Organická chemie. Rozdíl mezi organickými a anorganickými látkami účinek organické látky anorganické látky citlivé, těkavé, rozkládají se, hoří

Transkript

1 Organická chemie Organická chemie je chemie sloučenin uhlíku, kromě samotného uhlíku a některých jednoduchých sloučenin uhlíku, jako jsou CO, CO 2, H 2 CO 3, uhlčitanů, hydrogenuhličitanů a karbidů, které tradičně studuje chemie anorganická. Organická chemie je vědním oborem, který se zabývá strukturou, vlastnostmi, přípravou a využitím organických sloučenin Rozdíl mezi organickými a anorganickými látkami účinek organické látky anorganické látky teplo citlivé, těkavé, rozkládají se, hoří méně citlivé, většinou nehoří rozpustnost ve vodě většinou nerozpustné většinou rozpustné rozpustnost rozpustné většinou nerozpustné v organických rozpouštědlech vodivost nevodivé vodivé chemické reakce pomalé rychlé počet látek 6 milionů 100 tisíc Složení organických látek: C, H, O, N, S, P Hal, některé kovy a nekovy (Mg, Si, Al )organogenní prvky Zdroje organických látek: fosilní (ropa, uhlí, zemní plyn) recentní (rostliny a živočichové) Historie: Starověk jedy, balzámy, přírodní sloučeniny, extrakty rostlin Středověk alchymie, líh, kyselina octová 17. století dělení látek podle zdrojů minerální později anorganická chemie rostlinné živočišné později organická chemie 18. století teorie životní síly vis vitalis, organická chemie J. J. Berzelius (1806) 1

2 1828 F. Wöhler poprvé připravil z typicky anorganické typicky organickou látku NH 4 CNO NH 2 CONH 2 kyanatan amonný močovina 1860 R. Berthelot popsal mnoho organických látek, pokusy, vyvrátil vitalistickou teorii pro organickou i anorganickou chemii platí stejné zákony Rozdělení chemie: Příčiny rozdělení: organická anorganická 1. velké množství organických sloučenin 2. specifické metody studia organických sloučenin 2. pol. 19. století Alexandr Michajlovič Butlerov Friedrich August Kekulé Strukturní teorie látek uhlík je v organických sloučeninách vždy čtyřvazný všechny čtyři vazby jsou rovnocenné atomy uhlíku se mohou vázat vzájemně i s jinými prvky vazbami jednoduchými, dvojnými a trojnými a vytvářet tak otevřené a uzavřené řetězce vlastnosti organických látek závisí na jejich struktuře, tj. na prostorovém uspořádání molekul Vznik nových oborů chemie obecná organická chemie fyzikální organická chemie biochemie farmacie organická analýza systematická organická chemie makromolekulární chemie organická technologie atd. Úkol: Výpočet empirického (stechiometrického) vzorce Příklad (PZ na VŠ str. 15, př. 51) 2

3 Vazby v molekulách organických sloučenin Typy vazeb většinou kovalentní 1. jednoduché (např. nasycené uhlovodíky alkany, cykloalkany) 2. násobné dvojné a trojné (např. nenasycené uhlovodíky alkeny, alkyny) Charakteristika vazeb 1. Vazby σ a π 2. Délka a pevnost vazeb C C 0,154 nm C = C 0,134 nm C C 0,120 nm Vaznost počet kovalentních vazeb vycházejících z atomu ve sloučenině (atomy jednovazné, dvouvazné, trojvazné, čtyřvazné ) Více dvojných vazeb 1. kumulované 2. konjugované 3. izolované Sloučeniny, kde vaznost neodpovídá skutečnosti málo stabilní (kromě NH 4 +, H 3 O +, OH - ) Polarita a polarizovatelnost vazeb 1. polarita vazby nepolární a polární (jev statický, ovlivňuje ji elektronegativita) polarita vazeb a molekul 2. polarizovatelnost polarizace nepolární vazby vlivem prostředí nebo jiné látky (jev dynamický, mizí při odstranění příčiny) u všech vazeb, lépe u vazeb π Prostorové uspořádání atomů v molekule 1874 Van t Hoff a Le Bel zakladatelé stereochemie 4 vazby sp 3 3 vazba 120 sp 2 2 vazby 180 sp 3

