Úvod do organic. chemie
Organická chemie – definice
- org. chemie- chem. sloučenin C s výjimkou někt. jednod. anorg. l.= CO,CO2, kys. uhličit.
- 1282- F.Wohler- 1. uměle připrav. org. látka – močovina
- 1990- 7 milionů org. sloučenin
- dnes- příprava org. l., kt. se v přírodě nevyskytují= plasty, léčiva atd.
- slož. org. slouč.- hl. biog. prvky – C, H, N,O, P, S, halogeny
- exist. velk. počtu org. slouč. je dána schopností C tvořit stabil. řetěz
- C řetězce- jsou stabilní- mají vysokou energii vazby C-C
- C má elektronegativitu (2,5)- řeť. nejsou náchylné k redukt. štěpení
ani k oxid. štěpení.
- C vázané ve slouč. nemají volné el. páry ani orbitaly
Chemické vzorce organických sloučenin
- Stechiometr. vzorce- udáv. pouze vzájem. poměr atomů v molek.
- př.CH3...v molek. na 1 atom C připadají 3 atomy H
- Analýzou bylo zjištěno, že látka obsahuje 82,6% C a 17,4% H.
Určete její stechiometrický vzorec.
C = 82,60 : Ar(C) 12,01 = 6,88, H = 17,40 : Ar(H) 1,01 = 17,23
C : H = 6,88 : 17,23 = 1 : 2,5 = 2 : 5 =C2H5 (stechiometrický vzorec)
- Molekulové vzorce- udáv. vzájem. poměr atomů v molek. a počet jednotl. atomů v molek.
- př.C2H6...v mol. na 1 at. C= 3 atomy H, v molek. jsou 2 at. C a 6 at. H
- Analýzou bylo zjištěno, že jistá látka obsahuje 85,7% C a 14,3% H.
Její Mr (rel. molek. hmot.) je 70,6.
Určete molek. vzorec analyz. slouč.
C = 85,70 : Ar(C) 12,01 = 7,08, H = 14,30 : Ar(H) 1,01 = 14,16
C : H = 7,08 : 14,16 = 1 : 2 = CH2 (stechiometrický vzorec)
70,6 : 14,12 = 5.........5 x CH2 = C5H10 (molekulový vzorec)
- Racionální (fční) vzorce- znázor. charakt. funkč. skup., udáv. skuteč. počet atomů
v molek. a jejich spoj. do urč. skupin
- př.H3C-CH3 (ethan)
- Strukturní (konstit.) vzorce- zobraz. vazeb. poměry v molek., ale nepostih. rozmíst. at.
- př. H H
I I
H - C - C – H
I I
H H
Izomerie
- izomery- slouč., kt. se shodují v počtu a druhu atomů v molek., ale liší se vzájemn. vazeb. a
prostor. uspořádáním
- Izomerie konstituční- řetěz. izomery- liší se způs. uspořád. C řetězce
- H3C-CH2-CH2-CH2-CH3 H3C-CH2-CH-CH3
I
CH3
- poloh. iz.- liší se umíst. funkč. skup. nebo nás. vazby
- H3C-CH2-CH2-CH2-CH2-OH H3C-CH2-CH2-CH-CH3
I
OH
- skup. iz.- liší se funkč. skup.- H3C-CH2-OH H3C-O-CH3
- tautomery- liší se umíst. dvojné vazby a polohou 1 at. vodíku
- CH2=C-OH CH3-C=O
I I
H H
- Izomerie geometrick- závisí na poloze „napojenin“
trans-2-buten cis-2-buten
CH3 H H H
\ / \ /
C=C C=C
/ \ / \
H CH3 CH3 CH3
- Izomerie optická - dvojice molekul, které jsou vůči sobě jako obraz v zrcadle
Y I Y
I I I
C I C
/ I \ I / I \
V X Z I Z X V
zrcadlo
- každá slouč., kt. má asymetr. atom C se vyskyt. ve 2 formách= enantiomery
- enantiomery- mají stejné fyz. vlastn., ale liší se tím, že stáčejí rovinu polariz. světla
o stejný úhel, ale na opač. strany.
- označují jako optické izomery nebo antipody nebo stereoizomery
- kt. stáčejí rovinu polariz. světla doprava= (+), kt. doleva= (-)
- racemická směs- ekvimolární směs obou enantiomerů
- nedochází ke stáč. rov. polariz. světla, páč příspěvky obou izom.
se vzájemně kompenzují
- neztotožnitelnost objektu s odrazem= chiralita, přísluš. molek. se označují jako chirální
- každý asymetr. atom= centrum chirality
CHO CHO
I I
H – C – OH HO – C – H
I I
CH2OH CH2OH
D-(+) glyceraldehyd L-(-) glyceraldehyd
Klasifikace organických reakcí
substrát + činidlo → produkty reakce
1) podle způs. zániku původ. vazeb
: homolytic. reakce- dochází k symetr. štěpení vazby mezi at. prvků, kt. mají stejnou nebo
velmi podobnou hodnotu elektronegativity.
- vznikají radikály (částice s nepárovými elektrony)...A – B → A· + ·B
- př.- štěpení ethanu H3C-CH3 → H3C· + ·CH3
: heterolyt, reak.- doch. k asym. štěp. vazby+ k přesunu celého el. páru k 1 z vazeb. partnerů
- vzn. částice s elektrickým nábojem...A – B → A+ + IB-
- elektrofil = částice s klad. náb., vytv. je prvky s nízkou elektronegat.
