ORGANICKÁ CHEMIE úvod

Transkript

1 ORGANICKÁ CEMIE 1

2 ORGANICKÁ CEMIE úvod Organické látky = látky přítomné v organismu VIS VITALIS ŽIVOTNÍ SÍLA r F. Wőhler připravil močovinu. Močovina byla první organickou sloučeninou připravenou uměle z anorganických surovin, a to zahříváním kyanatanu amonného. 2

3 ORGANICKÁ CEMIE 3

4 ORGANICKÁ CEMIE úvod Dnes se org. Chemie = CEMIE LÁTEK, SLOUČENIN C Kromě (CO, CO 2, 2 CO 3, soli) Pozn.: Původně jako organické - byly zisk. z rostl. a živ.org., Dnes 20 milionů org.sl. (z nichž značný podíl představují sl. připravené synteticky). SLOŽENÍ ORG. SLOUČENIN: Malé množství prvků : C,, ale i O, N, alogeny, fosfor a síra 4

5 ORGANICKÁ CEMIE C ZÁKLADNÍ PRVEK ORG. CEMIE VLASTNOSTI ULÍKU: STABILITA ULÍKOVÝC ŘETĚZCŮ 1) Energie vazby C-C vysoká (346 kj/mol), pevná 2) Elektronegativita uprostřed (2,55) 3) Nemá volné elektronové páry ani prázdné orbitaly TYTO PODMÍNKY SPLŇUJE Z PSP JEN ULÍK Pzn. Každá vazba je charakterizována svojí energií. Při vzniku vazby s velkou energií se uvolňuje velké množství tepla. 5

6 ORGANICKÁ CEMIE Ad2) Elektronegativita uprostřed (2,55) Paulingova stupnice elektronegativit prvků 2,2 Li Be B C N O F 0,98 1,57 2,04 2,55 3,04 3,44 4 Na Mg Al Si P S Cl 0,93 1,31 1,51 1,9 2,19 2,58 3,16 As Se Br 2,18 2,55 2,96 I 2,66 6

7 ORBITAL ORGANICKÁ CEMIE Ad3) Elektrony a orbitaly ( konfigurace) kvantový stav elektronu v elektronovém oblaku okolo atomu ohraničuje oblast, kde je nejvyšší pravděpodobnost výskytu daného elektronu. Prvky nepřechodné tzn., že jejich valenční elektrony jsou umístěny v orbitalech s ( kulový tvar) a v orbitalech p, 7

8 ORGANICKÁ CEMIE Ad3) Elektrony a orbitaly ( konfigurace) ULÍK: 6 C 1s 2 2s 2 2p 2 1) uhlík vždy čtyřvazný 2) uhlíkové atomy tvoří vazby s jinými atomy mezi sebou (jednoduché, dvojné i trojné) YBRIDIZACE = SPOJENÍ ORBITÁLŮ NA STEJNOU ENERGETICKOU ODNOTU 8

9 VAZBA C-C, C C, VAZNOST DÉLKA VAZBY C C sp 3 C C 0,154 nm C C sp 2 C=C 0,134 nm C C sp 1 C C 0,120 nm ybridizace sp 3, sp 2, sp 1 9

10 Vaznost VAZNOST číslo určující počet kovalentních vazeb vycházejících z daného atomu ve sloučenině. (V chemii (zvláště org.) mají některé prvky vaznost ve všech sloučeninách stejnou.) C čtyřvazný: C C C C N trojvazný: N N N O, S dvojvazné: O O S 10

11 VAZNOST C 1) PRIMÁRN RNÍ C 2) SEKUNDÁRN RNÍ C 3) TERCIÁRN RNÍ C 4) KVARTERNÍ C 11

12 VZORCE V ORGANICKÝC SLOUČENIN ENINÁC 1) STECIOMETRICKÝ = EMPIRICKÝ 2) MOLEKULOVÝ= SOURNNÝ = SUMÁRNÍ 3) KONSTITUČNÍ = STRUKTURNÍ 4) ELEKTRONOVÝ STRUKTURNÍ 5) GEOMETRICKÝ = PROSTOROVÝ 6) FUNKČNÍ = RACIONÁLNÍ 12

13 VZORCE V ORGANICKÝC SLOUČENIN ENINÁC 1) STECIOMETRICKÝ = EMPIRICKÝ - udává z jakých prvků se sloučenina skládá a v jakém jsou poměru atomy Př. C 3 O 13

