Organick chemie a uhlovod ky - Mendelovo gymnázium - …5 Izomerie jev, kdy slou čeniny o stejném...
Transcript of Organick chemie a uhlovod ky - Mendelovo gymnázium - …5 Izomerie jev, kdy slou čeniny o stejném...
1
Organická chemie
Organická chemie je chemie sloučenin uhlíku, kromě samotného uhlíku a některých jednoduchých sloučenin uhlíku, jako jsou CO, CO2, H2CO3, uhlčitanů, hydrogenuhličitanů a karbidů, které tradičně studuje chemie anorganická. Organická chemie je vědním oborem, který se zabývá strukturou, vlastnostmi, přípravou a využitím organických sloučenin Rozdíl mezi organickými a anorganickými látkami účinek organické látky anorganické látky teplo citlivé, těkavé,
rozkládají se, hoří méně citlivé, většinou nehoří
rozpustnost ve vodě většinou nerozpustné většinou rozpustné rozpustnost v organických rozpouštědlech
rozpustné většinou nerozpustné
vodivost nevodivé vodivé chemické reakce pomalé rychlé počet látek 6 milionů 100 tisíc Složení organických látek: C, H, O, N, S, P Hal, některé kovy a
nekovy (Mg, Si, Al…)organogenní prvky Zdroje organických látek: fosilní (ropa, uhlí, zemní plyn) recentní (rostliny a živočichové) Historie: Starověk jedy, balzámy, přírodní sloučeniny, extrakty rostlin Středověk alchymie, líh, kyselina octová 17. století dělení látek podle zdrojů
� minerální později anorganická chemie � rostlinné � živočišné později organická chemie
18. století teorie „životní síly – vis vitalis“, organická chemie J. J. Berzelius (1806)
2
1828 F. Wöhler poprvé připravil z typicky anorganické typicky organickou látku NH4CNO → NH2CONH2 kyanatan amonný močovina 1860 R. Berthelot popsal mnoho organických látek, pokusy,
vyvrátil vitalistickou teorii pro organickou i anorganickou chemii platí stejné zákony
Rozdělení chemie: organická anorganická Příčiny rozdělení: 1. velké množství organických sloučenin 2. specifické metody studia organických
sloučenin 2. pol. 19. století Alexandr Michajlovič Butlerov Friedrich August Kekulé Strukturní teorie látek
� uhlík je v organických sloučeninách vždy čtyřvazný � všechny čtyři vazby jsou rovnocenné � atomy uhlíku se mohou vázat vzájemně i s jinými
prvky vazbami jednoduchými, dvojnými a trojnými a vytvářet tak otevřené a uzavřené řetězce
� vlastnosti organických látek závisí na jejich struktuře, tj. na prostorovém uspořádání molekul
Vznik nových oborů chemie
� obecná organická chemie � fyzikální organická chemie � biochemie � farmacie � organická analýza � systematická organická chemie � makromolekulární chemie � organická technologie atd.
