CHEMIA

ORGANICZNA

.

Związki organiczne to takie, w skład których wchodzą atomy

węgla oraz

wodoru, fluoru, chloru, bromu, jodu, tlenu, azotu,

siarki, fosforu i wielu innych pierwiastków.

oraz
•hemoglobina - Fe,
•chlorofil - Cu.
Wyjątkami są tutaj:
•tlenek węgla (II) i (IV) oraz
•kwas węglowy i jego sole.

Określony związek organiczny ma charakterystyczną budowę, na którą

składa się położenie i powiązanie atomów.

Atomy węgla, wchodzące w skład związków

organicznych są IV-wartościowe

Atomy węgla łączą się ze sobą z utworzeniem łańcuchów (prostych, i

rozgałęzionych) o dowolnej długości i formie oraz pierścieni.

Czym szczególnym odznaczają się związki węgla, że zasługują na

oddzielne rozpatrywanie od związków innych pierwiastków układu
okresowego?

.

Istnieje ogromna liczba związków węgla, a ich cząsteczki

mogą być duże i o niezmiernie skomplikowanej budowie.
Liczba związków zawierających atomy węgla jest
wielokrotnie większa od liczby związków, które atomów
węgla nie zawierają.

Związki organiczne dzielą się na klasy nie mające na ogół

odpowiedników wśród związków nieorganicznych. Znane
są cząsteczki związków organicznych zbudowane z tysięcy
atomów. Nawet w stosunkowo małych cząsteczkach
rozmieszczenie atomów może być bardzo skomplikowane.

Jednym z głównych problemów chemii organicznej jest

poznanie względnego rozmieszczenia atomów w
cząsteczce, czyli określenie struktury związku.

Atomy węgla mogą łączyć się ze sobą w sposób niemożliwy

dla żadnego z innych pierwiastków. Mogą tworzyć

• łańcuchy składające się z tysięcy atomów, lub
• pierścienie różnej wielkości,
przy czym łąńcuchy i pierścienie dodatkowo mogą się

rozgałęziać lub krzyżować.

.

Pomiędzy atomami węgla występują różne rodzaje wiązań:
• pojedyncze
• podwójne
• potrójne
• aromatyczne, czyli pośrednie pomiędzy podwójnymi, a potrójnymi.
Podstawowym wiązaniem wśród związków organicznych jest wiązanie

kowalencyjne. Tworzy się ono przez uwspólnienie elektronów obu
atomów. W większości jednak elektrony te nie należą w równej mierze do
obu jąder i gęstość chmury elektronowej jest większa przy jednym jądrze
niż przy drugim. Stąd też jeden „koniec” wiązania jest bardziej ujemny, a
drugi – bardziej dodatni (wiązanie jest polarne).

W stanie podstawowym, atom węgla ma konfigurację elektronową:

1s

2

2s

2

2p

2

, którą można przedstawić zapisem klatkowym:

konfiguracja atomu węgla w stanie podstawowym
Gdyby atom węgla mógł posiadać wyłącznie taką konfigurację elektronową,

to zdolny byłby do tworzenia jedynie dwóch wiązań kowalencyjnych z
wykorzystaniem dwóch niesparowanych elektronów z orbitali p.

.

Aby atom węgla mógł utworzyć cztery wiązania kowalencyjne, musi

zmienić się jego konfiguracja elektronowa przez przeniesienie
jednego elektronu z orbitala 2s na orbital 2p.:

konfiguracja elektronowa wzbudzonego atomu węgla
Po takim przeniesieniu elektronu atom węgla posiada 4

niesparowane elektrony, dające możliwość utworzenia 4 wiązań
kowalencyjnych.

