1

Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie

Materiały pomocnicze do zajęć seminaryjnych z przedmiotu

„CHEMIA ORGANICZNA”

kierunek: Inżynieria materiałowa

część II

Opracowanie:

dr inż. Edyta Stochmal

dr hab. inż. Magdalena Hasik

Kraków 2009

2

SPIS TREŚCI

Str.

1. Analiza elementarna związków organicznych ...................................... 3

2. Spektroskopowe metody badań związków organicznych:

spektroskopie IR oraz

1

H NMR ........................................................... 4

3. Położenia pasm w widmach IR wybranych związków organicznych ... 13

4. Położenia sygnałów w widmach

1

H NMR wybranych

związków organicznych ........................................................................ 14

3

ANALIZA ELEMENTARNA ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH

1. Oblicz udziały procentowe każdego z pierwiastków w wymienionych związkach

organicznych:

a)

etan CH

3

CH

3

b)

chloroform CHCl

3

c)

etanol C

2

H

5

OH

d)

kwas octowy CH

3

COOH

e)

kwas acetylosalicylowy (aspiryna) C

9

H

8

O

4

f)

anilina C

6

H

5

NH

2

g)

kwas sulfanilowy C

6

H

7

NO

3

S

h)

aceton CH

3

C(O)CH

3

i)

penicylina C

16

H

18

N

2

O

4

S

2. Podaj wzory empiryczne związków organicznych, w których na podstawie analizy

elementarnej wykryto następujące zawartości procentowe pierwiastków:

a) 61,00% C,

11,88% H,

27,12% O;

b) 40,40% C,

6,67% H,

52,93% O;

c) 46,60% C,

8,80% H,

31,00% O,

13,60% N;

d) 61,00% C,

15,25% H,

23,75% N;

e) 39,34% C, 8,20% H, 52,46% S;

f) 41,30% C,

5,35% H, 10,70% N,

24,40% S,

reszta to tlen.

3. Oblicz procentową zawartość węgla i wodoru w związku organicznym, jeśli wiadomo, że

w wyniku spalenia 0,171 g tego związku otrzymuje się 0,264 g dwutlenku węgla i 0,099 g
wody.

4. Określ wzór empiryczny substancji organicznej, wiedząc, że po spaleniu 0,608 g tej

substancji otrzymuje się 1,540 g dwutlenku węgla, 0,363 g wody oraz 112 ml azotu
(objętość mierzona w warunkach normalnych

)

.

5. W wyniku spalenia 21 g pewnego związku organicznego zawierającego węgiel, wodór

i siarkę otrzymano 9,0 g H

2

O, 22,4 dm

3

CO

2

i pewną ilość SO

2

. Podaj wzór sumaryczny

tego związku.

6. W wyniku spalenia 1,08 g pewnego związku organicznego otrzymano 2,11 g CO

2

i 1,08 g

H

2

O. Ustal: skład procentowy tego związku, wzór elementarny, wzór rzeczywisty

(wiedząc, że wyznaczona eksperymentalnie masa molowa związku wynosiła 90 g/mol)
oraz zaproponuj możliwe wzory strukturalne (6 możliwości). Jakiego typu izomerami są
względem siebie te związki?

7. Odważono dwie próbki substancji badanej, każdą o masie 0,724 g. Po spaleniu pierwszej

z nich otrzymano 1,137 g CO

2

i 0,155 g H

2

O. W drugiej oznaczono azot, który w wyniku

j)

eter dietylowy (C

2

H

5

)

2

O

k) metyloamina CH

3

NH

2

l) toluen C

6

H

5

CH

3

m) bromobenzen C

6

H

5

Br

n) mocznik (H

2

N)

2

C=O

o) metanal HCHO

p) kwas szczawiowy (COOH)

2

r) alkohol benzylowy C

6

H

5

CH

2

OH

s) benzofenon (C

6

H

5

)

2

C=O

4

reakcji wydzielił się w stanie wolnym, zajmując objętość 96,46 cm

3

(w przeliczeniu na

warunki normalne). Oblicz: wzór elementarny, wzór rzeczywisty (wiedząc, że oznaczona
eksperymentalnie masa molowa tego związku wynosi 168,0 g/mol) i zaproponuj możliwe
wzory strukturalne związków o obliczonym wzorze (3 możliwości). Jakiego typu
izomerami są względem siebie te związki?

