ORGANICKÁ CHEMIE I. Kristýna Bürglová. Katedra Organické Chemie ÚMTM (FN)

Transkript

1 ORGANICKÁ CHEMIE I Kristýna Bürglová Katedra Organické Chemie ÚMTM (FN) kristyna.burglova@upol.cz Konzultace kdykoli po domluvě na přednášce/ em 1

2 Přednášky & seminář: středa 8:45 11: Přednášky a semináře nebudou striktně rozděleny! 2

3 Podmínky pro úspěšné absolvování předmětu OC1 1. Kvalifikace pro písemné kolokvium OC1 Student musí úspěšně absolvovat 2 plánované průběžné testy v rámci výuky předmětu OC1 - minimální úspěšnost každého testu musí činit alespoň 60% Student má nárok na náhradní termín průběžného testu v případě, že byl řádně omluven dle Studijního a zkušebního řádu Univerzity Palackého, či jeho úspěšnost v řádném termínu byla nižší než 60%. Jednotlivé průběžné testy budou vycházet z probraného učiva předmětu OC1. Opravné termíny na konci semestru budou obsahovat již celé učivo předmětu OC1. Test č.1: Test č.2: Opravný termín (souhrnný): zápočtový týden 2. Opravný termín (souhrnný): během zkouškového období 3

4 Podmínky pro úspěšné absolvování předmětu OC1 2. Písemné kolokvium OC1 Právo účastnit se písemného kolokvia OC1 má ten student, který splnil podmínky kvalifikace pro písemné kolokvium OC1 (viz bod 1). Před ukončením výuky předmětu OC1 budou v předstihu oznámeny termíny písemného kolokvia OC1. Celkem bude vypsáno maximálně 7 termínů písemného kolokvia OC1 v období od druhé poloviny května až do začátku července. Pro úspěšné zakončení předmětu OC1 musí činit minimální úspěšnost písemného kolokvia OC1 alespoň 70%. Student má maximálně celkem 3 pokusy formou písemného kolokvia. Každý student má tedy k dispozici 1 řádný a 2 opravné termíny písemného kolokvia OC1. 4

5 Literatura Jan Slouka, Iveta Fryšová, Petr Cankař: Průvodce některými úvodními kapitolami organické chemie, 2010, Univerzita Palackého Olomouc, ISBN:

6 Literatura John McMurry: Organická chemie, 2007, VUT v Brně, ISBN: / Nakladatelství VUTIUM, VŠCHT Praha, ISBN: , přeloženo z anglického originálu John McMurry: Organic Chemistry, Sixth Edition, 2004, Brooks/Cole, a Thomson Learning Company, ISBN:

7 Literatura Jonathan Clayden, Nick Greeves and Stuart Warren: Organic chemistry, 2012, second edition, ISBN:

8 Literatura: internet (International Union of Pure and Applied Chemistry, nadnárodní nevládní organizace pomáhající tvořit normy v oblasti chemie v globálním měřítku). (odkazy na zajímavá témata, reakce a články). (Katedra organické chemie PřF UP, studijní portál). 8

9 Literatura: internet Procvičovací příklady: On-line procvičování Nutno registrovat se univerzitní ovou adresou. 9

10 Nevyžádaná pošta a jiné postřehy Zítra nemůžu přijít, protože si má milá zlomila nohu. Nemůžu přijít na písemku, protože se mi přednášky kryjí s povinnými laboratořemi. Chybí mi bod v písemce. Nemohla byste udělat výjimku? Včera večer nebyla na webu přednáška. V přednáškách nejsou řešení k příkladům Z prezentací se mi učivo nepodařilo pochopit. Jak dlouho bude trvat kolokvium? Můžu se přihlásit ten den na další písemku? 10

11 Plán přednášek 2017 Úvod do organické chemie, struktura a vazba Stereochemie organických sloučenin Elektronové vlastnosti organických sloučenin Indukční a mezomerní efekty, konjugace, rezonance Kyseliny a báze v organické chemii Přehled mechanismů organických reakcí Alkany Alkeny Aromáty Organokovové sloučeniny 11

