produced be $m_{1} g$
$\therefore \mathrm{m_1} \mathrm{~g}$ carbon dioxide is obtained from $\frac{32 \times m_{1}}{88} \mathrm{~g} \mathrm{O_2}$
$\therefore$ Percentage of oxygen $=\frac{32 \times m_{1} \times 100}{88 \times m} \%$
The percentage of oxygen can be derived from the amount of iodine produced also.
Presently, the estimation of elements in an organic compound is carried out by using microquantities of substances and automatic experimental techniques. The elements, carbon, hydrogen and nitrogen present in a compound are determined by an apparatus known as CHN elemental analyser. The analyser requires only a very small amount of the substance $(1-3 \mathrm{mg})$ and displays the values on a screen within a short time. A detailed discussion of such methods is beyond the scope of this book.
Summary
In this unit, we have learnt some basic concepts in structure and reactivity of organic compounds, which are formed due to covalent bonding. The nature of the covalent bonding in organic compounds can be described in terms of orbitals hybridisation concept, according to which carbon can have $s p^{3}, s p^{2}$ and $s p$ hybridised orbitals. The $s p^{3}, s p^{2}$ and $s p$ hybridised carbons are found in compounds like methane, ethene and ethyne respectively. The tetrahedral shape of methane, planar shape of ethene and linear shape of ethyne can be understood on the basis of this concept. A $s p^{3}$ hybrid orbital can overlap with $1 s$ orbital of hydrogen to give a carbon - hydrogen (C-H) single bond (sigma, $\sigma$ bond). Overlap of a $s p^{2}$ orbital of one carbon with $s p^{2}$ orbital of another results in the formation of a carbon-carbon $\sigma$ bond. The unhybridised $p$ orbitals on two adjacent carbons can undergo lateral (sideby-side) overlap to give a pi ( $\pi$ ) bond. Organic compounds can be represented by various structural formulas. The three dimensional representation of organic compounds on paper can be drawn by wedge and dash formula.
Organic compounds can be classified on the basis of their structure or the functional groups they contain. A functional group is an atom or group of atoms bonded together in a unique fashion and which determines the physical and chemical properties of the compounds. The naming of the organic compounds is carried out by following a set of rules laid down by the International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). In IUPAC nomenclature, the names are correlated with the structure in such a way that the reader can deduce the structure from the name.
Organic reaction mechanism concepts are based on the structure of the substrate molecule, fission of a covalent bond, the attacking reagents, the electron displacement effects and the conditions of the reaction. These organic reactions involve breaking and making of covalent bonds. A covalent bond may be cleaved in heterolytic or homolytic fashion. A heterolytic cleavage yields carbocations or carbanions, while a homolytic cleavage gives free radicals as reactive intermediate. Reactions proceeding through heterolytic cleavage involve the complimentary pairs of reactive species. These are electron pair donor known as nucleophile and an electron pair acceptor known as electrophile. The inductive, resonance, electromeric and hyperconjugation effects may help in the polarisation of a bond making certain carbon atom or other atom positions as places of low or high electron densities.
Organic reactions can be broadly classified into following types; substitution, addition, elimination and rearrangement reactions. Purification, qualitative and quantitative analysis of organic compounds are carried out for determining their structures. The methods of purification namely : sublimation, distillation and differential extraction are based on the difference in one or more physical properties. Chromatography is a useful technique of separation, identification and purification of compounds. It is classified into two categories : adsorption and partition chromatography. Adsorption chromatography is based on differential adsorption of various components of a mixture on an adsorbent. Partition chromatography involves continuous partitioning of the components of a mixture between stationary and mobile phases. After getting the compound in a pure form, its qualitative analysis is carried out for detection of elements present in it. Nitrogen, sulphur, halogens and phosphorus are detected by Lassaigne’s test. Carbon and hydrogen are estimated by determining the amounts of carbon dioxide and water produced. Nitrogen is estimated by Dumas or Kjeldahl’s method and halogens by Carius method. Sulphur and phosphorus are estimated by oxidising them to sulphuric and phosphoric acids respectively. The percentage of oxygen is usually determined by difference between the total percentage (100) and the sum of percentages of all other elements present.
Exercise
12.1 What are hybridisation states of each carbon atom in the following compounds ? $\mathrm{CH_2}=\mathrm{C}=\mathrm{O}, \mathrm{CH_3} \mathrm{CH}=\mathrm{CH_2}$, $\left(\mathrm{CH_3}\right)_{2} \mathrm{CO}, \mathrm{CH_2}=\mathrm{CHCN}, \mathrm{C_6} \mathrm{H_6}$
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Answer
(i) $\stackrel{1}{C} H_2=\stackrel{2}{C}=0$
C- 1 is $s p^{2}$ hybridised.
C- 2 is sp hybridised.
(ii)
$\stackrel{1}{C} H_3-\stackrel{2}{C} H=\stackrel{3}{C} H_2$
C- 1 is $s p^{3}$ hybridised.
C- 2 is $s p^{2}$ hybridised.
C- 3 is $s p^{2}$ hybridised.
(iii)
C-1 and C-3 are sp³ hybridised.
C- 2 is $s p^{2}$ hybridised.
(iv)
C- 1 is $s p^{2}$ hybridised.
C- 2 is $s p^{2}$ hybridised.
C- 3 is $s p$ hybridised.
(v) $C_6 H_6$
All the 6 carbon atoms in benzene are $s p^{2}$ hybridised.
12.2 Indicate the $\sigma$ and $\pi$ bonds in the following molecules : $\mathrm{C_6} \mathrm{H_6}, \mathrm{C_6} \mathrm{H_12}, \mathrm{CH_2} \mathrm{Cl_2}, \mathrm{CH_2}=\mathrm{C}=\mathrm{CH_2}, \mathrm{CH_3} \mathrm{NO_2}, \mathrm{HCONHCH_3}$
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Answer
(i) $C_6 H_6$
There are six C-C sigma ( ${\sigma _{C-C}}$ ) bonds, six C-H sigma ( ${\sigma _{C-H}}$ ) bonds, and three $C=C$ pi $({ }^{C-C})$ resonating bonds in the given compound.
(ii) $C_6 H _{12}$
There are six C-C sigma ( $\sigma _{C-C}$ ) bonds and twelve C-H sigma ( $\sigma _{C-H}$ ) bonds in the given compound.
(iii) $CH_2 Cl_2$
There two C-H sigma ( $\sigma _{C-H}$ ) bonds and two C-Cl sigma ( ${\sigma _{C-Cl}}$ ) bonds in the given compound.
(iv) $CH_2=C=CH_2$
There are two C-C sigma ( ${\sigma _{C-C}}$ ) bonds, four C-H sigma ( ${\sigma _{C-H}}$ ) bonds, and two $C=C$ pi ( ${ }^{\pi _{C-C}}$ ) bonds in the given compound.
(v) $CH_3 NO_2$
There are three C-H sigma ( $\sigma _{C-H})$ bonds, one C-N sigma ( $\sigma _{C-N})$ bond, one N-O sigma ( $\sigma _{N-0})$ bond, and one $N=O$ pi ( $.\pi _{N-O})$ bond in the given compound.
(vi) $HCONHCH_3$
There are two C-N sigma ( $\sigma _{C-N}$ ) bonds, four C-H sigma ( $\sigma _{C-H}$ ) bonds, one N-H sigma bond, and one $C=O$ pi ( $\pi _{C-C}$ ) bond in the given compound.
12.3 Write bond line formulas for : Isopropyl alcohol, 2,3-Dimethylbutanal, Heptan-4-one.
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Answer
The bond line formulae of the given compounds are:
(a) Isopropyl alcohol
$\Rightarrow$
(b) 2, 3-dimethyl butanal
$\Rightarrow$
(c) Heptan-4-one
$ H _3 C-CH _2-CH _2 -\overbrace C^{O}-CH_2-CH_2-CH_3 $
$\Rightarrow$
12.4 Give the IUPAC names of the following compounds :
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Answer
(a)
1-phenyl propane
(b)
3-methylpentanenitrile
(c)
2, 5-dimethyl heptane
(d)
3-bromo-3-chloroheptane
(e)
3-chloropropanal
(f) $Cl_2 CHCH_2 OH$
1, 1-dichloro-2-ethanol
12.5 Which of the following represents the correct IUPAC name for the compounds concerned ?
(a) 2,2-Dimethylpentane or 2-Dimethylpentane
(b) 2,4,7-Trimethyloctane or 2,5,7-Trimethyloctane
(c) 2-Chloro-4-methylpentane or 4-Chloro-2-methylpentane
(d) But-3-yn-1-ol or But-4-ol-1-yne.
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Answer
(a) The prefix diin the IUPAC name indicates that two identical substituent groups are present in the parent chain. Since two methyl groups are present in the C-2 of the parent chain of the given compound, the correct IPUAC name of the given compound is 2, 2-dimethylpentane.
(b) Locant number 2, 4, 7 is lower than 2, 5, 7. Hence, the IUPAC name of the given compound is 2, 4, 7trimethyloctane.
(c) If the substituents are present in the equivalent position of the parent chain, then the lower number is given to the one that comes first in the name according to the alphabetical order. Hence, the correct IUPAC name of the given compound is 2-chloro-4-methylpentane.
(d) Two functional groups - alcoholic and alkyne - are present in the given compound. The principal functional group is the alcoholic group. Hence, the parent chain will be suffixed with ol. The alkyne group is present in the C-3 of the parent chain. Hence, the correct IUPAC name of the given compound is But-3-yn-1-ol.
12.6 Draw formulas for the first five members of each homologous series beginning with the
following compounds. (a) $\mathrm{H}-\mathrm{COOH}$ (b) $\mathrm{CH_3} \mathrm{COCH_3}$ (c) $\mathrm{H}-\mathrm{CH}=\mathrm{CH_2}$
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Answer
The first five members of each homologous series beginning with the given compounds are shown as follows:
(a)
$H-COOH$ : Methanoic acid
$CH_3-COOH$ : Ethanoic acid
$CH_3-CH_2-COOH$ : Propanoic acid
$CH_3-CH_2-CH_2-COOH$ : Butanoic acid
$CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-COOH$ : Pentanoic acid
(b)
$CH_3 COCH_3$ : Propanone
$CH_3 COCH_2 CH_3$ : Butanone
$CH_3 COCH_2 CH_2 CH_3$ : Pentan-2-one
$CH_3 COCH_2 CH_2 CH_2 CH_3$ : Hexan-2-one
$CH_3 COCH_2 CH_2 CH_2 CH_2 CH_3$ : Heptan-2-one
(c)
$H-CH=CH_2$ : Ethene
$CH_3-CH=CH_2$ : Propene
$CH_3-CH_2-CH=CH_2:$ 1-Butene
$CH_3-CH_2-CH_2-CH=CH_2$ : 1-Pentene
$CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH=CH_2: 1-Hexene$
12.7 Give condensed and bond line structural formulas and identify the functional group(s) present, if any, for :
(a) 2,2,4-Trimethylpentane
(b) 2-Hydroxy-1,2,3-propanetricarboxylic acid
(c) Hexanedial
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Answer
(a) 2, 2, 4-trimethylpentane
Condensed formula:
$(CH_3)_2 CHCH_2 C(CH_3)_3$
Bond line formula:
(b) 2-hydroxy-1, 2, 3-propanetricarboxylic acid Condensed Formula:
$(COOH) CH_2 C(OH)(COOH) CH_2(COOH)$
Bond line formula:
The functional groups present in the given compound are carboxylic acid (-COOH) and alcoholic (-OH) groups.
(c) Hexanedial
Condensed Formula:
$(CHO)(CH_2)_4(CHO)$
Bond line Formula:
The functional group present in the given compound is aldehyde $(-CHO)$.
12.8 Identify the functional groups in the following compounds
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Answer
The functional groups present in the given compounds are:
(a) Aldehyde (-CHO),
Hydroxyl(-OH),
Methoxy (-OMe),
$C=C$ double bond $(-\stackrel{1}{C}=\stackrel{1}{C}-)$
(b) Amino (- $NH_2$ ); primary amine,
Ester (-O-CO-),
Triethylamine $(N(C_2 H_5)_2)$; tertiary amine
(c) Nitro (– $NO_2$ ),
$C=C$ double bond $(-C=C-)$
12.9 Which of the two: $\mathrm{O_2} \mathrm{NCH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{O}^{-}$or $\mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{O}^{-}$is expected to be more stable and why?
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Answer
$NO_2$ group is an electron-withdrawing group. Hence, it shows -I effect. By withdrawing the electrons toward it, the $NO_2$ group decreases the negative charge on the compound, thereby stabilising it. On the other hand, ethyl group is an electron-releasing group. Hence, the ethyl group shows +1 effect. This increases the negative charge on the compound, thereby destabilising it. Hence, $O_2 NCH_2 CH_2 O$ is expected to be more stable than $CH_3 CH_2 O$.
12.10 Explain why alkyl groups act as electron donors when attached to a $\pi$ system.
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Answer
When an alkyl group is attached to a , $\neg$ system, it acts as an electron-donor group by the process of hyperconjugation. To understand this concept better, let us take the example of propene.
In hyperconjugation, the sigma electrons of the $C-H$ bond of an alkyl group are delocalised. This group is directly attached to an atom of an unsaturated system. The delocalisation occurs because of a partial overlap of a $s p^{3}$-ssigma bond orbital with an empty $p$ orbital of the - $\neg$ bond of an adjacent carbon atom.
The process of hyperconjugation in propene is shown as follows:
This type of overlap leads to a delocalisation (also known as no-bond resonance) of the - $\neg$ electrons, making the molecule more stable.
IV
III
12.11 Draw the resonance structures for the following compounds. Show the electron shift using curved-arrow notation.
(a) $\mathrm{C_6} \mathrm{H_5} \mathrm{OH}$
(b) $\mathrm{C_6} \mathrm{H_5} \mathrm{NO_2}$
(c) $\mathrm{CH_3} \mathrm{CH}=\mathrm{CHCHO}$
(d) $\mathrm{C_6} \mathrm{H_5}-\mathrm{CHO}$
(e) $\mathrm{C_6} \mathrm{H_5}-\stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H_2}$
(f) $\mathrm{CH_3} \mathrm{CH}=\mathrm{CH} \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H_2}$
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Answer
(a) The structure of $C_6 H_5 OH$ is:
The resonating structures of phenol are represented as:
(b) The structure of $C_6 H_5 NO_2$ is:
The resonating structures of nitro benzene are represented as:
(c) $CH_3 CH=CH-CHO$
The resonating structures of the given compound are represented as:
1
II
(d) The structure of $C_6 H_5 CHO$ is:
The resonating structures of benzaldehyde are represented as:
(e) $C_6 H_5 CH_2^{-}$
The resonating structures of the given compound are:
(f) $CH_3 CH=CHCH_2^{-}$
The resonating structures of the given compound are:
12.12 What are electrophiles and nucleophiles ? Explain with examples.
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Answer
An electrophile is a reagent that takes away an electron pair. In other words, an electron-seeking reagent is called an electrophile $(E^{+})$. Electrophiles are electron-deficient and can receive an electron pair.
Carbocations $(CH_3 CH_2^{+})$and neutral molecules having functional groups such as carbonyl group $(/ C=0$ ) are examples of electrophiles.
A nulceophile is a reagent that brings an electron pair. In other words, a nucleus-seeking reagent is called a nulceophile (Nu:).
For example: $OH^{-}, NC^{-} e^{e}$, carbanions $(R_3 C^{-})$, etc.
Neutral molecules such as $H_2-$ and ammonia also act as nulceophiles because of the presence of a lone pair.
12.13 Identify the reagents shown in bold in the following equations as nucleophiles or electrophiles:
(a) $\mathrm{CH_3} \mathrm{COOH}+\mathbf{H O}^{-} \rightarrow \mathrm{CH_3} \mathrm{COO}^{-}+\mathrm{H_2} \mathrm{O}$
(b) $\mathrm{CH_3} \mathrm{COCH_3}+\overline{\mathbf{C N}} \rightarrow\left(\mathrm{CH_3}\right)_{2} \mathrm{C}(\mathrm{CN})(\mathrm{OH})$
(c) $\mathrm{C_6} \mathrm{H_6}+\mathbf{C H_3} \stackrel{+}{\mathbf{C}} \mathbf{O} \rightarrow \mathrm{C_6} \mathrm{H_5} \mathrm{COCH_3}$
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Answer
Electrophiles are electron-deficient species and can receive an electron pair. On the other hand, nucleophiles are electron-rich species and can donate their electrons.
(a) $CH_3 COOH+HO^{-} \longrightarrow CH_3 COO^{-}+H_2 O$
Here, $HO^{-} e$ acts as a nucleophile as it is an electron-rich species, i.e., it is a nucleus-seeking species.
(b) $CH_3 COCH_3+\stackrel{-}{\mathbf{C}} \mathbf{N} \longrightarrow(CH_3)_2 C(CN)+(OH)$
Here, $- CN$ acts as a nucleophile as it is an electron-rich species, i.e., it is a nucleus-seeking species. (c) $C_6 H_5+\mathbf{C H}_3 \stackrel{+}{\mathbf{C}} O \longrightarrow C_6 H_5 COCH_3$
Here, $CH_3 \stackrel{+}{C} O$ acts as an electrophile as it is an electron-deficient species.
12.14 Classify the following reactions in one of the reaction type studied in this unit.
(a) $\mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{Br}+\mathrm{HS}^{-} \rightarrow \mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{SH}+\mathrm{Br}^{-}$
(b) $\left(\mathrm{CH_3}\right)_2 \mathrm{C}=\mathrm{CH_2}+\mathrm{HCI} \rightarrow\left(\mathrm{CH_3}\right)_2 \mathrm{CIC}-\mathrm{CH_3}$
(c) $\mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{Br}+\mathrm{HO}^{-} \rightarrow \mathrm{CH_2}=\mathrm{CH_2}+\mathrm{H_2} \mathrm{O}+\mathrm{Br}^{-}$
(d) $\left(\mathrm{CH_3}\right)_3 \mathrm{C}-\mathrm{CH_2} \mathrm{OH}+\mathrm{HBr} \rightarrow\left(\mathrm{CH_3}\right)_2 \mathrm{CBrCH_2} \mathrm{CH_2} \mathrm{CH_3}+\mathrm{H_2} \mathrm{O}$
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Answer
(a) It is an example of substitution reaction as in this reaction the bromine group in bromoethane is substituted by the -SH group.
(b) It is an example of addition reaction as in this reaction two reactant molecules combine to form a single product.
(c) It is an example of elimination reaction as in this reaction hydrogen and bromine are removed from bromoethane to give ethene.
(d) In this reaction, substitution takes place, followed by a rearrangement of atoms and groups of atoms.
12.15 What is the relationship between the members of following pairs of structures? Are they structural or geometrical isomers or resonance contributors?
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(a) Compounds having the same molecular formula but with different structures are called structural isomers. The given compounds have the same molecular formula but they differ in the position of the functional group (ketone group).
In structure I, ketone group is at the C-3 of the parent chain (hexane chain) and in structure II, ketone group is at the $C-2$ of the parent chain (hexane chain). Hence, the given pair represents structural isomers.
(b) Compounds having the same molecular formula, the same constitution, and the sequence of covalent bonds, but with different relative position of their atoms in space are called geometrical isomers.
In structures I and II, the relative position of Deuterium (D) and hydrogen $(H)$ in space are different. Hence, the given pairs represent geometrical isomers.
(c) The given structures are canonical structures or contributing structures. They are hypothetical and individually do not represent any real molecule. Hence, the given pair represents resonance structures, called resonance isomers.
12.16 For the following bond cleavages, use curved-arrows to show the electron flow and classify each as homolysis or heterolysis. Identify reactive intermediate produced as free radical, carbocation and carbanion.
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Answer
(a) The bond cleavage using curved-arrows to show the electron flow of the given reaction can be represented as
It is an example of homolytic cleavage as one of the shared pair in a covalent bond goes with the bonded atom. The reaction intermediate formed is a free radical.
(b) The bond cleavage using curved-arrows to show the electron flow of the given reaction can be represented as
It is an example of heterolytic cleavage as the bond breaks in such a manner that the shared pair of electrons remains with the carbon of propanone. The reaction intermediate formed is carbanion.
(c) The bond cleavage using curved-arrows to show the electron flow of the given reaction can be represented as
It is an example of heterolytic cleavage as the bond breaks in such a manner that the shared pair of electrons remains with the bromine ion. The reaction intermediate formed is a carbocation.
(d) The bond cleavage using curved-arrows to show the electron flow of the given reaction can be represented as
It is a heterolytic cleavage as the bond breaks in such a manner that the shared pair of electrons remains with one of the fragments. The intermediate formed is a carbocation.
12.17 Explain the terms Inductive and Electromeric effects. Which electron displacement effect explains the following correct orders of acidity of the carboxylic acids?
(a) $\mathrm{Cl_3} \mathrm{CCOOH}>\mathrm{Cl_2} \mathrm{CHCOOH}>\mathrm{ClCH_2} \mathrm{COOH}$
(b) $\mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{COOH}>\left(\mathrm{CH_3}\right)_2 \mathrm{CHCOOH}>\left(\mathrm{CH_3}\right)_3 \mathrm{C} . \mathrm{COOH}$
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Inductive effect
The permanent displacement of sigma ( $\tilde{A} E^{\prime}$ ) electrons along a saturated chain, whenever an electron withdrawing or electron donating group is present, is called inductive effect.
Inductive effect could be $+I$ effect or $-I$ effect. When an atom or group attracts electrons towards itself more strongly than hydrogen, it is said to possess - I effect. For example,
$F \longrightarrow CH_2 \longleftarrow CH_2 \backsim CH_2 \backsim CH_3$
When an atom or group attracts electrons towards itself less strongly than hydrogen, it is said to possess +1 effect. For example,
$CH_3 \longrightarrow CH_2 \to Cl$
Electrometric effect
It involves the complete transfer of the shared pair of - $\urcorner$ electrons to either of the two atoms linked by multiple bonds in the presence of an attacking agent. For example,
Electrometric effect could be $+E$ effect or $-E$ effect.
- E effect: When the electrons are transferred towards the attacking reagent
- E effect: When the electrons are transferred away from the attacking reagent
(a) $Cl_3 CCOOH>Cl_2 CHCOOH>ClCH_2 COOH$
The order of acidity can be explained on the basis of Inductive effect (- I effect). As the number of chlorine atoms increases, the - I effect increases. With the increase in - I effect, the acid strength also increases accordingly.
(b) $CH_3 CH_2 COOH>(CH_3)_2 CHCOOH>(CH_3)_3 C . COOH$
The order of acidity can be explained on the basis of inductive effect (+ I effect). As the number of alkyl groups increases, the $+I$ effect also increases. With the increase in $+I$ effect, the acid strength also increases accordingly.
12.18 Give a brief description of the principles of the following techniques taking an example in each case.
(a) Crystallisation
(b) Distillation
(c) Chromatography
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Answer
(a) Crystallisation
Crystallisation is one of the most commonly used techniques for the purification of solid organic compounds.
Principle: It is based on the difference in the solubilites of the compound and the impurities in a given solvent. The impure compound gets dissolved in the solvent in which it is sparingly soluble at room temperature, but appreciably soluble at higher temperature. The solution is concentrated to obtain a nearly saturated solution. On cooling the solution, the pure compound crystallises out and is removed by filtration.
For example, pure aspirin is obtained by recrystallising crude aspirin. Approximately $2-4 g$ of crude aspirin is dissolved in about $20 mL$ of ethyl alcohol. The solution is heated (if necessary) to ensure complete dissolution. The solution is then left undisturbed until some crystals start to separate out. The crystals are then filtered and dried.
(b) Distillation
This method is used to separate volatile liquids from non-volatile impurities or a mixture of those liquids that have a sufficient difference in their boiling points.
Principle: It is based on the fact that liquids having different boiling points vapourise at different temperatures. The vapours are then cooled and the liquids so formed are collected separately.
For example, a mixture of chloroform ( $b . p=334 K$ ) and aniline ( $b . p=457 K$ ) can be separated by the method of distillation. The mixture is taken in a round bottom flask fitted with a condenser. It is then heated. Chloroform, being more volatile, vaporizes first and passes into the condenser. In the condenser, the vapours condense and chloroform trickles down. In the round bottom flask, aniline is left behind.
(c) Chromatography
It is one of the most useful methods for the separation and purification of organic compounds.
Principle: It is based on the difference in movement of individual components of a mixture through the stationary phase under the influence of mobile phase.
For example, a mixture of red and blue ink can be separated by chromatography. A drop of the mixture is placed on the chromatogram. The component of the ink, which is less adsorbed on the chromatogram, moves with the mobile phase while the less adsorbed component remains almost stationary.
12.19 Describe the method, which can be used to separate two compounds with different solubilities in a solvent $\mathrm{S}$.
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Answer
Fractional crystallisation is the method used for separating two compounds with different solubilities in a solvent $S$. The process of fractional crystallisation is carried out in four steps.
(a) Preparation of the solution: The powdered mixture is taken in a flask and the solvent is added to it slowly and stirred simultaneously. The solvent is added till the solute is just dissolved in the solvent. This saturated solution is then heated.
(b) Filtration of the solution: The hot saturated solution is then filtered through a filter paper in a China dish.
(c) Fractional crystallisation: The solution in the China dish is now allowed to cool. The less soluble compound crystallises first, while the more soluble compound remains in the solution. After separating these crystals from the mother liquor, the latter is concentrated once again. The hot solution is allowed to cool and consequently, the crystals of the more soluble compound are obtained.
(d) Isolation and drying: These crystals are separated from the mother liquor by filtration. Finally, the crystals are dried.
12.20 What is the difference between distillation, distillation under reduced pressure and steam distillation?
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Answer
The differences among distillation, distillation under reduced pressure,
and steam distillation are given in the following table.
Distillation | Distillation under reduced pressure |
Steam distillation | |
---|---|---|---|
1.It is used for the purification of compounds that are associated with non-volatile impurities or those liquids, which do not decompose on boiling. In other words, distillation is used to separate volatile liquids from non-volatile impurities or a mixture of those liquids that have sufficient difference in boiling points. |
This method is used to purify a liquid that tends to decompose on boiling. Under pressure, the liquid will boil at a low temperature than its boiling point and will, therefore, not decompose. |
compound, which is steam volatile and immiscible in water. On passing steam, the compound gets condensed to water. After some time, the mixture of water and liquid starts to boil and passes through the condenser. This condensed mixture of water and liquid is then separated by using a separating funnel. |
|
2. | Mixture of petrol and kerosene is separated by this method. |
Glycerol is purified by this method. It boils with decomposition at a temperature of 593 K. At a reduced pressure, it boils at 453 K without decomposition. |
A mixture of water and aniline is separated by steam distillation. |
12.21 Discuss the chemistry of Lassaigne’s test.
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Answer
Lassaigne’s test
This test is employed to detect the presence of nitrogen, sulphur, halogens, and phosphorous in an organic compound. These elements are present in the covalent form in an organic compound. These are converted into the ionic form by fusing the compound with sodium metal.
$ \begin{aligned} & Na+C+N \xrightarrow{\Delta} NaCN \\ & 2 Na+S \xrightarrow{\Delta} Na_2 S \\ & Na+X \xrightarrow{\Delta} NaX \\ & (X=Cl, Br, I) \end{aligned} $
The cyanide, sulphide, and halide of sodium formed are extracted from the fused mass by boiling it in distilled water. The extract so obtained is called Lassaigne’s extract. This Lassaigne’s extract is then tested for the presence of nitrogen, sulphur, halogens, and phosphorous.
(a) Test for nitrogen
Prussian blue colour
(Ferriferro cyanide)
Chemistry of the test
In the Lassaigne’s test for nitrogen in an organic compound, the sodium fusion extract is boiled with iron (II) sulphate and then acidified with sulphuric acid. In the process, sodium cyanide first reacts with iron (II) sulphate and forms sodium hexacyanoferrate (II). Then, on heating with sulphuric acid, some iron (II) gets oxidised to form iron (III) hexacyanoferrate (II), which is Prussian blue in colour. The chemical equations involved in the reaction can be represented as
$ \begin{aligned} & 6 CN^{-}+Fe^{2+} \longrightarrow[Fe(CN)_6]^{4-} \\ & 3[Fe(CN)_6]^{4-}+4 Fe^{3+} \xrightarrow{x H_2 O} Fe_4[Fe(CN)_6]_3 x H_2 O \end{aligned} $
Prussian blue colour
(b) Test for sulphur
(i) Lassaigne’s extract + Lead acetate $\xrightarrow{\text{ acetic acid }}$ Black precipitate
Chemistry of the test
In the Lassaigne’s test for sulphur in an organic compound, the sodium fusion extract is acidified with acetic acid and then lead acetate is added to it. The precipitation of lead sulphide, which is black in colour, indicates the presence of sulphur in the compound.
