Organická chemie

Organická chemie

Vaznost atomů

H O H H N

H

R HH

H

H

R S H

H O+

H

H

H N+

H

R

H

R S+

H

H H

H

H

H

H H

C

C C C C

Hybridizace

• Jednoduchá vazba uhlík - uhlík

• - hybridizace sp3• - vazebný úhel 109°28’• - délka vazby 0,154 nm

H

HHH

109°28´

• Dvojná vazba uhlík - uhlík• - hybridizace sp2• - vazebný úhel 120°• - délka vazby 0,133 nm

120°

120°

120°

• Trojná vazba uhlík - uhlík

- hybridizace sp

- vazebný úhel 180°

- délka vazby 0,119 nm

180°

O

OHCH

CH

CH2 CCC

sp2

sp2spsp3

Reakce organických sloučeninAdice

• klesá řád vazby• změna hybridizace

CH2 CH2Cl2 CH2 C

H2

Cl Cl

CH CH Cl2 CH CH

Cl Cl

+

+

Eliminace• stoupá řád vazby

• změna hybridizace

CH2 CH2CH2 C

H2

H OH

CH CHCH CH

H H

+

+

H2O

H2

Substituce

CH3

H

Cl2 CH3

Cl

+ + HCl

Molekulární přesmyk

R CH

CH

CH2

Cl CH2

+R C

HCH

CH2R C+

CHH

CH2R CH

CH

OH

CH2R CH

CH

OH

- Cl-

OH- OH-

CH3 C CH

CH3

OH

CH3

CH3

CH3 C CH

CH3

O+

CH3

CH3

H

H

CH3 C C+

CH3

CH3

CH3

H

CH3 C+

C CH3

CH3H

CH3

C CCH3

CH3

CH3

CH3

+ H+

- H2O

- H+

Izomerie

• Izomery jsou sloučeniny, které mají stejný sumární vzorec ale různou strukturu.

Konstituční izomerie• C2H6O:

CH3 – CH2 – OH nebo CH3 – O - CH3

• C3H7O:

CH3– CH2– CH2–OH nebo CH3– CH– CH3

׀ OH

• C2H4O:

CH3 – CH = O nebo CH2 = CH – OH

Kofigurační izomerie

C CCH3

H

H

CH3

C CH

CH3

H

CH3

Optická izomerie

CH3 OH

HCOOH

CH3OH

HCOOH

Konformační izomerie

• Konformační izomery nelze samostatně izolovat, existují vždy ve směsi.

Příklad:

Newmanova projekce

Polarita vazeb a molekul

Dipólový moment molekulyvektorový součet dipólových momentů všech vazeb molekuly

Indukční efekt

Jde o elektrostatické působení substituentů způsobené hlavně rozdílnou elektronegativitou atomů.

Příklad:

+I

uhlík má větší elektronegativitu než vodík vazby uhlík – vodík jsou polarizovány (C- – H+)

-I

CH3CH CH2

Br CH CH2

Mezomerní efekt

Podmínkou vzniku mezomerního efektu je konjugace

-M

+M

CH CH2N C

Br CH CH2

Kombinace indukčního a mezomerního efektu

-I

+M

výsledek

+

Br CH CH2

Br CH CH2

Br CH CH2

Názvosloví

triviální...........................systematické

Tvorba systematických názvů• Základem uhlovodíková kostra

• Charakteristické skupiny (vše kromě vodíku,

alkylu a heterocyklického zbytku)

• Hlavní charakteristická skupina (pouze jedna a

určuje koncovku v názvu sloučeniny)

Hierarchie vybraných charakteristických skupin

nejvyšší „oniové“ kationty N+ O

+S

+

- COOH karboxylové kys.

- SO3H sulfonové kys.

