Chemia organiczna
Wykład 2
Izomery
W chemii organicznej nie wystarcza podanie wzoru sumarycznego
ze względu na zjawisko występowania izomerii.
Izomery - związki o takim samym wzorze sumarycznym, różniące się
kolejnością bądz
sposobem połączenia atomów lub ich ułożeniem w
przestrzeni.
Rodzaje izomerii
Izomeria konstytucyjna - różna kolejność lub różny sposób
połączenia atomów,
Stereoizometria - (izomery przestrzenne) zachowana ta sama
kolejność połączenia poszczególnych atomów, różne ułożenie
atomów w przestrzeni.
Rodzaje izomerii konstytucyjnej
izomeria szkieletowa
izomeria pozycyjna
izomeria grup funkcyjnych
Izomeria konstytucyjna :
izomeria szkieletowa (różne szkielety węglowe)
wzór sumaryczny
C4H10
butan
2-metylopropan
C6H12
cykloheksan 1,3-dimetylocyklobutan
metylocyklopentan
C5H10O2
CH3
CH3CH2CH2CH2COOH CH3CHCH2COOH
1 4
5 4 3 2 3 2 1
kwas pentanowy
kwas 3-metylobutanowy
C5H12O
CH3
CH3CH2CH2CH2CH2OH CH3CCH2OH
CH3
5
1
3
3
1
OH
OH
2
4
2
1-pentanol
2,2-dimetylo-1-propanol
(pentan-1-ol)
2,2-dimetylopropan-1ol
izomeria pozycyjna (różne położenie tej samej grupy
funkcyjnej)
C4H9Br
CH3CH2CH2CH2Br CH3CH2CHCH3
Br
1-bromobutan 2-bromobutan
Br
Br
izomeria pozycyjna (różne położenie tej samej grupy
funkcyjnej)
C5H11Br
5 4 3 2 1
5 4 3 2 1
CH3CH2CH2CHCH3
CH3CH2CH2CH2CH2Br
Br
2-bromopentan
1-bromopentan
Br Br
5 4 3 2 1
CH3CH2CHCH2CH3
Br
Br
izomeria pozycyjna (różne położenie tej samej grupy
funkcyjnej)
C6H12O
O
6
2
4
3
5
1
6
4
2
3
5
1
O
2-heksanon
3-heksanon
izomeria pozycyjna (różne położenie tej samej grupy
funkcyjnej)
C5H11BrO
2
4
2
4
3
1 5
3 1
5
Cl OH
Cl OH
5-chloropentan-1-ol
3-chloropentan-1-ol
izomeria grup funkcyjnych ( różne grupy
funkcyjne)
C2H4O2 kwas ester
CH3COOH HCOOCH3
metaninan metylu
kwas etanowy
(ester metylowy kwasu mrówkowego))
(kwas octowy)
C3H6O aldehyd keton
O
H
CH3CCH3
CH3CH2C
O
aldehyd keton
propanal
propanon
izomeria grup funkcyjnych ( różne grupy
funkcyjne)
C2H6O
CH3CH2OH CH3OCH3
alkohol
eter
eter dometylowy
etanol
Jak rysować izomery ?
Mamy wzór sumaryczny C6H14O
Narysujmy izomery konstytucyjne odpowiadajÄ…ce temu wzorowi:
a) szkieletowe
b) pozycyjne
c) grup funkcyjnych
W celu ułatwienia sobie zadania korzystnie jest obliczyć tzw. stopień
nienasycenia, wskazujący ile wiązań wielokrotnych lub układów cyklicznych
znajduje się w związku. Dla związków nie zawierających atomów azotu wzór
ten przedstawia się następująco:
n ( czyli stopień nienasycenia) = (2 + 2C  I) : 2
gdzie C oznacza liczbę atomów węgla we wzorze związku
natomiast I oznacza liczbę wszystkich (łączenie) atomów jednowiązanych, czyli
tworzących jedno wiązanie (są to wodór H i chlorowce Cl, F, Br, I)
Dla zwiÄ…zku o wzorze sumarycznym C6H14O
n = (2 + 2 x 6 -14) : 2 = (2 + 12 -14) : 2 = 0
Jeżeli stopień nienasycenia wynosi 0
to znaczy, że między atomami w tym związku występują tylko wiązania
pojedyncze i nie ma w nim układów cyklicznych.
Narysujmy zatem izomery szkieletowe:
Dla zwiÄ…zku o wzorze sumarycznym C6H14O
n = (2 + 2 x 6 -14) : 2 = (2 + 12 -14) : 2 = 0
Jeżeli stopień nienasycenia wynosi 0
to znaczy, że między atomami w tym związku występują tylko wiązania
pojedyncze i nie ma w nim układów cyklicznych.
Narysujmy zatem izomery szkieletowe:
4
2
6
OH
1
3
5 4
1
3
5 OH
2
łańcuch sześciowęglowy
łańcuch pięciowęglowy z rozgałęzieniem
przy czwartym atomie węgla
(czyli w sumie też sześć atomów węgla)
Określenie izomery oznacza, że są przynajmniej dwa związki o tym
samym wzorze sumarycznym.
Oczywiście może być tych związków więcej niż dwa , ale jeżeli
polecenie brzmi:
narysuj izomery i nie jest podane, ile tych izomerów danego rodzaju
należy narysować,
to znaczy,
że trzeba narysować przynajmniej dwa takie związki.
W tym przypadku można oczywiście narysować więcej niż dwa izomery
szkieletowe.
1
3
5 4
4
2
6
OH
OH
2
1
3
5
łańcuch pięciowęglowy z rozgałęzieniem
przy czwartym atomie węgla
łańcuch sześciowęglowy
(czyli w sumie też sześć atomów węgla)
1
1
3
2
5 4
5 4
OH
OH
3
2
łańcuch pięciowęglowy
łańcuch pięciowęglowy
z rozgałęzieniem przy
z rozgałęzieniem przy
trzecim atomie węgla
drugim atomie węgla
3 OH OH
OH
4
2
1
łańcuchy 4 węglowe z dwoma rozgałęzieniami
1
3
5 4
4
2
6
OH
OH
2
1
3
5
łańcuch pięciowęglowy z rozgałęzieniem
przy czwartym atomie węgla
łańcuch sześciowęglowy
(czyli w sumie też sześć atomów węgla)
1
1
3
2
5 4
5 4
OH
OH
3
2
łańcuch pięciowęglowy
łańcuch pięciowęglowy
z rozgałęzieniem przy
z rozgałęzieniem przy
trzecim atomie węgla
drugim atomie węgla
3 OH OH
OH
4
2
1
łańcuchy 4 węglowe z dwoma rozgałęzieniami
Wszystkie te izomery posiadają grupę OH na końcu łańcucha powiązaną z atomem
C połączonym z dwoma atomami wodoru, czyli w każdym z tych przypadków
powiÄ…zanie grupy OH jest jednakowe
(jest to tzw. grupa połączona z pierwszorzędowym atomem węgla)
Izomery pozycyjne
Są to izomery różniące się położeniem grupy funkcyjnej, ale posiadające ten sam
łańcuch węglowy, czyli:
I II III
OH
1
3 5 4
2
4 6
6
2
3
OH
2 6 3
4 5 5 1
6
1
5
4
2
1
1 4
5
3
1
2
3
3 2
5 4 6
6
OH
łańcuch sześciowęglowy
łańcuch sześciowęglowy
łańcuch sześciowęglowy
grupa OH przy trzecim
grupa OH przy drupim atomie C
grupa OH przy pierwszym
atomie C
atomie C
ten sam co przy C4
ten sam co przy C 5
ten sam co przy C 6
Uwaga: nie należy rysować związków, które mają grupę OH
przy czwartym, piątym i szóstym atomie C ponieważ są one identyczne z już
narysowanymi związkami. Przy numerowaniu atomów C zawsze należy zaczynać od
końca bliższego grupy funkcujnej lub rozgałęzienia łańcucha
III III
OH
1
3 5 4
2
4 6
6
2
3
OH
2 6 3
4 5 5 1
6
1
5
4
2
1
1 4
5
3
1
2
3
3 2
5 4 6
6
OH
łańcuch sześciowęglowy
łańcuch sześciowęglowy
łańcuch sześciowęglowy
grupa OH przy trzecim
grupa OH przy drupim atomie C
grupa OH przy pierwszym
atomie C
atomie C
W narysowanych związkach grupa OH znajduje się przy różnych
atomach węgla,
w związku I, przy atomie skrajnym połączonym z jednym węglem i
dwoma wodorami,
w związku II i III przy węglu połączonym z dwoma węglami i
jednym wodorem.
