Chemia organiczna

Kolokwia

1. 15.11.2013

2. 17.01.2013

Poprawa: 24.01.2014

Chemia organiczna

Chemia związków węgla (proste związki węgla, nr. Tlenki węgla, węglany zalicza się do chemii nieorganicznych )

Węglowodory

Związki chemiczne zbudowane wyłącznie z C i H. Najprostszy węglowodór – metan CH₄

C_n­­­H_m

Szereg homologiczny

Szereg tego samego typu związków organicznych (np. węglowodorów), których cząsteczki różnią się między sobą o stałą grupę metylową (-CH₂-)

Homologi­ – człony szeregu homologicznego.

Szereg homologiczny alkanów

Ogólny wzór alkanów

C_nH2n + 2

Klasyfikacja węglowodorów

Węglowodory:

Węglowodory łańcuchowe normalne (alifatyczne)

Szkielet węglowy jest w postaci łańcucha

Rys.

Węglowodory rozgałęzione

Węglowodory alifatyczne, w których atomy węgla tworzą odgałęzienia od łańcucha głównego

Rys

Węglowodory rozgałęzione –

Nazywa się tak, jak węglowodory normalne z przedrostkiem izo- (sposób tradycyjny) lub od nazwy łańcucha głównego (sposób obecnie obowiązujący), np.

CH₃CHCH₃ 2 – metylopropan (izobutan)

CH₃

Węglowodory nasycone (alkany, parafiny)

Ich łańcuchy posiadają tylko wiązania pojedyncze między atomami węgla

Końcówka:	- an
Wzór ogólny:	CnH2n+2

Węglowodory nienasycone

Zawierają w cząsteczce jedno lub kilka wiązań podwójnych lub potrójnych między atomami węgla

Alkeny (oleiny, ...)

Węglowodory nienasycone zawierające jedno wiązanie podwójne między atomami węgla:

Końcówka -en

Wzór ogólny: C_nH_2n

Np. C₂H₆ ======> C₂H₄

etan eten

Alkeny (olefiny)

4 3 2 1

CH₃ – CH₂ – CH = CH₂ 1 – Buten

Alkiny (acetyleny)

Węglowodory nienasycone zawierające jedno wiązanie potrójne między atomami węgla:

Końcówka –yn

Wzór ogólny: C_nH_2n-2

C₂H₆====>C₂H₂

Etan etyn (acetylen)

Izomery

Związki chemiczne, które cząsteczki zawierają tę samą liczbę każdego z atomów, lecz inaczej uporządkowanych, a różniących się od siebie wzorem strukturalnym.

Izomeria łańcuchowa

Izomeria polegająca na różnicy w budowie łańcucha izomerów

Grupy alkilowe

Jednowartościowe grupy węglowodorowe utworzone z alkanów, symbol R; tzn.

C_nH_2n+2 => ‘’ C_nH_2n+1”

Alkan grupa alkilowa

Nazwa: -an => -yl

Przykładowe grupy alkilowe

Metan ( CH₄) => metyl, grupa metylowa ( -CH₃)

Etan ( C₂H₆) => etyl, grupa etylowa (-C₂H₅)

Propan (C₃H₈) => propyl, grupa propylowa (-C₃H₇)

Butan (C₄H₁₀) => butyl, grupa butylowa (-C₄H₉)

Zasady nazewnictwa

• Ustalenie nazwy najdłuższego łańcucha węglowego w cząsteczce

• Ustalenie położenia podstawników (np. grupy metylowej –CH₃). Położenia podstawników ustala się od końca wzoru takk, aby liczby przyjmowały najmniejsze wartości

• Podstawniki wymienia się alfabetycznie (np. butyl, etyl, metyl)

• Najpierw wymienia się podstawniki – fluorowce, a następnie podstawniki – alkilowe

• Liczby oznaczające opozycję podstawników w łańcuchy węglowym oddziela się od nazwy łącznikiem np. 3 – metylo

• Kilka jednakowych podstawników oznacza się przedrostkiem stanowiącym liczebniki: di (dwa), tri (trzy), tetra (cztery), a kolejne miejsca oddziela się przecinkami
  np. 2,3 – dimetylobutan

Alkany

Występowanie: gaz ziemny i ropa naftowa ( +skórka jabłek, liście kapusty, wosk pszczeli)

Stan skupienia: 1÷ 4 węgli- gazy,

5 ÷16 węgli- ciecze,

17 i więcej - ciała stałe

Polarność: brak dlatego nie rozpuszczają się w wodzie

Metan

Gaz bezbarwny, bez zapachu, słabo rozpuszczalny w wodzie, mało reaktywny ( podobnie jak inne alkany) w powietrzu spala się bladoniebieskim płomieniem ( reakcja silnie egzotermiczna):

CH₄ + 2O₂ => CO₂ + 2H₂O

W laboratorium otrzymuję sie z węgliku glinu:

Al₄C₃ + 12HCL => 4AlCl₃ + 3CH₄

Reakcje charakterystyczne alkanów

Do najbardziej charakterystycznej reakcji alkanów należy reakcje podstawienia nazywana też reakcją substytucji.

