Wykład 7
Wykład 7
Podstawy chemii organicznej
Hybrydyzacja sp3, sp2, sp
Budowa metanu, etanu, etenu i etynu
Nomenklatura alkanów
Konformacja alkanów
Podstawy chemii organicznej
Węgiel
Atom węgla posiada cztery elektrony walencyjne, dwa na
orbitalu 2s i po jednym na orbitalach 2px i 2py, orbital 2pz
jest pusty. Taka konfiguracja elektronowa wskazuje, że do
tworzenia wiązań dostępne są tylko 2 elektrony.
Podstawy chemii organicznej
Węgiel
Jeden z elektronów z orbitalu 2s podczas tworzenia
wiÄ…zania jest przenoszony na pusty orbital 2pz (promocja
elektronu  wzbudzenie go na wyższy poziom
energetyczny), co powoduje, że węgiel zyskuje cztery
niesparowane elektrony i może utworzyć cztery wiązania.
Konfiguracja elektronowa w
stanie podstawowym
Konfiguracja elektronowa w
stanie wzbudzonym
Podstawy chemii organicznej
Węgiel - hybrydyzacja orbitali
W stanie wzbudzonym orbital 2s i trzy orbitale 2p (2px, 2py, 2pz)
nakładają się na siebie (hybrydyzują). W efekcie powstają
cztery równocenne energetycznie orbitale zhybrydyzowane
sp3. Proces ten ma miejsce tylko podczas tworzenia wiązań i
jest nazywany hybrydyzacjÄ… orbitali.
http://zasoby1.open.agh.edu.pl/dydaktyka/chemia/a_e_chemia/1_3_budowa_materii/01_04_03_2b.html
Podstawy chemii organicznej
Węgiel - hybrydyzacja orbitali
Hybrydyzacja nakładanie się (mieszanie) orbitali
atomowych podczas tworzenia się wiązań, w wyniku czego
powstają orbitale zhybrydyzowane (różniące się kształtem i
energią od wyjściowych orbitali atomowych).
Ä™!“! Ä™!“! Ä™! Ä™!
C
1s 2s 2px 2py 2pz
Ä™!“! Ä™! Ä™! Ä™! Ä™!
C*
1s 2s 2px 2py 2pz
Ä™!“! Ä™! Ä™! Ä™! Ä™!
C*
1s sp3 sp3 sp3 sp3
http://iws.collin.edu/biopage/faculty/mcculloch/1406/outlines/chapter%204/Ma2-6.JPG
Podstawy chemii organicznej
Metan  wiÄ…zania Ã
W cząsteczce CH4, każdy z czterech orbitali
shybrydyzowanych sp3 nakłada się z orbitalem 1s
wodoru, w wyniku czego powstajÄ… cztery identyczne
wiązania à (o tej samej sile i długości).
http://www.chemtube3d.com/orbitalshybrid.html
Podstawy chemii organicznej
Metan
Metan  najprostszy zwiÄ…zek organiczny, czÄ…steczka ma
kształt tetraedru (czworościanu foremnego), z czterema
równocennymi wiązaniami C-H (kąty pomiędzy
wiÄ…zaniami wynoszÄ… 109°28 ').
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Methane-2D-dimensions.svg
http://www.earthtimes.org/pollution/scientists-
doubt-microbes-consumed-deepwater-horizon-
methane-plume/928/
Podstawy chemii organicznej
Wiązania węgiel-wodór
Wszystkie wiÄ…zania wÄ™giel-wodór sÄ… wiÄ…zaniami Ã, w
alkanach powstają poprzez nakładanie się orbitali sp3
węgla i orbitali s wodoru. Wiązania C-H są silne i trwałe.