W przypadku atomu węgla możliwe są trzy typy hybrydyzacji:
• Nałożenie się na siebie jednego orbitalu typu s i trzech orbitali

typu p -hybrydyzacja sp

3

,

• Nałożenie się na siebie jednego orbitalu s i dwóch orbitali p

-hybrydyzacja sp

2

• Nałożenie się na siebie jednego orbitalu s i jednego orbitalu p

-hybrydyzacja sp

– Jeżeli dwa orbitale nakładają się na siebie wzdłuż osi ich symetrii

powstałe wiązanie nazywamy wiązaniem typu δ

– Jeżeli nałożenie się orbitali odbywa się prostopadle do ich osi,

powstałe wiązanie kowalencyjne nazywany wiązaniem π :

.

Poznając wzory związków nieorganicznych, posługiwaliśmy się

wzorami

sumarycznymi.

Wzór

sumaryczny

określa

wyłącznie rodzaj i liczbę atomów wchodzących w skład
danej cząsteczki, natomiast nic nie mówi o sposobie
powiązania atomów i ich rozmieszczeniu.

W związkach organicznych jest to niezmiernie ważne. O

budowie, czyli o sposobie połączenia oraz rozmieszczenia
atomów w cząsteczce informuje

wzór strukturalny

.

Wzorowi C

2

H

6

O odpowiadają np. dwa związki o zupełnie innych

właściwościach
H H H H
H - C

C - OH

H C

O C H

H H H H
alkohol

etylowy

eter dimetylowy

Często zamiast wzorów strukturalnych stosujemy wzory

półstrukturalne – bardziej przejrzyste, a niosące dużo
informacji.

CH3-CH2-OH

CH3-O-CH3

.

Najbardziej skróconą formą wzorów związków organicznych

są

wzory kreskowe

, w których linie symbolizują

szkielet węglowy związku.

Musimy pamiętać, że na końcach linii łamanej oraz na

wszystkich narożach znajdują się atomy węgla z taką
liczbą atomów wodoru, aby dany atom węgla był
czterowartościowy.

Węglowodory

związki organiczne zawierające atomy tylko dwóch pierwiastków:

wodoru i węgla. Ze względu na budowę dzieli się je na dwie
główne klasy.

ŁAŃCUCHOWE

PIERŚCIENIOWE (CYKLICZNE)

(ALIFATYCZNE)

Nasycone

Alicykliczne

Aromatyczne

Alkany

areny

Nienasycone

cykloalkany cykloalkeny

Alkeny

Alkiny

cykloalkiny

związki

heterocykliczne

Alkany

Alkany

Alkany- węglowodory łańcuchowe nasycone, których cząsteczki

zawierają wiązania pojedyncze pomiędzy atomami węgla.

OGÓLNY WZÓR ALKANÓW

C

n

H

2n+2

Szereg homologiczny alkanów i wzór półstrukturalny:
METAN-

CH

4

ETAN-

C

2

H

6

CH

3

-CH

3

PROPAN- C

3

H

8

CH

3

-CH

2

-CH

3

BUTAN-

C

4

H

10

CH

3

-(CH

2

)

2

-CH

3

PENTAN- C

5

H

12

CH

3

-(CH

2

)

3

-CH

3

HEKSAN- C

6

H

14

CH

3

-(CH

2

)

4

-CH

3

HEPTAN- C

7

H

16

CH

3

-(CH

2

)

5

-CH

3

OKTAN- C

8

H

18

CH

3

-(CH

2

)

6

-CH

3

NONAN- C

9

H

20

CH

3

-(CH

2

)

7

-CH

3

DEKAN- C

10

H

22

CH

3

-(CH

2

)

8

-CH

3

UNDEKAN

C

11

H

24

CH

3

(CH

2

)

9

CH

3

DODEKAN

C

12

H

26

CH

3

(CH

2

)

10

CH

3

.

