Úvod do organické chemie

Transkript

1 Úvod do organické chemie vědní obor zabývající se chemií kovalentních sloučenin uhlíku kovalentní vazba intramolekulární forma chemické vazby, sdílení jednoho nebo více párů elektronů mezi dvěma prvky na základě rozdílu elektronegativit rozlišujeme polární (0,4-1,67) a nepolární (<0,4) kovalentní vazbu organické sloučeniny jsou základem stavby živých organismů rozvoj ve 2.polovině 19.století (1880 známo 12tis. org. sl., 1966 znám ca. 1 milion org. sl.), počet org. látek je teoreticky neomezený strukturou organických látek tvořící živé organismy a jejich přeměnou se zabývá obor biochemie správné chemické vyšetření základ správného určení diagnózy správný léčebný postup vhodné použití léčiv syntéza nových léčiv pokroky organické chemie ale také syntéza a použití velmi nebezpečných látek pro člověka i ekosystém (DDT, PCB, dioxin, thalidoimid, ) stavba organických molekul a reaktivita jejich funkčních skupin 2

2 Úvod do organické chemie Názvosloví organických sloučenin velké množství sloučenin -> komplikovaná nomenklatura různé typy vzorců sumární (součtový) vzorec udává pouze počet atomů, které tvoří molekulu, nevyjadřuje skutečný tvar sloučeniny stejný vzorec může odpovídat více různým molekulám C 6 H 11 Cl konstituční (strukturní) vzorec ukazuje, které atomy jsou jakým způsobem spojeny racionální vzorec zjednodušený strukturní vzorec to co je všem jasné lze sloučit do jedné skupiny znaků schématický vzorec vycházízracionálního vzorce, ale zachovává prostorové uspořádání molekuly vkaždém zlomu si domyslíme atom uhlíku azbylé atomy vodíku 3

3 Úvod do organické chemie Názvosloví organických sloučenin triviálnínázvy přetrvávají z doby, kdy nebylo nic známo ostruktuře látek; pojmenování byla vytvářena podle vzhledu, zápachu, chuti, výskytu v přírodě apod.; mnoho z nich používáme dodnes systematickénázvy vystihují strukturu; tvořeny s využitím slovních základů, předpon, přípon, lokantůadalších symbolů; tvorba názvů pro již existující molekuly, ale inově získané sloučeny; jsou ale stále molekuly, pro něž neexistují plně systematické názvy (např. voda, methan, benzen) opisné názvy pro použití při ústním nebo písemném podán (např. amid kyseliny octové, anhydrid kyseliny šťavelové, kyselina benzoová) semisystematickénázvy kombinací výše popsaných názvů(např. trichlormravenčí kyselina, isopropanol, 2,4,6-trinitrotoluen) technickénázvy speciální kategorie používaná zejména vtechnické praxi (např. líh, tritol, DDT) 4

4 Uhlovodíky nejjednodušší organické sloučeniny tvořeny výhradně atomy uhlíku a vodíku tři základní vlastnosti uhlíku v organické chemii čtyřvaznost(atomy uhlíku jsou tedy v 1. excitovaném stavu) schopnost řetězit se, ato sám na sebe (tyto uhlíkové řetězce mohou být velmi dlouhé, nebo i uzavřené) vytvářet mezi sebou (mezi sousedními atomy uhlíku) nejen jednoduché, ale idvojné atrojné vazby podle různých hledisek dělíme uhlovodíky do několika skupin podle složitosti vazeb alkany(pouze jednoduché vazby) alkeny (alespoň jedna dvojná vazba) alkyny(alespoň jedna trojná vazba) podle uzavřenosti řetězce alifatické cyklické 5

5 Alkany nevětvené uhlovodíky obsahující pouze jednoduché vazby alifatické alkanytvoří homologickou řadu vníž každý následující člen obsahuje ve svém řetězci ojednu funkční skupinu CH 2 víc než jeho předchůdce obecný vzorec alkanůje C n H 2n+2, kde nje počet uhlíků vmolekule název prvních čtyř elementů homologické řady je triviální, názvy dalších se tvoří přidáním koncovky anza slovní kmen odvozený zřecké číslovky vyjadřující počet uhlíků v řetězci alkanu n název alkanu n název alkanu n název alkanu n název alkanu n název alkanu 1 methan 7 heptan 13 tridekan 19 nonadekan 30 triakontan 2 ethan 8 oktan 14 tetradekan 20 ikosan 31 hentriakontan 3 propan 9 nonan 15 pentadekan 21 henikosan 32 dotriakontan 4 butan 10 dekan 16 hexadekan 22 dokosan 40 tetrakontan 5 pentan 11 undekan 17 heptadekan 23 trikosan 50 pentakontan 6 hexan 12 dodekan 18 oktadekan 24 tetrakosan 100 hektan 6