- COOR estery

- COCl acylhalogenidy

- CONH2 acylamidy

- C N nitrily

- CH = O aldehydy

- CO - ketony

- OH hydroxyderiváty

- SH sulfanylderiváty

-O-O-H hydroperoxidy

- NH2 aminy

- OR ethery

- SR sulfidy

- Br,Cl,F,I halogenidy

- NO2 nitroderiváty

Tvorba názvu 1. nalezení hlavní charakteristické skupiny

2. nalezení hlavního řetězce

a) maximální počet charakteristických skupin

b) maximální počet násobných vazeb

c) maximální počet atomů uhlíku v řetězci

3. očíslovat uhlíky hlavního řetězce (hlavní charakteristická skupina co

nejmenší číslo)

4. pojmenovat všechny charakteristické skupiny a uhlovodíkové zbytky a

sestavit název sloučeniny

OH CH2

CH

CH3

CH

CH

CH

Cl

C

O

CH3

3-chlor-7-hydroxy-6-methylhept-4-en-2-on

12345

67

Názvosloví chirálních molekul

klasické – Fischerova projekce

moderní – R,S názvosloví

Fischerova

projekce

každý chirální

uhlík se hodnotí

zvlášť

konfigurace D,L

se určuje podle

„nejnižšího“

chirálního uhlíku

CH2OHOH

H CHO

CH2OH

OHH

CHO

nejvyšší oxidační stupeň nahoře

směrpohledu

vpravo

vlevo

D-glyceraldehyd

O

CH

CH2OH

H

OH

H

OH

H

OH

CHO

CH2OH

OH

OH

OH

H

H

H

D-ribosa

R,S – názvosloví

pořadí substituentů

se hodnotí podle

protonových čísel

označení R,S se uvádí

do závorky před název

(R)-glyceraldehyd

HOCH2

OHH

CHO směrpohledu

1

2

3

4

1 1

2 23 34 4

R S

každý chirální uhlík se posuzuje zvlášť

O

CH

CH2OH

H

OH

H

OH

H

OH

1

2

3

4

"(2R,3R,4R)-2,3,4,5-tetrahydroxypentanal"

Enantiomery

CH3 OH

HCOOH

CH3OH

HCOOH

(R)-2-hydroxypropanová kyselina (S)-2-hydroxypropanová kyselina

liší se pouze optickou aktivitou – fyzikálně chemické vlastnosti stejné

(směs 1 : 1 se nazývá racemát)

Diastereoizomery

stereoizomery, které mají alespoň na jednom chirálním centru opačnou

konfiguraci, ale nejsou enantiomery

Uhlovodíky

Alkany• Alkany jsou uhlovodíky, ve kterých jsou atomy uhlíku vázány

pouze jednoduchou vazbou. Vazebné úhly 109°28´, viz například molekula methanu,

jsou způsobeny hybridizací původních atomárních orbitalů s, px,

py, pz na hybridní orbital sp3. Vzniklé vazby tak směřují do

vrcholu tetraedru (proto úhel 109°28´) a délka jednoduché vazby C – C je 0,154 nm.

H

HHH 109°28´

Názvosloví alkanů

Homologická řada

CH4 methan

CH3CH3 ethan

CH3CH2CH3 propan

CH3(CH2 )2CH3 butan

CH3(CH2 )3CH3 pentan

CH3(CH2 )4CH3 hexan

CH3(CH2 )5CH3 heptan

CH3(CH2 )6CH3 oktan

CH3(CH2 )7CH3 nonan

CH3(CH2 )8CH3 dekan

CH3(CH2 )9CH3 undekan

CH3(CH2 )10CH3 dodekan

CH3(CH2 )11CH3 tridekan

CH3(CH2 )18CH3 eikosan

CH3(CH2 )28CH3 triakontan

Názvosloví cykloalkanů(pomocí předpony cyklo)

cyklopropan

cyklobutan

cyklopentan

cyklohexan

cykloheptan

cykooktan

Tvorba názvů alkanů

Uhlovodíkové zbytky

-CH3 methyl

-CH2CH3 ethyl (ethan-1-yl)

-CH2CH2CH3 propyl

-CH2(CH2 )2CH3 butyl

-CH2(CH2 )3CH3 pentyl

-CH2(CH2 )4CH3 hexyl

-CH2(CH2 )5CH3 heptyl

CH3CHCH3 1-methylethyl

propan-2-yl

CH2 CH

CH2

CH2

CH2

CH2

CH

CH2

CH2

CH2

CHC

H2

cyklopropyl

cyklobutyl

cyklopentyl

Příklady názvů alkanů

CH3 C CH2

CH

CH3

CH3CH3

CH3

CH3 CH2

CH2

CH

C CH2

CH3

CH3CH2

CH3

CH3

CH3 CH2

CH2

CH2

CH

CH2

CH2

CH2

CH3

CHCH2

CH3CH2

CH3

12 3 4 5

2,2,4-trimethylpentan

1234567

4-ethyl-3,3-dimethylheptan

5-(1-ethylpropyl)nonan5-(pentan-3-yl)nonan

Přírodní zdroje alkanů a jejich využití

Alkany se vyskytují v přírodě a jejich zdrojem je hlavně zemní plyn (obsahuje zejména methan) a ropa (obsahuje hlavně vyšší alkany).