TRIDEKAN C

13

H

28

CH

3

(CH

2

)

11

CH

3

EJKOZAN C

20

H

42

CH

3

(CH

2

)

18

CH

3

TRIAKONTAN C

30

H

62

CH

3

(CH

2

)

28

CH

3

Oprócz czterech pierwszych węglowodorów, które noszą

nazwy historyczne, nazwy dla pozostałych powstają ze
złożenia liczebnika greckiego (łacińskiego) określającego
liczbę atomów węgla i przyrostka -an.

Kolejny węglowodór różni się od swego poprzednika jednym

atomem węgla i dwoma atomami wodoru, mówimy że
różnią się grupą CH

2

(metylenową). Związki różniące się

tylko wielokrotnością grupy CH

2

tworzą rodzinę zwaną

szeregiem homologicznym.

Związki należące do tego samego szeregu homologicznego

mają bardzo podobne właściwości chemiczne. Wystarczy
poznać właściwości chemiczne kilku przedstawicieli z
danego szeregu homologicznego, aby móc przewidzieć
właściwości chemiczne dla pozostałych związków danego
szeregu.

.

Tak jak w sposób stopniowy zmieniają się właściwości

pierwiastków w układzie okresowym, tak samo
zmieniają

się

właściwości

fizyczne

związków

należących do tego samego szeregu homologicznego,
czyli zmieniają się w sposób stopniowy przy przejściu
do kolejnego związku w szeregu.

Jednakże, o ile właściwości chemiczne zależą od

obecności grup funkcyjnych, a te są identyczne w
każdym członie szeregu, to na właściwości fizyczne
ma również wpływ kształt cząsteczki. Alkany podane
w tabeli mają łańcuch prosty, nierozgałęziony.

Gdy do głównego szkieletu dołączone są dodatkowe,

boczne rozgałęzienia, to taki szkielet nosi nazwę
rozgałęzionego

.

.

Spalanie alkanów

Wszystkie alkany są łatwo palne i z tego względu mają

znaczenie jako surowce energetyczne (metan, propan,
butan, benzyna, oleje napędowe, mazut).

W zależności od warunków mogą one ulegać całkowitemu,

bądź częściowemu spalaniu.

• Całkowite spalanie zachodzi przy dużym dostępie tlenu, np.

2C

2

H

6

+ 7O

2

→ 4CO

2

+ 6H

2

O

A produktami jest tlenek węgla (IV) i para wodna

• Przy ograniczonym dostępie tlenu związki te ulegają

spalaniu do CO i pary wodnej lub węgla i pary wodnej

2C

2

H

6

+ 5O

2

→ 4CO + 6H

2

O (półspalanie)

2C

2

H

6

+ 3O

2

→ 4C + 6H

2

O

(niecałkowite spalanie)

.

Właściwości
• Temperatura wrzenia wzrasta w szeregu homologicznym alkanów

(wznosi się przeciętnie, z wyjątkiem alkanów o bardzo małych
cząsteczkach, o 20-30

o

C)

• Temperatura topnienia wzrasta w szeregu homologicznym

nieregularnie

• Alkany mające w cząsteczce 1-4 atomy węgla są gazami

(temperatura wrzenia poniżej 25

0

C)

• Alkany mające w cząsteczce 5-16 atomów węgla są cieczami

(temperatura wrzenia powyżej 25

0

C)

• Alkany mające w cząsteczce 17 i więcej atomów węgla są

ciałami stałymi.

• Zgodnie z podstawową zasadą „podobne rozpuszcza podobne”

alkany rozpuszczają się w rozpuszczalnikach niepolarnych,
takich jak benzen, eter, chloroform. Nierozpuszczalne są
natomiast w wodzie i innych rozpuszczalnikach polarnych.

• Gęstość alkanów wzrasta ze wzrostem wielkości ich

cząsteczek .

.

Alkany ze względu na to, że posiadają między

atomami węgla wiązania pojedyncze, które są
trudne do rozerwania mają małą reaktywność.

Reaktywność jednak zależy od doboru reagenta. Mimo, że alkany

nie reagują z takimi odczynnikami utleniającymi jak
madmanganian potasu czy dwuchromian potasu, można je
jednak utlenić za pomocą halogenków.