Úkol: Výpočet empirického (stechiometrického) vzorce Příklad (PZ na VŠ str. 15, př. 51)
3
Vazby v molekulách organických sloučenin Typy vazeb – většinou kovalentní
1. jednoduché (např. nasycené uhlovodíky – alkany, cykloalkany) 2. násobné – dvojné a trojné (např. nenasycené uhlovodíky –
alkeny, alkyny) Charakteristika vazeb
1. Vazby σ a π
2. Délka a pevnost vazeb C – C 0,154 nm C = C 0,134 nm C ≡ C 0,120 nm Vaznost – počet kovalentních vazeb vycházejících z atomu ve sloučenině (atomy jednovazné, dvouvazné, trojvazné, čtyřvazné…) Více dvojných vazeb
1. kumulované 2. konjugované 3. izolované
Sloučeniny, kde vaznost neodpovídá skutečnosti – málo stabilní (kromě NH4
+, H3O+, OH-)
Polarita a polarizovatelnost vazeb
1. polarita – vazby nepolární a polární (jev statický, ovlivňuje ji elektronegativita) � polarita vazeb a molekul
2. polarizovatelnost – polarizace nepolární vazby vlivem prostředí nebo jiné látky (jev dynamický, mizí při odstranění příčiny) � u všech vazeb, lépe u vazeb π
Prostorové uspořádání atomů v molekule
1874 Van´t Hoff a Le Bel – zakladatelé stereochemie 4 vazby 109° 28´ sp3 3 vazba 120° sp2 2 vazby 180° sp
4
Prostorová orientace vazeb 1. jednoduché vazby – volná otáčivost atomů nebo skupin atomů kolem vazby (konformace)
� nekonečně mnoho konformerů � dvě mezní polohy – souhlasná(zákrytová) a
nesouhlasná (nezákrytová) konformace � konformery se neliší v chemických ani ve fyzikálních
vlastnostech � s teplotou se zvyšuje počet energeticky bohatších
konformerů (souhlasných) 2. dvojné vazby – volná otáčivost neexistuje (konfigurace)
� stabilní prostorové struktury (grometrická izomerie) 3. trojné vazby – lineární část molekuly
Typy vzorců v organické chemii (K str.8)
1. empirický (stechiometrický) 2. sumární (molekulový) 3. strukturní 4. racionální (funkční) 5. strukturní elektronový 6. prostorový (geometrický, perspektivní)
5
Izomerie � jev, kdy sloučeniny o stejném souhrnném vzorci mají jiný
vzorec strukturní (stejné složení – různá struktura) � izomery mají různé fyzikální i chemické vlastnosti Konstituční izomerie – různá konstituce = pořadí atomů a vazeb
1. řetězová (různý typ uhlíkového řetězce)
2. polohová (různá poloha vazeb nebo skupin – substituentů)
3. skupinová = metamerie (různé funkční skupiny)
4. tautomerie (keto-enolová tautomerie)
Konfigura ční izomerie – liší se prostorovým uspořádáním atomů v molekule (konfigurací)
1. geometrická (cis-trans) – různá konfigurace na dvojných vazbách nebo na cyklech
2. optická – způsobená nesymetričností molekul
� opticky aktivní látky-optické izomery-stáčejí rovinu polarizovaného světla
� levotočivé a pravotočivé izomery � způsobuje ji nesymetričnost molekul
6
Způsoby štěpení vazeb
1. homolýza – symetrické štěpení nepolárních vazeb
� vznikají částice s nepárovým elektronem (radikály)
Cl – Cl → Cl• + Cl•
� světlo, teplo, nepolární rozpouštědla
2. heterolýza – nesymetrické štěpení
� většinou polární vazby
� vznikají částice s nadbytkem elektronů (nukleofily) a nedostatkem elektronů (elektrofily)
R – Cl → R+ + Cl-
elektrofil nukleofil
1. katalyzátory, polární rozpouštědla
Způsoby vzniku vazeb
1. koligace – opak homolýzy
X• + Y• → X – Y
2. koordinace – opak heterolýzy X+ + Y- → X – Y
Typy činidel 1. radikály (částice s nepárovými elektrony) R•, CH3•, OH• 2. elektrofily (částice s nedostatkem elektronů – neutrální nebo
