If you can't read please download the document
Upload
buikien
View
241
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
11.Chemia organiczna.
Irena Zubel Wydzia Elektroniki Mikrosystemw i Fotoniki
Politechnika Wrocawska(na prawach rkopisu)
Zwizki organiczne
CHEMIA ORGANICZNADef. 1. (Gmelin 1848, Kekule 1851 ) chemia zwizkw wgla
wyjtki: tlenek wgla CO, CO2kwas wglowy +sole kwasu wglowego
Def.2. (Schurlenmer w 1889 ) chemia wglowodorw i ich pochodnych
C: sp3 tetraedr, 4 wizania kowalencyjne
Olbrzymia rnorodno zwizkw organicznych ponad 12 milionw
Pierwsza synteza zwizku organicznego:
F. Whler 1828-synteza mocznika
C: sp3 tetraedr, 4 wizania kowalencyjne
H
H
H
H
110pm
Zwizki organiczne
Najwaniejsze cechy:
katencja izomeria
C5H12
C5H12
C5H12
Zwizki organiczne
WGLOWODORY
WIELOPIERCIENIOWE
JEDNOPIERCIENIOWE
ACUCHOWE (ALIFATYCZNE)
NASYCONE NIENASYCONE
CYKLICZNE
NASYCONE NIENASYCONE
ALKANYALKENY
ALKADIENY
ALKINY
NASYCONE NIENASYCONE
AROMATYCZNECYKLOALIFATYCZNE
CYKLOALKANY
CYKLOALKADIENY
CYKLOALKENY CYKLOALKINY
Zwizki organiczne acuchowe
ACUCHOWE (ALIFATYCZNE)
NASYCONE NIENASYCONE
ALKANYALKENY ALKINY
Wglowodory nasycone (alkany)CnH2n+2 zawieraj wycznie pojedyncze wizania midzy atomami wgla
Wglowodory nienasycone
- alkeny CnH2n zawieraj jedno wizanie podwjne
- alkadieny CnH2n -2 - zawieraj dwa wizania podwjne
- alkiny CnH2n -2 - zawieraj jedno wizanie potrjne
ALKANYALKENY
ALKADIENY
ALKINY
Alkany
gazy
Ksztaty czsteczek
ciecze
Powyej pentadekanu C15H32 - ciaa stae
Alkany
Waciwoci:Mao aktywne chemicznieNiepolarneLejsze od wodyRozpuszczaj si w rozpuszczalnikach niepolarnych (alkohol, benzen, toluen)le rozpuszczaj si w rozpuszczalnikach polarnych (woda, kwasy, zasady)le rozpuszczaj si w rozpuszczalnikach polarnych (woda, kwasy, zasady)Ze wzrostem dugoci acucha wglowego zwiksza si temperatura topnienia i wrzeniaWszystkie ulegaj reakcji spalania:
2CnH2n+2 + (3n+1)O2 = 2nCO2 +2(n+1)H2O + energia
W zalenoci od iloci zuytego tlenu mona uzyska rne produkty:Spalanie cakowite: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2OPspalanie: CH4 + 3/2O2 = CO + 2H2OSpalanie niecakowite: CH4 + O2 = C+ 2H2O
Zastosowanie: paliwa gazowe, benzyna, oleje napdowe
Alkany- rzdowo atomw wgla
Rzdowo atomw wgla: - liczba atomw wgla zwizanych z rozpatrywanym atomem wgla
I-rzdowy II-rzdowy III-rzdowy IV-rzdowy
Alkany
IzomeryLiczba izomerw zaley od iloci atomw wgla w czsteczceDla metanu, etanu, propanu liczba ta wynosi 1.Waciwoci fizyczne i chemiczne izomerw s rne
HEKSANWzr Iloizomerw
C6H14 5
C7H16 9
C8H18 18
C9H20 37
C10H22 75
C20H42 36631
HEKSAN
Alkeny
Ksztaty czsteczek (izomeria)
Wizanie jest sztywne,czsteczka etenu jest paska.
