of 21/21
1 PODSTAWY CHEMII ORGANICZNEJ Opracowanie: dr Urszula Lelek-Borkowska CZĘŚĆ TEORETYCZNA 1. Wstęp Chemia organiczna to chemia związków węgla (oprócz tlenków oraz kwasu węglowego i jego pochodnych). Istnieje ogromna liczba związków organicznych występujących w przyrodzie oraz syntezowanych przez człowieka (obecnie > 10 000 000). Wszystkie związki organiczne podlegają jednak kilku podstawowym zasadom: atomy węgla w związkach organicznych są zawsze czterowartościowe, atomy węgla mogą łączyć się trwale w proste lub rozgałęzione łańcuchy o dowolnej długości, tworzyć pierścienie oraz kombinacje pierścieni i łańcuchów, atomy węgla mogą łączyć się ze sobą lub atomami innych pierwiastków za pomocą wiązań pojedynczych, podwójnych lub potrójnych, elektrony nie uczestniczące w wiązaniach pomiędzy atomami węgla są wykorzystywane do tworzenia wiązań z innymi pierwiastkami, każdy związek organiczny charakteryzuje się właściwą sobie budową, określoną przez rodzaj, liczbę i sposób powiązania tworzących go atomów, Nazwa związku organicznego musi być dokładna i jednoznaczna , tzn., na jej podstawie można napisać wzór strukturalny tylko jednego, określonego związku organicznego. Pod jednym wzorem ogólnym może kryć się kilka związków o różnej strukturze. 2. Hybrydyzacja atomów węgla i wiązania wielokrotne Węgiel posiada w stanie wzbudzonym 4 elektrony walencyjne, 1 na orbitalu s i 3 na orbitalu p. 2s 2p 2s 2p stan podstawowy C: stan wzbudzony C * : Powstawanie wiązań wielokrotnych w związkach organicznych możliwe jest dzięki hybrydyzacji (ujednoliceniu pod względem energetycznym) orbitali walencyjnych atomu węgla. Hybrydyzacja sp 3 Powstaje w wyniku wymieszania orbitalu s i trzech orbitali p, powstają wówczas cztery równorzędne wiązania (sigma) wiązania leżące w jednej linii z jądrami łączących się atomów, np. jak w cząsteczce etanu: Hybrydyzacja sp 2 Powstaje poprzez nałożenie się dwóch orbitali p i jednego orbitalu s, atom C może wówczas utworzyć trzy wiązania i jedno mniej trwałe (pi) z nałożenia się niezhybrydyzowanych orbitali p, czyli jedno podwójne ( i ) i dwa pojedyncze ( ) , np. jak w cząsteczce etenu: Hybrydyzacja sp Powstaje poprzez nałożenie się jednego orbitalu s i jednego p. Możliwe jest wówczas powstanie wiązania potrójnego (jedno i dwa ) oraz pojedynczego pojedyncze, np. jak w cząsteczce etynu:

Podstawy chemii orga

  • View
    245

  • Download
    2

Embed Size (px)

Text of Podstawy chemii orga

  • 1

    PODSTAWY CHEMII ORGANICZNEJ Opracowanie: dr Urszula Lelek-Borkowska CZ TEORETYCZNA 1. Wstp

    Chemia organiczna to chemia zwizkw wgla (oprcz tlenkw oraz kwasu wglowego i jego pochodnych). Istnieje ogromna liczba zwizkw organicznych wystpujcych w przyrodzie oraz syntezowanych przez czowieka (obecnie > 10 000 000). Wszystkie zwizki organiczne podlegaj jednak kilku podstawowym zasadom: atomy wgla w zwizkach organicznych s zawsze czterowartociowe, atomy wgla mog czy si trwale w proste lub rozgazione acuchy o dowolnej dugoci, tworzy piercienie oraz kombinacje piercieni i acuchw, atomy wgla mog czy si ze sob lub atomami innych pierwiastkw za pomoc wiza pojedynczych, podwjnych lub potrjnych, elektrony nie uczestniczce w wizaniach pomidzy atomami wgla s wykorzystywane do tworzenia wiza z innymi pierwiastkami, kady zwizek organiczny charakteryzuje si waciw sobie budow, okrelon przez rodzaj, liczb i sposb powizania tworzcych go atomw,

    Nazwa zwizku organicznego musi by dokadna i jednoznaczna, tzn., na jej podstawie mona napisa wzr strukturalny tylko jednego, okrelonego zwizku organicznego. Pod jednym wzorem oglnym moe kry si kilka zwizkw o rnej strukturze.

    2. Hybrydyzacja atomw wgla i wizania wielokrotne

    Wgiel posiada w stanie wzbudzonym 4 elektrony walencyjne, 1 na orbitalu s i 3 na orbitalu p. 2s 2p 2s 2p

    stan podstawowy C: stan wzbudzony C*:

    Powstawanie wiza wielokrotnych w zwizkach organicznych moliwe jest dziki hybrydyzacji (ujednoliceniu pod wzgldem energetycznym) orbitali walencyjnych atomu wgla. Hybrydyzacja sp

    3

    Powstaje w wyniku wymieszania orbitalu s i trzech orbitali p, powstaj wwczas cztery rwnorzdne wizania (sigma) wizania lece w jednej linii z jdrami czcych si atomw, np. jak w czsteczce etanu:

    Hybrydyzacja sp

    2

    Powstaje poprzez naoenie si dwch orbitali p i jednego orbitalu s, atom C moe wwczas utworzy trzy

    wizania i jedno mniej trwae (pi) z naoenia si niezhybrydyzowanych orbitali p, czyli jedno podwjne ( i )

    i dwa pojedyncze ( ) , np. jak w czsteczce etenu:

    Hybrydyzacja sp Powstaje poprzez naoenie si jednego orbitalu s i jednego p. Moliwe jest wwczas powstanie wizania

    potrjnego (jedno i dwa ) oraz pojedynczego pojedyncze, np. jak w czsteczce etynu:

  • 2

    3. Charakterystyka wybranych zwizkw organicznych Podzia zwizkw organicznych

    Zwizki organiczne dzielimy oglnie na: wglowodory w ich skad wchodz wycznie atomy C i H, oraz zwizki z grupami funkcyjnymi, zawierajce take atomy innych pierwiastkw: O, N, S, itd.