6 Alkany odtržením vodíkového kationtu zkoncového uhlíku molekuly alkanuvzniká jednovazný zbytek, který pojmenujeme tak, že znázvu alkanuodtrhneme koncovku ananahradíme jí koncovkou yla uhlík, ze kterého jsme odtrhli vodík očíslujeme jedničkou (obecně tyto zbytky nazýváme alkyly) pokud slovní základ nového řetězce končí písmenem k dochází kpřechýlení v c při pojmenování složitějších (rozvětvených) molekul se řídíme dalšími pravidly, abychom byli schopni správně očíslovat uhlíkové řetězce nejdelší řetězec více postranních řetězců nižší čísla uhlíků, kde jsou navázány postranními řetězci větší počet uhlíků v postranních řetězcích méně rozvětvené postranní řetězce 7

7 Alkany tvorba názvu 1. Nalezneme nejdelší (základní) řetězec uhlíků v molekule alkanu a) uhlíky, na které jsou vázány postranní řetězce alkylů (substituenty), číslujeme tak, aby měly čísla co nejmenší; vabecedním pořadí uvedeme nejdříve substituenty (číselný lokantdle čísla uhlíku + spojovník + název substituentu) a poté název základního řetězce b) pokud je na základním řetězci navázáno více stejných substituentů, vyjadřujeme jejich počet násobící předponou (di, tri, tetra,...), kterou přidáme přímo knázvu substituentu ačíselné lokantyoddělíme čárkou (postranní řetězce řadíme podle abecedy bez násobící předpony) 8

8 Alkany tvorba názvu 1. Nalezneme nejdelší (základní) řetězec uhlíků v molekule alkanu c) vpřípadě, že stále ještě máme možnost volby číslování aniž bychom došli ke stejnému výsledku, očíslujeme řetězec tak, aby substituent, který je dříve vabecedě byl navázán na uhlíku snižším číslem d) pokud je samotný substituent již rozvětvený, pojmenujeme ho bez ohledu na zbytek molekuly (uhlík, který se váže na základní řetězec má číslo 1, substituent je alkyl (musí končit yl); název této větve pak vpravíme do celkového názvu 9

9 Alkany tvorba názvu 1. Nalezneme nejdelší (základní) řetězec uhlíků v molekule alkanu e) pokud je stejný rozvětvený řetězec substituován vícekrát, vložíme násobící předponu (bis, tris, tetrakis, pentakis,...) hned před úvodní závorku jeho názvu (předponu nezapočítáváme do abecedního pořadí vnázvu alkanu) 10

10 Alkany tvorba názvu 2. v případě více řetězců se stejným počtem uhlíků vmolekule bereme za základní ten, na který je navázáno více postranních řetězců 3. za základní řetězec v případě stejného počtu substituentů považujeme ten, který má nižší čísla uhlíků, kde jsou postranní řetězce. 11

11 Alkany tvorba názvu 4. za větev patřící do základního řetězce považujeme tu, která má větší počet uhlíků navázaných ve svých postranních řetězcích 5. konečným pravidlem při volbě základního řetězce je menší rozvětvenost postranních řetězců tetradekan 12

12 Alkeny a alkyny uhlovodíky obsahující kromě jednoduchých také dvojné a/nebo trojné vazby pojmenování tvoříme odtržením koncovky anznázvu ostejném počtu uhlíků a následným přidáním číselného lokantu a nové koncovky ualkenů přidáváme koncovku en, ualkynů yn(pokud slovní základ uhlovodíkového řetězce končí písmenem k dochází kjeho přechýlení v c ) při pojmenování se řídíme pravidly, které se vzájemně doplňují s předchozími, ale zároveň je také limitují násobná vazba na co nejnižším uhlíku co nejvíce násobných vazeb více dvojných vazeb delší uhlíkový řetězec pravidla pro alkany 13