Do rozpoczęcia ataku na cząsteczkę alkanu potrzebna jest

reaktywna cząsteczka bądź rodnik. Reaktywna cząsteczka
podczas ataku odrywa atom wodoru od cząsteczki alkanu i w
ten sposób alkan przekształca się w cząsteczkę reaktywną a
sekwensja reakcji jest kontynuowana, tj łańcuch wydłuża się.

Cząsteczka alkanu zawiera jednak wiele atomów wodoru i

otrzymanie określonego produktu zależy od tego, który z tych
atomów został oderwany. Chociaż atakująca cząsteczka może
wykazać pewną selektywność, to jednak może ona oderwać
atom wodoru od różnych części cząsteczek, co prowadzi do
tworzenia się wielu izomerycznych produktów

.

Reakcje alkanów

1. Halogenowanie

Cl

Np. CH

3

-CH-CH

3

Cl2

CH

3

-CH-CH

2

Cl CH

3

-C-

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

Halogenowanie przedstawimy też na podstawie chlorowania

metanu – typowego przedstawiciela alkanów. Chlorowanie
jest

typowym

przykładem

reakcji

substytucji

(podstawienia)

. Wiele reakcji związków organicznych

należy do tego typu

.

CH

4

+ Cl

2

→ CH

3

Cl + HCl

Metan

chlorometan chlorowodór

(chlorek metylu)

Zaoczni

.

Chlorometan może ulec dalszej reakcji podstawienia z

utworzeniem chlorowodoru i związku o wzorze CH

2

Cl

2

zwanego dichlorometanem lub chlorkiem metylenu.

CH

3

Cl +Cl

2

→ CH

2

Cl

2

+ HCl

dichlorometan

(chlorek metylenu)

W podobny sposób może nastąpić dalsze chlorowanie

prowadzące

do

CHCl

3

–

trichlorometanu

czyli

chloroformu, oraz CCl

4

tetrachlorometanu, czyli

czterochlorku węgla.

chloroform – środek znieczulający,
tetrachlorometan - niepalny środek czyszczący oraz ciecz

wypełniająca niektóre gaśnice przeciwpożarowe.

.

W wysokiej temperaturze lub pod wpływem promieniowania UV

metan reaguje również z bromem tworząc odpowiednie
bromopochodne .

Z jodem reakcja nie zachodzi,
natomiast z fluorem zachodzi bardzo żywiołowo, nie

wymagając nawet światła tak jak to jest przy c

hlorze.

2. Spalanie
Np. C

5

H

12

+ 8O

2

→ 5CO

2

+ 6H

2

O

3. Piroliza (kraking) – rozkład związku wyłącznie pod

wpływem ciepła

Alkan

400-600oC, katalizator

H2 +

alkany o mniejszych cząsteczkach

+ alkeny

.

Otrzymywanie alkanów

1. Uwodornianie alkenów

H2 + Pt, Pd, Ni

C

n

H

2n

C

n

H

2n+2

2. Reakcja halogenków alkilów
a. Hydroliza odczynnika Grignarda

RX + Mg →RMgX → RH

Np. CH

3

CH

2

CHCH

3

Mg

CH

3

CH

2

CHCH

3 H

2

O

CH

3

CH

2

CHCH

3

Br MgBr

H

b. Redukcja metalem w środowisku kwasowym
RX + Zn + H

+

→ RX + Zn

2+

+ X

-

Np.
CH

3

CH

2

CHCH

3

Zn, H+

CH

3

CH

2

CHCH

3

Br H

.