Jednak w przypadku dwóch ostatnich związków podstawniki
węglowe przy węglu związanym z grupą OH, są inne.
Oczywiście można narysować izomery pozycyjne innych (podanych
poprzednio) izomerów szkieletowych.
Jeżeli jednak narysujemy różne szkielety węglowe i różnie umieścimy grupę
funkcyjną  OH, to otrzymamy izomery, które będą równocześnie izomerami
szkieletowymi i pozycyjnymi.
4
2
6
4
3
2
5 1
OH
3 1
OH
łańcuch sześciowęglowy
łańcuch czterowęglowy
nierozgałęziony
rozgałęziony
grupa OH przy C 3
grupa OH przy C 1
Izomery grup funkcyjnych
Są to izomery różniące się grupą funkcyjną. W przypadku alkoholi
izomerycznymi związkami różniącymi się grupą funkcyjną są etery.
4
2
6
3
5 1
OH
O
eter
alkohol
inne możliwe izomeryczne etery
o łańcuchu węglowym
nierozgałęzionym
O
Narysowane izomeryczne etery, sÄ…
względem siebie izomerami pozycyjnymi
O
Zajmijmy siÄ™ izomerami zwiÄ…zku o wzorze sumarycznym:
C5H10O
Najpierw stopień nienasycenia:
n = (2 + 2 x 5  10) : 2 = 1
Stopień nienasycenia = 1 oznacza, że w związku występuje albo
jedno wiązanie podwójne pomiędzy atomami, albo układ pierścienia
nasyconego.
Ponieważ podwójne wiązanie może występować pomiędzy atomami
węgla lub pomiędzy węglem a tlenem możliwe są więc związki
należące do rodziny alkenów (zawierające dodatkowo grupę OH,
lub grupę eterową z uwagi na obecność tlenu ), lub do rodziny
związków karbonylowych (aldehydy lub ketony).
Kolejną możliwością są związki zawierające układ pierścienia
nasyconego z grupÄ… OH lub eterowÄ…).
Podam tylko przykładowe związki, które można na podstawie tak
przeprowadzonego rozumowania narysować , natomiast
odpowiednie, właściwe izomery proszę narysować samodzielnie.
C5H10O
CH2 CHCH2CH2CH2OH
przykładowy nienasycony alkohol
przykładowy nienasycony eter
CH2 CHCH2 O CH2CH3
CH2OH
przykładowy alkohol
nasycony
(zawierający układ cykliczny)
przykladowy nasycony eter
(zawiera układ cykliczny)
O
CH3CH2CH2CH2CHO przykładowy związek karbonylowy
(aldehyd)
CH3CH2CCH2CH3 przykładowy związek karbonylowy
O
(keton)
Dla każdego z narysowanych związków można napisać wzory
przynajmniej jednego izomeru szkieletowego i izomeru podstawienia.
Wszystkie natomiast napisane zwiÄ…zki sÄ… w stosunku do siebie
izomerami grup funkcyjnych
Budowa związków organicznych a ich wybrane
właściwości fizyczne
Omawiając poszczególne klasy związków należy zwrócić uwagę
nie tylko na ich reakcje, lecz również na ich właściwości
fizyczne, stan skupienia, temperatura wrzenia, rozpuszczalność
czy wspomniany już moment dipolowy.
Wspomniane właściwości wynikają bowiem ze struktury
cząsteczek związku, a ściślej mówiąc rodzaju atomów (a więc
np. ich elektroujemności) i rodzajów wiązań  obecności
wiązań spolaryzowanych, kształtu cząsteczki (np. budowa
symetryczna powoduje znoszenie momentów dipolowych
czÄ…steczki).
Budowa związków organicznych a ich wybrane
właściwości fizyczne
Oddziaływania wynikające z polarnego charakteru cząsteczek
decydujÄ… o stanie skupienia zwiÄ…zku.
Procesy wrzenia i topnienia dostarczajÄ… bowiem energii do
pokonania oddziaływań międzycząsteczkowych,
charakterystycznych dla danej substancji.
Jeszcze silniejsze oddziaływania występują dla związków
zdolnych do tworzenia wiązań wodorowych.
Z tego typu wiÄ…zaniami mamy do czynienia,
jeżeli atom wodoru połączony jest z silnie elektroujemnym
atomem (F, O, N) wiÄ…zaniem kowalencyjnym.
Budowa związków organicznych a ich wybrane
właściwości fizyczne
Oddziaływania międzycząsteczkowe
siły Van der Waalsa (dipol chwilowy-dipol
indukowany)
oddziaływania dipol-dipol
wiÄ…zania wodorowe (21 kJ/mol)
oddziaływania jon  dipol
oddziaływania jon-jon
wzrost oddziaływań
Siły Van der Waalsa (dipol chwilowy-dipol
indukowany)
oddziaływania charakterystyczne dla wszystkich cząsteczek
(dotyczą nawet gazów szlachetnych),
wynikają z ruchu elektronów w atomach tworzących cząsteczki
ruch elektronów powoduje zmiany gęstości elektronowej w różnych
regionach czÄ…steczki
zmiany gęstości elektronowej w różnych regionach cząsteczki  są
przyczynÄ… powstawania chwilowych dipoli
powstajÄ…ce chwilowo dipole generujÄ… (indukujÄ…) w sÄ…siednich blisko
położonych cząsteczkach diole o ładunkach przeciwnych w
stosunku do istniejÄ…cych chwilowych dipoli
stały ruch elektronów ruch elektronów ciągle zmienia ułożenie
powstajÄ…cych chwilowych dipoli
Siły Van der Waalsa są siłami o bardzo krótkim zasięgu
Schematyczny obraz tworzenia siÄ™ chwilowych dipoli
i dipoli indukowanych
powstawanie dipoli chwilowych
Schematyczny obraz tworzenia siÄ™ chwilowych dipoli i
dipoli indukowanych
Powstały dipol indukuje powstanie
dipoli w sÄ…siedniej czÄ…steczce
wygenerowane dipole indukujÄ… powstawanie dipoli w kolejnych
czÄ…steczkach
1
Ruch elektronów zmienia pierwotny układ chwilowych dipoli - co generuje
zmiany gęstości elektronowych  wyindukowanych dipoli w innych
czÄ…steczkach
1
Dominujący rodzaj wiązań w cząsteczkach związków
organicznych wiÄ…zania kowalencyjne  spolaryzowane lub
niespolaryzowane
Wydłużanie łańcucha węglowego (łańcuch nierozgałęziony - prosty)
 szereg homologiczny
CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14
temp. wrzenia (0C)
-162 -89 -42 +0,5 +36 +69
Dominujący rodzaj wiązań w cząsteczkach związków
organicznych wiÄ…zania kowalencyjne  spolaryzowane lub
niespolaryzowane
Wydłużanie łańcucha węglowego (łańcuch nierozgałęziony - prosty) 
szereg homologiczny
CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14
temp. wrzenia (0C)
-162 -89 -42 +0,5 +36 +69
wzrost temperatury wrzenia
Powyższa prawidłowość dotyczy wszystkich związków o tej samej
grupie funkcyjnej należących do tego samego szeregu
homologicznego
CH3Cl CH3CH2Cl CH3CH2CH2Cl CH3CH2CH2CH2Cl
wzrost temperatury wrzenia
CH3OH CH3CH2OH CH3CH2CH2OH CH3(CH2)2CH2OH
wzrost temperatury wrzenia
Analogicznie na wzrost temperatury wrzenia wpływa wprowadzenie
zamiast kolejnych atomów wodoru atomów pierwiastka o większej
masie atomowej
CH4 CH3Cl CH2Cl2 CCl4
wzrost temperatury wrzenia
Taki sam efekt wywołuje zastąpienie pierwiastka o mniejszej masie
atomowej pierwiastkiem o większej masie atomowej
CH4 CH3Cl CH3Br CH3I
wzrost temperatury wrzenia
Zasada generalna 
w danej klasie związków w miarę wzrostu masy molowej
(wynikającej z wrostu długości łańcucha węglowego,
lub
zastąpienia atomu chlorowca o niższej masie atomowej
atomem chlorowca o wyższej masie atomowej,
lub też
zastępowania kolejnych atomów wodoru w łańcuchu węglowym
przez atomy o wyższej masie atomowej )
rośnie temperatura wrzenia.
