WYKŁAD SIÓDMY

ELEMENTY CHEMII ORGANICZNEJ

Związkami organicznymi nazywa się związki węgla. Wyjątkiem są
tlenki węgla (CO i CO

2

), sole kwasu węglowego (węglany) oraz kilka

innych, rzadziej spotykanych związków.
Chemia organiczna to subdyscyplina chemii, zajmująca się badaniem
i otrzymywaniem związków organicznych.

Do 1828 roku panował pogląd zwany witalizmem (vis vitalis), kiedy
Friedrich Wöhler zsyntezował mocznik ze związku nieorganicznego,
cyjanianu amonu:

Podstawowe założenia teorii strukturalnej:

1.

Każdy związek chemiczny ma jedną, właściwą sobie budowę,
określoną przez ułożenie i sposób powiązania atomów w obrębie
cząsteczki.

2.

Atomy węgla w związkach organicznych są czterowartościowe.

3.

Atomy węgla mogą łączyć się ze sobą, tworząc łańcuchy o
dowolnej długości, proste lub rozgałęzione, pierścienie o
dowolnej wielkości oraz dowolne kombinacje pierścieni i
łańcuchów.

4.

Atomy węgla mogą łączyć się ze sobą lub z atomami innych
pierwiastków wiązaniami pojedynczymi, podwójnymi lub
potrójnymi.

5.

Wszystkie wartościowości nie wykorzystane do połączenia
atomów węgla ze sobą zostają wysycone przez przyłączenie
atomów innych pierwiastków.

Rodzaje wzorów związków organicznych:

Wzory szkieletowe

Tworzenie wiązań przez atomy węgla (hybrydyzacja):

Proces

tworzenia

się

zespołu

nowych,

jednakowych

i

ukierunkowanych w przestrzeni orbitali atomowych z kombinacji
orbitali s i p nazywany jest hybrydyzacją, a utworzone orbitale –
orbitalami hybrydyzowanymi.

W hybrydyzacji sp

3

bierze udział orbital s i trzy orbitale p. Suma tych

czterech orbitali wytwarza cztery nowe orbitale (sp

3

), które

skierowane są ze środka, ku narożom czworościanu foremnego
(tetraedru). Kąty między dowolną parą orbitali sp

3

, wynoszą 109º28'.

Cząsteczki z atomem węgla w hybrydyzacji sp

3

mają geometrię

tetraedryczną, np. metan CH

4

. Wszystkie wiązania C-H w metanie są

typu σ.

Tworzenie wiązań podwójnych między atomami węgla (wiązanie π):

W hybrydyzacji sp

2

bierze udział orbital s i dwa orbitale p. Suma tych

trzech orbitali wytwarza trzy nowe orbitale (sp

2

), które leżą w jednej

płaszczyźnie z jądrem atomu i skierowane są ze środka, ku narożom
trójkąta równobocznego. Kąty między dowolną parą orbitali sp

2

,

wynoszą 120º. Jeden z orbitali p atomu węgla pozostaje
niezhybrydyzowany. Cząsteczki z atomem węgla w hybrydyzacji sp

2

mają geometrię trygonalną, np. eten H

2

C=CH

2

. Wiązania tworzone

przez orbitale hybrydyzowane sp

2

są wiązaniami typu σ. Wiązanie

pomiędzy

atomami

węgla,

utworzone

przez

orbitale

niezhybrydyzowane p jest typu π. Pomiędzy atomami węgla w
cząsteczce etenu występuje zatem jedno wiązanie podwójne,
składające się z jednego wiązania σ i jednego wiązania π.

Tworzenie wiązań potrójnych między atomami węgla (wiązania π):

W hybrydyzacji sp bierze udział orbital s i jeden orbital p. Suma tych
dwóch orbitali wytwarza dwa nowe orbitale (sp), które leżą na jednej
prostej z jądrem atomu – ułożone są liniowo. Kąty między orbitalami
sp, wynoszą zatem 180º. Dwa z orbitali p atomu węgla pozostają
niezhybrydyzowane. Cząsteczki z atomem węgla w hybrydyzacji sp
mają geometrię liniową, np. etyn HC≡CH. Wiązania tworzone przez
orbitale hybrydyzowane sp są wiązaniami typu σ. Dwa wiązania
pomiędzy

atomami

węgla,

utworzone

przez

orbitale

niezhybrydyzowane p są oba typu π. Pomiędzy atomami węgla w
cząsteczce etynu występuje zatem wiązanie potrójne, składające się z
jednego wiązania σ i dwóch wiązań π.

