Univerzita Jana Evangelisty Purkyně v Ústí nad Labem Přírodovědecká fakulta rganická chemie Doc. Čermák 2014 becná část
Proč nás bolí svaly po cvičení v posilovně? o je v pilulce proti bolení hlavy, kterou musím vzít po celonočním studiu (kalbě)? o je v pilulce, která mi umožňuje si užívat a rodičovství plánovat? Proč auto potřebuje benzín? Z jakých molekul se skládají věci co nosíme na sobě? Proč česnek zapáchá tak, jak zapáchá? o způsobuje, že květiny voní a mají tolik různých barev? rganická chemie hemie sloučenin uhlíku Proteiny ukry Nukleové kyseliny Tuky Přírodní vlákna Přírodní barviva Vůně a feromony Benzín Polymery Umělá vlákna Umělá barviva Pesticidy Léčiva
Wöhler, 1828 Pb(N) 2 + 2 2 + 2 N 3 2 2 NN 2 + Pb() 2 Nové organické molekuly vytváří organická syntéza V současnosti okolo 40 000 000 chemických (převážně organických) sloučenin počet rychle narůstá Kuban S N Sacharin
Základní principy: Základem různosti (fyzikálních vlastností a reaktivity) organických sloučenin jsou funkční skupiny l 3 2 3 3 3 N 2 Reakce probíhají podle mechanismů, složených z elementárních reakcí 4 + l 2 3 -l + l Probíhá složitým radikálovým mechanismem becně: A + B X + Y 1. elementární reakce X + Y + D 2. elementární reakce A, B... reaktanty (substráty), D... produkty X, Y... intermediáty (meziprodukty)
Molekuly jsou trojrozměrné a reakce probíhají v trojrozměrném prostoru
Molekuly jsou v neustálém pohybu, při kterém přecházejí z jedné konformace (prostorového rozložení atomů) bez přerušení vazeb do jiné. Jednotlivé konformace se od sebe liší energií a molekuly častěji zůstávají v konformacích s nižšími energiemi.
hemická vazba: různé pohledy Model elektrostatické interakce pačné náboje se přitahují Elektrony se rozprostírají v prostoru oulombův zákon: Přitažlivá síla = konstanta x velikost záporného náboje x velikost kladného náboje (vzdálenost nábojů) 2 Energie 0 Délka vazby Mezijaderná vzdálenost
Iontová a kovalentní vazba e - e - + + + e - e - + + Atom 1 Atom 2 Kovalentní vazba se tvoří sdílením elektronů e - e - e - + + + + + e - Atom 1 Atom 2 Kation Anion Iontová vazba je založena na elektrostatických interakcích dvou opačně nabitých iontů
Část periodické tabulky s elektronovou konfigurací Perioda alogeny Vzácné plyny První 1 e 2 Druhá Li 2,1 Be 2,2 B 2,3 2,4 N 2,5 2,6 F 2,7 Ne 2,8 Třetí Na 2,8,1 Mg 2,8,2 Al 2,8,3 Si 2,8,4 P 2,8,5 S 2,8,6 l 2,8,7 Ar 2,8,8 Čtvrtá K 2,8,8,1 2,8,18,7 Kr 2,8,18,8 Pátá I 2,8,18,18,7 Xe 2,8,18,18,8 ktetové pravidlo: Atomy se snaží vytvářet molekuly tak, aby dosáhly osmi (v případě vodíku dvou) elektronů ve vnější slupce (oktet případně duet) a získaly tak konfiguraci vzácného plynu.
Čistě iontová vazba: oktety se tvoří přenosem valenčních elektronů Energetická bilance procesu příklad Nal Ionizační potenciál Na 2,8,1-1 e [Na 2,8 ] + IP = 119 kcalmol -1 Elektronová afinita l 2,8,7 + 1 e [l 2,8,8 ] - EA = -83 kcalmol -1 elkem: Na 2,8,1 + l 2,8,7 [Na 2,8 ] + [l 2,8,8 ] - 36 kcalmol -1 Energie uvolněná elektrostatickou interakcí: -120 kcalmol -1 elková bilance vzniku vazby v Nal je tedy - 84 kcalmol -1
Znázornění valenčních elektronů tečkami Li Be B N F Na Mg Al Si P S l Na + l Na l Mg +2 l Mg l 2 2-1 e. [] + IP = 314 kcalmol -1 + 1 e. [: ] - EA = -18 kcalmol -1
Kovalentní vazba: elektrony jsou atomy sdíleny k dosažení oktetové konfigurace + + l l N l + l l l N + + N Amoniový ion ydroxoniový ion Ethen (Ethylen) Ethyn (Acetylen)
Polární kovalentní vazba Paulingovy Allredovy elektronegativity vybraných prvků 2,2 Li 1,0 Na 0,9 K 0,8 Be 1,6 Mg 1,3 B 2,0 Al 1,6 2,6 Si 1,9 Rozdíl v elektronegativitě u polární kovalentní vazby 0,3 2,0; vyšší hodnoty čistá iontová vazba, nižší hodnoty vazba čistě kovalentní N 3,0 P 2,2 3,4 S 2,6 F 4,0 l 3,2 3,0 I 2,7 A δ+ δ B δ+ δ+ δ+ δ δ+ δ δ F I l F δ δ+
Tvar molekuly je dán odpuzováním elektronů Metoda VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) F Be F l l B 120 l l B l l NE! 4δ+ δ l l l l δ δ δ 109,5
Pravidla pro kreslení Lewisových struktur 1. Nakreslete kostru molekuly s uvážením vaznosti prvků NE! 2. Spočítejte dostupné valenční elektrony s uvážením nábojů 4 4 4 x 1 = 4 1 1 x 4 = 4 celkem 8 3 + 3 3 x 1 = 3 1 1 x 6 = 6 náboj +1-1 celkem 8
3. Znázorněte všechny kovalentní vazby dvěma sdílenými elektrony tak, aby co nejvíce atomů obklopoval oktet (u vodíku duet). Prvky z konce periodické tabulky mohou obsahovat volné elektronové páry NE! Často je třeba použít násobné vazby, aby se vyhovělo oktetovému pravidlu N N N N NE! NE! N N
4. Přiřaďte atomům v molekule náboje Náboj Počet valenčních Počet nevazebných = elektronů volného - - 1/2 elektronů neutrálního atomu Počtu vazebných elektronů kolem atomu N S N Struktury se separací náboje
Vyjímky z oktetového pravidla 1. Uskupení atomů mající nepárový počet elektronů N 2. Některé sloučeniny prvků ze začátku druhé řady periodické tabulky mají deficit elektronů Be B
Vzorce Kekulé N N 3. Prvky v třetí a dalších řadách p.s. mohou mít tzv. rozšířenou valenční sféru, tedy více jak osm elektronů, často však lze nakreslit odpovídající struktury se separací náboje vyhovující oktetovému pravidlu P S P S
Rezonanční formy (struktury) 3 2- Jádra atomů zůstávají na místě, pohybují se jen elektrony! Molekula nikdy nezaujímá jen jednu z rezonančních struktur, vždy jde o rezonanční hybrid!! Delokalizace elektronů 2/3-2/3-2/3 - Jiné příklady:
Neekvivalentní rezonanční struktury S S Nalezení nejvíce přispívající rezonanční struktury Pravidlo 1. Nejvíce přispívají struktury s maximem oktetů N N Pravidlo 2. Náboje mají být na atomech s odpovídající elektronegativitou Pozor: Pravidlo 1 má přednost!
