Wprowadzenie
Chemia organiczna= chemia węgla
chemia życia
3
Historia
1828 - F. Wöhler – synteza mocznika
10 000 000 znanych związków organicznych
100 000 nowych związków syntezowanych każdego roku
N
H
4
C
N
O
N
H
2
C O
N
H
2
Chemia węgla
Węgiel we wszystkich związkach organicznych jest czterowartościowy
4 wolne elektrony
Węgiel może tworzyć łańcuchy otwarte i zamknięte Stany atomowe węgla
łańcuch prosty C C C C C C C C C C C C C łańcuch rozgałęziony wiązania C C C C C
5
Węglowodory
Związki zbudowane wyłącznie z węgla i wodoru
węglowodory
alifatyczne • alkany, • alkeny, • alkiny alicykliczne • cykloalkany, • cykloalkeny, • cykloalkiny aromatyczne • benzen, • homologi benzenu, • pochodne benzenuAlkany C
nH
2n+2CH3
metan etan propan butan
CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3CH2CH2CH3 pentan CH3CH2CH2CH2CH3 C H H H H H H C C H H H H C H H H H H H C C H H C H H H H H C C H H H C H H C H H H H H C C H H H C H HH H C
7
Nazewnictwo alkanów
• znajdź najdłuższy łańcuch i ponumeruj atomy węgla zaczynając od końca z większą ilością podstawników: 9 węgli nonan,
• znajdź wszystkie podstawniki i podaj numery atomów węgla, do których są doczepione: 2-metylo, 5-(1,2-dimetylopropylo)
• uszereguj podsatwniki w porządku alfabetycznym:
5-(1,2-dimetylopropylo) 2-metylononane
C
H
3
C
H
C
H
C
H
C
H
3
C
H
3
C
H
3
C
H
3
C
H
2
C
H
2
C
H
2
C
H
2
C
H
C
H
2
C
H
3
1 2 3 4 5 6 7 8 9Izomeria strukturalna
ten sam wzór ogólny, różne struktury
C
H
3
C
H
2
C
H
2
C
H
2
C
H
3
pentanCH3
CH
CH3
CH2
CH3
2-metylobutanCH3
CH3
CH3
CH3 C
2,2-dimetylopropanC
5H
129
Fizyczne własności alkanów
Destylacja frakcyjna ropy naftowej
Ropa naftowa
Nafta (C12–C16 - ciecze)temp. wrzenia (200 – 250ºC)
Olej opałowy(C15–C18 – ciała stałe) temp. wrzenia (250 – 300ºC) Gaz ziemny (C1–C4) Benzyna (C4–C12 – ciecze) temp. wrzenia (40–200ºC) Wieża destylacyjna redestylator Kondensator zbiornik zwrotny
Reakcje alkanów
Q
O
H
CO
O
CH
4
2
2
2
Spalanie
Podstawianie
Odwodornienie
2 . kat 2 2CH
R
R
CH
CH
R
H
CH
R
H
X
CH
CH
H
X
H
CH
CH
H
2
2
2
2
np. halogenowanie
HCl
Cl
CH
CH
H
Cl
H
CH
CH
H
2
2
2
światło
2
2
11
Alkeny C
nH
2n eten 1–propen 1–butenCH2
CH2
CH3
C C
H
H
H
CH3
C C
H
H
H
C
H
H
1-buten 1-penten
1-hexen 1,3-butadien 3-metylo-1,4-pentadien 2-penten
13
Izomeria geometryczna
cis -
trans-cis-(Z)-2-buten trans-(E)-2-buten
Ten sam wzór – różne własności chemiczne i fizyczne
H
H
R
R
H
H
R
R
CH3 CH3 H H CH3 CH3 H HReakcje alkenów
energy
O
H
2
CO
2
O
3
CH
CH
2
2
2
2
2
Spalanie
Uwodornienie
R
CH
CH
R
H
R
CH
CH
R
2
kat
(np
.Pt
)
2
2
Utlenianie
OH
CH
CH
HO
CH
CH
2
2
KMnO
4,OH
,H2
O
2
2
Polimeryzacja
2 2
n 2 2CH
CH
CH
nCH
15 jedno podstawione halogenowcopochodne sulfozwiązki alkohole
Przyłączanie
2 2 1 2 2 1CH
CH
R
A
B
R
CH
CH
R
R
B
A
C C H X H OSO3H H OH H+ X X C C H X C C H OSO3H C C H OH C CAlkiny C
nH
2n–2 etyn etin acetylen propyn propin but-1-yn (1-butyn)C
H C
H
H C
C
CH3
CH
3
CH
2
C
HC
CH3
C
C
CH3
but-2-yn (2-butyn)17
Reakcje alkinów
Q
O
H
CO
2
O
2
3
CH
CH
2
2
2
Spalanie
