WYKŁAD PIERWSZY

CHEMIA BIOORGANICZNA

CZ.1

NOTATKI DO WYKŁADU

ATOM

Chemia

• Chemia, jedna z podstawowych nauk przyrodniczych, zajmująca się właściwościami i strukturą pierwiastków i związków chemicznych oraz przemianami, którym one ulegają,

Chemia

• Chemia zajmuje się warunkami wpływającymi na kierunek, szybkość i zasięg tych przemian

• oraz towarzyszącymi im efektami energetycznymi i stosunkami ilościowymi mas substancji biorących udział w reakcji chemicznej.

Chemia

• Termin przemiany - oprócz reakcji chemicznych obejmuje też procesy fizyczne, takie jak parowanie, topnienie, przemiany polimorficzne, dyfuzję.

• 
  Chemia jest nauka doświadczalną.
  
  

Chemia

• Rozwój nowoczesnej chemii datowany jest od momentu sformułowania przez A.L. Lavoisiera i niezależnie M.W. Łomonosowa prawa zachowania masy pod koniec XVIII w.

Chemia

• Dzięki intensywnemu rozwojowi badań chemicznych w wiekach następnych, prowadzonych coraz częściej z zastosowaniem nowoczesnych metod fizycznych,

Chemia

• odkryto w tym okresie prawa chemiczne o fundamentalnym znaczeniu, opisano liczne przemiany i zjawiska fizykochemiczne, a liczba poznanych obecnie związków chemicznych wynosi ok. 15 mln.
  

Chemia organiczna

Chemia organiczna

• Do największych osiągnięć chemii organicznej w XX w. należy: rozwój chemii polimerów,

• zastosowanie związków metaloorganicznych w procesach polimeryzacji,
  

• zbadanie roli karbokationów w reakcjach węglowodorów,

Chemia organiczna

• zapoczątkowanie i rozwój chemii supramolekularnej,

• zastosowanie związków boru i fosforu,

• synteza całkowita związków ważnych biochemicznie (np. heminy, chlorofilu, strychniny, cholesterolu, witamin).
  

Biochemia

• Biochemia, chemia biologiczna, chemia fizjologiczna, nauka badająca skład chemiczny organizmów żywych zachodzące w nich procesy metaboliczne oraz mechanizmy przechowywania, przekazywania i ekspresji informacji genetycznej.

Biochemia

• Biochemia opisuje i wyjaśnia na poziomie molekularnym chemiczne podstawy życia, starając się również wyjaśnić, jak powstało życie.
  
  

Biochemia

• Do największych osiągnięć biochemii należy odkrycie struktury kwasów nukleinowych i białek,

• wyjaśnienie mechanizmów działania genów,

• poznanie głównych szlaków metabolicznych,
  

Biochemia

• odkrycie układów molekularnych odpowiedzialnych za magazynowanie energii,

reagowanie na bodźce, przetwarzanie informacji.

• Termin biochemia wprowadził w 1903 C. Neuberg.
  
  

Biochemia sportu

• Biochemia sportu, dział biochemii zajmujący się procesami przemian zachodzącymi w organizmie podczas treningu sportowego.

Biochemia sportu

• Badania te mają na celu określenie efektywności obciążeń treningowych, wywołanych przez nie zmian i zbadanie przebiegu procesów adaptacyjnych do obciążeń.

Biochemia sportu

• Celem badań jest prognozowanie wzrostu wydolności organizmu, wykrywanie stanów patologicznych, przemęczenia i przetrenowania.

Biochemia sportu

• Biochemia sportu pomaga w opracowaniu skutecznych metod sterowania treningiem badając skutki obciążeń fizycznych, przebieg procesów odnowy biologicznej i stan odżywienia organizmu.

• Badaniami biochemicznymi dla potrzeb sportu kultury fizycznej zajmują się akademie wychowania fizycznego.

Kwasy

• Kwasy to związki chemiczne typu elektrolitów ,które podczas dysocjacj elektrolitycznej rozpadaja się na proton H⁺ i anion reszty kwasowej zgodnie z równaniem reakcji HA ===== H+ =A-

Zasady

• Według teorii Arrheniusa

• Zasady to związki typu elektrolitów ulęgające dysocjacji na jony wodorotlenowe OH-

• Według teorii Bronsteda -Lowrego

• Zasady to związki akceptory protonów.

• Według teorii Lewisa

• Zasady to substancje będące donorem pary elektronów.

Sole

• Sole są to tzw. elektrolity mocne, czyli związki roztworów o budowie jonowej, które otrzymuje się roztworów wyniku reakcji

• kwasów z zasadami,

• metali z kwasami,

• zasad z bezwodnikami kwasowymi,

• kwasów z tlenkami metali,

• zasad z tlenkami niemetali

IZOMERIA

• izomeria przestrzenna

• izomeria geometryczna

• izomeria cis-trans

• izomeria syn-anti

• izomeria konformacyjna

• izomeria optyczna

• izomeria strukturalna

• izomeria położeniowa

• izomeria łańcuchowa

• izomeria podstawienia

• izomeria budowy

• izomeria koordynacyjna

• izomeria jonowa

Izomeria

• Izomeria, występowanie różnych związków chemicznych o jednakowym wzorze sumarycznym.

• Związki takie noszą nazwę izomerów.

• Cząsteczki izomerów posiadają odmienną strukturę (wzory strukturalne) i odmienne własności fizyczne i chemiczne.

• Rozróżnia się następujące rodzaje izomerii:

• 1) izomeria przestrzenna (stereoizomeria) spowodowana różną konfiguracją atomów lub podstawników w cząsteczkach:

Izomeria

• Cząsteczki izomerów posiadają odmienną strukturę (wzory strukturalne) i odmienne własności fizyczne i chemiczne.

• Rozróżnia się następujące rodzaje izomerii:

• izomeria przestrzenna

• (stereoizomeria) spowodowana różną konfiguracją atomów lub podstawników w cząsteczkach:

Izomeria
izomeria geometryczna

• Jest spowodowana zahamowaniem rotacji wokół wiązania podwójnego lub pojedynczego (w ostatnim przypadku z powodu przeszkód przestrzennych) albo różną konfiguracją tych samych ligandów wokół jonu centralnego.

Izomeria

• Izomery noszą nazwę diastereoizomerów, nie zachodzi dla nich relacja przedmiotu i odbicia w lustrze;

Izomeria
Izomeria cis-trans

• izomer cis posiada (nieidentyczne) podstawniki -- po tej samej stronie wiązania podwójnego lub płaszczyzny pierścienia,

• izomer trans - po przeciwnych stronach.

Model cis-2-butenu

Model trans-2-butenu

Izomeria
izomeria syn-anti ; izomeria konformacyjna

• Izomeria syn-anti jest odpowiednikiem izomerii cis-trans, dla wiązań C=N i N=N. Przykłady: oksymy;

• Izomeria konformacyjna - cząsteczki izomerów konformacyjnych (konformerów) występują w różnych konformacjach.

• Przykłady: n-butan, cykloheksan;

Izomeria
izomeria optyczna , izomeria strukturalna , izomeria położeniowa

• Izomeria optyczna (lustrzana), cząsteczki izomerów wykazują chiralność.

• Przykłady: kwas mlekowy, aldehyd glicerynowy.

• Izomeria strukturalna spowodowana różną kolejnością łączenia się atomów lub podstawników albo występowaniem różnych wiązań między nimi:

• Izomeria położeniowa wynika z odmiennej pozycji wyróżnionego wiązania w cząsteczkach izomerów, np.: but-1-en i but-2-en;

Izomeria
izomeria łańcuchowa , izomeria podstawienia

• Izomeria łańcuchowa,

• spowodowana występowaniem cząsteczek w formie łańcuchów prostych i rozgałęzionych, np.: n-pentan i 2-metylobutan;

• Izomeria podstawienia

• spowodowana różnym rozmieszczeniem podstawników w stosunku do łańcucha lub pierścienia cząsteczkowego, np.: 1-chloropropan i 2-chloropropan oraz 1,2-dimetylobenzen i 1,3-dimetylobenzen.

Izomery butanu

Model izomeru butanu

Izomeria
izomeria budowy (funkcyjna) , izomeria koordynacyjna, izomeria jonowa

• Izomeria budowy (funkcyjna) - izomerami są związki posiadające różne grupy funkcyjne, np.: etanol i eter dimetylowy;

• Izomeria koordynacyjna - różny skład kationów i anionów kompleksowych, np. [Co(NH3)6][Cr(CN)6] i [Cr(NH3)6][Co(CN)6],

• Izomeria jonowa - występowanie pewnych grup jako ligandów w kompleksowym kationie lub jako samodzielnych anionów, np.: [Co(NH3)5Br]SO4 i [Co(NH3)5SO4]Br.

Wzory i modele alkoholu etylowego oraz eteru dimetylowego

Wzory perspektywiczne etanu

Wzory perspektywiczne etanu

Wzory perspektywiczne etanu

Wzór projekcyjny Newmana

Ułożenie cząsteczki w celu zapisania jej w projekcji Fischera

Wzory Fischera

• Cząsteczkę należy ustawić pionowo

• Atom (atomy) centralny znajduje się w płaszczyźnie papieru

• Atomy leżące powyżej i poniżej atomu centralnego znajdują się pod płaszczyzną papieru

• Atomy leżące z lewej i z prawej strony atomu centralnego znajdują się nad płaszczyzną papieru

• Atom o najniższym lokancie znajduje się u góry

Ułożenie cząsteczki w celu zapisania jej w projekcji Fischera

• Linia pogrubiona oznacza wiązanie skierowane od płaszczyzny papieru do obserwatora

• Linia przerywana oznacza wiązanie skierowane za płaszczyznę papieru, od obserwatora

• Linia normalna oznacza wiązanie w płaszczyżnie rysunku

• Linia falista oznacza wiązanie, którego kierunek nie został, lub nie może być zdefiniowany

Wzory strukturalne Kekulego

Wzory szkieletowe

Wzory szkieletowe

Rysunek stereoskopowy 1-chloro-1-jodoetanu

Chiralność

• Jest to zjawisko występowania izomerii geometrycznej, polegającej na istnieniu odmian, które mają się do siebie jak odbicia lustrzane (lewa i prawa ręka) i nie da się ich nałożyć na siebie.

• Cząsteczki chiralne zawierające asymetryczny atom węgla (atom połączony z czterema różnymi podstawnikami) są najczęściej związkami optycznie czynnymi, tzn. powodują skręcenia płaszczyzny światła spolaryzowanego.

Asymetyczny atom węgla

POLARYMETR do określania aktywności optycznej związków chemicznych A solution of an optically active isomer rotates the plane of the polarized light by a characteristic amount.

Wiązania wodorowe pomiędzy aldehydu i wodą oraz ketonu i wodą

Model wiązania wodorowego

Wiązanie wodorowe

• Jest to forma łączenia się cząsteczek (także w roztworach), pośrednia między oddziaływaniem dipolowym a słabym wiązaniem atomowym.

• Występuje w przypadku cząsteczek posiadających wodór związany z silnie elektroujemnym pierwiastkiem, w atomie którego występują wolne pary elektronowe (N, O, S,..).

• Spolaryzowany dodatnio wodór jednej cząsteczki oddziałuje z ujemno naładowanym atomem, donorem pary elektronowej, tworząc wiązania wodorowe.

• Siły wiązań wodorowych są na tyle słabe, że w roztworach rozpadają się pod wpływem rozcieńczania, są jednak na tyle silne, że wyraźnie manifestują swoją obecność poprzez zmianę właściwości fizykochemicznych i fizycznych substancji

Wiązania wodorowe w wodzie

Struktura aminy - wiązania wodorowe

Model dimetyloaminy i wiązania wodorowe pomiędzy nimi

Dysocjacja

• Dysocjacja, rozpad cząsteczek związku chemicznego na atomy, jony, prostsze cząsteczki lub wolne rodniki.
  
  1) Dysocjacja jonowa jest rozpadem elektroobojętnych cząsteczek elektrolitu na jony ( aniony i kationy).

• Dysocjacja jonowa jest procesem równowagowym, stała dysocjacji jonowej nie zależy od stężenia elektrolitu.
  
  

Dysocjacja

• 
  Stopień dysocjacji elektrolitycznej dla danego elektrolitu w roztworze (α), definiowany jako stosunek liczby zdysocjowanych cząsteczek elektrolitu do ogólnej liczby cząsteczek elektrolitu wprowadzonych do roztworu,

• Stopień dysocjacji wpływa na wartość przewodnictwa elektrycznego roztworu i jest podstawą klasyfikacji elektrolitów na mocne (α≅1) i słabe (α«1).
  
  

Dysocjacja

• Stopień. dysocjacji elektrolitycznej zależy od rodzaju elektrolitu i rozpuszczalnika, stężenia roztworu, temperatury oraz siły jonowej roztworu.
  
  2) Dysocjacja termiczna następuje pod wpływem odpowiednio wysokiej temperatury, ulegają jej wszystkie związki chemiczne.

Wolne rodniki

• Wolne rodniki, rodniki, cząsteczki lub jony zawierające co najmniej jeden niesparowany elektron.

• Wykazują właściwości paramagnetyczne oraz (na ogół) bardzo dużą aktywność chemiczną.

Wolne rodniki

• Wolne rodniki mogą być obojętne elektrycznie (NO● - tlenek azotu(II), nitrozyl), posiadać ładunek ujemny (anionorodniki, np. anionorodnik ponadtlenkowy O2●-), lub dodatni (kationorodniki, np. kationorodnik benzenu C6H6●+).
  

Wolne rodniki

• Reakcje chemiczne z udziałem wolnych rodników noszą nazwę reakcji wolnorodnikowych (np. reakcje polimeryzacji, chlorowanie, reakcje fotochemiczne).

Wolne rodniki

• Są to reakcje łańcuchowe, które ulegają przerwaniu wskutek rekombinacji, dysproporcjonowania i rozpadu wolnych rodników.

• Do nielicznych rodników stosunkowo biernych chemicznie należy rodnik trifenylometylowy.
  
  

Wolne rodniki

• Wolne rodniki powstają wskutek rozerwania wiązania między atomami węgla lub innymi atomami.

• Wolne rodniki można również otrzymać przez bezpośrednią syntezę.
  

Wolne rodniki

• Rozerwanie wiązania może nastąpić pod wpływem ogrzewania, podczas naświetlania próbek nadfioletem lub promieniowaniem jonizującym, wyładowań elektrycznych, niektórych enzymów albo działania ultradźwiękami na niektóre związki chemiczne.

Wolne rodniki

• W organizmach żywych wolne rodniki (związki tlenowe) spełniają rolę reaktywnych związków chemicznych.

• Poziom wolnych rodników w tkankach biologicznych wyznacza się najczęściej metodą "pułapkowania spinu elektronowego", stanowiącą rozszerzenie możliwości analitycznych spektrometrii elektronowego rezonansu paramagnetycznego.
  
  

Wolne rodniki

• 
  Tzw. pułapki spinowe (najczęściej nitrony lub związki nitrozowe) tworzą z wolnymi rodnikami bardziej trwałe addukty, mające charakterystyczne widmo.

• W chemii organicznej pojęcie rodniki odnosi się także do produktów homolitycznego rozerwania wiązania kowalencyjnego.

Reakcja chemiczna

• Reakcja chemiczna jest to proces przejścia jednych substancji w drugie.

• Substancje przed procesem chemicznym nazywa się substratem ,a po skończonej reakcji chemicznej nazywa się produktem.

• Aby reakcja chemiczna mogła przebiec musi być pobrana lub wydzielona energia.