Wpływ rozgałęzienia łańcucha węglowego na
temperaturÄ™ wrzenia
CH3CH2CH2CH3 (CH3 )3CH
masa molowa masa molowa
58g/mol 58 g/mol
temp. wrzenia (0C)
+ 0,5 - 12,0
Spadek temperatury wrzenia
Wpływ rozgałęzienia łańcucha węglowego na
temperaturÄ™ wrzenia
CH3CH2CH2CH3 (CH3 )3CH
masa molowa masa molowa
58g/mol 58 g/mol
temp. wrzenia (0C)
+ 0,5 - 12,0
spadek temperatury wrzenia
Izomery C4H9OH
1-butanol masa molowa 74 g/mol 2-metylo-2-propanol
CH3
CH3CH2CH2CH2OH
CH3 C CH3
OH
OH
OH
temp.wrzenia +1180 C temp.wrzenia +830 C
spadek temperatury wrzenia
Rozgałęzienie łańcucha węglowego
dla związków należących
do tej samej klasy i o tej samej masie molowej
(czyli dotyczy izomerów)
powoduje obniżenie temperatury wrzenia.
Oddziaływania dipol - dipol
Na poprzednim wykładzie mówiliśmy o cząsteczkach, w których
występują wiązania spolaryzowane.
Cząsteczki takie mogły charakteryzować się nierównomiernym
rozkładem ładunku, czyli być dipolami i posiadać moment dipolowy.
Obecność wiązań spolaryzowanych nie zawsze prowadzi do
występowania momentu dipolowego. To czy cząsteczka będzie
dipolem zależy od:
jej geometrii (czyli budowy przestrzennej),
elektroujemności pierwiastków tworzących wiązania w tej
czÄ…steczce
obecności niewiążących par elektronowych na pierwiastkach
tworzÄ…cych tÄ™ czÄ…steczkÄ™
Przykłady:
Związek Wartość Budowa związku Kierunek
momentu wektora
i kształt
dipolowego [D]
czÄ…steczki momentu
dipolowego
NaCl 9,0
Na + Cl %
Cl
1,87
CH3Cl
tetraedr
C
H
H
H
NH3 1,47
piramida, z parÄ… N
H
elektronowÄ… na
H
H
azocie
Związek Wartość Budowa związku Kierunek
momentu wektora
dipolowego [D]
momentu
dipolowego
brak momentu
Cl
CCl4
0
dipolowego
tetraedr
C
Cl
Cl
Cl
brak momentu
CO2
0
dipolowego
O
liniowa C O
H2O 1,85
KÄ…towa, dwie
H
O
pary
elektronowe
H
na tlenie
Związek Wartość Budowa związku Kierunek wektora
momentu
momentu dipolowego
dipolowego
[D]
H
brak momentu
CH4
0
dipolowego
C
tetraedr
HH
H
CH2Cl2
1,55
Cl
C
tetraedr
HCl
H
Oddziaływania dipol - dipol
O
CH3CH2CH2CH3
C
H3C CH3
butan
propanon
ź`" 0
ź = 0
masa molowa
masa molowa
58g/mol
56g/mol
temp. wrzenia 560C
temp. wrzenia
0,50C
Oddziaływania dipol - dipol
Oddziaływania trwały dipol- trwały dipol są silniejsze od
oddziaływań van der Waalsa
Temperatura wrzenia związków o budowie dipolowej jest wyższa od
temperatury wrzenia związków, które nie maja wiązań
spolaryzowanych i nie sÄ… obdarzone momentem dipolowym
(dotyczy związków o identycznej lub zbliżonej masie molowej)
Przykłady:
Oddziaływania dipol - dipol
Oddziaływania trwały dipol- trwały dipol są silniejsze od
oddziaływań van der Waalsa
Temperatura wrzenia związków o budowie dipolowej
jest wyższa od temperatury wrzenia związków, które nie maja
wiązań spolaryzowanych i nie są obdarzone momentem dipolowym
(dotyczy związków o identycznej lub zbliżonej masie molowej)
Przykłady:
posiada moment dipolowy
brak momentu dipolowego
CH3CH2CH3
O
CH3
H3C
masa molowa 46g/mol
masa molowa 44g/mol
temp. wrzenia minus 23,70C
temp. wrzenia minus 42,20C
WiÄ…zania wodorowe
Wiązania wodorowe są szczególnym rodzajem oddziaływań
dipolowych.
Jeszcze silniejsze oddziaływania niż w przypadku oddziaływań
dipol  dipol występują dla związków zdolnych do tworzenia wiązań
wodorowych.
Z tego typu wiązaniami mamy do czynienia wówczas, jeżeli atom
wodoru połączony jest z silnie elektroujemnym atomem (F, O, N)
wiÄ…zaniem kowalencyjnym.
Na skutek silniej polaryzacji wiązania (przesunięcia pary
elektronowej wiÄ…zania do atomu pierwiastka elektroujemnego)
zostaje odsłonięte jądro atomu wodoru, które może oddziaływać na
zasadzie przyciągania elektrostatycznego z niewiążącymi parami
elektronowymi innych elektroujemnych atomów.
WiÄ…zania wodorowe
Siła tych oddziaływań jest oczywiście wielokrotnie słabsza od
wiÄ…zania chemicznego kowalencyjnego (wynosi ok.21 kJ/mol) , ale
jest wystarczająco duża aby znalez
ć odbicie w temperaturze
wrzenia zwiÄ…zku.
Biorąc pod uwagę, że w pewnym uproszczeniu tylko atomy N, O, F
są wystarczająco elektroujemne występowanie wiązania
wodorowego, tworzenie wiązania wodorowego, jest możliwe w
przypadku związków zawierających atom wodoru bezpośrednio
zwiÄ…zany z tymi pierwiastkami .
WiÄ…zania wodorowe
Wiązanie H-F występujące w fluorowodorze nie dotyczy
związków organicznych.
Wiązanie wodorowe w chemii związków organicznych tworzą
zwiÄ…zki posiadajÄ…ce:
atom wodoru zwiÄ…zany z atomem tlenu (np. alkohole lub kwasy
karboksylowe)
oraz
atomy wodoru zwiÄ…zane z atomem azotu (np. aminy i amidy).