Podsumowując, tak można przedstawić przestrzenne rozmieszczenie
hybryd każdego z trzech typów hybrydyzacji.

Kolorem czerwonym zaznaczono orbitale zhybrydyzowane a kolorem
zielonym niezhybrydyzowane orbitale p.

Zdelokalizowane wiązania

W cząsteczce benzenu
pierścień i są w hybrydyzacji sp
trzech orbitali sp

2

każ

dwoma innymi orbitalami sp
wiązanie σ z orbitalem s atomu wodoru. Ka
tym jeden niezhybrydyzowany
płaszczyzny pierścienia. Wszystkie 6 orbitali p tworz
cząsteczkowy π (sekstet elektronowy
benzenu jest wielocentowy (obejmuje wi
związku z tym wszystkie 6 elektronów
stałych miejsc – są zdelokalizowane.

ązania π :

steczce benzenu, C

6

H

6

, wszystkie atomy węgla są

w hybrydyzacji sp

2

– mają strukturę trygonaln

każdego atomu węgla dwa tworzą wi

dwoma innymi orbitalami sp

2

atomów węgla, trzeci orbital sp

z orbitalem s atomu wodoru. Każdy atom wę

tym jeden niezhybrydyzowany orbital p, który jest prostopadły do

ścienia. Wszystkie 6 orbitali p tworzą wspólny orbital

π (sekstet elektronowy π). Orbital czą

benzenu jest wielocentowy (obejmuje więcej niż dwa j

zku z tym wszystkie 6 elektronów π w cząsteczce benzenu nie ma

ą zdelokalizowane.

ęgla są połączone w

ę trygonalną. Spośród

gla dwa tworzą wiązania σ z

gla, trzeci orbital sp

2

tworzy

dy atom węgla ma poza

orbital p, który jest prostopadły do

ą wspólny orbital

cząsteczkowy π

ż dwa jądra). W

ąsteczce benzenu nie ma

Izomeria związków organicznych

Izomeria to istnienie związków chemicznych (izomerów), mających
taki sam wzór sumaryczny, ale różniących się budową lub
rozmieszczeniem atomów w przestrzeni.

Własności fizyczne izomerów butanu

Izomeria optyczna to zjawisko występowania związków, których
cząsteczki są identyczne z własnym odbiciem lustrzanym. Czynność
optyczna związku chemicznego związana jest z obecnością w
cząsteczce przynajmniej jednego centrum asymetrii. Najczęściej
stanowi je asymetryczny atom węgla, w hybrydyzacji sp

3

, połączony z

czterema różnymi podstawnikami>

Przykładem może być kwas mlekowy:

alanina lub limonen:

Podstawowe typy reakcji organicznych

•

Reakcje podstawienia (substytucji)

polegają na wymianie atomu

lub grupy atomów w cząsteczce organicznej na inny atom lub
grupę atomów, np.:

metan

chlorometan

Atom chloru zastąpił jeden z atomów wodoru w metanie.

•

Reakcje przyłączenia (addycji)

to reakcje przyłączenia jednej

cząsteczki do drugiej, bez odszczepienia żadnej innej cząsteczki,
np.:

eten

1,2-dibromoetan

•

Reakcje eliminacji

polegają na odszczepieniu od substratu

stosunkowo małej cząsteczki, np.:

etanol

eten

Heterolityczne i homolityczne rozerwanie wiązania

•

W przypadku

rozerwania heterolitycznego

wiążąca para

elektronowa przechodzi do jednego z atomów, które były
połączone tym wiązaniem:

:

:

Powstałe fragmenty są obdarzone ładunkami elektrycznymi
(dodatnim – kation i ujemnym – anion), są one zatem jonami.

•

Przy

homolitycznym rozerwaniu

wiązania każdy z fragmentów

podzielonej cząsteczki zachowuje po jednym z elektronów
wiążącej pary. Fragmenty te noszą nazwę rodników:

:

·

·

Reaktywność to skłonność cząsteczek do ulegania przemianom
chemicznym. Określa się ją również jako charakterystykę własności
związku chemicznego, określającą jego zdolność do brania udziału w
reakcjach chemicznych.