Pravidlo 3. Důležitější jsou struktury bez nábojů nebo s náboji blíže u sebe Majoritní Minoritní N N N N Majoritní Minoritní
Nedostatky klasického popisu -částice rotující kolem jádra by vyzařovala energii a nakonec kolabovala do jádra -orbitů (tj. energetických stavů) by mělo být nekonečné množství, ve skutečnosti pozorován omezený počet Kvantově-mechanický popis Vypovídá o prostorové a energetické distribuci elektronů. Pohyb elektronů kolem jader popsán Schrödingerovou rovnicí, jejím řešením jsou atomové orbitaly popisují pravděpodobnost nalezení elektronu v určitém místě v prostoru.
harakteristické tvary atomových orbitalů y 2s orbital z + x sférická symetrie, 1 nod (změna znaménka vlnové funkce) y 1s orbital + x sférická symetrie, žádný nod energie z
2p orbitaly symetrie h, směr v prostoru podle os x,y,z (3 degenerovaná řešení - stejná energie), 1 nod y y y _ x x + + x z z z
Výstavbový princip (Aufbau p.) 1. Nejprve se zaplňují orbitaly s nižší energií 2. Podle Pauliho vylučovacího principu nemůže být orbital zaplněn více než dvěma elektrony, které se musí lišit spinem. rbital takto zaplněný se často nazývá elektronový pár. 3. Podle undova pravidla se degenerované orbitaly zaplňují nejprve jedním elektronem každý, teprve pak se elektrony párují. Přibližné relativní energie atomových orbitalů 5s 4p x 4p y 4p z 3d Energie 4s 3s 3p x 3p y 3p z 2s 2p x 2p y 2p z 1s
E 2s 2p x 2p y 2p z E 2s 2p x 2p y 2p z 1s 1s N E 2s 2p x 2p y 2p z E 2s 2p x 2p y 2p z 1s 1s F
E E 2s 2p x 2p y 2p z 1s e 1s Ne 3s 3p x 3p y 3p z Konfigurace s uzavřenou slupkou E 2s 1s Ar 2p x 2p y 2p z
Molekulové orbitaly (M) Pauling: Vazby se tvoří překryvem atomových orbitalů se stejnou fází (znaménkem) + + + + + Vazebný M _ + + + ND _ Antivazebný M
M antivazebný E E 2 A A M vazebný e
+ + _ + + _ + _ + 1s 1s 2p 1s 2p 2p σ vazba σ vazba σ vazba _ + + _ + _ + + 2p 3p 2p 2p σ vazba π vazba
ybridizace orbitalů Be 2 p + 2 Be 2 s 1 s NE! Be 2 s 2 p ybridizace Přední lalok sp 180 Zadní lalok Be sp + 2 Vazba Be
sp 2p E 2s 1s Be[(1s) 2 (2s) 2 ] bez nepárových elektronů 2p 2p E 2s 1s E 1s sp hybrid Be[(1s) 2 (2s) 1 (2p) 1 ] dva nepárové elektrony sp hybridizace
sp 2 Přední lalok 2 p B 2 p ybridizace sp 2 120 B sp 2 120 + 3 B 2 s Zadní lalok sp 2 Vazba
sp 3 2 p sp 3 sp 3 2 p 2 s ybridizace 109,5 sp 3 Tetraedr sp 3 + 4 Vazba Tetraedr Ethan
ybridní orbitaly s volnými elektronovými páry 107,3 104,5 N Amoniak Voda
π vazby v ethenu (ethylenu) a ethynu (acetylenu) π-vazba π-vazba sp 2 sp 2 sp sp π-vazba
Struktury a vzorce organických molekul Empirický vzorec Molekulový vzorec Konstituční vzorec Možnost izomerie na všech třech úrovních! elementární analýza elementární analýza + M r molekulový vzorec + konektivita 20 32 5 20 32 5 Thromboxan A 2 Prostacyklin I 2 koaguluje krevní destičky jedno z nejsilnějších antikoagulans krevních destiček
Identita molekul organických látek jednoznačně vyplývá z trojrozměrného modelu (nebo jeho jednoznačného dvojrozměrného zobrazení) poloha všech atomů v prostoru vazebné délky a úhly ball and stick space-filling kaloty K určení struktury v prostoru slouží kombinace spektrálních metod: hmotová spektrometrie (MS), infračervená spektroskopie (IR, IČ), ultrafialová/viditelná spektroskopie (UV/VIS), spektroskopie nukleární magnetické rezonance (NMR)
Nejdokonalejší metodou pro určení struktury krystalických látek v pevném stavu je difrakce rentgenového záření (X-ray) P P Ni N N 3 6 4 6 4 3 t-bu 3 6 4 P P Ni N 3 6 4 N t-bu
Typy vzorců užívaných pro organické látky Kekulé Kondenzovaný Čárové vazby 3 2 3 3 2 2 3 2 2
Perspektivní konfigurační vzorce: klínové vazby
Shrnutí: - rganická chemie jako chemie sloučenin uhlíku - Základní principy organické chemie - Přitažlivou sílu s mezi opačnými náboji n a vzdálenost mezi nimi popisuje oulombův v zákonz - Typy vazeb: iontové,, polárn rní kovalentní,, kovalentní - Vazebná délka, energetická bilance tvorby a štěpení vazby - Tvar molekul, metoda VSEPR - Lewisovy vzorce, oktetové pravidlo - Rezonanční struktury, pravidla pro konstrukci, rezonanční hybrid - Atomové orbitaly, degenerace orbitalů,, výstavbový princip, Pauliho vylučovac ovací princip a undovo pravidlo - Molekulové orbitaly, vazby v teorii M (σ( a π) - ybridizace orbitalů - Empirické,, molekulové a konstituční vzorce, izomerie - Typy strukturních vzorců: : Kekulého, kondenzované,, s čárovými vazbami, perspektivní konfigurační s klínovými vazbami
Kyseliny a báze, polární a nepolární molekuly Kinetika a termodynamika chemických reakcí Při úvahách o chemických reakcích je třeba vzít v úvahu dva základní přístupy: - hemickou termodynamiku, která se zabývá energetickými změnami při chemických reakcích a řídí rozsah, ve kterém reakce probíhá, tedy chemickou rovnováhu - hemickou kinetiku, která se zabývá tím, jak rychle reakce spějí k rovnováze.
Rovnováhy popisuje rovnovážná konstanta K A B K = [B]/[A] A + B + D K = [][D]/[A][B] Rovnovážnou konstantu je možno přímo vztáhnout k termodynamické veličině G - změna standardní Gibbsovy volné energie G = - RT ln K R... plynová konstanta [cal deg -1 mol -1 ] T... teplota [K]
A B K = [B]/[A] K B [%] A [%] G [kcal mol -1 ], 25 0,01 0,99 99,0 2,73 0,1 9,1 90,9 1,36 0,33 25 75 0,65 1 50 50 0 2 67 33-0,41 3 75 25-0,65 5 83 17-0,95 100 99,0 0,99-2,73 1000 99,9 0,1-4,09 10 000 99,99 0,01-5,46
Změna standardní Gibbsovy volné energie je ve vztahu k dalším dvěma termodynamickým veličinám: změně enthalpie změně entropie S G = - T S je reak ční teplo za konstantního tlaku a vztahuje se především ke změnám energií vazeb v průběhu reakce. Platí: Suma energií vazeb zaniklých Suma energií vazeb vzniklých = Exothermní reakce: < 0 Endothermní reakce: > 0
Příklad exothermní reakce: 4 + 2 2 2 + 2 2 (l) = -213 kcalmol -1 S je mírou zm ěny uspořádanosti systému, hodnota S se zvyšuje se zvyšující se neuspořádaností 3 2 2 = 2 2 = 2 + 3 = 2 = 22,4 kcal mol -1 S = 33,3 cal deg -1 mol -1 2 = 2 + l 3 2 l = -15,5 kcal mol -1 S = -31,3 cal deg -1 mol -1
Kinetika chemických reakcí Rychlost reakce závisí na aktivační energii E Přechodový (tranzitní) stav Aktivační energie E a 4 + 2 2 0 = - 213 kcalmol -1 2 + 2 2 Reakční koordináta
Energii nutnou k překonání aktivační bariéry dodává kinetická energie pohybu molekul Počet molekul Vyšší teplota Nižší teplota Kinetická energie molekul