$S^{2-}+Pb^{2+} \longrightarrow PbS$
(Black)
(ii) Lassaigne’s extract + Sodium nitroprusside $\longrightarrow$ Violet colour
Chemistry of the test
The sodium fusion extract is treated with sodium nitroprusside. Appearance of violet colour also indicates the presence of sulphur in the compound.
$ \begin{aligned} & S^{2-}+[.Fe(CN)_5 NO]^{2-} \longrightarrow \\ &(\text{ Violet) } \end{aligned} $
If in an organic compound, both nitrogen and sulphur are present, then instead of $NaCN$, formation of NaSCN takes place.
$Na+C+N+S$ Ã
This NaSCN (sodium thiocyanate) gives a blood red colour. Prussian colour is not formed due to the absence of free cyanide ions.
$ Fe^{3+}+SCN^{-} \longrightarrow[Fe(SCN)]^{2+} $
(Blood red)
(c) Test for halogens
Chemistry of the test
In the Lassaigne’s test for halogens in an organic compound, the sodium fusion extract is acidified with nitric acid and then treated with silver nitrate.
$ \begin{aligned} & X^{-}+Ag^{+} \longrightarrow AgX \\ &(X=Cl, Br, I) \end{aligned} $
If nitrogen and sulphur both are present in the organic compound, then the Lassaigne’s extract is boiled to expel nitrogen and sulphur, which would otherwise interfere in the test for halogens.
12.22 Differentiate between the principle of estimation of nitrogen in an organic compound by (i) Dumas method and (ii) Kjeldahl’s method.
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In Dumas method, a known quantity of nitrogen containing organic compound is heated strongly with excess of copper oxide in an atmosphere of carbon dioxide to produce free nitrogen in addition to carbon dioxide and water. The chemical equation involved in the process can be represented as
$ C x HyNz+(2 x+y / 2) CuO \longrightarrow x CO_2+y / 2 H_2 O+z / 2 N_2+(2 x+y / 2) Cu $
The traces of nitrogen oxides can also be produced in the reaction, which can be reduced to dinitrogen by passing the gaseous mixture over a heated copper gauge. The dinitrogen produced is collected over an aqueous solution of potassium hydroxide. The volume of nitrogen produced is then measured at room temperature and atmospheric pressure.
On the other hand, in Kjeldahl’s method, a known quantity of nitrogen containing organic compound is heated with concentrated sulphuric acid. The nitrogen present in the compound is quantitatively converted into ammonium sulphate. It is then distilled with excess of sodium hydroxide. The ammonia evolved during this process is passed into a known volume of $H_2 SO_4$. The chemical equations involved in the process are
The acid that is left unused is estimated by volumetric analysis (titrating it against a standard alkali) and the amount of ammonia produced can be determined. Thus, the percentage of nitrogen in the compound can be estimated. This method cannot be applied to the compounds, in which nitrogen is present in a ring structure, and also not applicable to compounds containing nitro and azo groups.
12.23 Discuss the principle of estimation of halogens, sulphur and phosphorus present in an organic compound.
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Estimation of halogens
Halogens are estimated by the Carius method. In this method, a known quantity of organic compound is heated with fuming nitric acid in the presence of silver nitrate, contained in a hard glass tube called the Carius tube, taken in a furnace. Carbon and hydrogen that are present in the compound are oxidized to form $CO_2$ and $H_2 O$ respectively and the halogen present in the compound is converted to the form of $AgX$. This $AgX$ is then filtered, washed, dried, and weighed.
Let the mass of organic compound be $m g$.
Mass of $AgX$ formed $=m_1 g$
1 mol of Agx contains 1 mol of $X$.
Therefore,
Mass of halogen inm $I_1 g$ of $AgX$
$ =\frac{\text{ Atomic mass of } X \times m_1 g}{\text{ Molecular mass of } AgX} $
Thus, $%$ of halogen will be $=\frac{\text{ Atomic mass of } X \times m_1 \times 100}{\text{ Molecular mass of } AgX \times m}$
Estimation of Sulphur
In this method, a known quantity of organic compound is heated with either fuming nitric acid or sodium peroxide in a hard glass tube called the Carius tube. Sulphur, present in the compound, is oxidized to form sulphuric acid. On addition of excess of barium chloride to it, the precipitation of barium sulphate takes place. This precipitate is then filtered, washed, dried, and weighed.
Let the mass of organic compound be $m g$.
Mass of $BaSO_4$ formed $=m_1 g$
$1 mol^{2}$ of $BaSO_4=233 g BaSO_4=32 g$ of Sulphur
Therefore, $m_1 g$ of $BaSO_4$ contains $\frac{32 \times m_1}{233} g$ of sulphur.
Thus, percentage of sulphur $=\frac{32 \times m_1 \times 100}{233 \times m}$
Estimation of phosphorus
In this method, a known quantity of organic compound is heated with fuming nitric acid. Phosphorus, present in the compound, is oxidized to form phosphoric acid. By adding ammonia and ammonium molybdate to the solution, phosphorus can be precipitated as ammonium phosphomolybdate.
Phosphorus can also be estimated by precipitating it as $MgNH_4 PO_4$ by adding magnesia mixture, which on ignition yields $Mg_2 P_2 O_7$.
Let the mass of organic compound be $m g$.
Mass of ammonium phosphomolybdate formed $=m_1 g$
Molar mass of ammonium phosphomolybdate $=1877 g$
Thus, percentage of phosphorus $=\frac{31 \times m_1 \times 100}{1877 \times m} %$
If $P$ is estimated as $Mg_2 P_2 O_7$,
Then, percentage of phosphorus $=\frac{62 \times m_1 \times 100}{222 \times m} %$
12.24 Explain the principle of paper chromatography.
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In paper chromatography, chromatography paper is used. This paper contains water trapped in it, which acts as the stationary phase. On the base of this chromatography paper, the solution of the mixture is spotted. The paper strip is then suspended in a suitable solvent, which acts as the mobile phase. This solvent rises up the chromatography paper by capillary action and in the procedure, it flows over the spot. The components are selectively retained on the paper (according to their differing partition in these two phases). The spots of different components travel with the mobile phase to different heights. The paper so obtained (shown in the given figure) is known as a chromatogram.
12.25 Why is nitric acid added to sodium extract before adding silver nitrate for testing halogens?
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While testing the Lassaigne’s extract for the presence of halogens, it is first boiled with dilute nitric acid. This is done to decompose $NaCN$ to $HCN$ and $Na_2 S$ to $H_2 S$ and to expel these gases. That is, if any nitrogen and sulphur are present in the form of $NaCN$ and $Na_2 S$, then they are removed. The chemical equations involved in the reaction are represented as
$ \begin{aligned} & NaCN+HNO_3 \longrightarrow NaNO_3+HCN \\ & Na_2 S+2 HNO_3 \longrightarrow 2 NaNO_3+H_2 S \end{aligned} $
12.26 Explain the reason for the fusion of an organic compound with metallic sodium for testing nitrogen, sulphur and halogens.
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Nitrogen, sulphur, and halogens are covalently bonded in organic compounds. For their detection, they have to be first converted to ionic form. This is done by fusing the organic compound with sodium metal. This is called “Lassaigne’s test”. The chemical equations involved in the test are
$ \begin{aligned} & Na+C+N \longrightarrow NaCN \\ & Na+S+C+N \longrightarrow NaSCN \\ & 2 Na+S \longrightarrow Na_2 S \\ & Na+X \longrightarrow NaX \\ &(X=Cl, Br, I) \end{aligned} $
Carbon, nitrogen, sulphur, and halogen come from organic compounds.
12.27 Name a suitable technique of separation of the components from a mixture of calcium sulphate and camphor.
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The process of sublimation is used to separate a mixture of camphor and calcium sulphate. In this process, the sublimable compound changes from solid to vapour state without passing through the liquid state. Camphor is a sublimable compound and calcium sulphate is a non-sublimable solid. Hence, on heating, camphor will sublime while calcium sulphate will be left behind.
12.28 Explain, why an organic liquid vaporises at a temperature below its boiling point in its steam distillation?
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In steam distillation, the organic liquid starts to boil when the sum of vapour pressure due to the organic liquid $(p_1)$ and the vapour pressure due to water $(p_2)$ becomes equal to atmospheric pressure $(p)$, that is, $p=p_1+p_2$
Since $p_1<p_2$, organic liquid will vapourise at a lower temperature than its boiling point.
12.29 Will $\mathrm{CCl_4}$ give white precipitate of $\mathrm{AgCl}$ on heating it with silver nitrate? Give reason for your answer.
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$CCl_4$ will not give the white precipitate of $AgCl$ on heating it with silver nitrate. This is because the chlorine atoms are covalently bonded to carbon in $CCl_4$. To obtain the precipitate, it should be present in ionic form and for this, it is necessary to prepare the Lassaigne’s extract of $CCl_4$.
12.30 Why is a solution of potassium hydroxide used to absorb carbon dioxide evolved during the estimation of carbon present in an organic compound?
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Carbon dioxide is acidic in nature and potassium hydroxide is a strong base. Hence, carbon dioxide reacts with potassium hydroxide to form potassium carbonate and water as $2 KOH+CO_2 \longrightarrow K_2 CO_3+H_2 O$
Thus, the mass of the U-tube containing $KOH$ increases. This increase in the mass of U-tube gives the mass of $CO_2$ produced. From its mass, the percentage of carbon in the organic compound can be estimated.
12.31 Why is it necessary to use acetic acid and not sulphuric acid for acidification of sodium extract for testing sulphur by lead acetate test?
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Although the addition of sulphuric acid will precipitate lead sulphate, the addition of acetic acid will ensure a complete precipitation of sulphur in the form of lead sulphate due to common ion effect. Hence, it is necessary to use acetic acid for acidification of sodium extract for testing sulphur by lead acetate test.
12.32 An organic compound contains $69 \%$ carbon and $4.8 \%$ hydrogen, the remainder being oxygen. Calculate the masses of carbon dioxide and water produced when $0.20 \mathrm{~g}$ of this substance is subjected to complete combustion.
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Answer
Percentage of carbon in organic compound $=69 %$
That is, $100 g$ of organic compound contains $69 g$ of carbon.
$\therefore 0.2 g$ of organic compound will contain $100=0.138 g$ of $C$
$ =\frac{69 \times 0.2}{100}=0.138 g \text{ of } C $
Molecular mass of carbon dioxide, $CO_2=44 g$
That is, $12 g$ of carbon is contained in $44 g$ of $CO_2$.
$ \text{ Therefore, } 0.138 g \text{ of carbon will be contained in } \frac{44 \times 0.138}{12}=0.506 g \text{ of } CO_2 $
Thus, $0.506 g$ of $CO_2$ will be produced on complete combustion of $0.2 g$ of organic compound.
Percentage of hydrogen in organic compound is 4.8.
i.e., $100 g$ of organic compound contains $4.8 g$ of hydrogen.
Therefore, $0.2 g$ of organic compound will contain
$ \frac{4.8 \times 0.2}{100}=0.0096 g \text{ of } H $
It is known that molecular mass of water $(H_2 O)$ is $18 g$.
Thus, $2 g$ of hydrogen is contained in $18 g$ of water. $\therefore 0.0096 g$ of hydrogen will be contained in $\frac{18 \times 0.0096}{2}=0.0864 g$ of water
Thus, $0.0864 g$ of water will be produced on complete combustion of $0.2 g$ of the organic compound.
12.33 A sample of $0.50 \mathrm{~g}$ of an organic compound was treated according to Kjeldahl’s method. The ammonia evolved was absorbed in $50 \mathrm{ml}$ of $0.5 \mathrm{M} \mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}$. The residual acid required $60 \mathrm{~mL}$ of $0.5 \mathrm{M}$ solution of $\mathrm{NaOH}$ for neutralisation. Find the percentage composition of nitrogen in the compound.
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Answer
Given that, total mass of organic compound $=0.50 g$
$60 mL$ of $0.5 M$ solution of $NaOH$ was required by residual acid for neutralisation.
$60 mL$ of $0.5 M NaOH$ solution $=\frac{60}{2} mL$ of $0.5 M H_2 SO_4=30 mL$ of $0.5 M H_2 SO_4$
$ =\frac{60}{2} mL \text{ of } 0.5 M $
$\therefore$ Acid consumed in absorption of evolved ammonia is (50âє"30) mL $=20 mL$
Again, $20 mL$ of $0.5 MH_2 SO_4=40 mL$ of $0.5 MNH_3$
Also, since $1000 mL$ of $1 MNH_3$ contains $14 g$ of nitrogen,
$\therefore 40 mL$ of $0.5 M NH_3$ will contain $\frac{14 \times 40}{1000} \times 0.5=0.28 g$ of N
Therefore, percentage of nitrogen in $0.50 g$ of organic compound $=\frac{0.28}{0.50} \times 100=56 %$
12.34 $ 0.3780 \mathrm{~g}$ of an organic chloro compound gave $0.5740 \mathrm{~g}$ of silver chloride in Carius estimation. Calculate the percentage of chlorine present in the compound.
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Answer
Given that,
Mass of organic compound is $0.3780 g$.
Mass of $AgCl$ formed $=0.5740 g$
$1 mol$ of $AgCl$ contains $1 mol$ of $Cl$.
Thus, mass of chlorine in $0.5740 g$ of $AgCl$ $=\frac{35.5 \times 0.5740}{143.32}$
$=0.1421 g$
$\therefore$ Percentage of chlorine $=\frac{0.1421}{0.3780} \times 100=37.59 %$
Hence, the percentage of chlorine present in the given organic chloro compound is $37.59 %$
12.35 In the estimation of sulphur by Carius method, $0.468 \mathrm{~g}$ of an organic sulphur compound afforded $0.668 \mathrm{~g}$ of barium sulphate. Find out the percentage of sulphur in the given compound.
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Answer
Total mass of organic compound $=0.468 g$ [Given]
Mass of barium sulphate formed $=0.668 g$ [Given]
$1 mol$ of $BaSO_4=233 g$ of $BaSO_4=32 g$ of sulphur
Thus, $0.668 g$ of $BaSO_4$ contains $\frac{32 \times 0.668}{233} g$ of sulphur $=0.0917 g$ of sulphur
Therefore, percentage of sulphur $=\frac{0.0197}{0.468} \times 100=19.59 %$
Hence, the percentage of sulphur in the given compound is $19.59 %$.
12.36 In the organic compound $\mathrm{CH_2}=\mathrm{CH}-\mathrm{CH_2}-\mathrm{CH_2}-\mathrm{C} \equiv \mathrm{CH}$, the pair of hydridised orbitals involved in the formation of: $\mathrm{C_2}-\mathrm{C_3}$ bond is:
(a) $s p-s p^{2}$
(b) $s p-s p^{3}$
(c) $s p^{2}-s p^{3}$
(d) $s p^{3}-s p^{3}$
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Answer
$\stackrel{6}C_2=\stackrel{5}{C} H-\stackrel{4}C_2-\stackrel{3}C_2-\stackrel{2}{C} \equiv \stackrel{1}{C} H$
In the given organic compound, the carbon atoms numbered as 1, 2, 3, 4, 5, and 6 are $s p, s p, s p^{3}, s p^{3}, s p^{2}$, and $s p^{2}$ hybridized respectively. Thus, the pair of hybridized orbitals involved in the formation of $C_2-C_3$ bond is $s p \hat{a} \epsilon^{\prime \prime} s p^{3}$.
12.37 In the Lassaigne’s test for nitrogen in an organic compound, the Prussian blue colour is obtained due to the formation of:
(a) $\mathrm{Na_4}\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_{6}\right]$
(b) $\mathrm{Fe_4}\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_{6}\right]_3$
(c) $\mathrm{Fe_2}\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_{6}\right]$
(d) $\mathrm{Fe_3}\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN})_{6}\right]_4$
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Answer
In the Lassaigne’s test for nitrogen in an organic compound, the sodium fusion extract is boiled with iron (II) sulphate and then acidified with sulphuric acid. In the process, sodium cyanide first reacts with iron (II) sulphate and forms sodium hexacyanoferrate (II). Then, on heating with sulphuric acid, some iron (II) gets oxidised to form iron (III) hexacyanoferrate (II), which is Prussian blue in colour. The chemical equations involved in the reaction can be represented as
$ \begin{matrix} 6 CN^{-}+Fe^{2+} \longrightarrow[Fe(CN)_6]^{4-} \\ 3[Fe(CN)_6]^{4-}+4 Fe^{3+} \xrightarrow{x H_2 O} Fe_4[Fe(CN)_6]_3 x H_2 O \\ \text{ Prussian blue } \end{matrix} $
Hence, the Prussian blue colour is due to the formation of $Fe_4[Fe(CN)_6]_3$.
12.38 Which of the following carbocation is most stable?
(a) $\left(\mathrm{CH_3}\right)_3 \mathrm{C} \cdot \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H_2}$
(b) $\left(\mathrm{CH_3}\right)_3 \stackrel{+}{\mathrm{C}}$
(c) $\mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H_2}$
(d) $\mathrm{CH_3} \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H} \mathrm{CH_2} \mathrm{CH_3}$
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Answer
$(CH_3)_3 \stackrel{+}{C}$
is a tertiary carbocation. A tertiary carbocation is the most stable carbocation due to the electron releasing effect of three methyl groups. An increased + I effect by three methyl groups stabilizes the positive charge on the carbocation.
12.39 The best and latest technique for isolation, purification and separation of organic compounds is:
(a) Crystallisation
(b) Distillation
(c) Sublimation
(d) Chromatography
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Answer
Chromatography is the most useful and the latest technique of separation and purification of organic compounds. It was first used to separate a mixture of coloured substances.
12.40 The reaction: $\mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{I}+\mathrm{KOH}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{CH_3} \mathrm{CH_2} \mathrm{OH}+\mathrm{KI}$ is classified as :
(a) electrophilic substitution
(b) nucleophilic substitution
(c) elimination
(d) addition
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Answer
$CH_3 CH_2 I+KOH _{(a q)} \longrightarrow CH_3 CH_2 OH+KI$
It is an example of nucleophilic substitution reaction. The hydroxyl group of $KOH(OH^{\text{af }})$ with a lone pair of itself acts as a nucleophile and substitutes iodide ion in $CH_3 CH_2$ to form ethanol.
पिछले एकक में आपने सीखा कि कार्बन का एक अद्वितीय गुण होता है, जिसे ‘भृंखलन’ (Catenation) कहते हैं। इस कारण यह अन्य कार्बन परमाणुओं के साथ सहसंयोजक आबंध बनाता है। यह अन्य तत्त्वों, जैसे-हाइड्रोजन, ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, सल्फर, फास्फोरस तथा हैलोजेनों के परमाणुओं के साथ भी सहसंयोजक आबंध बनाता है। इस प्रकार के यौगिकों का अध्ययन रसायन शास्त्र की एक अलग शाखा के अंतर्गत किया जाता है, जिसे कार्बनिक रसायन कहते हैं। इस एकक में कुछ आधारभूत सिद्धांत तथा विश्लेषण-तकनीकें सम्मिलित हैं, जो कार्बनिक यौगिकों के विरचन तथा गुणों को समझने के लिए आवश्यक हैं।
8. 1 सामान्य प्रस्तावना
पृथ्वी पर जीवन को बनाए रखने के लिए कार्बनिक यौगिक अनिवार्य हैं। इसके अंतर्गत जटिल अणु हैं, जैसे-आनुवांशिक सूचना वाले डीऑक्सी राइबोन्यूक्लीक अम्ल (डी.एन.ए.) तथा प्रोटीन, जो हमारे रक्त, माँसपेशी एवं त्वचा के आवश्यक यौगिक बनाते हैं। कार्बनिक यौगिक कपड़ों, ईधनों, बहुलकों, रंजकों, दवाओं आदि पदार्थों में होते हैं। इन यौगिकों के अनुप्रयोगों के ये कुछ महत्त्वपूर्ण क्षेत्र हैं।
कार्बनिक रसायन का विज्ञान लगभग 200 वर्ष पुराना है। सन् 1780 के आसपास रसायनज्ञों ने पादपों तथा जंतुओं से प्राप्त कार्बनिक यौगिकों एवं खनिज स्रोतों से विरचित अकार्बनिक यौगिकों के बीच विभेदन करना आरंभ कर दिया था। स्वीडिश वैज्ञानिक बर्जिलियस ने प्रतिपादित किया कि ‘जैवशक्ति’ (Vital force) कार्बनिक यौगिकों के निर्माण के लिए उत्तरदायी है, जब सन् 1828 में एफ. वोलर ने कार्बनिक यौगिक यरिया का संश्लेषण अकार्बनिक यौगिक अमोनियम सायनेट से किया, तब यह धारणा निर्मूल सिद्ध हो गई।
$$\begin{array}{ll}\mathrm{NH}_4 \mathrm{CNO} \xrightarrow{\text { गरम करने पर }} & \mathrm{NH}_2 \mathrm{CONH}_2 \\ \text { अमोनियम सायनेट } & \text { यूरिया }\end{array}$$
कोल्बे (सन् 1845) द्वारा ऐसिटिक अम्ल तथा बर्थलोट (सन् 1856) द्वारा मेथैन के नवीन संश्लेषण के परिणामस्वरूप दर्शाया गया कि कार्बनिक यौगिकों को अकार्बनिक स्रोतों से प्रयोगशाला में संश्लेषित किया जा सकता है।
सहसंयोजक आबंधन के इलेक्ट्रॉनिक सिद्धांत के विकास ने कार्बनिक रसायन को आधुनिक रूप दिया।
8.2 कार्बन की चतुर्संयोजकता : कार्बनिक यौगिकों की आकृतियाँ
8.2.1 कार्बनिक यौगिकों की आकृतियाँ
आण्विक संरचना की मौलिक अवधारणाओं का ज्ञान कार्बनिक यौगिकों के गुणों को समझने और उनकी प्रागुक्ति करने में सहायक होता है। संयोजकता सिद्धांत एवं आण्विक संरचना को आप एकक-4 में समझ चुके हैं। आप यह भी जानते हैं कि कार्बन की चतुर्संयोजकता तथा इसके द्वारा सहसंयोजक आबंधनिर्माण को इलेक्ट्रॉनीय विन्यास तथा $s$ और $p$ कक्षकों के संकरण (Hybridisation) के आधार पर समझाया जा सकता है। आपको यह याद होगा कि मेथैन $\left(\mathrm{CH} _{4}\right)$, एथीन $\left(\mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{4}\right)$ तथा एथाइन $\left(\mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{2}\right)$ के समान अणुओं की आकृतियों को कार्बन परमाणुओं द्वारा निर्मित क्रमशः $s p^{3}, s p^{2}$ तथा $s p$ संकर कक्षकों की सहायता से स्पष्ट किया जा सकता है।
संकरण किसी यौगिक में आबंध लंबाई तथा आबंध एंथैल्पी (आबंध-सामर्थ्य) को प्रभावित करता है। $s p$ संकरित कक्षक में $s$ गुण अधिक होने के कारण यह नाभिक के समीप होता है। अतः $s p$ संकरित कक्षक द्वारा निर्मित आबंध $s p^{3}$ संकरित कक्षक द्वारा निर्मित आबंध की अपेक्षा अधिक निकट तथा अधिक सामर्थ्यवान होता है। $s p^{2}$ संकरित कक्षक $s p$ तथा $s p^{3}$ संकरित कक्षक के मध्यवर्ती होता है। अतः इससे बनने वाले आबंध की लंबाई तथा एंथैल्पी-दोनों के मध्यवर्ती होती हैं। संकरण का परिवर्तन कार्बन की विद्युत् ॠणात्मकता को प्रभावित करता है। कार्बन पर स्थित संकरित कक्षक की $s$ प्रकृति बढ़ने पर उसकी विद्युत् ऋणात्मकता में वृद्धि हो जाती है। अतः $s p$ संकरित कक्षक (जिसमें $s$-प्रकृति $50 %$ है $s p^{2}$ तथा $s p^{3}$ संकरित कक्षकों की अपेक्षा अधिक विद्युत् ॠणात्मक होते हैं। संकरित कक्षकों की अपेक्षित विद्युत् ॠणात्मकता का प्रभाव कार्बनिक यौगिकों के भौतिक तथा रासायनिक गुणों पर भी पड़ता है, जिनका वर्णन आगामी एककों में किया गया है।
8.1.2 $\pi$ आबंधों के कुछ अभिलक्षण
$\pi$ (पाइ) आबंध के निर्माण में दो निकटवर्ती परमाणुओं के $p$ कक्षकों का समानांतर अभिविन्यास समुचित पार्श्व अतिव्यापन के लिए आवश्यक है। अत: $\mathrm{CH} _{2}=\mathrm{CH} _{2}$ अणु में सभी परमाणुएक ही तल में होने चाहिए। इस अणु के प्रत्येक कार्बन पर उपस्थित $p$ - कक्षक समानांतर तथा अणु के तल के लंबवत होते हैं। एक $\mathrm{CH} _{2}$ को दूसरे के सापेक्ष में घुमाने पर $p$-कक्षकों के अधिकतम अतिव्यापन में बाधा उत्पन्न होती है। फलतः $(\mathrm{C}=\mathrm{C})$ कार्बन-कार्बन द्विआबंध के चारों ओर घूर्णन प्रतिबंधित हो जाता है। $\pi$ आबंध का इलेक्ट्रॉन आवेशअभ्र आबंधित परमाणुओं के तल के ऊपर एवं नीचे स्थित होता है। सामान्यत: $\pi$ आबंध बहुआबंधयुक्त यौगिकों में मुख्य सक्रिय केंद्र उपलब्ध कराते हैं। यह आक्रामक अभिकर्मकों के लिए इलेक्ट्रॉनों को आसानी से उपलब्ध कराता है।
उदाहरण 8.1
निम्नलिखित अणुओं में से प्रत्येक में कितने $\sigma$ तथा $\pi$ आबंध हैं?
(क) $\mathrm{HC} \equiv \mathrm{CCH}=\mathrm{CHCH_3}$ (ख) $\mathrm{CH_2}=\mathrm{C}=\mathrm{CHCH_3}$
हल
(क) $\sigma_{\mathrm{C}-\mathrm{C}}: 4 ; \sigma_{\mathrm{C}-\mathrm{H}}: 6 ; \pi_{\mathrm{C}=\mathrm{C}}: 1 ; \pi \mathrm{C} \equiv \mathrm{C}: 2$
(ख) $\sigma_{\mathrm{C}-\mathrm{C}}: 3 ; \sigma_{\mathrm{C}-\mathrm{H}}: 6 ; \pi_{\mathrm{C}=\mathrm{C}}: 2$.
उदाहरण 8.2
निम्नलिखित यौगिकों में प्रत्येक कार्बन की संकरण अवस्था क्या है?
(क) $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{Cl}$, (ख) $\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{2} \mathrm{CO}$, (ग) $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{CN}$, (घ) $\mathrm{HCONH} _{2}$, (ङ) $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{CH}=\mathrm{CHCN}$
हल
(क) $s p^{3}$, (ख) $s p^{3}, s p^{2}$, (ग) $s p^{3}, s p$, (घ) $s p^{2}$,(ङ) $s p^{3}, s p^{2}, s p^{2}, s p$
उदाहरण 8.3
निम्नलिखित यौगिकों में कार्बन की संकरण अवस्था एवं अणुओं की आकृतियाँ क्या हैं?