Reakcja chemiczna

• Reakcja endoenergetyczna to taka reakcja kiedy do jej przebiegu musi być dostarczona energia.

• Bilans energetyczny jest wtedy ujemny .

• Reakcja egzoenergetyczna to proces kiedy reakcja chemiczna jest związana z wydzieleniem energii.

Reakcja chemiczna

• Efekt energetyczny jest wtedy dodatni.

• Reakcją chemiczna jest to, więc każdy proces, w wyniku, którego następuje zrywanie i powstawanie nowych wiązań chemicznych

Podział reakcje chemicznych.

• Reakcje chemiczne można podzielić na trzy kilkanaście typów.

• 1.Reakcje typu syntezy

• 2. Reakcje typu analizy

• 3. Reakcje typu wymiany

• 4. Reakcje typu homogenicznego

• 5. Reakcje typu heterogenicznego

• 6. Reakcje typu jonowego

• 7. Reakcje typu rodnikowego

• 8. Reakcje typu prostego

• 9. Reakcje typu złożonego

TYPY REAKCJI CHEMICZNYCH

• 1 Reakcja syntezy to typ reakcji chemicznej kiedy produkt reakcji powstaje z substratów o budowie prostej

• 2 Reakcje typu analizy dzielą się na analizę jakościową i analizę ilościowa składników w mieszaninie czy też związku chemicznym. Klasyczna metoda analizy chemicznej ilościowej obejmuje metody wagowe i objętościowe.

• Klasyczna analiza chemiczna jakościowa polega na przeprowadzaniu prób chemicznych, które sa reakcjami charakterystycznymi na dany składnik.

TYPY REAKCJI CHEMICZNYCH

• 3 Reakcja typu wymiany to reakcja chemiczna, podczas której następuje zamiana jednego atomu lub jonów na inne pod działaniem np. metalu na sól.

• Rozróżniamy reakcje wymiany pojedyncza i podwójna.

• Reakcja podwójna zachodzi wtedy, kiedy przemieszczenie atomów lub jonów zachodzi pomiędzy dwoma reagentami.

• 4 Reakcje typu homogenicznego zachodzą wtedy, kiedy reagenty znajdują się w jednej fazie.

TYPY REAKCJI CHEMICZNYCH

• 5. Reakcje typu heterogenicznego zachodzą wtedy, kiedy reagenty tworzą kilka faz.

• 6 Reakcje typu prostego to reakcje chemiczne, kiedy powstaje tylko jedno wiązanie chemiczne.

• 7 Reakcje typu złożonego to reakcje chemiczne, kiedy powstaje wiele wiązań chemicznych.

• Każda reakcja złożona składa się z części elementarnej tj. reakcji prostych.

Rodzaje reakcji złożonych

• Większość wszystkich reakcji chemicznych, jakie zachodzą w przyrodzie to reakcje typu złożonego.

• Reakcje złożone dzielimy na reakcje addycji, reakcje substytucji oraz reakcje eliminacji.

• Reakcje addycji to inaczej reakcje przyłączenia.

• Reakcje tego typu polegają na przyłączeniu cząsteczki np. chlorowca do alkenu lub alkinu.

Rodzaje reakcji złożonych

• W wyniku rozerwania wiązania typu Pi w miejsce to wchodzi chlorowiec.

• Jeżeli reakcja addycji dotyczy alkenów lub alkinów to nie wymaga użycia katalizatora., który musi być obecny w reakcji addycji z udziałem arenu.

Rodzaje reakcji złożonych

• Reakcja typu substytucji czyli podstawienia jest to reakcja zamiany atomu lub grupy atomów w cząsteczce związku chemicznego (organicznego) przez inny atom lub grupę atomów.

Rodzaje reakcji złożonych

• Reakcja substytucji może przebiegać według mechanizmu wolnorodnikowego. elektrofilowego lub nukleofilowego.

• Rodzaj mechanizmu reakcji substytucji uzależniany jest od czynnika atakującego

Rodzaje reakcji złożonych

• Reakcje typu eliminacji polegają na usunięciu atomów z cząsteczki związku chemicznego.

• W wyniku reakcji eliminacji otrzymuje się np. alkeny z halogenów

REAKCJA ŁAŃCUCHOWA

• reakcja łańcuchowa - reakcje złożone z powiązanych ze sobą i kolejno następujących po sobie procesów.

REAKCJA ŁAŃCUCHOWA

• Zaczynają się reakcją inicjującą, po niej następują kolejne, najczęściej kilkuetapowe procesy, w których odtwarza się czynnik inicjujący, i które trwają aż do momentu zaniku substratów lub wygaśnięcia procesu z powodu dezaktywacji czynnika inicjującego

REAKCJA ŁAŃCUCHOWA

REAKCJA DYSPROPORCJONOWANIA

• Często występuje w grupie aldehydów (R—CHO).

• Dwie cząsteczki aldehydu reagują między sobą, przy czym jedna utlenia się do kwasu kosztem drugiej, która redukuje się do alkoholu:

• R-CHO + R-CHO + H2O = R-CH2OH + R-COOH

• lub: 4S0 = 3S₂^- + S₆⁺

Podstawniki I i II rodzaju

• Klasyfikacja podstawników pierścienia aromatycznego oparta na kryterium elektroujemności podstawnika względem elektroujemności pierścienia aromatycznego. 

Podstawniki I i II rodzaju

• Podstawniki I rodzaju  to takie, których elektroujemność jest mniejsza od elektroujemności pierścienia i w związku z tym część ładunku ujemnego podstawnika zostaje przeniesiona do pierścienia aromatycznego (najczęściej główna część ładunku pochodzi z tzw. wolnych par elektronowych).

Podstawniki I i II rodzaju

• Podstawniki II rodzaju  to takie, których elektroujemność jest większa od elektroujemności pierścienia i w związku z tym część ładunku ujemnego pierścienia aromatycznego zostaje przeniesiona do podstawnika.

Podstawniki I rodzaju i Podstawniki II rodzaju

Podstawniki I rodzaju i Podstawniki II rodzaju

Substytucja elektrofilowa i nukleofilowa

• Substytucja (reakcja podstawienia) elektrofilowa SE występuje wówczas, gdy czynnik podstawiający się ma charakter kationu (np. jon nitroniowy NO2+ ) i "szuka" w cząsteczce miejsca o dużej gęstości ładunku ujemnego (jest elektrofilowny).

Substytucja elektrofilowa i nukleofilowa

• W przypadku przeciwnym, gdy atakujący element ma nadmiar ładunku ujemnego i atakuje w cząsteczce miejsca o obniżonym ładunku ujemnym ("odsłonięte" jądro atomowe - nucleus ) mówimy o substytucji nukleofilowej SN.

Substytucja elektofilowa ,
Substytucja nukleofilowa

Reakcje substytucji nukleofilowej

• Reakcja substytucji, reakcja podstawienia, reakcja wymiany atomu lub grupy atomów w cząsteczce związku chemicznego na inny atom lub grupę.

Reakcje substytucji nukleofilowej

• W chemii organicznej wyróżnia się:

• 1) reakcję substytucji nukleofilowej (skrót SN, zachodzi pod wpływem odczynnika nukleofilowego - „lubiącego” ładunki dodatnie); reakcji SN1 przebiega w dwóch etapach (z utworzeniem w etapie pierwszym karbokationu) - z substratów chiralnych powstają mieszaniny racemiczne;

Reakcje substytucji nukleofilowej

• reakcja SN2 przebiega jednoetapowo - powstawanie produktu połączone jest z inwersją konfiguracji;

• wzrost stężenia i mocy reagenta nukleofilowego,

Reakcje substytucji nukleofilowej

• spadek rzędowości atomu węgla w halogenku alkilu i zmniejszenie polarności rozpuszczalnika, sprzyja reakcji SN2;

• do reakcji SN zaliczamy m.in. amonolize, solwolize, kondensacje Claisena,

Reakcje substytucji elektrofilowej

• 2) reakcję substytucji elektrofilowej (skrót SE, zachodzi pod wpływem odczynnika elektrofilowego - „lubiącego” elektrony);

Reakcje substytucji elektrofilowej

• reakcje te przebiegają z reguły w układach aromatycznych;

• do reakcji SE zaliczamy m.in.:

• sulfonowanie, nitrowanie, alkilowanie i acylowanie,

Reakcja substytucji,

Przykłady:

• 1) podstawienie w miejsce bromu grupy wodorotlenowej w reakcji bromku t-butylu z wodorotlenkami (SN1),

• 2) podstawienie zamiast bromu grupy karboksylowej w reakcji 1,2-dibromoetanu z octanem potasu (SN2),

Przykłady:

• 3) wymiana wodoru w związkach aromatycznych podczas nitrowania, sulfonowania, chlorowcowania (SE2),

• 4) podstawienie w miejsce grupy wodorotlenowej chloru podczas reakcji alkoholi z chlorkiem tionylu (Sni).

Utlenianie

• Utlenianie, dezelektronacja, deelektronizacja, oksydacja to oddawanie elektronów przez substancje chemiczne, któremu towarzyszy zwiększenie stopnia utlenienia przynajmniej jednego atomu w tej substancji.

• Reakcja gwałtownego utleniania z wydzieleniem dużej ilości ciepła i światła nosi nazwę spalania.

Redukcja

• Redukcja, elektronacja, pobieranie elektronów przez substancje chemiczną.

• Redukcji towarzyszy zmniejszenie stopnia utlenienia przynajmniej jednego atomu w tej substancji.

• Redukcja zachodzi równocześnie z procesem utleniania.

• Łącznie reakcje utleniania i redukcji noszą nazwę reakcji redoks.

Stopień utlenienia

• Stopień utlenienia, pojęcie formalne określa hipotetyczny ładunek jaki posiadałby dany atom gdyby wszystkie wiązania występujące w danej cząsteczce lub jonie zawierającej ten atom, były wiązaniami o charakterze jonowym.
  
  

Stopień utlenienia

• Inne założenia to: stopień utlenienia pierwiastka w stanie wolnym jest równy zeru
  

• suma stopnia utlenienia pierwiastków tworzących obojętną cząsteczkę jest także równa zeru,

• a tworzących jon równa się ładunkowi jonu (wyrażonemu oczywiście w jednostkach elementarnych ładunku).
  
  

Stopień utlenienia

• Stopień utlenienia przypisany niektórym pierwiastkom w większości ich związków chemicznych jest zawsze ten sam, np. dla fluoru -I (zawsze w związkach),

• 
  dla tlenu -II,

• dla wodoru +I,

• dla litowców +I (zawsze w związkach),

• dla berylowców II.
  

Stopień utlenienia

• Przykład: HICl-I, MgIIO-II, (HI)2SVI(O-II)4 - siarka posiada stopień utlenienia VI ponieważ 2·I+VI+4·(-II)=0

Reakcja redoks,

• Reakcja redoks, reakcja elektronacji-dezelektronacji, reakcja utleniania i redukcji, reakcja chemiczna, w trakcie której następuje przekazanie jednego lub więcej elektronów między atomami.
  
  
  

Reakcja redoks,

• Związana jest z tym zmiana stopni utlenienia pierwiastków wchodzących w skład reagentów: maleje stopień utlenienia utleniacza (utleniacz przyjmuje elektrony, czyli ulega redukcji), wzrasta stopień utlenienia reduktora (reduktor oddaje elektrony, czyli jest utleniany).
  
  
  

Reakcja redoks,

• 
  Utlenianie i redukcja zachodzą łącznie. Reakcje redoks przebiegają we wszystkich ogniwach elektrochemicznych.
  
  Przykład - roztwarzanie magnezu w kwasie chlorowodorowym:
  
  Mg0+2HICl-I→MgIICl-I2+↑H02
  
  Mg0-2e→MgII - reakcja utleniania (magnez jest reduktorem)
  
  2HI+2e→H02 - reakcja redukcji (kationy wodorowe - hydron jest utleniaczem)

Hydroliza

• Hydroliza związków organicznych, reakcje związków organicznych z wodą, katalizowane często przez kwasy i zasady.
  

Hydroliza związków organicznych

Katalizator

• Katalizator, substancja, której obecność w układzie reagentów wywołuje zmianę szybkości reakcji chemicznej.

• Bierze udział w zachodzących reakcjach, jednakże tak, że pozostaje po ich zajściu w niezmienionej ilości i postaci chemicznej, w związku z czym nie pojawia się w sumarycznych równaniach opisywanych reakcji.
  
  

Katalizator

• 
  Substancje zwiększające szybkość są nazywane katalizatorami dodatnimi (lub skrótowo katalizatorami), zaś substancje hamujące daną reakcję zwane są jej inhibitorami (katalizatorami ujemnymi).

• Katalizatory dodatnie przyspieszają reakcje obniżając ich energie aktywacji poprzez zmianę drogi reakcji.
  
  

Katalizator

• 
  Znalezienie odpowiedniego dla danej reakcji katalizatora zazwyczaj nie jest łatwe i wymaga wielu badań laboratoryjnych.

• Rolę katalizatorów w licznych procesach biologicznych odgrywają enzymy (fermenty).

Reakcja katalityczna

• Reakcja katalityczna, reakcja, której szybkość jest modyfikowana obecnością katalizatora.

Reakcja diazowania

• Reakcja diazowania, reakcja pierwszorzędowych amin aromatycznych z kwasem azotowym(III) w temperaturze 0-5°C, w wyniku której powstają sole diazoniowe.

• Produktem reakcji są sole diazoniowe.
  
  Reakcja diazowania ma podstawowe znaczenie dla syntezy organicznej.

Reakcja egzoenergetyczna

• Reakcja egzoenergetyczna, reakcja chemiczna przebiegająca z wydzieleniem energii z układu reakcyjnego do otoczenia (ΔU<0).

• Jeśli energia jest wymieniana w postaci ciepła, reakcja egzoenergetyczna nosi nazwę reakcji egzotermicznej.

Reakcja egzotermiczna

• Reakcja egzotermiczna, reakcja chemiczna prowadzona przy stałej temperaturze i ciśnieniu (warunki izotermiczno-izobaryczne), podczas której następuje przekazanie energii z układu reakcyjnego do otoczenia na sposób ciepła.

• Entalpia reakcji egzotermicznej jest ujemna (ΔH<0).

Reakcja eliminacji

• 1) w chemii ogólnej oderwanie atomu lub jonu z cząsteczki związku chemicznego.
  
  
  2) w chemii organicznej reakcja odłączenia dwóch podstawników od atomu tego samego atomu węgla (α-eliminacja), od dwóch sąsiadujących z sobą atomów węgla (β-eliminacja) lub dwóch nie sąsiadujących z sobą atomów węgla w cząsteczce związku organicznego.
  
  

Reakcja eliminacji

• 
  Reakcja eliminacji może zachodzić jednoetapowo, bez przegrupowań wewnątrzcząsteczkowych, i odznaczać się kinetyką reakcji drugiego rzędu (reakcja eliminacji E2) lub dwuetapowo, z ewentualnym przegrupowaniem wewnątrzcząsteczkowym, wykazując kinetykę reakcji pierwszego rzędu (reakcja eliminacji E1).

• 
  

Reakcja eliminacji

• 
  Przykłady: dehydrohalogenacja 1-chloro-1-fenyloetanu (E2), dehydrohalogenacja trzeciorzędowych halogenków alkilowych (E1).
  
  Reakcją odwrotną do reakcji eliminacji jest reakcja addycji.

Reakcja Friedela-Craftsa

• Reakcja Friedela-Craftsa, reakcja substytucji elektrofilowej w pierścieniu aromatycznym, podczas której grupa alkilowa z halogenku alkilu lub grupa acylowa z halogenku acylu jest przenoszona do pierścienia.