4 Prostorová orientace vazeb 1. jednoduché vazby volná otáčivost atomů nebo skupin atomů kolem vazby (konformace) nekonečně mnoho konformerů dvě mezní polohy souhlasná(zákrytová) a nesouhlasná (nezákrytová) konformace konformery se neliší v chemických ani ve fyzikálních vlastnostech s teplotou se zvyšuje počet energeticky bohatších konformerů (souhlasných) 2. dvojné vazby volná otáčivost neexistuje (konfigurace) stabilní prostorové struktury (grometrická izomerie) 3. trojné vazby lineární část molekuly Typy vzorců v organické chemii (K str.8) 1. empirický (stechiometrický) 2. sumární (molekulový) 3. strukturní 4. racionální (funkční) 5. strukturní elektronový 6. prostorový (geometrický, perspektivní) 4

5 Izomerie jev, kdy sloučeniny o stejném souhrnném vzorci mají jiný vzorec strukturní (stejné složení různá struktura) izomery mají různé fyzikální i chemické vlastnosti Konstituční izomerie různá konstituce = pořadí atomů a vazeb 1. řetězová (různý typ uhlíkového řetězce) 2. polohová (různá poloha vazeb nebo skupin substituentů) 3. skupinová = metamerie (různé funkční skupiny) 4. tautomerie (keto-enolová tautomerie) Konfigurační izomerie liší se prostorovým uspořádáním atomů v molekule (konfigurací) 1. geometrická (cis-trans) různá konfigurace na dvojných vazbách nebo na cyklech 2. optická způsobená nesymetričností molekul opticky aktivní látky-optické izomery-stáčejí rovinu polarizovaného světla levotočivé a pravotočivé izomery způsobuje ji nesymetričnost molekul 5

6 Způsoby štěpení vazeb 1. homolýza symetrické štěpení nepolárních vazeb vznikají částice s nepárovým elektronem (radikály) Cl Cl Cl + Cl světlo, teplo, nepolární rozpouštědla 2. heterolýza nesymetrické štěpení většinou polární vazby vznikají částice s nadbytkem elektronů (nukleofily) a nedostatkem elektronů (elektrofily) R Cl R + + Cl - elektrofil nukleofil 1. katalyzátory, polární rozpouštědla Způsoby vzniku vazeb 1. koligace opak homolýzy X + Y X Y 2. koordinace opak heterolýzy X + + Y - X Y Typy činidel 1. radikály (částice s nepárovými elektrony) R, CH 3, OH 2. elektrofily (částice s nedostatkem elektronů neutrální nebo kationty) AlCl 3, Cl +, R +, NH 2 +, NO nukleofily (částice s nadbytkem elektronů neutrální nebo anionty) H 2 O, NH 3, ROH, OH -, CN -, X - Současné štěpení a vznik vazeb platí pro většinu chemických reakcí (substituce, adice ) 6

7 Typy organických reakcí 1. S substituce (nahrazování) nahrazení atomu nebo skupiny atomů jiným atomem nebo skupinou atomů 2. Ad adice (připojení) připojení atomů nebo skupin atomů k uhlíkovým atomům po obou stranách násobné vazby, násobnost vazby se snižuje 3. E eliminace (odštěpení) odštěpení atomů nebo skupin atomů od dvou sousedních uhlíkových atomů, násobnost vazby se zvyšuje (opak adice) 4. přesmyk přeskupení atomů uvnitř molekuly (stabilizace) Další typy reakcí: oxidace a redukce polymerace hydrogenace a dehydrogenace hydratace, dehydratace, hydrolýza halogenace hydrohalogenace a dehydrohalogenace 7

