rganická chemie - úvod Trocha historie Původní dělení hmoty: Neživá anorganická Živá organická Rozdělení chemie na organickou a anorganickou objevy a isolace látek z přírodních materiálů.w.scheele(1742-1786): bjev kyselin mléčné, jablečné a vinné J.J. Berzelius(1779-1848) vitalistická theorie( životní síla vis vitalis) F. Wöhler(1818-1882) synthesa močoviny: N 4 N 2 NN 2 Strukturní theorie: 19. století A.M. Butlerov(1828-1886) vlastnosti sloučenin závisí na struktuře molekul F.A. Kekulé(1829-1896) vazebné možnosti atomu uhlíku 1
Současnost oboru organické chemie Dynamický a rychlý vývoj Základ pro řadu oborů chemického průmyslu rozmanité výrobky Lékařství, farmacie synthesa nových léků, umělé cévy, kloubní náhrady Stavebnictví, strojírenství plasty jako konstrukční materiály Elektronika organické polovodiče Zemědělství pesticidy, fungicidy, herbicidy Potravinářství konservanty, umělá sladidla, chuťové látky Čistíc prostředky tenzidy Další barviva a pigmenty Složení organických molekul rganická chemie = chemie sloučenin uhlíku Z prvků nejčastěji: Uhlík základní stavební částice organických molekul čtyřvazný Vodík jednovazný Kyslík alkoholy, karbonylové a karboxylové sloučeniny, ethery dvojvazný Dusík N aminy, amidy, nitrily, nitro a nitroso sloučeniny obvykle trojvazný Síra S merkaptáty, thioethery dvojvazná alogeny jednovazné 2
Vlastnosti uhlíkového atomu 1) Uhlík je čtyřvazný 2) Atomy uhlíku se mohou vzájemně spojovat do řetězců lineárních a cyklických 3) Atomy uhlíku mohou tvořit čtyři jednoduché vazby, dvě dvojné vazby, nebo jednu dvojnou vazbu a dvě jednoduché vazby, jednu trojnou vazbu a jednu jednoduchou vazbu N Druhy vazeb v organických sloučeninách theorie kovalentní vazby Podle násobnosti: Jednoduchá Dvojná Trojná Vazby σ Podle výskytu vazebných elektronů: Vazby π Sigma σ: elektrony se nacházejí (tj. elektronová hustota je největší) na spojnici jader, tvoří se jako první Pí π: elektrony se nacházejí (tj. elektronová hustota je největší) nad a pod spojnicí jader, vyskytuje se v násobných vazbách jako doplněk k vazbě σ 3
Druhy vazeb v organických sloučeninách theorie kovalentní vazby Podle hodnoty rozdílu elektronegativit( X) vázaných atomů: Kovalentní Nepolární X = 0,0 0,4 elektrony jsou sdíleny rovnoměrně, elektronová hustota zhruba uprostřed mezi vázanými atomy. Nepolární látky obsahují buď jen nepolární vazby, nebo vzájemně kompensované vazby polární. Polární X = 0,4 1,7 elektrony jsou přitahovány blíže k jednomu z partnerů. Elektronová hustota největší u elektronegativnějšího atomu. Vzniká parciální kladný (δ+) a záporný (δ-) náboj. Polární látky obsahují alespoň jednu nekompensovanou polární vazbu. Iontové X > 1.7 elektrony jsou zcela přetaženy k elektronegativnějšímu atomu, dochází k rozdělení náboje a vzniku iontů. Vyskytuje se v pevných látkách (soli) a jejich taveninách. xidační číslo v organických molekulách xidační číslo: Theoretickýnáboj, který by vznikl na atomu, pokud by vazebné elektronové páry byly přisouzeny elektronegativnějšímu z obou partnerů. Postup určení Č: 1) Nakreslit plný konstituční vzorec 2) Určit elektronegativity jednotlivých atomů 3) Rozdělit vazby a vazebné elektrony vždy přisoudit elektronegativnějšímu z partnerů 4) Spočítat odebrané, případně získané elektrony 5) Č = (+) počet odebraných elektronů, nebo (-) počet získaných elektronů 4
Energetika kovalentní vazby Pokud se dva atomy k sobě přibližují a při tom se jejich valenční vrstvy postupně překrývají, dochází k uvolňování energie Maximální energie (vazebná, disociační energie) se uvolní, když atomy dosáhnou určité vzdálenosti rovnovážné vzdálenosti, která odpovídá vazebné délce Pokud se atomy přiblíží ještě více, dojde k postupně rostoucí repulsi odpuzování z důvodu přílišné blízkosti kladně nabitých jader Prostorové uspořádání substituentů na uhlíkovém atomu - hybridisace ybridisace:děj, při kterém dochází k energetickému splývání orbitalů a přesunu elektronů v rámci nově vznikajícího hybridního orbitalu. Současně dochází k novému prostorovému uspořádání Druh hybridisace určuje nové prostorové uspořádání molekulových orbitalů Do hybridních orbitalů se započítávájí orbitaly podílející se na vazbě σ a obsahující volné elektrony a nevazebné elektronové páry Do hybridních orbitalů se nezapočítávají orbitaly tvořící vazby π sp přímka sp 2 trojúhelník sp 3 tetraedr 5