Przykłady reakcji substytucji

Metan i inne alkany reagują z niektórymi fluorowcami (łatwo – chlor, źle reaguje – brom)

(wskazane - podwyższenie temperatury, konieczne – naświetlanie promieniami ultrafioletowymi)

CH₄ => CH₃Cl => CH₂Cl₂ => CHCl₃ => CCl₄

Chlorometan dichlorometan trichlorometan(chloroform) tetrachlorometan

Węglowodory nienasycone

Wiązania podwójne (C=C) i potrójne (C≡C) są wiązaniami kowalencyjnymi (atomowymi). Jedna para elektronów tworzy wiązania dość trwałe, a pozostałe wiązania są słabe i łatwo zastępowalne wiązaniami pojedynczymi.

Związki o wiązaniach wielokrotnych są nietrwałe i łatwo wchodzą w reakcje chemiczne.

Alkeny (otrzymywanie)

1. Eliminacja wodoru z alkanów:
   
   

2. Eliminacja wodoru i chlorowca

3. Eliminacja wody z alkoholi
   

Etylen – gaz bezbarwny, przyjemny zapach, z powietrzem tworzy mieszaninę wybuchową.

Przykłady reakcji addycji

1. Odbarwienie wody bromowej

1. Przyłączenie chlorowodoru

2. Przyłączenie wodoru (uwodornienie)

https://edukator.pl/pix/users/Image/6plus/rys20885.gif

Przykłady reakcji polimeryzacji

Monomer

Związek małocząsteczkowy zdolny do polireakcji (do reakcji prowadzącej do powstania makrocząsteczki z dużej liczby cząsteczek małych) dzięki istnieniu w nim, co najmniej dwóch ośrodków reaktywnych (wiązań nienasyconych lub grup chemicznych

Polimer

Substancja która powstała z połączenie się (polimeryzacji) dwóch (dimer), trzech (trymer) lub bardzo wielu (często wielu tysięcy) prostych cząsteczek jednakowych (polimer) lub różnych (kopolimer) posiadająca odmienne właściwości chemiczne i fizyczne od substancji wyjściowych

Alkadieny, dieny

W przyrodzie występują związki zawierające więcej niż jedno wiązanie podwójne. Związki zawierające dwa wiązania podwójne nazywają się alkadienami (dienami), np.

CH₂=CH – CH=CH₂ 1,3 – butadien

Gaz służący do wyrobu sztucznego kauczuku, nylonu, jest składnikiem paliwa rakietowego

Butadien

CH₂=C-CH=CH₂

CH₃ 2 – metylo – 1,3 – butadien (tzw. Izopren)

(ciecz służy do otrzymywania sztucznego kauczuku)

CH₂=C – C=CH₂

CH₃ CH₃ 2, 3 – dimetylo – 1, 3 – butadien

Alkiny

Najprostszy alkin – tzw. Acetylen C₂H₂

Nazwa alkinów tworzy się od nazw alkanów: np.

C₂H₆ – etan => C₂

Izomeria położenia

W alkanach (podobnie jak w alkenach) występuję izomeria położenia (różne położenie potrójnego wiązania w łańcuchu węglowym) np

CH₃ – CH₂ – C ≡ CH 1 – butyn

CH₃ – C ≡ C – CH₃ 2 – butyn

Otrzymywanie acetylenu

1. W labolatoriach
   CaC₂ + 2H₂O => CH ≡ CH + Ca(OH)₂ węglik wapnia (karbid)

2. Przemysłowe:
   1500 STOPNI

2CH₄ ========> CH ≡ CH + 3H₂

Reakcje charakterystyczne alkinów

1. Reakcja addycja

2. Reakcja polimeryzacja

Identyczne jak alkenów

Przykład reakcji addycji

1. Odbarwienie wody bromowej

2. Przyłączenie wodoru (uwodornienie)

Przykład reakcji polimeryzacji

Chlorek winylu

Polichlorek winylu

Związki aromatyczne

Związki aromatyczne są to takie substancje organiczne, których cząsteczki mają budowę pierścieniową (cykliczną) i zawierają wiązania zdelokalizowane łączące wszystkie atomy tworzące pierścień