WiÄ…zania wodorowe
ZwiÄ…zek nieorganiczny H2O czÄ…steczka posiada wiÄ…zania -O-H
woda (masa molowa 18g/mol t.w. 100 0C) - ciecz zasocjowana
Sposób rysowania wiązania wodorowego
wiÄ…zania wodorowe
O
H
H
O
H
H
O
H
H
WiÄ…zania wodorowe
Amoniak NH3 czÄ…steczka posiada wiÄ…zania N-H
wiÄ…zania wodorowe
N
H
H
H
H
H N H
N
H
H
H
Związki organiczne zdolne do tworzenia wiązań
wodorowych
alkohole kwasy karboksylowe
np. np
CH3OH HCOOH
Ciecz zasocjowana Dimery
wiÄ…zanie wodorowe
wiÄ…zanie wodorowe
O
H3C H
OH
O
HC
CH
O
HO
O
H3C H
wiÄ…zanie wodorowe
ZwiÄ…zki organiczne zawierajÄ…ce azot w czÄ…steczce
tworzÄ…ce wiÄ…zania wodorowe
Aminy
np. metyloamina
wiÄ…zania wodorowe
N
H
H3C
H
H
N
H N
H
H3C
H
CH3
ZwiÄ…zki organiczne zawierajÄ…ce azot w czÄ…steczce tworzÄ…ce
wiÄ…zania wodorowe
dimetyloamina
wiÄ…zania wodorowe
N
H
H3C
CH3
CH3
N
H
H
N
H3C
CH3
CH3
trimetyloamina N (CH3)3 - nie tworzy wiązań wodorowych,
bo nie posiada atomów wodoru związanych z atomem
azotu
ZwiÄ…zki organiczne zawierajÄ…ce azot w czÄ…steczce tworzÄ…ce
wiÄ…zania wodorowe
Amidy
np. metanoamid (formamid)
wiÄ…zanie wodorowe
H
N H
O
HC
CH
O
H N
H
Porównanie temperatury wrzenia związków zdolnych i
niezdolnych do tworzenia wiązań wodorowych
Kwas octowy (etanowy) Mrówczan metylu (metanian metylu)
CH3COOH HCOOCH3
tworzy wiązania wodorowe nie tworzy wiązań wodorowych
(brak atomów H związanych z atomem
tlenu)
Oba zwiÄ…zki - ta sama masa molowa 60 g/mol
t.w. 118,5 0C t.w. 31,5 0C
kwas propanowy Octan metylu (etanian metylu)
CH3CH2COOH CH3COOC2H5
tworzy wiązania wodorowe nie tworzy wiązań wodorowych
Oba zwiÄ…zki ta sama masa molowa 74 g/mol
t.w. 141 0C t.w.57,5 0C
Porównanie temperatury wrzenia związków zdolnych i
niezdolnych do tworzenia wiązań wodorowych
1-butanol eter dietylowy
CH3CH2CH2CH2OH CH3CH2OCH2CH3
tworzy wiązania wodorowe nie tworzy wiązań wodorowych
(brak atomów H związanych z atomem
tlenu)
Oba zwiÄ…zki ta sama masa molowa 74 g/mol
t.w. 118 0C 34,50C
Kwasy karboksylowe mają wyższe temperatury wrzenia od
alkoholi o tej samej liczbie atomów węgla (np. kwas propanowy
i 1-propanol) oraz od alkoholi o tej samej masie molowej (np.
kwas propanowy i butanol).
CH3CH2COOH CH3CH2CH2CH2OH CH3CH2CH2OH
kwas propanowy 1-butanol 1-propanol
masa molowa 74g/mol 74g/mol 60g/mol
o
t.w. 141oC t.w. 118 oCt.w. 97 C
liczba atomów C -3 liczba atomów C-4 liczba atomów C- 3
spadek temperatury wrzenia
Oddziaływania jonowe (związki o budowie jonowej)
Związki o budowie jonowej (typowym przykładem są tu sole
nieorganiczne) majÄ… zazwyczaj bardzo wysokie temperatury
wrzenia i topnienia
(np. NaCl t.t.801 0C, t.w.1413 0C)
wiąże się to z faktem, że podczas przemian fazowych zachodzi
konieczność przezwyciężenia bardzo silnych oddziaływań
elektrostatycznych między istniejącymi w sieci krystalicznej jonami.
Dominująca większość związków w omawianych w kursie
chemii organicznej ma budowÄ™ niejonowÄ….
Do substancji organicznych o budowie jonowej można zaliczyć:
sole kwasów organicznych
sole zasad organicznych , czyli amin
oraz
sole wewnętrzne tzw.  zwitterjony czyli aminokwasy.
Przykłady związków organicznych , w których
występuje wiązania jonowe:
Sól kwasu karboksylowego
Sól aminy
CH3COO
Na
CH3CH2NH3
Cl
octan sodu
chlorowodorek etyloaminy
(etanian sodu)
Aminokwas
H2NCH2COOH
bardziej właściwy zapis
H3NCH2COO
Przykłady wpływu budowy związków na temperaturę
wrzenia
Wzrost temperatury wrzenia
etan eter dietylowy, etanal, etanol, kwas etanowy
oddziaływania dipol-dipol wiazania wodorowe
Van der Waalsa
etan, 2-metylopropan, butan, etanol, butanol, kwas butanowy, NaCl
oddziaływania van der wiazania wodorowe wiązania
Waalsa jonowe
Przykłady wpływu budowy związków na
temperaturÄ™ wrzenia
butan, propanon, propanol kwas etanowy
masa molowa
58 g/mol 58 g/mol 60 g/mol 60g/mol
(masy molowe zbliżone- istotne różniece temperatur wrzenia)
wzrost temperatury wrzenia
Jak przebiegajÄ… reakcje chemiczne?
Zanim przystÄ…pimy do omawiania reakcji chemicznych jakim
ulegają związki organiczne warto zdać sobie sprawę jak
przebiegajÄ… reakcje chemiczne.
Każdą reakcję chemiczną można traktować jak proces, którego
istotą jest rozerwanie wiązań obecnych w substratach i
utworzenie nowych wiązań, właściwych dla produktów reakcji.
Rozpad wiązania chemicznego może się odbyć na dwa
sposoby:
homolityczny
i
heterolityczny.
Homolityczny rozpad wiÄ…zania
Jeżeli elektrony wiązania zostano podzielone  po równo między
atomami tworzÄ…cymi wiÄ…zanie
mamy do czynienia z rozpadem homolitycznym,
a powstałe produkty naszą nazwę rodników (zawierają
niesparowany elektron)
Zapis rozpadu homolitycznego (używamy strzałek z pólgrotami):
Homolityczny rozpad wiÄ…zania
Jeżeli elektrony wiązania zostano podzielone  po równo między
atomami tworzÄ…cymi wiÄ…zanie
mamy do czynienia z rozpadem homolitycznym,
a powstałe produkty naszą nazwę rodników (zawierają
niesparowany elektron)
Zapis rozpadu homolitycznego (używamy strzałek z pólgrotami):
A B
A
B
Homolityczny rozpad wiÄ…zania
Przykłady:
H3C
CH3
H3CCH3
rodnik rodnik
metylowy metylowy
CH3 H2
C
CH3
CH3CH2 CH3
rodnik
rodnik
propan
metylowy
etylowy
Rodniki
., Br., Cl., I .,
Rodniki = posiadajÄ… niesparowany elektron np.: H
., .OH, RO. ., .
CH3 , R "-CH2
" oznacza pierścień benzenowy
Rodniki są bardzo reaktywne chemicznie, dążą do sparowania
pojedynczego elektronu poprzez:
rozerwanie innych wiązań (i pozyskanie elektronu kosztem
homolitycznego rozerwania tego wiÄ…zania)
lub
reakcję z drugim rodnikiem (sparowanie pojedynczych elektronów
dwóch rodników i wytworzenie wiązania chemicznego)
Jeżeli podczas rozpadu wiązania para elektronowa pozostaje
przy jednym z atomów, które tworzyły wiązanie mówimy o
rozpadzie heterolitycznym (jonowym).
