Wykład 1

Biotechnologii

Chemia organiczna

Dla studentów

Alina Sionkowska

Wiązania i struktura

Izomery konstytucyjne

różne połączenia atomów

C

4

H

10

C

3

H

8

O

CH

3

CH

2

CH

2

CH

3

CH

3

CHCH

3

CH

3

CH

3

CH(CH

3

)CH

3

H C C C C H

H

H

H

H

H

H

H

H

H C C C H

H

H

H

H

H

C H

H

H

C C C O

C C C

O

C C O C

CH

3

CH

2

CH

2

OH

CH

3

CH(OH)CH

3

CH

3

CH

2

OCH

3

OH

OH

O

C

4

H

9

Cl

C

3

H

6

O

Cl

Cl

Cl

Cl

O

O

H

O

O

O

Izomery konstytucyjne

różne połączenia atomów

Struktury rezonansowe

-taka sama pozycja atomów, ale różne rozmieszczenie
electronów

HCO

2

-

H C

O

O

H C

O

O

= H C

O

O

½ -

½ -

1.5 bond order

• żadna ze struktur nie okresla
dokładnie budowy jonu

delokalizacja

electronów

większa liczba równoważnych struktur rezonansowych

⇒

wieksza stabilnosc

= rezonans . Hybryda rezonansowa: dwie lub więcej struktur.

Hybrydyzacja. sp

3

CH

4

:

tetraedryczny,
4 równoważne wiązania

C

H

H

H

H

C

2s

2p

promote

electron

2p

2s

hybridize

sp

3

hybrid

a.o.s

sp

3

hybrid a.o.s:

C(sp

3

)

tetrahedral

σ

(sp

3

C

+ 1s

H

)

4H

C

H

H

H

H

Alkany

Alkany

Wzór ogólny: C

n

H

2n + 2

CH

4

metan

( gaz, gaz ziemny)

CH

3

–CH

3

(C

2

H

6

)

etan

CH

3

–CH

2

–CH

3

(C

3

H

8

)

propan

CH

3

CH

2

CH

2

CH

3

(C

4

H

10

) butan

75-85% CH

4

5-10% C

2

H

6

1-5% C

3

H

8

:

CH

4

metan

n-C

11

H

24

undekan

CH

3

CH

3

etan

n-C

12

H

26

dodekan

CH

3

CH

2

CH

3

propan

n-C

13

H

28

tridean

CH

3

(CH

2

)

2

CH

3

butan

n-C

14

H

30

tetradekan

CH

3

(CH

2

)

3

CH

3

pentan

¦

CH

3

(CH

2

)

4

CH

3

hexan

n-C

20

H

42

ejkozan

n-C

7

H

16

heptan

n-C

30

H

62

triakontan

n-C

8

H

18

octan

n-C

9

H

20

nonan

¦

n-C

10

H

22

decan

etc.

Nazewnictwo

Tw.

CH

4

-160ºC

C

2

H

6

-89

C

3

H

8

-42

n-C

4

H

10

-0.4

n-C

5

H

10

36

Izomeria alkanów: izomeria łańcuchowa

n-butan

“łańcuch prosty”

Łańcuch rozgałęziony

izobutan

CH

3

CH

2

CH

2

CH

3

CH

3

CH CH

3

CH

3

H

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

Izomery

konstytucyjne

C

4

H

10

Alkany-izomeria

C

5

H

12

n-pentan

izopentan

neopentan

CH

3

CH

2

CH CH

3

CH

3

CH

3

C

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

CH

2

CH

2

CH

2

CH

3

C

6

H

14

5 isomerów

C

10

H

22

75 isomerów

C

20

H

42

366319 isomerów

Wymagany odpowiedni system nazewnictwa

Typy atomów węgla:

