Wyk

Wyk

ł

ł

ad 7

ad 7

Podstawy chemii organicznej

Hybrydyzacja sp

3,

sp

2

, sp

Budowa metanu, etanu, etenu i etynu

Nomenklatura alkanów

Konformacja alkanów

W

ę

giel

Atom w

ę

gla posiada cztery elektrony walencyjne, dwa na

orbitalu 2s i po jednym na orbitalach 2p

x

i 2p

y

, orbital 2p

z

jest pusty. Taka konfiguracja elektronowa wskazuje,

ż

e do

tworzenia wi

ą

za

ń

dost

ę

pne s

ą

tylko 2 elektrony.

Podstawy chemii organicznej

W

ę

giel

Jeden z elektronów z orbitalu 2s podczas tworzenia

wi

ą

zania jest przenoszony na pusty orbital 2p

z

(promocja

elektronu – wzbudzenie go na wy

ż

szy poziom

energetyczny), co powoduje,

ż

e w

ę

giel zyskuje cztery

niesparowane elektrony i mo

ż

e utworzy

ć

cztery wi

ą

zania.

Podstawy chemii organicznej

Konfiguracja elektronowa w

stanie podstawowym

Konfiguracja elektronowa w

stanie wzbudzonym

W

ę

giel - hybrydyzacja orbitali

W stanie wzbudzonym orbital 2s i trzy orbitale 2p (2p

x

, 2p

y

, 2p

z

)

nakładaj

ą

si

ę

na siebie (hybrydyzuj

ą

). W efekcie powstaj

ą

cztery równocenne energetycznie orbitale zhybrydyzowane

sp

3

. Proces ten ma miejsce tylko podczas tworzenia wi

ą

za

ń

i

jest nazywany hybrydyzacj

ą

orbitali.

Podstawy chemii organicznej

http://zasoby1.open.agh.edu.pl/dydaktyka/chemia/a_e_chemia/1_3_budowa_materii/01_04_03_2b.html

W

ę

giel - hybrydyzacja orbitali

Hybrydyzacja

→

nakładanie si

ę

(mieszanie) orbitali

atomowych podczas tworzenia si

ę

wi

ą

za

ń

, w wyniku czego

powstaj

ą

orbitale zhybrydyzowane (ró

ż

ni

ą

ce si

ę

kształtem i

energi

ą

od wyj

ś

ciowych orbitali atomowych).

Podstawy chemii organicznej

2p

z

2p

y

2p

x

2s

1s

↑

↑

↑↓

↑↓

C

sp

3

sp

3

sp

3

sp

3

1s

↑

↑

↑

↑

↑↓

C*

2p

z

2p

y

2p

x

2s

1s

↑

↑

↑

↑

↑↓

C*

http://iws.collin.edu/biopage/faculty/mcculloch/1406/outlines/chapter%204/Ma2-6.JPG

Metan – wi

ą

zania

σ

W cz

ą

steczce CH

4

, ka

ż

dy z czterech orbitali

shybrydyzowanych sp

3

nakłada si

ę

z orbitalem 1s

wodoru, w wyniku czego powstaj

ą

cztery identyczne

wi

ą

zania

σ

(o tej samej sile i długo

ś

ci).

Podstawy chemii organicznej

http://www.chemtube3d.com/orbitalshybrid.html

Metan

Metan – najprostszy zwi

ą

zek organiczny, cz

ą

steczka ma

kształt tetraedru (czworo

ś

cianu foremnego), z czterema

równocennymi wi

ą

zaniami C-H (k

ą

ty pomi

ę

dzy

wi

ą

zaniami wynosz

ą

109°28 ').

Podstawy chemii organicznej

http://www.earthtimes.org/pollution/scientists-
doubt-microbes-consumed-deepwater-horizon-
methane-plume/928/

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Methane-2D-dimensions.svg

Wi

ą

zania w

ę

giel-wodór

Wszystkie wi

ą

zania w

ę

giel-wodór s

ą

wi

ą

zaniami

σ

, w

alkanach powstaj

ą

poprzez nakładanie si

ę

orbitali sp

3

w

ę

gla i orbitali s wodoru. Wi

ą

zania C-H s

ą

silne i trwałe.