3. Reakcja halogenków alkilów ze związkami

metaloorganicznymi

RH

Li

RLi

CuX

R2CuLi

R-R

R’X

Np.
CH3Cl

Li

CH3Li

CuX

(CH3)2CuLi CH3(CH2)7CH3

CH3(CH2)6CH2

4. Bezpośrednia synteza z pierwiastków
C + 2H2 → CH4 nC + (n+1) H2 → C

n

H

2n+2

5. Otrzymywanie z gazu wodnego ( działanie pary

wodnej na rozżarzony koks)

C + H

2

O → CO + H

2

CO + 3H

2

→ CH

4

+ H

2

O

.

6. Hydroliza węglanu glinu

Al

4

C

3

+12H

2

O → 3CH

4

+ 4Al(OH)

3

7. Ogrzewanie octanu sodu z wodorotlenkiem sodu

Nazewnictwo

Nazwy nierozgałęzionych grup alkilowych powstałych przez

odjęcie jednego atomu wodoru od krańcowego atomu
węgla tworzy się zastępując końcówkę –an w nazwie
węglowodoru końcówką –yl (lub –il). Ogólna nazwa grupy

R– alkil.

Przy tworzeniu nazw alkanów o łańcuchach rozgałęzionych

należy postępować następująco:

1. Wybiera się najdłuższy łańcuch węglowy (łańcuch

główny) i nadaje mu nazwę zależną od liczby atomów
węgla

C H

3

C H

3

C H

2

C H

3

C H

2

C H

2

C H

3

C H

2

C H

2

C H

2

C H

3

( C H

2

)

8

C H

2

metyl

etyl

prop yl

butyl

dec yl

C H

3

C H C H

2

C H

3

C H

3

C H

3

C H

2

C H

2

C H C H

2

C H C H

3

C H

2

C H

3

C H

3

C H

3

C H

2

C H C H

3

C H

2

C H

2

C H

3

łań c u c h g łó w n y : b u t an

łań c u c h g łó w n y : h e ks an

łań c u c h g łó w n y : h e p t an

I
I
I
I
I
I

I
I
I
I
I
I

.

Gdy w cząsteczce można wyróżnić dwa (lub więcej) tak samo

długie łańcuchy, to jako łańcuch główny wybiera się ten,
który

zawiera

największą

liczbę

rozgałęzień

(podstawników).

2. Nazywa się wszystkie podstawniki (łańcuchy boczne)

połączone z łańcuchem głównym

3. Atomy węgla w łańcuchu głównym numeruje się czyli

przypisuje się im tzw. lokanty. Należy wybrać taki
kierunek

numeracji,

aby

położenie

pierwszego

podstawnika (łańcucha bocznego) zostało oznaczone
najmniejszym lokantem.

CH

3

CH

2

CHCH

2

CH

2

CH

3

CH

3

6

1

2

3

4

5

CH

3

CH

2

CH

2

CHCH

2

CHCH

3

CH

2

CH

3

CH

3

3

4

5

2

6

7

1

wybór nieprawidłowy - 3 podstawniki

CH

3

CHCHCHCHCH

2

CH

3

CH

3

CH

3

CH

2

CH

2

CH

3

CH

3

wybór prawidłowy - 4 podstawniki

CH

3

CHCHCHCHCH

2

CH

3

CH

3

CH

3

CH

2

CH

2

CH

3

CH

3

wybór nieprawidłowy - 2 podstawniki

CH

3

CHCHCHCHCH

2

CH

3

CH

3

CH

3

CH

2

CH

2

CH

3

CH

3

.

Jeżeli w łańcuchu głównym są dwa podstawniki w takiej

samej odległości od obu jego krańców, to o kierunku
numeracji atomów węgla decyduje kolejność alfabetyczna
nazw tych podstawników, czyli podstawnik, którego nazwa
zaczyna się na wcześniejszą literę alfabetu uzyskuje niższy
lokant.

4. Nazwy alkanów o łańcuchu rozgałęzionym tworzy się

wymieniając w kolejności alfabetycznej nazwy grup
alkilowych

(łańcuchów

bocznych)

przed

nazwą

najdłuższego łańcucha węglowego. Położenie grup
alkilowych w łańcuchu głównym określa się podając
właściwy lokant przed nazwą danej grupy.