Rozpad heterolityczny jest ułatwiony wtedy, gdy wiązanie jest
spolaryzowane.
Zapis rozpadu heterolitycznego (używamy strzałki z grotem
wskazującym kierunek przesunięcia się pary elektronowej).
Heterolityczny rozpad wiÄ…zania
A B
A
B
anion
kation
CH3
CH3 Li Li
karboanion
kation litu
metylowy
nukleofil
lub
A B
A
B
kation
anion
CH3
Cl
CH3
Cl
anion chlorkowy
karbokation
metylowy
elektrofil
Elektrofile i nukleofile
Elektrofile = akceptory elektronów,
kationy lub cząsteczki obojętne dysponujące pustym orbitalem
(mające deficyt elektronów) np.:
kationy : H•", Br•", Cl•", I•", CH3 •", "-CH2•", NO2•", R- C•" =O,
czÄ…steczki: ZnCl2 , BF3, SnCl2 , FeCl3, AlCl3, SO3, SbF5
(są to równocześnie kwasy Lewisa, czyli aceptory elektronów)
Uwaga: nie każdy kation jest elektrofilem, H3O•", NH4 •" nie sÄ…
elektrofilami, nie posiadajÄ… pustego orbitalu zdolnego do
przyjęcia elektronów
Elektrofile i nukleofile
Nukleofile = aniony lub cząsteczki obojętne posiadające wolną
parÄ™ elektronowÄ… zdolnÄ… do wytworzenia wiÄ…zania np.:
aniony:
NO2 , CH3COO
H , Cl , Br , I ,
czÄ…steczki:
H2O , ROH, ROR, RCOOH, RCHO, RNH2, CO, RCN
Elektrofile i nukleofile
Uwaga:
Każdy anion jest nukleofilem.
Nukleofilami sÄ… wszystkie zasady Lewisa
Kwasy i zasady w chemii organicznej
Bardzo istotnym pojęciem obok elektroujemności i polarności
jest koncepcja kwasowości i zasadowości.
Poza poznaną już w szkole teorią Arrrheniusa istnieją dwie
często stosowane definicje kwasowości:
definicja Brłnsteda-Lowry ego
i
definicja Lewisa.
Definicja Brłnsteda:
kwas = donor protonu, zasada = akceptor protonu.
Przykład:
H-A + :B A: + HB
kwas zasada sprzężona sprzężony
zasada kwas
Kwasy i zasady w chemii organicznej
CH3COOH CH3COO H2O
OH
zasada sprzężona
kwas
zasada
kwas sprzężony
H2O H3O
HCl Cl
kwas
zasada
sprzężona sprzężony
zasada kwas
sprzężone pary zasada kwas
Kwasy i zasady w chemii organicznej
NH2 + H2O NH3 + OH
zasada kwas sprzężony sprzężona
kwas zasada
Kwasy i zasady w chemii organicznej
Woda może zachowywać się jak kwas lub zasada.
Kwasy mogą różnić się właściwościami protonodonorowymi.
Jak wiemy z chemii nieorganicznej
mocne kwasy w wodzie są całkowicie zdysocjowane na jony
(oddajÄ… protony czÄ…steczkom wody)
podczas gdy
kwasy słabe (np. kwas octowy) reagują z wodą w nieznacznym
stopniu.
Stała równowagi
Moc kwasu w roztworze wodnym opisuje stała równowagi:
H-A + H2O A: + H3O
Moc kwasu w roztworze wodnym opisuje stała
równowagi:
x H3O
A
Keq
x
H2O
HA
Stała kwasowości
W rozcieńczonych roztworach wodnych stężenie wody jest w
przybliżeniu stałe i wynosi ok. 55,6 mol/dm3.
Z tego powodu możemy opisać stan równowagi, stosując nową
wielkość tzw. stałą kwasowości Ka- dla dowolnego kwasu:
x H3O
A
Ka
Keq x H2O
HA
Wartość stałej zależy od mocy kwasu,
im mocniejszy kwas tym większa wartość stałej
równowagi
(Ka zawiera się w granicach 1015 dla tzw. super kwasów
do 10 -60 dla kwasów najsłabszych.
Tabela względnej mocy kwasów
kwas Ka H" zasada
CH3(CH2)2CH3 10 - 45 CH3(CH2)2CH2
W
W
Z
- 44
Z
CH2 = CH2 10 CH2 = CH
O
R
NH3 10 - 34 NH2
R
O
RC CH 10 - 25 RC C
S
S
R - OH 10 - 18 R- O
T
T
H2O 10 - 16 OH
Ph - OH 10 - 10 Ph - O
K
Z
R  NH3 10 - 10 R  NH2
W
A
NH4 10 - 9 NH3
A
S
H2CO3 10 - 7 HCO3
S
A
CH3COOH 10 - 5 CH3COO
O
D
CF3COOH 1CF3COO
W
O
HNO3 10 NO3
O W
H3O 50 H2O
O
Åš
HCl 10 7 Cl
Åš
C
9
10
HBr lub H2SO4 Br lub HSO4
C
I
HI oraz HClO4 10 10 I lub ClO4 I
> 10 12
Super kwas SbF5 . FSO3H SbF5 . FSO3
pKa
Zamiast Ka możemy stosować ujemny logarytm z tej stałej
oznaczany jako pKa.
Zgodnie z regułami matematycznymi
im większa wartość pKa tym słabszy kwas,
a im wartość pKa mniejsza tym mocniejszy.
Należy zapamiętać, że:
Im mocniejszy kwas tym słabsza zasada z nim sprzężona;
W równowagach kwasowo-zasadowych (tj. przemianach
związanych z przeniesieniem wodoru) położenie stanu
równowagi jest zawsze przesunięte w kierunku słabszego
kwasu i słabszej zasady;
Moc kwasu jest względna
(np.H2O może być kwasem lub zasadą) ,
ponad to
zależy od rodzaju rozpuszczalnika (np. kwas słaby w wodzie
może okazać się mocnym kwasem w bezwodnym środowisku -
np. w ciekłym amoniaku zastosowanym jako rozpuszczalnik).
Kierunek przebiegu reakcji:
H2O H3O
HC CH HC C
25 mocniejsza
Ka = słabsza
10
Ka
50
zasada
zasada
mocniejszy kwas
slabszy kwas
Reakcja biegnie w kierunku utworzenie słabszego kwasu i słabszej zasady
CH3CH2CH2
NH3 CH3CH2CH3 NH2
pKa
45
pKa
35
słabsza
mocniejsza
zasada
zasada
mocniejszy
słabszy kwas
kwas
Reakcja biegnie w kierunku utworzenia słabszego kwasu i słabszej zasady
Znajomość wartości stałych kwasowości pozwala nam
stwierdzić, czy przebiegnie dana reakcja
Amoniak, NH3 ma wartość pKa ~ 36, a aceton CH3COCH3 ma
wartość pKą ~ 19 .
Czy zajdzie następująca reakcja:
O
O
?
CH3 C CH3
+ Na NH2 CH3 C CH2 + NH3
Na
Znajomość wartości stałych kwasowości pozwala nam
stwierdzić, czy przebiegnie dana reakcja
Amoniak, NH3 ma wartość pKa ~ 36, a aceton CH3COCH3 ma
wartość pKą ~ 19 .
Czy zajdzie następująca reakcja:
O
O
?
CH3 C CH3
+ Na NH2 CH3 C CH2 + NH3
Na
O O
CH3 C CH3 + NH2 CH3 C CH2 + NH3
Znajomość wartości stałych kwasowości pozwala nam
stwierdzić, czy przebiegnie dana reakcja
Amoniak, NH3 ma wartość pKa ~ 36, a aceton CH3COCH3 ma
wartość pKą ~ 19 .