13 Alkeny a alkyny tvorba názvu násobná vazba je na uhlíku s co nejnižším číslem a) vycházíme ze jména lineárního alkanuostejném počtu uhlíků; odstraníme koncovku ana připojíme číselný lokantnásobné vazby (uhlík s nižším číslem) a uvedeme příponu typu násobné vazby (dvojná en, trojná yn) b) pokud je vřetězci více násobných vazeb, má při číslování přednost vazba dvojná; vyskytuje-li se více násobných vazeb stejného typu, přidáváme do slovního kořene příponu a(nedochází přitom kpřechýlení k v c ) avnázvu vyjmenujeme všechny lokanty; přidáme násobící předponu před en(resp. yn) 14

14 Alkeny a alkyny tvorba názvu násobná vazba je na uhlíku s co nejnižším číslem c) u větveného uhlovodíku postupujeme analogicky jako u alkanu; do názvu dáme informaci osubstituentech následovanou slovním základem uhlovodíku a příponou nenasycené vazeby základní řetězec má co nejvíce násobných vazeb násobnou vazbu vpostranním řetězci uvádíme v závorce do názvu substituentu (jedničku má uhlík spojený s hlavním řetězcem), který ukončujeme příponou yl 15

15 Alkeny a alkyny tvorba názvu při stejném počtu násobných vazeb upřednostníme větší počet dvojných vazeb při stejném počtu dvojných itrojných vazeb vzákladních řetězcích považujeme za základní ten svíce atomy uhlíku po vyčerpání výše zmiňovaných pravidel se řídíme pravidly o alkanech 16

16 Cyklické sloučeniny uhlovodíků monocyklické molekuly za předponu cyklo, značící uzavřený řetězec, přidáme název alifatického uhlovodíku podle počtu atomů uhlíku v cyklu v případě rozvětvených uhlovodíkových řetězců navázaných na cyklus dbáme pravidel popsaných dříve 17

17 Aromatické uhlovodíky (areny) speciální skupina cyklických uhlovodíků vzorce je možno zapisovat více způsoby většinou se používají triviální názvy, které jsou základem semisystematických odtržením vodíku zmolekuly arenuvzniká aryl (např. benzen -> benz-1-yl, triviálně fenyl) odtržením dvou atomů vodíku od benzenu dostáváme skupinu sloučenin zvanou fenylen; podle pozice odtržených atomů nazýváme polohy ortho, meta a para existují dvě možnosti vyjádření -před slovo fenylenpřipojíme číselné nebo písmenné lokanty(ty by měli být kurzívou) při odstranění více než dvou atomů vodíku z benzenu použijeme již jen číselné lokanty, násobící předponu a příponu yl 18

18 Aromatické uhlovodíky (areny) nahrazením jednoho vodíku molekulou methylu vzniká toluen název tolyl(ortho, meta a para) vzniká odtržením vodíku z místa kruhu název benzylvzniká odtržením vodíku z methylové skupiny;při vícenásobném ochuzení substituentu o vodíky vznikne benzyliden nebo benzylidyn je-li na benzenovém jádře více shodných substituentů, nesmíme vzít za základní řetězec takový, který by vsobě obsahoval jeden substituent (např. methyltoluen, vinylstyrenapod.); použijeme buď triviální název jako celek (xylen) nebo základ benzen (divinylbenzen) 19

19 Aromatické uhlovodíky (areny) kondenzované arenyobsahují více než jeden cyklus a jádra na sebe těsně doléhají; nekondenzované arenyobsahují více než jeden cyklus a jádra na sebe nedoléhají číslování naftalenuse provádí po obvodu,nakonec se čísluje dvojice společně sdílených atomů uhlíku; polohy 1, 4, 5,8 jsou si rovnocenné abývají označovány jako polohy α;polohy 2, 3, 6, 7 jsou také rovnocenné anazýváme je polohami β aryly odvozené od naftalenu používají tradiční stažené názvy (např. 2-naftylmísto teoreticky správného naftalen-2-yl) při podobném číslování antracenu se polohy 9, 10 nazývají γ v případě fenantrenu je číslování viz obrázek 20

20 Aromatické uhlovodíky (areny) nekondenzované areny obsahují více než jeden cyklus a jádra na sebe nedoléhají dvě benzenová jádra přímo na sebe napojená tvoří bifenyl; jeho aryly jsou xenyly (o,m,p) další dvě sloučeniny mají semisystematický název difenylmethan a trifenylmethan 21

21 Aromatické uhlovodíky (areny) názvy aromatických látek je možno použít při pojmenování některých cyklických (nearomatických) látek číselně označíme místa, kde byla u arenudvojná vazba hydrogenována a použijeme předponu hydro, resp. dihydroatd. pro více vodíků; nakonec připojíme název arenu v případě vysycení všech dvojných vazeb lze použít příponu per 22