Alkiny
Acetylen:
Zwizki z potrjnym wizaniem s bardzo aktywne chemicznie. Reakcji spalania acetylenu towarzyszy wysoka temperatura:
2C2H2 + 5O2 = 4CO2 + 2H2O
Wykorzystanie: np. palnik acetylenowo-tlenowy
Izomeria analogicznie jak w alkenach
Alkadieny
SZEREG HOMOLOGICZNY ALKADIENW
Izomery5 4 3 2 1
Wglowodory cykliczne
CYKLICZNE
AROMATYCZNECYKLOALIFATYCZNE
NASYCONE NIENASYCONE
AROMATYCZNECYKLOALIFATYCZNE
CYKLOALKANY
CYKLOALKADIENY
CYKLOALKENY CYKLOALKINY
Cykloalkany
Cykloalkeny
Cykloalkadieny
Porwnaj:
Wglowodory aromatyczne (areny)
CYKLICZNE
AROMATYCZNECYKLOALIFATYCZNE
JEDNOPIERCIENIOWE
NASYCONE NIENASYCONE
AROMATYCZNECYKLOALIFATYCZNE
CYKLOALKANY
CYKLOALKADIENY
CYKLOALKENY CYKLOALKINY
WIELOPIERCIENIOWE
Wglowodory aromatyczne (areny)
Czsteczka paskaRwnocenne wszystkie atomy wgla i wodoruWszystkie kty 120o
Wszystkie wizania 139pm (pojedyncze 154pm,podwjne 134pm)podwjne 134pm)
3 wizania typu 6 zdelokalizowanych elektronw
Areny jednopiercieniowe
Areny jednopiercieniowe
Areny wielopiercieniowe
Pochodne wglowodorw
Rodnik (R) - Podstawnik1,2-butanediol
1,4-butanediol
1-butanol
Grupy funkcyjne
1.
2.
7.
8.
3.
4.
5.
6.
9.
10.
11.
Fluorowcopochodne
1.
R - X
Alkohole
2. R - OH
Aldehydy
3.
R
Ketony
R1
R2
4.
Kwasy karboksylowe
5.
R
Etery
6.
Estry, aminy, amidy, aminokwasy
7. Estry 8. Aminy 9. Amidy
R
Anilina
Wodoroftalan butylu
Kwas 2-aminopropanowy (aminokwas alanina)
Reakcje chemiczne
1. Reakcje substytucji (podstawiania)
2. Reakcje addycji (przyczania)
3. Reakcje eliminacji
Reakcje odwrotne do przyczania, podstawniki zostaj odszczepione a midzy atomami wgla tworzy si wizanie typu .
4. Reakcje przegrupowaniaZmiana miejsca podstawnikw w ramach jednej czsteczki
Reakcje chemiczne
W wyniku zerwania wizania chemicznego powstaj:
-jony - gdy para elektronowa pozostaje przy jednym z atomw (rozszczepienie heterolityczne)
AB A- + B+
-rodniki gdy przy kadym z atomw pozostaje jeden elektron z pary -rodniki gdy przy kadym z atomw pozostaje jeden elektron z pary wicej (rozszczepienie homolityczne)
AB A + B
(1) rednia energia wizania R-H okoo 400kJ/mol
(2) energia wizania Cl-Cl 243 kJ/mol
Izomeria
Para izomerw optycznych
Izomeria optyczna jest spowodowana asymetri czsteczki wgla zwizanego z rnymi podstawnikami.
Czsteczki asymetryczne skrcaj paszczyzn polaryzacji wiata (odmiana prawa o kt + , odmiana lewa o kt - .
Izomeria
1-penten
pooenia wizania podwjnego
Rodzaje izomerii:
2-penten
geometryczna
acuchowa
podstawieniowa
2-pentan1-pentan
butanol-1 butanol-2
Izomeria
Wok pojedynczego wizania C-C grupy metylowe (tetraedry) mog ulega rotacji powstaj rne konformacje
Czsteczka etanu
konformacja konformacjanaprzemianlega naprzeciwlega
dwie skrajne konformacje, powstajce przy obrocie tetraedrw o 60o
-min odlego H-H-max energia odpychaniaukad najmniej trway
-max odlego H-H-min energia odpychania-ukad najtrwalszy
Izomeria
Nomenklatura zwizkw organicznych
Przykad:
Nomenklatura zwizkw organicznych
Najduszy acuch:
2,2,4,5-tetrametylo-4,5-dietylo-heptan
Polimery
Polimery zwizki wielkoczsteczkowe, skadajce si z powtarzajcych si czsteczek (merw)Masa czsteczkowa polimerw >10 000 u (granica umowna)
Polimery
naturalne syntetyczne
skrobiacelulozabiakoenzymyjedwabkauczuk
polietylenpolistyrenpolichlorek winylupoliuretanyywice epoksydowe
naturalnemodyfikowane
azotan celulozyoctan celulozybenzylocelulozakauczuk (wulkanizacja)
Polimeryzacja
Polimeryzacja czenie si zwizkw maoczsteczkowych w makroczsteczki
Polimeryzacja:
Polimer jeden rodzaj merwKopolimer dwa lub wicej rodzajw merw
chlorek winylu C2H3Cl
polichlorek winylu (C2H3Cl)n
nC2H3Cl(C2H3Cl)n
addycyjna kondensacyjna
n stopie polimeryzacji
Polimeryzacja addycyjna
I.III.