WĘGLOWODORY NASYCONE – ALKANY

Szereg homologiczny to grupa związków o podobnej budowie i
właściwościach, których cząsteczki różnią się o jedną lub więcej grup
–CH

2

– . Każdy następny człon szeregu różni się od poprzedniego o

jedną grupę –CH

2

– .

W alkanach wszystkie wiązania między atomami węgla są pojedyncze
(typu σ). Każdy atom węgla jest w hybrydyzacji sp

3

.

Wzór ogólny alkanów (zwanych też parafinami) :

Alkany są głównymi składnikami ropy naftowej, gazu ziemnego, jak
również stanowią produkty destylacji smoły węglowej uzyskiwanej z
węgla brunatnego.

Właściwości chemiczne alkanów

Alkany są mało reaktywne. W temperaturze pokojowej są całkowicie
obojętne na działanie kwasów, zasad oraz tlenu z powietrza. Po
osiągnięciu temperatury zapłonu (najniższa temperatura, przy której
wytworzona mieszanina par cieczy z powietrzem pod wpływem
czynnika inicjującego ulega zapaleniu) łatwo ulegają spaleniu. Alkany
reagują z fluorowcami, dając jako produkty reakcji substytucji
fluorowcoalkany. Alkany o większych masach cząsteczkowych łatwo
reagują w podwyższonej temperaturze z tlenem (utlenianie parafin),
mieszaniną ditlenku siarki z chlorem (chloro sulfonowanie), a także ze
stężonym kwasem azotowym (nitrowanie).

3.

Izomeryzacja

:

"

# $#"%

# $#"% & &'(#łę'+&"%,- ł#ń,/,-#,-

Liczbę oktanową wyznacza się przez porównanie właściwości
benzyny z właściwościami wzorca w specjalnie skonstruowanym
silniku pomiarowym. Jest ona miarą odporności benzyny na tzw.
spalanie detonacyjne.

4.

Krakowanie katalityczne

– reakcje alkanów, podczas których

następuje „pękanie” łańcuchów węglowych:

# $#"

# $#"% + # $0"% & $ ó23'%,- ł#ń,/,-#,-

5.

Reakcja z parą wodną

– największe znaczenie praktyczne ma

otrzymywanie wodoru i tlenku węgla z metanu:

3

Jest to ważne źródło wodoru i tzw. gazu wodnego, który ma
zastosowanie jako gaz syntezowy do różnorodnych procesów.
Opracowane zostały metody katalitycznej syntezy z gazu wodnego
aldehydu mrówkowego i kwasu octowego. Gaz wodny stanowi w
technice jedno z głównych źródeł wodoru.

WĘGLOWODORY NIENASYCONE – ALKENY

W alkenach jedno wiązanie między atomami węgla jest podwójne
C=C (typów σ i π). Atomy węgla tworzące podwójne wiązanie są w
hybrydyzacji sp

2

, pozostałe atomy węgla są w hybrydyzacji sp

3

.

Wzór ogólny alkenów (zwanych też olefinami) :

Węglowodory, których cząsteczki zawierają wiązania wielokrotne
nazywamy węglowodorami nienasyconymi.

Alkeny otrzymuje się w dużych ilościach z produktów krakingu ropy
naftowej. Alkeny nie występują powszechnie w przyrodzie.
Przykładem jest eten (etylen), który jest hormonem roślinnym,
stymulującym dojrzewanie owoców. Technicznie otrzymuje się go z
gazu koksowniczego. Laboratoryjnie otrzymuje się alkeny stosując
różne reakcje eliminacji lub przez addycję wodoru do alkinów.

Nazewnictwo węglowodorów nienasyconych:

Właściwości chemiczne alkenów wynikają przede wszystkim z
obecności podwójnego wiązania C = C, które stanowi reaktywne
centrum cząsteczki alkenu.

W przypadku addycji bromowodoru do propenu powstają dwa
produkty, przy czym produktem powstającym w przewadze jest
2-bromopropan:

Kierunek tego typu reakcji addycji (elektrofilowej) do alkenu
odczynnika o ogólnym wzorze HX (X= Cl, Br, OH) jest określony
przez regułę Markownikowa.