8. Na podstawie wyników analizy elementarnej ustalono skład procentowy badanej

substancji: 62% C, 10,4% H, 27,6% O. Ustal: wzór elementarny, wzór rzeczywisty, jeśli
masa molowa tego związku wynosi 58,1 g/mol oraz możliwe wzory strukturalne
(maksymalnie 9 możliwości). Jakiego typu izomerami są względem siebie te związki?

9. Zawartość procentowa węgla w alkoholu jednowodorotlenowym A wynosi 52,174%,

w kwasie jednokarboksylowym B 88,852%, a w estrze alkoholu A i kwasu B 72,000%.
Masa molowa kwasu jest o 76 g/mol większa od masy molowej alkoholu. Ustal wzory
sumaryczne alkoholu, kwasu i estru oraz zaproponuj ich wzory strukturalne.

SPEKTROSKOPOWE METODY BADAŃ ZWIĄZKÓW

ORGANICZNYCH: SPEKTROSKOPIE IR ORAZ

1

H NMR

10. Co to jest liczba falowa, w jakich jednostkach się ją wyraża i jaki jest jej związek

z długością fali?

11. Widma IR izomerycznych związków A i B o wzorze sumarycznym C

6

H

10

O zawierają

następujące pasma charakterystyczne: związek A 1710 cm

-1

, związek B 3350 cm

-1

oraz

1070 cm

-1

. Którą z poniższych struktur można przypisać związkowi A, a którą związkowi

B? Podaj nazwy systematyczne obu związków.

12. Poniżej przedstawiono widma IR etyloaminy (a) oraz dietyloaminy (b) Przypisz

występujące w nich pasma drganiom odpowiednich fragmentów cząsteczek. Jaka jest
istotna różnica między tymi widmami w zakresie 3500 – 3300 cm

-1

?

O

OH

a)

Liczba falowa [cm

-1

]

T

ra

n

s

m

it

a

n

c

ja

[

%

]

b)

T

ra

n

s

m

it

a

n

c

ja

[

%

]

Liczba falowa [cm

-1

]

5

13. Poniżej przedstawiono widmo IR 2-metylopropan-2-olu (alkoholu tert-butylowego).

Przypisz występujące w nim pasma drganiom odpowiednich fragmentów cząsteczki.

14. Poniżej przedstawiono widmo IR chlorku benzoilu. Przypisz występujące w nim pasma

drganiom odpowiednich fragmentów cząsteczki.

15. Poniżej przedstawiono widmo IR kwasu o-metylobenzoesowego. Przypisz występujące

w nim pasma drganiom odpowiednich fragmentów cząsteczki.

Liczba falowa [cm

-1

]

T

ra

n

s

m

it

a

n

c

ja

[

%

]

Liczba falowa [cm

-1

]

T

ra

n

s

m

it

a

n

c

ja

[

%

]

T

ra

n

s

m

it

a

n

c

ja

[

%

]

Liczba falowa [cm

-1

]

6

16. Poniżej przedstawiono widmo IR 5-chloro-2-metylofenolu. Przypisz występujące w nim

pasma drganiom odpowiednich fragmentów cząsteczki.

17. Na podstawie analizy przedstawionych widm IR odpowiadających związkom

organicznym o podanych wzorach sumarycznych wskaż, jakie elementy strukturalne
(grupy funkcyjne) wchodzą w skład tych związków.

a) wzór sumaryczny: C

8

H

16

O

2

b) wzór sumaryczny: C

9

H

11

O

2

N

Liczba falowa [cm

-1

]

T

ra

n

s

m

it

a

n

c

ja

[

%

]

T

ra

n

s

m

it

a

n

c

ja

[

%

]

Liczba falowa [cm

-1

]

Liczba falowa [cm

-1

]

7

c) wzór sumaryczny: C

8

H

9

ON

d) wzór sumaryczny: C

8

H

6

O

2

N

2

18. Co to jest przesunięcie chemiczne? W jaki sposób można je wyrażać?

19. Poniżej przedstawiono widmo

1

H NMR bromooctanu etylu. Przypisz występujące w nim

sygnały odpowiednim atomom wodoru cząsteczki tego estru, wyjaśnij przyczynę poja-
wienia się multipletów i określ, jakie są stosunki intensywności grup sygnałów w widmie.