Podstawy chemii organicznej

σ

s–hybrid

http://en.wikipedia.org/wiki/Sigma_bond

Struktura etanu

Wi

ą

zania tworzone przez atomy w

ę

gla w cz

ą

steczce etanu

(C

2

H

6

), jak równie

ż

w innych alkanach ka

ż

dy z atomów

mo

ż

e utworzy

ć

cztery wi

ą

zania skierowane ku naro

ż

om

tetraedru.

Podstawy chemii organicznej

http://en.wikipedia.org/wiki/Ethane

Struktura etanu

Wi

ą

zanie w

ę

giel-w

ę

giel w etanie to wi

ą

zanie

σ

stworzone

przez dwa nakładaj

ą

ce si

ę

orbitale sp

3

. Tak

ż

e wi

ą

zania

w

ę

giel-wodór to wi

ą

zania

σ

(orbital sp

3

w

ę

gla i orbital s

wodoru).

Podstawy chemii organicznej

http://www.chemguide.co.uk/basicorg/bonding/methane.html

Struktura etanu

Wi

ą

zanie

σ

(powstałe dzi

ę

ki współosiowemu nakładaniu

si

ę

orbitali atomowych ) ł

ą

cz

ą

ce dwa atomy umo

ż

liwia

swobodny obrót.

Podstawy chemii organicznej

http://chemwiki.ucdavis.edu/Organic_Chemistry/Organic_Chemistry_With_a_Biological_Emphasis/Chapter__1%3A_

Budowa etenu

Dwa atomy w

ę

gla mog

ą

dzieli

ć

dwie pary elektronów

→

podwójne wi

ą

zanie w

ę

giel-w

ę

giel.

Alkeny – w

ę

glowodory, których cz

ą

steczki zawieraj

ą

wi

ą

zanie podwójne w

ę

giel – w

ę

giel.

Eten (inaczej etylen) – najprostszy alken.

Podstawy chemii organicznej

https://sites.google.com/site/ed350201003/Task

Budowa etenu

sp

2

orbitals – orbital 1s miesza si

ę

(hybrydyzuje) z dwoma

orbitalami 2p co prowadzi do powstania trzech orbitali sp

2

.

Jeden orbital 2p nie podlega hybrydyzacji.

Podstawy chemii organicznej

http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/carey5e/Ch02/ch2-3-2.html

Budowa etenu

Trzy orbitale sp

2

orbitals s

ą

skierowane do wierzchołków

trójk

ą

ta równobocznego (k

ą

t pomi

ę

dzy nimi wynosi 120°).

Podstawy chemii organicznej

http://personal.monm.edu/gebauer_peter/chem_230/Lect_pages/Bruice_jpgs&pgs/sp2_hybrids.html

Budowa etenu

Podstawy chemii organicznej

Budowa etenu

• 4 wi

ą

zania C-H powstaj

ą

poprzez oddziaływanie orbitali

sp

2

w

ę

gla z orbitalem 1s wodoru (

czerwone strzałki

)

• jedno wi

ą

zanie C-C powstaje przez oddziaływanie

orbitali sp

2

obu atomów w

ę

gla (

zielona strzałka

)

• Jedno wi

ą

zanie C-C powstaje przez oddziaływanie

orbitali p obu atomów w

ę

gla p (czarne strzałki)

Podstawy chemii organicznej

http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/carey5e/Ch02/ch2-3-2.html

Budowa etenu

Podstawy chemii organicznej

Orbitale tworz

ą

ce wi

ą

zanie

π

http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/340/348272/wade_ch06.html

Budowa etenu

Istnieje du

ż

a bariera energetyczna zwi

ą

zana z rotacj

ą

(obrotem) podstawników po obu stronach wi

ą

zania

podwójnego. Eten jest płask

ą

cz

ą

steczk

ą

.