    Wglowodory wystpuj w postaci acuchowej, jak i cyklicznej, mog by nasycone (wszystkie wizania pomidzy atomami wgla s pojedyncze alkany, cykloalkany) lub nienasycone (wystpuj wizania wielokrotne alkeny, alkiny, wglowodory aromatyczne).

    Grupy funkcyjne w pozostaych zwizkach organicznych determinuj wasnoci czsteczki

    3.1. Wglowodory

    3.1.1. Alkany, cykloalkany

    Alkany s wglowodorami nasyconymi wszystkie wizania pomidzy atomami wgla s pojedyncze.

    Wzr oglny CnH2n+2

    Nazewnictwo an

    Szereg homologiczny metan, etan, propan, butan, pentan, heksan, heptan, oktan, nonan, dekan, undekan, dodekan, tridekan, tetradekan, pentadekan, itd.

    Nazwa wzr oglny wzr grupowy wzr uproszczony

    metan CH4 CH4

    etan C2H6 CH3CH3

    propan C3H8 CH3CH2CH3

    butan C4H10 n-butan 2-metylopropa (izobutan)

    pentan C5H12

    pentan 2-metylobutan

    (izopentan)

    2,2-dimetylopropan

    (neopentan)

    Poczwszy od butanu acuch wglowy moe si rozgazia, wystpuje zjawisko izomerii, czyli rnic w budowie lub waciwociach czsteczek o takim samym skadzie atomowym. W przypadku alkanw jest to izomeria konstytucyjna rodzaj izomerii czsteczek chemicznych, posiadajcych t sam liczb tych samych atomw, midzy ktrymi wystpuje jednak inny ukad wiza chemicznych. Izomery konstytucyjne posiadaj ten sam oglny wzr sumaryczny. Izomery konstytucyjne maj zblione wasnoci chemiczne, rni si midzy sob wasnociami fizycznymi (np. temperatur wrzenia). Nazewnictwo alkanw rozgazionych: znajdujemy najduszy acuch wglowy i numerujemy atomy poczynajc od koca z wiksz iloci podstawnikw, znajdujemy wszystkie podstawniki i podajemy numery atomw C, przy ktrych si znajduj (np. 2,5metylo, 4etylo, itp.), podstawniki szeregujemy wg porzdku alfabetycznego:

  • 3

    Cykloalkany

    cyklopropan C3H6

    cyklobutan C4H8

    cyklopentan C5H10

    cykloheksan C6H12

    struktura krzesekowa Otrzymywanie Alkany uzyskuje si przede wszystkim ze rde naturalnych: gazu ziemnego oraz ropy naftowej w procesie rafinacji. Waciwoci fizyczne Pierwsze cztery homologi w warunkach normalnych s gazami, C5C15 s cieczami, Cn>15 s ciaami staymi. Wszystkie alkany maj gsto nisz od wody. S nierozpuszczalne w wodzie, rozpuszczaj si w eterze, benzenie i innych rozpuszczalnikach organicznych. Cyklopropan i cyklobutan s nietrwae, pozostae cykloalkany maj wasnoci podobne do alkanw. Waciwoci chemiczne Alkany s mao reaktywne ze wzgldu na wysycenie wiza (wszystkie wizania s pojedyncze). Ulegaj wycznie reakcjom substytucji (podstawiania) za atomy wodoru. Najwaniejsze reakcje: spalanie do dwutlenku wgla i wody (przy wystarczajcym dostpie tlenu), np.:

    CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

    substytucja (podstawianie) halogenowcami (za atomy wodoru) w obecnoci wiata jako katalizatora:

    CH3CH3 + Cl2 wiatlo

    CH3CH2Cl + HCl etan chloroetan Zastosowanie Uzyskiwanie energii z procesw spalania: metan gaz ziemny, propanbutan gaz turystyczny, izooktan (2,2,4trimetylopentan) paliwo wzorcowe do wyznaczania liczby oktanowej oraz dodatek do paliwa (liczba oktanowa okrela odporno mieszanki paliwowo-powietrznej na samozapon i spalanie stukowe, dla izooktanu wynosi 100); rozpuszczalniki heksan, halogenowcopochodne substraty do syntez organicznych. 3.1.2. Alkeny, dieny

    Alkeny (dieny) s wglowodorami nienasyconymi w czsteczce wystpuje jedno wizanie podwjne pomidzy atomami wgla ( w przypadku dienw dwa wizania podwjne).

    Wzr oglny CnH2n (CnH2n2)

    Nazewnictwo en (dien)

    Szereg homologiczny eten, propen, buten, penten, butadien, pentadien, itd.

    4etylo2,5dimetylooktan

  • 4

    Nazwa wzr

    oglny wzr grupowy wzr uproszczony

    eten (etylen) C2H4 CH2=CH2

    propen (propylen) C3H6 CH2=CH2-CH3

    buten C4H8 CH2=CH2-CH2-CH3

    but2en (2buten)

    C4H8 CH3-CH=CH-CH3

    buta1,3dien (1,3butadien)

    C4H6 CH2=CH-CH=CH2

    buta1,2dien (1,2butadien)

    C4H6 CH2=C=CH-CH2

    W alkenach oprcz izomerii konstytucyjnej (np. rne pooenie wizania podwjnego w butadienie)

    wystpuje take izomeria geometryczna (izomeria trans-cis, izomeria E-Z) zwizana z pooeniem podstawnikw przy wizaniach wielokrotnych (wiksze podstawniki po tej samej stronie wizania podwjnego izomeria cis, po przeciwnych stronach izomeria trans).

    cis (Z) but-2-en trans (E) but-2-en Otrzymywanie Alkeny otrzymuje si m.in. poprzez eliminacj halogenowcowodorw z halogenowcopochodnych alkanw.