Chemické vlastnosti alkanů

• Malý rozdíl v elektronegativitě uhlíku (2,5) a vodíku (2,2) (hodnoty dle Paulinga)

• Důsledek – vazba uhlík – vodík se přednostně štěpí na radikály – radikálové reakce

R CH2

H

R C

H

R C

H

H

H

H+

H

+

+

Průmyslově využívané reakce

Nejrozšířenější reakcí, využívající zemní plyn, je jeho úplná oxidace 

CH4 + O2 CO2 + 2 H2O Tato reakce se využívá díky svému tepelnému zabarvení jako zdroj energie.

Parciální oxidace zemního plynu 

CH4 + O2 C + 2 H2O

 je průmyslově využívána pro přípravu sazí, které se používají jako tiskařská čerň a jsou rovněž důležitou surovinou pro výrobu pneumatik.

Radikálová substituceNejjednodušší příklad – chlorace methanu

CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl

Reakce probíhá ve třech krocích:

1. Iniciace (vznik radikálů)

2. Propagace (vlastní reakce – koncentrace radikálů se nemění)3. Terminace (ukončení reakce – volné radikály mizí)

1. Iniciace

Dodáním energie se štěpí vazba, která je nejméněpevná (v tomto případě vazba Cl – Cl):

Cl2 2 Cl

Pro dodání energie jsou nejběžnější tři způsoby:

1. Zahřátí.2. Záření o vysoké energii (většinou UV)3. Přidání látky (iniciátoru), která se snadno štěpí na

radikály (například organické peroxidy R–O–O–R)

2. Propagace

Radikál je částice o vysoké energii, která je schopna atakovat i neutrální molekuly:

Cl + CH4 HCl + CH3

CH3 + Cl2 CH3Cl + Cl

Radikál Cl, vzniklý v druhé reakci, atakuje další molekulu methanu a tak reakce pokračuje dále (koncentrace radikálů je velmi nízká).

3. Terminace

Pokud se setkají dva radikály, okamžitě vytvoří kovalentní vazbu:

2 Cl Cl2

2 CH3 CH3 – CH3

CH3 + Cl CH3Cl

Tímto způsobem dojde k vymizení volných radikálů a reakce se zastaví.

Dehydrogenace alkanů

katalytická dehydrogenace

CH3 – CH2 – CH2 – CH3 CH3 – CH = CH – CH3 + H2

CH3 – CH = CH – CH3 CH2 = CH – CH = CH2 + H2

katalyzátor (Al2O3, Cr2O3, TiO2 ...).

zvýšená teplota (500°C i více)

Cykloalkany

nejvíce stabilní: 5 – 7 členné kruhy

nejprozkoumanější: cyklohexan a jeho deriváty

Alkeny

• Alkeny jsou uhlovodíky, které mají ve své molekule jednu nebo více dvojných vazeb.

• Přítomnost dvojných vazeb, kde je koncentrován záporný náboj -elektronů, způsobuje vysokou reaktivitu alkenů (ve srovnání s alkany).

Názvosloví alkenůCH2 = CH2 ethen

CH3 - CH = CH2 propen

CH3 - CH = CH - CH3 but-2-en

CH3 – CH2 - CH = CH2 but-1-en

CH2 = CH - CH = CH2 buta-1,3-dien

CH2 = CH - CH = CH - CH = CH2 hexa-1,3,5-trien

CH2 C CH2

CH3

CH2CH3

CH3

CH3

2-ethylbut-1-en 3-methylcyklopent-1-en

12

3

45

1 2 3 4

12

3

4

5 6

7

7-methylcyklohepta-1,3,5-trien cyklohexa-1,4-dien

C CCH3

H

H

CH3

C CH

CH3

H

CH3

E-but-2-en Z-but-2-en

Názvy uhlovodíkových zbytků s dvojnou vazbou

CH2 = CH - vinyl - CH2 - CH = CH2 allylCH3 - CH = CH - prop-1-en-1-ylCH3 - CH = CH - CH2 - but-2-en-1-yl