kationty) AlCl3, Cl+, R+, NH2+, NO2
+ 3. nukleofily (částice s nadbytkem elektronů – neutrální nebo
anionty) H2O, NH3, ROH, OH-, CN-, X- Současné štěpení a vznik vazeb
� platí pro většinu chemických reakcí (substituce, adice…)
7
Typy organických reakcí
1. S substituce (nahrazování) – nahrazení atomu nebo skupiny atomů jiným atomem nebo skupinou atomů
2. Ad adice (připojení) – připojení atomů nebo skupin atomů
k uhlíkovým atomům po obou stranách násobné vazby, násobnost vazby se snižuje
3. E eliminace (odštěpení) – odštěpení atomů nebo skupin atomů od dvou sousedních uhlíkových atomů, násobnost vazby se zvyšuje (opak adice)
4. přesmyk – přeskupení atomů uvnitř molekuly (stabilizace)
Další typy reakcí: oxidace a redukce polymerace hydrogenace a dehydrogenace hydratace, dehydratace, hydrolýza halogenace hydrohalogenace a dehydrohalogenace
8
Mechanismy reakcí (jak probíhá reakce, jaké činidlo ji vyvolává) Organické reakce (podle mechanismu)
1. radikálové – reakci vyvolává radikál (halogenace methanu) � homolytické štěpení vazeb � řetězový charakter � SR, AdR
2. iontové – reakci vyvolává iont (elektrofilní nebo nukleofilní) � heterolytické štěpení vazeb � SE, AdE, SN, AdN
Elektronové (posuny elektronů) 1. Indukční efekt (I)
o působí maximálně na délku 3 σ vazeb, zeslabuje o způsoben rozdílnou elektronegativitou
+ I efekt CH3 ←CH2 ← CH2 ← M
o způsobují jej kovy a alkyly - I efekt CH3 → CH2 → CH2 → X
o způsobují jej charakteristické skupiny 2. Mezomerní efekt (M)
o působí na konjugovaných π vazbách o nezeslabuje
+ M efekt
o způsobují jej –NH2, -OH, -X - M efekt
o způsobují jej –CHO, -COOH, -NO2, -SO3H, -CN
9
10
11
Zařaď uhlovodíky do systému
12
Deriváty uhlovodíků Charakteristická
skupina Název skupiny Příklad derivátu Název derivátu
—X halogen R – X Ar – X
halogenderiváty
—NO2 nitroskupina R - NO2
Ar - NO2 nitrosloučeniny
—NH2 aminoskupina R - NH2 Ar - NH 2
aminosloučeniny (aminy)
— SO3H sulfoskupina R - SO3H sulfonové kyseliny
— OH hydroxylová skupina R – OH Ar - OH
alkoholy fenoly
karbonylová skupina (oxoskupina)
R – CHO R – CO – R
karbonylové sloučeniny (aldehydy a ketony)
karboxylová skupina
R – COOH Ar - COOH
karboxylové kyseliny karbonové kyseliny organické kyseliny
—O-R alkoxyskupina R – O – R Ar – O – Ar
alkoxysloučeniny ethery
— CN nitrylová skupina R—CN nitrily
13
Zařaď do systému derivátů uhlovodíků
15
Navrhni vzorec: aromatický aldehyd
alifatický uhlovodík
bicyklický ether
nerozvětvený konjugovaný dien
nenasycený alkohol
alicyklická rozvětvená sulfokyselina
kondenzovaný tricyklický uhlovodík
dusíkatá heterocyklická sloučenina
nenasycený nitryl
alifatický uhlovodík
16
Přiřaď typ sloučeniny ke vzorci:
17
Názvosloví uhlovodíků Typy názvosloví: � triviální a polotriviální(líh, aceton, kyselina octová, ethylen,
acetylen) � systematické IUPAC (ethanol, propanon, ethanová kyselina,
ethen, ethyn) Alifatické uhlovodíky s nerozvětveným řetězcem Alkany CnH2n+2 -an Alkeny CnH2n -en Alkadieny CnH2n-2 -dien Alkyny CnH2n-2 -yn Přehled základních uhlovodíků
18
Číslování řetězců násobné vazby mají co nejmenší číslo poloha násobné vazby před koncovkou CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 pentan CH2=CH-CH2-CH2-CH3 pent-1-en CH3-CH=CH-CH2-CH3 pent-2-en CH3-CH2-C≡C-CH3 pent-2-yn dvojná menší číslo než trojná CH≡C-CH2-CH=CH2 pent-1-en-4-yn Uhlovodíkové zbytky