12 Pár rad jak úspěšně zvládnout organiku Věnovat se učivu průběžně!!! Procvičovat příklady Ptát se pokaždé, když něčemu nerozumím Používat různé zdroje informací Nesnažit se organiku naučit nazpaměť! 12

13 Organická chemie je jednoduchá, protože Stačí znát pár písmen abecedy C, H, O, N Stačí umět počítat od jedné do osmi (většinou jen do čtyř). Umět číst a psát. Odpověď lze nalézt v otázce. 13

14 Organická chemie se dá pochopit snadno a bez fotografické paměti ale nepůjde to bez správných studijních návyků!!! 14

15 Proč se učit organickou chemii? 15

16 Práce v příjemném prostředí Rafinérie Texas 16

17 Hlavní část organické chemie je organická syntéza i) Příprava sloučenin, které jsou omezeně dostupné v přírodě nebo je levnější je připravit uměle. O H O Me H N H Me dendrobin ii) Modifikace přírodních sloučenin, kterými se zlepšují jejich vlastnosti H 2 N S Me O H N S Me O H N S Me O N Me COOH O N Me COOH H 2 N O N Me COOH iii) penicilanová kyselina penicilin G modifikovaný penicilin ampicilin Příprava nových sloučenin, které mohou mít zajímavé vlastnosti R R R R R R 1 lineární polyaceny R R 1 R R R R R = alkyl, R 1 = alkyl, COOR 17

18 iv) Příprava sloučenin, které jsou důležité z teoretického hlediska (strukturní a vazebná teorie) prizman kuban pentaprisman 18

19 C sloučeniny jsou všude kolem nás Enzymy Pesticidy Biomedicínské materiály DNA Potraviny Proteiny Moderní materiály Benzín Léčiva Umělé hmoty Barviva Kosmetika 19

20 Co je organická chemie? Uhlík (C), vodík (H), kyslík (O), dusík (N) a v menší míře síra (S), fosfor (P) a další prvky Organická chemie je disciplína zabývající se chemií sloučenin uhlíku První transformace anorganické sloučeniny na organickou: konverze kyanatanu ammoného na močovinu (Wöhler 1828) I cannot, so to say, hold my chemical water, and must tell you that I can make urea, without thereby needing to have kidneys, or anyhow, an animal, be it human or dog. napsal Berzeliovi 20

21 Periodická tabulka organického chemika 21

22 Kde končí anorganická chemie a začíná organická??? 22

23 Teorie VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory) 23

24 Teorie VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory) Elektronové páry (vazebné i nevazebné) se ve valenční vrstvě atomu odpuzují. Snaží se tedy zaujmout takový tvar, aby byly co nejdále od sebe. 24

25 Elektronová konfigurace uhlíkového atomu = čtyřvaznost uhlíku 25

26 Atomové a molekulové orbitaly 1. Kombinací atomový orbitalů (AO) dvou a více atomů vznikají molekulové orbitaly (MO), které jsou buď vazebné (nižší energie) nebo antivazebné (vyšší energie) (LCAO lineární kombinace atomových orbitalů) 2. Z jednoho AO vzniká jeden MO. Ze tří AO vznikají tři MO, atp 3. Pokud se kombinují dva AO stejného atomu, vzniká hybridní AO. 26

27 H 2 27

28 Sigma vazba (Ϭ) kovalentní vazba symetrická kolem osy vazby Nejvyšší elektronová hustota na spojnici jader Interakce orbitalů s atomů vodíků za vzniku vazby Ϭ 28

29 Π vazba 29

30 Π vazba Vznik překryvem dvou p orbitalů kolmých na spojnici jader Není symetrická kolem osy vazby Nejvyšší elektronová hustota pod a nad spojnicí jader 30

31 Methan H s sp 3 H s H s sp 3 sp 3 sp 3 H s H H C H H 31

32 Ethen H s 1 p sp 2 C x sp 2 sp 2 C p x sp 2 H s H s sp 2 sp 2 H s H H C C H H 32

33 Acetylen 1 H s sp p x C sp sp p x C sp H s p y p y 2 H C C H 33

34 Struktura organických sloučenin a její zobrazení sp 3 C 109,5 C 154 pm tetraedrické uspořádání sp 2 C 121,7 C116,6 133 pm planární uspořádání sp C 121 pm 180 C lineární uspořádání 34