Reakcja Friedela-Craftsa

• Rolę katalizatora spełnia kwas Lewisa (najczęściej AlCl3).
  Reakcja Friedela-Craftsa stanowi dogodną metodę syntezy alkilobenzenów lub ketonów.

Kondensacja aldolowa

• Kondensacja aldolowa, katalizowana zasadami kondensacja (tzn. reakcja zachodząca pomiędzy dwiema cząsteczkami,

• polegająca na odłączeniu się prostej cząsteczki, np. H₂O, i utworzeniu z pozostałych części reagujących cząsteczek - cząsteczki większej)

Kuczerowa reakcja

• Kuczerowa reakcja, reakcja przyłączenia cząsteczki wody do cząsteczki acetylenu (etynu), zachodząca w obecności katalizatora (siarczan(VI) rtęci(II), której produktem jest aldehyd octowy utleniany następnie do kwasu octowego.

• Wykorzystywana na skalę przemysłową do produkcji kwasu octowego (metoda Kuczerowa).

Reakcja odwracalna

• Reakcja odwracalna, reakcja, w trakcie której substraty przechodzą w produkty lub - po zmianie warunków reakcji - produkty reagują w kierunku wytworzenia substratów.
  

Reakcja odwracalna

• W znaczeniu potocznym reakcja odwracalna to taka reakcja, w której musi wystąpić odtwarzanie substratów przez reagujące ze sobą produkty.
  

REAKCJE ODWRACALNE

• reakcje odwracalne mogą przebiegać z podobną szybkością i wydajnością zarówno od substratów do produktów jak i odwrotnie.

REAKCJE ODWRACALNE

• W reakcjach, które można zaliczyć do reakcji odwracalnych ustala się po pewnym czasie stan dynamicznej równowagi, tzn. stężenia substratów i produktów osiągają takie wartości, że szybkość reakcji prostej i odwrotnej jest identyczna i wobec tego stężenia składników mieszaniny reakcyjnej są stałe.

REAKCJE ODWRACALNE

• Wzajemne relacje między stężeniami substratów i produktów w stanie równowagi opisuje stała równowagi reakcji odwracalnych.

Reakcja podwójnej wymiany

• Reakcja podwójnej wymiany, szczególny przypadek reakcji substytucji, podczas której dochodzi do wymiany atomów lub grup atomów jednocześnie w cząsteczkach dwóch związków chemicznych, np. BaCl₂+Na₂SO₄→2NaCl+BaSO₄.

Haloformowa reakcja

• Haloformowa reakcja, reakcja ketonów metylowych alifatycznych lub alifatyczno-aromatycznych z halogenami w środowisku zasadowym w wyniku, której powstaje kwas karboksylowy i haloform (zwykle jest to żółty osad CHJ3).
  
  Reakcja haloformowa wykorzystywana jest do identyfikacji ketonów oraz - rzadziej - do syntez.

Wurtza reakcja

• Wurtza reakcja, to reakcja chlorowcopochodnych węglowodorów alifatycznych z sodem, która prowadzi do powstania wyższych węglowodorów (składających się z reszt wyjściowych chlorowcopochodnych) oraz halogenków sodu.

Wurtza reakcja

• Przykładowo: z jodometanu można otrzymać etan

• 2CH₃-I + 2Na ® CH₃-CH₃ + 2NaI

• Reakcja Wurtza jest stosowana w preparatyce organicznej do syntezy symetrycznych alkanów R-R ( Wurtza i Fittiga reakcja).

Reakcja Würtza

• Gdy reakcja Würtza przebiega w mieszaninie kilku węglowodorów o różnej długości łańcucha otrzymujemy mieszaninę produktów powstałych przez przebieg reakcji elementarnych we wszystkich możliwych kombinacjach.

• Podobny efekt można otrzymać przez elektrolizę kwasów karboksylowych bądź ich soli.

Wurtza i Fittiga reakcja

• Wurtza i Fittiga reakcja, modyfikacja reakcji Wurtza.

• Substratami reakcji są chlorowcopochodna alifatyczna i chlorowcopochodna aromatyczna oraz metaliczny sód.

• Produktem reakcji jest pochodna alifatyczno-aromatyczny.

• Przykład: otrzymywanie etylobenzenu z bromobenzenu, bromoetanu i sodu.
  
  C₆H₅-Br + C₂H₅-Br + 2Na ® C₆H₅-C₂H₅ + 2NaBr

Sandmeyera reakcja

• Sandmeyera reakcja, reakcja soli diazoniowej z chlorkiem lub bromkiem miedzi(I), podczas której następuje wymiana grupy diazoniowej na atom chloru lub bromu: ArN gdzie: X - Cl, Br, CN.
  

• Sandmeyera reakcja stanowi dogodny sposób otrzymywania halogenków arylów (opracowana w 1884 przez chemika szwajcarskiego T. Sandmeyera).

Reakcja analizy

• Reakcja analizy, reakcja rozkładu, reakcja chemiczna podczas której z jednego substratu powstają co najmniej dwa produkty.

• Np. podczas reakcji termicznego rozkładu CaCO₃ powstaje CaO i CO₂.

Polimeryzacja

• Inny podział obejmuje polimeryzację addycyjną rodnikową,

• jonową (anionową - inicjowana przez zasady

• i kationową - inicjatorem jest kwas)

• oraz koordynacyjną (w przypadku stosowania katalizatorów Zieglera-Natty).

PAROWANIE ZASAD W PODWÓJNEJ SPIRALI

Karbokationy

• Karbokationy, jony, w których ładunek dodatni jest zlokalizowany na atomie węgla.

• Zostały zidentyfikowane jako produkty przejściowe w wielu reakcjach organicznych

Karboaniony

• Karboaniony, jony, w których ładunek ujemny jest zlokalizowany na atomie węgla.

• Stwierdzono, że stanowią one produkty pośrednie wielu reakcji w chemii organicznej.

Związki metaloorganiczne

• Metaloorganiczne związki to związki organiczne, w których atom węgla związany jest bezpośrednio z metalem.
  
  
  

Związki metaloorganiczne

• Do ważniejszych należą: związki litoorganiczne

• (np. etylolit C2H5Li),

• związki magnezoorganiczne ( Grignarda związki),

Związki metaloorganiczne

• Właściwości fizyczne związków metaloorganicznych oraz ich reaktywność zależą głównie od charakteru wiązania węgiel-metal występującego w ich cząsteczkach.
  
  

Związki chemiczne organiczne

• Związki chemiczne organiczne dzielą się na:

• — węglowodory,

• — związki zawierające tlen,

• — związki zawierające azot,

• — związki zawierające siarkę,

• — związki wielofunkcyjne,

• — polimery,

• — związki bioorganiczne.

Organiczne grupy funkcyjne

• O właściwościach chemicznych związków organicznych decydują w głównej mierze grupy funkcyjne.

• Grupy funkcyjne podlegają zazwyczaj tym samym reakcjom niezależnie od struktury reszty cząsteczki więc znając zachowanie danej grupy można łatwo przewidzieć zachowanie całej cząsteczki.

Lista grup funkcyjnych

Rzędowość atomów węgla

• Rzędowość atomów węgla, liczba atomów węgla bezpośrednio połączonych z rozpatrywanym atomem węgla w cząsteczce związku organicznego.

• Rzędowość atomów węgla może wynosić 1-4. Np. w 2,2,3-trimetylopentanie rzędowość atomów węgla oznaczono cyframi rzymskimi: (CIH3)3CIV-CIIIH(CIH3)-CIIH2-CIH3

Grupy funkcyjne w związkach organicznych

• Grupa funkcyjna jest pojedynczym atomem lub układem atomów w cząsteczce związku organicznego, nadającym mu odpowiednie właściwości chemiczne.

Grupy funkcyjne w związkach organicznych

• Jest to zarazem układ charakterystyczny dla struktury określonej klasy związków organicznych.

Grupy funkcyjne w związkach organicznych

• Obecność grup funkcyjnych stanowi więc podstawę klasyfikacji związków organicznych na halogenki alkilów, alkohole, aldehydy, kwasy karboksylowe, aminy, itd.

• Cząsteczka związku organicznego może zawierać jedną lub więcej grup funkcyjnych. Mogą one być identyczne lub różne.

Grupy funkcyjne w związkach organicznych

• Do ważniejszych grup funkcyjnych należą:

• atom fluorowca -X (X=F, Cl, Br, J)

• grupa hydroksylowa -OH

• grupa eterowa -C-O-C-

Grupy funkcyjne w związkach organicznych

• grupa aldehydowa -CHO

• grupa ketonowa >C=O

• grupa karboksylowa -COOH

• grupa estrowa -CO-O-

• grupa tiolowa -SH

• grupa sulfonowa -SO2OH

• grupa sulfinowa -SOOH

• grupa azowa -N=N-

• grupa nitrowa -NO2

• grupa nitrozowa -NO

• grupa nitrylowa -CN

• grupa aminowa -NH2

Grupy funkcyjne w związkach organicznych

• Obecność grup funkcyjnych odzwierciedla się także we właściwościach fizycznych związków organicznych.

• Na przykład dzięki obecności grupy -OH w cząsteczce alkoholi, wykazują one znacznie wyższe temperatury wrzenia i znacznie lepszą rozpuszczalność w wodzie w porównaniu z węglowodorami, od których się wywodzą.

Grupy funkcyjne w związkach organicznych

• Przyczyna tkwi w powstawaniu międzycząsteczkowych wiązań wodorowych w wodnych roztworach alkoholi, dzięki którym cząsteczki alkoholi ulegają zasocjowaniu oraz łączą się z cząsteczkami wody.

Grupy funkcyjne w związkach organicznych

• W miarę wzrostu łańcucha alifatycznego w kolejnych związkach szeregu homologicznego, grupa funkcyjna stanowi stopniowo coraz mniejszą część ich cząsteczki.

Grupy funkcyjne w związkach organicznych

• Towarzyszy temu stopniowa zmiana właściwości fizycznych tych związków, które upodabniają się do alkanów

• Na przykład wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej alkoholi maleje ich rozpuszczalność w wodzie.

Węglowodory

• Węglowodory, związki węgla z wodorem.

• W zależności od budowy cząsteczkowej rozróżnia się węglowodory:

Węglowodory

• 1) łańcuchowe, zwane również acyklicznymi lub alifatycznymi, które mogą być nasycone i nienasycone - zalicza się tu alkany, alkeny, alkiny, dieny, polieny,

Węglowodory

• 2) pierścieniowe, czyli cykliczne - należą do nich węglowodory cykloalifatyczne i aromatyczne.

METAN

ETEN

Alkany

• Alkany, parafiny, nasycone węglowodory alifatyczne, o ogólnym wzorze CnH₂n+2 (n - liczba naturalna).

• Alkany tworzą szereg homologiczny.

• Mogą tworzyć łańcuchy proste i rozgałęzione (odpowiednio nazywa się je n- lub izo-).

• Liczba izomerów alkanów jest bardzo duża, np. dla wzoru C₇H₁₆ wynosi 9, zaś dla C₁₉H₄₂-366 ; różnią się one właściwościami nieznacznie i ich rozdzielenie jest nieraz niemożliwe.

Alkany

• Pierwsze cztery alkany (mające w cząsteczce 1-4 atomów węgla) są gazami, następnych 11 cieczami, wyższe są ciałami stałymi.

• Ich cząsteczki są niepolarne.

• Alkany nie rozpuszczają się w wodzie.

Metan CH₄

Konformacje butanu

Wzory metanu,etanu i propanu

Izomery pentanu

Model propanu

Temperatury wrzenia i topnienia dla C1-C14 dla nierozgałęzionych alkanów rosną wraz ze wzrostem ciężaru atomowego.

Alkany

• W niższych temperaturach są obojętne chemicznie za odpowiedzialne są pojedyncze wiązania między atomami węgla o hybrydyzacji sp3.

• Ulegają reakcjom substytucji (podstawienia) za atom wodoru atomami fluorowców dając fluorowcopochodne alkanów.

Alkany

• W podwyższonej temperaturze (300-700οC) ulegają odwodornieniu, któremu towarzyszy skrócenie łańcuchów i utworzenie innych węglowodorów nasyconych, nienasyconych, aromatycznych ( kraking).

Alkany

• Reakcje alkanów mają na ogół mechanizm rodnikowy.

• Alkany otrzymuje się przez uwodornienie węglowodorów nienasyconych, redukcję chlorowcoalkanów wodorem lub jodowodorem, dekarboksylację soli kwasów karboksylowych i (laboratoryjnie) prowadząc reakcję Wurtza.

• Duże ilości alkanów występują w ropie naftowej.

Alkany, reakcje z innymi związkami

Alkany

• Pierwsze cztery nierozgałęzione węglowodory acykliczne nazywają się: metan, etan, propan, butan.

• Nazwy wyższych członów szeregu homologicznego tworzy się ze słownego rdzenia liczebnikowego (pochodzenia greckiego ) i przyrostka -an, opuszczając końcowe a.

• Ogólną nazwą acyklicznych, nasyconych węglowodorów jest alkan.

Alkany

• Obecność jednej lub kilku wolnych wartościowości utworzonych w wyniku utraty jednego lub kilku atomów wodoru z macierzystego wodorku (alkanu R-H) wskazuje się przyrostkami

NOMENKLATURA

NOMENKLATURA

• Nazwa systematyczna każdego związku składa się ze stałych, ściśle określonych członów, przy czym nie wszystkie muszą znajdować się w nazwie związku:

Nazwa systematyczna

WZORY

Alkeny

• Alkeny są nierozpuszczalne w wodzie ze względu na niepolarny charakter.

• Otrzymywanie: eliminacja H₂O z alkoholi, eliminacja HX z chlorowcoalkanów, eliminacja Hofmanna.

• Przemysłowe znaczenie mają: odwodornienie alkanów na katalizatorze CrO₃, kraking oraz częściowe uwodornienie alkinów.

Wzory i modele etylenu,acetylenu i benzenu

Modele propanu,propenu i propinu

Modele metanu,etylenu i acetylenu

Model acetylenu

Model etylenu

Model 1-butenu

Model 2-metylopropenu

ADDYCJA HBr do ALKENU

Otrzymywanie chlorku etylu z etylenu i chlorowodoru

Alkeny

• Alkeny łatwo ulegają polimeryzacji łańcuchowej o mechanizmie wolnorodnikowym.

• Podwójne wiązanie między atomami węgla o hybrydyzacji sp2 ( hybrydyzacja orbitali atomowych) jest przyczyną występowania izomerii położeniowej i izomerii geometrycznej cis-trans w ich cząsteczkach.

Alkeny

• Ze względu na obecność wiązania podwójnego łatwo ulegają addycji, np. wodoru, fluorowcowodorów, fluorowców czy wody

• Niewielkie ilości alkenów znajdują się w niektórych ropach naftowych, np. kanadyjskiej.

Hofmanna eliminacja

• Hofmanna eliminacja, rozkład (na skutek silnego ogrzewania) czwartorzędowych soli amoniowych, podczas którego powstaje alken, amina trzeciorzędowa ( aminy) i woda.
  
  Identyfikacja wydzielonego alkenu pozwala na ustalenie budowy wyjściowej aminy, poddanej uprzednio wyczerpującemu metylowaniu do zasady amoniowej

Alkeny, reakcje z innymi związkami

Alkiny

• Alkiny, acetyleny, nienasycone węglowodory alifatyczne, o ogólnym wzorze CnH₂n-2 (n jest liczbą naturalną większą od 1).

• Alkiny tworzą szereg homologiczny.

• Cząsteczka alkinów zawiera wiązanie potrójne między atomami węgla o hybrydyzacji sp3.

