Upload
josephine-boone
View
124
Download
7
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Organická chemie. Vaznost atomů. Hybridizace. Jednoduchá vazba uhlík - uhlík - hybridizace sp3 - vazebný úhel 109°28 ’ - délka vazby 0,154 nm. Dvojná vazba uhlík - uhlík - hybridizace sp2 - vazebný úhel 120° - délka vazby 0,133 nm. Trojná vazba uhlík - uhlík - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
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)