15. Úvod do organické chemie. AZ Smart Marie Poštová

Transkript

1 15. Úvod do organické chemie AZ Smart Marie Poštová

2 Úvod do organické chemie Organická chemie je chemií sloučenin uhlíku, mimo sloučeniny (doplňte) 1828 Wöhler: NH 4 CNO NH 2 -CO-NH 2 Organické sloučeniny: přírodního původu nebo synteticky připravené obvykle se vyskytují ve směsích Jaký je počet známých organických sloučenin? (doplňte) Izolace: krystalizací, destilací, extrakcí, chromatograficky, (popište)

3 Elementární analýza Čistá organická látka se spálí ve speciální nádobě a ze spalných produktů, jejich druhů a množství se určí stechiometrický (=empirický) vzorec. Jinou metodou se určí molární hmotnost a porovnáním se stechiometrickým vzorcem se určí molekulový vzorec sloučeniny. Vypočítejte: Spálením 0,2036g organické sloučeniny vzniklo 0,3895g CO 2 a 0,2390g H 2 O. Je-li M(C x H y O z ) = 46, určete stechiometrický a molekulový vzorec sloučeniny.

4 Vazby v organických sloučeninách Převládají vazby kovalentní: σ jednoduché, σ + π dvojné a σ + 2π trojné. V uhlovodících: X 0,4 vazby jsou kovalentní nepolární. V derivátech uhlovodíků, při vazbě na O, N, X,, je: 0,4 < X <1,7. Vazby jsou kovalentní polární, charakterizované dipólovým momentem. Je nutné uvažovat o polaritě molekul. V iontových solích: kyselin, v alkoholátech, v oxoniových solích, je X 1,7 a vazby jsou iontové. Tyto sloučeniny jsou pevné, krystalické, rozpustné ve vodě,

5 Slabé interakce Mezi molekulami alkoholů, aminů, při tvorbě sekundární struktury peptidů, se uplatňují vodíkové můstky. Mezi molekulami nepolárních organických sloučenin působí slabé van der Waalsovy síly. Druh vazby určuje obecné vlastnosti organických sloučenin: rozpustnost ve vhodném rozpouštědle, t t, t v, Většina org. sloučenin se při t>200 C rozkládá.

6 Vaznost prvků v organických sloučeninách C čtyřvazný (v excitovaném stavu) N třívazný O dvojvazný S dvojvazná H jednovazný X jednovazné U iontů může být jiná vaznost.

7 Konstituce a konstituční izomerie Konstituce: udává způsob a pořadí v jakém jsou spojeny atomy ve sloučenině. Izomery: mají stejný sumární = molekulový vzorec, ale jinou konstituci. Konstituční izomery: a) řetězové b) polohové c) skupinové

8 Napište příklady izomerů: Řetězové pro molekulový vzorec C 5 H 12 Polohové pro molekulový vzorec C 4 H 8 a pro vzorec C 3 H 7 Cl Skupinové pro molekulový vzorec C 2 H 6 O Izomerům vyberte názvy z navržených: 2-methylbutan, ethanol, 2-chlorpropan, but-2-en, 2,2-dimethylpropan, propylchlorid, dimethylether, pentan, but-1-en

9 Stereoizomerie Konstituci je nadřazen pojem struktura. Struktura popisuje způsob uspořádání a vzájemného spojení atomů včetně orientace v prostoru. Mezi stereoizomery patří geometrické a optické izomery. Napište: cis but-2-en a trans but-2-en L-glyceraldehyd a D-glyceraldehyd

10 Klasifikace uhlovodíků 1) Acyklické (alifatické), nasycené: ALKANY rozvětvené a nerozvětvené 2) Acyklické (alifatické), nenasycené: ALKENY ALKYNY rozvětvené a nerozvětvené 3) Alicyklické nasycené: CYKLOALKANY nenasycené: CYKLOALKENY s více kruhy-bicyklické, tri tetra rozvětvené a nerozvětvené 4) Aromatické rozvětvené a nerozvětvené

11 Názvosloví uhlovodíků Alkany 1) Určíme nejdelší hlavní řetězec, očíslujeme ho tak, aby soubor lokantů vyjadřujících polohu postranních řetězců, byl co nejnižší. 2) Postranní řetězce tvoří uhlovodíkové zbytky R, které vznikají odtržením H od alkanu. Mají koncovku yl (alkyly). 3) R řadíme v názvu podle abecedy, bez ohledu na násobné předpony. 4) Mezi čísly děláme čárku, mezi čísly a názvy spojovník.