(क) $\mathrm{H} _{2} \mathrm{C}=\mathrm{O}$, (ख) $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{~F}$, (ग) $\mathrm{HC} \equiv \mathrm{N}$
हल
(क) $s p^{2}$ संकरित कार्बन, त्रिकोणीय समतल, (ख) $s p^{3}$ संकरित कार्बन, चतुष्फलकीय, (ग) $s p^{3}$ संकरित कार्बन, रैखीय।
8.3 कार्बनिक यौगिक का संरचनात्मक निरूपण
8.3.1 पूर्ण संघनित तथा आबंध-रेखा संरचनात्मक सूत्र
कार्बनिक यौगिकों के संरचनात्मक सूत्र लिखने की कई विधियाँ हैं। इनमें कुछ विधियाँ लूइस-संरचना अथवा बिंदु-संरचना, लघु आबंध संरचना (Dash structure), संघनित संरचना (Condensed structure) तथा आबंध रेखा संरचना है। लघु रेखा (-) द्वारा इलेक्ट्रॉन-युग्म सहसंयोजक आबंध को दर्शाकर लूइस संरचना सरल की जा सकती है। आबंध बनाने वाले इलेक्ट्रॉनों पर ऐसे संरचनात्मक सूत्र केंद्रित होते हैं। एकल आबंध, द्विआबंध तथा त्रिआबंध को क्रमशः एक लघु रेखा $(-)$, द्विलघु रेखा $(=)$ तथा त्रिलघु रेखा $(\equiv)$ द्वारा दर्शाया जाता है। विषम परमाणुओं (जैसे-ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, सल्फर, हैलोजेन आदि) पर उपस्थित एकाकी इलेक्ट्रॉन-युग्म को दो बिंदुओं (..) द्वारा दर्शाया जाता है, परंतु कभी-कभी ऐसा नहीं भी होता है। अतः एथेन $\left(\mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{6}\right)$, एथीन $\left(\mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{4}\right)$, एथाइन $\left(\mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{2}\right)$ तथा मेथेनॉल $\left(\mathrm{CH} _{3} \mathrm{OH}\right)$ के संरचनात्मक सूत्रों को निम्नलिखित प्रणाली द्वारा निरूपित किया जाता है। ऐसे संरचनात्मक निरूपणों को ‘पूर्ण संरचनात्मक सूत्र’ (Complete structure formula) कहा जाता है।
इन संरचना-सूत्रों को कुछ या सारे सहसंयोजक आबंधों को हटाकर तथा एक परमाणु से जुड़े समान समूह को कोष्ठक में लिखकर उनकी संख्या को पादांक में प्रदर्शित कर, संक्षिप्त किया जा सकता है। इन संक्षिप्त सूत्रों को ‘संघनित संरचनात्मक सूत्र’ (Condenstructural formula) कहते हैं। अत: एथेन, एथीन, एथाइन तथा मेथेनॉल को इस प्रकार लिखा जा सकता है-
$$ \begin{array}{cccc} \underset{\text{एथेन}}{\mathrm{CH_3CH_3}} & \underset{\text{एथीन}}{\mathrm{H_2C}=\mathrm{CH_2}} & \underset{\text{एथाइन}}{\mathrm{HC}=\mathrm{HC}} & \underset{\text{मेथेनॉल}}{\mathrm{CH_3} \mathrm{OH}} \end{array} $$
इस प्रकार, $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH} _{3}$ को और भी संघनित रूप $\mathrm{CH} _{3}\left(\mathrm{CH} _{2}\right) _{6} \mathrm{CH} _{3}$ द्वारा प्रदर्शित किया जा सकता है। इसे और सरल बनाने के लिए कार्बनिक रसायनज्ञों ने संरचनाओं को निरूपित करने हेतु केवल रेखाओं का उपयोग किया। इसे आबंध-रेखा संरचनात्मक सूत्र (bondline structural) में कार्बन तथा हाइड्रोजन परमाणुओं को नहीं लिखा जाता, बल्कि कार्बन-कार्बन आबंधों को टेढ़ी-मेढ़ी (जिग-जैग) रेखाओं द्वारा दर्शाया जाता है। केवल ऑक्सीजन, क्लोरीन, नाइट्रोजन इत्यादि परमाणुओं को विशेष रूप से लिखा जाता है। सिरे पर स्थित रेखा मेथिल $\left(-\mathrm{CH} _{3}\right)$ समूह इंगित करती है (जब तक किसी क्रियात्मक समूह द्वारा नहीं दर्शाया गया हो)। आंतरिक रेखाएँ उन कार्बन परमाणुओं को इंगित करती हैं, जो अपनी संयोजकता को पूर्ण करने के लिए आवश्यक हाइड्रोजन से आबंधित होते हैं। जैसे-
(i) 3-मेथिलऑक्टेन को निम्नलिखित रूपों में दर्शाया जा सकता है-
(ii) 3-ब्रोमोब्यूटेन को दर्शाने के विभिन्न तरीके :
चक्रीय यौगिकों में आबंध-रेखा सूत्रों को इस प्रकार दर्शाया जा सकता है-
उदाहरण 8.4
निम्नलिखित संघनित सूत्रों को पूर्ण संरचनात्मक सूत्रों में लिखिए-
(क) $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{COCH} _{2} \mathrm{CH} _{3}$
(ख) $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{CH}=\mathrm{CH}\left(\mathrm{CH} _{2}\right) _{3} \mathrm{CH} _{3}$
हल
उदाहरण 8.5
निम्नलिखित यौगिकों का संरचना-सूत्र संघनित रूप में लिखिए तथा उनका आबंध-रेखा सूत्र भी दीजिए-
(क) $\mathrm{HOCH} _{2} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH}\left(\mathrm{CH} _{3}\right) \mathrm{CH}$ $\left(\mathrm{CH} _{3}\right) \mathrm{CH} _{3}$
(ख)
हल
संघनित सूत्र:
(क) $\mathrm{HO}\left(\mathrm{CH} _{2}\right) _{3} \mathrm{CHCH} _{3} \mathrm{CH}\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{2}$
(ख) $\mathrm{HOCH}(\mathrm{CN}) _{2}$
आबंध रेखा सूत्र
उदाहरण 8.6
निम्नलिखित आबंध रेखा-सूत्रों को विस्तारित रूप में कार्बन तथा हाइड्रोजन सहित सभी परमाणुओं को दर्शाते हुए लिखिए-
हल
8.3.2 कार्बनिक यौगिकों का त्रिविमी सूत्र
कागज पर कार्बनिक यौगिकों के त्रिविमी (3D) सूत्र में कुछ पद्धतियों का प्रयोग किया जाता है। उदाहरणार्थ-द्विविमी संरचना को त्रिविमी संरचना में देखने के लिए ठोस तथा डैश वेज सूत्र का उपयोग किया जाता है। इन सूत्रों में ठोस वेज उस आबंध को दर्शाता है, जो कागज के तल से दर्शक की ओर प्रक्षेपी है और डैश वेज विपरीत दिशा में, अर्थात् दर्शक के दूर जाने वाले आबंध को दर्शाता है। कागज के तल में स्थित आबंध को साधारण रेखा (-) द्वारा प्रदर्शित किया जाता है। चित्र 8.1 में मेथैन अणु का त्रिविमी सूत्र दर्शाया गया है।
चित्र 8.1 $\mathrm{CH} _{4}$ के वेज तथा डैश सूत्र प्रदर्शन
आण्विक मॉडल
कार्बनिक अणुओं की त्रिविमी आकृति आण्विक मॉडलों की सहायता से भली-भाँति समझी जा सकती है। लकड़ी या प्लास्टिक या धातु के बने ये मॉडल बाज़ार में उपलब्ध होते है। सामान्यतः तीन प्रकार के आण्विक मॉडलों का उपयोग किया जाता है- (1) फ्रेमवर्क, अर्थात् ढाँचागत मॉडल, (2) बॉल तथा स्टिक, अर्थात् गेंद और छड़ी मॉडल तथा (3) स्पेस फिलिंग, अर्थात् स्थानीय पूरक मॉडल। फ्रेमवर्क मॉडल अणु में केवल आबंधों को दर्शाता है। इसमें परमाणु नहीं दिखाए जाते। यह मॉडल अणु के परमाणुओं के आकार की अनदेखी करते हुए आबंधों का प्रारूप दर्शाता है। बॉल तथा स्टिक मॉडल में आबंध तथा परमाणु-दोनों को दर्शाया जाता है। बॉल परमाणु को दर्शाते हैं, जबकि स्टिक आबंध को दर्शाती है। असंतृप्त अणुओं ( जैसे $\mathrm{C}=\mathrm{C}$ ) को दर्शाने के लिए स्टिक के स्थान पर स्प्रिंग प्रयुक्त की जाती है। स्पेस-फिलिंग मॉडल में प्रत्येक परमाणु का आपेक्षिक आकार प्रदर्शित किया जाता है, जो उसकी वांडरवाल्स त्रिज्या पर आधारित होता है। इस मॉडल में आबंध नहीं दर्शाए जाते हैं। यह अणु में प्रत्येक परमाणु द्वारा घेरे गए आयतन को प्रदर्शित करता है। इन मॉडलों के अतिरिक्त आण्विक मॉडल के लिए कंप्यूटर ग्राफिक्स का उपयोग किया जा सकता है।
8.4 कार्बनिक यौगिकों का वर्गीकरण
कार्बनिक यौगिकों की वर्तमान बड़ी संख्या और बढ़ती हुई संख्या के कारण इन्हें संरचनाओं के आधार पर वर्गीकृत करना आवश्यक हो गया है। कार्बनिक यौगिकों को मोटे तौर पर इस प्रकार वर्गीकृत किया गया है-
I अचक्रीय अथवा विवृत शृंखला यौगिक
इन यौगिकों को ऐलिफेटिक (वसीय यौगिक) भी कहा जाता है, जिनमें सीधा या शाखित शृंखला यौगिक होते हैं। जैसे-
II चक्रीय या बंद शृंखला अथवा वलीय यौगिक
(क) ऐलिसाइक्लिक यौगिक
ऐलिसाइक्लिक (ऐलिफेटिक चक्रीय) यौगिकों में कार्बन परमाणु जुड़कर एक समचक्रीय (Homocyclic) वलय बनाते हैं।
कभी-कभी वलय में कार्बन परमाणु के अलावा अन्य परमाणु जुड़कर विषमचक्रीय वलय बनाते हैं। टैट्राहाइड्रोफ्यूरैन इस प्रकार के यौगिकों का एक उदाहरण
ये एलिफेटिक यौगिकों के समान कुछ गुणधर्म प्रदर्शित करते हैं।
( ख) ऐरोमैटिक यौगिक
ऐरोमैटिक यौगिक एक विशेष प्रकार के यौगिक हैं, जिनके विषय में आप एकक 9 में विस्तार से अध्ययन करेंगे। इनमें बेंज़ीन तथा अन्य संबंधित चक्रीय यौगिक (बेन्ज़नॉइड) सम्मिलित हैं। ऐलिसाइक्लिक यौगिक के समान ऐरोमैटिक यौगिकों की वलय में विषम परमाणु हो सकते हैं। ऐसे यौगिकों को ‘विषमचक्रीय ऐरोमैटिक यौगिक’ कहा जाता है। इन यौगिकों के कुछ उदाहरण ये हैं-
बेन्ज़नॉॉडड ऐरोमैटिक यौगिक
अबेन्ज़नॉॉड यौगिक
ट्रोपोनविषमचक्रीय ऐरौमेटिक यौगिक
कार्बनिक यौगिकों को क्रियात्मक समूहों के आधार पर सजातीय श्रेणियों (Honologous series) में वर्गीकृत किया जाता है।
8.4.1 क्रियात्मक समूह या प्रकार्यात्मक समूह
किसी कार्बनिक यौगिक की कार्बन शृंखला से जुड़ा परमाणु या परमाणुओं का समूह, जो कार्बनिक यौगिकों में अभिलाक्षणिक रासायनिक गुणों के लिए उत्तरदायी होता है, क्रियात्मक समूह या प्रकार्यात्मक समूह (Functional Group) कहलाता है। उदाहरणार्थ- हाइड्रॉक्सिल समूह (- $\mathrm{OH})$ ऐल्डिहाइड समूह (- $\mathrm{CHO})$ कार्बोक्सिलिक अम्ल-समूह (- $\mathrm{COOH})$ आदि।
8.4.2 सजातीय श्रेणियाँ
कार्बनिक यौगिकों के समूह अथवा ऐसी श्रेणी, जिसमें एक विशिष्ट क्रियात्मक समूह हो, सजातीय श्रेणी बनाते हैं। इसके सदस्यों को ‘सजात’ (Homologous) कहते हैं। सजातीय श्रेणी के सदस्यों को एक सामान्य सूत्र द्वारा प्रदर्शित किया जा सकता है। इसके क्रमागत सदस्यों के अणुस्त्रों में मध्य $-\mathrm{CH} _{2}$ इकाई का अंतर होता है। कार्बनिक यौगिकों की कई सजातीय श्रेणियाँ हैं। इनमें से कुछ हैं-ऐल्केन, ऐल्कीन, ऐल्काइन, ऐल्किल हैलाइड, ऐल्केनॉल, ऐल्कनैल, ऐल्केनोन, ऐल्केनॉइक अम्ल, ऐमीन इत्यादि।
यह भी संभव है कि किसी यौगिक में दो या अधिक समान अथवा भिन्न-भिन्न प्रकार्यात्मक (क्रियात्मक) समूह हो, यह बहुक्रियात्मक यौगिक प्रदान करते हैं।
8.5 कार्बनिक यौगिकों की नामपद्धति
कार्बनिक रसायन लाखों कार्बनिक यौगिकों से संबंधित है। उनकी स्पष्ट पहचान के लिए यौगिकों के नामांकन की एक सुव्यवस्थित विधि विकसित की गई है, जिसे आई.यू.पी.ए.सी. (IUPAC Internatinal Union of Pure And Applied Chemistry) विधि कहते हैं। इस सुव्यवस्थित नामांकन प्रणाली में यौगिकों के नाम को उसकी संरचना से सहसंबंधित किया गया है, जिससे पढ़ने या सुनने वाला व्यक्ति यौगिक के नाम के आधार पर उसकी संरचना उत्पन्न कर सके।
आई.यू.पी.ए.सी. पद्धति से पूर्व कार्बनिक यौगिकों का नाम उनके स्रोत अथवा किसी गुण के आधार पर दिया जाता था। उदाहरणार्थ- सिट्रिक अम्ल का नाम उसके सिट्रस फलों में पाए जाने के कारण दिया गया है। लाल चींटी में पाए जाने वाले अम्ल का नाम ‘फॉर्मिक अम्ल’ दिया गया है, क्योंकि चींटी के लिए लैटिन शब्द ‘फार्मिका’ (Formica) है। यह नाम पारंपरिक है। ये रूढ़ (trivial) अथवा सामान्य (Common) नाम कहलाते हैं। वर्तमान समय में भी कुछ यौगिकों को सामान्य नाम दिए जाते हैं। उदाहरणार्थ- कुछ वर्ष पूर्व प्राप्त कार्बन के एक नवीन रूप $\mathrm{C} _{60}$ गुच्छे (क्लस्टर) का नाम ‘बकमिंस्टर फुलेरीन’ (Buckminster fullerene) रखा गया, क्योंकि इसकी आकृति अल्पांतरी गुंबदों (Geodesic Domes) से मिलती-जुलती है। प्रसिद्ध अमेरिकी वास्तुशिल्पी आर. बुकमिंस्टर फुलेर (R. Buckminster fuller) ने इन्हें लोकप्रिय बनाया था। कुछ यौगिकों के संबंध में आई.यू.पी.ए.सी. नाम अधिक लंबे अथवा जटिल होते हैं। इस कारण भी उनका सामान्य नाम रखना आवश्यक हो जाता है। कुछ कार्बनिक यौगिकों के सामान्य नाम सारणी 8.1 में दिए गए हैं।
सारणी 8.1 कुछ कार्बनिक यौगिकों के सामान्य अथवा रूढ़ नाम
यौगिक | सामान्य नाम |
---|---|
$\mathrm{CH}_4$ | मेथेन |
$\mathrm{H}_3 \mathrm{CCH}_2 \mathrm{CH}_2 \mathrm{CH}_3$ | $n$-ब्यूटेन |
$\left(\mathrm{H}_3 \mathrm{C}\right)_2 \mathrm{CH} \mathrm{CH} \mathrm{H}_3$ | आइसोब्यूटेन |
$\left(\mathrm{H}_3 \mathrm{C}\right)_4 \mathrm{C}$ | निओपेन्टेन |
$\mathrm{H}_3 \mathrm{CCH}_2 \mathrm{CH}_2 \mathrm{OH}$ | $n$-प्रोपिल ऐल्कोहॉल |
$\mathrm{HCHO}$ | फार्मेल्डिहाइड |
$\left(\mathrm{H}_3 \mathrm{C}\right)_2 \mathrm{CO}$ | ऐसीटोन |
$\mathrm{CHCl}_3$ | क्लोरोफार्म |
$\mathrm{CH}_3 \mathrm{COOH}$ | ऐसीटिक अम्ल |
$\mathrm{C}_6 \mathrm{H}_6$ | बेन्जीन |
$\mathrm{C}_6 \mathrm{H}_5 \mathrm{OCH}_3$ | ऐनीसॉल |
$\mathrm{C}_6 \mathrm{H}_5 \mathrm{NH}_2$ | ऐनिलीन |
$\mathrm{C}_0 \mathrm{H}_5 \mathrm{COCH}_3$ | ऐसीटोफ़ीनोन |
$\mathrm{CH}_3 \mathrm{OCH}_2 \mathrm{CH}_3$ | एथिल मेथिल ईथर |
8.5.1 आई.यू.पी.ए.सी. नामकरण
किसी कार्बनिक यौगिक को सुव्यवस्थित नाम देने के लिए मूल हाइड्रोकार्बन तथा उससे जुड़े क्रियात्मक समूहों की पहचान करनी होती है। नीचे दिए गए उदाहरण को देखिए।
जनक हाइड्रोकार्बन के नाम में उपयुक्त पूर्वलग्न, अंतर्लग्न तथा अनुलग्न को संयुक्त करके वास्तविक यौगिक का नाम प्राप्त किया जा सकता है। केवल कार्बन तथा हाइड्रोजन युक्त यौगिक ‘हाइड्रोकार्बन’ कहलाते हैं। कार्बन-कार्बन एकल आबंधवाले हाइड्रोकार्बन को ‘संतृप्त हाइड्रोकार्बन’ कहते हैं। ऐसे यौगिकों की सजातीय श्रेणी के सुव्यवस्थित IUPAC नाम को ऐल्केन (alkane) कहते हैं। इनका पूर्व नाम ‘पैराफिन’ (लैटिन : लिटिल, ऐफिनिटी, अर्थात् कम क्रियाशील) था। असंतृप्त हाइड्रोकार्बन में कम से कम एक कार्बन-कार्बन द्विआबंध या त्रिआबंध होता है।
8.5.2 ऐल्केनों की IUPAC नामपद्धति
सीधी शृंखलायुक्त हाइड्रोकार्बन : मेथेन और ब्यूटेन के अतिरिक्त शेष यौगिकों के नाम सीधी श्रृंखला-संरचना पर आधारित है, जिनके पश्चलग्न में ‘ऐन’ (ane) तथा इससे पूर्व शृंखला में उपस्थित कार्बन परमाणु की संख्या से संगित किया जाता है। कुछ संतृप्त सीधी शृंखला हाइड्रोकार्बनों के IUPAC नाम सारणी 8.2 में दिए गए हैं। इस सारणी में दिए गए ऐल्केनों के दो क्रमागत सदस्यों के मध्य केवल $\mathrm{CH} _{2}$ समूह का अंतर है। ये ऐल्केन श्रेणी के सजात (Homologues) हैं।
सारणी 8.2 शाखित भंखलायुक्त हाइड्रोकार्बन
यौगिक | सामान्य नाम | यौगिक | सामान्य नाम |
---|---|---|---|
$\mathrm{CH} _{4}$ | मेथेन | $\mathrm{CHCl} _{3}$ | क्लोरोफार्म |
$\mathrm{H} _{3} \mathrm{CCH} _{2} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH} _{3}$ | $n$-ब्यूटेन | $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{COOH}$ | ऐसीटिक अम्ल |
$\left(\mathrm{H} _{3} \mathrm{C} _{2} \mathrm{CH} \mathrm{CH} _{3}\right.$ | आइसोब्यूटेन | $\mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{6}$ | बेन्जीन |
$\left(\mathrm{H} _{3} \mathrm{C} _{4} \mathrm{C}\right.$ | निओपेन्टेन | $\mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{5} \mathrm{OCH} _{3}$ | ऐनीसॉल |
$\mathrm{H} _{3} \mathrm{CCH} _{2} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{OH}$ | $n$-प्रोपिल ऐल्कोहॉल | $\mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{5} \mathrm{NH} _{2}$ | ऐनिलीन |
$\mathrm{HCHO}$ | फार्मेल्डिहाइड | $\mathrm{C} _{0} \mathrm{H} _{5} \mathrm{COCH} _{3}$ | ऐसीटोफ़ीनोन |
$\left(\mathrm{H} _{3} \mathrm{C}\right) _{2} \mathrm{CO}$ | ऐसीटोन | $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{OCH} _{2} \mathrm{CH} _{3}$ | एथिल मेथिल ईथर |
शाखित शृंखला (Branced Chain) से युक्त यौगिकों में कार्बन परमाणुओं की छोटी श्रृंखलाएँ जनक के शृंखला एक या कई कार्बनों के साथ जुड़ी रहती हैं। ये छोटी कार्बन-भृंखला (शाखाएँ) ‘ऐल्किल समूह’ कहलाती है। उदाहरणार्थ-
ऐसे यौगिक का नाम देने के लिए ऐल्किल समूह का नाम पूर्वलग्न के रूप में जनक ऐल्केन के नाम के साथ संयुक्त कर देते हैं। संतृप्त हाइड्रोकार्बन के कार्बन से एक हाइड्रोजन परमाणु हटाने पर ऐल्किल समूह प्राप्त होता है। इस प्रकार $\mathrm{CH} _{4}$ से $-\mathrm{CH} _{3}$ प्राप्त होता है। इसे ‘मेथिल समूह’ कहा जाता है। ऐल्किल समूह का नाम प्राप्त करने के लिए संबंधित ऐल्केन के नाम से ऐन (ane) को (इल) (yl) द्वारा विस्थापित करते हैं। कुछ ऐल्किल समूहों के नाम सारणी 8.3 में दिए गए हैं।
सारणी 8.3 कुछ ऐल्किल समूह
ऐल्केन | ऐल्किल-समूह | |||
---|---|---|---|---|
अणुसूत्र | ऐल्केन का नाम |
संरचना-सूत्र | ऐल्किल समूह का नाम |
|
$\mathrm{CH} _{4}$ | मेथिल | $-\mathrm{CH} _{3}$ | मेथेन | |
$\mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{6}$ | एथिल | $-\mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH} _{3}$ | एथेन | |
$\mathrm{C} _{3} \mathrm{H} _{8}$ | प्रोपिल | $-\mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH} _{3}$ | प्रोपेन | |
$\mathrm{C} _{4} \mathrm{H} _{10}$ | ब्यूटिल | $-\mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH} _{3}$ | ब्यूटेन | |
$\mathrm{C} _{10} \mathrm{H} _{22}$ | डेकिल | $-\mathrm{CH} _{2}\left(\mathrm{CH} _{2}\right) _{8} \mathrm{CH} _{3}$ | डेकेन |
नाम | अणुसूत्र | नाम | अणुसूत्र |
---|---|---|---|
मेथेन | $\mathrm{CH} _{4}$ | हेप्टेन | $\mathrm{C} _{7} \mathrm{H} _{16}$ |
एथेन | $\mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{6}$ | ऑक्टेन | $\mathrm{C} _{8} \mathrm{H} _{18}$ |
प्रोपेन | $\mathrm{C} _{3} \mathrm{H} _{8}$ | नोनेन | $\mathrm{C} _{9} \mathrm{H} _{20}$ |
ब्यूटेन | $\mathrm{C} _{4} \mathrm{H} _{10}$ | डेकेन | $\mathrm{C} _{10} \mathrm{H} _{22}$ |
पेन्टेन | $\mathrm{C} _{5} \mathrm{H} _{12}$ | आईकोसेन | $\mathrm{C} _{20} \mathrm{H} _{42}$ |
हेक्सेन | $\mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{14}$ | ट्राईकोन्टेन | $\mathrm{C} _{30} \mathrm{H} _{62}$ |
कुछ ऐल्किल समूहों के नाम लघु रूप में भी लिखे जाते हैं। जैसे- मेथिल को $\mathrm{Me}$, एथिल को $\mathrm{Et}$, प्रोपिल को $\mathrm{Pr}$ तथा ब्यूटिल को $\mathrm{Bu}$ लिखते हैं। ऐल्किल समूह शाखित भी होती है, जैसा नीचे दिखाया गया है। साधारण शाखित समूहों के विशिष्ट रूढ़ नाम होते हैं। उदाहरणार्थ- ब्यूटिल समूहों के नाम द्वितीयक $(\mathrm{sec})$-ब्यूटिल, आइसोब्यूटिल तथा तृतीयक(tert)-ब्यूटिल हैं। $-\mathrm{CH} _{2}^{-} \mathrm{C}\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{3}$ संरचना के लिए ‘निओपेन्टिल समूह’ नाम का प्रयुक्त किया जाता है।
हमें शाखित शृंखला वाले ऐल्केन बड़ी संख्या में मिलते हैं। उनके नामकरण के नियम निम्नलिखित हैं-
1. सर्वप्रथम अणु में दीर्घतम कार्बन श्रृंखला का चयन किया जाता है। अग्रलिखित उदाहरण (I) में दीर्घतम शृंखला में नौ कार्बन हैं। यही जनक शृंखला (Parent Chain) है। संरचना II में प्रदर्शित जनक शृंखला का चयन सही नहीं है, क्योंकि इसमें केवल आठ ही कार्बन हैं।
2. जनक ऐल्केन को पहचानने के लिए जनक शृंखला के कार्बन परमाणुओं का अंकन किया जाता है तथा हाइड्रोजन परमाणु को प्रतिस्थापित करने वाले ऐल्किल समूह के कारण शाखित होनेवाले कार्बन परमाणु के स्थान का पता लगाया जाता है। क्रमांकन उस छोर से प्रारंभ करते हैं, जिससे शाखित कार्बन परमाणुओं को लघुतम अंक मिले। अतः उपर्युक्त उदाहरण में क्रमांकन बाईं से दाईं ओर होना चाहिए (कार्बन 2 और 6 पर शाखन), न कि दार्ईं से बाईं ओर (जब शाखित कार्बन परमाणुओं को 4 और 8 संख्या मिलेंगी)।
3. मूल ऐल्केन के नाम में शाखा के रूप में ऐल्किल समूहों के नाम पूर्वलग्न के रूप में संयुक्त करते हैं और प्रतिस्थापी समूहों की स्थिति को उचित संख्या द्वारा दर्शाते हैं। भिन्न ऐल्किल-समूहों के नामों को अंग्रेजी वर्णमाला के क्रम में लिखा जाता है। अतः उपर्युक्त यौगिक का नाम 6-एथिल-2-मेथिलनोनेन होगा। (ध्यान देने योग्य बात यह है कि समूह तथा संख्या के मध्य संयोजक-रेखा (Hyphen) तथा मेथिल और नोनेन को साथ मिलाकर लिखा जाता है।)
4. यदि दो या दो से अधिक समान प्रतिस्थापी समूह हों, तो उनकी संख्याओं के मध्य अल्पविराम (,) लगाया जाता है। समान प्रतिस्थापी समूहों के नाम को दुबारा न लिखकर उचित पूर्वलग्न, जैसे- डाइ (2 के लिए), ट्राइ (3 के लिए), टेट्रा (4 के लिए), पेंटा (5 के लिए), हेक्सा (6 के लिए) आदि प्रयुक्त करते हैं, परंतु नाम लिखते समय प्रतिस्थापी समूहों के नामों को अंग्रेजी वर्णमाला के क्रम में लिखते हैं। निम्नलिखित उदाहरण इन नियमों को स्पष्ट करते हैं-
- यदि दो प्रतिस्थापियों की स्थितियाँ तुल्य हों, तो अंग्रेजी वर्णमाला के क्रम में पहले आनेवाले अक्षर को लघु अंक दिया जाता है। अतः निम्नलिखित यौगिक का सही नाम 3-एथिल-6-मेथिलऑक्टेन है, न कि 6-एथिल3-मेथिलऑक्टेन।
- शाखित ऐल्किल समूह का नाम उपर्युक्त नियमों की सहायता से प्राप्त किया जा सकता है, परंतु शाखित भृंखला का कार्बन परमाणु, जो जनक शृंखला से बंधित होता है, को इस उदाहरण की तरह संख्या 1 दी जाती है।
ऐसे शाखित भृंखला समूह के नाम को कोष्ठक में लिखा जाता है। प्रतिस्थापी समूहों के रूढ़ नाम वर्णमाला-क्रम में लिखते समय आइसो (iso) और निओ (neo) पूर्वलग्नों को मूल ऐल्किल समूह के नाम का भाग माना जाता है। परंतु द्वितीयक (sec-) तथा तृतीयक (tert-) पूर्वलग्नों को मूल ऐल्किल समूह के नाम का भाग नहीं माना जाता। आइसो और अन्य संबंधित पूर्वलग्नों का उपयोग आई.यू.पी.ए.सी. पद्धति में भी किया जाता है, लेकिन तभी तक, जब तक ये और आगे शाखित न हों। बहुप्रतिस्थापित यौगिकों में निम्नलिखित नियमों को आप याद रखें-
- यदि समान संख्या की दो शृंखलाएँ हों, तो अधिक पार्श्व श्रृंखलाओं वाली श्रृंखला का चयन करना चाहिए।
- श्रृंखला के चयन के बाद क्रमांकन उस छोर से आरंभ करना चाहिए, जिस छोर से प्रतिस्थापी समीप हो।
चक्रीय यौगिक : एकलचक्रीय संतृप्त यौगिक का नाम संबंधित विवृत-श्रृंखला ऐल्केन के नाम के प्रारंभ में ‘साइक्लो’ पूर्वलग्न लगाकर प्राप्त करते हैं। यदि पार्श्व-शृंखलाएँ उपस्थित हों, तो उपर्युक्त नियमों का पालन हम करते हैं। कुछ चक्रीय यौगिकों के नाम नीचे दिए गए हैं-
उदाहरण 8.7
कुछ हाइड्रोकार्बनों के IUPAC नाम तथा संरचनाएँ नीचे दी गई हैं। कारणसहित बताइए कि कोष्ठक में दिए गए नाम अशुद्ध क्यों हैं-
हल
(क) $2,5,6$ लघुतम अंक $3,5,7$ की अपेक्षा न्यून है। (ख) प्रतिस्थापी समूह तुल्य स्थितियों में हैं। इस दशा में क्रमांकन उस छोर से आरंभ करते हैं, जिस छोर से वर्णमाला क्रम में पहले आने वाले समूह को न्यून अंक मिले।
8.5.3 क्रियात्मक समूह से युक्त कार्बनिक यौगिकों की नामपद्धति
किसी कार्बनिक यौगिक में परमाणु अथवा परमाणुओं का समूह, जिसके कारण वह यौगिक विशिष्ट रासायनिक अभिक्रियाशीलता प्रदर्शित करता है, ‘क्रियात्मक समूह’ (Functional Group) कहलाता है। समान क्रियात्मक समूहवाले यौगिक समान अभिक्रियाएँ देते हैं। उदाहरणार्थ- $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{OH}, \mathrm{CH} _{3} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{OH}$ तथा $\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{2} \mathrm{CHOH}$ इन सभी में - $\mathrm{OH}$ क्रियात्मक समूह है, जिसके कारण वे सभी सोडियम धातु के साथ अभिक्रिया करके हाइड्रोजन मुक्त करते हैं। क्रियात्मक समूह की उपस्थिति के कारण कार्बनिक यौगिकों को क्रमानुसार विभिन्न वर्गो में वर्गीकृत किया जा सकता है। कुछ क्रियात्मक समूह उनके पूर्वलग्न और अनुलग्न तथा कुछ कार्बनिक यौगिकों के नाम, जिनमें वे उपस्थित हैं, सारणी 8.4 में दिए गए हैं।
सर्वप्रथम उपस्थित क्रियात्मक समूह की पहचान की जाती है, ताकि उपयुक्त अनुलग्न का चयन हो सके। क्रियात्मक समूह की स्थिति दर्शाने के लिए दीर्घतम शृंखला का क्रमांकन उस छोर से करते हैं, ताकि उस कार्बन जिससे क्रियात्मक समूह बंधित है को न्यूनतम अंक मिले। सारणी 8.4 में दिए गए अनुलग्न का उपयोग करके यौगिक का नाम प्राप्त कर लिया जाता है।
बहुक्रियात्मक समूह वाले यौगिकों में उनमें से एक क्रियात्मक समूह को मुख्य क्रियात्मक समूह मान लिया जाता है और उस आधार पर यौगिक का नाम दिया जाता है। उचित पूर्वलग्नों का उपयोग करके बचे हुए क्रियात्मक समूहों को प्रतिस्थापी के रूप में नाम दिया जाता है। मुख्य क्रियात्मक समूह का चयन प्राथमिकता के आधार पर किया जाता है। कुछ क्रियात्मक समूहों का घटता हुआ प्राथमिकता क्रम इस प्रकार है
$-\mathrm{COOH},-\mathrm{SO_3} \mathrm{H},-\mathrm{COOR} \text{(R=ऐल्किल समूह)}, \mathrm{COCl}, -\mathrm{CONH_2},-\mathrm{CN},-\mathrm{HC}=\mathrm{O},>\mathrm{C}=\mathrm{O},-\mathrm{OH},-\mathrm{NH_2},> \mathbf{C}=\mathbf{C}<, \quad-\mathbf{C} \equiv \mathbf{C}-$.