14 VZORCE V ORGANICKÝC SLOUČENIN ENINÁC 2) MOLEKULOVÝ = SOURNNÝ = SUMÁRNÍ udává druh a počet jednot. atomů v molekule, může být totožný se stechiometrickým vzorcem, nebo je jeho celistvým násobkem pořadí prvků : - po C a následují ostatní značky dle abecedy (př. vzorec C 3 4 BrNO 2 udává: molekula obsahuje 3 atomy uhlíku, 4 atomy vodíku, 1 atom bromu, 1 atom dusíku a 2 atomy kyslíku) o struktuře sloučeniny velmi málo (vyjimečně) 14

15 VZORCE V ORGANICKÝC SLOUČENIN ENINÁC 3) KONSTITUČNÍ = STRUKTURNÍ -vyjadřuje konstituci pořad adí a způsob jakým jsou atomy v molekule vázány v -(vazebné poměry v molekule) O C C O 15

16 VZORCE V ORGANICKÝC SLOUČENIN ENINÁC 4) ELEKTRONOVÝ STRUKTURNÍ - doplnění o volné elektronové páry (informace o rozložení el. párů v molekule) O C C O 16

17 VZORCE V ORGANICKÝC SLOUČENIN ENINÁC 5) GEOMETRICKÝ = PROSTOROVÝ - znázorňuje prostorové uspořádání atomů v molekule C 2 O C O O O O O O 17

18 VZORCE V ORGANICKÝC SLOUČENIN ENINÁC 6) FUKNČNÍ = RACIONÁLNÍ zachycuje char. uskupení atomů tzv. char. (funkční) skupiny př. O, COO apod., 18

19 Voda Stechiometrický (empirický) 2 O Molekulový (souhrnný, sumární) 2 O Peroxid vodíku ethan benzen O 2 O 2 C 3 C 2 6 C C

20 Nejjednodušší sloučeniny C a. Od nich odvozujeme ostatní org. sl. vazba jednoduchá Násobná vazba (dvojná, trojná) alicyklické monocyklické polycyklické 20

21 Uhlovodíkové řetězce mohou být: přímé C C C C otevřené rozvětvené C C C C - uzavřené cyklické C C C C 21

22 IZOMERIE Jev, kdy jednomu molekulovému vzorci odpovídá několik různých sloučenin lišících se 1) povahou vazeb 2) jejich pořadím 3) nebo jen prostorovým uspořádáním atomů. Takové sloučeniny jsou pak svými izomery. 22

23 IZOMERIE IZOMERY: (org. sloučeniny) - stejné chemické složení - různé prostorové uspořádání jiné fyzikální a ch. vlastnosti.!!!!!!!!!!!!!!! = existence 2 nebo více v sloučenin stejný rozdílný vzorec sumárn rní = molekulový souhrnný ý (i empirický) vzorec strukturní 23

24 IZOMERIE IZOMERIE: 1) KONSTITUČNÍ a) řetězová b) polohová c) skupinová d) tautomerie 2) PROSTOROVÁ (STEREOIZOMERIE) A) KONFIGURAČNÍ a) cis (geometrická) b) trans B) KONFORMAČNÍ C) OPTICKÁ 24

25 1) KONSTITUČNÍ - odlišná vnitřní struktura a) řetězová rozdíl je v typu uhlíkatého řetězce, liší se způsobem uspořádání uhlíkatého řetězce C C C C C C C C 3 C b) polohová C 4 10 C 4 10 liší se polohou substituentů v molekule nebo polohou násobné vazby O-C 2 C 2 C 3 3 CCC 3 STRUKTURNÍ O C 3 8 O MOLEKULOVÝ C 3 8 O 25

26 IZOMERIE c) Skupinová - Obsahují ve svých molekulách různé funkční skupiny 3 C C 2 C 2 C 2 O Butan-1- ol 3 C C 2 O C 2 C 3 diethylether 26

27 IZOMERIE d) Tautomerie liší se umístěním dvojné vazby a polohou jednoho atomu vodíku enol-keto tautomerie 27

28 IZOMERIE 2) PROSTOROVÁ a) KONFIGURAČNÍ (geometrická) stejné strukturní vzorce, ale odlišné prostorové uspořádání (u dvojné vazby) 3 C C 3 C 3 3 C a) cis -but-2 -en b) trans but-2-en 28

29 IZOMERIE 2) PROSTOROVÁ b) KONFORMAČNÍ u necyklických uhlovodíků - různá prostorová uspořádání téže molekuly - volné otáčení kolem jednoduchých vazeb okolo σ vazby - Konformační izomery = konformery (př. Ethan) 29