• Acetylen, metylo- i etyloacetyleny są gazami, średnie alkiny - cieczami, wyższe alkiny (od C16) - ciałami stałymi.

Alkiny

• Alkiny wchodzą łatwiej niż alkeny w reakcje addycji.

• Specyficzne dla alkinów są reakcje podstawienia, w których otrzymuje się acetylenki.

• Alkiny ulegają reakcjom polimeryzacji.

• Otrzymywanie homologów acetylenu: reakcja chlorowcoalkanów na acetylenki, odwodornienie alkenów.

Dieny

• Dieny, diolefiny, węglowodory nienasycone posiadające w cząsteczce dwa wiązania podwójne.

• Ich własności zbliżone są do alkenów.

• Ze względu na wzajemne położenie wiązań podwójnych rozróżnia się wiązania: skumulowane (=C=), sprzężone (>C=C-C=C<) oraz izolowane (dwa lub więcej wiązań pojedynczych między wiązaniami podwójnymi).

Dieny

• Produktem polimeryzacji dienów zawierających wiązanie sprzężone są kauczuki syntetyczne.

• Do najważniejszych dienów należy buta-1,3-dien i izopren.

Polieny

• Polieny, węglowodory łańcuchowe (lub ich pochodne), zawierające więcej niż dwa wiązania podwójne między atomami węgla.

• Rozróżnia się polieny: izolowane (np. penta-1,4-dien), sprzężone (np. penta-1,2-dien) i skumulowane (np. penta-1,3-dien).

Węglowodory cykloalifatyczne

• Grupa obejmuje: cykloalkany, cykloalkeny, cykloalkadieny.

• Cząsteczki węglowodorów cykloalifatycznych o pierścieniach większych od pięcioczłonowych charakteryzują się silnym pofałdowaniem.

Wzory i modele cyklopentanu, cyklohexanu

Model cykloheksanu

Węglowodory cykloalifatyczne

• W temperaturze pokojowej węglowodory cykloalifatyczne są gazami, cieczami lub ciałami stałymi.

• Niższe z nich odznaczają się dużą reaktywnością i są nietrwałe.

• Wchodzą w wiele reakcji charakterystycznych dla węglowodorów łańcuchowych, ulegają ponadto reakcjom addycji powodującym rozerwanie pierścienia.

Węglowodory cykloalifatyczne

• Cyklopentan i cykloheksan noszą nazwę naftenów.

• Na skalę przemysłową węglowodory cykloalifatyczne otrzymuje się przez wyodrębnienie ich z ropy naftowej i hydrogenację węglowodorów aromatycznych.

• Znajdują zastosowanie jako rozpuszczalniki i surowce w syntezie organicznej.

CYKLOALKANY

Węglowodory aromatyczne

• Węglowodory aromatyczne, areny, węglowodory zawierające w cząsteczce sześcioczłonowy pierścień aromatyczny (lub układ skondensowanych pierścieni aromatycznych), do którego mogą być przyłączone podstawniki alkilowe lub arylowe.

• Ciecze lub ciała stałe, trudno rozpuszczalne w wodzie, rozpuszczają się w eterze dietylowym, benzynie, tetrachlorku węgla.

Wzory i modele benzenu

Węglowodory aromatyczne

• Węglowodory aromatyczne otrzymuje się głównie z ropy naftowej, smoły pogazowej, gazu ziemnego.

• Stanowią składniki paliw, służą też jako surowce do otrzymywania innych związków organicznych: polimerów, barwników, leków, detergentów, materiałów wybuchowych i in.

• Do najważniejszych węglowodorów aromatycznych należą: benzen, toluen, naftalen, antracen, fenantren,

benzen - wzór szkieletowy   benzen - pełny wzór konstytucyjny  

Węglowodory aromatyczne

• Położenia podstawników określa się numerami. Dla dwupodstawionych pochodnych można zamiast numeracji stosować określenia

• o- (orto) dla podstawników w położeniu 1,2;

• m- (meta) dla podstawników w położeniu 1,3;

• p- (para) dla podstawników w położeniu 1,4.

• Podstawniki podajemy w kolejności alfabetycznej, o ile jest to możliwe, lokant nr 1 powinien uzyskać podstawnik pierwszy w kolejności alfabetycznej.

Model naftalenu

Model benz[a]pirenu

Model grafitu

Wzory i modele naftalenu,benzo(a)pirenu i grafitu

Tabela. Związki aromatyczne

Addycja

• Addycja, przyłączanie, reakcja w trakcie, której z substratów powstaje jedna cząsteczka produktu (adduktu).

• Addycja ograniczona jest do związków, w których cząsteczkach występują wiązania wielokrotne ( elektrofilowa addycja, addycja nukleofilowa, addycja wolnorodnikowa).

• Odmianą addycji jest polimeryzacja i polikondensacja.

Polimeryzacja

• Polimeryzacja, reakcja chemiczna monomerów prowadząca do powstania polimerów.

• Podczas polimeryzacji następuje rozerwanie wiązań podwójnych, potrójnych albo otwarcie pierścienia (często heterocyklicznego).

• Szybkość polimeryzacji uzależniona jest od temperatury, ciśnienia, ilości i rodzaju inicjatora lub katalizatora.

• W reakcji polimeryzacji można wyróżnić trzy etapy:

• inicjacje reakcji, propagacje i terminacje (zakończenie).

Polimeryzacja

• Rozróżnia się polimeryzację addycyjną - polega na łączeniu się monomerów (wskutek otwarcia pierścienia), bez wysycania wiązań podwójnych i polimeryzację kondensacyjną ( polikondensacja).

• Podczas polimeryzacji addycyjnej łączenie się monomerów ma charakter reakcji łańcuchowej, która przebiega bez wydzielenia małocząsteczkowych produktów ubocznych.

Benzen

• Benzen, C₆H₆, najprostszy węglowodór aromatyczny. Wzór benzenu zaproponował A. Kekule.

• Cząsteczka benzenu jest płaska, ma kształt sześciokąta foremnego, każdy kąt między wiązaniami wynosi 120°.

• Delokalizacja elektronów wiązań π przyczynia się do stabilizacji cząsteczki benzenu.

Benzen

• W przeciwieństwie do związków organicznych zawierających wiązania nienasycone benzen jest trwały chemicznie, nie wykazuje łatwości do addycji.

• Ulega natomiast dość łatwo substytucji, np. nitrowaniu, sulfonowaniu, fluorowcowaniu.

Benzen

• Bezbarwna, łatwopalna ciecz o specyficznym zapachu, temperatura wrzenia 80,1°C.

• Benzen nie miesza się z wodą, miesza się w dowolnych proporcjach z rozpuszczalnikami organicznymi.

• Jest dobrym rozpuszczalnikiem m. in. tłuszczów, wosków, naftalenu.

Benzen

• Łatwo ulega reakcjom podstawienia. Spala się kopcącym płomieniem.

• Toksyczny, rakotwórczy, wykazuje działanie narkotyczne.

• Otrzymywany jest na wielką skalę w czasie przeróbki węgla kamiennego ( smoła węglowa) i ropy naftowej.

• Służy jako surowiec do syntez tworzyw sztucznych, barwników, detergentów i farmaceutyków.

Halogenki alkilowe, chlorowcoalkany,

• Halogenki alkilowe, chlorowcoalkany, pochodne alkanów zawierające w cząsteczce jeden lub więcej atomów halogenu.
  
  
  Halogenki alkilowe są gazami, cieczami lub ciałami stałymi, posiadają charakterystyczny zapach.

• Nierozpuszczalne w wodzie, dobrze rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych.
  
  

Halogenki alkilowe, chlorowcoalkany,

• 
  Halogenki alkilowe można otrzymać przez halogenowanie alkanów, addycję halogenów do alkenów lub alkinów albo halogenowodorów do alkenów, reakcję alkoholi z kwasami halogenowodorowymi lub halogenkami fosforu, wymianę halogenu na inny.
  
  

Reakcje chlorowania metanu

Halogenki alkilowe, chlorowcoalkany,

• Halogenki alkilowe wchodzą łatwo w reakcje podstawienia ( reakcja substytucji) atomu halogenu innymi grupami funkcyjnymi, reakcje eliminacji cząsteczki halogenowodoru z cząsteczki halogenku alkilowego i inne reakcje.
  
  
  

Halogenki alkilowe, chlorowcoalkany,

• Do najważniejszych halogenków alkilowych należą: chlorek metylu, chlorek etylu, chloroform, tetrachlorometan, freony.

Halogenki arylowe

• Halogenki arylowe, pochodne węglowodorów aromatycznych, w których atom halogenu jest połączony z pierścieniem aromatycznym.

• Halogenki arylowe są cieczami lub ciałami stałymi, rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych oraz zimnym, dymiącym kwasie siarkowym(VI).
  
  

Halogenki arylowe

• Metody otrzymywania halogenków arylowych:

• z soli diazoniowych, przez bezpośrednie halogenowanie pierścienia aromatycznego.

• Halogenki arylowe wykazują znacznie mniejszą reaktywność niż halogenki alkilowe, nie reagują z azotanem(V) srebra(I).
  
  

Halogenki arylowe

• Główne reakcje halogenków arylowych to: podstawienie atomu halogenu innymi grupami funkcyjnymi ( reakcja substytucji), tworzenie związków Grignarda.

Halogenki acylowe

• Halogenki acylowe, halogenki kwasowe, związki organiczne, pochodne kwasów karboksylowych, w których grupa hydroksylowa grupy karboksylowej jest podstawiona fluorowcem, ogólny wzór R-(C=O)-X.
  

Halogenki acylowe

• Halogenki acylowe niższych kwasów są cieczami o ostrym, drażniącym zapachu.

• Halogenki acylowe powstają w reakcjach kwasów karboksylowych z halogenkami fosforu(III)i halogenkami fosforu(V) oraz chlorkiem tionylu.

Halogenki acylowe

• Stanowią dogodne środki służące acylowaniu.

• Aromatyczne halogenki acylowe są mniej reaktywne niż alifatyczne halogenki acylowe.
  
  Najważniejszą grupą halogenków acylowych są chlorki kwasowe.

Alkohole,

• Alkohole, alkanole, pochodne węglowodorów, w których atomy wodoru są zastąpione grupą wodorotlenową (-OH).

• W zależności od rzędowości atomu węgla połączonego z -OH rozróżnia się alkohole pierwszo-, drugo- i trzeciorzędowe.

• Alkohole dzieli się również na nasycone i nienasycone ( enole) oraz jednowodorotlenowe i wielowodorotlenowe (glikole, np. glikol etylenowy, gliceryna, polialkohol winylowy).

Wzór i model alkoholu etylowego

Wzory i modele alkoholu etylowego ,fenolu oraz eteru dietylowego

Model alkoholu metylowego

Model alkoholu etylowego

Model alkoholu izopropylowego

Alkohole,

• Alkohole mają wyższe temperatury wrzenia i znacznie lepiej rozpuszczają się w wodzie aniżeli węglowodory, z których się wywodzą.
  

• Otrzymuje się je przez hydrolizę chlorowcoalkanów, hydratację alkenów, uwodornienie aldehydów, ketonów, kwasów karboksylowych oraz metodami biochemicznymi ( fermentacja).

Alkohole,

• Utlenianie alkoholi pierwszorzędowych prowadzi do aldehydów i kwasów karboksylowych, utlenianie alkoholi drugorzędowych daje ketony.

• W reakcjach z kwasami karboksylowymi dają estry.

• Alkohole są półproduktami w wielu syntezach organicznych, znajdują również zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym, perfumeryjnym oraz do produkcji farb i lakierów.
  
  

REAKCJA ALKOHOLI

Fenole

• Fenole, pochodne węglowodorów aromatycznych zawierające przynajmniej jedną grupę hydroksylową związaną z grupą arylową taką jak np. naftyl, fenyl.
  

Fenole

• Są to ciecze lub substancje krystaliczne, o charakterystycznym zapachu, dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych.
  

Fenole

• W reakcji fenolanów z chlorowcoalkilami lub chlorowcoarylami powstają etery, z chlorkami lub bezwodnikami kwasowymi - estry.
  
  

Fenole

• Duże znaczenie mają reakcje pochodnej fenolu - fenolanu sodowego:
  
  1) z tlenkiem węgla(IV) (reakcja Kolbego, powstaje kwas salicylowy)
  
  2) z chloroformem w środowisku zasadowym (reakcja Reimera-Tiemanna, powstaje aldehyd salicylowy).
  
  

Wzór i model fenolu

Enole

• Enole, alkohole nienasycone, ogólny wzór R-CH=C(OH)-R' (grupa hydroksylowa połączona z atomem węgla związanym wiązaniem podwójnym).

• Proste enole są nietrwałe i izomeryzują do odpowiednich aldehydów i ketonów ( tautomeria).
  
  Estry i etery enoli, łatwo ulegające polimeryzacji, otrzymywane są w reakcjach kwasów karboksylowych i alkoholi z alkinami.

Glikol etylenowy

Model gliceryny

Gliceryna, wzór strukturalny

Gliceryna

• Gliceryna, glicerol, propan-1,2,3-triol, (C₃H₅(OH)₃), gęsta, bezbarwna ciecz o słodkim smaku, bardzo dobrze miesza się z wodą i alkoholach, nierozpuszczalna w eterze dietylowym i chloroformie, temperatura wrzenia 290°C.

• Gliceryna otrzymuje się przemysłowo z propylenu.

• Gliceryna powstaje także wskutek hydrolizy tłuszczów oraz jako jeden z produktów fermentacji glukozy.

Gliceryna

• Gliceryna znajduje zastosowanie w przemyśle spożywczym, włókienniczym, farmaceutycznym, kosmetycznym, celulozowo-papierniczym, skórzanym, tytoniowym, elektrotechnicznym.

• Ważnymi pochodnymi gliceryny są: nitrogliceryna, glicerydy.

Gliceryna

Alkohole, reakcje z innymi związkami

Wzory aldehydu i ketonu

Budowa grupy karbonylowej

Wzory aldehydu,ketonu,kwasu karboksylowego ,estru i amidu kwasowego

Wzory aldehydu i ketonu

Model aldehydu octowego, CH₃CHO

Wzory formaldehydu,acetaldehydu,bezyloaldehydu oraz 3-metylobutanalu

Aldehydy

• Aldehydy, związki organiczne zawierające w cząsteczce grupę karbonylową >C=O połączoną przynajmniej z jednym atomem wodoru i jednym podstawnikiem węglowodorowym.

• Aldehydy są cieczami lub ciałami stałymi, z wyjątkiem aldehydu mrówkowego, który jest gazem w temperaturze pokojowej.

• Najważniejsze metody otrzymywania aldehydów: odwodornienie alkoholi pierwszorzędowych, ozonoliza alkenów, hydratacja alkinów, utlenianie 1,2 - dioli octanem ołowiu(II) lub kwasem jodowym(VII).
  
  

Aldehydy

• Dwie cząsteczki aldehydu mogą ulegać reakcjom addycji, wśród których wyróżnia się m.in.:
  

• 1) kondensację aldolową (powstają aldehydoalkohole, reakcja przebiega tylko dla aldehydu z atomem wodoru α),
  
  

Aldehydy

• 2) reakcję Cannizzaro (powstaje mieszanina alkoholu i kwasu karboksylowego, reakcja przebiega tylko dla aldehydu bez atomów wodoru α).
  
  Aldehydy mają zastosowanie w produkcji tworzyw sztucznych, w przemyśle spożywczym (aromaty spożywcze) i kosmetycznym (składniki kompozycji zapachowych).