    CH3CH2Cl CH2=CH2 + HCl

    Wikszo alkenw stosowanych w przemyle pochodzi z przerbki (krakingu niskocinieniowego, tzw.

    olefinowego) rnych frakcji ropy, gwnie benzyny cikiej. Waciwoci fizyczne Alkeny wykazuj waciwoci fizyczne zblione do analogicznych alkanw, w zalenoci od iloci atomw wgla w acuchu. Waciwoci chemiczne Alkeny s bardziej reaktywne od alkanw ze wzgldu na obecno wizania podwjnego, ktre pka i daje moliwo przyczania (addycji) innych czsteczek. Ulegaj take reakcjom polimeryzacji addycyjnej.

    Najwaniejsze reakcje: addycja czsteczki wodoru (uwodornienie):

    CH2=CH2 + H2 CH3CH3 addycja czsteczki halogenowca:

    1,2difluoroetan

    addycja czsteczki halogenowcowodoru: CH2=CH2 + HBr CH3CH2Br

    bromoetan addycja czsteczki wody:

    CH2=CH2 + H2O CH3CH2OH etanol

    Zastosowanie Alkeny maj zastosowanie przede wszystkim w syntezach organicznych i polimeryzacji. Najwiksze zastosowanie jako substrat ma etylen, otrzymuje si z niego midzy innymi: polietylen (PE), polichlorek winylu (PCW), rozpuszczalniki, leki, wkna syntetyczne, ywice, farby, kleje, polistyren, itp.

  • 5

    3.1.3. Alkiny W czsteczce alkinw wystpuje jedno wizanie potrjne, s wic wglowodorami nienasyconymi.

    Wzr oglny CnH2n2 Nazewnictwo yn (in) Szereg homologiczny etyn, propyn, butyn, pentyn, itd.

    Nazwa wzr oglny wzr grupowy wzr uproszczony

    etyn (acetylen) C2H2

    propyn C3H4

    butyn C4H6

    but2yn (2butyn) C4H6 Otrzymywanie Acetylen otrzymuje si w reakcji karbidu (CaC2 wgliku wapnia) z wod:

    + H2O CH CH + Ca(OH) 2

    karbid etyn (acetylen)

    Waciwoci fizyczne Pierwsze homologi s bezbarwnymi, wybuchowymi gazami o charakterystycznym zapachu. Waciwoci chemiczne Alkiny s jeszcze bardziej reaktywne od alkenw ze wzgldu na mniejsz trwao wizania potrjnego i rwnie ulegaj reakcjom addycji. Najwaniejsze reakcje: spalanie:

    CH CH + 5/2O2 2CO2 + H2O

    addycja czsteczki wodoru (uwodornianie) do etenu, w dalszym etapie do etanu: CH CH + H2 CH2=CH2 + H2 CH3CH3

    addycja czsteczki halogenowca:

    CH CH + Br2 BrCH=CHBr 1,2dibromoeten

    addycja czsteczki halogenowcowodoru: CH CH + HI CH2=CHI jodoeten

    (jodek winylu) addycja czsteczki wody:

    aldehyd octowy

    Zastosowanie Najwiksze zastosowanie posiada etyn, stosowany jest przede wszystkim w palnikach acetylenowo-tlenowych do spawania i cicia metali (osiga temp. 2700

    oC) , suy take do produkcji tworzyw sztucznych.

    3.1.4. Wglowodory aromatyczne

    Wglowodory aromatyczne s to zwizki cykliczne ze sprzonym ukadem wiza podwjnych (uoonych naprzemiennie) o specyficznych waciwociach. Najwaniejszym zwizkiem aromatycznym jest benzen. Teoretyczna struktura benzenu, a raczej dwie rwnorzdne struktury (struktury Kekulego prawdziwe tylko w warunkach niskotemperaturowych) posiadaj ukad trzech wiza podwjnych. W rzeczywistoci sze

    elektronw ze sabych wiza ma moliwo poruszania si po caej czsteczce tworzc sekstet (sze) zdelokalizowanych elektronw chmur elektronow wok czsteczki benzenu, oznaczan jako okrg.

  • 6

    teoretyczne struktury Kekulego struktura rzeczywista zapis uproszczony

    Szereg homologiczny benzen, toluen, ksylen, etylobenzen, itd.

    Nazwa wzr oglny wzr grupowy

    benzen C6H6

    toluen (metylobenzen)

    C6H5CH3

    ksylen (orto, meta, para ksylen)

    C6H5(CH3)2 1,2dimetylobenzen 1,3dimetylobenzen 1,4dimetylobenzen

    oksylen mksylen pksylen

    etylobenzen C6H5C2H5

    etylenobenzen (winylobenzen, styren)

    C6H5C2H3

    Ukady wielopiercieniowe

    naftalen C10H8

    antracen C14H10

    fenantren C14H10

    koronen C24H18

    fuleren C60

    Otrzymywanie Benzen otrzymuje si z przerbki ropy naftowej (piroliza, reforming). Waciwoci fizyczne Benzen jest bezbarwn, paln ciecz o gstoci mniejszej od wody, posiada charakterystyczny zapach, ma wasnoci rakotwrcze. Homologi benzenu maj wasnoci zblione do alkanw i benzenu. Waciwoci chemiczne

    Struktura benzenu (sze elektronw krcych po caej czsteczce) jest bardzo trwaa. W zwizku z tym, pomimo trzech wiza nienasyconych, benzen ulega reakcjom substytucji (podstawiania) za atomy wodoru.

  • 7

    Najwaniejsze reakcje:

    halogenowcowanie:

    chlorobenzen

    alkilowanie:

    toluen

    nitrowanie:

    nitrobenzen

    sulfonowanie:

    sulfobenzen

    uwodornienie:

    cykloheksan

    Zastosowanie

    Benzen, kiedy stosowany jako rozpuszczalnik, obecnie ze wzgldu na wasnoci rakotwrcze zosta wycofany z uytku. Stanowi za to jeden z najwaniejszych surowcw w syntezie organicznej, suy m. in. do produkcji tworzyw sztucznych, wkien syntetycznych, barwnikw, lekw, detergentw, pestycydw, a take do otrzymywania aniliny, fenolu i acetonu, itp.