$\mathrm{R}, \mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{5}-$, हैलोजन ( $\left.\mathrm{F}, \mathrm{Cl}, \mathrm{Br}, \mathrm{I}\right), \mathrm{NO} _{2}$, ऐल्कॉक्सी (OR) आदि को हमेशा प्रतिस्थापी पूर्वलग्न के रूप में लिखा जाता है। अतः यदि किसी यौगिक में ऐल्कोहॉल और कीटो समूह-दोनों हों, तो उसे ‘हाइड्रोक्सीएल्केनोन’ नाम ही दिया जाएगा, क्योंकि हाइड्रॉक्सी समूह की अपेक्षा कीटो समूह को उच्च प्राथमिकता प्राप्त है।
उदाहरणार्थ- $\mathrm{HO} \mathrm{CH} _{2}\left(\mathrm{CH} _{2}\right) _{3} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CO} \mathrm{CH} _{3}$ का नाम 7- हाइड्रॉक्सीहेप्टेन-2-ओन होगा, न कि 2-ओक्सोहेप्टेन-7-ऑल। इसी प्रकार $\mathrm{Br} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH}=\mathrm{CH} _{2}$ का सही नाम 3-ब्रोमोप्रोप -1 -ईन है, न कि 1 -ब्रोमोप्रोप -2 -ईन।
यदि एक ही प्रकार के क्रियात्मक समूहों की संख्या एक से अधिक हो, तो उनकी संख्या दर्शाने के लिए उपयुक्त पूर्वलग्न, डाइ, ट्राई आदि वर्ग-अनुलग्न के पूर्व लिखा जाता है। ऐसे में वर्ग-अनुलग्न के पूर्व मूल ऐल्केन का पूर्ण नाम लिखते हैं। उदाहरणार्थ- $\mathrm{CH} _{2}(\mathrm{OH}) \mathrm{CH} _{2}(\mathrm{OH})$ का नाम एथेन- 1,2 डाइऑल है, परंतु एक से अधिक द्विआबंध या त्रिआबंध होने पर ऐल्केन का ‘न’ प्रयुक्त नहीं किया जाता है। जैसे $-\mathrm{CH} _{2}=$ $\mathrm{CH}-\mathrm{CH}=\mathrm{CH} _{2}$ का नाम ब्यूटा $-1,3-$ डाइरन है।
उदाहरण 8.8
निम्नलिखित यौगिकों (i-iv) के IUPAC नाम लिखिए-
हल
- हाइड्रॉक्सी $(\mathrm{OH})$ क्रियात्मक समूह होने के कारण अनुलग्न ऑल होगा।
- दीर्घतम शृंखला में आठ कार्बन हैं। अतः मूल हाइड्रोकार्बन ऑक्टेन है।
- $\mathrm{OH}$ कार्बन-संख्या 3 पर है। एक अन्य प्रतिस्थापी मेथिल समूह कार्बन -6 पर है। अतः यौगिक का नाम 6-मेथिलऑक्टेन-3-ऑल है।
(ii) अतः यौगिक का नाम 6-मेथिलऑक्टेन-3-ऑल है।
हल
क्रियात्मक समूह कीटोन ( $>\mathrm{C}=\mathrm{O})$ होने के कारण अनुलग्न ‘ओन’ होगा। दो कीटो-समूह होने के कारण ‘डाइओन’ अनुलग्न प्रयुक्त करेंगे। कीटो समूहों की स्थितियाँ 2 और 4 हैं। दीर्घतम शृंखला में 6 कार्बन परमाणु होने के कारण मूल ऐल्केन हेक्सेन है। अतः सही नाम हेक्सेन-2,4- डाइओन है।
सारणी 8.4 कुछ क्रियात्मक समूह तथा कार्बनिक यौगिकों के वर्ग
यौगिक का वर्ग | क्रियात्मक समूह की संरचना |
IUPAC समह पर्वलग्न |
IUPAC अनुलग्न |
उदाहरण |
---|---|---|---|---|
ऐल्केन | - | - | -ऐन | ब्ययटेन $\mathrm{CH}_3\left(\mathrm{CH}_2\right)_2 \mathrm{CH}_3$ |
ऐल्कीन | $>\mathrm{C}=\mathrm{C}<$ | - | -ईन | ब्यूट-1-ईन $\mathrm{CH}_2=\mathrm{CHCH}_2 \mathrm{CH}_3$ |
ऐल्काइन | $-\mathrm{C}=\mathrm{C}-$ | - | -आइन | ब्यूट-1आइन $\mathrm{CH} \equiv \mathrm{CCH}_2 \mathrm{CH}_3$ |
ऐरीन | - | - | - | बेन्जीन |
हैलाइड | $-\mathrm{X}$ $(\mathrm{X}=\mathrm{F}, \mathrm{Cl}, \mathrm{Br}, \mathrm{I})$ |
हैलो- | -इल हैलाइड | 1-ब्रोमोब्यूटेन $\mathrm{CH}_3\left(\mathrm{CH}_2\right)_2 \mathrm{CH}_2 \mathrm{Br}$ |
ऐल्कोहॉल | $-\mathrm{OH}$ | हाइड्रॉक्सी- | ल | ब्यूटेन-2-ऑल $\mathrm{CH}_3 \mathrm{CH}_2 \mathrm{CHOHCH}_3$ |
एल्डिहाइड | $-\mathrm{CHO}$ | फार्मिल या ऑक्सो |
ब्यटेनेल $\mathrm{CH} 3\left(\mathrm{CH}_2\right)_2 \mathrm{CHO}$ |
|
कीटोन | $>\mathrm{C}=\mathrm{O}$ | -ओन | ब्यटेन-2-ऑन $\mathrm{CH}_3 \mathrm{CH}_2 \mathrm{COCH}_3$ |
|
नाइट्राइल | $-\mathrm{C} \equiv \mathrm{N}$ | नाइट्राइल | पेंटेन नाइट्राइल $\mathrm{CH}_3 \mathrm{CH}_2 \mathrm{CH}_2 \mathrm{CH}_2 \mathrm{CN}$ |
|
ईथर | -R-O-R- | ए | एथॉक्सीऐथेन $\mathrm{CH}_3 \mathrm{CH}_2 \mathrm{OCH}_2 \mathrm{CH}_3$ |
|
कार्बोंक्सिलिक अम्ल |
$-\mathrm{COOH}$ | कार्बोक्सी | -ओइक अम्ल | ब्वूटेनोइक अम्ल $\mathrm{CH}_3\left(\mathrm{CH}_2\right)_2 \mathrm{CO}_2 \mathrm{H}$ |
कार्बोंक्सिलेट आयन |
$-\mathrm{COO}^{-}$ | -ओएट | सोडियम ब्यूटेनोएट $\mathrm{CH}_3\left(\mathrm{CH}_2\right)_2 \mathrm{CO}_2^{-} \mathrm{Na}^{+}$ |
|
ऐस्टर | -COOR | एल्कसीकार्बॉनिल | -ओएट | मिथइल प्रोपेनोएट $\mathrm{H}_3 \mathrm{CCH}_2 \mathrm{COOCH}_3$ |
ऐसिल हैलाइड | $-\mathrm{COX}$ $(\mathrm{X}=\mathrm{F}, \mathrm{Cl} . \mathrm{Br}, \mathrm{I})$ |
टैलोकार्बोनिल | -ऑयल हैलाइड | ब्यूटेनॉयल क्लोराइड $\mathrm{CH}_3\left(\mathrm{CH}_2\right)_2 \mathrm{COCl}$ |
ऐमीन | $-\mathrm{NH}_2$, $>\mathrm{NH},>\mathrm{N}-$ |
एमीनो | -एमाइन | 2-ब्यूटेनेमीन $\mathrm{CH}_3 \mathrm{CHNH}_2 \mathrm{CH}_2 \mathrm{CH}_3$ |
ऐमाइड | $-\mathrm{CONH}_2$, -CONHR, -CONR2 |
कार्बाइल | -एमाइड | ब्यूटेनेमाइड $\mathrm{CH}_3\left(\mathrm{CH}_2\right)_2 \mathrm{CONH}_2$ |
नाइट्रो यौगिक | $-\mathrm{NO}_2$ | नाइट्रो | - | 1-नाइट्रोब्यूटेन $\mathrm{CH}_3\left(\mathrm{CH}_2\right)_3 \mathrm{NO}_2$ |
सल्फोनिक अम्ल | $-\mathrm{SO}_3 \mathrm{H}$ | सल्फो | सल्फोनिक अम्ल | मेथिल सल्फोनिक अम्ल $\mathrm{CH}_3 \mathrm{SO}_3 \mathrm{H}$ |
इसमें दो क्रियात्मक समूह (कीटो तथा कार्बोक्सी) हैं, जिनमें कॉर्बोक्सी-समूह मुख्य क्रियात्मक समूह है। अत: मूल श्रृंखला में अनुलग्न ‘ओइक’ अम्ल लगेगा। श्रृंखला का क्रमांकन उस कार्बन से आरंभ होगा, जिसमें- $\mathrm{COOH}$ क्रियात्मक समूह है। कार्बन-संख्या 5 पर स्थित कीटो को ‘ऑक्सो’ नाम दिया जाता है। दीर्घतम शृंखला, जिसमें क्रियात्मक समूह है, में 6 कार्बन परमाणु हैं। फलतः इसके मूल हाइड्रोकार्बन का नाम ‘हैक्सेन’ है। अतः यौगिक का नाम 5 -ऑक्सोहेक्सोनोइक अम्ल है।
(iv) $\underset{6}{\mathrm{CH}} \equiv \underset{5}{\mathrm{C}}-\underset{4}{\mathrm{CH}}=\underset{3}{\mathrm{CH}}-\underset{2}{\mathrm{CH}}=\underset{1}{\mathrm{CH_2}} $
हल
दो क्रियात्मक समूह $\mathrm{C}=\mathrm{C}$ कार्बन 1 तथा 3 पर हैं, जबकि $\mathrm{C} \equiv \mathrm{C}$ समूह-स्थिति कार्बन-संख्या 5 पर है। इसके लिए क्रमशः डाइईन तथा ‘आइन’ अनुलग्न प्रयुक्त करेंगे। दीर्घतम शृंखला में 6 कार्बन हैं। इसलिए इसका मूल हाइड्रोकार्बन हेक्सेन है। अतः नाम हैक्सा-1,3-डाइईन5 -आइन होगा।
उदाहरण 8.9
निम्नलिखित की संरचनाएँ लिखिए- (i) 2-क्लोरोहेक्सेन, (ii) पेंट-4-ईन-2-ऑल (iii) 3-नाइट्रोसाइक्लोहेक्सीन, (iv) साइक्लोहेक्स -2- ईन-1- ऑल, (v) 6-हाइड्रॉक्सीहेप्टेनैल
हल
(i) हेक्सेन से स्पष्ट है कि दीर्घतम शृंखला में 6 कार्बन परमाणु हैं। क्रियात्मक समूह क्लोरो की स्थिति 2 है। अतः यौगिक की संरचना $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH}$ (Cl) $\mathrm{CH} _{3}$ है।
(ii) पेंट से स्पष्ट है कि मूल हाइड्रोकार्बन में 5 कार्बन परमाणु की शृंखला है। ईन तथा ‘ऑल’ क्रमश $>\mathrm{C}=\mathrm{C}<$ तथा $-\mathrm{OH}$ क्रियात्मक समूह के द्योतक हैं, जो क्रमशः 4 तथा 2 स्थितियों पर उपस्थित हैं। अतः यौगिक की संरचना $\mathrm{CH} _{2}=\mathrm{CH} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH}(\mathrm{OH}) \mathrm{CH} _{3}$ है।
(iii) साइक्लोहेक्सीन से स्पष्ट है कि छःसदस्यीय वलय में $\mathrm{C}=\mathrm{C}$ उपस्थित है, जिसका क्रमांकन संरचना (I) में प्रदर्शित है। पूर्वलग्न 3 -नाइट्रो यह इंगित करता है कि स्थिति 3 पर नाइट्रो समूह है। अतः यौगिक की संरचना II है। द्विबंध अनुलग्नक क्रियात्मक समूह है, जबकि $\mathrm{NO} _{2}$ पूर्वलग्नक क्रियात्मक समूह है, इसलिए द्विबंध को $\mathrm{NO} _{2}$ समूह से अधिक प्राथमिकता दी जाती है।
(iv) 1-ऑल इंगित करता है कि 1 की स्थिति कार्बन $1 \mathrm{C}$ पर है। $-\mathrm{OH}$ अनुलग्नित क्रियात्मक समूह है। अत: $\mathrm{C}=\mathrm{C}$ आबंध पर इसकी वरीयता होगी। इस प्रकार यौगिक की संरचना (II) है-
(v) ‘हेप्टेनैल’ से स्पष्ट है कि यौगिक एक ऐल्डिहाइड है, जिसमें 7 कार्बन परमाणुओं की श्रृंखला है। ’ 6 -हाइड्रॉक्सी’ यह दर्शाता है कि स्थिति 6 पर- $\mathrm{OH}$ समूह है। अत: यौगिक का संरचनात्मक सूत्र निम्नलिखित है- $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{CH}(\mathrm{OH}) \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CHO}$ कार्बन श्रृंखला के क्रमांकन में- $\mathrm{CHO}$ समूह का कार्बन परमाणु सम्मिलित होता है।
8.5.4 बेन्जीन व्युत्पन्नों की नामपद्वति
IUPAC पद्धति में बेन्जीन व्युत्पन्न का नाम प्राप्त करने के लिए प्रतिस्थापी समूह का नाम पूर्वलग्न के रूप में ‘बेन्जीन’ शब्द से पूर्व लिखते हैं, परंतु उनके यौगिकों के रूढ़ नाम (जो कोष्ठक में दिए गए हैं) भी काफी प्रचलित हैं।
द्विप्रतिस्थापी बेन्जीन व्युत्पन्न में प्रतिस्थापी समूहों की स्थितियाँ संख्याओं द्वारा दर्शाई जाती हैं। क्रमांकन इस प्रकार किया जाता है कि प्रतिस्थापी समूह वाली स्थितियों को न्यूनतम संख्या मिले। जैसे- इस यौगिक (ख) का नाम 1 , 3 -डाइब्रोमोबेन्जीन होगा, न कि 1,5 -डाइब्रोमोबेन्जीन।
नामांकरण की रूढ़ पद्धति में $1,2-; 1,3-$ और $1,4-$ स्थितियों को क्रमशः ऑर्थो $(o)$, मेटा $(m)$ तथा पैरा $(p)$ पूर्वलग्नों द्वारा भी दर्शाया जाता है। अतः 1,3 - डाइब्रोमोबेन्जीन का नाम मेटा डाइब्रोमोबेन्जीन भी है (‘मेटा’ का संक्षिप्त रूप $m$ है) और डाइब्रोमोबेन्जीन के अन्य समावयवों (क) $1,2-$ तथा (ग) 1,4- डाइब्रोमोबेन्जीन को क्रमशः ऑर्थो (o) तथा पैरा $(p)$ डाइब्रोमोबेन्जीन कहेंगे।
इन पूर्वलग्नों का उपयोग त्रि तथा बहुप्रतिस्थापी बेन्जीन के नामांकरण में नहीं किया जाता है। प्रतिस्थापियों की स्थितियाँ निम्नतम संख्या के नियम का पालन करते हुए की जाती हैं। कभी-कभी बेन्जीन व्युत्पन्न के रूढ़ नाम को मूल यौगिक लिया जाता है।
मूल यौगिक के प्रतिस्थापी की स्थिति को संख्या 1 देकर इस प्रकार क्रमांकन करते हैं कि शेष प्रतिस्थापियों को निम्नतम संख्याएं मिलें। प्रतिस्थापियों के नाम अंग्रेज़ी वर्णमाला क्रम में लिखे जाते हैं। इसके कुछ उदाहरण नीचे दिए जा रहे हैं-
जब बेन्जीन वलय एवं क्रियात्मक समूह ऐल्केन से जुड़े रहते हैं तब बेन्जीन को मूल न मानकर प्रतिस्थापी के रूप में माना जाता है। (प्रतिस्थापी के रूप में बेन्जीन का नाम फेनिल है तथा $\mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{5}-$ को लघु रूप में $\mathrm{Ph}$ लिखा जाता है)।
उदाहरण 8.10
निम्नलिखित के संरचनात्मक सूत्र लिखिए-
(क) $O$-एथिलऐनिसोल,
(ख) $p$ - नाइट्रोऐनिलीन
(ग) 2, 3- डाइब्रोमो -1- फेनिलपेन्टेन
(घ) 4-एथिल -1-फ्लुओरो-2-नाइट्रोबेन्जीन
8.6 समावयवता
दो या दो से अधिक यौगिक (जिनके अणुसूत्र समान होते हैं, किंतु गुण भिन्न होते हैं) ‘समावयव’ कहलाते हैं और इस परिघटना को ‘समावयवता’ (isomerism) कहते हैं। विभिन्न प्रकार की समावयवता को इस तालिका में दर्शाया गया है।
8.6.1 संरचनात्मक समावयवता
यौगिक, जिनके अणुसूत्र समान होते हैं, किंतु संरचना (अर्थात् परमाणुओं का अणु के अंदर परस्पर आबंधित होने का क्रम) भिन्न होती है, उन्हें संरचनात्मक समावयवों में वर्गीकृत किया जाता है। विभिन्न प्रकार की संरचनात्मक समावयवों का उदाहरणसहित वर्णन यहाँ दिया जा रहा है-
(i) शृंखला समावयवता : समान अणुसूत्र एवं भिन्न कार्बन ढाँचे वाले दो या दो से अधिक यौगिक श्रृंखला समावयव बनाते हैं। इस परिघटना को ‘श्रृंखला समावयवता’ कहते हैं। उदाहरणार्थ- $\mathrm{C} _{5} \mathrm{H} _{12}$ के निम्नलिखित तीन श्रृंखला समावयव हैं-
(ii) स्थिति-समावयवता : यदि समावयवों में भिन्नता प्रतिस्थापी परमाणु या समूह की स्थिति-भिन्नता के कारण होती है, तो उन्हें ‘स्थिति-समावयव’ तथा इस परिघटना को ‘स्थिति-समावयवता’ (Position Isomerism) कहते हैं। उदाहरणार्थ- $\mathrm{C} _{3} \mathrm{H} _{8} \mathrm{O}$ अणुसूत्र से निम्नलिखित दो ‘स्थिति-समावयव’ ऐल्कोहॉल संभव हैं-
(iii) क्रियात्मक समूह समावयवता : यदि दो या दो अधिक यौगिकों के अणुसुत्र समान हों, परंतु क्रियात्मक समूह भिन्न-भिन्न हों, तो ऐसे समावयवियों को ‘क्रियात्मक समूह समावयव’ कहते हैं और यह परिघटना ‘क्रियात्मक समूह समावयवता’ (Functional group isomerism) कहलाती है। उदाहरण के लिए- $\mathrm{C} _{3} \mathrm{H} _{6} \mathrm{O}$ अणुसूत्र निम्नलिखित ऐल्डिहाइड तथा कीटोन प्रदर्शित करता है-
(iv) मध्यावयवता : क्रियात्मक समूह से लगी भिन्न ऐल्किल शृंखलाओं के कारण यह समावयवता उत्पन्न होती है। उदाहरणार्थ - $\mathrm{C} _{4} \mathrm{H} _{10} \mathrm{O}$ मध्यावयवी मेथॉक्सीप्रोपेन $\left(\mathrm{CH} _{3}-\mathrm{O}-\mathrm{C} _{3} \mathrm{H} _{7}\right)$ और एथॉक्सीएथेन $\left(\mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{5}-\mathrm{O}-\mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{5}\right)$ प्रदर्शित करता है।
8.6.2 त्रिविम समावयवता
त्रिविम समावयव वे यौगिक हैं, जिनमें संरचना एवं परमाणुओं के आबंधन का क्रम तो समान रहता है, परंतु उनके अणुओं में परमाणुओं अथवा समूहों की त्रिविम स्थितियाँ भिन्न रहती हैं। यह विशिष्ट प्रकार की समावयवता ‘त्रिविम समावयवता’ (Stereoisomerism) कहलाती है। इसे ज्यामितीय एवं प्रकाशीय समावयवता में वर्गीकृत किया जाता है।
8.7 कार्बनिक अभिक्रियाओं की क्रियाविधि में मूलभूत संकल्पनाएँ
किसी कार्बनिक अभिक्रिया में कार्बनिक अणु (जो ‘क्रियाधारक’ भी कहलाता है) किसी उचित अभिकर्मक से अभिक्रिया करके पहले एक या अधिक मध्यवर्ती और अंत में एक या अधिक उत्पाद देता है।
एक सामान्य अभिक्रिया को इस रूप में प्रदर्शित किया जाता है-
नए आबंध में कार्बन की आपूर्ति करनेवाला ‘अभिक्रियक क्रियाधार’ (substrate) और दूसरा ‘अभिक्रियक अभिकर्मक’ (reagent) कहलाता है। यदि दोनों अभिक्रियक (अभिकारक) नए आबंध में कार्बन की आपूर्ति करते हैं, तो यह चयन किसी भी तरीके से किया जा सकता है। इस स्थिति में मुख्य अणु ‘क्रियाधार’ कहलाता है।
ऐसी अभिक्रिया में दो कार्बन परमाणुओं अथवा एक कार्बन और एक अन्य परमाणु के बीच सहसंयोजक आबंध टूटकर एक नया आबंध बनता है। किसी अभिक्रिया में इलेक्ट्रॉनों का संचलन, आबंध-विदलन और आबंध-निर्माण के समय की और्जिकी तथा उत्पाद बनने के समय की विस्तृत जानकारी और क्रमबद्ध अध्ययन उस अभिक्रिया की क्रियाविधि (Mechanism) कहलाती है। क्रियाविधि की सहायता से यौगिकों की क्रियाशीलता को समझने में तथा नवीन कार्बनिक यौगिकों के संश्लेषण की रूपरेखा तैयार करने में सहायता मिलती है।
निम्नलिखित भागों में इन अभिक्रियाओं से संबंधित अवधारणाओं की व्याख्या की गई है।
8.7.1 सहसंयोजक आबंध का विदलन
सहसंयोजक आबंध का विदलन (cleavage) दो प्रकार से संभव है- (i) विषम अपघटनी विदलन तथा (ii) समापघटनी विदलन।
विषमअपघटनी विदलन में विदलित होने वाले आबंध के दोनों इलेक्ट्रॉन उनमें से किसी एक परमाणु पर चले जाते हैं, जो अभिकारक से आबंधित थे।
विषमअपघटन के पश्चात् एक परमाणु पर षष्टक तथा धनावेश होता है और दूसरे का पूर्ण अष्टक एवं कम से कम एक एकाकी युग्म तथा ऋणावेश होता है। अतः ब्रोमोमेथेन के विषम अपघटनी-विदलन से ${ }^{+} \mathrm{CH} _{3}$ तथा $\mathrm{Br}^{-}$प्राप्त होता है।
$$ \mathrm{H} _{3} \mathrm{C} -\curvearrowright \mathrm{Br} \longrightarrow \mathrm{H} _{3} \stackrel{+}{\mathrm{C}}+\mathrm{Br}^{-} $$
धनावेशित स्पीशीज़, जिसमें कार्बन पर षष्टक होता है, ‘कार्बधनायन’ कहलाती है (इसे पहले ‘कार्बोनियम आयन’ कहा जाता था)। ${ }^{+} \mathrm{CH} _{3}$ आयन को ‘मेथिल धनायन’ अथवा ‘मेथिल कार्बोनियम आयन’ कहते हैं। धनावेशित कार्बन के साथ बंधित कार्बन परमाणुओं की संख्या के आधार पर कार्बधनायनों को प्राथमिक, द्वितीयक तथा तृतीयक में वर्गीकृत किया जा सकता है। कार्बधनायनों के कुछ उदाहरण हैं$\mathrm{CH} _{3} \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H} _{2}$ (एथिल धनायन-एक प्राथमिक कार्बधनायन), $\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{3} \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H}$ आइसोप्रोपिल धनायन (एक द्वितीयक कार्बधनायन) एवं $\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{3} \stackrel{+}{\mathrm{C}}$ (ब्यूटिल धनायन-एक तृतीयक कार्बधनायन)। कार्बधनायन अत्यधिक अस्थायी तथा क्रियाशील स्पीशीज़ हैं। धनावेशित कार्बन के साथ आबंधित ऐल्किल समूह कार्बधनायन के स्थायित्व में प्रेरणिक प्रभाव और अतिसंयुग्मन द्वारा वृद्धि करते हैं, जिसके विषय में आप भाग 8.7 .5 और 8.7.9 में अध्ययन करेंगे। कार्बधनायन के स्थायित्व का क्रम इस प्रकार है- $\stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H} _{3}<\mathrm{CH} _{3} \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H} _{2}<\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{2} \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H}<\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{3} \stackrel{+}{\mathrm{C}}$ इन कार्बधनायनों की आकृति त्रिफलकीय समतल होती है, जिसमें धनावेशित कार्बन की संकरण-अवस्था $s p^{2}$ होती है। अतः $\stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H} _{3}$ में कार्बन के तीन $\left(s p^{2}\right)$ संकरित कक्षक हाइड्रोजन के $1 \mathrm{~s}$ कक्षकों के साथ अतिव्यापित होकर $\mathrm{C}\left(s p^{2}\right)-\mathrm{H}(1 \mathrm{~s})$ सिग्मा आबंध बनाते हैं। असंकरित कार्बन कक्षक इस तल के लंबवत रहता है। इसमें कोई इलेक्ट्रॉन नहीं होता (चित्र 8.3(क))।