Závislost reakční rychlosti na koncentraci reaktantů Bimolekulární reakce A + B rychlost = k [A] [B] [mol l -1 s -1 ] rychlostní rovnice druhého řádu Monomolekulární reakce A B rychlost = k [A] [mol l -1 s -1 ] rychlostní rovnice prvního řádu
Závislost reakční rychlosti na teplotě Arrheniova rovnice k = A e -E a /RT A... maximální dosažitelná reakční konstanta, kterou by reakce měla, kdyby každá molekula měla dostatečnou kolizní energii k překonání aktivační energie (pro každou reakci různá)
Kyseliny a zásady, elektrofily a nukleofily oensted, Lowry: kyselina je donorem a báze akceptorem protonu Síla kyselin a bazí se posuzuje podle rovnovážných konstant + l + l hydroxoniový ion N 3 + N 3 + amoniový ion hydroxidový ion
2 + 2 [ 3 ] + + [] - K v = [ 3 + ][ - ] = 10-14 mol -2 l -2 p = - log [ 3 + ] A + 2 [ 3 ] + + [A] - K = [ 3 + ][A - ] [A][ 2 ] K a = K [ 2 ] = [ 3 + ][A - ] [A] [mol l -1 ] konstanta kyselosti pk a = - log K a pk a < 1 silná kyselina pk a > 4 slabá kyselina
l silná kyselina 3 slabá kyselina + + l - + + 3 - slabá konjugovaná báze silná konjugovaná báze
Relativní síla běžných kyselin při 25 K a pk a I 1,6. 10 5-5,2 2 S 4 1,0. 10 5-5,0 (1. st.) 5,0. 10 4-4,7 l 160-2,2 3 + 50-1,7 N 3 25-1,4 3 S 3 16-1,2 F 6,3. 10-4 3,2 3 2,0. 10-5 4,7 N 6,3. 10-10 9,2 N + 4 5,7. 10-10 9,3 3 S 1,0. 10-10 10,0 3 3,2. 10-16 15,5 2 2,0. 10-16 15,7 N 3 1,0. 10-35 35 4 ~1,0. 10-50 ~ 50
dhad relativní síly kyselin a zásad 1. Čím elektronegativnější je atom na kterém je navázán proton, tím je proton kyselejší. 4 < N 3 < 2 < F tedy zleva do prava periodické tabulky 2. Čím objemnější je atom na kterém je navázán proton, tím je proton kyselejší. F < l < < I tedy shora dolů v periodické tabulce 3. Delokalizace elektronů (více rezonančních struktur) stabilizuje konjugovanou bázi, tedy činí ji slabší. Příslušná konjugovaná kyselina je tedy silnější. S S
Síla kyselin a zásad je relativní, takže jedna a ta samá látka může být kyselinou vůči jedné látce a zásadou vůči jiné. Příklady: voda, kys. dusičná N 3 + 2 3 + + N 3 - N 3 + 2 S 4 2 N 3 + + S 4 - + 3 2 3 2 2 + + - Kyselina Báze Lewisovy kyseliny a báze atom nebo uskupení atomů s deficitem nejméně dvou elektronů proti uzavřené vnější slupce atom nebo uskupení atomů s alespoň jedním elektronovým párem
Lewisovy kyseliny X R B X B R MgX 2, AlX 3, mnoho solí přechodných kovů X R Lewisovy báze R R R R S R N R P R X R R R R l 3 l 3 l Al + l F N 3 3 2 3 l Al l F N 3 3 2 3 Reakce mezi kyselinami a zásadami probíhají posunem elektronových párů F B F + 2 3 F B F 2 3
Nukleofily a elektrofily Posunem elektronových párů probíhají také reakce mezi elektrofily a nukleofily Všechny nukleofily jsou Lewisovy báze: jako nukleofily označujeme Lewisovy báze v případě, že atakují jiný atom než vodík, typicky uhlík. Nukleofily mají alespoň jeden nesdílený elektronový pár, ať již jsou záporně nabité nebo neutrální. Všechny Lewisovy kyseliny jsou elektrofily, díky přítomnosti polárních kovalentních vazeb se mohou jako elektrofily chovat i sloučeniny s uzavřenou vnější slupkou, například haloalkany. -X vazba je rysem, který determinuje reaktivitu molekuly: funkční skupina
+ 3 l 3 + l Reakce nukleofilu s elektrofilem + l + l Pro srovnání reakce báze s kyselinou Další příklady reakcí elektrofilů s nukleofily 3 2 3 + I - 3 2 3 + - I 3 2 I + N 3 + I - 3 2 N +
Funkční skupiny: Řídí chemickou reaktivitu molekuly jako celku Přehled běžných funkčních skupin Třída sloučenin Struktura obecně Funkční skupina Příklad Alkany R Žádná 3 2 2 3 butan aloalkany X=F, l,, I R X X 3 2 l chlorethan Alkoholy R ( 3 ) 2 propan-2-ol (isopropylalkohol) Ethery R R 3 2 3 methoxyethan ethylmethylether Thioly R S S 3 2 S ethanthiol
()R Alkeny ()R R() R() 3 2 3 2-methylpropen Alkyny ()R R() 3 3 but-2-yn R() 3 Aromáty ()R R() ()R R() R() methylbenzen (toluen)
Aldehydy R 3 2 propanal Ketony R R' 3 2 2 2 3 hexan-3-on Karboxylové kyseliny R 3 2 propanová kyselina (propionová kyselina) Anhydridy R R() 3 2 2 3 propionanhydrid
Estery ()R R' 3 2 3 methyl-propanoát (methylpropionát) Amidy ()R N R'() N 3 2 2 N 2 R''() butanamid Nitrily R N N 3 N ethannitril (acetonitril) Aminy R N R'() R''() N ( 3 ) 3 N N,N-dimethylmethanamin (trimethylamin)
Lineární a rozvětvené alkany 4 uhlovodíky butan, 4 10 2-methylpropan, 4 10 (isobutan) cyklobutan, 4 8 Izomery pentan 2-methylbutan (isopentan) 2,2-dimethylpropan (neopentan)
3 3 3 ( 2 ) n 3 3 ( 2 ) n 3 Isoalkan Neoalkan n=1: isopentan Počet uhlíků Počet izomerů n=2: neohexan 1 1 2 1 3 1 4 2 5 3 6 5 7 9 8 18 9 35 10 75 15 4 347 20 366 319
Názvosloví alkanů Názvy triviální (obecné) Michlerův keton, fulleren 60 systematické 2,2,4-trimethylpentan Systematické názvosloví (nomenklatura): Ženeva 1892, dnes IUPA (International Union of Pure and Applied hemistry) Názvy a fyzikální vlastnosti lineárních alkanů n 2n+2 n Název Vzorec Bod varu [ ] Bod tání [ ] ustota při 20 [g/ml] 1 methan 4-161,7-182,5 0,466 (-164 ) 2 ethan 3 3-88,6-183,3 0,572 (-100 ) 3 propan 3 2 3-42,1-187,7 0,5853 (-45 ) 4 butan 3 ( 2 ) 2 3-0,5-138,3 0,5787 5 pentan 3 ( 2 ) 3 3 36,1-129,8 0,6262 6 hexan 3 ( 2 ) 4 3 68,7-95,3 0,6603 7 heptan 3 ( 2 ) 5 3 98,4-90,6 0,6837 8 oktan 3 ( 2 ) 6 3 125,7-58,6 0,7026
n Název Vzorec Bod varu [ ] Bod tání [ ] ustota při 20 [g/ml] 9 nonan 3 ( 2 ) 7 3 150,8-53,5 0,7177 10 dekan 3 ( 2 ) 8 3 174,0-29,7 0,7299 11 undekan 3 ( 2 ) 9 3 195,8-25,6 0,7402 12 dodekan 3 ( 2 ) 10 3 216,3-9,6 0,7487 13 tridekan 3 ( 2 ) 11 3 235,4-5,5 0,7564 14 tetradekan 3 ( 2 ) 12 3 253,7 5,9 0,7628 15 pentadekan 3 ( 2 ) 13 3 270,6 10 0,7685 16 hexadekan 3 ( 2 ) 14 3 287 18,2 0,7733 17 heptadekan 3 ( 2 ) 15 3 301,8 22 0,7780 18 oktadekan 3 ( 2 ) 16 3 316,1 28,2 0,7768 19 nonadekan 3 ( 2 ) 17 3 329,7 32,1 0,7855 20 ikosan 3 ( 2 ) 18 3 343 36,8 0,7886 dtržením protonu od alkanu na koncovém uhlíku získáme lineární alkyl
Klasifikace primárních, sekundárních a terciárních uhlíků a protonů primární sekundární 3 terciární 3 2 2 3 primární terciární sekundární 3-methylpentan
Rozvětvené alkyly Struktura Triviální název Systematický název Typ skupiny Pøíklad slouèeniny 3 3 3 Isopropyl 1-Methylethyl sekundární 3 l 3 3 isopropylchlorid 3 2 Isobutyl 2-Methylpropyl primární 3 3 isobutan 3 3 3 2 sec-butyl 1-Methylpropyl sekundární 3 2 N 2 sec-butylamin 3 3 3 tert-butyl 1,1-Dimethylethyl terciární 3 3 3 tert-butylbromid 3 3 3 2 Neopentyl 2,2-dimethylpropyl primární 3 2 3 3 neopentylalkohol