12 Napište vzorce 1) R: methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, isobutyl, benzyl, 2) 2,3-dimethylpentan 2,2,3,3-tetramethyl butan 4-ethyl-2,2,5-trimethylheptan 2,2,4-trimethylpentan (oktanové číslo 100) 3,4,4,5-tetramethyl-5-propyloktan

13 Názvosloví uhlovodíků Alkeny a alkyny 1) Násobné vazby mají označení: = -en, -yn dvě = -dien, dvě diyn,..= a -en-yn 2) Lokant násobné vazby vždy vyjadřuje číslo atomu uhlíku z kterého násobná vazba vychází. 3) Je-li v řetězci = a vazba, značí se poloha = nižším lokantem. 4)Hlavní řetězec musí mít co největší počet násobných vazeb. V případě rovnosti těchto vazeb, volíme řetězec s největším počtem uhlíkových atomů. R zapisujeme podle abecedy a podle polohy na očíslovaném základním řetězci.

14 Napište vzorce 1) R: methyliden, ethyliden porovnejte se zbytky: methylen, ethylen methylidyn, ethylidyn, vinyl, allyl 2) but-1-yn buta-1,3-dien pent-1-en-4-yn hexa-1,3-dien-5-yn 4-vinylhept-1-en-5-yn (zákl. ř. nejdelší při rovnosti vazeb)

15 Názvosloví uhlovodíků Alicyklické uhlovodíky (cyklické, ale ne aromatické) Mezi alicyklické uhlovodíky patří i bicyklické a spiranové uhlovodíky. 1) Základní řetězec je cyklus předpona cyklo- 2) Lokanty substituentů volíme co nejmenší. 3) Názvy substituentů řadíme podle abecedy před název základního řetězce. 4) Alicyklické uhlovodíky jsou nasycené, nenasycené, bicyklické, spiranové,

16 Napište vzorce 1) R: cyklopropyl, cyklobutyl, cyklohexyl, 2) 1-ethyl-2-methylcyklopentan 3) 1,1,2,2-tetramethylcyklobutan 4) 1-ethyl-3-methyl-4-propylcyklohexan cyklohexa-1,3-dien 3-methylcyklohex-1-en 5-methylidencyklopenta-1,3-dien

17 Bicyklické uhlovodíky Bicyklické: dva kruhy mají společné dva nebo více atomů uhlíku. Předpona bicyklo- se dá před název necyklického uhlovodíku, který má stejný počet uhlíků jako bicyklický uhlovodík. Počet uhlíků v jednotlivých řetězcích mezi vrcholy se píše do hranaté závorky (dekriptor). Čísla se píší v sestupném pořadí, oddělená tečkou. Celkový počet uhlíků je o dva větší, než součet čísel v deskriptoru! Napište: bicyklo[4.3.2]undekan undekan=11c

18 Spiranové uhlovodíky Spiranové: spojení kruhů jen jedním atomem. (latinsky spira = závit) Předpona spiro + název necyklického uhlovodíku se stejným počtem uhlíků jako má spiranový uhlovodík. V deskriptoru se uvedou ve vzestupném pořadí počty atomů C, připojených ke spiroatomu v každém kruhu, oddělené tečkou. Celkový počet atomů uhlíků je o jeden větší než v deskriptoru! Napište: spiro[3.4]oktan

19 Názvosloví uhlovodíků Aromatické uhlovodíky (areny): základní areny mají vžité semitriviální (ale lze říci i semisystematické) názvy: benzen, naftalen, anthracen, fenanthren 1) Základní řetězec je cyklus. 2) Polohu substituentů označíme co nejmenšími lokanty, v názvu je udáváme v abecedním pořadí. 3) Areny: monocyklické, polycyklické izolované, polycyklické kondenzované 4) Uhlovodíkové zbytky od arenů nazýváme aryly