Ketony

• Ketony, związki organiczne, których cząsteczki zawierają grupę karbonylową >C=O połączoną z dwoma grupami węglowodorowymi.

• Ciecze lub ciała stałe mniej reaktywne od aldehydów, nie mają własności redukujących.
  
  

Ketony

• Otrzymywane najczęściej przez utlenianie ( odwodornienie) alkoholi drugorzędowych ( alkohole) lub hydratację alkinów.

• Znajdują liczne zastosowania w syntezie chemicznej oraz jako rozpuszczalniki ( rozpuszczalniki organiczne).

Wiązania wodorowe pomiędzy aldehydu i wodą oraz ketonu i wodą

Wzory wybranych aldehydów i ketonów

Wzór i model acetaldehydu

Wzór i model acetonu

Utlenianie aldehydu i ketonu.

Modele acetaldehydu,hemiacetalowi i acetalowi acetaldehydu z etanolem

Wzory kwasu karboksylowego ,estru,amidu i estru kwasu fosforowego.

Wzór i model kwasu octowego

Wzór kwasu cytrynowego

Model kwasu cytrynowego

Wzór i model aspiryny

Kwasy karboksylowe

• Kwasy karboksylowe, kwasy organiczne zawierające w cząsteczce przynajmniej jedną grupę karboksylową -COOH.

• Są to ciecze lub ciała stałe będące zazwyczaj słabymi kwasami.

• Powstają m.in. jako produkty utleniania alkoholi pierwszorzędowych , aldehydów, albo w reakcji odpowiednich organicznych bezwodników kwasowych z wodą.
  
  

Wzory kwasu karboksylowego,estru,amidu i estru kwasu fosforowego

Wzór i model grupy karboksylowej

Wzór i model grupy acylowej

Wzór i model ugrupowania estrowego

amide (CONH2) group

Wzór i model kwasu karboksylowego

Wzór i model estru

Wzór i model amidu

Wzór i model N-alkilo amidu

Wzór i model N,N-dialkilo amidu

Kwasy karboksylowe

• Reagują z zasadami tworząc sole organiczne, natomiast z alkoholami dają estry.

• Kwasy karboksylowe z jedną grupą -COOH, będące pochodnymi węglowodorów alifatycznych, nazywa się kwasami tłuszczowymi.

• Kwasy karboksylowe mogą zawierać oprócz grupy -COOH także inne grupy funkcyjne.

Bezwodniki kwasowe

• Bezwodniki kwasowe, związki chemiczne, które łącząc się z wodą tworzą kwasy lub zostały uzyskane przez dehydratację kwasu.
  
  Nieorganiczne bezwodniki kwasowe są tlenkami niemetali (np. SO₂, CO₂, P₄O₁₀) lub tlenkami metali na wyższych stopniach utlenienia (np. Mn₂O₇, CrO₃).

Bezwodniki kwasowe

• Organiczne bezwodniki kwasowe mają ogólny wzór R-CO-O-CO-R'.

• Pod wpływem wody przechodzą w kwasy karboksylowe.
  

Bezwodniki kwasowe organiczne, reakcje z innymi związkami

Hydroksykwasy

• Hydroksykwasy, związki organiczne zawierające w  cząsteczce grupy hydroksylową i karboksylową (po jednej lub po kilka).

• Wykazują własności chemiczne odpowiednich kwasów lub alkoholi, ponadto wchodzą w specyficzne reakcje:

Hydroksykwasy

• α-hydrokwasy kondensują do cyklicznych estrów ( laktydów) lub poliestrów, ulegają rozkładowi do odpowiedniego aldehydu (lub ketonu) i  kwasu mrówkowego.

• beta- hydrokwasy odszczepiają cząsteczki wody przechodząc do kwasów α,β - nienasyconych.

Hydroksykwasy

• Gama i δ- hydrokwasy mogą ulegać wewnątrzcząsteczkowej estryfikacji, z utworzeniem pierścieni pięcio- lub sześcioczłonowych ( laktony).

• Wśród hydrokwasów częste są przypadki występowania izomerii optycznej ( izomeria).

Hydroksykwasy

• Hydrokwasy występują w organizmach żywych, do najważniejszych hydrokwasów należą kwasy:

• glikolowy, mlekowy, masłowy, jabłkowy, winowy, salicylowy.

Kwas glikolowy, wzór strukturalny

Kwas mlekowy

• Kwas mlekowy, kwas 2-hydroksypropanowy, kwas α-hydroksypropionowy (CH₃-CH(OH)-COOH), oznaczany w krajach EWG jako środek konserwujący E₂₇₀, optycznie czynny hydroksykwas.

• Kwas D-(+)-mlekowy (tzw. kwas mlekowy mięśniowy) tworzy się podczas wysiłku w mięśniach.

Kwas mlekowy

• W kwaśnym mleku, serze i kiszonkach powstaje racemiczny kwas mlekowy ( racemat), syropowata ciecz o temperaturze krzepnięcia 18°C, rozpuszczalny w  wodzie i w alkoholu ( alkohole), higroskopijny.

• Zastosowania: w przemyśle spożywczym, garbarstwie, farbiarstwie i w gospodarstwie domowym.

Kwas mlekowy

Kwas L-mlekowy, model cząsteczki
Kwas D-mlekowy, model cząsteczki

Kwas salicylowy, wzór strukturalny

Kwas winowy

• Kwas winowy, kwas 2,3-dihydroksybutanodiowy (HOOC-CH(OH)-CH(OH)-COOH), alifatyczny hydroksykwas dikarboksylowy i dihydroksylowy, występujący w czterech odmianach: dwóch optycznie czynnych ( aktywność optyczna, enancjomery), jednej optycznie nieczynnej (kwas mezo-winowy) oraz racematu ( kwas gronowy).

Kwas winowy

• Bezbarwne kryształy o temperaturze topnienia 170°C (dla odmian enancjomerycznych) albo 140°C (dla kwasu mezo-winowego), rozpuszczalne w  wodzie.

• W przyrodzie przeważa izomer kwasu L(+)-winowego, zaś kwas mezo-winowy nie występuje w ogóle.

• Zastosowania: przemysł spożywczy, farmaceutyczny i w gospodarstwie domowym.

Kwas winowy, wzór strukturalny

Laktony

• Laktony, wewnątrzcząsteczkowe estry γ−, δ− i ε-hydroksykwasów.

• Powstają w wyniku wydzielenia cząsteczki wody z grup hydroksylowej i karboksylowej hydroksykwasu.

• Niektóre laktony mają znaczenie jako substancje zapachowe, np. egzaltoid, kumaryna, nonanolid-1,4 (orzech kokosowy), undekanolid-1,4 (brzoskwinia).

Kwasy tłuszczowe

• Kwasy tłuszczowe, kwasy karboksylowe z jedną grupą -COOH, wywodzące się od węglowodorów alifatycznych.

• Najprostsze kwasy tłuszczowe to kwas mrówkowy i kwas octowy.

Kwasy tłuszczowe

• Tzw. wyższe kwasy tłuszczowe (zawierające po kilkanaście atomów węgla w cząsteczce) tworzą w reakcji z gliceryną tłuszcze albo oleje roślinne ( glicerydy), zaś w reakcjach wyższych kwasów tłuszczowych (palmitynowego, stearynowego) z wodorotlenkami sodu lub potasu powstają mydła.

Kwas mrówkowy, wzór strukturalny

Kwas octowy, wzór strukturalny

Kwas masłowy, wzór strukturalny

Etery

• Etery, organiczne związki chemiczne o ogólnym wzorze R-O-R', gdzie R i R' są rodnikami węglowowodorowymi (alkilowymi lub arylowymi, gdy R=R', są to etery symetryczne).

• Etery wykazują dobrą polarność, temperatury wrzenia mają zbliżone do alkanów o podobnych masach cząsteczkowych (dwa najniższe etery są gazami, pozostałe są cieczami), trudno rozpuszczają się w wodzie.
  

Model eteru dimetylowego

Model eteru dietylowego

Etery

• Etery otrzymywane są w laboratorium wskutek reakcji halogenków alkilów z alkoholanami lub fenolanami (tzw. synteza Williamsona), w przemyśle - przez dehydratację alkoholi - za pomocą stężonego kwasu siarkowego(VI) lub nad katalizatorem (Al₂O₃).
  
  

Etery

• Pod wpływem stężonych kwasów beztlenowych (HJ, HBr) wiązanie eterowe ulega rozszczepieniu (acydoliza) i powstają: halogenek alkilu oraz alkohol lub fenol.

Eter dietylowy

• Eter dietylowy, eter etylowy, dawniej zwany eterem, C₂H₅-O-C₂H₅, bezbarwna ciecz o dużej lotności, łatwopalna, temperatura wrzenia 34,6°C.

• Eter dietylowy ma charakterystyczny przyjemny zapach, pary eteru dietylowego działają narkotycznie.
  
  Otrzymywany z alkoholu etylowego przez działanie kwasem siarkowym(VI) w temperaturze 140^0C.
  
  

Eter dietylowy

• Eter dietylowy przechowywany w obecności tlenu przechodzi powoli w nadtlenki, które eksplodują w wyższych temperaturach.

• Eter dietylowy bywa często stosowany jako rozpuszczalnik w procesach ekstrakcyjnych ( ekstrakcja), jest także odczynnikiem niezbędnym przy otrzymywaniu związków magnezoorganicznych.
  
  

Eter dietylowy

• Stosowany od 1846 (Morton z Bostonu) do znieczulenia ogólnego wziewnego dawniej metodą kroplową, później przy użyciu aparatów do znieczulenia ogólnego.

• 
  

Eter dietylowy

• Głębokie znieczulenie jest toksyczne.

• Eter dietylowy można łączyć z innymi środkami znieczulenia oraz ze środkami zwiotczającymi.

• Obecnie prawie nie używany.

Estry

• Estry, pochodne alkoholi (lub fenoli) i kwasów karboksylowych, sulfonowych, nieorganicznych i innych.

• Estry kwasów karboksylowych, o ogólnym wzorze R-(CO)-OR' posiadają w cząsteczce resztę alkoholową OR' (R' jest na ogół alkilem) w miejsce grupy OH z grupy karboksylowej.

Estry
Estry

• Niższe estry kwasów karboksylowych są cieczami o przyjemnym zapachu, wyższe są ciałami stałymi.
  
  

Estry

• Najważniejsze metody otrzymywania tej grupy estrów:

• działanie kwasów ( estryfikacja), halogenków kwasowych i bezwodników kwasowych na alkohole,

• reakcja soli srebrowych kwasów karboksylowych z halogenopochodnymi węglowodorów,

• wyparcie cząsteczki alkoholu z estru przez cząsteczkę innego alkoholu (tzw. transestryfikacja).
  
  

Estryfikacja

• Estryfikacja, reakcja kwasów z  alkoholami w obecności kwaśnych katalizatorów (najczęściej kwas siarkowy).

• Estryfikacja przebiega dwuetapowo,

• w pierwszym etapie cząsteczka alkoholu przyłącza się (poprzez atom tlenu) do węgla grupy karboksylowej cząsteczki kwasu,

Estryfikacja

• w drugim etapie - następuje wydzielenie z powstałego kompleksu cząsteczki wody, przy czym od cząsteczki kwasu odszczepia się grupa wodorotlenowa, od cząsteczki alkoholu - wodór.

• Estryfikacja jest reakcją odwracalną.

Reakcja estryfikacji

AMINY

AMINY

NITROBENZEN

ANILINA

TNT

Aminy pierwszo,drugo i trzeciorzędowe

Model aminy pierwszorzędowej

Model aminy drugorzędowej

Model aminy trzeciorzędowej

Aminy

• Aminy, organiczne pochodne amoniaku, w których jeden lub kilka atomów wodoru jest zastąpionych rodnikami alkilowymi (aminy alifatyczne) lub arylowymi (aminy aromatyczne)

• Rozróżnia się aminy: pierwszorzędowe (zawierające grupę -NH2), drugorzędowe (zawierają grupę =NH) i trzeciorzędowe (atom azotu połączony z trzema rodnikami).

Tabela. Wzory i nazwy systematyczne wybranych amin

Aminy

• W cząsteczkach amin występuje metameria ( izomeria budowy).

• Najprostsze aminy są gazami, średnie - cieczami o zapachu amoniaku, rozpuszczalnymi w wodzie, wyższe aminy (ciała stałe) są bezwonne i nierozpuszczalne w wodzie.
  
  
  

Aminy

• W przyrodzie aminy występują jako produkty rozkładu aminokwasów (kadaweryna i putrescyna, zw. jadami trupimi).

• Są też biologicznie czynnymi, ważnymi związkami roślinnymi ( alkaloidy) i zwierzęcymi (np. adrenalina).

• 
  

Aminy

• Aminy otrzymuje się z chlorowcoalkilów (lub pierwszorzędowych alkoholi) i amoniaku, w wyniku przegrupowania Hofmanna, przegrupowania Curtiusa oraz przez redukcję związków nitrowych.

• Mają własności zasadowe, tworzą sole amoniowe z rozcieńczonymi kwasami.
  
  

Aminy, reakcje z innymi związkami

• Z kwasem azotawym aminy reagują według różnych schematów, co uzależnione jest od ich rzędowości.
  

• Alifatyczne aminy pierwszorzędowe reagując z kwasem azotawym(V) dają alkohole i wolny azot,

• aromatyczne aminy pierwszorzędowe przechodzą w sole diazoniowe,

• alifatyczne aminy drugorzędowe tworzą nitrozoaminy,

Aminy, reakcje z innymi związkami

• aminy trzeciorzędowe ulegają degradacji do amin drugorzędowych i aldehydu.

• Z amin alifatycznych (najprostsza jest metyloamina) otrzymuje się leki, środki powierzchniowo czynne i włókna chemiczne,

Aminy, reakcje z innymi związkami

• aminy aromatyczne używane są do syntezy barwników, leków i tworzyw sztucznych ( anilina, włókna poliamidowe).

Aminy, reakcje z innymi związkami

Anilina,

• Anilina, aminobenzen, fenyloamina, C6H5NH2, najprostsza pierwszorzędowa amina aromatyczna, bezbarwna, oleista ciecz, o temperaturze wrzenia 184οC, na powietrzu brunatniejąca, trująca (niszczy czerwone ciałka krwi).

• Częściowo rozpuszczalna w wodzie, bardzo dobrze rozpuszcza się w rozpuszczalnikach organicznych.

Anilina,

• W cząsteczce aniliny występuje efekt mezomeryczny.

• Reakcja utleniania aniliny może prowadzić do: N-fenylohydroksyloaminy, nitrozobenzenu, nitrobenzenu, p-benzochinonu, azobenzenu (wystąpienie tych produktów uzależnione jest od warunków utleniania).

Anilina,

• W wyniku reakcji soli aniliny z kwasem azotowym(III) powstają sole diazoniowe.
  
  Pochodne aniliny i kwasów karboksylowych (zawierające resztę C6H5NH zamiast -OH w grupie karboksylowej) noszą nazwę anilidów.

• Anilinę można otrzymać przez amonolizę chlorobenzenu.

Anilina,

• Metody przemysłowe jej otrzymywania oparte są na redukcji nitrobenzenu żelazem i kwasem solnym lub wodorem w procesie kontaktowym.

• Anilina jest surowcem do produkcji barwników, leków, tworzyw sztucznych, środków zapachowych.

Wzór i Model piperydyny

Wzór i Model pirydyny

Wzory i modele amin heterocyklicznych

Nitrozwiązki

• Nitrozwiązki, związki nitrowe, związki chemiczne o ogólnym wzorze R-NO2, gdzie R - grupa alkilowa lub arylowa.