Nomenklaturní pravidla IUPA Pravidlo 1: Najdeme v molekule nejdelší uhlíkový řetězec a pojmenujeme ho. Jestliže má molekula několik stejně dlouhých řetězců, vybereme ten s největším počtem substituentů hlavnířetězec Pravidlo 2: Pojmenujeme všechny skupiny připojené k nejdelšímu (hlavnímu) řetězci jako alkyly. Pro substituenty s lineárním řetězcem použijeme jména alkylů odvozená od lineárních alkanů. Pro rozvětvené substituenty najdeme jejich hlavnířetězec podle pravidla 1 a pojmenujeme jej jako alkyl se substituenty...atd. methylbutan ethylmethyldekan NE! 4 substituenty heptan 3 substituenty heptan
Pravidlo 3: číslujeme uhlíky hlavního řetězce počínaje jeho koncem, který má nejblíže k substituentu.jestliže jsou dva substituenty stejně daleko od konce řetězce, dostane nižšíčíslo lokant substituent, který je dříve v abecedě. V případě tří a více substituentů, najdeme takovou sadu lokantů, která při prvním rozdílu má menší lokant princip prvního rozdílu. Substituenty se číslují směrem od hlavního řetězce. 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 NE! ethyl před methylem 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 3, 8, 10: nesprávně 3, 5, 10: správně
Pravidlo 4: Sestavíme název alkanu seřazením substituentů v abecedním pořádku (s lokantem a pomlčkou před názvem substituentu) následovaných názvem hlavního řetězce (kmenu). V případě dvou a více stejných substituentů dáme před název násobný prefix di-, tri-, tetra-, penta-, atd. Před prefix umístíme souhrnně všechny lokanty vzestupně, oddělené čárkami. Prefixy neuvažujeme pro abecední seřazení pokud prefix není součástí názvu složeného substituentu. 2,3-dimethylbutan 4,5-diethyl-3,6-dimethyldekan 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 5-ethyl-2,2-dimethyloktan 5-(1,1-dimethylethyl)-3-ethyloktan Prefix di- neuvažován podle abecedy Prefix di- uvažován podle abecedy (složený substituent)
Jestliže je složený substituent přítomen vícekrát, použijeme jiné sady prefixů: bis-, tris-, tetrakis-, pentakis- atd. Složené substituenty uvádíme většinou v závorkách. Při číslovánířetězce substituentu má vždy číslo 1 uhlík vázaný ke kmeni. Složená alkylová skupina číslována tak, že uhlík 1 je připojen ke kmeni 2 3 1 3 4 5 2 6 1 První substituent (v poloze 2) určuje číslování 7 8 9 Nejdelšířetězec s nejvyšším počtem substituentů 4-(1-ethylpropyl)-2,3,5-trimethylnonan 4-(1-methylethyl)heptan 5,8-bis(1-methylethyl)dodekan (4-isopropylheptan)
Názvosloví haloalkanů Názvosloví haloalkanů se řídí stejnými pravidly jako názvosloví alkanů, halogen je substituent. 3 I jodmethan (methyljodid) 2-brom-2-methylpropan (tert-butylbromid) F 1-fluor-2-methylpropan (isobutylfluorid) l 6-(2-chlor-2,3,3-trimethylbutyl)undekan Nejčastěji používané starší a triviální názvy: chlorid uhličitý, chloroform, methylenchlorid.
Struktura a fyzikální vlastnosti alkanů Dominuje uhlíkový řetězec, struktura alkanů je velmi pravidelná s tetraedrickými atomy uhlíku (vazebný úhel blízký 109 ) a s pravidelnými délkami - (asi 1,10 A) a - (asi 1.54 A) vazeb. 1,095 A 109,5 109,5 3 3 1,10 A 1,54 A ik-cak uspořádání n-dekan
250,00 200,00 150,00 100,00 ustota Teplota [ ] 50,00 0,00-50,00 Bod varu 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Bod varu Bod tání -100,00-150,00 Bod tání -200,00-250,00 Počet uhlíků
Fyzikální vlastnosti alkanů jsou určeny přitažlivými mezimolekulovými silami 3 Na 3 Na 3 δ + δ - δ + δ - δ + δ - 3 l 3 l 3 l δ + 3 δ - δ - δ + 2 δ + δ - 3 Na 3 Na 3 Na 3 Na 3 Na 3 δ + δ - δ + δ - 3 l 3 l δ + δ - δ + δ - δ + δ - 3 l 3 l 3 l δ - δ + 3 δ - δ + δ - δ + 2 2 δ - δ + δ - 2 δ + δ - δ + 2 2 δ - δ + δ - δ + δ - 3 δ + Iontová vazba Permanentní dipóly Časově proměnné indukované dipóly Londonovy síly mezi časově proměnnými indukovanými dipóly klesají s šestou mocninou vzdálenosti a závisí na velikosti povrchu molekul. Rozvětvené alkany mají menší povrch než lineární alkany se stejnou molekulovou hmotností a tudíž nižší body tání a varu. Výjimkou jsou u bodu tání vysoce pravidelné rozvětvené alkany: oktan 2,2,3,3-tetramethylbutan b.t. 57 ; b.v. 126 b.t. 101 ; b.v. 106
Rotace kolem jednoduchých vazeb: konformace Energetická bariéra rotace kolem jednoduchých vazeb je velmi nízká (2,9 kcal/mol u ethanu) takže za laboratorní teploty dochází k volné rotaci kolem těchto vazeb. Jednotlivá prostorová uspořádání nazýváme konformery (někdy také rotamery), studiem termodynamického a kinetického chování konformerů se zabývá konformační analýza. 60 60 60 Newmanova projekce: Střídavá k. Střídavá k. Zákrytová k.
Průběh potenciální energie u konformační změny
Rotace v substituovaných ethanech 3 3 3,2
Další konformace: butan 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 Antiperiplanární k. Synklinální k. gauche Synklinální k. gauche Antiklinální k. Synperiplanární k.
Shrnutí: - Termodynamika chemických reakcí,, změna Gibbsovy volné energie a rovnovážná konstanta, entalpický a entropický příspp spěvek ke změně G,, exothermní a endothermní děje - Kinetika chemických reakcí,, závislost z reakční rychlosti na teplotě (Arrheniova rovnice) a na koncentraci reaktantů, řád d reakce - oenstedovy kyseliny a báze, b Lewisovy kyseliny a báze, b konjugované kyseliny/báze - Přehled nejběž ěžnějších funkčních skupin - Lineárn rní a rozvětven tvené alkany, homology, pojmy primárn rní/sekundární/terciárn - Názvosloví alkanů - Londonovy síly, s vliv na fyzikáln lní vlastnosti alkanů - Konformační analýza ethanu, propanu a butanu
Reakce alkanů Alkany jsou obecně málo reaktivní, jejich typickými reakcemi jsou radikálové reakce, které začínají štěpením (disociací) vazby. Na rozdíl od iontových reakcí při radikálových reakcích dochází k homolytickému štěpení vazby. Teplo, které je přitom nutno dodat se nazývá disociační energie vazby nebo síla vazby; ta není přímo aplikovatelná na reakce s účastí iontů. + = 104 kcal/mol Radikály A B A + B A B A + B omolytické štěpení nepolární rozpouštědla, plynná fáze eterolytické štěpení obvykle polární rozpouštědla: stabilizace iontů
Příklady dalších radikálů: l 3 Disociační energie různých vazeb A-B [kcal/mol] A/B - -F -l - -I - -N 2-104 136 103 87 71 119 108 3-105 110 85 70 57 93 84 3 2-101 111 84 70 56 94 85 3 2 2-101 110 85 70 56 92 84 ( 3 ) 2-98,5 111 84 71 56 96 86 ( 3 ) 3-96,5 110 85 71 55 96 85 Vazby jsou nejsilnější, když překrývající se orbitaly mají navzájem co nejbližší energii a velikost.