CH

3

CH

2

CHCH

2

CH

2

CHCH

2

CH

3

CH

2

CH

3

CH

3

1

2

3

4

5

6

7

8

CH

3

CH

2

CHCH

2

CH

2

CHCH

2

CH

3

CH

2

CH

3

CH

3

1

2

3

4

5

6

7

8

prawidłowa numeracja:

(etyl uzyskuje niższy lokant niż metyl)

nieprawidłowa numeracja

CH

3

CH

2

CHCHCH

3

CH

2

CH

3

CH

3

CH

3

CH

2

CHCHCH

2

CHCH

3

CH

2

CH

2

CH

3

CH

3

CH

2

CH

3

3-etylo-2-metylopentan

5-etylo-2-metylo4-propyloheptan

.

5. Obecność kilku identycznych niepodstawionych łańcuchów

bocznych zaznacza się podając przed nazwą przedrostek
di-, tri-, tetra-, itp. określający ich krotność, a odpowiednie
lokanty przedziela się przecinkami. Przedrostki te nie są
brane pod uwagę przy ustalaniu kolejności alfabetycznej
nazw podstawników.

6. Zasady tworzenia nazw rozgałęzionych grup alkilowych

(łańcuchów bocznych) i numerowanie atomów węgla w
tych grupach ilustrują przykłady umieszczone w tabeli:

CH

3

CHCHCHCHCH

2

CH

3

CH

3

CH

3

CH

2

CH

2

CH

3

CH

3

CH

3

CCH

2

CH

3

CH

3

CH

3

2,2-dimetylobutan 2,3,5-trimetylo-4-propyloheptan

.

Wzór grupy

Nazwa systematyczna

Nazwa

zwyczajowa

 

1-metyloetyl

izopropyl

 

1-metylopropyl

sec-butyl

 

2-metylopropyl

izobutyl

 

1,1-dimetyloetyl

tert-butyl

 

2,2-dimetylopropyl

neopentyl

CH

3

CH

CH

3

1

2

CH

3

CH

2

CH

CH

3

1

2

3

CH

3

CHCH

2

CH

3

1

2

3

CH

3

C

CH

3

CH

3

1

2

3

CH

3

CCH

2

CH

3

CH

3

1

2

.

Atom węgla, którym grupa alkilowa jest połączona z łańcuchem

głównym jest zawsze oznaczany lokantem 1

Przedrostki di-, tri-, itd. są brane pod uwagę przy ustalaniu

kolejności alfabetycznej nazw rozgałęzionych podstawników

7.Obecność kilku identycznych rozgałęzionych grup alkilowych

w łańcuchu głównym zaznacza się podając przed ich
systematyczną nazwą przedrostki bis-, tris-, tetrakis-, itd.
(zamiast przedrostków di-, tri-, tetra-, itd.). Jeśli jednak
podaje się nazwy zwyczajowe rozgałęzionych grup alkilowych
to przed ich nazwą umieszcza się przedrostki di-, tri-, tetra-,
itd.

CH

3

CHCHCHCHCH

2

CH

2

CH

2

CH

3

CH

3

CH

3

CHCH

2

CH

3

CH

2

CH

3

CH

3

CH

3

CH

2

CH

2

CHCHCH

2

CHCH

3

CH

3

C

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

4-(1-etylopropylo)-2,3,5-trimetylononan

5-(1,1-dimetyloetylo)-2,4-dimetylooktan

.

• .

2

CH

3

CH

2

CH

2

CHCHCH

2

CH

2

CH

3

CHCH

3

CH

3

CHCH

3

CH

3

6

1

5

1

2

3

4

7

8

1

2

4,5-bis(1-metyloetylo)oktan ale 4,5-diizopropylooktan