30 b) KONFORMAČNÍ IZOMERIE 2) PROSTOROVÁ A A A A E B B B B energie Degrees konformerů of Rotation ethanu θ Nezákrytová stabilnější než zákrytová 30

31 IZOMERIE 2) PROSTOROVÁ b) KONFORMAČNÍ u cyklických uhlovodíků - různá prostorová uspořádání téže molekuly - volné otáčení kolem jednoduchých vazeb (okolo σ vazby) - Konformační izomery = konformery (př. cyklohexan) židličková vaničková!!!za normálních teplot převažuje židličková mající nižší energii!!! 31

32 IZOMERIE 2) PROSTOROVÁ C) OPTICKÁ vyskytuje se ve sloučeninách, které obsahují ve své molekule chirální = asymetrický uhlíkový atom Opticky aktivní látka = optický izomer - stáčí rovinu polarizovaného světla (doleva nebo doprava) - prostorově izomerní (stereoizomerní) Chirální uhlík C * (asymetrický) - nese 4 různé substituenty - píše se do středu vzorce Nejsou ztotožnitelná se svým zrcadlovým obrazem Zrcadlový obraz = odlišný tvar (levá a pravá ruka) 32

33 IZOMERIE 33

34 IZOMERIE OPTICKÁ IZOMERIE : - vyskytuje se ve sloučeninách, které obsahují ve své molekule chirální = asymetrický uhlíkový atom - tyto sloučeniny mají schopnost otáčet rovinu polarizovaného světla (doleva nebo doprava) 34

35 C 3 C 3 I C 3 Br I Cl C 3 C 3 * C 3 3 C C 3 O Cl Cl C 3 O N 2 3 C C 3 3 C C 3 Cl Cl F N 2 O C 3 Cl * * * * * O C 3 N 2 C 3 C 3 Cl Br C 3 3 C N 2 F C 3 N 2 * * * * * 3 C C 3 N 2 C 3 F I Br C 3 F 35

36 REAKCE ORGANICKÝC LÁTEK 1) bývají pomalejší než anorganické 2) mají složit itější průběh (více meziproduktů) 3) bývá třeba vyšší šších teplot a tlaků, katalyzátor torů (enzymů), která reakci urychlí nebo vůbec umožní 36

37 REAKCE ORGANICKÝC LÁTEK K zápisu. reakční schémata nad reakční šipkou = podmínky reakce C 3 O t [ C], 2 SO 4 2 C C 2 -Cl pod šipkou = vedlejší anorg.. produkty 37

38 REAKCE ORGANICKÝC LÁTEK Dělení 1) podle způsobu štěpení vazby a) homolýza b) heterolýza 2) podle charakteru částic v reakci a) elektrofilní b) nukleofolní c) radikálov lová 3) dle celkové změny výchozí látky a) Eliminace b) Adice c) Substituce d) Přesmyk 38

39 REAKCE ORGANICKÝC LÁTEK 1) podle způsobu štěpení vazby a) OMOLÝZA (vz vzácný způsob štěpení) symetrické štěpení vazby mezi atomy prvků,, které mají stejnou, případnp padně podobnou hodnotu elektronegativity => Radikál např. štěpení chloru = částice s nepárovými elektrony vznikají radikály 39

40 REAKCE ORGANICKÝC LÁTEK 1) podle způsobu štěpení vazby b) ETEROLÝZA nesymetrické štěpení ( přesun p celého elektronového páru k jednomu z vazebných partnerů=> vznikají ionty 40

41 REAKCE ORGANICKÝC LÁTEK 2) podle charakteru částic v reakci ELEKTROFILNÍ činidla -vyhledávají záporný náboj n (vyhledávaj vají látku s přebytkem e -, sami mají nedostatek e - ) - útočí na místa m s většív el. hustotou jsou nabity kladně (např.. +, C + 3 ) nebo neutráln lně 41

42 REAKCE ORGANICKÝC LÁTEK 2) podle charakteru částic v reakci NUKLEOFILNÍ činidla - částice vyhledávaj vající kladný náboj n => poskytují e - - útočí na místa m s menší el. hustotou jsou nabity záporně (např.. Cl - ) nebo neutráln lně 42

43 REAKCE ORGANICKÝC LÁTEK 2) podle charakteru částic v reakci RADIKÁLOV LOVÉ - částice nesoucí nepárový e - (volná vazba) - útočí na všechnov 43

44 REAKCE ORGANICKÝC LÁTEK 3) dle celkové změny výchozí látky ADICE - násobná vazba nabourána navázáním m jiné molekuly - z dvojné vazby vazba jednoduchá - přidání menší molekuly k většív 44