CH

3

CH

CH

3

CH

2

CH

3

methyl carbons

methylene carbon

methine carbon

Pierwszorzędowe atomy wodoru CH

3

grupy metylowe

Drugorzędowe atomy H grupy metylenowe CH

2

Trzeciorzędowe atomy H
Grupy metinowe CH

IUPAC Nomenklatura

Podstawniki: grupy alkilowe

CH

3

CH

3

CH

2

CH

2

CH

3

CH

2

CH

2

CH

2

CH

3

CH CH

2

CH

3

CH

3

CH

2

CH

3

CH CH

3

CH

3

CH

2

CHCH

3

CH

3

C CH

3

CH

3

metyl

etyl group

propyl

isopropyl

butyl

sec-butyl

isobutyl

tert-butyl

Metan CH

4

Etan CH

3

–CH

3

IUPAC Nomenklatura

Zasady nazewnictwa

1. Znaleźć najdłuzszy łańcuch

2. Najdłuzszy łańcuch ale o najmniejszej liczbie podstawników

3. Dwie lub więcej identycznych group są zaznaczane jako di, tri, tetra,
etc.

CH

3

CH

2

CH

2

CH

2

CH

CH

2

CH

3

CH

3

Najdłuzszy 7

(nie 6).

Czyli: 3-metyloheptan.

.

2,3,6

-

trimetyloheptan

4. Różne grupy są wymieniane w kolejności alfabetycznej

5. Jeśli numeracja jest taka sama w obu kierunkach, wybrać numerację
zgodnie z porządkiem alfabetycznym.

IUPAC Nomenklatura

6-etylo-5-izopropylo-2,2-dimetyloktan

5-etylo-6-metylodekan

8 7 6 5 4 3 2 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Właściwości chemiczne alkanów

Spalanie

C

8

H

18

+

→

Ciepło spalania(entalpia):

∆

H

Bardziej rozgałęzione izomery mają niższe

∆

H, są bardziej stabilne.

1307.5 kcal

1306.3 kcal

1304.6 kcal

1303.0 kcal

~

~

~

~
~

~

~

~

CO

2

+ H

2

O

Chemicznie bierne, trudno
wchodzą w reakcje chemiczne

Reakcje Alkanów

• spalanie

CH

3

CH

2

CH

2

CH

3

+

O

2

CO

2

+

H

2

O

heat

8

10

13

2

CH

4

+ Cl

2

CH

3

Cl + CH

2

Cl

2

CHCl

3

CCl

4

+

+

heat or light

• Kraking (przemysłowe)

• Chlorowcowanie

Cl Cl + photon (h

νννν

)

Cl + Cl

Długi łańcuch weglowodorowy katalizator krótkie łańcuchy

foton

Ciepło lub światło

Chlorometan

dichlorometan

trichlorometan

C

H

H

H

H

Cl

+

C

H

H

H

+

H Cl

Propagacja

C

H

H

H

+

Cl

Cl

C

H

H

H

Cl

+

Cl

C

H

H

H

Cl

+

C

H

H

H

Cl

zakończenie

Wykorzystanie alkanów

• C

1

-C

2

: gazy

• C

3

-C

4

: skroplone gazy

• C

5

-C

8

: benzyna lekka

• C

9

-C

16

: paliwa

• C

17

-i więcej: oleje

Konformacja etanu

H

H

H

H

H

H

Projekcje
Newmana

model

Projekcja
„konikowa”

Konformacja alkanów

Etan

C C

H

H

H

H

H

H

C C

H

H

H

H

H

H

rotacja 60º

Konformacja

naprzeciwległa

Projekcje Newmana

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

Stereoizomery:
Takie same
połączenia, inna
orientacja
przestrzenna.