20 Napište vzorce 1) R: fenyl, 1-naftyl, 2-naftyl, 2) 2-ethyl-1-methyl-4-propylbenzen 1-methylnaftalen 2-ethylnaftalen isopropylbenzen (kumen) vinylbenzen (styren) bifenyl anthracen fenanthren

21 Napište vzorce Uhlovodíky, v jejichž molekule je k jednomu acyklickému řetězci připojeno několik arylů, se pojmenují jako deriváty acyklického uhlovodíku: Například: 1,4-difenylbutan trimethylmethan

22 Reakce organických sloučenin Pro reakce organických sloučenin platí stejné zákony, jako pro anorganické reakce: ZZH ZZQ zákon chemické rovnováhy: Guldbergův-Waageův kinetické rovnice, Organické reakce jsou rozmanitější, obvykle pomalejší, s výraznou změnou struktury, obvykle vzniká směs produktů. U uhlovodíků se štěpí vazby nepolární, u derivátů uhlovodíků obvykle reagují charakteristické skupiny: např. -OH, -CHO, -COOH, nebo reagují atomy C blízko takové skupiny.

23 Reakční mechanismus, reakční schéma Reakční mechanismus je pravděpodobný popis změny výchozích látek na produkty. Na molekulové úrovni zahrnuje popis aktivovaných komplexů. Je složitý. Proto se při běžném zápisu organické reakce používá reakční schéma: 1 V. L. Pr činidlo, katalyzátor, rozpouštědlo, t, p 2. vedlejší-méně důležitý produkt Schéma se nevyčísluje.

24 Typy reakcí Adice: nenasycené vazby se mění na nasycené: = Př. CH 2 =CH 2 + H 2 CH 3 CH 3 Eliminace: = Př. CH 3 CH 3 - H 2 CH 2 =CH 2 Substituce: nahrazení Př. C 2 H 5 I + NaOH C 2 H 5 OH + NaI Přesmyk: vzniká izomer Př. CH 2 =CH OH CH 3 CHO

25 Činidla zahajující organické reakce 1) Radikály: radikál je částice s nepárovým elektronem, velmi reaktivní, s krátkou dobou života. Př. H, Cl, CH 3, 2) Elektrofilní činidla: jsou kationty, nebo molekuly, kde centrální atom nesplňuje oktetové pravidlo. Př. E + : H 3 O +, Cl +, NO 2+,, AlCl 3, 3) Nukleofilní činidla: jsou anionty, nebo neutrální molekuly s volným elektronovým párem. Př. INu - : Cl -, OH -, R -,, NH 3, H 2 O,

26 Homolýza a heterolýza Homolýza: A-B A + B vznik radikálů Homolyticky se štěpí kovalentní nepolární vazba, například dodáním energie ozářením, zahřátím, V molekulách nepolárních organických sloučenin štěpí homolyticky vazbu radikálové činidlo. Heterolýza: A B A + + IB - vzniká kation a anion při heterolytickém štěpení polární vazby Reakci organických sloučenin s polárními vazbami zahajuje elektrofilní, nebo nukleofilní činidlo. A, E, S, P mohou být elektrofilní, nukleofilní, radikálové.

27 Konec patnáctého tématu

28 16. Alkany a cykloalkany AZ Smart Marie Poštová m.postova@gmail.com

29 Alkany, cykloalkany Alkany (parafiny) - obecný sumární vzorec: C n H 2n+2 Cykloalkany: C n H 2n n = přirozené číslo homologická řada: -CH 2 - homologický přírůstek CH 4 methan + CH 2 CH 3 CH 3 ethan + CH 2 CH 3 CH 2 CH 3 propan + CH 2 atd mimo C 1 -C 4 (g) v homologické řadě rovnoměrně roste teplota varu, teplota tání, hustota,

30 Označení atomů uhlíku v uhlíkatém řetězci přímé alkany: primární C váže 1C sekundární C váže 2C rozvětvené: terciární C váže 3C kvarterní C váže 4C

31 Fyzikální vlastnosti alkanů Alkany mají nízké teploty tání, teploty varu, mezi molekulami jsou slabé van der Waalsovy síly jsou to nepolární sloučeniny. S rostoucí relativní molekulovou hmotností roste hustota, teplota tání, teplota varu (mimo C 1 až C 4 téměř rovnoměrně o C). C 1 až C 4 (g), C 5 až C 17 (l), C 18, (s) Jsou to bezbarvé látky, lehčí než voda, nerozpustné ve vodě, rozpustné v organických rozpouštědlech, například v kapalných alkanech.