Disociační energie různých vazeb v alkanech [kcal/mol] Sloučenina D Sloučenina D 3-105 3-3 90 3 2-101 3 2-3 89 3 2 2-101 3 2-3 2 88 ( 3 ) 2 2-101 ( 3 ) 2-3 88 ( 3 ) 2-98,5 ( 3 ) 3-3 87 ( 3 ) 3-96,5 ( 3 ) 2 ( 3 ) 2 85,5 ( 3 ) 3 ( 3 ) 3 78,5
Stabilita alkylových radikálů. 3 < primární < sekundární < terciární + 2 2 R 2 Ε = 2,5 kcal/mol + 3 R 2 + 3 2 R 2 Ε = 2,0 kcal/mol 101 kcal/mol 98,5 kcal/mol 96,5 kcal/mol E 2 2 R 2 3 R 2 3 2 R 2 Primární Sekundární Terciární
Struktura alkylových radikálů p orbital sp 3 1s - sp 2 1s Téměř planární
yperkonjugace 2 2 2 Ethylový radikál 1-Methylethylový radikál (isopropyl) 1,1-Dimethylethylový radikál (terc-butyl)
Zpracování ropy: Pyrolýza Pyrolýza = tepelný rozklad Probíhá v nepřítomnosti kyslíku, štěpí se - a - vazby, vznikají radikály, které se mohou rekombinovat za tvorby nových alkanů nebo abstrahovat vodík z jiných alkan 3 + 2 2 2 2 3 Štěpení 3 2 2 2 2 3 3 2 + 2 2 2 3 + 3 2 2 2 2 3
3 2 3 Rekombinace 3 2 3 3 2 2 2 2 2 2 3 3 2 2 2 2 2 2 3 dtržení (abstrakce) vodíku 3 2 3 2 2 3 2 2 2 3 2 + 3 = 2 + 3 2 2 2 = 2
Funkce katalyzátoru E E a E cat Nepřesné!! Reakční koordináta E E a E cat2 Souhrnná katalyzovaná reakce proběhne jako soustava minimálně dvou následných reakcí z nichž každá má menší aktivační energii než reakce nekatalyzovaná. E cat1 Reakční koordináta
Pyrolýza ropy: Krakování bjemový Rozpětí Uhlíkové Produkty podíl [%] b.v. [ ] řetězce 1-2 < 30 1 4 Methan, ethan, propan, butan 15-30 30-200 4 12 Petrolether ( 5, 6 ),, ligroin ( 7 ), surový benzín 5-20 200-300 12 15 Kerosin, topný olej 10-40 300-400 15 25 Plynový olej, dieslové palivo, mazací olej, vosk, asfalt 8-69 > 400 Netěkavé > 25 Zbytkový olej, parafinový vosk, asfalt (dehet)
hlorace methanu: radikálový řetězový mechanismus nebo hν 3 + l l 3 l + l D 105 58 85 103 kcal/mol = (105 + 58) (85 + 103) = -25 kcal/mol Mechanismus: iniciace propagace - terminace Iniciace: l l nebo hν 2 l = D (l 2 ) = 58 kcal/mol
Propagace krok 1.: l + l + D 105 103 kcal/mol = D ( 3 -) - D (l-) = 2 kcal/mol Propagace krok 2.: l l + l + l D 58 85 kcal/mol = D (l 2 ) - D ( 3 -l) = -27 kcal/mol
Propagace krok 1. v orbitalovém znázornění: + l E a = 4 kcalmol -1 l Výchozí látky Přechodový stav + l Methylový radikál hlorovodík
3...... l E a = 4 kcalmol -1 E 3 + l 0 = 2 kcalmol -1 4 + l Reakční koordináta
elkem: l 2 4 + l 3 + l 3 l + l + l Mírně nepříznivá Velmi příznivá, táhne první rovnováhu Energetická bilance: [kcal/mol] l + l + l l + l + l +2-27 4 + l 2 3 l + l -25
E a = 4 kcalmol -1 E 3... l... l 3 + l + l 2 E a = <1 kcalmol -1 4 + l 0 = 2 kcalmol -1 0 = -27 kcalmol -1 0 = -25 kcalmol -1 3 l + l + l Reakční koordináta
Terminace: l + l l 2 l + 3 3 l 3 + 3 3 3 Další radikálové halogenace methanu alogen D [kcal/mol] F 2 38 l 2 58 2 46 I 2 36
Enthalpie reakčních kroků při halogenaci methanu [kcal/mol] F l I X + 4 X + 3-31 2 18 34 X X + 3 X 3 + X -72-27 -24-21 4 + X 2 3 X + X -103-25 -6 13
ammondův postulát: Geometrie přechodového stavu kteréhokoli reakčního kroku je bližší reaktantům nebo produktům podle toho, která strana reakce je bližší přechodovému stavu energií. 3...... I 3 + I E 3...... F E 0 = +34 kcalmol -1 4 + F 4 + I 0 = -31 kcalmol -1 3 + F Jinými slovy: Rychlé exothermní reakce mají přechodové stavy připomínající reaktanty. (brzy nastávající přechodové stavy, obrázek nalevo) Pomalé endothermní reakce mají přechodové stavy připomínající produkty. (pozdě nastávající přechodové stavy, obrázek vpravo)
hlorace vyšších alkanů: relativní reaktivita a selektivita Ethan: nebo hν 3 3 + l 2 3 2 l + l = -28 kcal/mol l + 3 3 l + 2 3 l 2 + 2 3 3 2 l + l
Sekundární - vazby jsou reaktivnější než primární Propan: l hν 3 2 3 + l 2 3 2 2 l + 3 3 + l čekávaný statistický poměr: 3 : 1 čekávání podle reaktivity - vazeb méně : více Experimentálně zjištěný poměr (25 ) 43 : 57 Relativní reaktivita sekundárních a primárních vodíků Relativní reaktivita sekundárního vodíku Relativní reaktivita primárního vodíku Výtěžek produktu odtržení sek. vodíku = = 57/2 ~ 4 43/6 Výtěžek produktu odtržení prim. vodíku Počet sek. vodíků Počet prim. vodíků
E a = 1 kcalmol -1 E l + E a = 0,5 kcalmol -1 3 2 3 0 = -2 kcalmol -1 l + 3 2 2 0 = -4,5 kcalmol -1 l + 3 3 Reakční koordináta
Terciární - vazby jsou ještě reaktivnější než sekundární 2-Methylpropan: 3 3 3 hν 3 + l 2 l 2 + 3 l + l 3 3 3 čekávaný statistický poměr: 9 : 1 čekávání podle reaktivity - vazeb méně : více Experimentálně zjištěný poměr (25 ) 64 : 36 Relativní reaktivita terciárního vodíku Relativní reaktivita primárního vodíku = 36/1 ~ 5 64/9
Selektivita radikálové fluorace a bromace 3 3 3 hν 3 + F 2 F 2 + 3 F + F 3 3 čekávaný statistický poměr: 9 : 1 Experimentálně zjištěný poměr (25 ) 86 : 14 3 E F + 3 3 Fluorace je velmi málo selektivní 3 F + 3 2 3 F + 3 3 3 Reakční koordináta
3 3 3 hν 3 + 2 2 + 3 + 3 3 3 čekávaný statistický poměr: 9 : 1 Experimentálně zjištěný poměr (25 ) <1 : >99 E + 3 2 3 omace je vysoce selektivní + 3 3 3 + 3 3 3 Reakční koordináta
Relativní reaktivity čtyř typů vazeb v alkanech při halogenacích - vazba F. 25, plynný l. 25, plynný. 150, plynný 3-0,5 0,004 0,002 R 2-1 1 1 R 2-1,2 4 80 R 3-1,4 5 1700
Radikálová halogenace v syntetické chemii Fluorace málo selektivní, jodace neprobíhá z termodynamických důvodů. V průmyslu důležitá chlorace, protože chlor je laciný. Vzniklé směsi produktů nutno dě nebo použít výchozí látku s pouze jedním typem vazeb. l + hν l 2 + l Velký přebytek 92,7 % DDT l 3 l l
Syntetické chlorované sloučeniny a stratosférický ozon 2 hν 2 Tvorba ozonu ve stratosféře 2 + 3 hν 3 2 + chranná funkce ozonu ve stratosféře; záření je o vlnových délkách 200-300 nm
hlorfluoruhlovodíky (freony) používané jako chladiva, protože mají velké výparné teplo: l 3 F (Freon 11, F-11), l 2 F 2 (Freon 12, F-12), l 2 FlF 2 (Freon 113, F-113). F 3 l hν F 3 + l Iniciace 3 l + 2 + l l + 2 + l 3 + 2 2 Propagace Sumární reakce Výroba freonů byla zakázána Montrealským protokolem s dodatky k 31.12.1995. Jako částečná náhrada vyvinuty hydrochlorfluoruhlovodíky (např. l 2 F 3, F-123), jako úplná náhrada se prosazují fluoruhlovodíky (např. 2 FF 3, F-134a).
Relativní stabilita alkanů ze spalovacích tepel 2 n 2n+2 + (3n + 1) 2 2 n 2 + (2n + 2) 2 + teplo Toto teplo se nazývá spalovací teplo a značí spal 3 2 2 2 + 6,5 2 Ε = 2,0 kcal/mol ( 3 ) 3 + 6,5 2 0 comb = -687,4 kcalmol -1 0 comb = -685,4 kcalmol -1 E 4 2 + 5 2 4 2 + 5 2
Spalovací tepla různých organických sloučenin [kcal/mol] normalizovaná na 25 plynný 2 a kapalnou vodu Sloučenina Skupenství spal Methan g -212,8 Ethan g -372,8 Propan g -530,6 Butan g -687,4 2-Methylpropan g -685,4 Pentan g -845,2 Pentan l -838,8 exan l -995,0 yklohexan l -936,9 Ethanol g -336,4 Ethanol l -326,7 Sacharóza s -1348,2
Shrnutí: - omolytické a heterolytické štěpení vazeb - Relativní síla primárn rních, sekundárn rních a terciárn rních - vazeb, stabilizace radikálů hyperkonjugací - Úloha katalyzátoru toru při p i katalyzované reakci - Radikálov lová halogenace alkanů,, mechanismus, relativní reaktivita a selektivita jednotlivých halogenů - ammondův v postulát - Výpočet změny reakční entalpie z energií vazeb - Relativní reaktivita - vazeb v alkanech - Spalovací tepla a jejich použit ití k experimentáln lnímu měřm ěření relativních stabilit izomerů
ykloalkany 3 3 3 3 Diosgenin
Názvy a fyzikální vlastnosti cykloalkanů yklopropan yklobutan yklopentan yklohexan Číslování uhlíků kruhu jen je-li více než jeden substituent (má polohu 1), u polysubstituovaných stejný postup jako při číslovánířetězce nejnižší možná posloupnost (první rozdíl!), Jsou-li možné dvě stejné posloupnosti, rozhoduje abecední pořadí substituentů.