Alkiny są bardziej aktywne niż alkeny
gaz spawalniczy
Cykloalkany C
nH
2ncyklopropan cyklobutan cyklopentan
C H H H C C H H H C H H H C C H H C H H H C H H H H H C H H C H C H C H
19 H H C H H H C H H C C H H H C C H H cykloheksan H H H H H H H H H H H H konformacja krzesełkowa
H H H H H H
Węglowodory aromatyczne
Benzen
C
6H
6struktury Kekule’go
okrąg reprezentuje 6 elektronów krążących H C C H C C H C H C H H
H C C H C C H C H C H H 6 elektronów z orbitali p tworzy, chmurę elektronową21
Homologi i pochodne beznenu
Naftalen Antracen Fenantren
CH3 CH 3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 C2H5 Cl NH 2 OH OH C O CH CH2 CH3 NO2 O2N NO 2 etylobenzen Toluen metylobenzen anilina fenol kwas benzoesowy chlorobenzen –meta -para 2,4,6-trinitrotoluen (TNT) 1,2–dimetylobenzen ortho-ksylen (o–ksylen) styren
Reakcje węglowodorów
aromatycznych
Elektrofilowe podstawianie
H H H H H H H H H H H EE
+X
-H+X -+Pierścienie aromatyczne są stabilizowane rezonansowo
sprzężonym układem wiązań podwójnych
23
Nitrowanie
Sulfonowanie
HONO2 + H-H2SO4 2O NO2 nitrobenzen + -H2O SO3H HOSO3HHalogenowanie
sulfobenzen +Cl2 AlCl3 Cl HCl + chlorobenzenGrupy funkcyjne
Grupa funkcyjna - grupa atomów determinująca własności
całej cząsteczki organicznej
Grupy funkcyjne
C, H, O • alkohole, • ethery, • aldehydy, • ketony, • kwasy karboksylowe, • estry, C,H,O,N,S • tiole, • tioetery, • tioalkohole, • siarczki, • sulfonamidy. C,H,O,N • aminy, • amidy, • nitrozwiązki.25
Alkohole R–OH
OH
CH3
OH
CH3CH2CH2
CH3
CH
OH
CH3
metanol,alkohol metylowy alkohol etylowy, etanol
propan-1-ol
C2H5OH
OH
CH3CH2
propan-2-ol, izopropanolOH
CH3
CH2
CH2
CH2
OH
CH3
C
CH3
CH3
Rzędowość alkoholi
alkohole pierwszorzędowe -grupa OH przyłączona do węgla związanego z jednymatomem C,
n-butanol
alkohole drugorzędowe
-grupa OH przyłączona do węgla związanego z dwoma atomami C,
butan-2-ol
izobuthanol
alkohole trzeciorzędowe -grupa OH przyłączona do węgla związanego z trzema atomami C,
2-metylopropan-2-ol, tert-butanol
CH3
CH2
CH
CH3
OH
27
retinol (vit A)
Polialkohole
OH OH
CH2
CH2
CH3
OH OH
CH2
CH2
etano-1,2-diol,glikol etylenowy glikol propylenowypropano-1,2-diol,
propano-1,2,3-triol, gliceryna
OH
OH
CH2
CH2 OH
CH
29
Fenole Ar-OH
fenol OH CH3 OH CH3 OH CH3 OH CH3 C CH3 OH HO ortho–kresol bisfenol A meta–kresol para–kresolBHT
konserwant żywności
kapsaicyna
substancja aktywna chili
Estradiol hormon płciowy
Serotonina neurotransmiter
31
• R=C1 to C4 rozpuszczalne w H2O, R>C4 coraz mniej rozpuszczalne, • kwasowe, polarne rozpuszczalniki,
• metanol: rozpuszczalnik farb, paliwo samochodów wyścigowych, wysokotoksyczny – powoduje ślepotę.
• etanol: alkohol spożywczy, rozpuszczalnik leków, perfum, olejków zapachowych, antyseptyczny,
• glikole: trujące, stosowane w syntezie polimerów, rozpuszczalniki barwników, antybakteryjne, składniki odmrażaczy w samochodach.
• fenol: toksyczne, bezwonne ciało stałe, antyseptyczny, stosowany w produkcji leków (aspiryny) i syntetycznych żywic (bakelit).