चित्र 8.3 (क) मेथिल कार्बधनायन की आकृति
विषम अपघटनी विदलन से ऐसी स्पीशीज़ निर्मित हो सकती है, जिसमें कार्बन को सहभाजित इलेक्ट्रॉन युग्म प्राप्त होता है। उदाहरणार्थ-जब कार्बन से आबंधित $Z$ समूह बिना इलेक्ट्रॉन युग्म लिये पृथक् होता है, तब मेथिल ऋणायन $\left[\mathrm{H} _{3} \mathrm{C}^{-}:\right]$बनता है।
ऐसी स्पीशीज़, जिसमें कार्बन पर ऋणावेश होता है, कार्बऋणायन (Carbanion) कहलाती है। कार्बन सामान्यतः $s p^{3}$ संकरित होता है तथा इसकी आकृति विकृत चतुष्फलकीय होती है (चित्र 8.3(ख)) कार्बऋणायन भी अस्थायी और क्रियाशील स्पीशीज़ होती हैं। ऐसी कार्बनिक अभिक्रियाएँ, जिनमें विषमांश विदलन होता है, आयनी अथवा विषम ध्रुवीय अथवा ध्रुवीय अभिक्रियाएँ कहलाती हैं।
चित्र 8.3 (ख) मेथिल कार्बॠणायन (carbanion) की आकृति
समापघटनी विदलन में सहभाजित युग्म का एक-एक इलेक्ट्रॉन उन दोनों परमाणुओं पर चला जाता है, जो अभिकारक में आबंधित होते हैं। अतः समापघटनी विदलन में इलेक्ट्रॉन युग्म के स्थान पर एक ही इलेक्ट्रॉन का संचलन होता है। एक इलेक्ट्रॉन के संचलन को अर्ध-शीर्ष तीर (फिशहुक, fish hook) द्वारा दर्शाते हैं। इस विदलन के फलस्वरूप उदासीन स्पीशीज़ (परमाणु अथवा समूह) बनती हैं, जिन्हें ‘मुक्त मूलक’ (free radicals) कहते हैं। कार्बधनायन एवं कार्बऋणायन की भाँति मुक्त मूलक भी अतिक्रियाशील होते हैं। कुछ समापघटनी विदलन नीचे दिखाए गए हैं-
ऐल्किल मुक्त मूलकों को प्राथमिक, द्वितीयक अथवा तृतीयक में वर्गीकृत किया जा सकता है। ऐल्किल मुक्त मूलक प्राथमिक से तृतीयक की ओर बढ़ने पर ऐल्किल मूलक का स्थायित्व बढ़ता है।
$ \underset{\substack{\text{मेथिल} \\ \substack{ \text{मुक्त} \\ \text{मूलक}}}}{\dot{\mathrm{C}} \mathrm{H_3}} < \underset{\substack{\text{एथिल} \\ \substack{ \text{मुक्त} \\ \text{मूलक}}}}{\dot{\mathrm{C}} \mathrm{H_2} \mathrm{CH_3}} < \underset{\substack{\text{आइसोप्रोपिल} \\ \substack{ \text{मुक्त} \\ \text{मूलक}}}}{\dot{\mathrm{C}} \mathrm{H} \left(\mathrm{CH_3} \right)_2} < \underset{\substack{\text{तृतीय क-ब्यूटिल} \\ \substack{ \text{मुक्त} \\ \text{मूलक}}}}{\dot{\mathrm{C}} \left(\mathrm{CH_3}\right)_3}$
समांश विदलन द्वारा होने वाली कार्बनिक अभिक्रियाएँ मुक्त मूलक या समध्रुवीय या अध्रुवीय अभिक्रियाएँ कहलाती हैं।
8.7.2 क्रियाधार एवं अभिकर्मक
सामान्यतः कार्बनिक यौगिकों की अभिक्रियाओं में आयन नहीं बनते। अणु स्वयं अभिक्रिया में भाग लेते हैं। यह सुविधाजनक होता है कि एक अभिकर्मक को क्रियाधार और दूसरे को अभिकर्मक नाम दिया जाए। सामान्यतः वह अणु जिसका कार्बन नया आबंध बनाता है क्रियाधार कहलाता है और दूसरे अणु को अभिकर्मक कहते हैं। जब कार्बन-कार्बन आबंध बनता है तो क्रियाधार एवं अभिकर्मक का चयन विवेकानुसार किया जाता है और यह अवलोकित किए जा रहे अणु पर निर्भर करता है। उदाहरण:
नाभिकरागी और इलेक्ट्रॉनरागी
अभिकर्मक क्रियाधार के क्रियाशील बिन्दु पर आक्रमण करते हैं। क्रियाशील स्थान अणु का इलेक्ट्रॉन के अभाव वाला क्षेत्र (एक धनात्मक क्रियाशील स्थल) हो सकता है। उदाहरणार्थ अणु में उपस्थित अपूर्ण इलेक्ट्रॉन कोश या किसी द्विध्रुव का धानात्मक सिरा। यदि आक्रमणकारी स्पीशीज़ इलेक्ट्रॉन धनी होती है तो इन क्षेत्रों पर आक्रमण करती है। यदि आक्रमणकारी स्पीशीज़ में इलेक्ट्रॉनों का अभाव हो तो वह क्रियाधार अणु के उस भाग पर आक्रमण करती है जो इलेक्ट्रॉनों की आपूर्ति कर सकता हो। उदाहरण है द्विबंध के $\pi$ इलेक्ट्रॉन।
इलेक्ट्रॉन युग्म प्रदान करने वाला अभिकर्मक ‘नाभिकस्नेही’ या या नाभिकरागी (Nucleophile, Nu:) (अर्थात् नाभिक खोजने वाला) कहलाता है, तथा अभिक्रिया ‘नाभिकरागी अभिक्रिया’ कहलाती है। इलेक्ट्रॉन युग्म लेने वाले अभिकर्मक को इलेक्ट्रॉनस्नेही (Electrophile, $\mathrm{E}^{+}$), अर्थात् ‘इलेक्ट्रॉन चाहने वाला’ या इलेक्ट्रानरागी कहते हैं और अभिक्रिया ‘इलेक्ट्रानरागी अभिक्रिया’ कहलाती है।
ध्रुवीय कार्बनिक अभिक्रियाओं में क्रियाधार के इलेक्ट्रॉनरागी केंद्र पर नाभिकरागी आक्रमण करता है। इसी प्रकार क्रियाधारकों के इलेक्ट्रॉनधनी (नाभिक रागी केंद्र) पर इलेक्ट्रॉनरागी आक्रमण करता है। अतः आबंधन अन्योन्य क्रिया के फलस्वरूप इलेक्ट्रॉनरागी क्रियाधार से इलेक्ट्रॉन युग्म प्राप्त करता है। नाभिकरागी से इलेक्ट्रॉनरागी की ओर इलेक्ट्रॉनों का संचलन वक्र तीर द्वारा प्रदर्शित किया जाता है। हाइड्रॉक्साइड $\left(\mathrm{OH}^{-}\right)$, सायनाइड आयन ( $\mathrm{NC})$ तथा कार्बऋणायन $\left(\mathrm{R} _{3} \mathrm{C}^{-}\right.$:) इलेक्ट्रॉन रागी के कुछ उदाहरण हैं। उदासीन अणु (जैसे- $\mathrm{H} _{2} \ddot{\mathrm{O}}:, \mathrm{R} _{3} \ddot{\mathrm{N}}:, \mathrm{R} _{2} \mathrm{O}$ : आदि) भी एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म की उपस्थिति के कारण नाभिकरागी की भाँति कार्य करते हैं। इलेक्ट्रॉनरागी के उदाहरणों में कार्बधनायन $\left(\stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H} _{3}\right)$ और कार्बोनिल समूह $(>\mathrm{C}=\mathrm{O})$ अथवा ऐल्किल हैलाइड ( $\mathrm{R} _{3} \mathrm{C}-\mathrm{X}, \mathrm{X}=$ हैलोजेन परमाणु) वाले उदासीन अणु सम्मिलित हैं। कार्बधनायन का कार्बन केवल षष्टक होने के कारण इलेक्ट्रॉन-न्यून होता है तथा नाभिकरागी से इलेक्ट्रॉन-युग्म ग्रहण कर सकता है। ऐल्किल हैलाइड का कार्बन आबंध ध्रुवता के कारण इलेक्ट्रॉनरागी-केंद्र बन जाता है, जिसपर नाभिकरागी आक्रमण कर सकता है।
उदाहरण 8.11
निम्नलिखित अणुओं में सहसंयोजी आबंध के विषम अपघटनी विदलन से सक्रिय मध्यवर्ती का निर्माण वक्र तीर की सहायता से प्रदर्शित कीजिए।
(क) $\mathrm{CH} _{3}-\mathrm{SCH} _{3}$, (ख) $\mathrm{CH} _{3}-\mathrm{CN}$, (ग) $\mathrm{CH} _{3}-\mathrm{Cu}$
हल
उदाहरण 8.12
कारण स्पष्ट करते हुए निम्नलिखित को नाभिकरागी तथा इलेक्ट्रॉनरागी में वर्गीकृत कीजिए-
$\mathrm{HS}^{-}, \mathrm{BF} _{3}, \mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{5} \mathrm{O}^{-},\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{3} \mathrm{~N}$ :,
Ci+ $, \mathrm{CH_3} \stackrel{+}{\mathrm{C}}=\mathrm{O}, \mathrm{H_2} \mathrm{~N:^-} , \stackrel{+}{\mathrm{N}} \mathrm{O_2}$
हल
नाभिकरागी : $\mathrm{HS}^{-}, \mathrm{C} _{2} \mathrm{H} _{5} \mathrm{O}^{-},\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{3} \mathrm{~N}$ :, $\mathrm{H} _{2} \mathrm{~N}^{-}$; इन स्पीशीज़ पर एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म हैं, जो इलेक्ट्रॉनस्नेही द्वारा प्रदान किए जा सकते हैं।
इलेक्ट्रॉनरागी : $\mathrm{BF} _{3}, \mathrm{Cl}^{+}, \mathrm{CH} _{3} \stackrel{+}{\mathrm{C}}=\mathrm{O}, \stackrel{+}{\mathrm{NO} _{2}}$ : इनपर इलेक्ट्रॉनों का केवल षष्टक है, जिसके कारण ये नाभिकरागी से इलेक्ट्रॉन युग्म ग्रहण कर सकते हैं।
उदाहरण 8.13
निम्नलिखित में इलेक्ट्रॉनरागी केंद्र इंगित कीजिए। $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{CH}=\mathrm{O}, \mathrm{CH} _{3} \mathrm{CN}$ एवं $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{I}$
हल
तारांकित कार्बन इलेक्ट्रॉनरागी केंद्र हैं, क्योंकि आबंध ध्रुवता के कारण इनपर आंशिक धनावेश उत्पन्न हो जाता है। $\mathrm{CH_3} \mathrm{H} \stackrel{*}{\mathrm{C}}=\mathrm{O}, \mathrm{H_3} \mathrm{C} \stackrel{\ast}{\mathrm{C}} \equiv \mathrm{N}$, एवं $\mathrm{H_3} \mathrm{C}^\ast-\mathrm{I}$
8.7.3 कार्बनिक अभिक्रियाओं में इलेक्ट्रॉन संचलन
कार्बनिक अभिक्रियाओं में इलेक्ट्रॉनों का संचलन (Movement) मुड़े हुए तीरों (Curved Anows) द्वारा दर्शाया जा सकता है। अभिक्रिया में इलेक्ट्रॉनों के पुनर्वितरण के कारण होने वाले आबंधन परिवर्तनों को यह दर्शाता है। इलेक्ट्रॉन युग्म की स्थिति में परिवर्तन को दिखाने के लिए तीर उस इलेक्ट्रॉनयुग्म से आरंभ होता है, जो अभिक्रिया में उस स्थिति से संचलन कर रहा है। जहाँ यह युग्म संचलित हो जाता है, वहाँ तीर का अंत होता है।
इलेक्ट्रॉनयुग्म के विस्थापन इस प्रकार होते हैं-
एक इलेक्ट्रॉन के संचलन को अर्ध-शीर्ष तीर (Single Barbed Half Headed) ‘फिश हुक’ द्वारा दर्शाया जाता है। उदाहरणार्थ-हाइड्रॉक्साइड से एथेनॉल प्राप्त होने में और क्लोरो-मेथैन के विघटन में मुड़े तीरों का उपयोग करके इलेक्ट्रॉन के संचलन को इस प्रकार दर्शाया जा सकता है-
8.7.4 सहसंयोजी आबंधों में इलेक्ट्रॉन विस्थापन के प्रभाव
कार्बनिक अणु में इलेक्ट्रॉन का विस्थापन या तो परमाणु से प्रभावित तलस्थ अवस्था अथवा प्रतिस्थापी समूह अथवा उपयुक्त आक्रमणकारी अभिकर्मक की उपस्थिति में हो सकता है। किसी अणु में किसी परमाणु अथवा प्रतिस्थापी समूह के प्रभाव से इलेक्ट्रॉन का स्थानांतरण आबंध में स्थायी ध्रुवणता उत्पन्न करता है। प्रेरणिक प्रभाव (Inductive effect) एवं अनुनाद प्रभाव (Resonance effect) इस प्रकार के इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण के उदाहरण हैं। अभिकर्मक की उपस्थिति में किसी अणु में उत्पन्न अस्थायी इलेक्ट्रॉन-प्रभाव को हम ध्रुवणता-प्रभाव भी कहते हैं। इस प्रकार के इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण को ‘इलेक्ट्रोमेरी प्रभाव’ कहते हैं। हम निम्नलिखित खंडों में इन इलेक्ट्रॉन स्थानांतरणों का अध्ययन करेंगे।
8.7.5 प्रेरणिक प्रभाव
भिन्न विद्युत्-ऋणात्मकता के दो परमाणुओं के मध्य निर्मित सहसंयोजक आबंध में इलेक्ट्रॉन असमान रूप से सहभाजित होते हैं। इलेक्ट्रॉन घनत्व उच्च विद्युत् ऋणात्मकता के परमाणु की ओर अधिक होता है। इस कारण सहसंयोजक आबंध ध्रुवीय हो जाता है। आबंध ध्रुवता के कारण कार्बनिक अणुओं में विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक प्रभाव उत्पन्न होते हैं। उदाहरणार्थ-क्लोरोएथेन $\left(\mathrm{CH} _{3} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{Cl}\right)$ में $\mathrm{C}-\mathrm{Cl}$ बंध ध्रुवीय है। इसकी ध्रुवता के कारण कार्बन क्रमांक- 1 पर आंशिक धनावेश $\left(\delta^{+}\right)$तथा क्लोरीन पर आंशिक ऋणावेश ( $\left.\delta^{-}\right)$उत्पन्न हो जाता है। आंशिक आवेशों को दर्शाने के लिए $\delta$ (डेल्टा) चिह्न प्रयुक्त करते हैं। आबंध में इलेक्ट्रॉन-विस्थापन दर्शाने के लिए तीर $(\rightarrow)$ का उपयोग किया जाता है, जो $\delta^{+}$से $\delta^{-}$की ओर आमुख होता है।
$\stackrel{\delta \delta^+}{\underset{2}{\mathrm{CH_3}}} \xrightarrow{}— \stackrel{\delta^+}{\underset{1}{\mathrm{CH_2}}} \xrightarrow{}— \stackrel{\delta^-}{\mathrm{Cl}}$
कार्बन-1 अपने आंशिक धनावेश के कारण पास के $\mathrm{C}-\mathrm{C}$ आबंध के इलेक्ट्रॉनों को अपनी ओर आकर्षित करने लगता है। फलस्वरूप कार्बन- 2 पर भी कुछ धनावेश $\left(\delta \delta^{+}\right)$ उत्पन्न हो जाता है। $\mathrm{C}-1$ पर स्थित धनावेश की तुलना में $\delta \delta^{+}$ अपेक्षाकृत कम धनावेश दर्शाता है। दूसरे शब्दों में, $\mathrm{C}-\mathrm{Cl}$ की ध्रुवता के कारण पास के आबंध में ध्रुवता उत्पन्न हो जाती है। समीप के $\sigma$ आबंध के कारण अगले $\sigma$ - आबंध के ध्रुवीय होने की प्रक्रिया प्रेरणिक प्रभाव (Inductive Effect) कहलाती है। यह प्रभाव आगे के आबंधों तक भी जाता है, लेकिन आबंधों की संख्या बढ़ने के साथ-साथ यह प्रभाव कम होता जाता है और तीन आबंधों के बाद लगभग लुप्त हो जाता है। प्रेरणिक प्रभाव का संबंध प्रतिस्थापी से बंधित कार्बन परमाणु को इलेक्ट्रॉन प्रदान करने अथवा अपनी ओर आकर्षित कर लेने की योग्यता से है। इस योग्यता के आधार पर प्रतिस्थापियों को हाइड्रोजन के सापेक्ष इलेक्ट्रॉन-आकर्षी (Electron-withdrawing) या इलेक्ट्रॉनदाता समूह के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। हैलोजेन तथा कुछ अन्य समूह, जैसे-नाइट्रो $\left(-\mathrm{NO} _{2}\right)$, सायनो $(-\mathrm{CN})$, कार्बोक्सी $(-\mathrm{COOH})$, एस्टर (-COOR) ऐरिलॉक्सी (-OAr) इलेक्ट्रॉन-आकर्षी समूह हैं, जबकि ऐल्किल समूह, जैसे- मेथिल $\left(\mathrm{CH} _{3}\right)$, एथिल $\left(-\mathrm{CH} _{2}-\mathrm{CH} _{3}\right)$ आदि इलेक्ट्रॉनदाता-समूह हैं।
उदाहरण 8.14
इन युग्मों में कौन-सा आबंध अधिक ध्रुवीय है? (क) $\mathrm{H} _{3} \mathrm{C}-\mathrm{H}, \mathrm{H} _{3} \mathrm{C}-\mathrm{Br}$ (ख) $\mathrm{H} _{3} \mathrm{C}-\mathrm{NH} _{2}, \mathrm{H} _{3} \mathrm{C}-\mathrm{OH}$ (ग) $\mathrm{H} _{3} \mathrm{C}-\mathrm{OH}, \mathrm{H} _{3} \mathrm{C}-\mathrm{SH}$
हल
(क) $\mathrm{H} _{3} \mathrm{C}-\mathrm{Br}$, क्योंकि $\mathrm{H}$ की अपेक्षा $\mathrm{Br}$ अधिक विद्युत्ऋणी है। (ख) $\mathrm{C}-\mathrm{O}$, ( ग) $\mathrm{C}-\mathrm{O}$
उदाहरण 8.15
$\mathrm{CH} _{3}-\mathrm{CH} _{2}-\mathrm{CH} _{2}-\mathrm{Br}$ के किस आबंध में ध्रुवता न्यूनतम होगी?
हल
जैसे-जैसे दूरी बढ़ती है, वैसे-वैसे प्रेरणिक प्रभाव की तीव्रता कम होती जाती है। इसलिए कार्बन 3 एवं हैलोजेन आबंध के मध्य ध्रुवता सबसे कम होगी।
8.7.6 अनुनाद-संरचना
ऐसे अनेक कार्बनिक यौगिक हैं, जिनका व्यवहार केवल एक लूइस संरचना के द्वारा नहीं समझाया जा सकता है। इसका एक उदाहरण बेंज़ीन है। एकांतर $\mathrm{C}-\mathrm{C}$ तथा $\mathrm{C}=\mathrm{C}$ आबंधयुक्त बेंज़ीन की चक्रीय संरचना इसके विशिष्ट गुणों की व्याख्या करने के लिए पर्याप्त नहीं है।
उपर्युक्त निरूपण के अनुसार, बेंज़ीन में एकल $\mathrm{C}-\mathrm{C}$ तथा $\mathrm{C}=\mathrm{C}$ द्विआबंधों के कारण दो भिन्न आबंध लंबाइयाँ होनी चाहिए, लेकिन प्रयोगात्मक निर्धारण से यह पता चला कि बेंज़ीन में समान $\mathrm{C}-\mathrm{C}$ समान आबंध लंबाई $139 \mathrm{pm}$ है, जो एकल $\mathrm{C}-\mathrm{C}$ आबंध $(154 \mathrm{pm})$ और द्विआबंध $(\mathrm{C}=\mathrm{C})$ का मध्यवर्ती मान है। अतः बेंज़ीन की संरचना उपर्युक्त संरचना द्वारा प्रदर्शित नहीं की जा सकती। बेंज़ीन को निम्नलिखित I तथा II समान ऊर्जा-संरचनाओं द्वारा प्रदर्शित किया जा सकता है।
अतः अनुनाद सिद्धांत (एकक 4) के अनुसार बेंज़ीन की वास्तविक संरचना को उपरोक्त दोनों में से किसी एक संरचना द्वारा हम पूर्ण रूप से प्रदर्शित नहीं कर सकते। वास्तविक तौर पर यह दो संरचनाओं (I तथा II) की संकर (Hybrid) होती है, जिन्हें ‘अनुनाद-संरचनाएँ’ (Resonance Structures) कहते हैं। अनुनाद-संरचनाएँ ( केनोनिकल संरचना या योगदान करनेवाली संरचना ) काल्पनिक हैं। ये वास्तविक संरचना का प्रतिनिधित्व अकेले नहीं कर सकती हैं। ये अपने स्थायित्व-अनुपात के आधार पर वास्तविक संरचना में योगदान करती हैं।
अनुनाद का एक अन्य उदाहरण नाइट्रोमेथैन में मिलता है, जिसे दो लूइस संरचनाओं (I व II) द्वारा प्रदर्शित किया जा सकता है। इन संरचनाओं में दो प्रकार के $\mathrm{N}-\mathrm{O}$ आबंध हैं।
परंतु यह ज्ञात है कि दोनों $\mathrm{N}-\mathrm{O}$ आबंधों की लंबाइयाँ समान हैं, ( जो $\mathrm{N}-\mathrm{O}$ एकल आबंध तथा $\mathrm{N}=\mathrm{O}$ द्विआबंध की मध्यवर्ती हैं )। अतः नाइट्रोमेथैन की वास्तविक संरचना दो केनोनिकल रूपों I व II की अनुनाद संकर हैं।
वास्तविक अणु (अनुनाद संकर) की ऊर्जा किसी भी केनोनिकल संरचना से कम होती है। वास्तविक संरचना तथा न्यूनतम ऊर्जावाली अनुनाद-संरचना की ऊर्जा के अंतर को ‘अनुनाद-स्थायीकरण ऊर्जा’ (Resonance Stabilisation Energy) या ‘अनुनाद ऊर्जा’ कहते हैं। अनुनादी संरचनाएँ जितनी अधिक होंगी, उतनी ही अधिक अनुनाद ऊर्जा होगी। समतुल्य ऊर्जा वाली संरचनाओं के लिए अनुनाद विशेष रूप से महत्त्वपूर्ण हैं।
अनुनाद-संरचनाओं को लिखते समय निम्नलिखित नियमों का पालन किया जाता है- (i) अनुनाद-संरचनाओं में नाभिक की स्थिति समान रहती है। (ii) अनुनाद संरचनाओं में अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों की संख्या समान रहती है। अनुनाद-संरचनाओं में वह संरचना अधिक स्थायी होती हैं, जिसमें अधिक सहसंयोजी आबंध होते हैं। इसमें सारे परमाणु इलेक्ट्रानों के अष्टक (हाइड्रॉजन परमाणु को छोड़कर, जिसमें दो इलेक्ट्रॉन होते हैं)। विपरीत आवेश का पृथक्करण कम होता है। यदि ऋणात्मक आवेश है, तो अधिक विद्युत्ऋणी तत्त्व पर होता है। धनात्मक आवेश यदि है, तो वह अधिक विद्युत्धनी तत्त्व पर होता है तथा अधिक आवेश प्रसार होता है।
उदाहरण 8.16
$\mathrm{CH} _{3} \mathrm{COO}^{-}$की अनुनाद-संरचनाएँ लिखें और वक्र तीरों द्वारा इलेक्ट्रॉन का संचलन दर्शाएँ।
हल
सर्वप्रथम संरचना लिखकर उपयुक्त परमाणुओं पर असहभाजित इलेक्ट्रॉन तथा इलेक्ट्रॉन का संचलन तीर द्वारा दर्शाइए।
उदाहरण 8.17
$\mathrm{CH} _{2}=\mathrm{CH}-\mathrm{CHO}$ की अनुनाद-संरचनाएँ लिखें तथा विभिन्न अनुनाद-संरचनाओं के आपेक्षिक स्थायित्व को दर्शाएँ।
हल
I : सर्वाधिक स्थायी है, क्योंकि प्रत्येक कार्बन तथा ऑक्सीजन का अष्टक पूर्ण है तथा कार्बन और ऑक्सीजन पर विपरीत आवेशों का पृथक्करण नहीं है। II : ॠणावेश अधिक ऋणविद्युत् परमाणु पर तथा धनावेश अधिक धनविद्युती परमाणु पर है। III : न्यूनतम स्थायी है, क्योंकि धनावेश अधिक ॠणविद्युती परमाणु पर उपस्थित है, जबकि अधिक धनविद्युती कार्बन पर ऋणावेश उपस्थित है।
उदाहरण 8.18
निम्नलिखित संरचनाएँ (I तथा II) $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{COOCH} _{3}$ की वास्तविक संरचना में कोई विशेष योगदान क्यों नहीं करती हैं?