• Ciecze lub ciała stałe nierozpuszczalne w wodzie, rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych.

• Powstają w wyniku działania mieszaniny nitrującej na związki organiczne.
  
  

Nitrozwiązki

• Redukowane wodorem cząsteczkowym na katalizatorze metalicznym lub wodorem in statu nascendi łatwo przechodzą w aminy.

• Związki nitrowe alifatyczne stosowane są jako rozpuszczalniki i substraty do dalszych syntez.

• Związki nitrowe aromatyczne są półproduktami w syntezach barwników, materiałów wybuchowych, leków.

Nitrogliceryna, wzór strukturalny

Mocznik

• Diamid kwasu węglowego CO(NH₂)₂ ; z kwasem azotowym daje trudno rozpuszczalny biały osad.

• Występuje w moczu; poprzez kondensację z wydzieleniem cząsteczki amoniaku otrzymuje się biuret (dimocznik)

Model mocznika

Mocznik

• Mocznik, karbonamid, karbamid, (NH2)2CO, diamid kwasu węglowego, bezbarwne igły (układ tetragonalny) lub biały proszek, bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie, rozpuszczalny w alkoholu etylowym.
  
  

Mocznik

• Z mocnymi kwasami tworzy sole, ogrzewany w roztworach wodnych rozkłada się na tlenek węgla(IV) i amoniak, powyżej temperatury 150-160oC ulega kondensacji tworząc biuret, z estrami kwasu malonowego tworzy barbiturany.
  
  

Mocznik

• Mocznik jest końcowym produktem przemiany białkowej i jest wydalany z moczem w ilości 30-69 g/d.

• We krwi znajduje się w stężeniu 4,7±2,0 mmol/l. Wzrost jego stężenia znamionuje niewydolność nerek i grożące zatrucie mocznicowe ( mocznica).
  
  

Mocznik

• Na skalę przemysłową mocznik jest syntezowany w reakcji amoniaku z tlenkiem węgla(IV) (produktem przejściowym jest karbaminian amonu).
  

• Zastosowania: do produkcji tworzyw sztucznych ( żywice mocznikowo-formaldehydowe), leków, jako nawóz sztuczny i dodatek do pasz.

Mocznik

Amidy kwasowe

• Amidy kwasowe, pochodne kwasów karboksylowych i sulfonowych, utworzone przez zastąpienie grupy wodorotlenowej grupą aminową.

• Najprostszy amid kwasowy (formamid, czyli amid kwasu mrówkowego) jest cieczą, pozostałe są ciałami stałymi.

• Amidy kwasowe łatwo ulegają hydrolizie do odpowiedniego kwasu karboksylowego i amoniaku lub aminy.
  
  

Amidy kwasowe

• 
  Pod wpływem silnych środków odwadniających przechodzą w nitryle.

• Amidy kwasowe otrzymuje się przez odwadnianie soli amonowych kwasów karboksylowych albo przez działanie amoniaku lub amin na estry, chlorki lub bezwodniki kwasowe.

• Są stosowane w lecznictwie (witamina PP, sulfonamidy), ponadto do produkcji włókien chemicznych i impregnacji tkanin.

Nitryle

• Nitryle, cyjanki organiczne, związki organiczne zawierające grupę nitrylową ≡N ( nitryl) połączoną z atomem węgla, czyli mające grupę cyjankową -C≡N.

Nitryle

• Toksyczne ciecze lub ciała stałe o ostrym zapachu. Aktywne chemicznie: ulegają reakcjom hydrolizy do kwasów karboksylowych, redukcji do amin I-rzędowych oraz polimeryzacji.

Nitryle

• Stosowane w syntezie organicznej i do produkcji sztucznych tworzyw.
  
  Specjalna grupę stanowią cyjanohydryny (hydroksynitryle), powstające łatwo z aldehydów pod działaniem cyjanowodoru.

• Hydroliza cyjanohydryn prowadzi do powstania alfa- hydroksykwasów.
  
  

Acetamid

• Acetamid, amid kwasu octowego, CH3CONH2, bezbarwna substancja krystaliczna, rozpuszcza się w wodzie i alkoholu etylowym.

Acetamid

• Acetamid jest stosowany jako dodatek uszlachetniający w technologii produkcji tworzyw sztucznych w roli plastyfikatora ( zmiękczacz), jako rozpuszczalnik oraz do produkcji lakierów i materiałów wybuchowych.

Acetamid, wzór strukturalny

Iminy

• Iminy, związki organiczne zawierające grupę >NH, o ogólnym wzorze RCH=NR', RR'C=NR'' lub R-NH-R'. Istnieją również iminy cykliczne.

• Iminy powstają w reakcji związków karbonylowych z amoniakiem lub aminami pierwszorzędowymi (tzw. zasady Schiffa).

• Iminy mają własności zasadowe ( zasadowość).

Zasady Schiffa

• Zasady Schiffa, Ar1-CH=N-Ar2, związki organiczne zawierające w cząsteczce grupę azometinową -CH=N-, otrzymane w reakcji kondensacji pierwszorzędowych amin ( aminy) z aldehydami aromatycznymi.
  
  Są to związki o zabarwieniu żółtym, czerwonym lub pomarańczowym (grupa azometinowa spełnia rolę chromoforu), na ogół łatwe do wyodrębnienia w stanie krystalicznym.

Zasady Schiffa

• Zasady Schiffa służą do identyfikacji amin głównie aromatycznych oraz jonów wielu metali, z którymi tworzą charakterystycznie zabarwione związki kompleksowe, co jest wykorzystywane w analizie spektrofotometrycznej ( spektrofotometria).
  
  Przykłady: o-salicylidenoaminofenol (SAPH), N-bis(salicylideno)-2,3-diaminobenzofuran (SABF).

Biuret

• Biuret, dimocznik, NH2CONHCONH2, bezbarwne kryształy.

• Powstaje podczas ogrzewania mocznika.
  

• Dzięki obecności dwóch wiązań peptydowych -CONH- w cząsteczce, biuret tworzy związki kompleksowe z jonami miedzi(II) w środowisku alkalicznym (zasadowym), o intensywnej fioletowoczerwonej (dla białek) i purpurowoczerwonej (dla peptydów) barwie
  

Biuret

• Reakcja ta służy do wykrywania polipeptydów i białek oraz innych związków zawierających, co najmniej dwa wiązania peptydowe lub podobne ugrupowania atomów.

Sulfidy

• Sulfidy, sulfany, siarczki organiczne, dawniej tioetery, R1-S-R2 (gdzie R1, R2 - grupy alkilowe lub arylowe), siarkowe analogi eterów.

• Są pochodnymi kwasu siarkowodorowego, w którym atomy wodoru zastąpione zostały grupami alifatycznymi, bądź aromatycznymi.

Sulfidy

• Ciecze o nieprzyjemnym zapachu (np. sulfid dimetylowy posiada zapach zgniłej kapusty), na ogół nie mieszające się z wodą.

Sulfidy

• Symetryczne sulfidy dialkilowe można otrzymać w reakcji halogenków alkilów z siarczkiem sodu w roztworze etanolu.
  
  Sulfidy mieszane powstają podczas alkilowania tiolanu chlorkiem alkilu.

• Pochodną sulfidów jest gaz musztardowy.

ZWIAZKI HETEROCYKLICZNE
najważniejsze pierścienie heterocykliczne:

Podstawowe pojęcia termochemiczne

• Termochemia to dział chemii zajmujący się zagadnieniami zmian energii cieplnej zachodzącej podczas reakcji chemicznej oraz wpływem efektów cieplnych na przebieg danej reakcji chemicznej.

• Termodynamika chemiczna jest to dział chemii dotyczący badania równowag chemicznych.

• Termodynamika chemiczna zajmuje się zagadnieniem przemian fazowych i układów wieloskładnikowych.

I zasada termodynamiki

II zasadę termodynamiki

II zasadę termodynamiki

Podstawowe pojęcia termochemiczne

• Trzecia zasada termodynamiki mówi że od układu można pobrać skończoną ilość ciepła, co spowoduje dążenie temperatury tego układu do temperatury zera bezwględnego.

• Ważnymi pojęciami termochemicznymi są: energia wewnętrzna (U), energia cieplna, energia chemiczna,entalpia,entropia,układ.

PODSTAWOWE POJĘCIA

• Energia cieplna jest to część energii wewnętrznej układu, której źródłem jest energia kinetyczna ruchu cząsteczek.

• Energia wewnętrzna - to całkowita energia wszystkich składników układu zwiazana z wzajemnymi ruchami i oddziaływaniami cząsteczek i atomów. Energia wewnętrzna oznaczona jako U charakteryzuje stan układu. Energia wewnętrzna jest suma energii kinetycznej i potencjalnej występujących w cząsteczkach i jonach w układzie.

• U = Ukin + Upot + Ujadr

• Ukin - energia kinetyczna cząsteczek, atomów i jonów,

• Upot - energia potencjalna wzajemnego oddziaływania cząsteczek

• Ujadr - energia kinetyczna jąder atomowych

PODSTAWOWE POJĘCIA

• Energia chemiczna jest to ogólne określenie energii zawartej w substancji,która może być wyzwolona w wyniku reakcji chemicznej.

PODSTAWOWE POJĘCIA

• Entalpia to jest funkcja stanu ,to funkcja H zdefiniowana przez zależność H=U+ pV

• U - energia wewnętrzna

• P - ciśnienie w układzie

• V -objetość układu

PODSTAWOWE POJĘCIA

• Entropia to funkcja stanu S zdefiniowana jako stosunek nieskończoności małej ilości energii dostarczonej do układu w sposób odwracalny jako ciepło i temperatury bezwzględnej T układu ,który pobrał tą energie.

• Entropia jest miara nieuporzadkowania tj. rośnie wraz ze wzrostem „swobody” jaka uzyskuje układ.

PODSTAWOWE POJĘCIA

• Energia wewnętrzna - to całkowita energia wszystkich składników układu związana z wzajemnymi ruchami i oddziaływaniami cząsteczek i atomów. Energia wewnętrzna oznaczona jako U charakteryzuje stan układu. Energia wewnętrzna jest suma energii kinetycznej i potencjalnej występujących w cząsteczkach i jonach w układzie.

• U = Ukin + Upot + Ujadr

• Ukin - energia kinetyczna cząsteczek, atomów i jonów,

• Upot - energia potencjalna wzajemnego oddziaływania cząsteczek

• Ujadr - energia kinetyczna jąder atomowych

PODSTAWOWE POJĘCIA

• Układ to obiekt np. substancja chemiczna ,która jest oddzielona od otoczenia przez powierzchnie graniczną od której charakteru zależy ,czy układ jest otwarty, zamknięty czy też izolowany.

• Przez granice między otoczeniem a układem otwartym może następować przepływ materii i energii.

• W układzie izolowanym nie jest możliwy przepływ ani materii ani energii.

Kinetyka chemiczna

• Kinetyka chemiczna jest działem chemii fizycznej, zajmującym się badaniem przebiegu reakcji chemicznych, ich szybkości oraz mechanizmów.

• Niektóre procesy chemiczne mogą przebiegać bardzo szybko (na przykład spalanie gazu ziemnego w kuchence przebiega w sposób bardzo gwałtowny), a inne bardzo powoli (wietrzenie skał wapiennych trwa całe lata).

Kinetyka chemiczna

• Koniecznym jest, więc określanie szybkości reakcji chemicznych.

• Podstawowymi definicjami stosowanym w kinetyce chemicznej są pojęcia:

• średniej szybkości reakcji chemicznej i

• chwilowej szybkości reakcji chemicznej.

Szybkość reakcji

• wyznacza się dla reakcji wartość zwaną stałą szybkości reakcji.

• Szybkość reakcji definiuje się zatem jako różniczkę dc/dt (zmianę stężenia produktów w nieskończenie krótkim czasie).

Szybkość reakcji

• Dla reakcji odwracalnych szybkość reakcji substratów w kierunku produktów z upływem czasu maleje, zaś rosnące stężenia produktów powodują wzrost szybkości reakcji przeciwnej.

• W stanie równowagi szybkość reakcji w kierunku produktów jest równa szybkości reakcji biegnącej od produktów do substratów (reakcji odwrotnej)

Kinetyka chemiczna

• Średnią szybkością reakcji chemicznej w danym przedziale czasowym nazywamy stosunek wzrostu stężenia substratu lub ubytek stężenia produktu do czasu, w którym ta zmiana nastąpiła:

Chwilowa szybkość

• Jeżeli stężenie substratów jest dokładnie znane, posługujemy się w chemii tzw. szybkością chwilową, to jest szybkością w danym momencie trwania reakcji.

• Chwilową szybkością reakcji nazywamy pochodną stężenia produktu po czasie lub pochodną stężenia substratu po czasie (ze znakiem ujemnym):

Szybkość reakcji chemicznej

• Miarą szybkości reakcji jest stała szybkość reakcji podstawowym zadaniem kinetyki chemicznej jest określenie tej stałej dla poszczególnych etapów reakcji ,wyznaczenie temperaturowej zależności stałej ( pozwala to obliczyć energię aktywacji),zbadanie stężeń reagentów.

• Pierwszym obowiązującym prawem w kinetyce jest prawo działania mas Guldberga i Waagego określa ilościowo szybkość reakcji jako zmianę molowego stężenia substratu lub produktu w jednostce czasu.

Szybkość reakcji chemicznej

• Stwierdza ono, że szybkość reakcji jest wprost proporcjonalna do iloczynu stężeń substratów.

• Podstawowym pojęciem kinetyki chemicznej jest rząd reakcji określający zależność szybkości reakcji od stężenia składników układu reakcyjnego.

Szybkość reakcji chemicznej

• Równanie szybkości reakcji jest to wyrażenie podające zależność szybkości reakcji od stężeń substratów lub produktów.

• Dla reakcj typu Ma + nB --- produkty szybkośc reakcji wyraża się wzorem

• v= - k [A] m * [B]n

• v - szybkość reakcji

• k - stała szybkości reakcji

• [A] i [B] - stężenia molowe substratów

Szybkość reakcji chemicznej

• Rząd reakcji

• Suma wykładników przy odpowiednich stężeniach nazywa się rzędem reakcji.

• Dla reakcji pierwszego rzędu może być wyrażona zarówno przez zmianę stężenia jednego jaki i drugiego substratu.

Stężenia roztworów

• Stężenie molowe (molowość)

• Ilość substancji znajdującej się w roztworze przypadająca na określoną ilość rozpuszczalnika lub roztworu.

• Stężenie molowe (molarność) to liczba moli substancji roz­warta w l dm3(1000cm3 .

• Mając określoną liczbę rozpuszczonej substancjii objętość V (wyrażoną w dm3) s. molowe cm oblicza się na podstawie zależności cm = ilość liczba moli substancji rozpuszczonej /objętość roztworu Jednostką stężenia molowego jest mol dm3.

Stężenie molarne

• Stężenie molarne (molarność

• Stężenie molalne (molalność) jest to liczba moli substancji rozpuszczonej przypadająca na l kg (1000 g) rozpuszczalnika.

• Stężenie molalne cm oblicza się, znając liczbę moli substancji rozpuszczonej n i ma­sę rozpuszczalnika mn Jednostką s, molalnego jest mol kg-1.

Stężenie procentowe

• Stężenie procentowe jest to liczba gramów substancji rozpuszczonej za­warta w 100 g roztworu.

• Stężenie procentowe cp oblicza się na podstawie znajomości masy substancji rozpuszczonej m i masy roztworu mR

Ułamek molowy

• Do wyrażania składu roztworów stosuje się także ułamki molowe, zwłaszcza w wypadku mieszanin składających się z więcej niż dwóch składników.