Zbytky formálně odvozené od cykloalkanů odtržením vodíku jsou cykloalkyly. Jestliže jeden cykloalkyl je substituentem jiného cykloalkylu nebo uhlíkového řetězce, za substituent se považuje menší uskupení. 3 3 l 3 2 3 2 2 3 1-Ethyl-1-methylcyklobutan yklobutylcyklohexan Methylcyklopropan 1-chlor-2-methyl-4-propylcyklopentan
Disubstituované cykloalkany - stereoizomery 3 3 3 3 cis-1,2-dimethylcyklopropan l trans-1,2-dimethylcyklopropan l cis-1-om-2-chlorcyklobutan trans-1-om-2-chlorcyklobutan
2 3 3 (ommethyl)cyklohexan 1-om-1-methylcyklohexan cis-1-om-2-methylcyklohexan
Fyzikální vlastnosti cykloalkanů ykloalkan Bod tání [ ] Bod varu [ ] ustota při 20 [g/ml] yklopropan -127,6-32,7 0,617 c yklobutan -50,0-12,5 0,720 yklopentan -93,9 49,3 0,7457 yklohexan 6,6 80,7 0,7785 ykloheptan -12,0 118,5 0,8098 yklooktan 14,3 148,5 0,8349 yklodekan 64 160 a 0,861 yklopentadekan 66 110 b 0,860 a 100 Torr b 0,1 Torr (bod sublimace) c při 25
Kruhové pnutí a struktury cykloalkanů 60 90 108 120 Vnitřní úhly v pravidelných polyúhelnících dhad velikosti kruhového pnutí ze spalných tepel: 3 2 3 (g) -530,6 3 2 2 3 (g) -687,4 3 ( 2 ) 3 3 (g) -845,2-156,8-157.8 kcal/mol
Spalná tepla cyklických uhlovodíků jsou větší než odpovídá počtu uhlíků Vyp. spal - Exp. spal = elkové pnutí Počet uhlíků Vyp. spal [kcal/mol] Exp. spal [kcal/mol] elkové pnutí Pnutí na jednu 2 3-472,2-499,8 27,6 9,2 4-629,6-655,9 26,3 6,6 5-787,0-793,5 6,5 1,3 6-944,4-944,5 0,1 0,0 7-1101,8-1108,2 6,4 0,9 8-1259,2-1269,2 10,0 1,3 9-1416,6-1429,5 12,9 1,4 10-1574,0-1586,0 14,0 1,4 11-1731,4-1742,4 11,0 1,1 12-1888,8-1891,2 2,4 0,2 14-2203,6-2203,6 0,0 0,0
115 Rozlišujeme: Malé kruhy: 3, 4 Normální kruhy: 5, 6, 7 Střední kruhy: 8 12 Velké kruhy: 13 a větší 60 1,510 A 1,089 A Torzní pnutí (odpuzování protonů nebo jiných funkčních skupin) Úhlové pnutí (deformace valenčního úhlu ze 109,5 v tetraedru na 60 )
Meziorbitalový úhel Zmenšený překryv orbitalů 109,5 104 tevřený cyklopropan : trimethylenový diradikál. 2 2 2. yklopropan
yklobutan 88,5 1,109 A 26 107 1,551 A Rychlé překlopení
yklopentan obálka poloviční židlička 1,113 A 106,0 104,4 1,546 A
yklohexan: cykloalkan bez napětí 111,4 1,121 A 1,536 A 107,5 ypotetický planární cyklohexan (vazebné úhly 120, 12 vodíků v zákrytové konformaci) Židličková konformace cyklohexanu (vazebné úhly téměř tetraedrické, žádné vodíky v zákrytové konformaci)
Směr pohledu 2 2 a a a a a a e e e e e e sa molekuly Axiální polohy Ekvatoriální polohy e e e e e e Rovník molekuly
Další konformace cyklohexanu Transanulární pnutí Torzní pnutí Vaničková konformace cyklohexanu Zkřížená vanička
Poloviční židlička Poloviční židlička Vanička E 10,8 kcal/mol 1,4 kcal/mol 5,5 kcal/mol Zkřížená vanička Zkřížená vanička Židlička Židlička Reakční koordináta konformační přeměny cyklohexanu
Methylcyklohexan Substituované cyklohexany Stabilnější, majoritní, žádné 1,3 interakce 95 : 5 Méně stabilní, minoritní, 1,3-diaxiální interakce
Směr pohledu Y Y 2 2 Y 2 2 Y
Rozdíly volné energie ekvatoriálních konformerů proti axiálním při různých substituentech [kcal/mol] Substituent G Substituent G 0 F 0,25 3 1,70 l 0,52 3 2 1,75 0,55 ( 3 ) 2 2,20 I 0,46 ( 3 ) 3 ~5 0,94 = 1,41 3 0,75 3 = 1,29 2 N 1,4
Dimethylcyklohexany 3 1,1 3 3 Stejně stabilní oba 3 is-1,4 3 3 3 Stejně stabilní oba 3 3 Trans-1,4 3 3 3 Stabilnější o 3,4 kcal/mol (2. 1,7 kcal/mol)
is-1-fluor-4-methylcyklohexan 3 F F 3 Velká skupina axiální, méně stabilní Velká skupina ekvatoriální, stabilnější o 1,45 kcal/mol (1,7 0,25)
Střední a velké kruhy yklodekan Torzní pnutí Torzní pnutí Úhlové pnutí Transanulární pnutí Molekuly kruhů do 14 uhlíků se nacházejí v několika konformacích, které jsou navzájem v rovnováze
Polycyklické alkany Kondenzované kruhy 3 3 Myšlenkové odtržení dvou atomů vodíku Místa kondenzace Dekalin Kruhy s můstkovým atomem (atomy) 3 Myšlenkové odtržení dvou atomů vodíku Můstkové uhlíky 3 Norbornan
Trans-dekalin is-dekalin Norbornan
Vysoce napnuté uhlovodíky: limity? ( 3 ) 3 ( 3 ) 3 ( 3 ) 3 ( 3 ) 3 Bicyklobutan Tetrakis(1,1-dimethylethyl)tetrahedran Tetrahedran 4 4 ) Kuban ( 8 8 ) Energie pnutí 66,5 kcal/mol Energie pnutí ze spalných tepel 129 kcal/mol B.t. 135!!! Dosud nesyntetizován Energie pnutí 166 kcal/mol Dodekahedran ( 20 20 ) Energie pnutí 61 kcal/mol B.t. 430!!! Připraven syntézou o 23 krocích
Karbocyklické látky v přírodě Klasifikace přírodních látek obecně podle: - chemické struktury - fyziologické aktivity - rostlinného nebo živočišného původu (taxonomie) - biochemického původu Terpeny: obsahují isoprenové jednotky, mají obvykle 10 (monoterpeny), 15 (seskviterpeny) nebo 20 (diterpeny) uhlíků 2-Methylbuta-1,3-dien (Isopren) Isoprenová stavební jednotka terpenů (může obsahovat dvojnou vazbu)
Příklady: 3 3 3 3 3 3 Menthol Kafr Taxol (paclitaxel) N Pravděpodobně najnadějnější protirakovinná látka z kmene pacifického tisu (Taxus brevifolia) získaná po prozkoumání asi 100 000 látek z asi 35 000 druhů rostlin
Zdraví pro jednoho pacienta Kmeny šesti stromů Taxus brevifolia? Totální mnohakroková syntéza - s řadou chemikálií, jejichž výroba opět vyžaduje řadu dalších chemikálií ; tyto výroby není vždy možné vést bez odpadů a s nulovým rizikem pro životní prostředí
Steroidy: tetracyklické přírodní i syntetické látky se značnou a různorodou fyziologickou aktivitou 1 3 11 12 13 3 D 17 16 Epiandrosteron 2 3 A 4 10 5 B 6 9 8 7 14 15 Trans kondenzované kruhy
3 3 3 3 holesterol 3 3 3 3 3 3 3 Testosteron Estradiol Progesteron
3 3 3 N 3 3 Norethindron Mifepriston (RU-486) pilulka den poté