हल
दोनों संरचनाओं का विशेष योगदान नहीं होगा, क्योंकि इनमें विपरीत आवेशों का पृथक्करण है। इसके अतिरिक्त संरचना I में कार्बन का अष्टक पूर्ण नहीं है।
8.7.7 अनुनाद-प्रभाव
दो $\pi$-आबंधों की अन्योन्य क्रिया अथवा $\pi$-बंध एवं समीप के परमाणु पर उपस्थित एकाकी इलेक्ट्रॉन युग्म के बीच अन्योन्य क्रिया के कारण अणु में उत्पन्न ध्रुवता को ‘अनुनाद-प्रभाव’ (Resonance Effect) कहा जाता है। यह प्रभाव शृंखला में संचारित होता है। दो प्रकार के अनुनाद अथवा मेसोमेरिक प्रभाव होते हैं, जिन्हें ’ $\mathrm{R}$ प्रभाव’ अथवा ’ $\mathrm{M}$ प्रभाव’ कहा जाता है।
(i) धनात्मक अनुनाद-प्रभाव ( $+\mathbf{R}$ प्रभाव )
इस प्रभाव में इलेक्ट्रॉन विस्थापन संयुग्मित अणु में बंधित परमाणु यह प्रतिस्थापी समूह से दूर होता है। इस इलेक्ट्रॉन-विस्थापन के कारण अणु में कुछ स्थितियाँ उच्च इलेक्ट्रॉन घनत्व की हो जाती हैं। ऐनिलीन में इस प्रभाव को इस प्रकार दर्शाया जाता है-
(ii) ॠणात्मक अनुनाद-प्रभाव ( $-\mathbf{R}$ प्रभाव)
यह प्रभाव तब प्रदर्शित होता है, जब इलेक्टॉन का विस्थापन संयुग्मित अणु में बंधित परमाणु अथवा प्रतिस्थापी समूह की ओर होता है। उदाहरणार्थ-नाइट्रोबेंज़ीन में इस इलेक्ट्रॉन- विस्थापन को इस प्रकार दर्शाया जाता है-
$+\mathrm{R}$ अथवा $-\mathrm{R}$ इलेक्ट्रॉन विस्थापन प्रभाव दर्शानेवाले परमाणु अथवा प्रतिस्थापी-समूह निम्नलिखित हैं-
-
+R effect: - हैलोजेन, - $\mathrm{OH},-\mathrm{OR},-\mathrm{OCOR},-\mathrm{NH_2}$, $-\mathrm{NHR},-\mathrm{NR_2}$, -NHCOR,
-
R effect: $-\mathrm{COOH},-\mathrm{CHO},>\mathrm{C}=\mathrm{O},-\mathrm{CN},-\mathrm{NO_2}$
किसी विवृत शृंखला अथवा चक्रीय निकाय में एकांतरी एकल और द्विआबंधों की उपस्थिति को ‘संयुग्मित निकाय’ कहते हैं। ये बहुधा असामान्य व्यवहार दर्शाते हैं। $1,3-$ ब्यूटाडाइईन, ऐनिलीन, नाइट्रोबेंज़ीन इत्यादि इसके उदाहरण हैं। ऐसे निकायों में $\pi$ - इलेक्ट्रॉन विस्थापित (Delocalised) हो जाते हैं तथा ध्रुवता उत्पन्न होती है।
8.7.8 इलेक्ट्रोमेरी प्रभाव ( $E$ प्रभाव)
यह एक अस्थायी प्रभाव है। केवल आक्रमणकारी अभिकारकों की उपस्थिति में यह प्रभाव बहुआबंध (द्विआबंध अथवा त्रिआबंध) वाले कार्बनिक यौगिकों में प्रदर्शित होता है। इस प्रभाव में आक्रमण करनेवाले अभिकारक की माँग के कारण बहु-आबंध से बंधित परमाणुओं में एक सहभाजित $\pi$ इलेक्ट्रॉन युग्म का पूर्ण विस्थापन होता है। अभिक्रिया की परिधि से आक्रमणकारी अभिकारक को हटाते ही यह प्रभाव शून्य हो जाता है। इसे $\mathrm{E}$ द्वारा दर्शाया जाता है, जबकि इलेक्ट्रॉन के संचलन को वक्र तीर ($\curvearrowright$) द्वारा प्रदर्शित किया जाता है। स्पष्टतः दो प्रकार के इलेक्ट्रोमेरी प्रभाव होते हैं-
(i) धनात्मक इलेक्ट्रोमेरी प्रभाव ( + $\mathbf{E}$ प्रभाव ): इस प्रभाव में बहुआबंध के $\pi$-इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण उस परमाणु पर होता है, जिससे आक्रमणकारी अभिकर्मक बंधित होता है। उदाहरणार्थ-
(ii) ऋणात्मक इलेक्ट्रोमेरी-प्रभाव ( $\mathbf{E}$ प्रभाव ): इस प्रभाव में बहु-आबंध के $\pi$-इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण उस परमाणु पर होता है, जिससे आक्रमणकारी अभिकर्मक बंधित नहीं होता है। इसका उदाहरण यह है-
जब प्रेरणिक तथा इलेक्ट्रोमेरी प्रभाव एक-दूसरे की विपरीत दिशाओं में कार्य करते हैं, तब इलेक्ट्रोमेरिक प्रभाव प्रबल होता है।
8.7.9 अतिसंयुग्मन
अतिसंयुग्मन एक सामान्य स्थायीकरण अन्योन्य क्रिया है। इसमें किसी असंतृप्त निकाय के परमाणु से सीधे वांछित ऐल्किल समूह के $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ आबंध अथवा असहभाजित $p$ कक्षक वाले परमाणु के $\sigma$ इलेक्ट्रॉनों का विस्थानीकरण हो जाता है। ऐल्किल समूह के $\mathrm{C}-\mathrm{H}$, आबंध के $\sigma$ इलेक्ट्रॉन निकटवर्ती असंतृप्त निकाय अथवा असहभाजित $\mathrm{p}$ कक्षक के साथ आंशिक संयुग्मन (Partial Conjugation) दर्शाते हैं। अतिसंयुग्मन एक स्थायी प्रभाव है।
अतिसंयुग्मन को समझने के लिए हम $\mathrm{CH} _{3} \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H} _{2}$ (एथिल धनायन) का उदाहरण लेते हैं, जिसमें धनावेशित कार्बन पर एक रिक्त $\pi$ कक्षक है। मेथिल समूह का एक $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ आबंध रिक्त $\pi$ कक्षक के तल के संरेखण में हो जाता है, जिसके कारण $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ आबंध के इलेक्ट्रॉन रिक्त $\pi$ कक्षक में विस्थानीकृत हो जाते हैं, जैसा चित्र 8.4 (क) में दर्शाया गया है।
चित्र 8.4 (क) एथिल धनायन में अतिसंयुग्मन दर्शाता कक्षक आरेख
इस प्रकार के अतिव्यापन से कार्बधनायन का स्थायित्व बढ़ जाता है, क्योंकि निकटवर्ती $\sigma$ आबंध धनावेश के विस्थानीकरण में सहायता करता है।
सामान्यतया धनावेशित कार्बन से संयुक्त ऐल्किल समूहों की संख्या बढ़ने पर अतिसंयुग्मन अन्योन्य क्रिया अधिक होती है, जिसके कारण कार्बधनायन का स्थायित्व बढ़ता है। विभिन्न कार्बधनायन के स्थायित्व का क्रम इस प्रकार है-
ऐल्कीनों तथा ऐल्किलऐरीनों में भी अतिसंयुग्मन संभव है। ऐल्कीनों में अतिसंयुग्मन द्वारा इलेक्ट्रॉनों का विस्थानीकरण इस चित्र ( 8.4 ख) में दर्शाया गया है।
चित्र 8.4 (ख) प्रोपीन में अतिसंयुग्मन का कक्षक चित्र
अतिसंयुग्मन प्रभाव को समझने के कई तरीके हैं। उनमें से एक तरीके में अनुनाद के कारण $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ आबंध में आंशिक आयनीकरण होना माना गया है।
अतिसंयुग्मन आबंधरहित अनुनाद भी कहलाता है।
उदाहरण 8.19
$\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{3} \mathrm{C}^{+}, \mathrm{CH} _{3} \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H} _{2}$ की अपेक्षा अधिक स्थायी क्यों है और ${ }^{+} \mathrm{CH} _{3}$ का स्थायित्व न्यूनतम क्यों है?
हल
$\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{3} \mathrm{C}^{+}$में नौ $(\mathrm{C}-\mathrm{H})$ बंध होने के कारण उसमें अतिसंयुग्मन अन्योन्य क्रिया की मात्रा $\mathrm{CH} _{3} \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H} _{2}$ की तुलना में काफी अधिक होती है। ${ }^{+} \mathrm{CH} _{3}$ में रिक्त $p$ कक्षक $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ आबंध के तल के लंबवत होने के कारण इसके साथ अतिव्यापन नहीं कर सकते हैं। अतः ${ }^{+} \mathrm{CH} _{3}$ में अतिसंयुग्मन नहीं होता है।
8.7.10 कार्बनिक अभिक्रियाएँ और उनकी क्रियाविधियाँ
कार्बनिक अभिक्रियाओं को निम्नलिखित वर्गों में वर्गीकृत किया जा सकता है-
(i) प्रतिस्थापन अभिक्रियाएँ
(ii) संकलन यानी योगज अभिक्रियाएँ
(iii) विलोपन अभिक्रियाएँ
(iv) पुनर्विन्यास अभिक्रियाएँ
आप इन अभिक्रियाओं के बारे में इस पुस्तक के एकक-9 एवं कक्षा 12 में पढ़ेंगे।
8.8 कार्बनिक यौगिकों के शोधन की विधियाँ
किसी प्राकृतिक स्रोत से निष्कर्षण (Extraction) अथवा प्रयोगशाला में संश्लेषण के पश्चात् कार्बनिक यौगिक का शोधन (Purification) आवश्यक होता है। शोधन के लिए प्रयुक्त विभिन्न विधियों का चुनाव यौगिक की प्रकृति तथा उसमें उपस्थित अशुद्धियों के अनुसार किया जाता है।
शोधन के लिए साधारणतः निम्नलिखित विधियाँ उपयोग में लाई जाती हैं-
(i) ऊर्ध्वपातन (Sublimation)
(ii) क्रिस्टलन (Crystallisation)
(iii) आसवन (Distillation)
(iv) विभेदी निष्कर्षण (Differential Extraction) तथा
(v) वर्णलेखन (क्रोमेटोग्राफी, Chromotography)
अंततः यौगिक का गलनांक अथवा क्वथनांक ज्ञात करके उसकी शुद्धता की जाँच की जाती है। अधिकांश शुद्ध यौगिकों का गलनांक या क्वथनांक सुस्पष्ट, अर्थात् तीक्ष्ण होता है। शुद्धता की जाँच की नवीन विधियाँ विभिन्न प्रकार के वर्णलेखन तथा स्पेक्ट्रमिकी तकनीकों पर आधारित हैं।
8.8.1 ऊर्ध्वपातन
आपने पूर्व में सीखा है कि कुछ ठोस पदार्थ गरम करने पर बिना द्रव अवस्था में आए, वाष्प में परिवर्तित हो जाते हैं। उपरोक्त सिद्धांत पर आधारित शोधन तकनीक को ‘ऊर्ध्वपातन’ कहते हैं। इसका उपयोग ऊर्ध्वपातनीय यौगिक का दूसरे विशुद्ध यौगिकों (जो ऊर्ध्वपातनीय नहीं होते) से पृथक् करने में होता है।
8.8.2 क्रिस्टलन
यह ठोस कार्बनिक पदार्थों के शोघन की प्रायः प्रयुक्त विधि है। यह विधि कार्बनिक यौगिक तथा अशुद्धि की किसी उपयुक्त विलायक में इनकी विलेयताओं में निहित अंतर पर आधारित होती है। अशुद्ध यौगिक को किसी ऐसे विलायक में घोलते हैं, जिसमें यौगिक सामान्य ताप पर अल्प-विलेय (Sparingly Soluble) होता है, परंतु उच्चतर ताप पर यथेष्ट मात्रा में वह घुल जाता है। तत्पश्चात् विलयन को इतना सांद्रित करते हैं कि वह लगभग संतृप्त (Saturate) हो जाए। विलयन को ठंडा करने पर शुद्ध पदार्थ क्रिस्टलित हो जाता है, जिसे निस्यंदन द्वारा पृथक् कर लेते हैं। निस्यंद (मात्र द्रव) में मुख्य रूप से अशुद्धियाँ तथा यौगिक की अल्प मात्रा रह जाती है। यदि यौगिक किसी एक विलायक में अत्यधिक विलेय तथा किसी अन्य विलायक में अल्प विलेय होता है, तब क्रिस्टलन उचित मात्रा में इन विलायकों की मिश्रण करके किया जाता है। सक्रियित काष्ठ कोयले (Achrated Charcoal) की सहायता से रंगीन अशुद्धियाँ निकाली जाती हैं। यौगिक तथा अशुद्धियों की विलेयताओं में कम अंतर होने की दशा में बार-बार क्रिस्टलन द्वारा शुद्ध यौगिक प्राप्त किया जाता है।
8.8.3 आसवन
इस महत्त्वपूर्ण विधि की सहायता से (i) वाष्पशील (Volatile) द्रवों को अवाष्पशील अशुद्धियों एवं (ii) ऐसे द्रवों, जिनके क्वथनांकों में पर्याप्त अंतर हो, को पृथक् कर सकते हैं। भिन्न क्वथनांकों वाले द्रव भिन्न ताप पर वाष्पित होते हैं। वाष्पों को ठंडा करने से प्राप्त द्रवों को अलग-अलग एकत्र कर लेते हैं। क्लोरोफार्म (क्वथनांक 334K) और ऐनिलीन (क्वथनांक 457K) को आसवन विधि द्वारा आसानी से पृथक् कर सकते हैं (चित्र 8.5)। द्रव-मिश्रण को गोल पेंदे वाले फ्लास्क में लेकर हम सावधानीपूर्वक गरम करते हैं। उबालने पर कम क्वथनांक वाले द्रव की वाष्प पहले बनती है। वाष्प को संघनित्र की सहायता से संघनित करके प्राप्त द्रव को ग्राही में एकत्र कर लेते हैं। उच्च क्वथनांक वाले घटक के वाष्प बाद में बनते हैं। इनमें संघनन से प्राप्त द्रव को दूसरे ग्राही में एकत्र कर लेते हैं।
चित्र 8.5 साधारण आसवन। पदार्थ की वाष्प को संघनित कर द्रव के शंक्वाकार फ्लास्क में एकत्र किया जाता है।
प्रभाजी आसवन : दो द्रवों के क्वथनांकों में पर्याप्त अंतर न होने की दशा में उन्हें साधारण आसवन द्वारा पृथक् नहीं किया जा सकता। ऐसे द्रवों के वाष्प इसी ताप परास में बन जाते हैं तथा साथ-साथ संघनित हो जाते हैं। ऐसी दशा में प्रभाजी आसवन की तकनीक का उपयोग किया जाता है। इस तकनीक में गोल पेंदे वाले फ्लास्क के मुख में लगे हुए प्रभाजी कॉलम से द्रव मिश्रण की वाष्प को प्रवाहित करते हैं (चित्र 8.6, पृष्ठ 281)।
उच्चतर क्वथनांक वाले द्रव के वाष्प निम्नतर क्वथनांक वाले द्रव के वाष्प की तुलना में पहले संघनित होती है। इस प्रकार प्रभाजी कॉलम में ऊपर उठने वाले वाष्प में अधिक वाष्पशील पदार्थ की मात्रा अधिक होती जाती है। प्रभाजी कॉलम के शीर्ष तक पहुँचते-पहुँचते वाष्प में मुख्यतः अधिक वाष्पशील अवयव ही रह जाता है। विभिन्न डिज़ाइन एवं आकार के प्रभाजी कॉलम चित्र 8.7, पृष्ठ 281 में दिखाए गए हैं। प्रभाजी कॉलम ऊपर उठती वाष्प तथा नीचे गिरते द्रव के बीच ऊष्मा-विनिमय के लिए कई पृष्ठ (Surface) उपलब्ध कराता है। प्रभाजी कॉलम में संघनित द्रव ऊपर उठती वाष्प से ऊष्मा लेकर पुन: वाष्पित हो जाता है। इस प्रकार वाष्प में कम क्वथनांक वाले द्रव की मात्रा बढ़ती जाती है। इस तरह की क्रमिक आसवन श्रेणी के उपरांत निम्नतर क्वथनांक वाले अवयव के शुद्ध वाष्प कॉलम के शीर्ष पर पहुँचते हैं। संघनित्र में संघनित होकर यह शुद्ध द्रव के रूप में ग्राही में एकत्र कर ली जाती है। क्रमिक आसवन श्रेणी के उपरांत आसवन फ्लास्क के शेष द्रव में उच्चतर क्वथनांक वाले द्रव की मात्रा बढ़ती जाती है। प्रत्येक क्रमिक संघनन तथा वाष्पन को सैद्धांतिक प्लेट (Theoretical Plate) कहते हैं। व्यापारिक स्तर पर उपयोग के लिए सैकड़ों प्लेटों वाले कॉलम उपलब्ध हैं।
चित्र 8.6 प्रभाजी आसवन निम्न क्वथन प्रभाज की वाष्प कॉलम के शीर्ष तक पहले पहुँचती है। तत्पश्चात् उच्च क्वथन की वाष्प पहुँचती है।
प्रभाजी आसवन का एक तकनीकी उपयोग पेट्रोलियम उद्योग में कच्चे तेल के विभिन्न प्रभाजों को पृथक् करने में किया जाता है। निम्न दाब पर आसवन : यह विधि उन द्रवों के शोधन के लिए प्रयुक्त की जाती है, जिनके क्वथनांक अति उच्च होते हैं अथवा जो अपने क्वथनांक या उनसे भी कम ताप पर अपघटित हो जाते हैं। ऐसे द्रवों के पृष्ठ पर दाब कम करके उनके क्वथनांक से कम ताप पर उबाला जाता है। कोई भी द्रव उस ताप पर उबलता है, जिसपर उसका वाष्प दाब बाह्य दाब के समान होता है। दाब कम करने के लिए जल पंप अथवा निर्वात पंप का उपयोग किया जाता है (चित्र 8.8, पृष्ठ 282)। साबुन उद्योग में युक्त शेष लाई (Spent Lye) से ग्लिसरॉल पृथक् करने के लिए इस विधि का उपयोग किया जाता है।
चित्र 8.7 विभिन्न प्रकार के प्रभाजी कॉलम
चित्र 8.8 कम दाब पर आसवन। निम्न दाब पर द्रव अपने क्वथनांक की अपेक्षा निम्न ताप पर उबलने लगता है।
भाप आसवन : यह तकनीक उन पदार्थों के शोधन के लिए प्रयुक्त की जाती है, जो भाप वाष्पशील हों, परंतु जल में अमिश्रणीय हों। भाप आसवन में अशुद्ध द्रव को फ्लास्क में गरम करते हुए इसमें भाप प्रवाहित की जाती है। भाप तथा वाष्पशील द्रव का मिश्रण संघनित कर एकत्र कर लिया जाता है। तत्पश्चात् द्रव तथा जल को पृथक्कारी कीप द्वारा पृथक् कर लेते हैं। भाप आसवन में कार्बनिक द्रव $\left(p _{1}\right)$ तथा जल $\left(p _{2}\right)$ के वाष्प दाब का योग वायुमंडलीय दाब $(p)$ के समान होने पर द्रव उबलता है, अर्थात् $p=p _{1}+p _{2}$ । चूँकि $p _{1}$ का मान $p$ से कम है, अतः द्रव अपने क्वथनांक की अपेक्षा निम्नतर ताप पर ही वाष्पित हो जाता है।
इस प्रकार जल तथा उसमें अविलेय पदार्थ का मिश्रण $373 \mathrm{~K}$ के पास उससे निम्न ताप पर ही उबल जाता है। प्राप्त होने वाले पदार्थ तथा जल के मिश्रण को पृथक्कारी कीप की सहायता से अलग कर लेते हैं। ऐनिलीन को इस विधि की सहायता से ऐनिलीन जल के मिश्रण में से पृथक् किया जाता है (चित्र 8.9, पृष्ठ 282)।
8.8.4 विभेदी निष्कर्षण
इस विधि की सहायता से कार्बनिक यौगिक को उसके जलीय विलयन में से ऐसे कार्बनिक विलायक द्वारा निष्कर्षित किया जाता है, जिसमें कार्बनिक यौगिक की विलेयता जल की अपेक्षा अधिक होती है। जलीय विलयन तथा कार्बनिक विलायक अमिश्रणीय होने चाहिए, ताकि वे दो परत बना सकें, जिन्हें पृथक्कारी कीप द्वारा पृथक् किया जा सके। तत्पश्चात् यौगिक के विलयन में से कार्बनिक विलायक को आसवन द्वारा दूर करके शुद्ध यौगिक प्राप्त कर लिया जाता है। विभेदी निष्कर्षण एक पृथक्कारी कीप में किया जाता है, जैसा चित्र 8.10 , पृष्ठ 283 में दर्शाया गया है। कार्बनिक विलायक में यौगिक की विलेयता अल्प होने की दशा में इस विधि में विलायक की काफी मात्रा की आवश्यकता पड़ेगी। इस दशा में एक परिष्कृत तकनीक का उपयोग हम करते हैं, जिसे सतत निष्कर्षण (Continous Extraction) कहते हैं। इस तकनीक से उसी विलायक का उपयोग बार-बार होता है।
8.8.5 वर्णलेखन ( क्रोमेटोग्रैफी )
‘वर्णलेखन’ (क्रोमेटोग्रैफी) शोधन की एक अत्यंत महत्त्वपूर्ण तकनीक है, जिसका उपयोग यौगिकों का शोधन करने में, किसी मिश्रण के अवयवों को पृथक् करने तथा यौगिकों की शुद्धता की जाँच करने के लिए विस्तृत रूप से किया जाता है। क्रोमेटोग्रैफी विधि का उपयोग सर्वप्रथम पादपों में पाए जाने वाले रंगीन पदार्थों को पृथक् करने के लिए किया गया था। ‘क्रोमेटोग्रैफी’ शब्द ग्रीक शब्द ‘क्रोमा’ (Chroma) से बना है, जिसका अर्थ है ‘रंग’। इस तकनीक में सर्वप्रथम यौगिकों के मिश्रण को स्थिर प्रावस्था (Stationary Phase) पर अधिशोषित कर दिया जाता है। स्थिर प्रावस्था ठोस अथवा द्रव हो सकती है। इसके पश्चात् स्थिर प्रावस्था में से उपयुक्त विलायक, विलायकों के मिश्रण अथवा गैस को धीरे-धीरे प्रवाहित किया जाता है। इस प्रकार मिश्रण के अवयव क्रमशः एक-दूसरे से पृथक् हो जाते हैं। गति करनेवाली प्रावस्था को ‘गतिशील प्रावस्था’ (Mobile Phase) कहते हैं।
चित्र 8.9 भाप आसवन। भाप वाष्पशील अवयव वाष्पीकृत होकर संघनित्र में संघनित होता है। तब द्रव को शंक्वाकार फ्लास्क में एकत्र कर लिया जाता है।
अंतर्ग्रस्त सिद्धांतों के आधार पर वर्णलेखन को विभिन्न वर्गों में वर्गीकृत किया गया है। इनमें से दो हैं-
(क) अधिशोषण-वर्णलेखन (Adsorption Chromatography)
(ख) वितरण-वर्णलेखन (Partition Chromatography)
( क ) अधिशोषण-वर्णलेखन : यह इस सिद्धांत पर आधारित है कि किसी विशिष्ट अधिशोषक (Adsorbent) पर विभिन्न यौगिक भिन्न अंशों में अधिशोषित होते हैं। साधारणतः ऐलुमिना तथा सिलिका जेल अधिशोषक के रूप में प्रयुक्त किए जाते हैं। स्थिर प्रावस्था (अधिशोषक) पर गतिशील प्रावस्था प्रवाहित करने के उपरांत मिश्रण के अवयव स्थिर प्रावस्था पर अलग-अलग दूरी तय करते हैं। निम्नलिखित दो प्रकार की वर्णलेखन-तकनीकें हैं, जो विभेदी-अधिशोषण सिद्धांत पर आधारित हैं
चित्र 8.10 विभेदी निष्कर्षण। अवयवों का पृथक्करण विलेयता में अंतर पर आधारित होता है।
(क) कॉलम-वर्णलेखन, अर्थात् स्तंभ-वर्णलेखन (Column Chromatography)
(ख) पतली परत वर्णलेखन (Thin Layer Chromatography)
कॉलम वर्णलेखन : इस तकनीक में काँच की एक लंबी नली में अधिशोषक (स्थिर प्रावस्था) भरा जाता है। नली के निचले सिरे पर रोधनी लगी रहती है (चित्र 8.11)। यौगिक के मिश्रण को उपयुक्त विलायक की न्यूनतम मात्रा में घोलकर कॉलम के ऊपरी भाग में अधिशोषित कर देते हैं। तत्पश्चात् एक उपयुक्त निक्षालक (जो द्रव या द्रवों का मिश्रण होता है) को कॉलम में धीमी गति से नीचे की ओर बहने दिया जाता है। विभिन्न यौगिकों के अधिशोषण की मात्रा के आधार पर उनका आंशिक या पूर्ण पृथक्करण हो जाता है। अधिक अधिशोषित यौगिक कॉलम के ऊपर अधिक सरलता से अधिशेष रह जाते हैं, जबकि अन्य यौगिक कॉलम में विभिन्न दूरियों तक नीचे आ जाते हैं (चित्र 8.11)।
चित्र 8.11 कॉलम क्रोमेटोग्रैफी। किसी मिश्रण के अवयवों के पृथक्करण की विभिन्न स्थितियाँ।
पतली परत वर्णलेखन : पतली परत वर्णलेखन (थिन लेयर क्रोमेटोग्रैफी, टी.एल.सी.) एक अन्य प्रकार का अधिशोषण वर्णलेखन है। इसमें एक अधिशोषक की पतली परत पर मिश्रण के अवयवों का पृथक्करण होता है। इस तकनीक में काँच की उपयुक्त आमाप की प्लेट पर अधिशोषक (सिलिका जेल या ऐलुमिना) की पतली (लगभग $0.2 \mathrm{~mm}$ की) परत फैला दी जाती है। इसे ‘पतली परत क्रोमेटोग्रैफी प्लेट’ कहते हैं। मिश्रण के विलयन का छोटा-सा बिंदु प्लेट के एक सिरे से लगभग $2 \mathrm{~cm}$ ऊपर लगाते हैं। प्लेट को अब कुछ ऊँचाई तक विलायक से भरे एक बंद जार में खड़ा कर देते हैं। जिसे चित्र 8.12 (क)। निक्षालक जैसे-जैसे प्लेट पर आगे बढ़ता है, वैसे-वैसे मिश्रण के अवयव भी निक्षालक के साथ-साथ प्लेट पर आगे बढ़ते हैं, परंतु अधिशोषण की तीव्रता के आधार पर ऊपर बढ़ने की उनकी गति भिन्न होती है। इस कारण वे पृथक् हो जाते हैं। विभिन्न यौगिकों के सापेक्ष अधिशोषण को मन्दन-गुणक (Retardation Factor), अर्थात् $R _{f}$ मान द्वारा प्रदर्शित किया जाता है ( 8.12 ख)।
$$R _{f}=\frac{\text { आधार-रेखा से यौगिक के बढ़ने की दूरी }(x)}{\text { आधार-रेखा से विलायक अग्रांत की दूरी }(y)}$$
चित्र 8.12 (क) थिन लेयर क्रोमेटोग्रैफी में क्रोमेटोग्राम का विकसित होना।
चित्र 8.12 (ख) विकसित क्रोमेटोग्राम
रंगीन यौगिकों के बिंदुओं को प्लेट पर बिना किसी कठिनाई के देखा जा सकता है। परंतु रंगहीन एवं पराबैगंनी प्रकाश में प्रतिदीप्त (Fluoresce) होने वाले यौगिकों के बिंदुओं को प्लेट पर पराबैगनी प्रकाश के नीचे रखकर देखा जा सकता है। एक अन्य तकनीक में जार में कुछ आयोडीन के क्रिस्टल रखकर भी रंगहीन बिंदुओं को देखा जा सकता है। जो यौगिक आयोडीन अवशोषित करते हैं, उनके बिंदु भूरे दिखाई देने लगते हैं। कभी-कभी उपयुक्त अभिकर्मक के विलयन को प्लेट पर छिड़ककर भी बिंदुओं को देखा जाता है। जैसे-ऐमीनो अम्लों के बिंदुओं को प्लेट पर निनहाइड्रिन विलयन छिड़ककर देखते हैं।
वितरण क्रोमेटोग्रैफी : वितरण क्रोमेटोग्रैफी स्थिर तथा गतिशील प्रावस्थाओं के मध्य मिश्रण के अवयवों के सतत विभेदी वितरण पर आधारित है। कागज़ वर्णलेखन (Paper Chromatography) इसका एक उदाहरण है। इसमें एक विशिष्ट प्रकार का क्रोमेटोग्रैफी कागज़ का इस्तेमाल किया जाता है। इस कागज़ के छिद्रों में जल-अणु पाशित रहते हैं, जो स्थिर प्रावस्था का कार्य करते हैं।