Konformacja

naprzemianległa

Konformacja etanu

• Konformacja naprzemianległa

• Konformacja naprzeciwległa

=>

Analiza konformacyjna

• Naprężenia torsyjne: odpornośc na rotacje.
• Dla etanu, tylko 3.0 kcal/mol

Cykloalkany

• Atomy węgla połączone w pierścieniowe struktury

(grupy CH

2

)

• Wzór: C

n

H

2n

• Niepolarne, nierozpuszczalne w wodzie
• Zwarta struktura
• Temperatury wrzenia i topnienia podobne do

rozgałęzionych alkanów o podobnej liczbie
atomów węgla w cząsteczce

Nazewnictwo

Cyklo

butan

cyklo

pentan

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

Ciepło spalania Alkan + O

2

→

CO

2

+ H

2

O

Łańcuchowy

157.4

157.4

166.6 164.0

158.7

158.6

158.3

Konformacja cykloalkanów

Stabilność

∆

H

spalania

na CH

2

Naprężenie pierścienia

166.6 kcal

31.5 kcal

162.7

26.4

157.3

7.0

156.1

0

157.0

6.3

157.3

9.6

156.2

1.2

> C

12

mała

normalna

średnia

większe

Naprężenia kątowe

Minimalne naprężenia

Naprężenia steryczne

H

H

H

H

H H

Naprężenia kątowe

(i.e., 109.5º sp

3

w trójkącie 60º )

oraz ,

H

H

H

H

H

H

H’s naprzeciwległe
Naprężenia
torsyjne

Cyklopropan

Cyklobutan

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

planarne, 90º

“puckered”, 88º

planar, 108º

“koperta”

Cyklopentan

Cykloheksan

1. Konformacja łodziowa i krzesełkowa

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

Konformacja łodziowa

Konformacja krzesełkowa

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

Konformacja krzesełkowa

Energia konformacyjna

Związki wielopierścieniowe

OH

dekalina

borneol

adamantan

prisman

bicykliczne

tricykliczne

tetracykliczne

Bicykloalkany:

C

C

C

z

C

y

C

x

HYBRYDYZACJA sp

2

C

2

H

4

:

Wszystkie 6 atomów
leżą w tej amej
płaszczyźnie

C C

H

H

H

H

trigonal planar = sp

2

2p

sp

2

C

C

sp

2

2p

H

1s

1s

H

H

1s

1s

H

C C

H

H

H

H

2p

σ

(sp

2

C

+ 1s

H

)

σ

(sp

2

C

+ sp

2

C

)

overlap

p orbitals

C C

H

H

H

H

π

bond

all atoms coplanar

for p orbital overlap

=

C

C

H

H

H

H

double bond =
1

π

bond +

1

σ

bond

Alkany: C

n

H

2n+2

nasycone węglowodory

Alkeny: C

n

H

2n

nienasycone węglowodory

H

C

H

C

H

H

CH

3

CH CH

2

CH

3

C

CH

3

CH

2

OH

O

H

H

eten

(etylen)

propen

(propylen)

2-metylopropen

(isobutylen)

α

-pinen

(turpentine)

Kwas oleinowy (nienasycony kwas tłuszczowy)

Nomenklatura końcówka -EN

ALKENY

Nomenklatura

• alkeny: łańcuch główny zawiera C=C

C=C powinno mieć najniższy numer
położenie C=C wskazane przez niższą z dwóch liczb

CH

3

CH

2

CH CH

2

Br

1-buten

4-metylo-1-buten

3-bromocyklohexen

:

CH

2

n-C

11

H

22

undeken

CH

2

CH

2

eten

n-C

12

H

24

dodeken

CH

3

CHCH

2

propen

n-C

13

H

26

tridecen

C

4

H

8

buten

n-C

14

H

28

tetradeken

C

5

H

10

penten

¦

CH

3

(CH

2

)

4

CH

3

hexen

n-C

20

H

42

icosen

n-C

7

H

14

hepten

n-C

30

H

60

triaconten

n-C

8

H

16

okten

n-C

40

H

80

tetraconten

n-C

9

H

18

nonen

¦

n-C

10

H

20

deken

etc.

X

Izomeria położeniowa

Nomenklatura końcówka -EN

I. Nomenklatura

• polieny: alkadieny, alkatrieny, etc.