35 Vliv MO na polaritu vazby AO se stejnou energií AO s mírně rozdílnou energií AO s velmi odlišnou energií Silná interakce mezi AO Vazebný MO mnohem níž než AO Antivazebný MO mnohem výš než AO Oba AO přispívají do MO stejně Elektrony ve vazebném MO jsou sdíleny mezi atomy stejně nepolární kovalentní vazba Nejjednodušší homolytické štěpení vazby Slabší interakce mezi AO Vazebný MO lehce níž než AO B AO příliš daleko na Antivazebný MO trochu výš než interakci AO A Vazebný MO lehce níž než B přispívá do MO více AO B Elektrony ve vazebném MO jsou Přispívá pouze jeden AO sdíleny mezi atomy, ale jsou čistá iontová vazba posunuty blíže B Sloučenina ve formě A + a kovalentní vazba ale také B - elektrostatické atrakce (polární kovalentní) Nejjednodušší rozštěpit vazbu na A + a B -, ale možno i radikálově 35

36 AO s mírně rozdílnou energií Převážná většina organických sloučenin Vznik parciálních nábojů δ + a δ - Stále se jedná o kovalentní vazbu!!! Slabší interakce mezi AO Vazebný MO lehce níž než AO B Antivazebný MO trochu výš než AO A B přispívá do MO více Elektrony ve vazebném MO jsou sdíleny mezi atomy, ale jsou posunuty blíže B kovalentní vazba ale také elektrostatické atrakce Nejjednodušší rozštěpit vazbu na A + a B -, ale možno i radikálově 36

37 Elektronegativita & parciální náboje Elektronegativita = schopnost atomu v molekule přitahovat elektrony Vyšší hodnoty elektronegativit mají ty prvky, které vznikem aniontu dosáhnou konfigurace následujícího vzácného plynu 37

38 Elektronegativita & parciální náboje => Atom s vvyšší elektronegativitou získává záporný parciální náboj 38

39 Elektronegativita & parciální náboje Atom s vvyšší elektronegativitou získává záporný parciální náboj Parciální náboje jsou skutečné δ+ δ- CH 3 Br δ- δ+ CH 3 Li δ- δ+ 39

40 Formální náboj = rozdíl mezi počtem valenčních elektronů neutrálního atomu a atomu ve sloučenině Formální náboj = číslo skupiny - počet nevazebných elektronů - počet kovalentních vazeb = = = -1 40

41 Uhlovodíková kostra : vazby C-H tvořena řetězci, popř. kruhy podpěra funkčních skupin Struktura organických látek Funkční skupiny: Části molekul obsahující jiné atomy než uhlík Určují chemické a biologické chování molekul!! Můžou být i násobné vazby mezi atomy uhlíku 41

42 Kyselina linolová Kreslení vzorců 42

43 Kreslení vzorců Kyselina linolová krystalová struktura 1. Kresli řetězce CIK-CAK Lépe přeneseme 3D realitu do 2D obrázku. 43

44 Kreslení vzorců 2. Kresli ekonomicky 44

45 Každý vrchol křivky = uhlíkový atom Z tohoto uhlíku už vychází 4 vazby, neobsahuje tedy žádný H Obsahuje vázané 2 atomy H Z atomu C vychází 3 vazby = musí obsahovat jeden atom H Tento H se kreslí, protože je vázaný na jiný atom než uhlík 3.Vynechej všechny H připojené k uhlíkům (s výjimkou funkčních skupin) 4. Vynechej psaní C (s výjimkou funkčních skupin) Výjimky = funkční skupiny, reakční místa, atp POZOR! Pokud vypíšu C písmenem, musím dopsat i H atp. dodržet vaznost!!! 45

46 Kreslení prostorových vzorců Rovina nákresny Substituent směřuje PŘED rovinu nákresny Substituent směřuje ZA rovinu nákresny 46