क्रोमेटोग्रैफी कागज़ की एक पट्टी (Strip) के आधार पर मिश्रण का बिंदु लगाकर उसे जार में लटका देते हैं (चित्र 8.13, पृष्ठ 285)। जार में कुछ ऊँचाई तक उपयुक्त विलायक अथवा विलायकों का मिश्रण भरा होता है, जो गतिशील प्रावस्था का कार्य करता है। केशिका क्रिया के कारण पेपर की पट्टी पर विलायक ऊपर की ओर बढ़ता है तथा बिंदु पर प्रवाहित होता है। विभिन्न यौगिकों का दो प्रावस्थाओं में वितरण भिन्न-भिन्न होने के कारण वे अलग-अलग दूरियों तक आगे बढ़ते हैं। इस प्रकार विकसित पट्टी को ‘क्रोमेटोग्राम’ (Chromatogram) कहते हैं। पतली परत की भाँति पेपर की पट्टी पर विभिन्न बिंदुओं की स्थितियों को या तो पराबैगनी प्रकाश के नीचे रखकर या उपयुक्त अभिकर्मक के विलयन को छिड़ककर हम देख लेते हैं।
चित्र 8.13 कागज़ क्रोमेटोग्रैफी। दो भिन्न आकृतियों का क्रोमेटोग्रैफी पेपर।
8.9 कार्बनिक यौगिकों का गुणात्मक विश्लेषण
कार्बनिक यौगिकों में कार्बन तथा हाइड्रोजन उपस्थित रहते हैं। इनके अतिरिक्त इनमें ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, सल्फर, हैलोजेन तथा फॉस्फोरस भी उपस्थित हो सकते हैं।
8.9.1 कार्बन तथा हाइड्रोजन की पहचान
इसके लिए यौगिक को कॉपर (II) ऑक्साइड के साथ गरम किया जाता है। यौगिक में उपस्थित कार्बन तथा हाइड्रोजन क्रमशः कार्बन डाइऑक्साइड (जो चूने के पानी को दूधिया कर देती है) तथा जल (जो निर्जल कॉपर सल्फेट को नीला कर देता है) में परिवर्तित हो जाते हैं।
$\mathrm{C}+ \mathrm{2CuO} \xrightarrow{\Delta} 2\mathrm{Cu}+ \mathrm{CO_2}$
$2\mathrm{H}+ \mathrm{CuO} \xrightarrow{\Delta} \mathrm{Cu}+ \mathrm{H_2O}$
$\mathrm{CO_2}+ \mathrm{Ca(OH)_2} \rightarrow \mathrm{CaCO_3}\downarrow+ \mathrm{H_2O}$
$5\mathrm{H_2O}+ \underset{\text{प्वेत}}{\mathrm{CuSO_4}} \rightarrow \underset{\text{नीला}}{\mathrm{CuSO_4.5H_2O}}$
8.9.2 अन्य तत्त्वों की पहचान
किसी कार्बनिक यौगिक में उपस्थित नाइट्रोजन, सल्फर, हैलोजेन तथा फॉस्फ़ोरस की पहचान ‘लैसें-परीक्षण’ (Lassaigne’s Test) द्वारा की जाती है। यौगिक को सोडियम धातु के साथ संगलित करने पर ये तत्त्व सहसंयोजी रूप से आयनिक रूप में परिवर्तित हो जाते हैं। इनमें निम्नलिखित अभिक्रियाएँ होती हैं-
$$ \begin{array}{lll} \mathrm{Na}+\mathrm{C}+\mathrm{N} & \xrightarrow{\Delta} & \mathrm{NaCN} \\ 2 \mathrm{Na}+\mathrm{S} & \xrightarrow{\Delta} & \mathrm{Na_2} \mathrm{~S} \\ \mathrm{Na}+\mathrm{X} & \xrightarrow{\Delta} & \mathrm{Na} \mathrm{X} \\ & & (\mathrm{X}=\mathrm{Cl}, \text { Br अथवा } \mathrm{I}) \end{array} $$
$\mathrm{C}, \mathrm{N}, \mathrm{S}$ तथा $\mathrm{X}$ कार्बनिक यौगिक में उपस्थित तत्त्व हैं। सोडियम संगलन से प्राप्त अवशेष को आसुत जल के साथ उबालने पर सोडियम सायनाइड सल्फाइड तथा हैलाइड जल में घुल जाते हैं। इस निष्कर्ष को ‘सोडियम संगलन निष्कर्ष’ (Sodium Fusion Extract) कहते हैं।
(क) नाइट्रोजन का परीक्षण
सोडियम संगलन निष्कर्ष को आयरन (II) सल्फेट के साथ उबालकर विलयन को सल्फ्यूरिक अम्ल द्वारा अम्लीकृत किया जाता है। प्रशियन ब्लू (Prussian Blue) रंग का बनना नाइट्रोजन की उपस्थिति निश्चित करता है। सोडियम सायनाइड आयरन (II) सल्फेट के साथ अभिक्रिया करके सोडियम हैक्सासायनिडोफैरेट (II) बनाता है। सांद्र सल्फ्यूरिक अम्ल के साथ गरम करने पर कुछ आयरन (II) आयरन (III) में ऑक्सीकृत हो जाता है। यह सोडियम हैक्सासायनिडोफैरेट (II) के साथ अभिक्रिया करके आयरन (III) हैक्सासायनिडोफैरेट (II) (फेरिफेरोसायनाइड) बनाता है, जिसका रंग प्रशियन ब्लू होता है।
$$ \begin{aligned} & 6 \mathrm{CN}^{-}+\mathrm{Fe}^{2+} \rightarrow\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN}) _{6}\right]^{4-} \\ & 3\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN}) _{6}\right]^{4-}+4 \mathrm{Fe}^{3+} \quad \rightarrow \mathrm{Fe} _{4}\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN}) _{6}\right] _{3} \\ & \hspace{40 mm} \text { प्रशियन ब्लू } \end{aligned} $$
( ख) सल्फर का परीक्षण
(i) सोडियम संगलन निष्कर्ष को ऐसीटिक अम्ल द्वारा अम्लीकृत कर लैड ऐसीटेट मिलाने पर यदि लैड सल्फाइड का काला अवक्षेप बने, तो सल्फर की उपस्थिति की पुष्टि होती है।
$$ \begin{aligned} & \mathrm{S}^{2-}+\mathrm{Pb}^{2+} \longrightarrow \underset{\text{काला}}{\mathrm{PbS}} \end{aligned} $$
(ii) सोडियम संगलन निष्कर्ष को सोडियम नाइट्रोप्रुसाइड के साथ अभिकृत करने पर बैगनी रंग का बनना भी सल्फर की उपस्थिति को दर्शाता है।
$$ \begin{array}{r} \mathrm{S}^{2-}+\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN}) _{5} \mathrm{NO}\right]^{2-} \rightarrow\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN}) _{5} \mathrm{NOS}\right]^{4-} \\ \text { बैगनी } \end{array} $$
कार्बनिक यौगिक में नाइट्रोजन तथा सल्फर - दोनों ही जब उपस्थित हों, तब सोडियम थायोसायनेट बनता है, जो आयरन (II) सल्फेट के साथ गरम करने पर रक्त की भाँति लाल रंग उत्पन्न करता है। मुक्त सायनाइट आयनों की अनुपस्थिति होने के कारण प्रशियन ब्लू रंग नहीं बनता है।
$$ \begin{aligned} & \mathrm{Na}+\mathrm{C}+\mathrm{N}+\mathrm{S} \rightarrow \mathrm{NaSCN} \\ & \mathrm{Fe}^{3+}+3 \mathrm{SCN}^{-} \rightarrow \mathrm{Fe}(\mathrm{SCN}) _{3} \end{aligned} $$ $\hspace{80 mm}$ रक्त की भाँति लाल
यदि सोडियम की अधिक मात्रा को सोडियम संगलन में लिया जाता है, तो सायनाइड तथा सल्फाइड आयनों में थायोसायनेट अपघटित हो जाता है। ये आयन अपने सामान्य परीक्षण देते हैं।
$$ \mathrm{NaSCN}+2 \mathrm{Na} \rightarrow \mathrm{NaCN}+\mathrm{Na} _{2} \mathrm{~S} $$
( ग) हैलोजनों का परीक्षण
सोडियम संगलन निष्कर्ष को नाइट्रिक अम्ल द्वारा अम्लीकृत कर उसमें सिल्वर नाइट्रेट मिलाया जाता है। तब अमोनियम हाइड्रॉक्साइड में विलेय श्वेत अवक्षेप क्लोरीन की उपस्थिति को, अमोनियम हाइड्रॉक्साइड में अल्प-विलेय पीले अवक्षेप ब्रोमीन की उपस्थिति को तथा अमोनियम हाइड्रॉक्साइड में अविलेय पीले अवक्षेप आयोडीन की उपस्थिति को दर्शाता है।
$$ \begin{aligned} & \mathrm{X}^{-}+\mathrm{Ag}^{+} \rightarrow \mathrm{AgX} \\ & {[\mathrm{X}=\mathrm{Cl}, \mathrm{Br} \text { या } \mathrm{I}]} \end{aligned} $$
यौगिक में नाइट्रोजन अथवा सल्फर की उपस्थिति होने की स्थिति में उपर्युक्त परीक्षण के पूर्व सोडियम संगलन निष्कर्ष को नाइट्रिक अम्ल के साथ उबाला जाता है, ताकि सायनाइड अथवा सल्फाइड विघटित हो जाएं, अन्यथा ये आयन हैलोजनों के सिल्वर नाइट्रेट परीक्षण में बाधा उत्पन्न करते हैं।
( घ ) फ़ॉस्फोरस का परीक्षण
ऑक्सीकारक (सोडियम परॉक्साइड) के साथ गरम करने पर यौगिक में उपस्थित फ़ॉस्फोरस, फ़ॉस्फेट में परिवर्तित हो जाता है। विलयन को नाइट्रिक अम्ल के साथ उबालकर अमोनियम मॉलिब्डेट मिलाने पर पीला रंग अथवा अवक्षेप बनता है, जो फ़ॉस्फोरस की उपस्थिति को निश्चित करता है।
$ \begin{aligned} & \mathrm{Na} _{3} \mathrm{PO} _{4}+3 \mathrm{HNO} _{3} \rightarrow \mathrm{H} _{3} \mathrm{PO} _{4}+3 \mathrm{NaNO} _{3} \\ & \mathrm{H} _{3} \mathrm{PO} _{4}+\underset{\text{अमोनियम मॉलिब्डेट}}{12\left(\mathrm{NH} _{4}\right) _{2} \mathrm{MoO} _{4}}+2 \mathrm{HNO} _{3} \rightarrow \underset{\text{ अमोनियम फ़ॉस्फोमॉलिब्डेट }}{\left(\mathrm{NH} _{4}\right) _{3} \cdot \mathrm{PO} _{4} \cdot 12 \mathrm{MoO} _{3}}+21 \mathrm{NH} _{4} \mathrm{NO} _{3}+12 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O} \end{aligned} $
8.10 मात्रात्मक विश्लेषण
कार्बनिक रसायन में मात्रात्मक विश्लेषण बहुत महत्वपूर्ण है, क्योंकि इसके द्वारा रसायनज्ञ कार्बनिक यौगिक में तत्वों के द्रव्यमान प्रतिशत का निर्धारण करते हैं। आप एकक- 1 में पहले ही पढ़ चुके हैं कि तत्वों के द्रव्यमान प्रतिशत से यौगिकों के मूलानुपाती सूत्र एवं अणुसूत्र की गणना की जाती है।
कार्बनिक यौगिक में उपस्थित विभिन्न तत्त्वों के प्रतिशत-संयोजन का निर्धारण निम्नलिखित सिद्धांतों पर आधारित विधियों द्वारा किया जाता है।
8.10.1 कार्बन तथा हाइड्रोजन
कार्बन तथा हाइड्रोजन - दोनों तत्त्वों का आकलन एक ही प्रयोग द्वारा किया जाता है। कार्बनिक यौगिक की ज्ञात मात्रा को कॉपर (II) ऑक्साइड तथा ऑक्सीजन के आधिक्य में जलाने पर कार्बन और हाइड्रोजन क्रमशः कार्बन डाइऑक्साइड तथा जल में ऑक्सीकृत हो जाते हैं।
$$ \mathrm{C} _{x} \mathrm{H} _{y}+(x+y / 4) \mathrm{O} _{2} \rightarrow x \mathrm{CO} _{2}+(y / 2) \mathrm{H} _{2} \mathrm{O} $$
चित्र 8.14 कार्बन तथा हाइड्रोजन का आकलन पदार्थ के ऑक्सीकरण के फलस्वरूप बना जल तथा कार्बन डाइऑक्साइड $U$ नली में लिये गए क्रमश: निर्जल कैल्सियम क्लोराइड और पोटैशियम हाइड्रॉक्साइड विलयन में अवशोषित किए जाते हैं।
उत्पन्न जल की मात्रा ज्ञात करने के लिए मिश्रण को निर्जल कैल्सियम क्लोराइडयुक्त $U$ नली में से प्रवाहित किया जाता है। इस श्रेणी में जुड़ी दूसरी $U$ नली में सांद्र पोटैशियम हाइड्रॉक्साइड विलयन लेते हैं, जिसमें कार्बन हाइड्रॉक्साइड अवशोषित होती है (चित्र 8.14, पृष्ठ 287)। कैल्सियम क्लोराइड तथा पोटैशियम हाइड्रॉक्साइड विलेयनों के द्रव्यमानों में वृद्धि से क्रमशः जल तथा कार्बन डाइऑक्साइड की मात्राएँ ज्ञात हो जाती हैं। इनसे कार्बन तथा हाइड्रोजन की प्रतिशतता की गणना की जा सकती है।
यदि कार्बनिक यौगिक का द्रव्यमान $m$ ग्राम और बननेवाले जल तथा कार्बन डाइऑक्साइड के द्रव्यमान क्रमशः $m _{1}$ तथा $m _{2}$ ग्राम हैं।
कार्बन का प्रतिशत $=\frac{12 \times m _{2} \times 100}{44 \times m}$
हाइड्रोजन का प्रतिशत $=\frac{2 \times m _{1} \times 100}{18 \times m}$
उदाहरण 8.20
$0.246 \mathrm{~g}$ कार्बनिक यौगिक के पूर्ण दहन के फलस्वरूप $0.198 \mathrm{~g}$ कार्बन डाइऑक्साइड तथा $0.1014 \mathrm{~g}$ जल प्राप्त होते हैं। यौगिक में कार्बन तथा हाइड्रोजन की प्रतिशतताओं की गणना कीजिए।
हल
कार्बन की प्रतिशत-मात्रा $=\frac{12 \times 0.198 \times 100}{44 \times 0.246}$ =21.95 %
हाइड्रोजन की प्रतिशत-मात्रा $=\frac{2 \times 0.1014 \times 100}{18 \times 0.246}$ =4.58 %
8.10.2 नाइट्रोजन
नाइट्रोजन के आकलन की दो विधियाँ हैं- (i) ड्यूमा विधि (Duma Method) तथा (ii) कैल्डॉल विधि (Kjeldahl’s Method)
(i) ड्यूमा विधि : नाइट्रोजनयुक्त कार्बनिक यौगिक को कार्बन डाइऑक्साइड के वातावरण में कॉपर ऑक्साइड के साथ गरम करने पर नाइट्रोजन मुक्त होती है। कार्बन तथा हाइड्रोजन क्रमशः कार्बन डाइऑक्साइड एवं जल में परिवर्तित हो जाते हैं।
$$ \begin{aligned} & \mathrm{C} _{x} \mathrm{H} _{y} \mathrm{~N} _{z}+[2 x+y / 2] \mathrm{CuO} \rightarrow x \mathrm{CO} _{2}+y / 2 \mathrm{H} _{2} \mathrm{O}+z / 2 \mathrm{~N} _{2}+(2 x+y / 2) \mathrm{Cu} \end{aligned} $$
अल्प मात्रा में बने नाइट्रोजन ऑक्साइडों को गरम कॉपर तार पर प्रवाहित कर नाइट्रोजन में अपचयित कर दिया जाता है। इस प्रकार प्राप्त गैसीय मिश्रण को हाइड्रॉक्साइड पोटैशियम के जलीय विलयन पर एकत्र कर लिया जाता है। कार्बन डाइऑक्साइड पोटैशियम हाइड्रॉक्साइड द्वारा अवशोषित हो जाती है। नाइट्रोजन अंशांकित नली (Graduated Tube) के ऊपरी भाग में एकत्र हो जाती है (चित्र 8.15, पृष्ठ 288)।
माना कि कार्बनिक यौगिक का द्रव्यमान $=m g$
एक नाइट्रोजन का आयतन $=V _{1} \mathrm{~mL}$
कक्ष का ताप $=\mathrm{T} _{1} \mathrm{~K}$
मानक ताप तथा दाब (STP) पर नाइट्रोजन का आयतन $=\frac{P _{1} V _{1} \times 273}{760 \times T _{1}} $
(माना कि इसका मान $\mathrm{V} \mathrm{mL}$ है)
$P _{1}$ तथा $V _{1}$ क्रमशः नाइट्रोजन के दाब तथा आयतन हैं। $\mathrm{P} _{1}$ दाब, जिसपर नाइट्रोजन एकत्र की गई है, वायुमंडलीय दाब से भिन्न है। $\mathrm{P} _{1}$ का मान इस संबंध द्वारा प्राप्त किया जाता है
$\mathrm{P} _{1}=$ वायुमंडलीय दाब-जलीय तनाव STP पर $22400 \mathrm{~mL} \mathrm{~N} _{2}$ का द्रव्यमान $28 \mathrm{~g}$ है
चित्र 8.15 ड्यूमा विधि। कार्बनिक यौगिक को $\mathrm{CO} _{2}$ गैस की उपस्थिति में $\mathrm{Cu}$ (II) ऑक्साइड के साथ गरम करने पर नाइट्रोजन गैस उत्पन्न होती है। गैसों के मिश्रण को पोटैशियम हाइड्रॉक्साइड विलयन में से प्रवाहित किया जाता है, जहाँ $\mathrm{CO} _{2}$ अवशोषित हो जाती है तथा नाइट्रोजन का आयतन माप लिया जाता है।
अत: STP पर $\mathrm{V} \mathrm{mL} \mathrm{N} _{2}$ का द्रव्यमान $=\frac{28 \times \mathrm{V}}{22400} \mathrm{~g}$
नाइट्रोजन की प्रतिशतता $=\frac{28 \times \mathrm{V} \times 100}{22400 \times \mathrm{m}}$
उदाहरण 8.21
नाइट्रोजन अणुमापन की ड्यूमा विधि में $0.3 \mathrm{~g}$ कार्बनिक यौगिक $300 \mathrm{~K}$ ताप तथा $715 \mathrm{~mm}$ दाब पर $50 \mathrm{~mL}$ नाइट्रोजन देता है। यौगिक में नाइट्रोजन के प्रतिशत की गणना कीजिए ( $300 \mathrm{~K}$ ताप पर जलीय तनाव $=15$ $\mathrm{mm})$ ।
हल
$300 \mathrm{~K}$ ताप तथा $715 \mathrm{~mm}$ पर एकत्र नाइट्रोजन का आयतन $=50 \mathrm{~mL}$
वास्तविक दाब $=715-15=700 \mathrm{~mm}$
STP पर नाइट्रोजन का आयतन $=\frac{273 \times 700 \times 50}{300 \times 760}$ $=41.9 \mathrm{~mL}$
$22400 \mathrm{~mL}$ नाइट्रोजन का STP पर भार $=28 \mathrm{~g}$
$$ \begin{aligned} & 41.9 \mathrm{~mL} \text { का नाइट्रोजन का STP पर द्रव्यमान }=\frac{28 \times 41.9}{22400} \mathrm{~g} \\ & \begin{aligned} \text { नाइट्रोजन की प्रतिशतता } & =\frac{28 \times 41.9 \times 100}{22400 \times 0.3} \\ & =17.46 \% \end{aligned} \end{aligned} $$
(ii) कैल्डॉल विधि : इस विधि में नाइट्रोजनयुक्त यौगिक को सांद्र सल्फ्यूरिक अम्ल के साथ गरम किया जाता है। फलस्वरूप यौगिक की नाइट्रोजन, अमोनियम सल्फेट में परिवर्तित हो जाती है। तब प्राप्त अम्लीय मिश्रण को सोडियम हाइड्रॉक्साइड के आधिक्य के साथ गरम करने पर अमोनिया मुक्त होती है, जिसे मानक सल्फ्यूरिक अम्ल विलयन के ज्ञात आयतन में अवशोषित कर लिया जाता है। तत्पश्चात् अवशिष्ट सल्फ्यूरिक अम्ल को क्षार के मानक विलयन द्वारा अनुमापित कर लिया जाता है। अम्ल की आरंभिक मात्रा और अभिक्रिया के बाद शेष मात्रा के बीच अंतर से अमोनिया के साथ अभिकृत अम्ल की मात्रा प्राप्त होती है।
चित्र 8.16 कैल्डॉल विधि-नाइट्रोजनयुक्त यौगिक को सांद्र सल्फ्यूरिक अम्ल के साथ गरम करने पर अमोनियम सल्फेट बनता है, जो $\mathrm{NaOH}$ द्वारा अभिकृत करने पर अमोनिया मुक्त करता है। इसे मानक अम्ल के ज्ञात आयतन में अवशोषित किया जाता है।
कार्बनिक यौगिक $+\mathrm{H} _{2} \mathrm{SO} _{4} \longrightarrow\left(\mathrm{NH} _{4}\right) _{2} \mathrm{SO} _{4}$
$$ \begin{aligned} & \xrightarrow{2 \mathrm{NaOH}} \mathrm{Na_2} \mathrm{SO_4}+2 \mathrm{NH_3}+2 \mathrm{H_2} \mathrm{O} \\ & 2 \mathrm{NH_3}+\mathrm{H_2} \mathrm{SO_4} \longrightarrow\left(\mathrm{NH_4}\right)_{2} \mathrm{SO_4} \end{aligned} $$
माना कि कार्बनिक यौगिक का द्रव्यमान $=\mathrm{m} \mathrm{g}$
$\mathrm{M}$ मोलरतावाले $\mathrm{H} _{2} \mathrm{SO} _{4}$ का लिया गया आयतन $=\mathrm{V} \mathrm{mL}$
अवशिष्ट $\mathrm{H} _{2} \mathrm{SO} _{4}$ के अनुमापन हेतु प्रयुक्त $\mathrm{M}$ मोलरता के $\mathrm{NaOH}$ का आयतन $=\mathrm{V} _{1} \mathrm{~mL}$
$\mathrm{M}$ मोलरता का $\mathrm{V} _{1} \mathrm{~mL} \mathrm{NaOH}$
$$=\mathrm{M} \text{ मोलरता का } \mathrm{V} _{1} / 2 \mathrm{~mL} \mathrm{H} _{2} \mathrm{SO} _{4}$$
$\mathrm{M}$ मोलरता का $\left(\mathrm{V}-\mathrm{V} _{1} / 2\right) \mathrm{mL} \mathrm{H} _{2} \mathrm{SO} _{4}=\mathrm{M}$ मोलरता का
$$ 2\left(\mathrm{~V}-\mathrm{V} _{1} / \mathrm{V} _{2}\right) \mathrm{NH} _{3} \text { विलयन } $$
$1 \mathrm{M} \mathrm{NH} _{3}$ विलयन के $1000 \mathrm{~mL}$ में उपस्थित $\mathrm{NH} _{3}=17 \mathrm{g} $ या $14 \mathrm{~g}$ नाइट्रोजन
$1 \mathrm{M} \mathrm{NH} _{3}$ विलयन का $2\left(\mathrm{~V}-\mathrm{V} _{1} / 2\right) \mathrm{mL}=$
$$\frac{14 \times \mathrm{M} \times 2\left(\mathrm{~V}-\mathrm{V} _{1} / 2\right)}{1000} g \text{ नाइट्रोजन }$$
नाइट्रोजन की प्रतिशतता $=\frac{14 \times \mathrm{M} \times 2\left(\mathrm{~V}-\mathrm{V} _{1} / 2\right)}{1000} \times \frac{100}{m}$
$$=\frac{1.4 \times \mathrm{M} \times 2\left(\mathrm{~V}-\mathrm{V} _{1} / 2\right)}{m}$$
नाइट्रोजनयुक्त नाइट्रो तथा ऐज़ो समूह और वलय में उपस्थित नाइट्रोजन (उदाहरणार्थ-पिरिडीन) में कैल्डॉल विधि लागू नहीं होती, क्योंकि इन परिस्थितियों में ये यौगिक नाइट्रोजन को अमोनियम सल्फ्ट में परिवर्तित नहीं कर सकते हैं।
उदाहरण 8.22
नाइट्रोजन आकलन की कैल्डॉल विधि में $0.5 \mathrm{~g}$ यौगिक में मुक्त अमोनिया $10 \mathrm{~mL} 1 \mathrm{M} \mathrm{H} _{2} \mathrm{SO} _{4}$ को उदासीन करती है। यौगिक में नाइट्रोजन की प्रतिशतता ज्ञात करें।
हल
$1 \mathrm{M} 10 \mathrm{~mL} \mathrm{H} _{2} \mathrm{SO} _{4} \equiv 1 \mathrm{M} 20 \mathrm{~mL} \mathrm{NH} _{3}$ $1000 \mathrm{~mL} 1 \mathrm{M}$ अमोनिया में उपस्थित नाइट्रोजन $=14 \mathrm{~g}$
अतः $20 \mathrm{~mL} 1 \mathrm{M}$ अमोनिया में उपस्थित नाइट्रोजन
$ =\frac{14 \times 20}{1000} \text { नाइट्रोजन } $
अतः नाइट्रोजन की प्रतिशतता $=\frac{14 \times 20 \times 100}{1000 \times 0.5}=56.0 \%$
8.10.3 हैलोजन
कैरिअस विधि : कार्बनिक यौगिक की निश्चित मात्रा को कैरिअस नली (कठोर काँच की नली) में लेकर सिल्वर नाइट्रेट की उपस्थिति में सधूम नाइट्रिक अम्ल के साथ भट्ठी में गरम किया जाता है (चित्र 8.17, पृष्ठ 290)। यौगिक में उपस्थित कार्बन तथा हाइड्रोजन इन परिस्थितियों में क्रमशः कार्बन डाइऑक्साइड तथा जल में ऑक्सीकृत हो जाते हैं, जबकि हैलोजन संगत सिल्वर हैलाइड $(\operatorname{AgX})$ में परिवर्तित हो जाता है। अवक्षेप को छानकर सुखाने के बाद तोल लिया जाता है।
चित्र 8.17 केरीयस विधि-हैलोजनयुक्त कार्बनिक यौगिक को सिल्वर नाइट्रेट की उपस्थिति में सधूम नाइट्रिक अम्ल के साथ गरम किया जाता है।
माना कि यौगिक का द्रव्यमान $=m g$
प्राप्त $\operatorname{AgX}$ का द्रव्यमान $=m _{1} g$ 1 मोल $\operatorname{AgX}$ में 1 मोल $\mathrm{X}$ की मात्रा उपलब्ध है।
$m _{1} g \operatorname{AgX}$ में हैलोजन का द्रव्यमान
$$ =\frac{\mathrm{X} \text { का परमाण्विक द्रव्यमान } \times m _{1} g}{\operatorname{AgX} \text { का आण्विक द्रव्यमान }} $$
हैलोजन का प्रतिशत
$$ =\frac{\mathrm{X} \text { का परमाण्विक द्रव्यमान } \times m _{1} \times 100}{\operatorname{AgX} \text { का आण्विक द्रव्यमान } \times m} $$
उदाहरण 8.23
हैलोजन के आकलन की कैरिअस विधि में $0.15 \mathrm{~g}$ कार्बनिक यौगिक $0.12 \mathrm{~g} \mathrm{AgBr}$ देता है। यौगिक में ब्रोमीन की प्रतिशत ज्ञात कीजिए।
हल
$\mathrm{AgBr}$ का आण्विक द्रव्यमान $=108+80$ $=188 \mathrm{~g} \mathrm{~mol}^{-1}$
$188 \mathrm{~g} \mathrm{AgBr}$ में उपस्थित ब्रोमीन $=80 \mathrm{~g}$
$0.12 \mathrm{~g} \mathrm{AgBr}$ में उपस्थित ब्रोमीन $=\frac{80 \times 0.12}{188} \mathrm{~g}$
$$ \begin{aligned} \text { ब्रोमीन का प्रतिशत } & =\frac{80 \times 0.12 \times 100}{188 \times 0.15} \\ & =34.04 \% \end{aligned} $$
8.10.4 सल्फर
कैरिअस नली में कार्बनिक यौगिक की ज्ञात मात्रा को सधूम नाइट्रिक अम्ल अथवा सोडियम परॉक्साइड के साथ गरम करने पर सल्फ्यूरिक अम्ल में सल्फर ऑक्सीकृत हो जाता है, जिसे बेरियम क्लोराइड के जलीय विलयन का आधिक्य मिलाकर हम बेरियम सल्फेट के रूप में अवक्षेपित कर लेते हैं। अवक्षेप को छानने, धोने और सुखाने के पश्चात् तौल लेते हैं। बेरियम सल्फेट के द्रव्यमान से सल्फर की प्रतिशतता ज्ञात की जा सकती है।
माना कि लिये गए कार्बनिक यौगिक का द्रव्यमान $=\mathrm{m} \mathrm{g}$ अतः बेरियम सल्फेट का द्रव्यमान $=\mathrm{m} _{1} \mathrm{~g}$
1 मोल $\mathrm{BaSO} _{4}=233 \mathrm{~g} \mathrm{BaSO} _{4}=32 \mathrm{~g}$ सल्फर
$\mathrm{BaSO} _{4} \mathrm{~m} _{1} \mathrm{~g}$ में सल्फर की मात्रा
$=\frac{32 \times m _{1} \mathrm{~g}}{233}$
$$ \text { सल्फर का प्रतिशत }=\frac{32 \times m_{1} \times 100}{233 \times m} $$
उदाहरण 8.24
सल्फर आकलन में $0.157 \mathrm{~g}$ कार्बनिक यौगिक से $0.4813 \mathrm{~g}$ बेरियम सल्फेट प्राप्त हुआ। यौगिक में सल्फर का प्रतिशत क्या है?