Czy zajdzie następująca reakcja:
O
O
?
CH3 C CH3
+ Na NH2 CH3 C CH2 + NH3
Na
O O
CH3 C CH3 + NH2 CH3 C CH2 + NH3
kwas 1 zasada 2 sprzężona sprzężony
zasada 1 kwas 2
Mocniejszy mocniejsza słabsza słabszy
Znajomość wartości stałych kwasowości pozwala nam
stwierdzić, czy przebiegnie dana reakcja
Amoniak, NH3 ma wartość pKa ~ 36, a aceton CH3COCH3 ma
wartość pKą ~ 19 .
Czy zajdzie następująca reakcja:
O
O
?
CH3 C CH3
+ Na NH2 CH3 C CH2 + NH3
Na
O O
CH3 C CH3 + NH2 CH3 C CH2 + NH3
kwas 1 zasada 2 sprzężona sprzężony
zasada 1 kwas 2
mocniejszy mocniejsza słabsza słabszy
O O
CH3 C CH3 + NH2 CH3 C CH2 + NH3
kwas 1 zasada 2 sprzężona sprzężony
zasada 1 kwas 2
mocniejszy mocniejsza słabsza słabszy
Wniosek:
Reakcja przebiegnie, ponieważ reakcje zawsze biegną w kierunku
utworzenia słabszego kwasu i słabszej zasady
Definicja kwasów i zasad wg Lewisa
Kwas Lewisa = akceptor pary elektronowej.
SÄ… to zwiÄ…zki lub kationy posiadajÄ…ce wolny nieobsadzony
niskoenergetyczny orbital .
Zasada Lewisa = donor pary elektronowej.
Są to związki posiadające parę niewiążących elektronów, które
mogą być wykorzystane do związania się z kwasem Lewisa.
Definicja Lewisa jest definicjÄ… szerszÄ…, bo nie ogranicza siÄ™ tylko
do związków posiadających protony zdolne do przekazania.
Przykłady kwasów i zasad Lewisa
Kwasy Lewisa:
H Na Mg Br
AlCl3 BF3 FeCl3 ZnCl2 TiCl4
Zasady Lewisa:
alkohole, etery, aldehydy, ketony, kwasy karboksylowe,
estry, amidy, aminy np.
HCHO
CH3OCH3
CH3OH
Rodzaje reakcji organicznych
Reakcje addycji (przyłączenia) A - zachodzą wówczas, gdy dwa
substraty reakcji Å‚Ä…cza siÄ™ ze sobÄ…, tworzÄ…c jeden nowy produkt:
A + B C
Reakcje eliminacji  E  są w pewnym sensie odwróceniem reakcji
addycji. Reakcje zachodzą wówczas, gdy pojedynczy substrat
rozszczepia siÄ™ na dwa produkty:
A B + C
Reakcje substytucji (podstawienia) - S- zachodzÄ…, gdy substraty
wymieniajÄ… siÄ™ fragmentami swoich czÄ…steczek, dajÄ…c dwa nowe
produkty:
A%B + C%D A%D + C%B
Reakcje przegrupowania - R  zachodzą wówczas, gdy pojedynczy
substrat ulega reorganizacji wiązań i atomów, dając produkt
izomeryczny
A B
Utlenianie i redukcja w chemii organicznej
Chemia nieorganiczna
Utlenianie  oddawanie elektronów
Redukcja  przyjmowanie elektronów
Utlenianie i redukcja w chemii organicznej
Chemia nieorganiczna
Utlenianie  oddawanie elektronów
Redukcja  przyjmowanie elektronów
2
2 MnO4 5 NO2 5
+ + 6H 2Mn + NO3 + 3H2O
Utlenianie i redukcja w chemii organicznej
Chemia organiczna
Utlenianie - spadek zasobów elektronowych atomu węgla
(zmniejszenie gęstości elektronowej na atomie C)
poprzez utworzenie jednego z wiązań:
C-O, C-N, C-X (X= F, Cl, Br, I)
lub
zerwanie wiÄ…zania C-H
Redukcja - wzrost zasobów elektronowych atomu węgla
(zwiększenie gęstości elektronowej na atomie C)
poprzez utworzenie wiÄ…zania C-H
lub
zerwanie jednego z wiązań: C-O, C-N, C-X (X= F, Cl, Br, I)
Przykłady:
h
½
CH4 + Cl2 CH3Cl
HCl
utlenianie (zerwanie wiÄ…zania C-H,
utworzenie wiÄ…zania C-Cl)
1) Mg, eter
CH3Cl CH4
2) H3O
redukcja (zerwanie wiÄ…zania C-Cl,
utworzenie wiÄ…zania C-H)
Br2
H2C CH2 Br CH2CH2 Br
utlenianie (utworzenie wiÄ…zania C-Br)
H2
H2C CH2
CH3 CH3
kat.
redukcja (utworzenie wiÄ…zania C-H)
H2C CH2
CH2 CH2
H OH
ani redukacja, ani utlenianie
(utworzenie jedego wiazania C-H i jednego C-O)
Zmiany stopni utlenienia w zwiÄ…zkach organicznych
wzrost stopnia utlenienia
niski stopień utlenienia
wysoki stopień utlenienia
H2C CH2
CH4
HC CH
CH3Cl CH2Cl2 CHCl3 CCl4
CO2
CH3OH
HCHO HCOOH
CH3NH2 H2C NH HC N
Sposób zapisywania reakcji w chemii organicznej
W chemii nieorganicznej zapis reakcji wymagał zbilansowania stron reakcji, np.:
Zn(NO3)2 + NaOH Zn(OH)2 “! + NaNO3
Po zbilansowaniu:
Zn(NO3)2 + 2 NaOH Zn(OH)2 “! + 2 NaNO3
W chemii organicznej przy zapisie reakcji bardzo często rezygnuje się z
całkowitego bilansowania stron równania (dotyczy to głownie reagentów
Nieorganicznych) na rzecz podkreślenia przemiany jakiej uległy substancje
organiczne. W takich przypadkach zastosowane odczynniki podawane sÄ… nad
i pod strzałką w schemacie reakcji, np.:
OH O
K2Cr2O7
H2SO4
Zapis taki jest stosowany zamiast pełnego zbilansowania stron równania reakcji,
w której utlenianiu uległ alkohol a redukcji ulega Cr+VI ( chromianu (VI) potasu)
do Cr3+[siarczan(VI) chromu (III)] .
OH
K2Cr2O7 H2SO4
4
+ +
3
O
Cr2(SO4)3 K2SO4 H2O
+
+ + 7
3
Również w przypadku reakcji organicznych wieloetapowych dopuszczalny jest zapis
kolejno stosowanych reagentów z zaznaczeniem kolejności ich stosowania,
co prowadzi otrzymania produktu końcowego:
1) HNO3
/H2SO4
NH2
2) Fe/HCl
3) NaOH
Podany zapis jest uproszczonym zapisem trzech kolejno po sobie
następujących reakcji:
HNO3
1)
NO2
H2SO4
2)
NO2 Fe
NH3 Cl
HCl
NaOH
3)
NH2
NH3 Cl
Wydajność reakcji
Wydajność reakcji ma istotne znaczenie nie tylko w aspekcie
ilościowym przeprowadzenia określonej syntezy,
lecz także oszacowania kosztów wytwarzania nowego związku
chemicznego lub produkcji przemysłowej.
Zadanie 1
Oblicz wydajność syntezy aspiryny (kwasu acetylosalicylowego), jeżeli
do reakcji użyto 5 gramów kwasu salicylowego (kwas orto-
hydroksybenzoesowy), 7 cm3 bezwodnika octowego (o gęstości d=1,08
g/cm3) oraz katalitycznych ilości kwasu siarkowego a w wyniku procesu
otrzymano 5 g aspiryny.