    Najwaniejsze pochodne benzenu Nazwa wzr oglny wzr grupowy

    aminobenzen (anilina)

    C6H5 NH2

    nitrobenzen C6H5NO2

    2,4,6trjnitrotoluen (TNT)

    C6H5(CH3)(NO2)3

    sulfobenzen C6H6SO3H

    kwas benzoesowy C6H5COOH

  • 8

    aldehyd benzoesowy C6H5CHO

    azobenzen (C6H5)2N2

    kwas acetylosalicylowy (aspiryna)

    CH3COO(C6H4COOH)

    3.2. Zwizki z grupami funkcyjnymi

    Oprcz wglowodorw zbudowanych wycznie z atomw C i H, istnieje szereg zwizkw organicznych zawierajcych atomy innych pierwiastkw, najczciej tlenu, azotu i siarki. Obecno tych atomw powoduje, e zwizki wykazuj specyficzne waciwoci. Grup atomw, ktra decyduje o charakterze zwizku organicznego nazywamy grup funkcyjn.

    3.2.1. Alkohole, fenole, glikole (alkohole wielowodorotlenowe)

    Grupa funkcyjna OH hydroksylowa

    Wzr oglny ROH, ArOH,

    Nazewnictwo ol, alkohol owy, fenol

    Szereg homologiczny metanol, etanol, propanol, butanol, fenol, krezol, itd.

    Nazwa wzr oglny wzr grupowy

    metanol (alkohol metylowy) CH3OH CH3OH

    etanol (alkohol etylowy) C2H5OH CH3CH2OH

    propanol (alkohol propylowy)

    C3H8OH CH3CH2CH2OH propan1ol (npropanol) propan2ol (izopropanol)

    glikol etylenowy etan1,2diol

    C2H4(OH)2

    gliceryna propan1,2,3triol

    C3H5(OH)3

    fenol (hydroksybenzen)

    C6H5OH

    krezol (orto, meta, para krezol)

    C7H8O

    2metylofenol 3metylofenol 4metylofenol okrezol mkrezol pkrezol

    Rzdowo alkoholi Rzdowo alkoholi jest powizana z iloci atomw wgla, poczonych z atomem C, przy ktrym znajduje si grupa hydroksylowa.

    butan1ol

    alkohol pierwszorzdowy butan2ol

    alkohol drugorzdowy 2metylobutan2ol (izobutanol)

    alkohol trzeciorzdowy

  • 9

    Otrzymywanie Alkohole, zwaszcza etanol otrzymuje si w wyniku fermentacji alkoholowej, do celw przemysowych jest produkowany rwnie poprzez bezporedni syntez z tzw. gazu syntezowego (mieszanina CO, H2 i H2O). Alkohole mona rwnie otrzyma w drodze reakcji: hydrolizy halogenkw alkilw w rodowisku kwanym:

    CH3 CH2 Cl + H2O CH3 CH2 OH + HCl addycji czsteczki wody do alkenw:

    CH3 CH=CH2+ H2O CH3 CH2 CH2 OH redukcji aldehydw (alkohole 1 rzdowe):

    CH3CHO + H2 CH3CH2OH

    redukcji ketonw (alkohole 2 rzdowe):

    Waciwoci fizyczne Alkohole s lotnymi cieczami o charakterystycznym zapachu. Alkohol metylowy i glikole dwuwodorotlenowe s silnymi truciznami. Alkohol etylowy ma wasnoci narkotyczne. Waciwoci chemiczne Wodne roztwory alkoholi maj odczyn obojtny. Alkohole ulegaj utlenieniu do aldehydw (1rzdowe) i ketonw (2 rzdowe). Najwaniejsze reakcje: utlenianie do aldehydw, a nastpnie do kwasw organicznych (alkohole 1 rzdowe):

    RCH2OH + ]O[

    RCHO ]O[

    RCOOH utlenienie do ketonw

    spalanie:

    CH3OH + O2 2 + H2O reakcja z metalami tworzenie alkoholanw:

    2CH3CH2OH + 2Na 2CH3CH2ONa + H2O

    katalityczna dehydratacja (odwodnienie):

    CH3CH2OH .kat

    CH2=CH2+ H2O

    estryfikacja - reakcja z kwasami organicznymi bd nieorganicznymi z utworzeniem estrw:

    kwas octowy octan etylu

    (ester etylowy kwasu etanowego)

    gliceryna trjazotan gliceryny (bdnie nazywany nitrogliceryn)

    reakcja jodoformowa Liebena, charakterystyczna dla ugrupowania CH3CO oraz zwizkw, ktre daj to ugrupowanie w reakcji utlenienia, np. etanolu:

    CH3CH2OH + 4I2 + 6NaOH CHI3 + HCOONa + 5NaI + 5H2O jodoform

  • 10

    Zastosowanie Alkohole stosowane s najczciej jako rozpuszczalniki organiczne, substraty do syntez organicznych, etanol stosowany jest do produkcji lekw i celw spoywczych. Gliceryna stosowana jest w przemyle: farmaceutycznym, spoywczym, kosmetycznym (kremy, myda) i skrzanym (garbowanie), wykorzystywana jest take do produkcji materiaw wybuchowych, barwnikw, pynw hamulcowych i chodniczych. 3.2.2. Etery Grupa funkcyjna O mostek tlenowy Wzr oglny R

    OR

    , ArOR, ArOAr

    Nazewnictwo eter owy

    Nazwa wzr oglny wzr grupowy

    eter dimetylowy C2H6O CH3OCH3

    eter dietylowy C4H10O CH3CH2OCH2CH3

    eter etylometylowy C3H8O CH3OCH2CH3

    1,4dioksan C4H8O2

    oksantren (dioksyna)

    (dibenzo-1,4-dioksyna) C12H8O2

    Etery cykliczne (etery koronowe)

    tetrahydrofuran C4H8O

    korand (18)korona(6)

    C12H24O6

    Otrzymywanie Etery uzyskuje si najczciej przez odwodnienie alkoholi:

    2CH3CH2OH CH3CH2OCH2CH3 Mona je otrzyma take w reakcji alkoholanu z halogenowcopochodn (synteza Williamsona)

