Download pdf - 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.


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


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.


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.


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.


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


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.


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.


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?