Ãs hybrid
http://en.wikipedia.org/wiki/Sigma_bond
Podstawy chemii organicznej
Struktura etanu
Wiązania tworzone przez atomy węgla w cząsteczce etanu
(C2H6), jak również w innych alkanach każdy z atomów
może utworzyć cztery wiązania skierowane ku narożom
tetraedru.
http://en.wikipedia.org/wiki/Ethane
Podstawy chemii organicznej
Struktura etanu
Wiązanie węgiel-węgiel w etanie to wiązanie à stworzone
przez dwa nakładające się orbitale sp3. Także wiązania
wÄ™giel-wodór to wiÄ…zania à (orbital sp3 wÄ™gla i orbital s
wodoru).
http://www.chemguide.co.uk/basicorg/bonding/methane.html
Podstawy chemii organicznej
Struktura etanu
WiÄ…zanie à (powstaÅ‚e dziÄ™ki współosiowemu nakÅ‚adaniu
się orbitali atomowych ) łączące dwa atomy umożliwia
swobodny obrót.
http://chemwiki.ucdavis.edu/Organic_Chemistry/Organic_Chemistry_With_a_Biological_Emphasis/Chapter__1%3A_
Podstawy chemii organicznej
Budowa etenu
Dwa atomy węgla mogą dzielić dwie pary elektronów
podwójne wiązanie węgiel-węgiel.
Alkeny  węglowodory, których cząsteczki zawierają
wiązanie podwójne węgiel  węgiel.
Eten (inaczej etylen)  najprostszy alken.
https://sites.google.com/site/ed350201003/Task
Podstawy chemii organicznej
Budowa etenu
sp2 orbitals  orbital 1s miesza siÄ™ (hybrydyzuje) z dwoma
orbitalami 2p co prowadzi do powstania trzech orbitali sp2.
Jeden orbital 2p nie podlega hybrydyzacji.
http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/carey5e/Ch02/ch2-3-2.html
Podstawy chemii organicznej
Budowa etenu
Trzy orbitale sp2 orbitals są skierowane do wierzchołków
trójkÄ…ta równobocznego (kÄ…t pomiÄ™dzy nimi wynosi 120°).
http://personal.monm.edu/gebauer_peter/chem_230/Lect_pages/Bruice_jpgs&pgs/sp2_hybrids.html
Podstawy chemii organicznej
Budowa etenu
Podstawy chemii organicznej
Budowa etenu
" 4 wiązania C-H powstają poprzez oddziaływanie orbitali
sp2 węgla z orbitalem 1s wodoru (czerwone strzałki)
" jedno wiązanie C-C powstaje przez oddziaływanie
orbitali sp2 obu atomów węgla (zielona strzałka)
" Jedno wiązanie C-C powstaje przez oddziaływanie
orbitali p obu atomów węgla p (czarne strzałki)
http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/carey5e/Ch02/ch2-3-2.html
Podstawy chemii organicznej
Budowa etenu
Orbitale tworzÄ…ce wiÄ…zanie Ä„
http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/340/348272/wade_ch06.html
Podstawy chemii organicznej
Budowa etenu
Istnieje duża bariera energetyczna związana z rotacją
(obrotem) podstawników po obu stronach wiązania
podwójnego. Eten jest płaską cząsteczką.
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
l
m
t
h
.
2
0
h
c
_
e
d
a
w
/
2
7
2
8
4
3
/
0
4
3
/
s
t
c
e
j
b
o
/
a
i
d
e
m
/
s
p
w
/
m
o
c
.
l
l
a
h
n
e
r
p
.
s
p
w
/
/
:
p
t
t
h
Podstawy chemii organicznej
Budowa etenu
Wiązanie Ą nie podlega rotacji, ponieważ powstaje poprzez
boczne nakÅ‚adanie orbitali p. Obrót o 90°spowodowaÅ‚ by
przesunięcie orbitali p dwóch sąsiadujących atomów węgla
do położeń, w których nie mogą one już się wzajemnie
nakładać.
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
Podstawy chemii organicznej
Budowa etenu
Obecność wiązania Ą w cząsteczce powoduje, że sześć
atomów (dwa węgle wiązania i bezpośrednio związane z
nimi atomy) znajduje się w tej samej płaszczyz
nie.