Reakcje alkoholi
Odwodnienie
O
H
CH
CH
R
OH
CH
CH
R
2
2
H2SO
4,
Q
2
2Tworzenie alkoholanów i soli
2 2 2 2 2
CH
OH
2
Na
2
R
CH
CH
O
Na
H
CH
R
2
C
H
O
H
C
H
2
C
H
2
O
H
O
H
+3
H
O
N
O
2
O
N
O
2
C
H
2
C
H
2
C
H
O
N
O
2
O
N
O
2
+3
H
2
O
33
Utlenianie
Alkohole pierwszorzędowe Alkohole drugorzędowe aldehyd [O]CO
C
H O
H
R
1
R
2
R
1
R
2
keton OH O H C R [O] RCH2OH [O] RC O kwas karboksylowyEstryfikacja
+ +H2O OH OR1 R2CO R1OH O C R2Etery R–O–R
O O CH3–O–CH3 dimetyloeter oksantren dioksyna CH3–CH2–O–CH2–CH3 CH3–O–CH2CH3 dietyloeter metyloetyloeter tetrahydrofuran35
Fizyczne własności eterów
• dimetyloeter i etylometyloeter– gazy, wyższe etery - ciecze,• niektóre etery mają własności narkotyczne, usypiające i przeciwbólowe, • some ethers has narcotic and sleeping effect, painkillers,
37
Aldehydy R–CHO, Ketony R
1–CO–R
2H C
H
O
CH3 C
H
O
C
H
O
C CH3 CH3 O formaldehyd, metanal, aldehyd metylowy, formalina aldehyd octowyetanal , aldehyd benzoesowy,benzaldehyd
CH2
C
CH3
CH3
O
CH3 C O acetofenon, 1-fenyletanone dimetyloketon propanon aceton, metyloetylo keton butanon,testosteron (hormonmęski)
estrogen
39
Fizyczne własności aldehydów i
ketonów
• aldehydy: wodny roztwór formaldehydu używany jest do dezynfekcji,
• formaldehyd w polikondensacji z fenolem, mocznikiem lub melaminą tworzy żywice,
• acetofenon: rozpuszczalnik celulozy w przemyśle żywic rozpuszczalnych w alkoholach,
• ketony: stosowane w przemyśle perfumeryjnym i farbiarskim, • rozpuszczalniki i substraty w przemyśle chemicznym.
Reakcje aldehydów i ketonów
Utlenianie
Redukcja
CH2OH R R C H O[H] [H] R2 R1 R2 R1 OH CH O CR C
O
H
[O] [O]O
C
R
OH
R CH2OH
41
Kwasy karboksylowe R–COOH
Wzór Nazwa
zwyczajowa
Nazwa
systematyczna Występowanie
HCOOH Kwas
mrówkowy Kwas metanowy Żądła owadów CH3COOH Kwas octowy Kwas etanowy Ocet winny CH3CH2COOH Kwas
propioniowy Kwas propanowy CH3(CH2)2COOH Kwas
masłowy Kwas butanowy Zjełczałe masło CH3(CH2)3COOH Kwas
walerianowy Kwas pentanowy
CH3(CH2)10COOH Kwas laurowy Kwas dodekanowy Olejek kokosowy CH3(CH2)16COOH Kwas
OH COOH C C C H 3 O O H O O
43
Fizyczne własności kwasów
karboksylowych
• polarne, tworzą aglomeraty połączone wiązaniami wodorowymi,
• R=C1 do C4 rozpuszczalne w H2O, R>C4 słabo rozpuszczalne ze względu na hydrofobowe własności łańcucha węglowego,
• nienasycone, długołańcuchowe – kwasy tłuszczowe • rozpuszczalne w eterach i alkoholach,
Reakcje kwasów karboksylowych
Zobojętnianie
O
C
C
O
O
H
C
H
3 +N
aO
H
C
H
3 +H
2O
O
N
a
Estryfikacja
+ +H
2C
H
3O
O
H
O
C
H
3C
H
3C
H
3C
H
2C
H
2O
H
O
C
C
O
45
Estry R
1–COO–R
2H
O
C
O CH
3O
C
CH
3O CH
3O
C
CH
2CH
3O
CH
3 O CH2 C O CH3 O CH3 C O CH2 O CH3 COFizyczne własności estrów
• rozpuszczalne w wodzie nieco gorzej niż kwasy, od kórych
pochodzą,
• większość posiada charakterystyczny zapach, stąd stosowane
jako sztuczne dodatki smakowe i zapachowe.
47
Reakcje estrów
Hydroliza
CH3COOC2H5+ H2OCH3COOH+ C2H5OH
+ CH2 CH CH2 COO COO COO NaOH 3 3 COONa+ CH2 CH CH2 HO HO HO
Zmydlanie
Aminy R–NH
2 NH2CH
3NH
2metyloamina
NH
2CH
2NH
2metylodiamina
NH
2NH
2CH
3NHCH
3dimetyloamina
heksametylenodiamina
anilina
benzoamina
Fizyczne własności amin
• metylo-, dimetylo-, trimetylo- oraz etyloamina – gazy w
warunkach normalnych, dietyloamina i trietyloamina - ciecze,
wyższe aminy – ciała stałe,
• gazowe
aminy
posiadają
charakterystyczny
zapach
amoniakalny, ciekłe aminy posiadają „rybi” zapach,
• większość amin alifatycznych wykazuje rozpuszczalność w
wodzie malejącą ze wzrostem liczby atomów węgla w łańcuchu,
• aminy alifatyczne wykazują rozpuszczalność w polarnych
Węglowodany C
n(H
2O)
n(monosacharydy)
OH OH OH OH CH 2 HO C O H C C C H H H H C OH OH CH 2 HO HO C O H C C C H H H C HO H H H C C C H O C HO HO HO CH2OH51