Liczba falowa [cm

-1

]

T

ra

n

s

m

it

a

n

c

ja

[

%

]

Liczba falowa [cm

-1

]

T

ra

n

s

m

it

a

n

c

ja

[

%

]

kwartet

singlet

tryplet

8

20. Widma

1

H NMR oznaczone literami a) i b) odpowiadają dwóm izomerom dibromoetanu.

Zaproponuj strukturę tych izomerów, przypisz sygnały występujące w widmach
odpowiednim atomom wodoru ich cząsteczek, wyjaśnij przyczynę pojawienia się
multipletów i określ, jakie są stosunki intensywności grup sygnałów w widmie.

21. Poniżej przedstawiono widmo

1

H NMR (1-aminoetylo)benzenu. Przypisz występujące

w nim grupy sygnałów odpowiednim atomom wodoru cząsteczki.

22. Ile sygnałów (lub grup sygnałów) będą zawierały widma

1

H NMR przedstawionych

związków? Które z tych sygnałów będą multipletami?

kwartet

tryplet

singlet

a)

b)

CH

3

-C-O-CH-CH

3

CH

3

O

CH

3

-CH-CH

2

-C-O-CH

3

CH

3

O

Br-C-Br

CH

3

CH

3

CH

3

-C-N(CH

3

)

2

OCH

3

OCH

3

NO

2

O

2

N

NO

2

Br

NO

2

NO

2

a)

b)

c)

d)

d)

e)

f)

kwartet

singlet

dublet

9

23. Poniżej przedstawiono widmo

1

H NMR malonianu dietylu, tj. estru o wzorze

CH

2

(COOC

2

H

5

)

2

. Przypisz występujące w nim sygnały odpowiednim atomom wodoru

cząsteczki tego estru, wyjaśnij przyczynę pojawienia się multipletów i określ, jakie są
stosunki intensywności grup sygnałów w widmie.

24. Na podstawie analizy przedstawionych widm

1

H NMR odpowiadających związkom

organicznym o podanych wzorach sumarycznych, zaproponuj strukturę tych związków.

a) wzór sumaryczny: C

3

H

5

ClO

2

b) wzór sumaryczny: C

2

H

3

Cl

3

kwartet

singlet

dublet

tryplet

dublet

dublet

kwartet

singlet

10

c) wzór sumaryczny: C

3

H

5

ON

25. Na czym może polegać zastosowanie spektroskopii IR do śledzenia postępu

przedstawionej reakcji? Zaproponuj, ile grup sygnałów będą zawierały widma

1

H NMR

substratu i produktu tej reakcji – jaka będzie ich multipletowość i względna intensywność.

26. Zaproponuj, za pomocą jakiej metody spektroskopowej można w najprostszy sposób

rozróżnić związki w podanych parach:

a) pentan-2-on i pentan-3-on,

b) cykloheksanol i cykloheksanon,

c) eter dimetylowy i eter dietylowy,

d) mrówczan metylu i kwas octowy,

e) p-metylofenol i eter fenylowo-metylowy.