22 Bicyklické sloučeniny sloučeniny sdvěma uzavřenými řetězci (cykly), které mají dva nebo více společných atomů uhlíku struktura je tvořena třemi alifatickými řetězci s propojenými krajními uhlíky na každé straně dalším atomem uhlíku název začíná klíčovým slovem bicyklo; v hranaté závorce za ním jsou tři čísla značící počty atomů uhlíku ve třech řetězcích oddělená tečkou; nakonec je název acyklického uhlovodíku dle počtu uhlíků vobou cyklech (součet čísel vzávorce + 2 "spojovací" uhlíky) 23

23 Bicyklické sloučeniny u složitých struktur snásobnými vazbami anavázanými substituenty je třeba bicykl správně očíslovat; číslování začíná na jednom ze dvou uzlových uhlíků apokračuje přes nejdelší dílčí řetězec, druhý uzel, kratší anakonec nejkratší řetězec nachází-li se dvojná vazba mezi uhlíky, které za sebou nenásledují vočíslování, označíme tuto skutečnost tím, že umístíme za nižší číslo to vyšší do kulaté závorky 24

24 Významné alifatické sloučeniny Methan nejjednodušší uhlovodík při pokojové teplotě netoxický plyn bez barvy a zápachu, lehčí než vzduch hlavním zdrojem je přírodní surovina zemní plyn může reagovat explozivně s kyslíkem meze výbušnosti 4,4-15obj%; nutno průběžně sledovat koncentraci důlního plynu v uhelných dolech, aby se předešlo katastrofám do atmosféry se dostává jako produkt rozkladu látek biogenního původu v podzemí jako hlavní složka zemního plynu, jako součást důlního plynu a rozpuštěný v ropě silně absorbuje infračervené záření, patří mezi významné skleníkové plyny zvyšující teplotu zemské atmosféry (je 20 účinnější než CO 2 ) Ethan druhý nejjednodušší nasycený uhlovodík za normálních podmínek je to bezbarvý hořlavý plyn bez zápachu, nepatrně těžší než vzduch; ve směsi se vzduchem (3-12,5% ethanu) snadno exploduje při vdechnutí má slabě narkotické účinky; v mikrobiologii, fyziologii a lékařství se kapalný ethan používá ke zmrazování mikroskopických vzorků z ethanu jsou ethen a chlorethen pro výrobu plastů a kyselina octová 25

25 Významné alifatické sloučeniny Propan bezbarvý hořlavý plyn bez zápachu, výrazně těžší (1,55x) než vzduch ve směsi se vzduchem (2,1 9,5% propanu) snadno exploduje je součástí topné směsi uhlovodíků označované propan-butan při vdechnutí má slabě narkotické účinky; větší koncentrace ve vzduchu může vést k zadušení, díky své vyšší hustotě může vytěsnit vzduch potřebný k dýchání jako součást hnacích plynů v aerosolových bombičkách; v chladírenství jako teplonosné médium Butan velmi hořlavý, bezbarvý, snadno zkapalnitelný plyn bez zápachu toxické účinky jsou dány vytlačováním kyslíku; inhalace butanu může způsobit euforii, ospalost, narkózu, asfyxii, srdeční arytmii a omrzliny nejčastěji zneužívaná těkavá látka ve Velké Británii; vstřikováním přímo do krku se expanzí rychle ochlazuje na -20 C a může způsobit prodloužený laryngospasmus; syndrom náhlé čichačovysmrti je nejčastější prostou příčinou smrtí spjatých s rozpouštědly, tvoří 55% známých smrtelných případů 26

26 Významné alifatické sloučeniny Ethen(ethylen) bezbarvý hořlavý plyn nasládlé vůně, se vzduchem tvoří výbušnou směs obsažen v zemním plynu; základní surovina chemického průmyslu k výrobě ethylenoxidu, polyethylenu, styrenu v přírodě se vyskytuje jako fytohormon; jeho tvorba v je ovlivňována auxiny urychluje senescenci květů, zrání plodů a opadávání listů Ethyn(acetylen) za normálního tlaku a teploty se jedná o bezbarvý plyn vonící po éteru dříve sváření plamenem acetylen-kyslík (3300 C) vdechování ethynu může způsobovat závratě, bolesti hlavy a nauseu v poslední době občas zneužíván podobným způsobem jako oxid dusný Propen (propylen) za normálních podmínek bezbarvý plyn bez zápachu; extrémně hořlavý základní surovina pro výrobu polypropylenu a acetonu 27