CH2 = CH - CH = CH - buta-1,3-dien-1-yl

Uhlík, který nese volnou valenci, má vždy číslo 1.

cyklopent-2-en-1-yl

12

3

45

Vznik a elektronová struktura dvojné vazby

Z původních atomárních orbitalů uhlíku (2s, 2px, 2py,

2pz) se hybridizace účastní pouze jeden orbital s a dva

orbitaly p (proto hybridizace sp2)

+ +

120°

Vazby v molekule ethenu (CH2 = CH2)

120°

délka vazby C = C 0,133 nm

+ -

- +

+

-

+

-

+ +

- -

CH2 = CH – CH = CH2

CH2 = CH2

Chemické vlastnosti alkenů

Typická reakce elektrofilní adice.

Pro vysvětlení průběhu adice je nutno znát polaritu dvojné vazby.

Polaritu dvojné vazby ovlivňují substituenty hlavně indukčním a mezomerním efektem.

Indukční efekt

Jde o elektrostatické působení substituentů způsobené hlavně rozdílnou elektronegativitou atomů.

Příklad:

+I

uhlík má větší elektronegativitu než vodík vazby uhlík – vodík jsou polarizovány (C- – H+)

-I

CH3CH CH2

Br CH CH2

Mezomerní efekt

Podmínkou vzniku mezomerního efektu je konjugace

-M

+M

CH CH2N C

Br CH CH2

Kombinace indukčního a mezomerního efektu

-I

+M

výsledek

+

Br CH CH2

Br CH CH2

Br CH CH2

Iontové adice

Adice halogenovodíku (hydrohalogenace)

HBr H+ + Br-

CH3 CH

CH2H

+CH3 C

HCH2

H+

+

komplex

CH3 CH

CH2

H+

CH3 CH

+CH3

CH3 CH

+CH3 Br CH3 C

HCH3

Br+

Nejdůležitější alkeny

Ethen: průmysl, zrání ovoce, po vdechnutí celková anestezie se ztrátou vědomí

Isopren (2-methylbuta-1,3-dien):stavební jednotka isoprenoidů

C CC

CH3

CH

H

HH

H

Alkyny•Alkyny jsou uhlovodíky, které mají ve své molekule jednu nebo více trojných vazeb.

Názvosloví alkynů

CH CH ethyn

CH3 - C CH propyn

CH3 - C C - CH3 but-2-yn

CH3 – CH = CH - C CH pent-3-en-1-yn

CH2 = CH - CH = CH - C CH hexa-1,3-dien-5-yn

CH3 CH

CH2CH3

CH2

C CH 5-methylhex-1-yn

Vznik a elektronová struktura trojné vazby

Z původních atomárních orbitalů uhlíku (2s, 2px, 2py,

2pz) se hybridizace účastní pouze jeden orbital s a

jeden orbital p (proto hybridizace sp)

+

s px sp

180°

Nehybridizované orbitaly 2py a 2pz se nemění a jsou kolmé k

ose hybridního orbitalu sp

Jelikož k překryvu nedochází pouze nad a pod rovinou -vazby, ale i před ní a za ní, je -elektronová hustota rozložena symetricky kolem -vazby a z čelního pohledu ve směru -vazby se jeví jako mezikruží:

Délka trojné vazby C C činí 0,119 nm.

ArenyAreny jsou uhlovodíky, které mají ve své molekule jeden nebo více „aromatických“ kruhů. Typickým zástupcem arenů je benzen

Názvosloví arenů

12

3

456

7

8 12

3

45

6

7

8 9

10

1

23

4

56

78 9

10

benzen

naftalen anthracen

fenanthren

naftacen bifenyl

pyren benzo[a]pyren

CH3CH

CH2

CH3

CH3

CH3

CH2

CH3

CH2

CH2

CH3

CH3

CH3

toluen styren

o-xylen

2-ethyl-1-methyl-4-propylbenzen

1-methylnaftalen 2-methylnaftalen

CH2

CH3

fenyl benzyl

o-tolyl 2-naftyl

Elektronová struktura arenů

Benzenový kruh je tvořen šesti uhlíky v hybridizaci sp2, jejichž vzájemné překryvy vytvářejí -vazby C – C.