    CH3CH2ONa + CH3CH2CH2Cl CH3CH2OCH2CH2CH3 + NaCl

    Dioksyny powstaj podczas spalania substancji organicznych (np. plastikw) przy niedoborze tlenu. Waciwoci fizyczne Eter dimetylowy i etylometylowy s gazami. Poczwszy od eteru dietylowego etery alkilowe s cieczami. Cz z nich ma dziaanie narkotyczne, znieczulajce i nasenne. Dioksyny s jednymi z najbardziej toksycznych zwizkw organicznych. Waciwoci chemiczne Etery s do trwaymi i niezbyt reaktywnymi zwizkami. Ulegaj utlenieniu do polieterw. Najwaniejsze reakcje:

    utlenianie:

    CH3CH2OCH2CH3 ]O[

    CH3CH2OOCH2CH3 Zastosowanie Rozpuszczalniki w procesie ekstrakcji (np. w pralniach chemicznych), w syntezach organicznych, do uzyskiwa-nia niskich temperatur, dawniej w lecznictwie jako rodek nasenny i znieczulajcy. 3.2.3. Aldehydy

    Wzr oglny RCHO

    Nazewnictwo al, aldehyd owy

    Grupa funkcyjna aldehydowa

  • 11

    Szereg homologiczny metanal, etanal, propanal, butanal, itd.

    Nazwa wzr oglny wzr grupowy

    metanal (aldehyd mrwkowy, formaldehyd, formalina)

    CH2O

    etanal (aldehyd octowy) C2H4O

    propanal (aldehyd propionowy) C3H6O

    aldehyd benzoesowy C7H6O

    Otrzymywanie Aldehydy uzyskuje si w reakcji utleniania alkoholi pierwszorzdowych:

    CH3OH]O[

    HCHO Waciwoci fizyczne Aldehydy s to toksyczne substancje bdce w wikszoci ciaami staymi, sabo rozpuszczalnymi w wodzie, o charakterystycznym, dusznym zapachu. Wyjtek stanowi aldehyd mrwkowy i octowy, ktre s gazami dobrze rozpuszczalnymi w wodzie (do ok. 40% wagowych). Aldehyd benzoesowy jest nietoksyczny. Waciwoci chemiczne Aldehydy posiadaj silne waciwoci redukujce, same utleniajc si do kwasw organicznych. Najwaniejsze reakcje: redukcja do alkoholi 1 rzdowych:

    CH3CHO]H[

    CH3CH2OH utlenianie do kwasw organicznych:

    CH3CHO]O[

    CH3COOH Przykadami reakcji utleniania aldehydw s:

    prba Tollensa (lustra srebrnego) polegajca na reakcji aldehydu z jonem kompleksowym srebra (dwuamminosrebra), w wyniku ktrej ulega on utlenieniu do kwasu organicznego, za srebro jest redukowane do srebra metalicznego:

    2[Ag(NH3)2]OH + HCHO + NH4OH 2Ag + HCOOH + 2H2O + 5NH3

    prba Fehlinga, w ktrej utleniajcy si aldehyd redukuje jony miedzi (II) do miedzi (I):

    2Cu(OH)2 + CH3CHO + NaOH Cu2O + CH3COONa + 3H2O Zastosowanie Aldehydy stosowane s do syntez organicznych (tworzywa sztuczne, barwniki), w przemyle spoywczym i kosmetycznym (skadniki kompozycji zapachowych i aromatw spoywczych). w garbarstwie (aldehyd glutarowy). 3.2.4. Ketony

    Grupa funkcyjna C=O karbonylowa

    Wzr oglny R'COR

    Nazewnictwo -on, keton

    Szereg homologiczny propanon, butanon, pentanon, itd.

    Nazwa wzr oglny wzr grupowy

    propanon dimetyloketon, aceton

    CH3COCH3

    butanon etylometyloketon

    CH3COC2H5

  • 12

    pentan2on metylopropyloketon

    CH3COC3H7

    pentan3on dietyloketon

    C2H5COC2H5

    Otrzymywanie Ketony otrzymuje si podczas utleniania alkoholi 2 rzdowych:

    Waciwoci fizyczne Nisze ketony s mao toksycznymi, rozpuszczalnymi w wodzie, atwopalnymi cieczami o charakterystycznym zapachu. Waciwoci chemiczne Ketony maj wasnoci zblione do aldehydw. Najwaniejsze reakcje:

    utlenianie do kwasw karboksylowych (czsteczka ketonu ulega rozpadowi):

    redukcja do alkoholi 2 rzdowych:

    reakcja jodoformowa Gunninga (charakterystyczna dla metyloketonw zawierajcych grup

    CH3CO):

    RCOCH3 + 3I2 +4NaOH RCOONa + CHI3 + 3H2O + 3NaI jodoform

    Zastosowanie Ketony s szeroko stosowane jako rozpuszczalniki (aceton), pprodukty w syntezie chemicznej, skadniki kompozycji zapachowych i przypraw spoywczych, chloro- i bromopochodne ketony s stosowane jako rodki trujce (chloroacetofenon, chloro- i bromoaceton). 3.2.5. Kwasy karboksylowe

    Wzr oglny RCOOH

    Nazewnictwo kwas owy

    Szereg homologiczny kwas metanowy, etanowy, propanowy, butanowy, itd.

    Nazwa wzr oglny wzr grupowy lub uproszczony

    kwas metanowy (mrwkowy) CH2O2

    kwas etanowy (octowy) C2H4O2

    kwas propanowy (propionowy) C3H6O2

    kwas butanowy (masowy) C4H8O2

    kwas palmitynowy C15H31COOH

    Grupa funkcyjna karboksylowa

  • 13

    kwas margarynowy C16H33COOH

    kwas stearynowy C17H35COOH

    kwas etanodiowy (szczawiowy) (COOH)2

    kwas propanodiowy(malonowy) HOOCCH2COOH

    kwas heksanodiowy (adypinowy)

    HOOC(CH2)4COOH

    kwas benzoesowy C6H5COOH

    kwas ftalowy kwas 1,2benzenodikarboksylowy

    C6H5(COOH)2

    kwas tereftalowy kwas 1,4benzenodikarboksylowy

    C6H5(COOH)2

    Otrzymywanie Kwasy karboksylowe uzyskuje si w wyniku utleniania alkoholi i aldehydw:

    CH3CH2CH2OH ]O[

    CH3CH2CHO ]O[

    CH3CH2COOH Waciwoci fizyczne Kwasy karboksylowe z krtkimi acuchami s dobrze rozpuszczajcymi si w wodzie cieczami o ostrym, nieprzyjemnym zapachu. Kwasy karboksylowe o dugich (powyej 10 atomw wgla) s ciaami staymi i nosz nazw kwasw tuszczowych. Kwas mrwkowy ma wasnoci grzybobjcze. Waciwoci chemiczne Kwasy organiczne s sabymi kwasami, ulegaj dysocjacji. Tworz sole z wodorotlenkami i estry z alkoholami. Sole sodowe i potasowe wyszych kwasw tuszczowych Najwaniejsze reakcje: redukcja do aldehydw i alkoholi:

    CH3COOH]H[

    CH3CHO ]H[

    CH3CH2OH tworzenie soli (zobojtnianie wodorotlenkami):

    octan sodu

    estryfikacja (reakcja z alkoholami):

    ester etylowy kwasu etanowego

    octan etylu Zastosowanie Kwasy stosowane s do produkcji rodkw zapachowych, barwnikw, lekw. Kwasy tuszczowe su do produkcji myda, kwas mrwkowy do produkcji rodkw grzybobjczych, kwas tereftalowy - do produkcji wkien poliestrowych oraz wkien poliamidowych o duej wytrzymaoci na zrywanie (kevlar - kamizelki kuloodporne).

  • 14

    3.2.6. Hydroksykwasy

    S to pochodne kwasw karboksylowych, posiadajce oprcz grupy kwasowej grup hydroksylow.

    W zalenoci od pooenia grupy hydroksylowej wzgldem grupy kwasowej rozrniamy -, -, -, -hydroksykwasy (kolejne atomy wgla w acuchu oznacza si symbolami greckimi).

    Grupa funkcyjna COOH, OH karboksylowa, hydroksylowa

    -hydroksykwas -hydroksykwas -hydroksykwas Nazewnictwo kwas hydroksy owy Nazwa wzr oglny wzr grupowy

    kwas hydroksyetanowy CH2(OH)COOH

    kwas 2hydroksypropanowy (mlekowy)

    CH3CH(OH)COOH

    kwas 2,3-dihydroksybutanodiowy (winowy)

    HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH

    kwas hydroksybutanodiowy (jabkowy)

    HOOC-CH2-CH(OH)-COOH

    kwas 2-hydroksy-1,2,3-propanotrikarboksylowy

    (cytrynowy)

    HOOC-CH2-C(OH)(COOH)-CH2-COOH

    kwas 2hydroksybenzoesowy (salicylowy)

    C6H4(OH)COOH

    Otrzymywanie Hydroksykwasy otrzymuje si halogenokwasw w reakcji z wodorotlenkiem, np. NaOH:

    Waciwoci fizyczne Hydroksykwasy to ciecze lub ciaa stae, dobrze rozpuszczalne w wodzie i sabo w rozpuszczalnikach organicznych. Waciwoci chemiczne Hydroksykwasy s nieco mocniejszymi kwasami ni odpowiadajce im kwasy karboksylowe. S zarwno kwasami jak i alkoholami, tworz sole, estry, amidy, itd. -hydroksykwasy podczas ogrzewania wskutek wzajemnej estryfikacji dwch czsteczek z odszczepieniem dwch czsteczek wody tworz cykliczne laktydy. Najwaniejsze reakcje: tworzenie soli, estryfikacja, tworzenie estrw midzyczsteczkowych (laktydw):

    laktyd

    tworzenie amidw. Zastosowanie

    Wzr oglny

  • 15

    Przemys spoywczy (kwas mlekowy, cytrynowy, kwasy owocowe), garbarstwo, farbiarstwo, rodki

    bakteriobjcze (kwas salicylowy), synteza lekw (salicylany), przemys kosmetyczny ( -hydroksykwasy AHA). 3.2.7. Aminokwasy Aminokwasy s pochodnymi kwasw organicznych z grup aminow doczon do acucha wglowego.

    Szczeglnie wan grup stanowi aminokwasy, s one bowiem podstawowym budulcem acucha DNA.

    Wzr oglny RCH(NH2)COOH Nazewnictwo kwas amino owy (aminokwasy biakowe nosz nazwy zwyczajowe i ich uywa si w praktyce)

    Nazwa wzr oglny wzr grupowy symbol

    aminokwasu biakowego

    kwas-2-aminoetanowy (aminooctowy)

    glicyna CH2(NH2)COOH

    Gly

    kwas 2aminopropanowy alanina

    CH3CH(NH2)COOH

    Ala

    walina (CH3)2CHCH(NH2)COOH

    Val

    cysteina (SH)CH2CH(NH2)COOH

    Cys

    lizyna NH2CHCH2CH(NH2)COOH

    Lys

    kwas aspraginowy COOHCH2CH(NH2)COOH

    Asp

    fenyloalanina C6H5CH2CH(NH2)COOH

    Phe

    tryptofan C8H5(NH)CH2CH(NH2)COOH

    Trp

    (w tabeli podano kilka z 22 aminokwasw tworzcych acuch DNA) Otrzymywanie Aminokwasy otrzymuje si halogenowcopodstawionych kwasw lub ich estrw w reakcji z amoniakiem:

    Waciwoci fizyczne Aminokwasy s Aminokwasy s krystalicznymi ciaami staymi, cho oczekiwalibymy raczej cieczy. Do dobrze rozpuszczaj si w wodzie, nie rozpuszczajc si prawie w rozpuszczalnikach niepolarnych. Waciwoci chemiczne Aminokwasy maj wasnoci zarwno kwasw i amin. Najwaniejsze reakcje: tworzenie soli, estryfikacja, tworzenie peptydw:

    Grupa funkcyjna

  • 16

    wizanie peptydowe (biakowe) polikondensacja. Zastosowanie Aminokwasy stosowane s w syntezie biaek oraz wkien poliamidowych (nylon, elana, itd.) 3.2.8. Amidy

    Wzr oglny RCONH2 Nazewnictwo amid kwasu owego, amid Szereg homologiczny amid kwasu metanowego, amid kwasu etanowego, amid kwasu propanowego, itd.