• Ułamki molowe składnika A i B są równe:

• xA = mA/(mA + mB),    xB = mB/(mA + mB)    /6-18/

• Suma ułamków molowych w roztworze zawsze równa się jedności.

• xA + xB = 1

ATOM

Hybrydyzacja orbitali atomowych

• Hybrydyzacja orbitali atomowych, tworzenie się nowych, jednakowych orbitali atomowych w wyniku zmieszania orbitali typu s, p i d atomu centralnego.
  
  Orientacja przestrzenna orbitali zhybrydyzowanych (hybryd), różna od orientacji wyjściowych orbitali atomowych, pozwala zminimalizować elektryczne odpychanie elektronów i wynika z ukierunkowania orbitali zhybrydyzowanych na otaczające atom centralny inne atomy i ligandy (hybrydyzacja orbitali atomowych nie występuje w izolowanych atomach).
  
  

Hybrydyzacja orbitali atomowych

• 
  Liczba hybryd równa jest liczbie orbitali atomowych biorących udział w hybrydyzacji. Formalnie hybrydy są kombinacją liniową tych orbitali.
  
  Pojęcie hybrydyzacja orbitali atomowych przyczynia się do wyjaśnienia struktury związków chemicznych, trwałości wiązań między pierwiastkami, które je tworzą oraz ich wartościowości.
  
  Hybrydyzacja orbitali atomowych, najważniejsze rodzaje

Wiązanie jonowe

• wiązanie między atomami o dużej różnicy elektroujemności (>1,4).

• Jego nietrwałość prowadzi do zjawiska dysocjacji w roztworach polarnych.

• Różni się od wiązań atomowych tym, że siła wiążąca atomy nie pochodzi ze wspólnoty pary elektronów (jak w wiązaniach atomowych, kowalencyjnych), lecz wyłącznie oddziaływania elektrostatycznego między atomem akceptora elektronów (bardziej elektroujemny atom wiązania) a donorem (atom o ładunku dodatnim).

Wiązania pi i s

• Wiązania typu s — silne wiązania powstające przez liniowe (współosiowe) nałożenie orbitali zhybrydyzowanych lub orbitali s.

• wiązania typu pi — słabe wiązania powstające z częściowego pokrycia się przestrzeni orbitali p (osie orbitali równoległe).

• Odpowiedzialne za właściwości wiązań wielokrotnych związków nienasyconych.

WIĄZANIE KOORYNACYJNE

WIĄZANIE KOWALENCYJNE

WIĄZANIE KOWALENCYJNE

WIĄZANIE KOWALENCYJNE

Struktura diamentu

Orbital

• Orbital, funkcja falowa jednoelektronowa (tzn. zależna od współrzędnych tylko jednego elektronu), opisująca elektron znajdujący się w polu wytworzonym przez pojedyncze jądro atomowe (orbital atomowy, jednocentrowy)

• lub przez kilka jąder atomowych (orbital molekularny,

• z reguły - wielocentrowy)

• oraz przez inne elektrony ( przybliżenie jednoelektronowe).

Orbital

• Każdemu orbitalowi atomowemu odpowiadają charakterystyczne liczby kwantowe, od których zależy jego kształt i energia,

• np. pobocznej liczbie kwantowej l=0 odpowiada orbital typu s

• Kolejnym wartościom liczby kwantowej l odpowiadają: orbital typu p (przypominający figurę otrzymaną przez obrót ósemki dookoła osi podłużnej;

• oraz orbitale typu d (dxz, dxy, dyz, ,

• i f (jest ich siedem).

• W powyższych oznaczeniach n - oznacza główną liczbę kwantową
  
  
  

Orbital

• Orbitale molekularne, którym odpowiadają poziomy energetyczne poniżej poziomów energetycznych wyjściowych orbitali atomowych, są bardziej stabilne i noszą nazwę orbitali wiążących,

• orbitale powyżej tych poziomów są orbitalami antywiążącymi (oznaczanymi zazwyczaj symbolami z gwiazdką)

• , a orbitale niewiele różniące się energią są orbitalami niewiążącymi.
  
  

Hunda reguła

• Hunda reguła to empiryczna zasada określająca kolejność poziomów energetycznych w atomie lub cząsteczce.
  

• elektrony, starają się obsadzić poszczególne orbitale danego typu pojedynczo, przy czym  ich spiny ustawiają się równolegle, a dopiero następnie dokonuje się parowanie elektronów na poszczególnych orbitalach.

Pauliego zakaz

• Pauliego zakaz to zasada wykluczenia, jedna z zasad mechaniki kwantowej, zgodnie z którą dwa atomy nie mogą jednocześnie znajdować się w tym samym stanie kwantowym

• (tj. mieć takich samych wszystkich liczb kwantowych).

liczby kwantowe

• liczby kwantowe - każdy elektron w atomie opisany jest przez cztery liczby kwantowe:

• główną liczbę kwantową n (1...7), mówiącą o poziomie energetycznym, na którym znajduje się elektron (określa powłokę K ...Q).

liczby kwantowe

• poboczną liczbę kwantową l (maksymalna wartość  l=n- 1;  zakres 0 ... n -1), opisującą kształt orbitalu (kulisty s dla l =0; "ósemka" p dla l =1, ...) i określającą podpoziom energetyczny.

liczby kwantowe

• magnetyczną liczbę kwantową m, określającą ilość i wzajemne położenie orbitali danej podpowłoki. Przyjmuje wartości od -l do l , łącznie z zerem, a więc ilość orbitali w danej podpowłoce określa wzór  2l+1 (s-1, p-3, d-5, f-7).  

liczby kwantowe

• spinową liczbę kwantową (krótko - spin), przyjmującą tylko jedną z dwóch wartości +1/2 i -1/2, określając jednoznacznie dwa przeciwne kierunki wirowania elektronu i związane z tym kierunki wektora powstałego pola magnetycznego elektronu.

Zasada nieoznaczoności Heisenberga

• zasada nieoznaczoności Heisenberga to reguła dotycząca mikroświata, mówiaca, że nie jesteśmy w stanie jednoznacznie opisać np. ruchu elektronu (tzn. podać jego położenia i pędu, a co za tym idzie przewidzieć jego położenia w czasie przyszłym).

HYBRYDYZACJA

•  hybrydyzacja to wymieszanie orbitali różnych typów.

•  Każdy typ orbitalu (s, p, d) charakteryzuje inna energia. powstają cztery identyczne wiązania, ponieważ orbital s miesza się z trzema orbitalami p i powstają cztery identyczne orbitale zhybrydyzowane typu sp3.

HYBRYDYZACJA

• Zhybrydyzowane orbitale tworzą z innymi orbitalami zhybrydyzowanymi oraz z orbitalami s wiązania typu s (nasycone).
  

• Hybrydyzacja powoduje nie tylko zmianę (uśrednienie) energii nowych orbitali w stosunku do wyjściowych, ale także zmianę ich kształtu i rozmieszczenia w przestrzeni.

• Nowe orbitale układają się w przestrzeni w sposób najbardziej symetryczny, uwzględniając ich kształt i energie:

• katalizator - substancja, która biorąc udział w poszczególnych etapach przemiany chemicznej przyspiesza proces chemiczny, zaś po zakończeniu łańcucha przemian zostaje odtworzona w identycznej ilości. Sprawia to wrażenie, że obecność katalizatora przyspiesza proces a on sam nie bierze udziału w reakcji. 
  Udział katalizatora, w dużym uproszczeniu, powoduje obniżenie energii aktywacji poszczególnych etapów procesu. To tak, jakby zamiast przeskakiwać wysoki płot (co udaje się nielicznym - reakcja biegnie wolno) pokonać go przy pomocy drabiny (zamiast jednego dużego wysiłku, kilka mniejszych; to już potrafi prawie każdy - reakcja biegnie szybko).
  Należy pamiętać, że katalizator nie zmienia relacji energetycznych substraty-produkty, nie zmienia stanu równowagi reakcji odwracalnych, a jedynie przyspiesza proces.
  Czasem zdarza się, że zależy nam na spowolnieniu procesu - użyte do tego celu substancje noszą nazwę inhibitorów lub ujemnych katalizatorów.

Asymetyczny atom węgla

• Epimery to odmiany tego samego związku, które które są diastereoizomerami a różnią się tylko przy jednym z atomów asymetrycznych

• Diastereoizomeria (izomeria przestrzenna, w której związki chem. występują w odmianach różniących się przestrzennym położeniem podstawników, co powoduje ich różne właściwości chem. i fiz.; diastereoizomery sąktóre nie są enancjomerami; d. obejmuje m.in. izomerię cis-trans i izomerię optyczną.Epimeryzacja
  

• Epimery to odmiany tego samego związku, które różnią się tylko przy jednym z atomów asymetrycznych

• Epimeryzacja to zmiana konfiguracji asymetrycznego atomu węgla w cząsteczce zawierającej przynajmniej jeszcze jeden taki atom ( izomeria optyczna).

• Przykładem epimeryzacji jest przemiana 5-fosfo-D-rybulozy w 5-fosfo-D-ksylulozę katalizowana przez 3-epimerazę 5-fosforybulozową.

Racemat

• Racemat to odmiana racemiczna, mieszanina równomolowych ilości enancjomerów.

• Nie wykazuje aktywności optycznej, ponieważ skręcalność obydwu enancjomerów jest wzajemnie równoważona.
  
  Racemat można rozdzielić na enancjomery za pomocą optycznie aktywnych reagentów (wykorzystując różnice w rozpuszczalności powstałych izomerów), metodami chromatograficznymi, lub biologicznymi (wykorzystując bakterie, pleśnie).

• Przykładem racematu jest kwas mlekowy fermentacyjny.

WALENCYJNE    ELEKTRONY

• elektronów walencyjnych wokół każdego atomu może być tylko osiem (w przypadku wodoru dwa). Jeśli napiszemy wzór np. kwasu siarkowego(VI) trzymając się formalnych wartościowości uzyskamy wzór (a), gdzie wokół atomu siarki znajduje się aż 12 elektronów (sześć wiązań po 2 elektrony). Jest to niezgodne z podanym wcześniej warunkiem, więc musimy przyjąć, że wiązania siarki z atomami tlenu są wiązaniami donorowo (siarka daje) akceptorowymi (tlen przyjmuje), co oznaczamy strzałkami od donora do akceptora. W takim układzie -wzór (b) - wokół wszystkich atomów jest odpowiednia ilość elektronów walencyjnych (po osiem, przy wodorach po dwa)

ELEKTRONY WALENCYJNE   

Zakaz Pauliego

• Ponieważ każdy elektron umiejscowiony jest na konkretnym orbitalu (magnetyczna liczba kwantowa), a więc na orbitalu konkretnego typu (poboczna liczba kwantowa) na konkretnej powłoce (główna liczba kwantowa),  zatem od innego elektronu na tym samym orbitalu różnić się może (i musi) tylko spinem. Ponieważ kwantowa liczba spinowa przyjmuje tylko jedną z dwóch możliwych wartości (+1/2 i -1/2) stąd wniosek, że na konkretnym orbitalu mogą być tylko dwa elektrony (o przeciwnych spinach).

Reguła Hunda

• Obsadzanie nowego typu orbitali dokonuje się dopiero po obsadzeniu wszystkich orbitali niższego typu:
  np. w kolejności - (s1 - s2) później (px)1 - (py)1 - (pz)1 (wszystkie p równoległe, tzn. o takich samych spinach) a dopiero później (px)2 - (py)2 - (pz)2.

•  

Reguła Hunda

Hybrydyzacja orbitali atomowych

• Hybrydyzacja orbitali atomowych, tworzenie się nowych, jednakowych orbitali atomowych w wyniku zmieszania orbitali typu s, p i d atomu centralnego.

Hybrydyzacja orbitali atomowych

• Orientacja przestrzenna orbitali zhybrydyzowanych (hybryd), różna od orientacji wyjściowych orbitali atomowych, pozwala zminimalizować elektryczne odpychanie elektronów i wynika z ukierunkowania orbitali zhybrydyzowanych na otaczające atom centralny inne atomy i ligandy (hybrydyzacja orbitali atomowych nie występuje w izolowanych atomach).

Hybrydyzacja orbitali atomowych

• Liczba hybryd równa jest liczbie orbitali atomowych biorących udział w hybrydyzacji. Formalnie hybrydy są kombinacją liniową tych orbitali.

• Pojęcie hybrydyzacja orbitali atomowych przyczynia się do wyjaśnienia struktury związków chemicznych, trwałości wiązań między pierwiastkami, które je tworzą oraz ich wartościowości.

Hybrydyzacja orbitali atomowych, najważniejsze rodzaje

• Rodzaj hybrydyzacji Orbitale atomowe uczestniczące w hybrydyzacji Przykłady związków, w których istnieje dany rodzaj hybrydyzacji

• digonalna sp C2H2

• trygonalna sp2 C2H4

• tetragonalna sp3 CH4

• kwadratowa dsp2 [Ni(CN)4]2-

• bipiramidalna dsp3 dsp3 PCl5

• oktaedryczna d2sp3 [Fe(CN)6]4-

• bipiramidalna d3sp3 d3sp3 IF6

• Covalent bonding. A covalent H-H bond is the net result of attractive and repulsive forces. The nucleus-electron attractions (blue arrows) are greater than the nucleus-nucleus and electron-electron repulsions (red arrows), resulting in a net attractive force that holds the atoms together to form an H2 molecule.

WIAZANIE KOWALENCYJNE ATOMOWE I KOORDYNACYJNE

Modele C,N,O,X

Tetragonalna budowa atomu węgla

Budowa metanu,amoniaku i wody

Struktura wody i chlorometanu

DIPOL

• Dipole-dipole forces. The positive and negative ends of polar molecules are attracted to one another by dipole-dipole forces. As a result, polar molecules have higher boiling points than nonpolar molecules of similar size.

Chiralność

• Jest to zjawisko występowania izomerii geometrycznej, polegającej na istnieniu odmian, które mają się do siebie jak odbicia lustrzane (lewa i prawa ręka) i nie da się ich nałożyć na siebie.

• Cząsteczki chiralne zawierające asymetryczny atom węgla (atom połączony z czterema różnymi podstawnikami) są najczęściej związkami optycznie czynnymi, tzn. powodują skręcenia płaszczyzny światła spolaryzowanego.

Konfiguracja D,L

• Konfiguracja określa układ przestrzenny podstawników węgla asymetrycznego.

• Punktem odniesienia jest aldehyd glicerynowy.

kolor niebieski - atomy pod płaszczyzną rysunku

The meaning of mirror image. If you hold your left hand up to a mirror, the image you see looks like your right hand.

IZOMERIA OPTYCZNA

Model L-alaniny i D-alaniny

Chiralny atom

POLARYMETR do określania aktywności optycznej związków chemicznych A solution of an optically active isomer rotates the plane of the polarized light by a characteristic amount.

Chiralność 

• Chiralność to istnienie dwóch odmian (izomerów) cząsteczek tej samej substancji, o budowie przestrzennej będącej wobec siebie lustrzanymi odbiciami

Chiralność

• Chiralność, nieidentyczność budowy przestrzennej cząsteczki z jej lustrzanym odbiciem, wynikająca z całkowitego braku elementów symetrii lub obecności tylko prostych osi symetrii w cząsteczce (obiekt i jego odbicie w zwierciadle płaskim mają się do siebie tak jak prawa ręka w stosunku do lewej).

• Najmniejszy zespół atomów powodujący chiralność zwany jest centrum chiralnym (najprostszym centrum chiralnym jest asymetryczny atom).
  