Alifatické uhlovodíky s rozvětveným řetězcem Postup: 1. Určí se hlavní řetězec, u nasycených uhlovodíků je nejdelší a u
nenasycených obsahuje maximum násobných vazeb 2. Očíslují se uhlíkové atomy tak, aby 1/násobné vazby a 2/rozvětvení
měly co nejmenší čísla 3. Určí se názvy uhlovodíkových zbytků a seřadí se podle abecedy 4. Uhlovodíkovým zbytky se přiřadí násobící předpony a dají se podle
abecedy před název hlavního řetězce
19
5. Mezi číslo a slovo se dává pomlčka, mezi čísla čárka, poslední zbytek se neodděluje pomlčkou
20
Názvosloví cyklických uhlovodíků cykloalkany CnH2n cykloalkeny CnH2n-2 areny základ názvu je benzen a triviální názvy jiných arenů hlavní řetězec je řetězec cyklu předpona cyklo- násobné vazby co nejnižší čísla rozvětvení co nejnižší čísla
21
22
Cvičení:
23
24
ALKANY a CYKLOALKANY (parafíny a cykloparafíny)
� nasycené alifatické a alicyklické uhlovodíky � hybridní stav sp3, vazebný úhel 109° 28´ � alkany - obecný vzorec CnH2n+2 , koncovka –an � cykloalkany - obecný vzorec CnH2n , předpona cyklo- � tvoří homologické řady, homology
Zdroje alkanů a cykloalkanů
� zemní plyn � ropa � přírodní asfalt � zemní vosk (ozokerit)
Fyzikální vlastnosti
� alkany C1-C4 plyny C5-C15 kapaliny C16 a výše pevné látky
� Tt a Tv stoupají v homologické řadě rozvětvené mají nižší Tt (reformování)
� plyny bez zápachu kapaliny nižší benzínový zápach, vyšší bez zápachu, ρ<1
� rozpustnost nepolární rozpouštědla, ne ve vodě � tvoří různé konformace (souhlasná-nesouhlasná, vaničková-
židličková), cykloalkany – geometrická izomerie Příprava
1. Hydrogenace nenasycených uhlovodíků
R-CH=CH2 + H2 →ηh R-CH2-CH3
2. Wurtzova syntéza – reakce se sodíkem 2CH3CH2CH2I + 2Na → CH3CH2CH2CH2CH2CH3 + 2NaI 3. Alkalické tavení solí karboxylových kyselin
25
Chemické vlastnosti
� homolytické štěpení vazeb, radikálové reakce, světlo, teplo Reakce na vazbách C-H
A. Substituční reakce SR � řetězové reakce � tři fáze – iniciace, propagace, terminace
1. Halogenace (vznik až polyhalogenuhlovodíků) SR
CH4 + Cl2 → teploh ,η CH3Cl + HCl
Mechanismus reakce SR
2. Nitrace – vznik nitrosloučenin
R-CH3 + HNO3 →teplo R-CH2NO2 + H2O
3. Solfooxidace – vznik sulfonových kyselin
R-CH3 + Cl2 + SO2 + O2 →teplo R-CH2-SO3H výroba detergentů
26
B. Eliminační reakce
1. Dehydrogenace – vznik alkenů a alkynů
R-CH2-CH3 → NiPdPt ,, R-CH=CH2 + H2
Reakce na vazbách C-C
1. Oxidace – vznik oxidačních produktů uhlovodíků
CH3-CH3 → 2O CH3-CH2-OH → 2O
CH3-CHO → 2O CH3COOH
2. Úplná oxidace – spalování
C5H12 + 8O2 → 5CO2 + 6H2O 3. Krakování 4. Pyrolýza a izomerizace – vzniká směs alkanů a alkenů
CH3-CH2-CH2-CH2-CH2 → 2O CH3-CH3 + CH2=CH-CH3
5. Hydrogenace cykloalkanů (otevření cyklu)
Zástupci
27
ALKENY (olefíny) � nenasycené alifatické uhlovodíky s jednou dvojnou vazbou � hybridní stav sp2, vazebný úhel 120° � alkeny - obecný vzorec CnH2n, koncovka –en � homologická řada
Fyzikální vlastnosti
� alkeny C1-C4 plyny C5 a výše kapaliny a pevné látky
� Tt a Tv stoupají v homologické řadě � rozpustnost nepolární i polární rozpouštědla (mají schopnost
polarizovat se) � polohová, řetězová a geometrická izomerie
Příprava
1. Dehydrogenace alkanů
R-CH2-CH3 → NiPdPt ,, R-CH=CH2 + H2
2. Tepelné štěpení uhlovodíků (pyrolýza, izomerizace, krakování) 3. Dehydrohalogenace halogenderivátů