Klasyfikacja związków aromatycznych

Związki aromatyczne
Węglowodory aromatyczne (areny)

Węglowodory aromatyczne

Najproszym (najpopularniejszym) węglowodorem aromatycznym jest benzen C₆H₆

Kekule (1866) proponuje:

Reakcje benzenu

• Jeżeli benzen ejst węglowodorem nasyconym, to powinien reagować z Br₂ (+ hv) – reakcja nie przebiega

• Jeżeli benzen jest węglowodorem nienasyconym, to w reakcji addycji nie powinien wydzielić się HBr

Reakcja benzenu

Reakcja benzenu z Br₂ przebiega bez hv, ale wymaga katalizatora:

FeBr₃

C₆H₆ + Br₂ ============> C₆H₅Br + HBr

Opisana reakcja jest reakcją substytucji, typową dla węglowodorów nasyconych

Współczesna budowa

Węgle połączone wiązaniami podwójnymi, sekset (sześć) elektronowy tworzy chmurę elektronową wspólną dla wszystkich węgli, tzw. Wiązanie zdelokalizowane

Aryle (Ar)

Grupy węglowodorowe zawierające wolą wartościowość przy węglu perścienia aromatycznego

Np. Fenyl C₆H_{5 –} (z benzenu

Tolil

Kumenyl

Właściwości chemiczne benzenu

1. Reakcja podstawienia

   1. Podstawienie wodoru atomem chlorowca z alkanami reakcja przebiega bez katalizatora, ale w obecności światła, tzn. hv; z benzenem w obecności katalizatora, ale w ciemności

   2. Podstawienie wodoru grupą sulfonową (- SO₃H), tzw. reakcja sulfonowania
      

2. Reakcja uwodornienia (przebiega trudniej niż uwodornienie alkenów)

Homologi i pochodne benzenu

Homologi benzenu (alkilowe pochodne benzenu = arylowe pochodne alkanów)

1. Przykładowy szereg homologiczny
   

2. Przykładowe elementy szeregu homologicznego benzenu, odpowiedniki etylobenzenu – dimetylobenzeny (ksyleny)

18.10.2013

Właściwości toluenu

1. Toluen (podobnie jak benzen) trudno reaguje z Br₂, łatwo nitruje sie

1. Reakcja z Br₂

(górna reakcja ze światłem)

Naftalen (naftalina) C₁₀H₈

Inny niż benzen układ aromatyczny (elektrony zdelokalizowane obejmują wszystkie węgle)

O aromatyczności benzenu i naftalenu świadczą reakcjenitrowania i bromowania

Aromatyczne związki heterocykliczne

Związki zawierające w pierścieniu aromatycznym oprócz atomów węgla również atomy innych (hetero) pierwiastków (azotu, siarki lub tlenu)

WĘGLOWODORY W PRZYRODZIE

Gaz ziemny – mieszanina lekkich alkanów, przede wszystkim metanu (50% * 98%), etanu, propanu, butanu i trochę wyższych węglowodorów. Gaz ziemny zwykle towarzyszy ropie naftowej. Jest to surowiec dla przemysłu chemicznego i energetycznego.

Ropa naftowa – węglowodory + niewiele związków organicznych zawierających tlen i azot. 30% do 80% alkanów, cykloalkanów i węglowodorów aromatycznych.

Ropa naftowa

W ropie naftowej wyodrębniono ponad 300 związków chemicznych, ale stwierdzono, że jest ich kilka tysięcy. Ropa naftowa pochodzi z rozkładu przez bakterie anaerobowe szczątków roślin i zwierząt.

Węgle kopalne: kamienny, brunatny, antracyt

Węgiel kamienny: mieszanina 80 do 95% C;

4 do 5% H; 3 do 13% O; 0,3 do 0,7% S; 3 do 13% popiołu

Antracyt: do 97% C

Jednofunkcyjne pochodne węglowodorów

Związki jednofunkcyjne – jedna lub kilka jednakowych grup funkcyjnych.