    Nazwa wzr oglny wzr grupowy

    amid kwasu metanowego (amid kwasu mrwkowego)

    (formamid) HCONH2

    amid kwasu octowego (acetamid)

    CH3CONH2

    karbonamid (mocznik)

    NH2CONH2

    N,Ndimetyloformamid (DMF)

    HCON(CH3)2

    amid kwasu benzoesowego (benzamid)

    C6H5CONH2

    Rzdowo amidw Rzdowo amidw zwizana jest z iloci atomw wgla, poczonych z atomem azotu w grupie amidowej:

    amid pierwszorzdowy amid drugorzdowy amid trzeciorzdowy

    Otrzymywanie Amidy otrzymuje si w reakcji kwasu organicznego z amoniakiem:

    CH3COOH + NH3 .temp

    CH3CONH2 + H2O Waciwoci fizyczne Najprostsze aminy s gazami, rednie s cieczami o zapachu amoniaku, rozpuszczalnymi w wodzie. Wysze aminy s bezwonne i nierozpuszczalne w wodzie. Waciwoci chemiczne Amidy s znacznie mniej reaktywne ni chlorki kwasowe lub estry. S one amfolitami tzn. reaguj zarwno z kwasami, jak i z zasadami, co jest spowodowane wystpowaniem tautomerii amidowo-imidowej: Najwaniejsze reakcje: hydrolizy w rodowisku kwanym do kwasw organicznych:

    hydrolizy w rodowisku zasadowym do soli:

    Grupa funkcyjna amidowa

  • 17

    redukcja amidw prowadzca do amin:

    dehydratacja pierwszorzdowych amidw do nitryli. Zastosowanie Amidy znalazy zastosowanie midzy innymi w lecznictwie, w przemyle tworzyw sztucznych, jako plastyfikator, rozpuszczalnik, rodek zwilajcy w produkcji lakierw i materiaw wybuchowych, do impregnacji tkanin nieprzemakalnych (amidy kwasu stearynowego). 3.2.9. Estry

    Wzr oglny R

    'COOR

    Nazewnictwo an ylu, ester owy kwasu owego

    Nazwa wzr oglny wzr grupowy

    mrwczan metylu ester metylowy kwasu metanowego

    HCOOCH3

    octan metylu ester metylowy kwasu etanowego

    CH3COOCH3

    octan etylu ester etylowy kwasu etanowego

    CH3COOC2H5

    octan benzylu ester benzylowy kwasu etanowego

    CH3COOCH2C6H5

    benzoesan metylu ester metylowy kwasu benzoesowego

    C6H5COOCH3

    benzoesan etylu ester etylowy kwasu benzoesowego

    C6H5COO C2H5

    Otrzymywanie Estry powstaj w reakcji kwasw karboksylowych z alkoholami:

    lub reakcji kwasw nieorganicznych z alkoholami:

    HONO2+ CH3CH2OH NO2OCH2CH3 azotan etylu

    Waciwoci fizyczne Estry niszych kwasw karboksylowych i alkoholi s cieczami sabo mieszajcymi si z wod, o intensywnym i do przyjemnym zapachu, toksyczne w wikszych dawkach. Estry kwasw tuszczowych i gliceryny to tuszcze. Waciwoci chemiczne Estry w wodzie ulegaj hydrolizie, podobnie jak sole sabych kwasw nieorganicznych. Z wodorotlenkiem sodu lub potasu ulegaj zmydlaniu. Najwaniejsze reakcje: hydroliza

    CH3COOC2H5 + H2O CH3COOH + C2H5OH zmydlanie (reakcja estrw kwasw tuszczowych i gliceryny z wodorotlenkiem sodu lub potasu):

    Grupa funkcyjna estrowa

  • 18

    mydo sodowe

    Zastosowanie Kiedy szeroko stosowane jako zwizki zapachowe w przemyle spoywczym i kosmetycznym, obecnie wycofane ze wzgldu na wasnoci rakotwrcze. Tuszcze estry wyszych kwasw (>C15) i gliceryny stosowane s do produkcji myde. 3.2.10. Aminy

    Aminy s pochodnymi amoniaku, w ktrym jeden, dwa lub trzy wodory zostay zastpione wglowodorem.

    Grupa funkcyjna NH2 aminowa

    Wzr oglny RNH2 Nazewnictwo amina

    Szereg homologiczny metyloamina, etylenoamina, propyloamina, butyloamina, itd.

    Nazwa wzr oglny wzr grupowy

    metanoamina (metyloamina)

    CH3NH2 CH3NH2

    metanodiamina (metylenodiamina)

    NH2CH2NH2 NH2CH2NH2

    dimetyloamina CH3NHCH3 CH3NHCH3

    etanoamina (etylodiamina)

    C2H5NH2 CH3CH2NH2

    etyleno1,2diamina NH2C2H4NH2 NH2CH2CH2NH2

    Nmetyloetanoamina CH3CH2NHCH3

    heksametylenodiamina NH2(CH3)6NH2

    benzenoamina (anilina, fenyloamina)

    C6H5NH2

    Nmetylobenzenoamina (Nmetylofenyloamina)

    C6H5NHCH3

    difenyloamina

    Rzdowo amin Rzdowo amin zaley od iloci atomw wgla, poczonych z atomem azotu w grupie aminowej:

    amina pierwszorzdowa amina drugorzdowa amina trzeciorzdowa

    Otrzymywanie Aminy alifatyczne mona otrzyma poprzez reakcje halogenowcopochodnych z amoniakiem, jednake synteza ta zawsze prowadzi do mieszaniny produktw (od aminy pierwszorzdowej a do czwartorzdowej soli amoniowej). Waciwoci fizyczne I i II rzdowe aminy z grupami alkilowymi maj charakterystyczny rybi zapach. Aminy z grupami metylowymi s dobrze rozpuszczalnymi w wodzie gazami, aminy z wyszymi grupami alifatycznymi s cieke lub stae i ze wzrostem dugoci acuchw wglowych coraz gorzej rozpuszczaj si w wodzie. Aminy aromatyczne s cieczami lub ciaami staymi o ostrym, charakterystycznym zapachu. Waciwoci chemiczne