Rozwiązując to zadanie należy najpierw napisać równanie
przebiegającej reakcji chemicznej. Bardzo często w zadaniu podane
jest równanie reakcji. Jeżeli nie podano równania reakcji należy
w oparciu posiadaną wiedzę lub korzystając z podręcznika napisać równanie
przebiegajÄ…cej reakcji.
aspiryna
kwas salicylowy
bezwodnik
kwas octowy
octowy
(produkt uboczny)
COOH COOH
OH OCCH3 CH3COOH
(CH3CO)2O
O
7 cm3
5 g
5g
Następnie należy policzyć masy molowe wymienionych w zadaniu substratów oraz masy
(lub masę) interesujących (lub interesującego) nas produktów (lub produktu).
Masa molowa kwasu salicylowego:
C: 7 x 12g/mol = 84
H: 6 x 1 g/mol = 6
O; 3 x 16 g/mol = 48
czyli
Masa molowa kwasu wynosi 138 g/mol
Masa molowa bezwodnika octowego: 4 x 12 + 6 x 1 = 3 x 16 = 102 g/mol
Masa molowa kwasu acetylosalicylowego (aspiryny): 9 x 12 + 8 x 1 + 4 x 16 = 180 g/mol
Ponieważ nie interesuje nas produkt uboczny - kwas octowy nie musimy obliczać jego
masy molowej
 Zgodnie z równaniem reakcji kwas salicylowy (1 mol) reaguje z
1 molem bezwodnika octowego dajÄ…c jeden mol aspiryny i jeden
mol kwasu octowego ( kwas octowy jest produktem ubocznym i nie
interesuje nas ile powstało produktu ubocznego).
Powinniśmy teraz obliczyć ile moli substratów użyto do syntezy i ile
moli interesującego nas produktu powstało.
Do reakcji użyto:
Kwas salicylowy 5 g , jeżeli podzielimy ilość kwasu salicylowego
przez jego masę molową określimy ile moli kwasu użyto do reakcji:
5 g : 138 g/mol = 0,0362 mola kwasu salicylowego
Bezwodnik octowy. Aby policzyć ilość moli bezwodnika użytego do
reakcji należy najpierw obliczyć ile g tego związku użyto do reakcji:
Do reakcji użyto 7 cm3 bezwodnika o gęstości 1,08 g/cm3 ,
ponieważ m = V x d , czyli do reakcji użyto 5cm3 x 1,08 g/cm3 = 5,4 g
bezwodnika, do stanowi (5,4 g : 102 g/mol) = 0,0529 mola tego
zwiÄ…zku
 Skoro z równania reakcji wynika, że 1 mol kwasu salicylowego reaguje z 1
molem bezwodnika octowego, to na podstawie przeprowadzonych wyliczeń
wynika, że do reakcji użyto nadmiaru bezwodnika w stosunku do ilości
użytego kwasu salicylowego.
Z przeprowadzonych obliczeń wynika więc, że zastosowano
nadmiar bezwodnika (taki zabieg stosowania nadmiaru tańszego
odczynnika jest często stosowany w reakcjach chemicznych, aby
poprawić wydajność procesu i zwiększyć możliwość przereagowania
droższego z substratów).
Skoro z równania reakcji wynika, że 1 mol kwasu salicylowego reaguje z 1
molem bezwodnika octowego, to na podstawie przeprowadzonych wyliczeń
wynika, że do reakcji użyto nadmiaru bezwodnika w stosunku do ilości
użytego kwasu salicylowego
Z równania reakcji wynika również, że z jednego mola kwasu
salicylowego i jednego mola bezwodnika może powstać
maksymalnie jeden mol aspiryny, zatem ponieważ bezwodnik użyto
w nadmiarze w stosunku do kwasu salicylowego o możliwej ilości
wytworzenia aspiryny zdecyduje ilość użytego kwasu salicylowego
(w reakcji użyto 0,0362 mola kwasu salicylowego, czyli maksymalnie
może utworzyć się 0,0362 mola aspiryny.
 Obliczmy, ile moli aspiryny uzyskano:
Otrzymano 5 g aspiryny (masa molowa 180 g/mol), czyli uzyskano:
5 g : 180 g/mol = 0,0278 mola aspiryny
Wydajność reakcji wynosi:
0,0362 mola - 100%
0,0278 mola - x %
czyli x = (0,0278 X 100%) : 0,0362 = 76,73 %
Inaczej mówiąc
Wydajność (%) =( liczba moli otrzymanych w reakcji : liczba moli, która mogła
maksymalnie powstać w danej reakcji) x 100%
Można też obliczyć liczbę gramów aspiryny, która mogła powstać w reakcji,
gdyby przebiegła ona ze 100% wydajnością:
0,0362 mola x 180g/mol =6,516 g,
Więc wydajność wynosi:
[5g (tyle otrzymano) : 6,516g (tyle mogło max powstać)] x 100% =76,73%
Wynik podajemy z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku.
Zadania związane z wydajnością reakcji chemicznej
Często reakcje chemiczne przebiegają w kilku etapach. Należy umieć
wyliczyć wydajność reakcji kilkuetapowej.
Zadanie 2
Oblicz, ile benzenu trzeba użyć do dwuetapowej syntezy
prowadzÄ…cej przez toluen do kwasu benzoesowego w celu
otrzymania 100 g kwasu benzoesowego jeżeli wydajność
pierwszego etapu wynosi 70%, wydajność drugiego etapu 90% a
wydajność krystalizacji kwasu benzoesowego 85%.
Napiszmy równania przebiegających reakcji:
toluen
kwas benzoesowy
benzen
CH3
COOH
CH3Cl / AlCl3
KMNO4
W = 70%
W = 90%
wydajność krystalizacji
85%
Z podanych równań wynika, że gdyby każda reakcji przebiegała ze 100%
wydajnością to z 1 mola benzenu powstałby 1 mol toluenu
a następnie jeden mol kwasu benzoesowego.
Jednak podane reakcje nie przebiegają z wydajnością 100%.
Zatem z 1 mola benzenu powstanie: 1 mol x 0,7 (70% to 70 : 100 czyli 0,7) =
0,7 mola toluenu. Kolejna reakcja przebiegała z wydajnością 90% (czyli 0,9)
Wobec tego
Z 0,7 mola toluenu powstanie 0,7 x 0,9 = 0,63 mola kwasu benzoesowego.
Krystalizacja przebiega z wydajnością 85%, czyli
z 0,63 mola powstałego w syntezie surowego , czyli zanieczyszczonego
produktu otrzymamy 0,63mola x 0,85 = 0,5355 mola czystego kwasu.
 Obliczmy masy molowe substratu (benzenu) i końcowego produktu
(kwasu benzoesowego)
Masa molowa benzenu = 6 x 12 + 6 x 1 = 78 (g/mol)
Masa molowa kwasu benzoesowego = 7 x 12 + 6 x 1 + 2 x 16 = 122
(g/mol)
Z 1 mola (78 g) benzenu w wyniku syntezy i krystalizacji powstaje
0,5355 mola czystego kwasu benzoesowego,
czyli
122 g/mol x 0,5355 mola = 65,33 g czystego kwasu.
Zatem skoro :
na 65,33 g kwasu - 78 g benzenu (potrzeba tyle benzenu)
to
na 100 g kwasu - x g benzenu (potrzeba tyle benzenu)
x = (100 g x 78 g) : 65,33 g = 119, 94 g benzenu
 Zadanie 3
Wiedząc, że wydajność poniższej syntezy wynosi 55% , oblicz z
jakiej ilości bromocykloheksanu należy wyjść, aby otrzymać 100 g
alkoholu B.