8 Mechanismy reakcí (jak probíhá reakce, jaké činidlo ji vyvolává) Organické reakce (podle mechanismu) 1. radikálové reakci vyvolává radikál (halogenace methanu) homolytické štěpení vazeb řetězový charakter S R, Ad R 2. iontové reakci vyvolává iont (elektrofilní nebo nukleofilní) heterolytické štěpení vazeb S E, Ad E, S N, Ad N Elektronové (posuny elektronů) 1. Indukční efekt (I) o působí maximálně na délku 3 σ vazeb, zeslabuje o způsoben rozdílnou elektronegativitou + I efekt CH 3 CH 2 CH 2 M o způsobují jej kovy a alkyly - I efekt CH 3 CH 2 CH 2 X o způsobují jej charakteristické skupiny 2. Mezomerní efekt (M) o působí na konjugovaných π vazbách o nezeslabuje + M efekt o způsobují jej NH 2, -OH, -X - M efekt o způsobují jej CHO, -COOH, -NO 2, -SO 3 H, -CN 8

9 9

10 10

11 Zařaď uhlovodíky do systému 11

12 Deriváty uhlovodíků Charakteristická skupina Název skupiny Příklad derivátu Název derivátu R X X halogen halogenderiváty Ar X R - NO NO 2 nitroskupina 2 nitrosloučeniny Ar - NO 2 R - NH NH 2 aminoskupina 2 aminosloučeniny Ar - NH 2 (aminy) SO 3 H sulfoskupina R - SO 3 H sulfonové kyseliny R OH alkoholy OH hydroxylová skupina Ar - OH fenoly O-R karbonylová skupina (oxoskupina) karboxylová skupina alkoxyskupina R CHO R CO R R COOH Ar - COOH R O R Ar O Ar CN nitrylová skupina R CN nitrily karbonylové sloučeniny (aldehydy a ketony) karboxylové kyseliny karbonové kyseliny organické kyseliny alkoxysloučeniny ethery 12

13 Zařaď do systému derivátů uhlovodíků 13

14

15 Navrhni vzorec: aromatický aldehyd alifatický uhlovodík bicyklický ether nerozvětvený konjugovaný dien nenasycený alkohol alicyklická rozvětvená sulfokyselina kondenzovaný tricyklický uhlovodík dusíkatá heterocyklická sloučenina nenasycený nitryl alifatický uhlovodík 15

16 Přiřaď typ sloučeniny ke vzorci: 16

17 Názvosloví uhlovodíků Typy názvosloví: triviální a polotriviální(líh, aceton, kyselina octová, ethylen, acetylen) systematické IUPAC (ethanol, propanon, ethanová kyselina, ethen, ethyn) Alifatické uhlovodíky s nerozvětveným řetězcem Alkany C n H 2n+2 -an Alkeny C n H 2n -en Alkadieny C n H 2n-2 -dien Alkyny C n H 2n-2 -yn Přehled základních uhlovodíků 17

18 Číslování řetězců násobné vazby mají co nejmenší číslo poloha násobné vazby před koncovkou CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 CH 2 =CH-CH 2 -CH 2 -CH 3 CH 3 -CH=CH-CH 2 -CH 3 CH 3 -CH 2 -C C-CH 3 pentan pent-1-en pent-2-en pent-2-yn dvojná menší číslo než trojná CH C-CH 2 -CH=CH 2 pent-1-en-4-yn Uhlovodíkové zbytky Alifatické uhlovodíky s rozvětveným řetězcem Postup: 1. Určí se hlavní řetězec, u nasycených uhlovodíků je nejdelší a u nenasycených obsahuje maximum násobných vazeb 2. Očíslují se uhlíkové atomy tak, aby 1/násobné vazby a 2/rozvětvení měly co nejmenší čísla 3. Určí se názvy uhlovodíkových zbytků a seřadí se podle abecedy 4. Uhlovodíkovým zbytky se přiřadí násobící předpony a dají se podle abecedy před název hlavního řetězce 18

19 5. Mezi číslo a slovo se dává pomlčka, mezi čísla čárka, poslední zbytek se neodděluje pomlčkou 19

20 Názvosloví cyklických uhlovodíků cykloalkany C n H 2n cykloalkeny C n H 2n-2 areny základ názvu je benzen a triviální názvy jiných arenů hlavní řetězec je řetězec cyklu předpona cyklonásobné vazby co nejnižší čísla rozvětvení co nejnižší čísla 20