Etylen C2H4-gaz
II.I. Inicjacja powstawanie rodnikw z H2O2
(T. h,): H O O H 2(H O)
II. Reakcja acuchowa: przemieszczanie si aktywnego centrum polimeryzacji
III. Zakoczenie: przyczenie wolnego rodnika (H O) na kocu polimeru
Polietylen (PE) (C2H4)n ciao stae, polimer
Polimeryzacja addycyjna
I.
II.
X dowolna grupa funkcyjna, np.-ClR - rodnik inicjujcy proces:
Cl2 Cl + Cl (h)H2O2 OH + OH (T, UV, )
II.
III.
Szybko polimeryzacji:10 000 czsteczek/s
Zakoczenie: dezaktywacja rodnika (rekombinacja)-w reakcji z zanieczyszczeniami- w reakcji z moderatorami M
Polimeryzacja kondensacyjna
+ H2O
H H H H
N-(CH2)6-N OH-C-(CH2)4-C-OH
H H
Nylon+
Produkt uboczny
Fenol formaldehydowy
Produkt uboczny
Charakterystyka polimeryzacji
Stereoizomeria
R:Cl - polichlorek winyluCH3 polipropylenC6H5 - polistyren
a) Polietylen
b) Struktura izotaktyczna
c) Struktura synodiotaktyczna
d) Struktura ataktyczna
Stereoizomeria
a) Struktura izotaktyczna
b) Struktura synodiotaktyczna
c) Struktura ataktyczna
Kopolimeryzacja
Typy kopolimerw:
a) statystyczny
b) przemiennyb) przemienny
c) blokowy
d) szczepiony
Kopolimeryzacja
Typy kopolimerw:
a) przemienny
b) statystyczny
c) blokowyc) blokowy
d) szczepiony
Rozgazienia
Polietylen prostyStruktura krystaliczna w 80% objtoci
Rozgazienia zmniejszaj:- gsto
Polietylen rozgazionyStruktura krystaliczna w 50% objtoci
- gsto-wytrzymao-twardo-Odporno na cieranie-skonno do krystalizacji
Struktura polimerw
Funkcyjno monomeru stopie zdolnoci do reakcji. Centrum reaktywnoci s grupy funkcyjne lub wizania wielokrotne.
Monomery dwufunkcyjne - czsteczki zoonych z wgla i wodoru z podwjnym wizaniem w wyniku polimeryzacji tworz polimery acuchowe (liniowe). Polimery termoplastyczne: polietylen, polichlorek winylu, polipropylen, polistyren. Polimery termoplastyczne: polietylen, polichlorek winylu, polipropylen, polistyren. Topi si podczas ogrzewania, zestalaj podczas chodzenia, s rozpuszczalne w wielu rozpuszczalnikach.Monomery wielofunkcyjne posiadaj wicej ni dwa centra aktywnoci w wyniku polimeryzacji tworz struktury wielowymiarowe. Polimery utwardzalne, silnie usieciowane, ywice: epoksydowa, poliestrowa, fenolowo-formaldehydowa (bakelit)Nietopliwe, nierozpuszczalne, w wysokiej temperaturze rozkadaj si nieodwracalnie.
Oba rodzaje polimerw mog powstawa zarwno przez addycj jak i polikondensacj.
Struktura polimerw
Polimery o strukturze:
a) liniowej
b) rozgazionej,
c) usieciowanejc) usieciowanej
Usieciowanie przestrzenne
Przejcie od struktury liniowej (liniowej rozgazionej) do usieciowanej uzyskuje si dziki wizaniom poprzecznym.
Przykad: wulkanizacja otrzymywanie gumy z kauczuku naturalnego (izoprenu) przez dodanie siarki
a)
Powstaj silne wizania kowalencyjne midzy atomami siarki i dwiema czsteczkami polimerw dziki podwjnym wizaniom w merach izoprenu.Nadmiar siarki powoduje wzrost twardoci i kruchoci gumy.
przed wulkanizacj po wulkanizacji
acuchy polimerowe
a
b
c
d
polietylen
Ktowa zaleno midzy wizaniami w acuchu wglowym
Czwarty atom wgla w acuchu wglowym polimeru (d) moe zaj dowolne pooenie na obwodzie koa i zaleno ktowa miedzy wizaniami zostanie zachowana. Ta dowolno pooenia powoduje, e acuchy liniowe nie s proste, lecz pozginane i poskrcane.
acuchy polimerowe
Makroczsteczka polimeru zoona z jednego acucha liniowego o zoonym ksztacie
Schemat spltanych i skrconych acuchw w strukturze materiau polimerowego