Podstawy chemii organicznej

http://chemwiki.ucdavis.edu/Organic_Chemistry/Organic_Chemistry_With_a_Biological_Emphasis/Chapter__1%3A_Chapter_1%3A_

Introduction_to_organic_structure_and_bonding_I/Section_1.5%3A_Valence_bond_theory%3A_sp,_sp2,_and_sp3_hybrid_orbitals

htt

p:/

/w

ps

.p

re

nh

all.

co

m/w

ps

/m

ed

ia

/o

bje

cts

/3

40

/3

48

27

2/w

ad

e_

ch

02

.h

tm

l

Budowa etenu

Wi

ą

zanie

π

nie podlega rotacji, poniewa

ż

powstaje poprzez

boczne nakładanie orbitali p. Obrót o 90°spowodował by

przesuni

ę

cie orbitali p dwóch s

ą

siaduj

ą

cych atomów w

ę

gla

do poło

ż

e

ń

, w których nie mog

ą

one ju

ż

si

ę

wzajemnie

nakłada

ć

.

Podstawy chemii organicznej

http://chemwiki.ucdavis.edu/Organic_Chemistry/Organic_Chemistry_With_a_Biological_Emphasis/Chapter__1%3A_Chapter_1%3A_

Introduction_to_organic_structure_and_bonding_I/Section_1.5%3A_Valence_bond_theory%3A_sp,_sp2,_and_sp3_hybrid_orbitals

Budowa etenu

Obecno

ść

wi

ą

zania

π

w cz

ą

steczce powoduje,

ż

e sze

ść

atomów (dwa w

ę

gle wi

ą

zania i bezpo

ś

rednio zwi

ą

zane z

nimi atomy) znajduje si

ę

w tej samej płaszczy

ź

nie.

Podstawy chemii organicznej

http://chemwiki.ucdavis.edu/Organic_Chemistry/Organic_Chemistry_With_a_Biological_Emphasis/Chapter__1%3A_Chapter_1%3A_

Introduction_to_organic_structure_and_bonding_I/Section_1.5%3A_Valence_bond_theory%3A_sp,_sp2,_and_sp3_hybrid_orbitals

Izomeria cis-trans

• cis, łac. po tej samej stronie

• trans, łac. po drugiej stronie

Podstawy chemii organicznej

http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/209cistrans.html

Izomeria cis-trans

Izomeria cis-trans mo

ż

e wyst

ą

pi

ć

tylko wówczas, gdy dwie

grupy poł

ą

czone z atomem w

ę

gla zarówno na jednym i

drugim ko

ń

cu podwójnego wi

ą

zania ró

ż

ni

ą

si

ę

od siebie.

Podstawy chemii organicznej

http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/340/348272/wade_ch07.html

Budowa etynu (acetylenu)

Dwa atomy w

ę

gla mog

ą

dzieli

ć

trzy pary elektronów

→

potrójne wi

ą

zanie w

ę

giel-w

ę

giel.

Alkiny – w

ę

glowodory, których cz

ą

steczki zawieraj

ą

wi

ą

zanie potrójne w

ę

giel – w

ę

giel.

Etyn (inaczej acetylen) – najprostszy alkin.

Podstawy chemii organicznej

http://chemwiki.ucdavis.edu/Organic_Chemistry/Organic_Chemistry_With_a_Biological_Emphasis/Chapter__1%3A_Chapter_1%3A_

Introduction_to_organic_structure_and_bonding_I/Section_1.5%3A_Valence_bond_theory%3A_sp,_sp2,_and_sp3_hybrid_orbitals

Budowa etynu (acetylenu)

orbitale sp – orbital 2s jest zmieszany (zhybrydyzowany) z

jednym orbitalem 2p co daje w sumie dwa orbitale sp.

Dwa orbitale 2p nie podlegaj

ą

hybrydyzacji.

Podstawy chemii organicznej

http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/carey5e/Ch02/ch2-3-2.html

Budowa etynu (acetylenu)

Orbitale sp zachowuj

ą

wzgl

ę

dem siebie k

ą

t 180°

Podstawy chemii organicznej

http://personal.monm.edu/gebauer_peter/chem_230/Lect_pages/Bruice_jpgs&pgs/sp_hybrids.htm

Budowa etynu (acetylenu)

• Obydwa atomy w

ę

gla s

ą

w stanie hybrydyzacji sp

• Dwa wi

ą

zania C-H powstaj

ą

poprzez nało

ż

enie orbitalu

sp w

ę

gla z orbitalem 1s wodoru (

czerwone strzałki

)