Shrnutí: - nomenklatura cykloalkanů - cis a trans stereoizomery cykloalkanů - typy kruhového napětí: úhlové,, torzní,, transannulárn rní - konformace 3 5 cykloalkanů - konformační proměny cyklohexanu, energetické změny s nimi spojené - axiáln lní a ekvatoriáln lní vazby, 1,3-diaxi diaxiální interakce, relativní stabilita konformerů mono a disubstituovaných cyklohexanů - bicyklické uhlovodíky - terpeny a steroidy jako příklady p přírodnp rodních karbocyklických sloučenin
Stereoizomery Izomery Stejný molekulární vzorec, ale jiné struktury Konstituční izomery Liší se pořadím atomů spojených vazbami (konektivitou) Stereoizomery Pořadí atomů spojených vazbami stejné, ale různá prostorová orientace těchto atomů Enantiomery Dva zrcadlové obrazy, nejsou ztotožnitelné F F Diastereomery Nejsou navzájem zrcadlovými obrazy 3 3 3 l l 3
Stereoizomerie popisuje jak izomery relativně stabilní (cis/trans izomery na kruhu nebo na dvojné vazbě) tak i konformační izomery, které jsou navzájem v rychlé rovnováze. 3 3 3 3 3 3 3 3 hiralita: stereoizomerie zrcadlových obrazů
hirální molekuly 3 2, hν - 3 + 3 3 3 3 3 3 3 3
l F hirální F hirální l Molekuly s pouze jedním stereocentrem jsou vždy chirální F * I l hirální Achirální l 3 Achirální Stereocentrum (asymetrický atom) označené hvězdičkou 3 3 hirální 2 3 NUTNU A PSTAČUJ UJÍÍ PDMÍNKU IRALITY JE NEZTTŽNITELNST NITELNST BJEKTU S JE ZRADLVÝM BRAZEM. Pro většinu organických molekul stačí jediné pravidlo: IRÁLNÍ MLEKULY NEMU MÍT RVINU SYMETRIE
Roviny symetrie a chiralita v substituovaných methanech Šest rovin symetrie (pouze jedna zobrazena) Tři roviny symetrie (pouze jedna zobrazena) Dvě roviny symetrie Jedna rovina symetrie Žádná rovina symetrie Achirální Achirální Achirální Achirální hirální
hirální látky v přírodě 3 2 N * 3 * 3 2 * 2-Aminopropanová kyselina (Alanin) 2-ydroxypropanová kyselina (Mléčná kyselina) 3 2-Methyl-5-(1-methylethenyl)cyklohex-2-enon (Karvon)
ptická aktivita Polarimetrie Vznik lineárně polarizovaného světla: Zdroj světla Světelný paprsek Polarizační filtr (obvykle Nicolův hranol) Rovinně polarizované světlo
Polarimetr Rovinně polarizované světlo Normální světelná vlna dchylka Rotace roviny světla Vzorek Polarizační filtr Polostínový hranol Zdroj světla Specifická otáčivost [α] t λ = α/l. c [α]... specifická otáčivost t... teplota [ ] λ... vlnová délka použitého světla, často D pro sodíkovou lampu při 589 nm α... pozorovaná optická otáčivost [ ] l... délka, kterou prochází světlo vzorkem [dm] c... koncentrace vzorku [g/ml]
Specifické otáčivosti některých látek [α] D 25 2 3 2 3-23,1 * * + 23,1 3 3 (-)-2-ombutan (+)-2-ombutan * + 8,5-3,8 2 N 3 (+)-2-Aminopropanová kyselina [(+)-Alanin] * 3 (-)-2-ydroxypropanová kyselina [(-)-Mléčná kyselina]
1 : 1 směs pravotočivého a levotočivého enantiomeru se nazývá racemická směs Měřením optické otáčivosti směsi můžeme, známe-li specifickou otáčivost jednoho čistého enantiomeru, vypočítat její složení (optickou čistotu, enantiomerní přebytek) % optickéčistoty = [α] pozorovaná /[α] x 100 = enantiomerní přebytek Příklad: směs o 50 %ním enantiomerním přebytku (+) (+) 50 % (+) (+) (-) 50 % racemická směs Každý čtverec představuje 25 % celkového vzorku, pozorovaná otáčivost je 50 % otáčivosti čistého (+) enantiomeru
Absolutní konfigurace: R-S sekvenční pravidla Existuje korelace mezi znaménkem optické otáčivosti a skutečným prostorovým uspořádáním - absolutní konfigurací? Je možné určit konfiguraci enantiomeru změřením jeho specifické otáčivosti? Ne Ne (-)-Mléčná kyselina * [α] D 25 = -3,8 3 Na, 2 * 3 Na (+)-Mléčnan sodný [α] D 25 = +13,5
R (rectus) a S (sinister) konfigurace na asymetrickém centru a a d b c d c b Priorita: a > b > c > d a a b c c b S R
Pravidla pro určení priority substituentů na asymetrickém centru (ahn, Ingold, Prelog) 1. Vyšší prioritu má atom s vyšším atomovým číslem, mezi izotopy ten s vyšším hmotnostním číslem 53 ai d 1 b 35 6 3 c 3 I (R)-1-om-1-jodethan Po směru hodinových ručiček 2. Jsou-li ke stereocentru připojeny dva a více atomů se stejnou prioritou, pokračujeme v určování priority podle řetězců substituentů, až k prvnímu rozdílu. Při větvenířetězce pokračujeme větví s vyšší prioritou. 3 3 < < 3 < 3 3
3 3 2 < 3 2 2 l 3 < 3 2 2 3 2 2 3 2 S < 2 S 3 Příklady: I a ( 3 ) 3 a 2 3 b d 3 c (R)-2-Jodbutan 2 3 c d ( 3 ) 2 b (S)-3-Ethyl-2,2,4-trimethylpentan
3. Dvojné a trojné vazby jsou pro účely stanovení priority považovány za jednoduché a ke každému konci vazby je připojen jeden (v případě dvojné vazby) nebo dva (v případě trojné vazby) pomocné atomy, stejné jako atomy na druhém konci vazby. Příklady: R R = 2 b R R d a 3 c R a d b 2 c R
Absolutní konfigurace: trocha historie 2 D-(+)-2,3-Dihydroxypropanal [D-(+)-Glyceraldehyd] 2 L-(-)-2,3-Dihydroxypropanal [L-(-)-Glyceraldehyd] [α] D 25 = +8,7 [α] D 25 = -8,7 První přisouzení absolutní konfigurace D-(+)-glyceraldehydu byl odhad, protože před více než sto lety nebyla k dispozici rentgenová difrakce. Prefix D neměl nic společného s pravotočivostí sloučeniny, ale přisuzoval jí prostorovou konfiguraci uvedenou na obrázku nahoře, dnes označovanou konfigurace R.
hemici se snažili odvodit strukturní uspořádání nových látek od D- nebo L-glyceraldehydu sledem reakcí, které neovlivňovaly uspořádání stereocentra. Teprve v roce 1951 byla určena krystalová struktura a původní odhad byl shledán správným, tedy D konfigurace odpovídá enantiomeru (R). D,L nomenklatura se stále ještě používá v chemii cukrů a aminokyselin. D-konfigurace 3 2 3 3 L-konfigurace 2 2 S 3 3
Šest různých zobrazení stejné sloučeniny: (S)-2-brombutan 3 2 3 3 2 3 3 2 3 3 2 3 3 2 3 3 2 3
Fischerova projekce d d d b a b c a c a b b c
2 3 2 3 3 2 3 2 3 3 3 3 (R)-2-brombutan (S)-2-brombutan Dvě další zobrazení (R)-2-brombutanu 3 3 3 3 2 3 2 3 2 3 2 3
Změny absolutní konfigurace rotací Fischerovy projekce 2 3 rotace 3 3 R 90 2 3 S 3 3 2 rotace 180 2 3 3 S S Rotace o lichý násobek 90 mění konfiguraci, rotace o sudý násobek 90 konfiguraci zachovává.