45 REAKCE ORGANICKÝC LÁTEK 3) dle celkové změny výchozí látky ELIMINACE - odštěpen pením m molekuly vznik násobných n vazeb (opak adice) - přidání větší molekuly k menší 45

46 REAKCE ORGANICKÝC LÁTEK 3) dle celkové změny výchozí látky SUBSTITUCE nahrazení atomu (fční skupiny) za jiný (jinou) 46

47 REAKCE ORGANICKÝC LÁTEK 3) dle celkové změny výchozí látky PŘESMYK - výměna atomů (fnc.skupin) v rámci jedné molekuly, dochází k přestavbě struktury slou - nějaká skupina se přesune p někam n jinam struktury sloučeniny 47

48 Indukční a mezomerní efekt Efekt = posun elektronů vyvolaných polární vazbou +I, -I +M, -M Jednoduché vazby Nasycené uhlovodíky tzn. σ-elektronů Násobná vazba Nenasycené uhlovodíky vazeb π-elektronů Pzn. Vazba polární = 0,4 až 1,7 48

49 Indukční efekt +I, -I - spojen s přítomností pol. vazeb (0,4 až 1,7) - v uhlovodících = vazby nepolární ( menší než 0,4) - projeví se v přít. odlišně elektronegativního atom C δ δ + δ + δ > Li C < Cl A B C = 2,5 / Li = 1,0 / 2,5-1 = 1,5 C = 2,5 / Cl = 3,0 / 3,0-2,5 = 0,5 49

50 Opakování: ELEKTRONEGATIVITA Schopnost atomu či prvku přijímat elektrony Tzn. Elektronegativnější prvek bude tyto elektrony čerpat (přijímat) od méně elektronegativnějšího. 50

51 Indukční efekt A +I C C C částečný parciální náboj záporný δ 2 δ 1 δ 3 δ + > Li +I efekt částečný parciální náboj kladný A) Li elektropozitivní prvek (1,0) posun e se zmenšuje s rostoucí vzdáleností od polární vazby, platí, že δ-1> δ -2 > δ -3 51

52 Indukční efekt A +I +I: odpuzují elektrony např. Mg, Li, alkyly R, -O -, -S -, C 3 C 3 C 3 C 2 C 3 C C C 3 > > C 3 > C 3 síla indukčního efektu 52

53 Indukční efekt B -I δ + 3 δ + 2 C C C efekt +I δ + 1 > δ - Cl -I efekt částečný parciální náboj záporný -I = přitahují elektrony Př. -CN, -NO 2, -N 2,,-COO,- O -F, > -Cl, > -Br > -I 53

54 Mezomerní efekt Násobná vazba Nenasycené uhlovodíky vazeb π-elektronů 54

55 SYSTÉM M NÁSOBNÝC N VAZEB 1) IZOLOVANÉ - C = C C C = C 2) KONJUGOVANÉ - C = C C = C C =C- 3) KUMULOVANÉ mezomerní efekt - C = C = C C C 55

56 Mezomerní efekt = konjugace volného elektronového páru do systému dvojných vazeb Efekt přes konjugované systémy bez ZESLABOVÁNÍ!!! 56

57 Mezomerní efekt A. kladný mezomerní efekt +M substituenty, které zvyšují v konjugovaných systémech elektronovou hustotu např. -N 2, -O, -Cl atd. efekt +M C 2 Posun obloučky C Cl efekt +M POSKYTUJÍ SVÉ ELEKTRONY DO KONJUGACE δ - ortho meta δ -c N 2 para=p δ - ortho = o meta= m 57

58 Mezomerní efekt B. záporný mezomerní efekt -M substituenty, které v konjugovaných systémech elektronovou hustotu snižují např. -NO 2, -CN, =O, =S (obsahují násobné vazby) -M efekt NO 2 C 2 C C N Odčerpávají elektrony -M efekt 58

59 procvičen ení -I efekt 3 C C 2 C 2 C 2 N 2 efekt +M 2 C C C C Br 3 C C 2 C 2 Na CN -M efekt efekt +I 59

60 procvičen ení C 3 Br O F O F O * * * * 3 C C C C C C C C C 3 F Cl C 3 N N 2 O F 2 3 C C C 2 C 2 C 3 Br Polohová izomerie 3 C C 2 C 2 C 2 C 2 Br 60

61 procvičen ení Cl Br F C 3 C 3 C 3 * * * * 3 C C C C C C C C 3 N 2 Br N 2 F S O 3 C C 2 C C 2 C 3 C 3 řetězová izomerie 3 C C 2 C 2 C 2 C 2 C 3 61