47 Kreslení prostorových vzorců 47

48 Lewisovy vzorce & Oktetové pravidlo Vychází ze snahy atomů dosáhnout ve své valenční sféře energeticky nejvýhodnější elektronové konfigurace nejbližších vzácných plynů (He, Ne, Ar) = oktetové pravidlo Dosažení oktetu je možné tvorbou chemické vazby přenosem (iontová vazba) nebo sdílením (kovalentní vazba) elektronů ve valenčních sférách Přenos elektronů iontová vazba: Konfigurace He Konfigurace Ne Sdílení elektronů kovalentní vazba: 48

49 Lewisovy vzorce = elektronové vzorce znázorňující rozložení valenčních elektronů v kovalentní sloučenině rozložení vazebných i nevazebných elektronových párů - platí oktetové pravidlo 1. Nakresli uspořádání atomů v molekule a urči centrální atom. 2. Urči počet valenčních elektronů zúčastněných atomů 3. Pokud není molekula elektroneutrální, přidej (odeber) požadovaný počet elektronů. 4. Elektrony, které nepřispívají do vazby jsou součástí volného elektronového páru (nejdřív doplň periferním atomům, nakonec centálnímu). 5. Oktetové pravidlo!!! Počítají se všechny elektrony ve volných elektronových párech a ve vazbách. 6. Lewisův vzorec se dá nakreslit více způsoby, nutno přizpůsobit co nejreálnější podobě (pokud na sousedních atomech opačný formální náboj, vznik násobné vazby) 49

50 Lewisovy vzorce Příklad: Nakresli Lewisovým vzorcem CF 4 50

51 Příklad: nakresli Lewisův vzorec PCl 3 : Počet valenčních elektronů = 5 + 7*3 = 26, tzn. 13 elektronových párů Ϭ skelet tvoří 3 elektronové páry Každému atomu Cl pro doplnění na oktet je potřeba doplnit 3 elektronové páry Zbávající jediná elektronová pár je přidělen centrálnímu atomu P Příklad: nakresli Lewisův vzorec molekuly SO 3 2- Příklad: nakresli Lewisův vzorec molekuly COCl 2 51

52 Iontové vazby řada organických látek obsahuje iontové vazby struktura nelze vyjádřit pouze pomocí kovalentních vazeb (došlo by k porušení oktetového pravidla) => iontová vazba někdy možné kreslit iontovou nebo kovalentní formou (ale preferujeme iontovou, pokud je velký rozdíl elektronegativit) resonanční vzorce (později v semestru) 52

53 Význam Lewisových vzorců Zisk základní představy o vazebných poměrech v molekule Určení tvaru molekuly (VSEPR) Navrhování reakčních mechanismů Vaznost = počet vazeb, které jednotlivé atomy vytvářejí Atomy Vaznost VEP

54 Vazebné faktory Typ hybridizace jednotlivých atomů rozhoduje o délce, vazebném úhlu a energii vazby! H H H H 3 C N H 3 C O H 3 C S C C C N N N H methanamin 112 methanol 108 methanthiol 99,4 Vazebný úhel je silně ovlivněn poměrem zapojení s a p orbitalů do hybridizace. délka vazby [pm] energie vazby [kj/mol] Obecně se dá říct, že čím je kratší vazba, tím je vyšší energie vazby. Násobné vazby jsou kratší než jednoduché díky překryvu orbitalů. Hodnoty úhlů a délky vazeb jsou ve skutečnosti zprůměrované díky vibračnímu pohybu jednotlivých atomů v molekule! 54

55 Klasifikace organických sloučenin podle struktury Acyklické sloučeniny = necyklické - acyklické sloučeniny obsahují řetězce uhlíků, ale ne kruhy. Řetězce mohou být nerozvětvené a rozvětvené. 55

56 Karbocyklické sloučeniny Karbocyklické sloučeniny obsahují nejméně jeden kruh složený z atomů uhlíku. Nejmenší karbocyklická sloučenina = cyklopropan. 56

57 Heterocyklické sloučeniny Heterocyklické sloučeniny tvoří třetí a největší skupinu organických látek. V heterocyklických sloučeninách musí být přinejmenším jeden neuhlíkový atom (tzv. heteroatom) přítomný v kruhu. 57