Polimeryzacją jest każda reakcja, w wyniku której wiele małych
cząsteczek substratów łączy się ze sobą i powstają duże cząsteczki
produktu.

Produkty

polimeryzacji

nazywamy

związkami

wielkocząsteczkowymi lub polimerami. Małe cząsteczki ulegające
polimeryzacji

nazywamy

monomerami.

Materiały

użytkowe

otrzymywane z polimerów nazywamy tworzywami sztucznymi.

"

5 6 7

8

9:

;

<

020" =& +02% 0"

"

$+ $# >& $+ $/>'+03+ę,+/ 2%3+ę,%

monomery

polimery

ALKADIENY I POLIENY

Alkadieny to alkeny, których cząsteczki zawierają dwa podwójne
wiązania węgiel – węgiel. Związki te wykazują bardzo podobne
właściwości do alkenów. Związki zawierające w cząsteczce więcej niż
dwa wiązania podwójne nazywamy polienami.
Wiązania podwójne w cząsteczkach alka dienów mogą występować w
trzech różnych układach:

1,3-butadien

Alkadieny i polieny nie s
za wyjątkiem węglowodorów z grupy terpenów.
Terpeny są węglowodorami o wzorze ogólnym (C
wywodzącymi się z takich w
Szkielety węglowe terpenów s
cząsteczek izoprenu. T
Ich przykładami są
zapachowych, likopen
jeden ze składników terpentyny

wzór strukturalny mircenu

i polieny nie są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie,

ęglowodorów z grupy terpenów.

ęglowodorami o wzorze ogólnym (C

ę z takich węglowodorów związkami tlenowymi.

ęglowe terpenów są zbudowane z 2, 3, 4, 6 lub 8

steczek izoprenu. Terpeny są składnikami olejków eterycznych.

mircen, związek o silnych właś

, likopen – czerwony barwnik pomidorów czy karen

jeden ze składników terpentyny.

zór strukturalny mircenu

karen

likopen

szeroko rozpowszechnione w przyrodzie,

glowodorami o wzorze ogólnym (C

5

H

8

)

n

lub

ązkami tlenowymi.

zbudowane z 2, 3, 4, 6 lub 8

jków eterycznych.

zek o silnych właściwościach

czerwony barwnik pomidorów czy karen –

Ważnym polienem jest równie
zawierający 11 wiązań
czynnik chroniący przeciw niektórym typom raka.

wzór strukturalny

Cechą charakterystyczną
jednego potrójnego wią

Właś

jest również występujący w marchwi

ązań podwójnych. Źródło witaminy A, uwa

ący przeciw niektórym typom raka.

zór strukturalny β-karotenu.

ALKINY

charakterystyczną alkinów jest obecność w ich cz

potrójnego wiązania węgiel – węgiel (1σ + 2π):

Właściwości fizyczne wybranych alkinów

cy w marchwi β-karoten,

witaminy A, uważany za

ść w ich cząsteczkach

:

–C≡C–

.

Alkiny są związkami o stosunkowo dużej reaktywności a ich
właściwości chemiczne są pod wieloma względami podobne do
właściwości alkenów.
Wzór ogólny alkinów: C

n

H

2n-2

.

Najprostszym alkinem jest etyn (acetylen), związek o wzorze:

HC≡CH

Otrzymuje się go przez działanie wodą na węglik wapnia, potocznie
zwany karbidem:

#

2

@

#;

<

lub w wyniku pirolizy metanu:

2

A 75

AB

@

3

Acetylen i jego homologi mają właściwości kwasowe, pod
warunkiem, że wiązanie potrójne znajduje się przy skrajnym atomie
węgla.

Podstawowe reakcje alkinów:

Najbardziej typowe reakcje acetylenu znajdujące zastosowanie
przemysłowe:

Polimeryzacja acetylenu, np.

Reakcja Kuczerowa służy do otrzymywania etanalu (aldehydu
octowego) z acetylenu, w obecności jonów Hg

2+

i kwasu siarkowego:

@

C A 6

A

etyn

etanal

Alkiny ulegają reakcji spalania całkowitego (CO

2

), półspalania (CO) i

spalania niecałkowitego (C – sadza), w zależności od dostępności
tlenu.