32 Konformace alkanů a cykloalkanů Konformery vznikají u alkanů. Kolem σ vazeb je možná volná rotace. Nakreslete zákrytovou a nezákrytovou konformaci ethanu. Lze tyto konformace oddělit? U cykloalkanů je možná částečná rotace kolem σ vazeb od cyklohexanu výše. Nakreslete krajní možné konformace cyklohexanu: vaničkovou a židličkovou. Lze je od sebe oddělit?

33 Chemické vlastnosti Alkany jsou málo reaktivní ( dříve byly nazývané parafiny: latinsky parum affinis = málo slučivý) vazby C C, C H jsou kovalentní nepolární homologické štěpení na radikály X= X(C)- X(H) = 2,5 2,1 = 0,4 Typické reakce: Substituce radikálová halogenace, sulfochlorace, nitrace.

34 Halogenace Příklad, chlorace methanu: UV 1. iniciace: Cl 2 2Cl energii na vznik radikálů dodáme ozářením, zahřátím, 2. propagace: CH 4 + Cl CH 3 + HCl CH 3 + Cl 2 CH 3 Cl + Cl 3. terminace: Cl + CH 3 CH 3 Cl vzniká halogenderivát methylchlorid, chlormethan, Dále vzniká CH 2 Cl 2, CHCl 3, CCl 4. Fluorace, chlorace, bromace reaktivita klesá, jodace prakticky neprobíhá.

35 Sulfochlorace UV 1. iniciace: Cl 2 2 Cl 2. propagace: RH + Cl R + HCl R + SO 2 R SO 2 alkan sulfonylový radikál R SO 2 + Cl 2 RSO 2 Cl + Cl alkansulfonylchlorid 3. terminace: Cl + RSO 2 RSO 2 Cl Dále lze zásaditou hydrolýzou připravit sodnou sůl alkansulfonové kyseliny: RSO 2 Cl + H 2 O + NaOH RSO 3 Na Pokud je R dlouhé, RSO 3 Na = saponát.

36 Nitrace 1. iniciace: zahajuje NO 2, který má nepárový elektron O=N =O RH + NO 2 R + HNO 2 2. propagace: R + HNO 3 RNO 2 + OH RH + OH R + H 2 O 3. terminace: R + NO 2 RNO 2 Při propagaci vzniká směs produktů u alkanů s více C. Nejvíc vznikne: terciárních sekundárních primárních sloučenin. Napište schéma nitrace propanu a pojmenujte produkty.

37 Stabilita radikálů Stabilita klesá od terciárního, přes sekundární k primárnímu radikálu. Nejméně stabilní je methylový radikál. Nakreslete terciární butylový radikál, sekundární isopropylový radikál, ethylový radikál a methylový radikál. Zdůvodněte rozdílnou stabilitu jednotlivých radikálů pomocí +I efektu. Které nitrosloučeniny při nitraci propanu vznikne nejvíc a proč?