  • 19

    Wasnoci chemiczne amin s zblione do amoniaku. S to zwizki o silnych wasnociach zasadowych, atwo reaguj z kwasami nieorganicznymi i organicznymi oraz posiadaj odczyn zasadowy w roztworach wodnych. Najwaniejsze reakcje: reakcja z wod:

    CH3NH2 + H2O CH3NH3+ + OH

    reakcja z kwasami nieorganicznymi: CH3NH2 + HCl CH3NH3

    +Cl

    chlorek amoniowy Zastosowanie Aminy alifatyczne stosowane s jako pprodukty w syntezach organicznych m. innymi do produkcji lekw, rodkw ochrony rolin, tworzyw sztucznych. Aminy aromatyczne su ponadto do produkcji barwnikw. 3.2.11. Nitrozwizki

    Wzr oglny RNO2, ArNO2, Nazewnictwo nitro Szereg homologiczny nitrometan, nitroetan, nitropropan, itp.

    Nazwa wzr oglny wzr grupowy

    nitrometan CH3NO2 CH3NO2

    nitroetan C2H5NO2 1nitropropan C3H7NO2

    nitrobenzen C6H5NO2

    2nitro1metylobenzen nitrotoluen

    C6H5(CH3)NO2

    2,4,6trjnitrotoluen (TNT)

    C6H5(CH3)(NO2)3

    2,4,6trjnitrofenol (kwas pikrynowy)

    C6H5(OH)(NO2)3

    Otrzymywanie Nitrozwizki uzyskuje si w reakcji nitrowania w obecnoci rodka odwadniajcego (st. H2SO4):

    Waciwoci fizyczne Nitrozwizki s to ciecze albo ciaa stae nierozpuszczalne w wodzie, silnie toksyczne. Waciwoci chemiczne

    Grupa funkcyjna nitrowa

  • 20

    Zwizki nitrowe redukuj si do amin pierwszorzdowych. Najwaniejsze reakcje:

    redukcja si do amin:

    CH3CH2NO2 ]H[

    CH3CH2NH2 etyloamina

    anilina

    Zastosowanie Alifatyczne zwizki nitrowe s dobrymi rozpuszczalnikami. Stosowane s jako paliwa rakietowe. Aromatyczne zwizki nitrowe su jako pprodukty w przemyle organicznym. Nitrozwizki maj najwiksze zastosowanie w produkcji materiaw wybuchowych, z ktrych najbardziej znany jest trjnitrotoluen (TNT, TROTYL) oraz kwas pikrynowy. 3.2.12. Wglowodany Wglowodany s to zwizki, w ktrych stosunek iloci atomw wodoru do tlenu jest taki sam, jak w wodzie (1:2), zwizki te posiadaj w swoich czsteczkach grupy wodorotlenowe, aldehydowe i karbonylowe (ketonowe). W-glowodany na: cukry proste (monosacharydy), dwucukry (disacharydy), wielocukry (oligosacharydy i polisacha-rydy). Wikszo biologicznie wanych monosacharydw ma 5 lub 6 atomw wgla. Wzr oglny Cn(H2O)n

    Nazewnictwo oza,

    Nazwa wzr oglny wzr grupowy forma cykliczna

    ryboza C5H10O5

    Dryboza

    glukoza C6H12O6

    Dglukopiranoza

    fruktoza C6H12O6

    Dfruktoza

    Prawie wszystkie monosacharydy s optycznie czynne, czyli wykazuj chiralno - wystpowanie zjawiska izomerii optycznej. Izomeria optyczna (chiralno), jest to rodzaj izomerii konfiguracyjnej, ktra polega na wystpowaniu dwu rnych odmian postaci niektrych zwizkw chemicznych, ktre nie rni si niczym oprcz tego, e stanowi swoje wzajemnie nienakadalne odbicie lustrzane:

  • 21

    L-glukoza D-glukoza

    Pary takich izomerw nazywa si enancjomerami, wykazuj si one czsto odmiennymi waciwociami, np. kierunkiem skrcalnoci wiata spolaryzowanego, czy sposobem krystalizacji. Otrzymywanie Wglowodany wystpuj naturalnie w przyrodzie: ryboza w kwasach nukleinowych (RNA), nukleotydach niektrych koenzymach (koenzym A) i witaminach (witamina B12), glukoza owoce, winogrona, mid, powstaje w organizmie z rozpadu wglowodanw zoonych, fruktoza: owoce, mid, powstaje w organizmie z rozpadu sacharozy i aspartamu. Waciwoci chemiczne Wszystkie monosacharydy posiadaj waciwoci redukcyjne. Najwaniejsze reakcje: monocukry ulegaj reakcjom, jak ketony, aldehydy i alkohole, np. reakcja Tollensa, estryfikacja. Zastosowanie

    Wglowodany speniaj w organizmach nastpujce funkcje: zapasowe podczas wieloetapowego spalania 1 g glukozy w komrkach wyzwala si 17,2 kJ energii, transportowe glukoza, budulcowe - (celuloza, hemiceluloza), wchodz w skad DNA i RNA, stanowi modyfikacj niektrych biaek, hamuj krzepnicie krwi - heparyna, s materiaem energetycznym (fruktoza) i odywczym (maltoza, laktoza, rafinoza).

    PYTANIA KONTROLNE

    1. Podzia wglowodorw. 2. Scharakteryzowa alkany i alkiny (wzory, nazewnictwo, reakcje). 3. Omwi wizanie wystpujce w piercieniu aromatycznym. 4. Co to s etery i jak powstaj? 5. Jakie znasz alkohole wielowodorotlenowe? 6. Co to s fenole? 7. Jak otrzymuje si aldehydy i ketony? 8. Kwasy karboksylowe i ich pochodne 9. Na czy polega reakcja estryfikacji 10. Omwi aminy. 11. Co to s wglowodany?

    12. Jakie znaczenie maj -aminokwasy?