4. Dehydratace alkoholů
28
Chemické vlastnosti
� jsou podmíněny přítomností dvojné vazby � π vazba se štěpí snadněji než σ � Ad, E, polymerace
Adiční reakce
1. Halogenace AdE – adice halogenů (vznik dihalogenderivátů)
� katalýza Lewisovými kyselinami
Mechanismus AdE
2. Hydrohalogenace AdE – adice halogenovodíků (vznik halogenderivátů)
Markovnikovo pravidlo – při elektrofilní adici na nesymetrické alkeny a alkyny se elektronegativnější část činidla připojuje na ten uhlíkový atom u násobné vazby, na kterém je menší počet vodíkových atomů. 3. Hydratace AdE – adice vody (vznik alkoholů)
4. Adice halogenů a halogenovodíků AdR
29
5. Hydrogenace AdR – reakce s vodíkem (vznik alkanů)
6. Adice KMnO4 (podle koncentrace vznik diolů, popř. karbonylových a karboxylových sloučenin, oxidace)
Polymerace – mnohonásobná adice
Eliminační reakce
Dehydrogenace ER– vznik alkanů
R-CH=CH2 →ηh R-C≡CH + H2
Zástupci
30
ALKADIENY � dvě dvojné vazby � CnH2n-2 � kumulované – nestabilní
izolované – vazby se neovlivňují, reakce jako alkeny konjugované – delokalizace π elektronů, stabilita
Chemické vlastnosti
1. Adice (1,2-adice a 1,4-adice)
2. Polymerace
Zástupci
nižší teplota
vyšší teplota
31
ALKYNY � trojná vazba, koncovka -yn � CnH2n-2
Příprava 1. Dehydrogenace alkanů a alkenů
2. Dehydrohalogenace
3. Příprava acetylenu z karbidu vápenatého
Chemické vlastnosti
� charakteristika trojné vazby � typické reakce – AdE, AdR a S
1. Adice (hydrohalogenace, halogenace) AdE 2. Kučerovova reakce – adice vody na acetylen AdE
3. Hydrogenace – adice vodíku AdR
32
4. Polymerační reakce
a. dimerace acetylenu
Význam vinylacetylenu
chlorpren
butadien b. trimerace acetylenu
c. tetramerace acetylenu
5. Vznik acetylidů S
Zástupci
s lehkým kovem
s těžkým kovem
33
ARENY Uhlovodíky s aromatickými vlastnostmi Teorie aromatičnosti: � C je v hybridním stavu sp2 � polycentrický systém π vazeb � vazby jsou delší než dvojné ale kratší než jednoduché � delokalizace π elektronů, delokalizační energie (151 kj/mol) � tvoří řadu rezonančních struktur
Podmínky aromatičnosti:
1. cyklické rovinné molekuly 2. konjugovaný systém π vazeb 3. 4n+2 π elektronů
Fyzikální vlastnosti: � kapaliny nebo pevné látky � ve vodě nerozpustné, rozpustné v organických rozpouštědlech � kapalné areny – rozpouštědla � jedovaté, hořlavé, karcinogenní
Příprava: 1. Přírodní zdroje (černouhelný dehet) 2. Trimerace, popř. tetramerace acetylenu 3. Wurtz-Fittigova syntéza z halogenderivátů
4. Friedel-Craftsova syntéza (alkylace nebo arylace arenů, AlCl3)
34
Chemické vlastnosti: 1. substituce SE a SR 2. adice AR Reakce na aromatickém jádře Substituční reakce SE Mechanismus reakce SE
1. Halogenace
Mechanismus
2. Nitrace
35
3. Sulfonace
4. Alkylace
Vliv substituentů na průběh SE na aromatickém jádře
1. Substituenty 1. třídy – další substituce do polohy o- a p- � +M a +I efekt � –NH2, -OH, -X, -R
2. Substituenty 2. třídy – další substituce do polohy m- � -M a -I efekt � –CHO, -COOH, -NO2, -SO3H, -CN
Pokud se na aromatickém systému nacházejí 2 substituenty, orientace se řídí substituentem s největším +M nebo +I efektem a stérickými faktory.
36
Reakce SR na bočním řetězci
Halogenace
Adice na aromatickém jádře AdR 1. Hydrogenace
2. Halogenace
Oxidace
1. Oxidace benzenu
37
2. Oxidace alkylhomologů benzenu
3. Oxidace naftalenu
4. Oxidace kumenu
Zástupci