27 Významné alifatické sloučeniny Isopren (2-methylbuta-1,3-dien) za normálních podmínek bezbarvá prchavá kapalina, velmi hořlavá syntetizován mnoha rostlinami; slouží jako stavební jednotka pro tvorbu terpenů základní stavební jednotka kaučuku aktivní isoprenová jednotka se podílí na syntéze cholesterolu Reakce alkenů nenasycená dvojná vazba je funkční skupina poskytující řadu reakcí ethen + H 2 CH 2 -CH 2 + H 2 O CH 2 -CH CH=CH I OH + I 2 CH-CH I I I I + O + H 2 O CH-CH I I OH OH 28

28 Významné cyklické sloučeniny Cyklohexan nepolární rozpouštědlo v chemickém průmyslu surovina pro průmyslovou výrobu kyseliny adipové a kaprolaktamu (meziproduktů pro výrobu polyamidů) unikátní chemické a konformačním vlastnosti laboratorní standard Steran(cyklopentanoperhydrofenantren) základ steroidních látek 29

29 Významné aromatické sloučeniny Benzen bezbarvá, hořlavá a toxická kapalina s nasládlým zápachem zdrojem benzenu jsou zplodiny z automobilové dopravy a jeho vypařování z motorových paliv během manipulace, distribuce a skladování vdechování malého množství způsobuje bolest hlavy, pocit únavy, zrychlení srdečního tepu, chvění a ztrátu vědomí poškozuje kostní dřeň a způsobuje chudokrevnost; je klasifikován jako rakovinotvorný pro člověka, způsobuje leukemii a rakovinu plic je toxičtější než toluen benzen fenol toluen kys. benzoová kys. hippurová Anilin bezbarvá olejovitá kapalina; na vzduchu se snadno oxiduje na žlutou až hnědou v největším množství vyráběná organická zásada používá se při výrobě barviv a léčiv; v současnosti největší využití jako reakční komponenta při výrobě polyuretanů k otravě dochází požitím, nadýcháním nebo vstřebáním kůži; projevuje se cyanózou; působí také na CNS 30

30 Významné aromatické sloučeniny Anilin anilin fenylhydroxylamin nitrobenzen acetanilid nitrosobenzen acetanilid antipyretické účinky, dříve používán jako léčivo fenylhydroxylamin atakuje oxyhemoglobin a mění ho na methemoglobin nitrobenzen ochrnuje CNS a má hemolytický účinek nitrosobenzen váže se na řadu biologických struktur, má silné karcinogenní účinky Benzidin dlouhou dobu používán v laboratoři k průkazu krve zjistilo se, že má silné karcinogenní účinky vyvolává rakovinu močového měchýře a slinivky břišní Máslová žluť (4-dimethylaminoazobenzen) vyráběla se z anilinu; používána více než 50 let později se zjistilo, že se jedná o silný karcinogen 31

31 Významné polycyklické aromatické sloučeniny Pyren vzniká při nedokonalém spalování organických sloučenin toxický pro ledviny a játra dráždí kůži a může způsobovat její chronické odbarvení Benzpyren nachází se v uhelném dehtu, v automobilových výfukových plynech, v každém kouři vzniklém při spalování organických materiálů (včetně listů tabáku při kouření) a v grilovaných potravinách v připálených toastech jsou koncentrace vyšší, než se dříve myslelo vařené produkty z masa jsou epidemiologicky spojovány se zvýšeným výskytem nádorů tlustého střeva (až 4 ng/g, až 5,5ng/g ve smaženém kuřeti, 62,6ng/g v přepečeném hovězím masu) Nejsilnější známé karcinogeny cholantren methylcholantren 32

32 Významné polycyklické aromatické sloučeniny Polychlorované bifenyly (PCB) mají vynikající technické vlastnosti zvláčňují PVC a plasty, zvyšují přilnavost a odolnost laků a barev mají mutagenní a karcinogenní vlastnosti značně odolné vůči oxidaci, poločas rozkladu přes 10 let ovlivňují reprodukční schopnosti DDT vynikající insekticidní vlastnosti hubení vší jako prevence vzniku epidemií skvrnitého tyfu za války postřik rozsáhlých území v boji proti malárii Dioxin(TCDD) spojen s výrobou herbicidů výroba vychází z tetrachlorbenzenu při 180 C -> herbicid při přehřátí vzniká dioxan při válce ve Vietnamu použit herbicid Agent Orange totální jed nebezpečný pro všechny organismy smrtelná otrava probíhá několik dní 33