21 21

22 Cvičení: 22

23 23

24 ALKANY a CYKLOALKANY (parafíny a cykloparafíny) nasycené alifatické a alicyklické uhlovodíky hybridní stav sp 3, vazebný úhel alkany - obecný vzorec C n H 2n+2, koncovka an cykloalkany - obecný vzorec C n H 2n, předpona cyklo- tvoří homologické řady, homology Zdroje alkanů a cykloalkanů zemní plyn ropa přírodní asfalt zemní vosk (ozokerit) Fyzikální vlastnosti alkany C 1 -C 4 plyny C 5 -C 15 kapaliny C 16 a výše pevné látky T t a T v stoupají v homologické řadě rozvětvené mají nižší T t (reformování) plyny bez zápachu kapaliny nižší benzínový zápach, vyšší bez zápachu, ρ<1 rozpustnost nepolární rozpouštědla, ne ve vodě tvoří různé konformace (souhlasná-nesouhlasná, vaničkovážidličková), cykloalkany geometrická izomerie Příprava 1. Hydrogenace nenasycených uhlovodíků R-CH=CH 2 + H 2 hη R-CH 2 -CH 3 2. Wurtzova syntéza reakce se sodíkem 2CH 3 CH 2 CH 2 I + 2Na CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 + 2NaI 3. Alkalické tavení solí karboxylových kyselin 24

25 Chemické vlastnosti homolytické štěpení vazeb, radikálové reakce, světlo, teplo Reakce na vazbách C-H A. Substituční reakce S R řetězové reakce tři fáze iniciace, propagace, terminace 1. Halogenace (vznik až polyhalogenuhlovodíků) S R CH 4 + Cl 2 h η, teplo CH 3 Cl + HCl Mechanismus reakce S R 2. Nitrace vznik nitrosloučenin R-CH 3 + HNO 3 teplo R-CH 2 NO 2 + H 2 O 3. Solfooxidace vznik sulfonových kyselin R-CH 3 + Cl 2 + SO 2 + O 2 teplo R-CH 2 -SO 3 H výroba detergentů 25

26 B. Eliminační reakce 1. Dehydrogenace vznik alkenů a alkynů R-CH 2 -CH 3 Pt, Pd, Ni R-CH=CH 2 + H 2 Reakce na vazbách C-C 1. Oxidace vznik oxidačních produktů uhlovodíků CH 3 -CH 3 2 O CH 3 -CH 2 -OH 2. Úplná oxidace spalování C 5 H O 2 5CO 2 + 6H 2 O 3. Krakování 2 O CH 3 -CHO 2 O 4. Pyrolýza a izomerizace vzniká směs alkanů a alkenů CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 2 O 5. Hydrogenace cykloalkanů (otevření cyklu) CH 3 -CH 3 + CH 2 =CH-CH 3 CH 3 COOH Zástupci 26

27 ALKENY (olefíny) nenasycené alifatické uhlovodíky s jednou dvojnou vazbou hybridní stav sp 2, vazebný úhel 120 alkeny - obecný vzorec C n H 2n, koncovka en homologická řada Fyzikální vlastnosti alkeny C 1 -C 4 plyny C 5 a výše kapaliny a pevné látky T t a T v stoupají v homologické řadě rozpustnost nepolární i polární rozpouštědla (mají schopnost polarizovat se) polohová, řetězová a geometrická izomerie Příprava 1. Dehydrogenace alkanů R-CH 2 -CH 3 Pt Pd, Ni, R-CH=CH 2 + H 2 2. Tepelné štěpení uhlovodíků (pyrolýza, izomerizace, krakování) 3. Dehydrohalogenace halogenderivátů 4. Dehydratace alkoholů 27