Změny absolutní konfigurace výměnou skupin na stereocentru ve Fischerově projekci 3 2 3 3 2 3 l l 3 l 3 2 3 2 3 Lichý počet výměn (jakýchkoli) substituentů mění konfiguraci, sudý počet výměn (jakýchkoli) substituentů konfiguraci zachovává. hceme-li zjistit, zda jsou dvě zobrazení stejná, provedeme právě nutný počet výměn substituentů od jednoho ke druhému zobrazení. Sudý počet znamená, že zobrazení jsou stejná, lichý že jde o opačnou konfiguraci.
Určení absolutní konfigurace ve Fischerově projekci 1. Nakreslíme molekulu v jakékoli Fischerově projekci 2. Určíme prioritu substituentů na stereocentru podle sekvenčních pravidel 3. Jestliže potřeba, dvojitou výměnou substituentů umístíme skupinu s nejnižší prioritou (d) nahoru 4. Je-li pořadí substituentů a,b,c ve směru hodinových ručiček, jde o konfiguraci R, je-li opačné, jde o konfiguraci S d d d d d d a b c a b c b a a c c b c b a c b a R R R S S S
Diastereomery: molekuly s několika stereocentry l 2, hν l 3 * 2 3 Jedno stereocentrum - l 3 * * 3 Dvě stereocentra Při dvou různých stereocentrech možnéčtyři kombinace: RR, RS, SR, SS.
2-om-3-chlorbutan 3 l 3 S S 3 2 l 3 3 l S S 3 3 Enantiomery R R 3 3 l 3 3 l 3 R R l 3 2 3 (2S,3S)- (2R,3R)- Diastereomery l 3 3 R S 3 2 3 3 3 3 S R R S l l l Enantiomery l 3 3 3 3 3 R l S 3 2 3 (2S,3R)- (2R,3S)-
Protože diastereomery nejsou navzájem zrcadlovými obrazy, mají rozdílné fyzikální a chemické vlastnosti (b.t., hustota, optická otáčivost), mohou být děleny destilací, krystalizací nebo chromatografií na achirální fázi. Více jak dvě stereocentra generují ještě vyšší počet stereoizomerů, obecně n stereocenter se může kombinovat do 2 n stereoizomerů. Např. tři stereocentra: RRR RRS RSR SRR RSS SRS SSR SSS Zobrazení: RRR RRS RSS SRS Zrcadlové zobrazení: SSS SSR SRR RSR
is a trans izomery na cyklech jsou diastereomery R Enantiomery S R l S l Diastereomery l R S l S Enantiomery R 1-om-2-chlorcyklobutan
Meso sloučeniny 2, hν 3 * 2 3-3 * * 3 2,3-Dibrombutan 3 3 3 3 S S S S Enantiomery R R 3 R R 3 3 3 Diastereomery 3 3 3 3 R S S R 3 Identické!!! Meso R S 3 3 R S 3
harakteristickým rysem meso sloučenin je existence vnitřní roviny symetrie v molekule, proto nevykazují meso sloučeniny optickou otáčivost: jedna půlka molekuly svou otáčivostí vyruší otáčivost druhé půle. 3 R S 3 Střídavá konformace Rotace 3 3 R S Zákrytová konformace
Meso sloučeniny s více stereocentry 3 3 3 3 yklické meso sloučeniny R R S S S R Trans-1,2-dibromcyklobutan, pár enantiomerů is-1,2-dibromcyklobutan, meso
Stereoizomery kyseliny vinné (2,3-dihydroxybutandiové) R R S S S R (+)-Vinná kyselina [α] D 20 = +12,0 b.t. 168-170 ustota d = 1,7598 g/ml (-)-Vinná kyselina [α] D 20 = -12,0 b.t. 168-170 ustota d = 1,7598 g/ml meso-vinná kyselina [α] D 20 = 0 b.t. 146-148 ustota d = 1,666 g/ml L. Pasteur v roce 1848 získal krystalizací sodno-amonné soli kyseliny vinné velké krystaly, které byly chirální a po ručním přebrání krystalů zjistil (rozpuštěním ve vodě a měřením optické otáčivosti), že se jedná o čisté enantiomery. Vyvodil závěr, že samy molekuly, ze kterých se krystaly skládají, musí být chirální, a že nasycený uhlík musí mít v organických sloučeninách tetraedrické uspořádání. Víte proč?
Enantiomerní přechodové stavy (stejná energie) + 3 2 3 3-2 3 (S)-2-ombutan Achirální radikál (oba laloky orbitalu jsou ekvivalentní) 3 2 3 2 3 2 3 2 3 3 becně: vznik chirálních sloučenin z achirálních výchozích látek poskytuje racemáty, neboli opticky neaktivní výchozí látky dávají opticky neaktivní produkty 2 3 3 + (R)-2-ombutan
Přítomnost stereocentra ovlivňuje výsledek reakce: příklad chlorace (S)-2-brombutanu 1 l 2 3 2 4 3 2 l 2, hν na 1 - l 1 3 3 2 4 3 2 l 2, hν na 4 - l 1 3 l 2 2 4 3 2 pticky aktivní 2R pticky aktivní 2S pticky aktivní 2S Při chloraci na 1 nebo 4, která se nedotýká stereocentra, jsou produkty opticky aktivní. Pozor mohou se měnit označení konfigurace (R nebo S) protože se mohou měnit priority substituentů.
3 3 2 l. - l 3 3 2. l 2 - l. 3 3 2 l + 3 2 3 l pticky aktivní 2S Achirální pticky inaktivní (racemát) 50 % 2S 50 % 2R Radikálová chlorace na stereocentru 2 vede k racemické směsi
(S)-2-ombutan 3 l 3 3 l - l 3 hirální radikál (laloky orbitalu nejsou ekvivalentní) l 2 Asymetrický uhlík 2 3 3 l Diastereomerní přechodové stavy (různá energie) l l 3 3 3 l + l (2S,3S)-2-om- 3-chlorbutan 25 % 3 (2S,3R)-2-om- 3-chlorbutan 75 % l + l 3 3 hlorace na 3 se nedotýká původního stereocentra, ale vytváří stereocentrum nové. Přitom nevzniká ekvimolární směs diastereomerů, protože přístup molekuly chloru k planárnímu radikálu na 3 není vzhledem k přítomnosti původního stereocentra z obou stran stejný jinými slovy přechodové stavy obou cest jsou navzájem diastereomerní a mají tudíž různou energii. Z toho vyplývá, že jedna z cest bude zvýhodněna. Reakce, která poskytuje přednostně nebo výhradně jeden stereoizomer se nazývá stereoselektivní.
Thalidomid (ontergan) R nebo S to může znamenat katastrofu N * N Sedativum thalidomid bylo začátkem šedesátých let vyráběno jako racemát pod komerčním názvem ontergan a často předepisováno těhotným ženám jako výborné sedativum. U stovek narozených dětí se objevily vážné defekty (malformace)!!!
N N N N (S)-izomer: teratogenní Izomerace za fyziologických podmínek (R)-izomer: není teratogenní V současné době dávána přednost lékům produkovaných jako opticky čisté látky (enantiomery nebo diastereomery), pokud se přesto prodává směs stereoizomerů, musí se provést klinické testy zvlášť se všemi izomery. Rozvoj enantioselektivní syntézy: trh chirálních léčiv 115 miliard USD/rok 2000 Nobelova cena 2001: W.S. Knowles; R. Noyori; B. Sharpless
R N 2 Přírodní aminokyselina s konfigurací (S); L-aminokyselina hiralita v přírodě 2 N R 1 N R 2 Aminokyselina 1 Aminokyselina 3 Aminokyselina 2 Polypeptid Specifita enzymu představa klíče a zámku: N R 3 Jeden enantiomer dobře zapadne do receptoru Druhý enantiomer nezapadne dobře do receptoru dchylka
Dělení enantiomerů optická rezoluce (rozdělení) X R + X S Racemická směs enantiomerů. Složky směsi mají stejné fyzikální vlastnosti pticky čistéčinidlo Y S X R Y S + X S Y S Směs diastereomerů. Složky směsi mají různé fyzikální vlastnosti Dělení diastereomerů X R Y S X S Y S Štěpení X R + Y S X S + Y S Separace a recyklace Y S X R X S Čisté enantiomery
Příklad: 2 N 3 Racemický (R,S)-but-3-yn-2-amin + (+)-Kyselina vinná 2, několik dnů N 3 3 Pravotočivý (+)-vinan R-aminu Krystalizuje z roztoku R + N 3 3 Levotočivý (+)-vinan S-aminu Zůstává v roztoku S K 2 3, 2 K 2 3, 2 N 2 3 R (R)-(+)-but-3-yn-2-amin [α] D 22 = +53,2; b.v. 82-84 N 2 47 % 51 % 3 S (S)-(-)-but-3-yn-2-amin [α] D 20 = -52,7; b.v. 82-84