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
Podstawy chemii organicznej
Izomeria cis-trans
" cis, Å‚ac. po tej samej stronie
" trans, Å‚ac. po drugiej stronie
http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/209cistrans.html
Podstawy chemii organicznej
Izomeria cis-trans
Izomeria cis-trans może wystąpić tylko wówczas, gdy dwie
grupy połączone z atomem węgla zarówno na jednym i
drugim końcu podwójnego wiązania różnią się od siebie.
http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/340/348272/wade_ch07.html
Podstawy chemii organicznej
Budowa etynu (acetylenu)
Dwa atomy węgla mogą dzielić trzy pary elektronów
potrójne wiązanie węgiel-węgiel.
Alkiny  węglowodory, których cząsteczki zawierają
wiązanie potrójne węgiel  węgiel.
Etyn (inaczej acetylen)  najprostszy alkin.
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
Podstawy chemii organicznej
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 podlegajÄ… hybrydyzacji.
http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/carey5e/Ch02/ch2-3-2.html
Podstawy chemii organicznej
Budowa etynu (acetylenu)
Orbitale sp zachowujÄ… wzglÄ™dem siebie kÄ…t 180°
http://personal.monm.edu/gebauer_peter/chem_230/Lect_pages/Bruice_jpgs&pgs/sp_hybrids.htm
Podstawy chemii organicznej
Budowa etynu (acetylenu)
" Obydwa atomy węgla są w stanie hybrydyzacji sp
" Dwa wiązania C-H powstają poprzez nałożenie orbitalu
sp węgla z orbitalem 1s wodoru (czerwone strzałki)
" wiÄ…zanie à C-C powstaje poprzez naÅ‚ożenie orbitali sp
pochodzących od obu atomów węgla (zielone strzałki)
" Dwa wiązania Ą C-C powstają poprzez oddziaływanie
dwóch par orbitali p od obu atomów węgla (czarne
strzałki)
http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/carey5e/Ch02/ch2-3-2.html
Podstawy chemii organicznej
Budowa etynu (acetylenu)
Potrójne wiązanie węgiel-węgiel składa się z jednego
wiÄ…zania à i dwóch wiÄ…zaÅ„ Ä„.
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
Podstawy chemii organicznej
Budowa etynu (acetylenu)
Wiązanie potrójne przypomina rodzaj walca o symetrii
osiowej. Swobodny obrót wokół osi łączącej atomy Ca" jest
a"C
a"
a"
możliwy.
http://personal.monm.edu/gebauer_peter/CHEM_230/Lect_pages/Bruice_jpgs&pgs/ethyne_hybrids.htm
Podstawy chemii organicznej
Budowa etynu (acetylenu)
Alkiny, zawierające wiązanie potrójne, w miejscu
występowania tych wiązań są liniowe.
http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/209alkynes.html
Podstawy chemii organicznej
Długość wiązań w etanie, etenie i etynie
Im większy udział orbitali s w nakładających się orbitalach
węgla tym krótsze wiązanie.
http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/340/348272/wade_ch09.html
Podstawy chemii organicznej
Typ Ilość orbitali Układ Kąty Ilość
hybrydyzacji tworzących przestrzenny między zhybrydyzowa-
hybrydÄ™ wiÄ…zaniami nych orbitali
sp jeden orbital s liniowy 180° dwa orbitale
typu sp
jeden orbital p
sp2 jeden orbital s Orbitale 120° trzy orbitale
skierowane typu sp2
dwa orbitale p
ku
wierzchołkom
trójkąta
foremnego
sp3 jeden orbital s Cztery 109°28 cztery orbitale
trzy orbitale p orbitale typu sp3
skierowane
ku
wierzchołkom
czworościanu
foremnego
Podstawy chemii organicznej
Hybrydyzacja orbitali węgla - podsumowanie
http://zasoby1.open.agh.edu.pl/dydaktyka/chemia/a_e_chemia/1_3_budowa_materii/01_04_03_2b.html
Podstawy chemii organicznej
Alkany - nomenklatura
" ogólny wzór alkanów CnH2n+2
" wszystkie izomery strukturalne sÄ… znane do nonanu C9H20,
" dekan C10H22  75 izomerów,
" eikozan C20H22  366 319 możliwych izomerów
http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/340/348272/wade_ch03.html
Podstawy chemii organicznej
Grupy alkilowe
Grupy alkilowe tworzymy z odpowiednich alkanów przez
odjęcie jednego wodoru. Grupy alkilowe nie są związkami
trwałymi, stanowią część większej cząsteczki. Nazwa alkilu
powstaje w wyniku zastąpienia zakończenia -an w nazwie
alkanu końcówką -yl.