  

Chiralność

• Chiralność decyduje o istnieniu enancjomerów, jest także warunkiem koniecznym wystąpienia aktywności optycznej związku.
  

• Wiele związków chemicznych o decydującym znaczeniu dla życia organizmów jest chiralna np.: aminokwasy, enzymy, kwasy rybonukleinowe.
  
  

Chiralność

• Po raz pierwszy chiralność związków chemicznych i związaną z nią różną aktywność optyczną odkrył L. Pasteur w 1848 badając kryształy kwasu winowego.

Enancjomery

• Enancjomery, antymery, izomery zwierciadlane, obiekty występujące w dwóch postaciach, które są odbiciami lustrzanymi, nie nakładalnymi na siebie.

• Enancjomerami mogą być kryształy (np. odmiana β kwarcu) lub cząsteczki stereoizomerów (np. kwas D-winowy i kwas L-winowy).

• Skręcają one płaszczyznę polaryzacji o ten sam kąt, lecz w przeciwnych kierunkach

Diastereoizomery

• izomery optyczne nie będące enancjomerami (dla związków zawierających parę węgli asymetrycznych)

Skręcalność

• Wiązka światło niespolaryzowanego drga we wszystkich kierunkach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się tej wiązki.

• Po przejściu przez ośrodek o odpowiedniej budowie (np. kryształ dwójłomny - kryształ szpatu islandzkiego CaCO₃) drgania te zostają uporządkowane w jednym kierunku zwanym płaszczyzną polaryzacji

Repetytorium z chemii bioorganicznej. Część 1

1. Reakcja chemiczna

Reakcja chemiczna jest to proces przejścia jednych substancji w drugie.Substancje przed procesem chemicznym nazywa się substratem ,a po skończonej reakcji chemicznej nazywa się produktem. Aby reakcja chemiczna mogła przebiec musi być pobrana lub wydzielona energia. Reakcja endoenergetyczna to taka reakcja kiedy do jej przebiegu musi być dostarczona energia. Bilans energetyczny jest wtedy ujemny .Reakcja egzoenergetyczna to proces kiedy reakcja chemiczna jest związana z wydzieleniem energii..Efekt energetyczny jest wtedy dodatni. Reakcją chemiczna jest to, więc każdy proces, w wyniku, którego następuje zrywanie i powstawanie nowych wiązań chemicznych

Podział reakcje chemicznych.

Reakcje chemiczne można podzielić na trzy kilkanaście typów.

1.Reakcje typu syntezy

2. Reakcje typu analizy

3. Reakcje typu wymiany

4. Reakcje typu homogenicznego

5. Reakcje typu heterogenicznego

6. Reakcje typu jonowego

7. Reakcje typu rodnikowego

8. Reakcje typu prostego

9. Reakcje typu złożonego

Ad.1 Reakcja syntezy to typ reakcji chemicznej kiedy produkt reakcji powstaje z substratów o budowie prostej

Ad.2 Reakcje typu analizy dzielą się na analizę jakościową i analizę ilościowa składników w mieszaninie czy też związku chemicznym. Klasyczna metoda analizy chemicznej ilościowej obejmuje metody wagowe i objętościowe. Klasyczna analiza chemiczna jakościowa polega na przeprowadzaniu prób chemicznych, które sa reakcjami charakterystycznymi na dany składnik.

Ad.3 Reakcja typu wymiany to reakcja chemiczna, podczas której następuje zamiana jednego atomu lub jonów na inne pod działaniem np. metalu na sól. Rozróżniamy reakcje wymiany pojedyncza i podwójna. Reakcja podwójna zachodzi wtedy, kiedy przemieszczenie atomów lub jonów zachodzi pomiędzy dwoma reagentami.

Ad.4 Reakcje typu homogenicznego zachodzą wtedy, kiedy reagenty znajdują się w jednej fazie.

Ad.5. Reakcje typu heterogenicznego zachodzą wtedy, kiedy reagenty tworzą kilka faz.

Ad.6 Reakcje typu prostego to reakcje chemiczne, kiedy powstaje tylko jedno wiązanie chemiczne.

Ad.7 Reakcje typu złożonego to reakcje chemiczne, kiedy powstaje wiele wiązań chemicznych.Każda reakcja złożona składa się z części elementarnej tj. reakcji prostych.

Rodzaje reakcji złożonych

Większość wszystkich reakcji chemicznych, jakie zachodzą w przyrodzie to reakcje typu złożonego. Reakcje złożone dzielimy na reakcje addycji, reakcje substytucji oraz reakcje eliminacji. Reakcje addycji to inaczej reakcje przyłączenia. Reakcje tego typu polegają na przyłączeniu cząsteczki np. chlorowca do alkenu lub alkinu. W wyniku rozerwania wiązania typu Pi w miejsce to wchodzi chlorowiec. Jeżeli reakcja addycji dotyczy alkenów lub alkinów to nie wymaga użycia katalizatora., który musi być obecny w reakcji addycji z udziałem arenu. Reakcja typu substytucji czyli podstawienia jest to reakcja zamiany atomu lub grupy atomów ww cząsteczce związku chemicznego(organicznego) przez inny atom lub grupę atomów. Reakcja substytucji może przebiegać według mechanizmu wolnorodnikowego. elektrofilowego lub nukleofilowego. Rodzaj mechanizmu reakcji substytucji uzależniany jest od czynnika atakującego .Reakcje typu eliminacji polegają na usunięciu atomów z cząsteczki związku chemicznego. W wyniku reakcji eliminacji otrzymuje się np. alkeny z halogenów.

Podstawowe pojęcia termochemiczne

Termochemia to dział chemii zajmujący się zagadnieniami zmian energii cieplnej zachodzącej podczas reakcji chemicznej oraz wpływem efektów cieplnych na przebieg danej reakcji chemicznej. Termodynamika chemiczna jest to dział chemii dotyczący badania równowag chemicznych. Termodynamika chemiczna zajmuje się zagadnieniem przemian fazowych i układów wieloskładnikowych. Termodynamika chemiczna opiera się o trzy podstawowe zasady termodynamiki. Pierwsza zasada termodynamiki chemicznej mówi ,ze przyrost energii wewnętrznej w układzie zewnętrznym jest równy sumie doprowadzonego ciepła i wykonanej pracy .Oznacza to tez ,że w układzie izolowanym energia może zmieniać swą formę, ale jej całkowita ilość nie ulegnie zmianie. Druga zasada termodynamiki chemicznej mówi ,że nie jest możliwy proces ,którego jedynym skutkiem byłoby pobieranie ciepła ze zbiornika i całkowita zamiana tego ciepła w prace ,czyli nie byłby możliwy proces przenoszenia energii z ciała chłodniejszego do cieplejszego.Trzecia zasada termodynamiki mówi że od układu można pobrać skończoną ilość ciepła, co spowoduje dążenie temperatury tego układu do temperatury zera bezwględnego.

Ważnymi pojęciami termochemicznymi są: energia wewnętrzna (U), energia cieplna, energia chemiczna,entalpia,entropia,układ.

Energia cieplna jest to część energii wewnętrznej układu, której źródłem jest energia kinetyczna ruchu cząsteczek.

Energia wewnętrzna - to całkowita energia wszystkich składników układu zwiazana z wzajemnymi ruchami i oddziaływaniami cząsteczek i atomów. Energia wewnętrzna oznaczona jako U charakteryzuje stan układu. Energia wewnętrzna jest suma energii kinetycznej i potencjalnej występujących w cząsteczkach i jonach w układzie.

U = U_kin + U_pot + U_jadr

U_kin - energia kinetyczna cząsteczek, atomów i jonów,

U_pot - energia potencjalna wzajemnego oddziaływania cząsteczek

U_jadr - energia kinetyczna jąder atomowych

Energia chemiczna jest to ogólne określenie energii zawartej w substancji,która może być wyzwolona w wyniku reakcji chemicznej.

Entalpia reakcji jest to różniąca między sumaryczną entalpia produktów i substratów reakcji. Standardowa entalpia jest to zmiana entalpii towarzysząca przemianie substratów ( w stanie standardowym) w produkty ( też w stanie standardowym)

Entalpia to jest funkcja stanu ,to funkcja H zdefiniowana przez zależność H=U+ pV

U - energia wewnętrzna

P - ciśnienie w układzie

V -objetość układu

Entropia to funkcja stanu S zdefiniowana jako stosunek nieskończoności małej ilości energii dostarczonej do układu w sposób odwracalny jako ciepło i temperatury bezwzględnej T układu ,który pobrał tą energie. Entropia jest miara nieuporzadkowania tj. rośnie wraz ze wzrostem „swobody” jaka uzyskuje układ.

Energia wewnętrzna - to całkowita energia wszystkich składników układu związana z wzajemnymi ruchami i oddziaływaniami cząsteczek i atomów. Energia wewnętrzna oznaczona jako U charakteryzuje stan układu. Energia wewnętrzna jest suma energii kinetycznej i potencjalnej występujących w cząsteczkach i jonach w układzie.

U = U_kin + U_pot + U_jadr

U_kin - energia kinetyczna cząsteczek, atomów i jonów,

U_pot - energia potencjalna wzajemnego oddziaływania cząsteczek

U_jadr - energia kinetyczna jąder atomowych

Układ to obiekt np. substancja chemiczna ,która jest oddzielona od otoczenia przez powierzchnie graniczną od której charakteru zależy ,czy układ jest otwarty, zamknięty czy też izolowany. Przez granice między otoczeniem a układem otwartym może następować przepływ materii i energii. W układzie izolowanym nie jest możliwy przepływ ani materii ani energii.

Kinetyka chemiczna

Kinetyka chemiczna jest działem chemii fizycznej, zajmującym się badaniem przebiegu reakcji chemicznych, ich szybkości oraz mechanizmów. Niektóre procesy chemiczne mogą przebiegać bardzo szybko (na przykład spalanie gazu ziemnego w kuchence przebiega w sposób bardzo gwałtowny), a inne bardzo powoli (wietrzenie skał wapiennych trwa całe lata). Koniecznym jest, więc określanie szybkości reakcji chemicznych. Podstawowymi definicjami stosowanym w kinetyce chemicznej są pojęcia: średniej szybkości reakcji chemicznej i chwilowej szybkości reakcji chemicznej. Średnią szybkością reakcji chemicznej w danym przedziale czasowym nazywamy stosunek wzrostu stężenia substratu lub ubytek stężenia produktu do czasu, w którym ta zmiana nastąpiła:

Jeżeli stężenie substratów jest dokładnie znane, posługujemy się w chemii tzw. szybkością chwilową, to jest szybkością w danym momencie trwania reakcji. Chwilową szybkością reakcji nazywamy pochodną stężenia produktu po czasie lub pochodną stężenia substratu po czasie (ze znakiem ujemnym):

d - jest to pochodna w rachunku różniczkowym

Szybkość reakcji chemicznej

Miarą szybkości reakcji jest stała szybkość reakcji podstawowym zadaniem kinetyki chemicznej jest określenie tej stałej dla poszczególnych etapów reakcji ,wyznaczenie temperaturowej zależności stałej ( pozwala to obliczyć energię aktywacji),zbadanie stężeń reagentów. Pierwszym obowiązującym prawem w kinetyce jest prawo działania mas Guldberga i Waagego określa ilościowo szybkość reakcji jako zmianę molowego stężenia substratu lub produktu w jednostce czasu. Stwierdza ono, że szybkość reakcji jest wprost proporcjonalna do iloczynu stężeń substratów.Podstawowym pojęciem kinetyki chemicznej jest rząd reakcji określający zależność szybkości reakcji od stężenia składników układu reakcyjnego.

Równanie szybkości reakcji jest to wyrażenie podające zależność szybkości reakcji od stężeń substratów lub produktów.

Dla reakcj typu Ma + nB --- produkty szybkośc reakcji wyraża się wzorem

v= - k [A] ^m * [B]ⁿ

v - szybkość reakcji

k - stała szybkości reakcji

[A] i [B] - stężenia molowe substratów

Rząd reakcji

Suma wykładników przy odpowiednich stężeniach nazywa się rzędem reakcji. Dla reakcji pierwszego rzędu może być wyrażona zarówno przez zmianę stężenia jednego jaki i drugiego substratu.

Kwasy

Kwasy to związki chemiczne typu elektrolitów ,które podczas dysocjacj elektrolitycznej rozpadaja się na proton H⁺ i anion reszty kwasowej zgodnie z równaniem reakcji HA ===== H⁺ =A^-

Zasady

Według teorii Arrheniusa

Zasady to związki typu elektrolitów ulęgające dysocjacji na jony wodorotlenowe OH-

Według teorii Bronsteda -Lowrego

Zasady to związki akceptory protonów.

Według teorii Lewisa

Zasady to substancje będące donorem pary elektronów.

Sole

Sole sa to tzw. Elektrolity mocna, czyli związki roztworów budowie jonowej, które otrzymuje się roztworów wyniku reakcji kwasów roztworów zasadami, metali roztworów kwasami, zasad roztworów bezwodnikami kwasowymi, kwasów roztworów tlenkami metali, zasad roztworów tlenkami niemetali lub roztworów wyniku stapiania tlenków metali roztworów tlenkami niemetali

Stężenia roztworów

Stężenie molowe (molowość)

Ilość substancji znajdującej się w roztworze przypadająca na określoną ilość rozpuszczalnika lub roztworu. Stężenie molowe (molarność) to liczba moli substancji roz­warta w l dm³(1000cm3 . Mając określoną liczbę rozpuszczonej substancjii objętość V (wyrażoną w dm³) s. molowe c_m oblicza się na podstawie zależności c_m = ilość liczba moli substancji rozpuszczonej /objętość roztworu Jednostką stężenia molowego jest mol dm³.

Stężenie molarne (molarność

Stężenie molalne (molalność) jest to liczba moli sub­stancji rozpuszczonej przypadająca na l kg (1000 g) rozpuszczalnika. Stężenie molalne c_m oblicza się, znając liczbę moli substancji rozpuszczonej n i ma­sę rozpuszczalnika m_n Jednostką s, molalnego jest mol kg-¹.

Stężenie procentowe

Stężenie procentowe jest to liczba gramów substancji rozpuszczonej za­warta w 100 g roztworu. Stężenie procen­towe c_p oblicza się na podstawie znajomości masy substancji rozpusz­czonej m i masy roztworu m_R

Ułamek molowy

Do wyrażania składu roztworów stosuje się także ułamki molowe, zwłaszcza w wy­padku mieszanin składających się z więcej niż dwóch składników.

Ułamki molowe składnika A i B są równe:

x_A = m_A/(m_A + m_B),    x_B = m_B/(m_A + m_B)    /6-18/

Suma ułamków molowych w roztworze zawsze równa się jedności.

x_A + x_B = 1

Związki chemiczne organiczne

Związki chemiczne organiczne dzielą się na:

— węglowodory,

— związki zawierające tlen,

— związki zawierające azot,

— związki zawierające siarkę,

— związki wielofunkcyjne,

— polimery,

— związki bioorganiczne.

Organiczne grupy funkcyjne

O właściwościach chemicznych związków organicznych decydują w głównej mierze grupy funkcyjne. Grupy funkcyjne podlegają zazwyczaj tym samym reakcjom niezależnie od struktury reszty cząsteczki więc znając zachowanie danej grupy można łatwo przewidzieć zachowanie całej cząsteczki.

Lista grup funkcyjnych

aldehydowa

alkenylowa grupa winylowa

alkilowa

alkinowa

aminowa

aromatyczna

cyjanianowa

estrowa

halogenowa

hydroksylowa

izocyjanianowa

karboksylowa

karbonylowa

ketonowa

iminowa

22

---