Theorie molekulových orbitalů hemickou vazbu je možné popisovat i theoriímolekulových orbitalů (M) Vznik vazby je popisován matematickou lineární kombinací vlnových funkcí atomových orbitalů (A) za vniku M. Vznikající orbitaly jsou příslušné celé molekule, nikoli jen jednomu atomu. M popisuje pravděpodobnost výskytu elektronu v molekule Lineární kombinace: Součet vznik vazebného orbitalu Rozdíl vznik antivazebného orbitalu Vznik molekulového σ orbitalu Theorie molekulových orbitalů M = nejvyšší obsazený M LUM = nejnižší neobsazený M Vznik molekulového π- orbitalu 6
Vzorce organických sloučenin Souhrnné (sumární) 2 6 Strukturní: Konstituční Plné Racionální 3 2 Elektronové Konfigurační Volné elektronové páry Konformační Modely organických molekul Kuličkové: Tvořeny kuličkami (atomy) a tyčinkami (vazby) Trubičkové: Skládají se z fragmentů spojených trubičkami. Fragmenty se liší velikostí a barvou, trubičky délkami. Kalotové modely: Tvořeny kalotami (stavební částice) Počítačové 7
Dělení organických sloučenin Podle složení: Uhlovodíky (pouze uhlík a vodík) Deriváty uhlovodíků (obsahují i další prvky) Podle řetězce: Acyklické (alifatické) Rozvětvené Nerozvětvené yklické Alicyklické Aromatické Monocyklické Vícecyklické Podle výskytu násobných vazeb: Nasycené Nenasycené Struktura organických sloučenin Konstituce vyjadřuje vzájemné uspořádání atomu spojením chemickými vazbami Konfigurace vyjadřuje uspořádání atomů v prostoru, které není možné změnit volnou rotací kolem jednoduché vazby Konformace vyjadřuje uspořádán atomů v prostoru, které je možné měnit volnou rotací kolem jednoduché vazby 8
Isomerie Isomerie: jev, kdy sloučeniny mají stejné složené, ale rozdílnou strukturu (= isomery) Konstituční Řetězcová rozdílné větvení řetězce alkanů Polohová rozdílné umístnění charakteristické skupiny v molekule Skupinová rozdíl ve funkční skupině za současného zachování sumárního vzorce 3 2 3 2 3 3 2 3 3 3 3 2 l 3 l 3 3 2 Prostorová - stereoisomerie Konformační různé formy stejné molekuly, vznikající otáčením atomů kolem jednoduché vazby Geometrická (cis-trans isomerie) různé umístnění substituentů vzhledem k dvojné vazbě 3 3 3 3 ptická rozdílné uspořádání substituentů na asymetrickém atomu uhlíku (uhlík se čtyřmi odlišnými substituenty). ba isomery jsou sobě zrcadlovými obrazy enantiomery. Liší se stáčením roviny polarisovanéhosvětla opticky aktivní F Br l 3 F l 3 Br Reakce organických sloučenin Klasifikace: Podle štěpení vazby: omolytické: vazba se štěpí symetricky za vzniku radikálů eterolytické: vazba se štěpí asymetricky za vzniku iontů Podle typu reagujících částic Elektrofilní: reakcí se účastní částice přitahující elektrony (buď kladně nabité, nebo elektroneutrální) Nukleofilní: reakcí se účastní částice poskytující elektrony (záporně nabité, nebo elektroneutrální) Radikálové: účastnící se částice nesou nepárový elektron Podle změny struktury: Adice: Eliminace: Substituce: Přesmyk: A + B A B+ A + B + D A B 9
Další reakční typy Redoxní reakce: xidace: oření prudká oxidace kyslíkem Přidávání elektronegativních atomů (hlavně kyslíku) do molekuly debírání atomů vodíku z molekuly Redukce: lavně přidávání atomů vodíku do molekuly Acidobasické reakce: Brönstedtovykyseliny (např. karboxylové kyseliny) a base (např. aminy) Lewisovykyseliny (např. karbonylový atom uhlíku) a base (např. kyslíkový atom alkoholů) Rovnice Zápis organických reakcí N 2 N 2 + 3 Zn + 6 l + 3 Znl 2 + 2 2 Schéma N 2 N 2 Zn, l - Znl 2, - 2 10
Substituční efekty v organických molekulách Reakční centrum: část molekuly, kde probíhá chemická reakce Indukční efekt přenáší se po vazbách σ na krátkou vzdálenost +I efekt: substituent dodává elektrony do reakčního centra molekuly (alkylové a elektropositivní substituenty donory elektronů) -I efekt: substituent z reakčního centra odnímá elektrony (elektronegativní substituenty akceptory elektronů) Mesomerníefekt přenáší se po vazbách p, v některých případech za účasti nevazebných elektronových párů +M efekt: substituent dodává elektrony do reakčního centra (donor elektronů) -M efekt: substituent odčerpává elektrony z reakčního centra 2 (akceptor elektronů 3 2 2 l l 3 +I -I +M -M 2 N + - Resonance (mesomerie) Jev, kdy není možné vyjádřit strukturu molekuly jediným strukturním vzorce, ale pouze jejich kombinací daná látka může zaujmout více možných struktur = resonanční struktury Resonance je způsobena volným pohybem π-elektronů násobných vazeb Jediný rozdíl mezi resonančními strukturami je umístnění elektronů πa nevazebných valenčních elektronů. Samotné atomy v obou resonančních strukturách zaujímají přesně tutéž polohu a jsou spojovány stejným způsobem. 3 3 3 3 - - - - 11