Napiszmy równanie reakcji:
W = 55%
Br CH2CH2OH
alkohol (B)
bromocykloheksan
Z równania reakcji wynika, że gdyby powyższy ciąg reakcji
przebiegał ze 100% wydajnością, to z 1 mola bromocykloheksanu
powstawałby 1 mol alkoholu (B).
Ponieważ reakcje otrzymywania alkoholu z bromopochodnej
przebiegają z 55% wydajnością, to w ich wyniku powstaje z 1 mola
bromocykloheksanu 1 mol x 0,55 = 0,55 mola alkoholu.
 Obliczmy teraz masy molowe substratu- bromocykloheksanu:
liczba atomów C = 6 x 12 = 72
liczba atomów H = 11 x 1 = 11
liczba atomów Br = 1 x 80 = 80
Masa molowa = 72 + 11 + 80 = 163 (g/mol)
Obliczamy masÄ™ molowÄ… produktu  alkoholu (B)
liczba atomów C = 8 x 12 = 96
liczba atomów H = 16 x 1 = 16
liczba atomów O = 1 x 16 = 16
Masa molowa = 96 + 16 + 16 = 128 (g/mol)
W wyniku reakcji z 1 mola bromocykloheksanu (163 g) powstaje
0,55 mola alkoholu , czyli 128 g/mol x 0,55 mol = 70,4 g alkoholu.
Zatem:
otrzymanie 70,4 g alkoholu  wymaga użycia 163 g bromocykloheksanu
na otrzymanie 100 g alkoholu - potrzeba X g bromocykloheksanu
X = (100g x 163g) : 70,4g = 231,5g bromocykloheksanu
 Zadanie 4
Propen (22,4 dm3) przepuszczono przez 200cm3 1-molowego
roztworu bromu w rozpuszczalniku organicznym (np.CCl4).
Otrzymano 15 g produktu. Oblicz wydajność tej reakcji.
Napiszmy równanie reakcji:
 Zadanie 4
Propen (22,4 dm3) przepuszczono przez 200cm3 1-molowego
roztworu bromu w rozpuszczalniku organicznym (np.CCl4).
Otrzymano 15 g produktu. Oblicz wydajność tej reakcji.
Napiszmy równanie reakcji:
Br2
CH2 CHCH3 CH2BrCHBrCH3
CCl4
Do reakcji użyto 22,4 dm3 propenu, który jest gazem.
Wiadomo, że objętość molowa gazów wynosi 22,4 dm3, czyli
do reakcji użyto 1 mol tego substratu.
Do reakcji użyto również roztworu bromu w ilości 200 cm3
(czyli 0,2 dm3) roztworu 1-molowego (tzn. o stężeniu 1 mol/dm3),
zatem do reakcji użyto:
0,2 dm3 x 1 mol/dm3 = 0,2 mola bromu.
Z równania reakcji wynika, że reakcja przebiega w stosunku
molowym:
1 mol propenu reaguje z 1 molem bromu dajÄ…c jeden mol produktu.
Z przeprowadzonych wyliczeń widać, że bromu użyto za mało, aby cały
propen mógł przereagować. O wydajności tej reakcji decydować
będzie ten z substratów, którego użyto w niedomiarze. Zatem w reakcji
może powstać maksymalnie 0,2 mola produktu, bo z bromem może
przereagować tylko 0,2 mole propenu.
Obliczmy teraz masę molową produktu, a następnie ilość moli
powstałego 1,2-dibromopropanu.
Masa molowa produktu (1,2-dibromopropanu):
3 x 12 + 6 x 1 + 2 x 80 = 202 (g/mol)
Maksymalnie w wyniku syntezy przy 100% wydajności można było
otrzymać:
0,2 mola x 202 g/mol = 40,4 g produktu
W reakcji otrzymano 15 g produktu, zatem wydajność tej syntezy
wynosi:
(15g : 40,4 g) x 100% = 37,13%
Zadanie 5
Do 4,7 g fenolu dodano 300 cm3 9% wody bromowej o gęstości
1,12 g/cm3. Otrzymano 15,8 g tribromofenolu. Oblicz wydajność
syntezy.
Zadanie 5
Do 4,7 g fenolu dodano 300 cm3 9% wody bromowej o gęstości
1,12 g/cm3. Otrzymano 15,8 g tribromofenolu. Oblicz wydajność
syntezy.
Br
Br OH + 3HBr
3 Br2
OH +
H2O
Br
Zadanie 5
Do 4,7 g fenolu dodano 300 cm3 9% wody bromowej o gęstości
1,12 g/cm3. Otrzymano 15,8 g tribromofenolu. Oblicz wydajność
syntezy.
Br
Br OH + 3HBr
3 Br2
OH +
H2O
Br
Mfenolu = 94 g/mol M (Br2) = 160 g/mol Mproduktu = 331 g/mol produkt
uboczny
Zadanie 5
Do 4,7 g fenolu dodano 300 cm3 9% wody bromowej o gęstości
1,12 g/cm3. Otrzymano 15,8 g tribromofenolu. Oblicz wydajność
syntezy.
Br
Br OH + 3HBr
3 Br2
OH +
H2O
Br
Mfenolu = 94 g/mol M (Br2) = 160 g/mol Mproduktu = 331 g/mol produkt
uboczny
Ile dodano bromu?
Masa roztworu = V x d = 300 cm3 x 1,12 g/cm3 = 336 g
Masa bromu w roztorze = cp x masa roztworu : 100% = 0,09 x 336g = 30,24 g
Zadanie 5
Do 4,7 g fenolu dodano 300 cm3 9% wody bromowej o gęstości
1,12 g/cm3. Otrzymano 15,8 g tribromofenolu. Oblicz wydajność
syntezy.
Br
Br OH + 3HBr
3 Br2
OH +
H2O
Br
Mfenolu = 94 g/mol M (Br2) = 160 g/mol Mproduktu = 331 g/mol produkt
uboczny
Ile dodano bromu?
Masa roztworu = V x d = 300 cm3 x 1,12 g/cm3 = 336 g
Masa bromu w roztorze = cp x masa roztworu : 100% = 0,09 x 336g = 30,24 g
Liczymy ilość moli każdego z substratów:
30,24g
nbromu = = 0,189 mola
nfenolu 4,7 g = 0,05 mola
=
94
g/mol 160g/mol
Z równania reakcji wynika, że reakcja przebiega w stosunku:
1 mol fenolu  3 mole bromu
Skoro mamy:
0,05 mola fenolu to niezbędne jest zgodnie ze stechiometrią równania
użycie 0,15 mola bromu, natomiast w reakcji zastosowano 0,189 mola
tego substratu  czyli użyto brom w nadmiarze.
Wydajność liczymy w stosunku do użytego fenolu.
Z 1 mola fenolu powstaje 1 mol produktu
z 94 g fenolu 331 g produktu
z 4,7 g (czyli 0,05 mola fenolu) powinno powstać 0,05 x 331 = 16,55 g
produktu.
W reakcji powstało 15,8g
Wydajność reakcji = (15,8 : 16,55) x 100% = 95,5%
W celach treningowych warto przerobić zadania na wydajność reakcji
zawarte w podręcznikach:
 Zbiór zadań treningowych z chemii organicznej rozdział XXII
podrozdział: Zadania związane z wydajnością procesu syntezy
oraz przed ostatnim sprawdzianem 6 i egzaminem z książki
 Ćwiczenia laboratoryjne z chemii organicznej zadania 1-5
znajdujące się na końcu rozdziału II.
Uwaga:
Zadania dotyczące wydajności reakcji będą
na sprawdzianie 6
podczas ćwiczeń (po wykonaniu syntezy aspiryny)
oraz
mogą być jednym
z pytań na egzaminie.