• wi

ą

zanie

σ

C-C powstaje poprzez nało

ż

enie orbitali sp

pochodz

ą

cych od obu atomów w

ę

gla (

zielone strzałki

)

• Dwa wi

ą

zania

π

C-C powstaj

ą

poprzez oddziaływanie

dwóch par orbitali p od obu atomów w

ę

gla (czarne

strzałki)

Podstawy chemii organicznej

http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/carey5e/Ch02/ch2-3-2.html

Budowa etynu (acetylenu)

Potrójne wi

ą

zanie w

ę

giel-w

ę

giel składa si

ę

z jednego

wi

ą

zania

σ

i dwóch wi

ą

za

ń π

.

Podstawy chemii organicznej

http://chemwiki.ucdavis.edu/Organic_Chemistry/Organic_Chemistry_With_a_Biological_Emphasis/Chapter__1%3A_Chapter_1%3A_

Introduction_to_organic_structure_and_bonding_I/Section_1.5%3A_Valence_bond_theory%3A_sp,_sp2,_and_sp3_hybrid_orbitals

http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/340/348272/wade_ch09.html

Budowa etynu (acetylenu)

Wi

ą

zanie potrójne przypomina rodzaj walca o symetrii

osiowej. Swobodny obrót wokół osi ł

ą

cz

ą

cej atomy C

≡≡≡≡

C jest

mo

ż

liwy.

Podstawy chemii organicznej

http://personal.monm.edu/gebauer_peter/CHEM_230/Lect_pages/Bruice_jpgs&pgs/ethyne_hybrids.htm

Budowa etynu (acetylenu)

Alkiny, zawieraj

ą

ce wi

ą

zanie potrójne, w miejscu

wyst

ę

powania tych wi

ą

za

ń

s

ą

liniowe.

Podstawy chemii organicznej

http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/209alkynes.html

Długo

ść

wi

ą

za

ń

w etanie, etenie i etynie

Im wi

ę

kszy udział orbitali s w nakładaj

ą

cych si

ę

orbitalach

w

ę

gla tym krótsze wi

ą

zanie.

http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/340/348272/wade_ch09.html

Podstawy chemii organicznej

Podstawy chemii organicznej

cztery orbitale
typu sp

3

109°28’

Cztery
orbitale
skierowane
ku
wierzchołkom
czworo

ś

cianu

foremnego

jeden orbital s
trzy orbitale p

sp

3

trzy orbitale
typu sp

2

120°

Orbitale
skierowane
ku
wierzchołkom
trójk

ą

ta

foremnego

jeden orbital s

dwa orbitale p

sp

2

dwa orbitale
typu sp

180°

liniowy

jeden orbital s

jeden orbital p

sp

Ilo

ść

zhybrydyzowa-
nych orbitali

K

ą

ty

mi

ę

dzy

wi

ą

zaniami

Układ
przestrzenny

Ilo

ść

orbitali

tworz

ą

cych

hybryd

ę

Typ
hybrydyzacji

Hybrydyzacja orbitali w

ę

gla - podsumowanie

Podstawy chemii organicznej

http://zasoby1.open.agh.edu.pl/dydaktyka/chemia/a_e_chemia/1_3_budowa_materii/01_04_03_2b.html

Alkany - nomenklatura

•

ogólny wzór alkanów C

n

H

2n+2

•

wszystkie izomery strukturalne s

ą

znane do nonanu C

9

H

20

,

•

dekan C

10

H

22

– 75 izomerów,

•

eikozan C

20

H

22

– 366 319 mo

ż

liwych izomerów

Podstawy chemii organicznej

http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/340/348272/wade_ch03.html

Grupy alkilowe

Grupy alkilowe tworzymy z odpowiednich alkanów przez

odj

ę

cie jednego wodoru. Grupy alkilowe nie s

ą

zwi

ą

zkami

trwałymi, stanowi

ą

cz

ęść

wi

ę

kszej cz

ą

steczki. Nazwa alkilu

powstaje w wyniku zast

ą

pienia zako

ń

czenia -an w nazwie

alkanu ko

ń

cówk

ą

-yl.