Alkohole

Pochodne węglowodorów, w których grupa hydroksylowa połączona jest z węglem tetraedrycznym (węgiel tetraedryczny – atom węgla połączony z czterema innymi atomami)

Fenole

Pochodne węglowodorów, w których grupa hydroksylowa połączona jest z węglem pierścienia aromatycznego, np

Alkohol R – OH

Fenol Ar – OH

Alkohole

Elektroujemność pierwiastków grupy specyficznej alkoholi:

2,5 3,5 2,1

C ------> O <----- H

Widać silną polaryzację wiązań C – O oraz O – H w kierunku tlenu. Dlatego należy oczekiwać łatwego oderwania jonu H⁺ (przede wszystkim) i jonu OH^-

Alkohole można rozpatrywać jako hydroksylowe pochodne alkanów (1) lub alkilowe pochodne wody (2) – z tego powodu właściwości alkoholi są zbliżone do właściwości wody

1. R – H => R – OH

2. H – OH => R – OH

Rzędowość związków organicznych

Jest to pojęcie odróżniające atomy węgla w cząsteczce związku organicznego w zależność od tego, z iloma atomami węgla są one związane. Węglem pierwszorzędowym nazywamy taki który jest połączony tylko z jednym atomem węgla

Węgiel drugorzędowy jest połączony z dwoma atomami węgla, trzeciorzędowy – z trzema, czwartorzędowy – z czterema.

W zależności od tego, z jakim węglem związane są grupy funkcyjne, np. alkoholowa, mówimy o alkoholach pierwszo-, drugo- i trzeciorzędowych.

Właściwości chemiczne alkoholi

1. Cechy słabego kwasy

   1. Cechy kwasu (dodaje sole m. in. Z zasadami i litowcami):

   2. Cechy słabego kwau (sól tego kwasu i mocnej zasady ilega hydrolizie):

CH₃ – CH₂ – O^- + Na⁺ + => CH₃ – CH₂ – OH + Na⁺ + OH-

PO POMICIENIU JONÓW SODOWYCH Na+

CH3-CH2-O^-‑+H20 =>Ch3-Ch2

1. Cechy słabej zasady (jest to także reakcja podstawienia grupy OH chlorowcem):

   1. Cechy zasady (dodaje soe z kwasami)

CH₃ – CH₂ – OH + HBr => CH3 – CH2 – Br + H₂O

1. Cechy słabej zasady 9 sól tejzasady i mocnego kwasu ulega hydrolizie:

Ch3 – CH2⁺ + Br^- H2O => CH3 – CH2 – OH +H⁺ + Br^-

Po pominięciu jonów bromkowych Br

CH3 – CH2⁺ + H20 => CH3 – CH2 – OH +H⁺

1. Reakcja eliminacji

Reakcja ta była omawiana jako metoda otrzymywania etylenu

Szereg homologiczny alkoholi

Najpopularniejszym szeregiem homologicznym alkoholi jest szereg monohydroksylowych alkanów

• metanol CH₃OH n = 1

• etanol C₂H₅OH n = 2

• propanol C₃H₇OH n = 3

• butanol C₄H₉OH n = 4

• pentanol C₅H₁₁OH n = 5

• heksanol C₆H₁₃OH n = 6

• heptanol C₇H₁₅OH n = 7

• oktanol C₈H₁₇OH n = 8

• nonanol C₉H₁₉OH n = 9

• dekanol C₁₀H₂₁OH n = 10

Poczynając od propanolu –izomery. Porównywanie właściwości jest uzasadnione tylko dla związków o podobnej budowie, np dla alkoholi normalnych (prosty łańcuch + grupa OH na końcu łańcucha).

Otrzymywanie metanolu i etanolu

1. Metanol

   1. Dawniej metanol otrzymywano w suchej destylacji drewna (tzn. na drodze termicznego rozkładu drewna) – stąd dawna nazwa „spirytus drzewny”;

   2. Obecnie metanol otrzymuje się wyłącznie w syntezie chemicznej z CO i H₂

kat. 300 stopni i ciśnienie 25MPa

1. Etanol

   1. Etanol otrzymuje się na drodze fermentacji alkoholowej (etanolowej) glukozy (cukry redukującego) pod wpływem enzymów wytwarzanych przez drożdże

• Produktem fermentacji jest od 8 do 15% wodny roztwór etanolu, zawierający nieco innych alkoholi. Etanol oczyszcza się na drodze destylacji i rektyfikacji do (94,6% etanolu, dalej inne metody);

• Syntetycznie

Zastosowanie – metanol

Jeden z podstawowych półproduktów wielkiej syntezy organicznej; stosowany także jako rozpuszczalnik i składnik paliw.

Jest to związek bardzo silnie toksyczny – dawka powyżej 25g może być śmiertelna.

Zastosowanie – etanol

Stosowany do celów spożywczych, do produkcji octu, jako rozpuszczalnik (np. do otrzymywania ekstraktów z ziół), do kosmetyków, farb, w medycynie (np. do odkażania ran), jako paliwo.

Zastosowanie – alkohole wyższe

Alkohole zawierające od 3 do 5 węgli są stosowane jako rozpuszczalniki do farb, alkohole wyższe – jako detergenty.