28 Chemické vlastnosti jsou podmíněny přítomností dvojné vazby π vazba se štěpí snadněji než σ Ad, E, polymerace Adiční reakce 1. Halogenace Ad E adice halogenů (vznik dihalogenderivátů) katalýza Lewisovými kyselinami Mechanismus Ad E 2. Hydrohalogenace Ad E adice halogenovodíků (vznik halogenderivátů) Markovnikovo pravidlo při elektrofilní adici na nesymetrické alkeny a alkyny se elektronegativnější část činidla připojuje na ten uhlíkový atom u násobné vazby, na kterém je menší počet vodíkových atomů. 3. Hydratace Ad E adice vody (vznik alkoholů) 4. Adice halogenů a halogenovodíků Ad R 28

29 5. Hydrogenace Ad R reakce s vodíkem (vznik alkanů) 6. Adice KMnO 4 (podle koncentrace vznik diolů, popř. karbonylových a karboxylových sloučenin, oxidace) Polymerace mnohonásobná adice Eliminační reakce Dehydrogenace E R vznik alkanů R-CH=CH 2 hη R-C CH + H 2 Zástupci 29

30 ALKADIENY dvě dvojné vazby C n H 2n-2 kumulované nestabilní izolované vazby se neovlivňují, reakce jako alkeny konjugované delokalizace π elektronů, stabilita Chemické vlastnosti 1. Adice (1,2-adice a 1,4-adice) vyšší teplota nižší teplota 2. Polymerace Zástupci 30

31 ALKYNY trojná vazba, koncovka -yn C n H 2n-2 Příprava 1. Dehydrogenace alkanů a alkenů 2. Dehydrohalogenace 3. Příprava acetylenu z karbidu vápenatého Chemické vlastnosti charakteristika trojné vazby typické reakce Ad E, Ad R a S 1. Adice (hydrohalogenace, halogenace) Ad E 2. Kučerovova reakce adice vody na acetylen Ad E 3. Hydrogenace adice vodíku Ad R 31

32 4. Polymerační reakce a. dimerace acetylenu Význam vinylacetylenu b. trimerace acetylenu chlorpren butadien c. tetramerace acetylenu 5. Vznik acetylidů S s lehkým kovem s těžkým kovem Zástupci 32

33 ARENY Uhlovodíky s aromatickými vlastnostmi Teorie aromatičnosti: C je v hybridním stavu sp 2 polycentrický systém π vazeb vazby jsou delší než dvojné ale kratší než jednoduché delokalizace π elektronů, delokalizační energie (151 kj/mol) tvoří řadu rezonančních struktur Podmínky aromatičnosti: 1. cyklické rovinné molekuly 2. konjugovaný systém π vazeb 3. 4n+2 π elektronů Fyzikální vlastnosti: kapaliny nebo pevné látky ve vodě nerozpustné, rozpustné v organických rozpouštědlech kapalné areny rozpouštědla jedovaté, hořlavé, karcinogenní Příprava: 1. Přírodní zdroje (černouhelný dehet) 2. Trimerace, popř. tetramerace acetylenu 3. Wurtz-Fittigova syntéza z halogenderivátů 4. Friedel-Craftsova syntéza (alkylace nebo arylace arenů, AlCl 3 ) 33

34 Chemické vlastnosti: 1. substituce S E a S R 2. adice A R Reakce na aromatickém jádře Substituční reakce S E Mechanismus reakce S E 1. Halogenace Mechanismus 2. Nitrace 34

35 3. Sulfonace 4. Alkylace Vliv substituentů na průběh S E na aromatickém jádře 1. Substituenty 1. třídy další substituce do polohy o- a p- +M a +I efekt NH 2, -OH, -X, -R 2. Substituenty 2. třídy další substituce do polohy m- -M a -I efekt CHO, -COOH, -NO 2, -SO 3 H, -CN Pokud se na aromatickém systému nacházejí 2 substituenty, orientace se řídí substituentem s největším +M nebo +I efektem a stérickými faktory. 35

36 Reakce S R na bočním řetězci Halogenace Adice na aromatickém jádře Ad R 1. Hydrogenace 2. Halogenace Oxidace 1. Oxidace benzenu 36

37 2. Oxidace alkylhomologů benzenu 3. Oxidace naftalenu 4. Oxidace kumenu Zástupci 37