Podstawy chemii organicznej

http://www.chemorganiczna.com/organiczna/kurs/9-alkany.html?start=1

Rz

ę

dowo

ść

atomu w

ę

gla

•

liczba atomów w

ę

gla bezpo

ś

rednio poł

ą

czonych z rozpatrywanym

atomem w

ę

gla w cz

ą

steczce zwi

ą

zku organicznego.

•

reaktywno

ść

wi

ą

za

ń

, jakie tworzy w

ę

giel z atomami innych

pierwiastków w znacznym stopniu zale

ż

y od rz

ę

dowo

ś

ci atomu

w

ę

gla.

Podstawy chemii organicznej

http://pl.wikibooks.org/wiki/Chemia_organiczna/Alkany/Grupy_alkilowe._Rz%C4%99dowo%C5%9B%C4%87_atom%C3%B3w_w%C4%99gla

Konformacja alkanów

Konformacje - ró

ż

ne układy atomów w obr

ę

bie cz

ą

steczek,

powstaj

ą

ce w wyniku obrotów dokoła osi wi

ą

za

ń

.

Podstawy chemii organicznej

Konformacja

naprzemianległa

projekcja
Newmana

projekcja

konikowa

(koziołkowa)

Konformacja

naprzeciwległa

Konformacja alkanów

nad powierzchni

ą

kartki

http://www.chemmix.edu.pl/artnet/index.php?s1=02&s2=004&s3=006

pod powierzchni

ą

kartki

Podstawy chemii organicznej

Konformacja alkanów

Poszczególne konformacje ró

ż

ni

ą

si

ę

energi

ą

, ró

ż

nica energii konformeru

naprzeciw- i naprzemianległego wynosi ok. 12 kJ/mol i stanowi barier

ę

swobodnej rotacji w cz

ą

steczce etanu. Energia ta nazywana jest

napr

ęż

eniem torsyjnym. Im napr

ęż

enie torsyjne jest wi

ę

ksze, tym

prawdopodobie

ń

stwo odchylenia od struktury najni

ż

ej energetycznej

jest mniejsze.

Podstawy chemii organicznej

http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/340/348272/wade_ch03.html

Konformacja alkanów

Konformery n-butanu maj

ą

swoje nazwy w zale

ż

no

ś

ci od k

ą

ta, jaki

zawarty jest pomi

ę

dzy grupami metylowymi. 180°to konformacja

antyperiplanarna, 60°synklinarna, 0°synperiplanarna .

http://www.chemmix.edu.pl/artnet/index.php?s1=02&s2=004&s3=006

Podstawy chemii organicznej

Konformacja alkanów

http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/340/348272/wade_ch03.html

Podstawy chemii organicznej

synperiplanarna

~0.01%

synklinalna

~30%

antyklinalna

~0.6%

antyperiplanarna

~69%

Konformacja alkanów

Stereoizomery - zwi

ą

zki o

tym samym wzorze i tych

samych wi

ą

zaniach

chemicznych, ró

ż

ni

ą

ce si

ę

budow

ą

przestrzenn

ą

.

Konformery

(stereoizomery

konformacyjne) -

przekształcaj

ą

si

ę

w siebie

na skutek obrotu jednej

cz

ęś

ci cz

ą

steczki wzgl

ę

dem

drugiej.

Podstawy chemii organicznej

http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/sterisom.htm

Konformacja alkanów

http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/340/348272/wade_ch03.html

Podstawy chemii organicznej

antyperiplanarna

~69%

synperiplanarna

~0.01%

synperiplanarna

~0.01%

Konformacja alkanów

Konformacje naprzeciwległe (120°i 0°) s

ą

mniej trwałe od

naprzemianległych (180°i 60°). Oprócz napr

ęż

enia

torsyjnego wyst

ę

puje te

ż

inne - napr

ęż

enie steryczne.

Powstaje ono, kiedy grupy funkcyjne fizycznie sobie

przeszkadzaj

ą

zachodz

ą

c na siebie.

http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/340/348272/wade_ch03.html

Podstawy chemii organicznej

Dzi

ę

kuj

ę

za uwag

ę