38 Eliminace termolýza (krakování): výroba benzinu z vyšších frakcí ropy C 16 H 34 (hexadekan) C 8 H 18 (oktan) + C 8 H 16 (okten) dehydrogenace: pomocí katalyzátorů Ni, Pt a zahřívání na teplotu C: Ni, Pt CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 CH 2 = CH CH = CH 2 +2H 2 butan buta-1,3-dien

39 Izomerizace: Další reakce z nerozvětvených alkanů se vyrábí rozvětvené, které mají vyšší oktanové číslo. Výroba syntetického benzínu a mazacích olejů: nco + (2n+1)H C V. L. tvoří vodní plyn obohacený vodíkem C n H 2n +2 + nh 2 a katalyzátory: vzniká benzín, který má o. č. = 40, obsahuje hodně nerozvětvených alkanů a také alkoholy, aldehydy a ketony musí se proto dál upravovat. (Dnes snaha o výrobu z CO 2 ze vzduchu a H 2 O + el.en. )

40 Příprava alkanů v laboratoři Dekarboxylací alkalických solí nasycených karboxylových kyselin: RCOONa + NaOH RH + Na 2 CO 3 Navrhněte přípravu methanu a přípravu ethanu. Napište rovnice. Budou tyto plyny redukovat Bayerovo činidlo? Budou odbarvovat bromovou vodu? Vysvětlete. Jak dokážete, že po dekarboxylaci zbyl uhličitan jako vedlejší produkt?

41 Fosilní suroviny Ropa: Ropa je tmavě hnědá až černá páchnoucí kapalina, je to směs alkanů, cykloalkanů, arenů. Zpracování: frakční destilací atmosférickou se získávají: ropné plyny, benziny, petrolej, plynový olej, vyšší olejové destiláty a mazut. Mazut se dále destiluje za sníženého tlaku na vakuové oleje. Zbytek tvoří asfalt.

42 Fosilní suroviny Uhlí: Černé uhlí se zahřívá za nepřístupu vzduchu, vzniká koks, dehet a karbonizační plyn. Koks je redukční činidlo při výrobě kovů, nebo palivo. Dehet: směs arenů Z karbonizačního plynu se vypírá čpavková voda a získává se topný plyn svítiplyn.

43 Fosilní suroviny Zemní plyn: Je ze 60-90% methan. Užívá se jako palivo, ale také jako důležitá chemická surovina. Viz informace o methanu.

44 Přehled alkanů Methan CH 4 : Výskyt: zemní plyn, důlní plyn, bioplyn, g frakce z ropy Příprava: Al 4 C H 2 O 3CH 4 + 4Al(OH) 3 (trikarbid tetrahliníku) Hoří: CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O (palivo zemní plyn) Methan je chemická surovina výroba syntézního plynu a z něho výroba org. sl. CH 4 + H 2 O CO + 3 H 2 Z methanu se vyrábí ethyn ( acetylen) 6CH 4 + O 2 2CO + 10H 2 + 2CH CH (acetylen, ethyn) částečná oxidace pomocí katalyzátoru

45 Přehled alkanů Ethan: Katalytickou dehydrogenací se získává ethen na výrobu PE: CH 3 CH 3 CH 2 =CH 2 + H 2 Propan a butan: dehydrogenací propen, buten, butadien polymerace. Nebo palivo. C 3 H 8 + C 4 H O 2 7CO 2 + 9H 2 O (- H o 298) r Pentany a hexany: C 5 H 12 + C 6 H 14 (l) nepolární rozpouštědlo petroleter

46 Benzin Je směs C 4 C 11 uhlovodíků, získaných destilací z ropy jako surový benzin. Musí se upravovat. Kvalitu benzinu udává oktanové číslo: heptan má okt. č. 0, isooktan (2,2,4-trimethylpentan) má okt. č. 100 Například: natural 95 pracuje ve zkušebním motoru stejně jako směs 95% isooktanu a 5%heptanu. Oktanové číslo lze zvýšit: antidetonačním činidlem, dříve (C 2 H 5 ) 4 Pb, dnes areny, alkoholy, izomerizací primárního benzínu zvýšením podílu rozvětvených uhlovodíků,

47 Další frakce z ropy Petrolej: krakováním se z něho vyrábí benzin, nebo se užívá po úpravě do tryskových leteckých motorů (letecký benzin). Plynový olej + petrolej = nafta Kvalitu nafty udává cetanové číslo. Hexadekan má cetanové číslo methylnaftalen má cetanové číslo 0. Oleje: mazací, vazelíny. Mazut: tovární palivo, nebo destilace za sníženého tlaku. Asfalt: izolace, vozovky.

48 Konec šestnáctého tématu