Opět, jako v případě konjugovaných alkenů, dochází k překryvu nehybridizovaných orbitalů 2pz přes celou molekulu

a výsledkem této konjugace je vznik -elektronových hustot nad a pod rovinou kruhu

Ideální situace nastává u benzenu, jejímž důsledkem je stejná délka všech vazeb v kruhu a to 0,139 nm.

Z těchto důvodů se při psaní vzorců aromatických kruhů preferuje zápis s kroužkem (a) před zápisem s konjugovaným systémem dvojných vazeb (b).

(a) (b)

Tato delokalizace -elektronových hustot přes celou kruhovou molekulu změní natolik vlastnosti uhlovodíku, že typickou reakcí nebude adice, ale elektrofilní substituce.

Živé organismy nemají schopnost syntetizovat aromatické jádro.

Fenylalanin, tryptofan – esenciální aminokyseliny

CH2

CH

COOH

NH2N

H

CH

2CH

COOH

NH2

fenylalanin tryptofan

Významné aromatické uhlovodíky

Benzen – dobré rozpouštědlo, ale velmi toxický

Toluen – méně těkavý, méně toxický, působí narkoticky

Polycyklické aromatické uhlovodíky – produkty nedokonalého spalování, některé deriváty jsou velmi toxické (můžou reagovat s DNA)

Alkoholy a fenoly

• Alkoholy – hydroxylová skupina je vázána na uhlík s hybridizací sp3

• Fenoly – hydroxylová skupina je vázána na uhlík s hybridizací sp2 (aromatické jádro)

Názvosloví

1. skupina –OH je hlavní charakteristická skupina

koncovka –ol (alkohol nebo fenol)

2. skupina –OH je vedlejší charakteristická skupina

předpona hydroxy-

Alkoholy

R CH2

OH R CH

R

OH

R C R

R

OH

primární sekundární terciární

CH3 – OH methanol

CH2 = CH – CH2 - OH prop-2-en-1-ol

HO – CH2– CH2 – OH ethan-1,2-diol

HO – CH2– CH - CH2 – OH propan-1,2,3-triol

|

OH

Fenoly

OH OH

OH

OH

OH

OHOH OHCH3

OH

fenol pyrokatechol(benzen-1,2-diol) resorcinol

hydrochinon p-kresol 2-naftol

Skupina –OH jako vedlejší

CH2

OH

CH2

CH2

COOH

4-hydroxybutanová kyselina

Chemické vlastnosti alkoholůAcidobazické vlastnosti

Alkoholy – amfoterní sloučeniny

R O H

NH2

R O

R O+

H

H

+ NH3

H+

Vodíkové můstky

RO H

RO H

RO H

(i v roztocích polárních rozpouštědel)

Oxidace

R CH2

OH R CH

O R COOH

R CH

R

OH

R C R

O

ox. ox.

ox.

Dehydrogenace

R CH2

OH R CH

O

R CH

R

OH

R C R

O

+

+ H2

H2

Dehydratace

CH3 CH2

OH

CH2 CH2

CH3 CH2

O CH2

CH3

+

+ H2O

H2O

Adice na karbonylovou skupinu

R´ CH

O OH R R´ C O R

OH

H R OH

R´ C O R

OR

H

+- H2O

Esterifikace

R CO

OHR´ OH R C

O

O R´+ + H2O

Významné alkoholyMethanol – letální dávka 30 – 70 ml, snadná záměna s ethanolem

Ethanol – méně těkavý, méně toxický, působí narkoticky

Ethylenglykol (ethan-1,2-diol)– nemrznoucí směsi, toxický (v organismu přeměna až na kyselinu šťavelovou)

Glycerol (propan-1,2,3-triol) – součást lipidů a glycerofosfolipidůEnoly – keto–enol tautomerie

Chemické vlastnosti fenolůAcidobazické vlastnosti – slabé kyseliny

O H

Oxidace

O

H

O O

O

ox....

ox. ox.

Významné fenolyFenol – silná žíravinaPyrokatechol, resorcinol, hydrochinon

Ubichinon (koenzym Q), menadion (vitamín K)