27. Na podstawie analizy przedstawionych widm IR oraz

1

H NMR odpowiadających

związkom organicznym o podanych wzorach sumarycznych, zaproponuj strukturę tych
związków.

a) wzór sumaryczny: C

6

H

8

O

singlet

singlet

CH

3

-C

CH

3

CH

3

CH-CH

3

OH

CH

3

-C

CH

3

CH

3

C-CH

3

O

kwartet

singlet

tryp-

let

Liczba falowa [cm

-1

]

T

ra

n

s

m

it

a

n

c

ja

[

%

]

11

b) wzór sumaryczny: C

4

H

6

BrN

c) wzór sumaryczny: C

3

H

8

O

d) wzór sumaryczny: C

3

H

8

O

e) wzór sumaryczny: C

3

H

7

O

2

N

2

tryplet

pentet

tryplet

singlet

dublet

heptet

tryplet

tryplet

singlet

Liczba falowa [cm

-1

]

T

ra

n

s

m

it

a

n

c

ja

[

%

]

Liczba falowa [cm

-1

]

T

ra

n

s

m

it

a

n

c

ja

[

%

]

Liczba falowa [cm

-1

]

T

ra

n

s

m

it

a

n

c

ja

[

%

]

tryplet

tryplet

Liczba falowa [cm

-1

]

T

ra

n

s

m

it

a

n

c

ja

[

%

]

12

f) wzór sumaryczny: C

3

H

5

ON

28. Zaproponuj sposób rozróżnienia dwóch izomerycznych związków A i B o podanych

wzorach za pomocą a) spektroskopii IR, b) spektroskopii

1

H NMR.

Liczba falowa [cm

-1

]

T

ra

n

s

m

it

a

n

c

ja

[

%

]

singlet

tryplet

tryplet

CH

2

C-OH

O

C-OCH

3

O

A

B

13

Położenia pasm (w cm

-1

) w widmach IR wybranych związków organicznych

Alkany

C-C

1800-1300

C-H 2960 -2850

Alkeny

C=C

1680-1640

C-H 3095-3010

Alkiny

C

≡

C

2300-2100

C-H

~3300

Pierścień

aromatyczny

grupa pasm 1600-1400

C-H

1-podstawiony

o-dipodstawiony

m-dipodstawiony

p-dipodstawiony

~3300

770-730, 710-690

770-735

850-810, 710-690

840-810

Alkohole

i kwasy

karboksylowe

OH

alkohole:

szerokie 3600-

3300,

kwasy trochę

niżej

C-O 1250-1100

intensywne

Etery

-//-

-//-

Związki

karbonylowe

C=O

1850-1650 (ketony alifatyczne:

~1715, ketony aromat. ~1690,

aldehydy: ~1740, halogenki: ~1790,

kwasy:

~1710)

w aldehydach alifatycznych

zwykle C-H < 2800 cm

-1

Aminy

N-H

3500-3400

C-N 1600-1300

Amidy

-//-

-//-

-//-

-//-

C=O też obecne

Nitryle

C

≡

N

2260-2215

Związki

nitrowe

N-O

1650-1500

i 1390-1250

C-F

1400-1000

(intensywne)

C-Cl

750-700

Halogenki

C-Br

600-500

14

Położenia sygnałów (w ppm) w widmach

1

H NMR wybranych związków organicznych

alkilowy pierwszorzędowy R-CH

3

0,7-1,3

alkilowy drugorzędowy R-CH

2

-R

1,2-1,4

alkilowy trzeciorzędowy`R

3

C-H

1,4-1,7

allilowy: H-C-C=C

1,6-2,2

winylowy (alkenowy): H-C=C

4,6-5,9 (alkenowy do 7,9)

acetylenowy: H-C

≡

C

2-3

aromatyczny: Ar-H

6-8,5

benzylowy: Ar-C-H

2,3-3

chlorkowy: H-C-Cl

3-4

bromkowy: H-C-Br

2,5-4

alkoholowy: H-C-OH

3,4-4

alkoholowy: H-C-OH

2,4-5

eterowy: H-C-OR

3,7-4,1

estrowy: H-COOR

2-2,2

kwasowy: H-COOH

2-2,6

karboksylowy: H-COOH

10,5-12

aldehydowy: RCHO

9-10

wodorotlenowy: R-OH

1-5,5

fenolowy: Ar-OH

4-12

aminowy: NH

2

1-5

α

-podstawiony aromatyczny Ar-CH

3

2,5-2,7

α

-podstawiony ketonem –C(O)-CH

3

2,1-2,4

β

-monopodstawiony H-C-C-Y

2-5

β

-dipodstawiony H-C-C(Z)-Y

2,5-7