1,3-butadien

CH

2

=CH-CH=CH

2

5,5-dimetylo-1,3-cyklopentadien

1 2 3 4

1
2

Związek dwupierścieniowy

Nomenklatura

• jako grupy boczne

H

2

C CH

H

2

C CH CH

2

H

2

C

C

H

3

C

CH

2

etenyl (vinyl)

2-propenyl (allyl)

1-metyletenyl (isopropenyl)

metylen

Chlorek winylu

Alkohol allilowy

bromek izopropenylu

Cl

OH

Br

Przykłady

Uwodornianie

C C

+ Y Z

C C

Y Z

Reakcje addycji
Przyłączania

C C

+

C C

H H

H

2

Pt, Pd,

or Ni

catalyst

Alkeny są bardzo reaktywne

CH

3

CH CH

2

CH

3

CH

Br

CH

3

CH

3

CH

2

CH

2

Br

but not

HBr

Reguła Markownikowa

Wykrywanie wiązań nienasyconych:

2MnO

4

-

+ 3 C = C + 4H

2

O 2MnO

2

+ 3H

_

C –C -H + 2OH

-

OH OH

Odbarwianie KMnO

4

i wody bromowej

C = C + Br

2

C – C

Br Br

H

H

H

H

H

H

+3 el

-2el

Izomeria geometryczna: cis and trans

C C

H

H

H

H

2p

σ

(sp

2

C

+ 1s

H

)

σ

(sp

2

C

+ sp

2

C

)

overlap

p orbitals

C C

H

H

H

H

π

bond

no free rotation

H

C

H

C

H

H

trigonal planar

sp

2

CH

3

C

H

C

CH

3

H

CH

3

C

H

C

H

CH

3

Izomery geometryczne

cis-2-butene

trans-2-buten

Otrzymywanie alkenów: reakcje eliminacji

Dehydratacja alkoholi

C

X

C

Y

C C + X Y

C

H

C

OH

C C + H

2

O

H

+

OH

H

2

SO

4

∆

OH H

3

PO

4

∆

Polimery

=>

Hybrydyzacja sp

C

2

H

2

:

liniowy = sp

H C C H

2p

sp

C

C

sp

2p

H

1s

1s

H

C C

H

H

2p

σ

(sp

C

+ 1s

H

)

σ

(sp

C

+ sp

C

)

C C

H

H

2

π

bonds

=

C

C

H

H

triple bond =
2

π

bonds +

1

σ

bond

Alkiny

Etyn -acetylen

Nomenklatura

końcówka –IN, -YN

H C C H

H C

C H

σ

(sp

C

+ sp

C

)

σ

(sp

C

+ 1s

H

)

overlap
p orbs

1

σ

bond

2

π

bonds

linear,

sp

Wzór ogólny C

n

H

2n-2

Etyn
Propyn
Butyn
Itd..

Izomeria położeniowa wiązania potrójnego

CH

3

–CH

2

– C = CH 1-propyn

R C C R'

R CH

2

CH

2

R'

H

2

Pt, Pd or Ni

Reakcje alkinów

uwodornianie

R C C H

R

C C

H

X

H

HX

HX

R C

X

X

CH

3

Markovnikov

geminal dihalide

antiMarkovnikov

HBr

peroxide

R

C C

H

H

Br

HBr

peroxide

R CH

2

CH

Br

Br

Przyłączanie chlorowcokwasów

Przyłączanie wody bromowej

H - C = C – H + Br

2

→

H – C = C – H

Br Br

Etyn 1,2- dibromoeten

Br

2

H – C – C – H

1,1,2,2-tetrabromoetan

Br

Br

Br

Br

Podział związków organicznych

Węglowodory (tylko C i H )

Heterozwiązki

alifatyczne

aromatyczne

alkany

alkeny

alkiny

Związki cykliczne

alkohole

etery

aldehydy

ketony

Kwasy karboksylowe

estry

aminy

amidy

C C

C C

C C

R OH

R O R'

R C

O

H

R C

O

R'

R C

O

OH

R C

O

OR'

R C

O

NH

2

R NH

2