1
Wydział InŜynierii Materiałowej i Ceramiki
Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie
Materiały pomocnicze do zajęć seminaryjnych z przedmiotu
„CHEMIA ORGANICZNA”
kierunek: InŜynieria materiałowa
część II
Opracowanie:
dr inŜ. Edyta Stochmal
dr hab. inŜ. 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. PołoŜenia pasm w widmach IR wybranych związków organicznych ... 13
4. PołoŜenia sygnałów w widmach
1
H NMR wybranych
związków organicznych ........................................................................ 14
3
ANALIZA ELEMENTARNA ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH
1. Oblicz udziały procentowe kaŜdego 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, Ŝe
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, Ŝe 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, Ŝe wyznaczona eksperymentalnie masa molowa związku wynosiła 90 g/mol)
oraz zaproponuj moŜliwe wzory strukturalne (6 moŜliwości). Jakiego typu izomerami są
względem siebie te związki?
7. OdwaŜono dwie próbki substancji badanej, kaŜdą 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, Ŝe oznaczona
eksperymentalnie masa molowa tego związku wynosi 168,0 g/mol) i zaproponuj moŜliwe
wzory strukturalne związków o obliczonym wzorze (3 moŜliwości). 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 moŜliwe wzory strukturalne
(maksymalnie 9 moŜliwości). 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 wyraŜa 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 poniŜszych struktur moŜna przypisać związkowi A, a którą związkowi
B? Podaj nazwy systematyczne obu związków.
12. PoniŜej przedstawiono widma IR etyloaminy (a) oraz dietyloaminy (b) Przypisz
występujące w nich pasma drganiom odpowiednich fragmentów cząsteczek. Jaka jest
istotna róŜnica 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. PoniŜej przedstawiono widmo IR 2-metylopropan-2-olu (alkoholu tert-butylowego).
Przypisz występujące w nim pasma drganiom odpowiednich fragmentów cząsteczki.
14. PoniŜej przedstawiono widmo IR chlorku benzoilu. Przypisz występujące w nim pasma
drganiom odpowiednich fragmentów cząsteczki.
15. PoniŜej 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. PoniŜej 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 wskaŜ, 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 moŜna je wyraŜać?
19. PoniŜej 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. PoniŜej 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. PoniŜej 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 moŜe 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 moŜna w najprostszy sposób
rozróŜnić 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 rozróŜnienia 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
PołoŜenia 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
niŜej
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 teŜ 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
PołoŜenia 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