http://www.chemorganiczna.com/organiczna/kurs/9-alkany.html?start=1
Podstawy chemii organicznej
Rzędowość atomu węgla
" liczba atomów węgla bezpośrednio połączonych z rozpatrywanym
atomem węgla w cząsteczce związku organicznego.
" reaktywność wiązań, jakie tworzy węgiel z atomami innych
pierwiastków w znacznym stopniu zależy od rzędowości atomu
węgla.
http://pl.wikibooks.org/wiki/Chemia_organiczna/Alkany/Grupy_alkilowe._Rz%C4%99dowo%C5%9B%C4%87_atom%C3%B3w_w%C4%99gla
Podstawy chemii organicznej
Konformacja alkanów
Konformacje - różne układy atomów w obrębie cząsteczek,
powstające w wyniku obrotów dokoła osi wiązań.
projekcja
Newmana
projekcja
konikowa
(koziołkowa)
Konformacja Konformacja
naprzemianległa naprzeciwległa
Podstawy chemii organicznej
Konformacja alkanów
http://www.chemmix.edu.pl/artnet/index.php?s1=02&s2=004&s3=006
nad powierzchniÄ… kartki pod powierzchniÄ… kartki
Podstawy chemii organicznej
Konformacja alkanów
Poszczególne konformacje różnią się energią, różnica energii konformeru
naprzeciw- i naprzemianległego wynosi ok. 12 kJ/mol i stanowi barierę
swobodnej rotacji w czÄ…steczce etanu. Energia ta nazywana jest
naprężeniem torsyjnym. Im naprężenie torsyjne jest większe, tym
prawdopodobieństwo odchylenia od struktury najniżej energetycznej
jest mniejsze.
http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/340/348272/wade_ch03.html
Podstawy chemii organicznej
Konformacja alkanów
Konformery n-butanu mają swoje nazwy w zależności od kąta, jaki
zawarty jest pomiÄ™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
synperiplanarna synklinalna antyklinalna antyperiplanarna
~0.01% ~30% ~0.6% ~69%
http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/340/348272/wade_ch03.html
Podstawy chemii organicznej
Konformacja alkanów
Stereoizomery - zwiÄ…zki o
tym samym wzorze i tych
samych wiÄ…zaniach
chemicznych, różniące się
budowÄ… przestrzennÄ….
Konformery
(stereoizomery
konformacyjne) -
przekształcają się w siebie
na skutek obrotu jednej
http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/sterisom.htm
części cząsteczki względem
drugiej.
Podstawy chemii organicznej
Konformacja alkanów
antyperiplanarna
synperiplanarna synperiplanarna
~69%
~0.01% ~0.01%
http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/340/348272/wade_ch03.html
Podstawy chemii organicznej
Konformacja alkanów
Konformacje naprzeciwlegÅ‚e (120°i 0°) s Ä… mniej trwaÅ‚e od
naprzemianlegÅ‚ych (180°i 60°). Oprócz napr ężenia
torsyjnego występuje też inne - naprężenie steryczne.
Powstaje ono, kiedy grupy funkcyjne fizycznie sobie
przeszkadzajÄ… zachodzÄ…c na siebie.
http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/340/348272/wade_ch03.html
Dziękujęza uwagę