हल
$\mathrm{BaSO} _{4}$ का आण्विक द्रव्यमान $=137+32+64$
$$ =233 \mathrm{~g} $$
$233 \mathrm{~g} \mathrm{BaSO} _{4}$ में उपस्थित सल्फर $=32 \mathrm{~g}$
$0.4813 \mathrm{~g} \mathrm{BaSO} _{4}$ में उपस्थित सल्फर $$ =\frac{32 \times 0.4813}{233} g $$
सल्फर का प्रतिशत $=\frac{32 \times 0.4813 \times 100}{233 \times 0.157}$
$$ =42.10 % $$
8.10.5 फ़ॅस्फोरस
कार्बनिक यौगिक की एक ज्ञात मात्रा को सधूम नाइट्रिक अम्ल के साथ गरम करने पर उसमें उपस्थित फ़ॉस्फ़ोरस, फ़ॉस्फोरिक अम्ल में ऑक्सीकृत हो जाता है। इसे अमोनिया तथा अमोनियम मॉलिब्डेट मिलाकर अमोनियम फॉस्फ़ेटोमॉलिब्डेट, $\left(\mathrm{NH} _{4}\right) _{3} \mathrm{PO} _{4} \cdot 12 \mathrm{MoO} _{3}$ के रूप में हम अवक्षेपित कर लेते हैं, अन्यथा फ़ॉस्फ़ोरिक अम्ल में मेग्नेसिया मिश्रण मिलाकर $\mathrm{MgNH} _{4} \mathrm{PO} _{4}$ के रूप में अवक्षेपित किया जा सकता है, जिसके ज्वलन से $\mathrm{Mg} _{2} \mathrm{P} _{2} \mathrm{O} _{7}$ प्राप्त होता है।
माना कि कार्बनिक यौगिक का द्रव्यमान $=\mathrm{mg}$ और अमोनियम फॉस्फ़ोमॉलिब्डेट $=m _{1} g$
$ \begin{aligned} & \left(\mathrm{NH} _{4}\right) _{3} \mathrm{PO} _{4} \cdot 12 \mathrm{MoO} _{3} \text { का मोलर द्रव्यमान }=1877 \mathrm{~g} \text { है। } \\ & \text { फॉस्फोरस का प्रतिशत }=\frac{31 \times \mathrm{m} _{1} \times 100}{1877 \times \mathrm{m}} \end{aligned} $%
यदि फॉस्फोरस का $\mathrm{Mg} _{2} \mathrm{P} _{2} \mathrm{O} _{7}$ के रूप में आकलन किया जाए तो, फॉस्फोरस का प्रतिशत $=\frac{62 \times \mathrm{m} _{1} \times 100}{222 \times \mathrm{m}}$ %
जहाँ $\mathrm{Mg} _{2} \mathrm{P} _{2} \mathrm{O} _{7}$ का मोलर द्रव्यमान $222 \mathrm{u}$, लिये गए कार्बनिक पदार्थ का द्रव्यमान $\mathrm{m}$, बने हुए $\mathrm{Mg} _{2} \mathrm{P} _{2} \mathrm{O} _{7}$ का द्रव्यमान $\mathrm{m} _{1}$ तथा $\mathrm{Mg} _{2} \mathrm{P} _{2} \mathrm{O} _{7}$ यौगिक में उपस्थित दो फ़ॉस्फोरस परमाणुओं का द्रव्यमान 62 है।
8.10.6 ऑक्सीजन
कार्बनिक यौगिक में ऑक्सीजन की प्रतिशतता की गणना कुल प्रतिशतता (100) में से अन्य तत्त्वों की प्रतिशतताओं के योग को घटाकर की जाती है। ऑक्सीजन का प्रत्यक्ष आकलन निम्नलिखित विधि से भी किया जा सकता है-
कार्बनिक यौगिक की एक निश्चित मात्रा नाइट्रोजन गैस के प्रवाह में गरम करके अपघटित की जाती हैं। ऑक्सीजन सहित उत्पन्न गैसीय मिश्रण को रक्त-तप्त कोक (Coke) पर प्रवाहित करने पर पूरी ऑक्सीजन कार्बन मोनोऑक्साइड में परिवर्तित हो जाती है। तत्पश्चात् गैसीय मिश्रण को ऊष्ण आयोडीन पेन्टाऑक्साइड $\left(\mathrm{I} _{2} \mathrm{O} _{5}\right)$ में प्रवाहित करने पर कार्बन मोनोऑक्साइड कार्बन डाइऑक्साइड में ऑक्सीकृत हो जाती है और आयोडीन भी उत्पन्न होती है।
$\text{यौगिक} \xrightarrow{\text { ऊष्मा }} \mathrm{O} _{2}+ \text{अन्य गैसीय उत्पाद}$
$$ \begin{array}{ll} \left.2 \mathrm{C}+\mathrm{O} _{2} \xrightarrow{1373 \mathrm{~K}} 2 \mathrm{CO}\right] \times 5 & \text { (क) } \\ \left.\mathrm{I} _{2} \mathrm{O} _{5}+5 \mathrm{CO} \rightarrow \mathrm{I} _{2}+5 \mathrm{CO} _{2}\right] \times 2 & \text { (ख) } \end{array} $$
समीकरण (क) एवं (ख) को क्रमशः 5 एवं 2 से गुणा करके समीकरण (क) में उत्पन्न $\mathrm{CO}$ की मात्रा समीकरण (ख) में प्रयुक्त $\mathrm{CO}$ की मात्रा के बराबर करने पर हम पाते हैं कि यौगिक से निकली ऑक्सीजन के प्रत्येक मोल से दो मोल $\mathrm{CO} _{2}$ प्राप्त होगी। अत: $88 \mathrm{~g}$ कार्बन डाइऑक्साइड यौगिक से निकली $32 \mathrm{~g}$ ऑक्सीजन से प्राप्त होगी।
माना कि कार्बनिक यौगिक का द्रव्यमान $=m \mathrm{~g}$
उत्पन्न कार्बन डाइऑक्साइड का द्रव्यमान $=m _{1} g$
$\therefore m _{1} g$ कार्बन डाइऑक्साइड $\frac{32 \times m _{1}}{88} g$ ऑक्सीजन से प्राप्त होगी।
$\therefore$ यौगिक में ऑक्सीजन का प्रतिशत $=\frac{32 \times m _{1} \times 100}{88 \times m}$
ऑक्सीजन के प्रतिशत का आकलन आयोडीन की मात्रा से भी किया जा सकता है।
आजकल कार्बनिक यौगिक में तत्त्वों का आकलन स्वचालित तकनीक की सहायता से पदार्थों की सूक्ष्म (माइक्रो) मात्रा लेकर करते हैं। यौगिकों में उपस्थित कार्बन, हाइड्रोजन तथा नाइट्रोजन तत्त्वों का आकलन $\mathrm{CHN}$ तत्त्व विश्लेषक (CHN Elemental Analyzer) से करते हैं। इस उपकरण में पदार्थ की माइक्रो मात्रा $(1-3 \mathrm{mg})$ की आवश्यकता होती है तथा कुछ समय में इन तत्त्वों का प्रतिशत स्क्रीन पर आ जाती हैं। इन विधियों का विस्तृत विवरण इस पुस्तक के स्तर से ऊपर है।
सारांश
सहसंयोजक आबंधन के कारण बने कार्बनिक यौगिकों की संरचना तथा क्रियाशीलता-संबंधी मूलभूत सिद्धांतों पर इस एकक में हमने विचार किया। कार्बनिक यौगिकों में सहसंयोजी आबंधों की प्रकृति को कक्षक संकरण की अवधारणा से स्पष्ट किया जा सकता है, जिसके अनुसार कार्बन की संकरण-अवस्था $s p^{3}, s p^{2}$ तथा $s p$ हो सकती है। ये क्रमशः मेथेन, एथीन तथा एथाइन में उपस्थित होती हैं। इस अवधारणा के आधार पर मेथेन की चतुष्फलकीय, एथीन की समतल तथा एथाइन की रैखीय आकृति को स्पष्ट किया जा सकता है। कार्बन का $s p^{3}$ कक्षक हाइड्रोजन के $1 s$ कक्षक के साथ अतिव्यापन करके कार्बन-हाइड्रोजन $(\mathrm{C}-\mathrm{H})$ एकल (सिग्मा ) आबंध बनाता है। इसी तरह दो कार्बन के $\mathrm{sp}^{3}$ कक्षक परस्पर अतिव्यापित होकर कार्बन-कार्बन $\sigma$ आबंध निर्मित करते हैं। दो निकटवर्ती कार्बन के असंकरित $p$-कक्षक पाश्र्व अतिव्यापन द्वारा पाई $(\pi)$ आबंध बनाते हैं। कार्बनिक यौगिकों को कई संरचना-सूत्रों द्वारा प्रदर्शित किया जाता है। कार्बनिक यौगिक का त्रिविमीय सूत्र ‘वैज’ एवं ‘डेश’ द्वारा दर्शाया जाता है।
कार्बनिक यौगिकों को उनकी संरचना अथवा क्रियात्मक समूहों के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है। क्रियात्मक समूह एक विशिष्ट तरीके से बंधित एक परमाणु या परमाणुओं का समूह है, जो यौगिकों के भौतिक एवं रासायनिक गुणों का निर्धारण करता है। कार्बनिक यौगिकों का नामांकरण IUPAC द्वारा बनाए गए नियमों के आधार पर किया जाता है। IUPAC नामांकरण में नाम और संरचना के बीच के सहसंबंध से पढ़ने वाले को संरचना बनाने में सहायता मिलती है।
क्रियाधारक अणु की संरचना, सहसंयोजक आबंध के विदलन, आक्रमणकारी अभिकर्मक, इलेक्ट्रॉन विस्थापन प्रभाव तथा अभिक्रिया की परिस्थितियों पर कार्बनिक अभिक्रियाओं की क्रियाविधि आधारित होती है। इन कार्बनिक अभिक्रियाओं में आबंध-विदलन तथा आबंध-निर्माण होता है। सहसंयोजक आबंध का विदलन विषमांश तथा समांश तरीके से हो सकता है। विषमांश विदलन से कार्बधनायन अथवा कार्बत्रणायन प्राप्त होता है, जबकि समांश विदलन से मुक्त मूलक उत्पन्न होते हैं। विषमांश-विदलन के माध्यम से संपन्न कार्बनिक अभिक्रियाओं में इलेक्ट्रॉन देनेवाले नाभिकस्नेही तथा इलेक्ट्रॉन ग्रहण करने वाले इलेक्ट्रॉनस्नेही अभिकारक भाग लेते हैं। प्रेरणिक, अनुनाद, इलेक्ट्रोमेरी तथा अतिसंयुग्मन प्रभाव कार्बन-कार्बन अथवा अन्य परमाणु स्थितियों में ध्रुवणता उत्पन्न करने में सहायक हो सकते हैं, जिससे कार्बन परमाणु अथवा अन्य परमाणुओं पर निम्न अथवा उच्च इलेक्ट्रॉन घनत्व वाले स्थान बन जाते हैं। कार्बनिक अभिक्रियाओं के मुख्य प्रकार हैं - प्रतिस्थापन अभिक्रिया, संकलन अभिक्रिया, विलोपन तथा पुनर्विन्यास अभिक्रिया।
किसी कार्बनिक यौगिक की संरचना ज्ञात करने के लिए उसका शोधन और गुणात्मक तथा मात्रात्मक विश्लेषण किया जाता है। शोधन की विशिष्ट विधियाँ, जैसे- ऊर्ध्वपातन, आसवन और विभेदी निष्कर्षण यौगिकों के एक या अधिक भौतिक गुणों में अंतर पर आधारित हैं। यौगिकों के पृथक्करण तथा शोधन के लिए क्रोमेटोग्रैफी एक अत्यधिक उपयोगी तकनीक है। इसे दो वर्गों में वर्गीकृत किया जा सकता है: अधिशोषण क्रोमेटोग्रैफी तथा वितरण क्रोमेटोग्रैफी। अधिशोषण क्रोमेटोग्रैफी अधिशोषक पर मिश्रण के अवयवों के भिन्न अधिशोषण पर आधारित है। वितरण क्रोमेटोग्रैफी में स्थिर प्रावस्था और गतिक प्रावस्था के मध्य मिश्रण के अववयों का निरंतर वितरण होता है। यौगिक को शुद्ध अवस्था में प्राप्त करने के पश्चात् उसमें उपस्थित तत्त्वों के निर्धारण के लिए उसका गुणात्मक विश्लेषण किया जाता है। नाइट्रोजन, सल्फर, हैलोजेन तथा फ़ॉस्फोरस लैंसे परीक्षण द्वारा जाँचे जाते हैं। कार्बन तथा हाइड्रोजन की पहचान इन्हें क्रमशः कार्बन डाइऑक्साइड तथा जल में परिवर्तित करके की जाती है। नाइट्रोजन का आकलन ड्यूमा और कैल्डॉल विधियों द्वारा तथा हैलोजेनों को कैरिअस विधि द्वारा किया जाता है। सल्फर तथा फ़ॉस्फोरस को क्रमशः सल्फ्यूरिक तथा फ़ॉस्फोरिक अम्ल में ऑक्सीकृत करके आकलित किया जाता है। ऑक्सीजन की प्रतिशतता कुल प्रतिशतता में से अन्य तत्त्वों की प्रतिशतताओं के योग को घटाकर प्राप्त की जाती है।
अभ्यास
8.1 निम्नलिखित यौगिकों में प्रत्येक कार्बन की संकरण अवस्था बताइए- $ \mathrm{CH} _{2}=\mathrm{C}=\mathrm{O}, \mathrm{CH} _{3} \mathrm{CH}=\mathrm{CH} _{2},\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{2} \mathrm{CO}, \mathrm{CH} _{2}=\mathrm{CH} \mathrm{CN}, \mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{6} $
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8.2 निम्नलिखित अणुओं में $\sigma$ तथा $\pi$ आबंध दर्शाइए- $\mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{6}, \mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{12}, \mathrm{CH} _{2} \mathrm{Cl} _{2}, \mathrm{CH} _{2}=\mathrm{C}=\mathrm{CH} _{2}, \mathrm{CH} _{3} \mathrm{NO} _{2}, \mathrm{HCONHCH} _{3}$
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8.3 निम्नलिखित यौगिकों के आबंध-रेखा-सूत्र लिखिए आइसोप्रोपिल ऐल्कोहॉल, 2, 3- डाइमेथिल ब्यूटैनैल, हेप्टेन-4-ओन
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8.4 निम्नलिखित यौगिकों के IUPAC नाम लिखिए-
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8.5 निम्नलिखित यौगिकों में से कौन सा नाम IUPAC पद्धति के अनुसार सही है?
(क) 2,2 -डाइएथिलपेन्टेन अथवा 2 -डाइमेथिलपेन्टेन
(ख) 2, 4, 7-ट्राइमेथिलऑक्टेन अथवा $2,5,7$-ट्राइमेथिलऑक्टेन
(ग) 2 -क्लोरो- 4 -मेथिलपेन्टेन अथवा 4 -क्लोरो- 2 -मेथिलपेन्टेन
(घ) ब्यूट-3-आइन-1-ऑल अथवा ब्यूट-4-ऑल-1-आइन
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8.6 निम्नलिखित दो सजातीय श्रेणियों में से प्रत्येक के प्रथम पाँच सजातों के संरचना-सूत्र लिखिए-
(क) $\mathrm{H}-\mathrm{COOH}$ (ख) $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{COCH} _{3}$ (ग) $\mathrm{H}-\mathrm{CH}=\mathrm{CH} _{2}$
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8.7 निम्नलिखित के संघनित और आबंध रेखा-सूत्र लिखिए तथा उनमें यदि कोई क्रियात्मक समूह हो, तो उसे पहचानिए-
(क) $2,2,4$ - ट्राइमेथिलपेन्टेन
(ख) 2-हाइड्रॉक्सी-1,2,3-प्रोपेनट्राइकार्बोक्सिलिक अम्ल
(ग) हेक्सेनडाइऐल
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8.8 निम्नलिखित यौगिकों में क्रियात्मक समूह पहचानिए-
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8.9 निम्नलिखित में से कौन अधिक स्थायी है तथा क्यों? $\mathrm{O} _{2} \mathrm{NCH} _{2} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{O}^{-}$और $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{O}^{-}$
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8.10 $\pi$-निकाय से आबंधित होने पर ऐल्किल समूह इलेक्ट्रॉनदाता की तरह व्यवहार प्रदर्शित क्यों करते हैं? समझाइए।
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8.11 निम्नलिखित यौगिकों की अनुनाद-संरचना लिखिए तथा इलेक्ट्रॉनों का विस्थापन मुड़े तीरों की सहायता से दर्शाइए-
(क) $\mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{5} \mathrm{OH}$
(ख) $\mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{5} \mathrm{NO} _{2}$
(ग) $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{CH}=\mathrm{CHCHO}$
(घ) $\mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{5}-\mathrm{CHO}$
(ङ) $\mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{5}-\mathrm{CH} _{2}^{+}$
( च) $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{CH}=\mathrm{CH} \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H} _{2}$
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8.12 इलेक्ट्रॉनस्नेही तथा नाभिकस्नेही क्या हैं? उदाहरणसहित समझाइए।
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8.13 निम्नलिखित समीकरणों में मोटे अक्षरों में लिखे अभिकर्मकों को नाभिकस्नेही तथा इलेक्ट्रॉनस्नेही में वर्गीकृत कीजिए-
(क) $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{COOH}+\mathbf{H} \mathbf{0} \rightarrow \mathrm{CH} _{3} \mathrm{COO}^{-}+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$
(ख) $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{COCH} _{3}+{ }^{-} \mathbf{C N} \rightarrow\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{2} \mathrm{C}(\mathrm{CN})(\mathrm{OH})$
( ग) $\mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{6}+\mathbf{C H} _{\mathbf{3}} \stackrel{+}{\mathbf{C}} \mathbf{O} \rightarrow \mathrm{C} _{6} \mathrm{H} _{5} \mathrm{COCH} _{3}$
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8.14 निम्नलिखित अभिक्रियाओं को वर्गीकृत कीजिए-
(क) $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{Br}+\mathrm{HS}^{-} \rightarrow \mathrm{CH} _{3} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{SH}+\mathrm{Br}^{-}$
(ख) $\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{2} \mathrm{C}=\mathrm{CH} _{2}+\mathrm{HCl} \rightarrow\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{2} \mathrm{ClC}-\mathrm{CH} _{3}$
( ग) $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{Br}+\mathrm{HO}^{-} \rightarrow \mathrm{CH} _{2}=\mathrm{CH} _{2}+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}+\mathrm{Br}$
(घ) $\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{3} \mathrm{C}-\mathrm{CH} _{2} \mathrm{OH}+\mathrm{HBr} \rightarrow\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{2} \mathrm{CBr} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH} _{3}+\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$
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8.15 निम्नलिखित युग्मों में सदस्य-संरचनाओं के मध्य कैसा संबंध है? क्या ये संरचनाएँ संरचनात्मक या ज्यामितीय समावयव अथवा अनुनाद संरचनाएँ हैं?
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8.16 निम्नलिखित आबंध विदलनों के लिए इलेक्ट्रॉन-विस्थापन को मुड़े तीरों द्वारा दर्शाइए तथा प्रत्येक विदलन को समांश अथवा विषमांश में वर्गीकृत कीजिए। साथ ही निर्मित सक्रिय मध्यवर्ती उत्पादों में मुक्त-मूलक, कार्बधनायन तथा कार्बऋणायन पहचानिए-
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8.17 निम्नलिखित कार्बोक्सिलिक अम्लों की अम्लता का सही क्रम कौन सा इलेक्ट्रॉन-विस्थापन वर्णित करता है? प्रेरणिक तथा इलेक्ट्रोमेरी प्रभावों की व्याख्या कीजिए-
(क) $\mathrm{Cl} _{3} \mathrm{CCOOH}>\mathrm{Cl} _{2} \mathrm{CHCOOH}>\mathrm{ClCH} _{2} \mathrm{COOH}$
(ख) $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{COOH}>\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{2} \mathrm{CHCOOH}>\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{3} \mathrm{C} . \mathrm{COOH}$
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8.18 प्रत्येक का एक उदाहरण देते हुए निम्नलिखित प्रक्रमों के सिद्धांतों का संक्षिप्त विवरण दीजिए-
(क) क्रिस्टलन
(ख) आसवन
(ग) क्रोमेटोग्रैफी
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8.19 ऐसे दो यौगिकों, जिनकी विलेयताएँ विलायक $\mathrm{s}$, में भिन्न हैं, को पृथक् करने की विधि की व्याख्या कीजिए।
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8.20 आसवन, निम्न दाब पर आसवन तथा भाप आसवन में क्या अंतर है? विवेचना कीजिए।
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8.21 लैंसे-परीक्षण का रसायन-सिद्धांत समझाइए।
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8.22 किसी कार्बनिक यौगिक में नाइट्रोजन के आकलन की (i) ड्यूमा विधि तथा (ii) कैल्डॉल विधि के सिद्धांत की रूप-रेखा प्रस्तुत कीजिए।
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8.23 किसी यौगिक में हैलोजेन, सल्फर तथा फ़ॉस्फोरस के आकलन के सिद्धांत की विवेचना कीजिए।
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8.24 पेपर क्रोमेटोग्रैफी के सिद्धांत को समझाइए।
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8.25 ‘सोडियम संगलन निष्कर्ष’ में हैलोजेन के परीक्षण के लिए सिल्वर नाइट्रेट मिलाने से पूर्व नाइट्रिक अम्ल क्यों मिलाया जाता है?
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8.26 नाइट्रोजन, सल्फर तथा फ़ॉस्फोरस के परीक्षण के लिए सोडियम के साथ कार्बनिक यौगिक का संगलन क्यों किया जाता है?
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8.27 कैल्सियम सल्फेट तथा कपूर के मिश्रण के अवयवों को पृथक् करने के लिए एक उपयुक्त तकनीक बताइए।
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8.28 भाप-आसवन करने पर एक कार्बनिक द्रव अपने क्वथनांक से निम्न ताप पर वाष्पीकृत क्यों हो जाता है?
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8.29 क्या $\mathrm{CCl} _{4}$ सिल्वर नाइट्रेट के साथ गरम करने पर $\mathrm{AgCl}$ का श्वेत अवक्षेप देगा? अपने उत्तर को कारण सहित समझाइए।
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8.30 किसी कार्बनिक यौगिक में कार्बन का आकलन करते समय उत्पन्न कार्बन डाइऑक्साइड को अवशोषित करने के लिए पोटैशियम हाइड्रॉक्साइड विलयन का उपयोग क्यों किया जाता है?
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8.31 सल्फर के लेड ऐसीटेट द्वारा परीक्षण में ‘सोडियम संगलन निष्कर्ष’ को ऐसीटिक अम्ल द्वारा उदासीन किया जाता है, न कि सल्फ्यूरिक अम्ल द्वारा। क्यों?
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8.32 एक कार्बनिक यौगिक में $69 %$ कार्बन, $4.8 %$ हाइड्रोजन तथा शेष ऑक्सीजन है। इस यौगिक के 0.20 $\mathrm{g}$ के पूर्ण दहन के फलस्वरूप उत्पन्न कार्बन डाइऑक्साइड तथा जल की मात्राओं की गणना कीजिए।
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8.33 $0 .50 \mathrm{~g}$ कार्बनिक यौगिक को कैल्डॉल विधि के अनुसार उपचारित करने पर प्राप्त अमोनिया को 0.5 $\mathrm{M} \mathrm{H} _{2} \mathrm{SO} _{4}$ के $50 \mathrm{~mL}$ में अवशोषित किया गया। अवशिष्ट अम्ल के उदासीनीकरण के लिए $0.5 \mathrm{M}$ $\mathrm{NaOH}$ के $50 \mathrm{~mL}$ की आवश्यकता हुई। यौगिक में नाइट्रोजन प्रतिशतता की गणना कीजिए।
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8.34 कैरिअस आकलन में $0.3780 \mathrm{~g}$ कार्बनिक क्लोरो यौगिक से $0.5740 \mathrm{~g}$ सिल्वर क्लोराइड प्राप्त हुआ। यौगिक में क्लोरीन की प्रतिशतता की गणना कीजिए।
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8.35 कैरिअस विधि द्वारा सल्फर के आकलन में $0.468 \mathrm{~g}$ सल्फरयुक्त कार्बनिक यौगिक से $0.668 \mathrm{~g}$ बेरियम सल्फेट प्राप्त हुआ। दिए गए कार्बन यौगिक में सल्फर की प्रतिशतता की गणना कीजिए।
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8.36 $\mathrm{CH} _{2}=\mathrm{CH}-\mathrm{CH} _{2}-\mathrm{CH} _{2}-\mathrm{C} \equiv \mathrm{CH}$, कार्बनिक यौगिक में $\mathrm{C} _{2}-\mathrm{C} _{3}$ आबंध किन संकरित कक्षकों के युग्म से निर्मित होता है?
(क) $s p-s p^{2}$
(ख) $s p-s p^{3}$
(ग) $s p^{2}-s p^{3}$
(घ) $s p^{3}-s p^{3}$
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8.37 किसी कार्बनिक यौगिक में लैंसे-परीक्षण द्वारा नाइट्रोजन की जाँच में प्रशियन ब्लू रंग निम्नलिखित में से किसके कारण प्राप्त होता है?
(क) $\mathrm{Na} _{4}\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN}) _{6}\right]$
(ख) $\mathrm{Fe} _{4}\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN}) _{6}\right] _{3}$
(ग) $\mathrm{Fe} _{2}\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN}) _{6}\right]$
(घ) $\mathrm{Fe} _{3}\left[\mathrm{Fe}(\mathrm{CN}) _{6}\right] _{4}$
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8.38 निम्नलिखित कार्बधनायनों में से कौन सा सबसे अधिक स्थायी है?
(क) $\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{3} \mathrm{C} \cdot \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H} _{2}$
(ख) $\left(\mathrm{CH} _{3}\right) _{3} \stackrel{+}{\mathrm{C}}$
(ग) $\mathrm{CH} _{2} \mathrm{CH} _{2} \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{H} _{2}$
(घ) $\mathrm{CH} _{3} \stackrel{+}{\mathrm{C}} \mathrm{HCH} _{2} \mathrm{CH} _{3}$
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8.39 कार्बनिक यौगिकों के पृथक्करण और शोधन की सर्वोत्तम तथा आधुनिकतम तकनीक कौन-सी है?
(क) क्रिस्टलन
(ख) आसवन
( ग) ऊर्ध्वपातन
(घ) क्रोमेटोग्रैफी
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8.40 $\mathrm{CH} _{3} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{I}+\mathrm{KOH}(\mathrm{aq}) \rightarrow \mathrm{CH} _{3} \mathrm{CH} _{2} \mathrm{OH}+\mathrm{KI}$ अभिक्रिया को नीचे दिए गए प्रकार में वर्गीकृत कीजिए-
(क) इलेक्ट्रॉनस्नेही प्रतिस्थापन
(ख) नाभिकस्नेही प्रतिस्थापन
(ग) विलोपन
(घ) संकलन
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