CH3 CH3
I I
H3C – C – Cl → H3C – C+ + Cl-
I I
CH3 CH3
elektrofil
- nukleofil = částice se záp. náb., vytv. je prvky s vys. elektronegat.
H3C-CH2MgBr → H3C-CH2- + Mg+Br
ethylmagneziumbromid nukleofil
2) podle molekularity rozhod. kroku
: monomolek. reak.- 1) pomalu se vytvoří iontový pár z činidla
- 2) rychle reaguje vytvořený iont se substrátem
- rychlost reakce závisí na rychlosti vytvoř. iontu – tedy na 1 z vých. lát.
: bimolek, reak.- 1) vytváří se přechod. komplex mezi substr. a činidlem
- 2) pak se rozpadá na produkty reakce
- rychlost reakce tedy závisí i na činidle i na substrátu
3) Podle charakteru přeměn na substrátu
: substituce- dochází k náhradě někt. at./ at. skup. substrátu jiným at./ at. skup.
- dělení- je-li činidlem- radikál (radikálová substituce)
- elektrofil (elektrofilní substituce)
- nukleofil (nukleofilní substituce)...Y + CX → YC + X
: eliminace- vzniká v molek. substrátu násob. vazba/ zvyšuje se násobnost vazby
- současně se uvolň. molek. jednod., větš. anorg. l. ....XC – CY → C=C + XY
: adice- v průběhu reakce se násobnost vazeb snižuje(z 2 vazby vzniká jednoduchá)
- nastává jen u látek, které obs. nás. vazbu...C=C + AB → AC - CB
- podle typu částice, kt. atakuje nás. vazbu se adice dělí na radik., elektrof.,nukleof.
: molek. přesmyk- dochází k přesunu at. z 1 místa molek. na místo jiné... B=C-D-A → A-B-C=D
- větš. je spojen se stabiliz. molek.- vzn. stabilnější slouč. z méně stabilní
Indukční efekt
- v řádě org.látek jsou polární vazby (polarita vazby závisí na elektronegat. vazeb. partnerů)
- vznikají tak parciální náboje δ+ a δ-
- indukční efekt (I)- posuny elektronů v molek. vyvolané přítomností polár. koval. vazby
- se s rostoucí vzdáleností od polární vazby rychle vytrácí
- (+) indukční efekt (I+)...Cδ3- ← Cδ2- ← Cδ1- ← M δ1- > δ2- > δ3-
- M = částice odpuzující elektrony nebo anionty
- M = např. Mg, –CH3, -O-, -S-, -CH2CH3
- znázorň. se pomocí šipek směřuj. od substit. do C řetězce
- př.- kyselina octová oproti kyselině mravenčí
- (-) indukční efekt (I-)...Cδ3+ → Cδ2+ → Cδ1+ → X δ1+ > δ2+ > δ3+
- X = částice přitahující elektrony nebo kationty
- X = např. –NH2, -F, -Cl, -Br, -I
- znázorň. se pomocí šipek směřuj. k substit. z C řetězce
- př.- kyselina chloroctová oproti kyselině octové
- u C řetězců s více substituenty se indukční efekty sčítají
Mezomerní (konjugační) efekt
- posun elektr. π nebo nevazeb. elektron. párů vlivem určitých struktur. prvků v molek.
- podmínky vzniku- existence řetězců s větším počtem násobných konjugovaných vazeb
- násobné vazby kumulované: C=C-C-C-C
- násobné vazby konjugované: C=C-C=C-C
- násobné vazby izolované: C=C-C-C=C
- u konjug. systémů dochází k delokalizaci π-elektronů (rovnoměr. rozděl.
elektr. hustoty po skeletu molek., např. u benzenu – aromatický stav)
- ke vzn. efektu může dojít i když= v konjug. nás. vazba a at. s vol. el. p.
- (+) mezom. efekt (+M) - substituent (halogen, aminoskupina) má volné el. páry, kt. poskyt.
do konjug. a zvyš. π-el. hustotu v konjug. systému nás. vazeb
- př.- a) atom chloru ve vinylchloridu, b) aminoskupina v anilinu
- důsl. Cl at. ve vinylchloridu je zpev. vazby C-Cl, páč dochází ke
zvýš. el. hust. mezi oběma at. a tím ke snížení reaktivity
_
CH2=CH-Cl vinylchlorid (+M efekt)
¯
- (-) mezom. efekt (-M)- substituent el. přitahuje a sniž. tak π-el. hust. v konjug. systému.
- př.-a) nitroskup. v nitrobenzenu, b) b) kyanoskup. v kyanoethenu
- důsl. parciálního (+) náboje na uhlíku CN skupiny v kyanoethenu je
odčerp. el. z konjug. systému a snižuje se reaktivita systému
CH2=CH-CΞN kyanoethen (-M efekt)
Mezomerní a indukční efekt mohou působit i proti sobě. Výsledný stav je určen tím efektem, který převládne
Rozdělení uhlovodíků
Podle druhu kovalentních vazeb mezi C atomy
a) nasycené (pouze jednoduché vazby) (butan)
b) nenasycené (alespoň 1 vazba násobná) (ethen)
c) aromatické (delokalizovaný π-el.systém) (benzen)
Podle stavby uhlíkatého skeletu
a) acyklické (přímý nebo rozvětvený řetězec)
a1) s přímým řetězcem (pentan)
a2) s rozvětveným řetězcem (2-methylpropan)
b) cyklické (uzavřený řetězec)
b1) alicyklické (cyklohexan)
b2) aromatické (benzen)
Celkové členění uhlovodíků
1) acyklické
1.1. nasycené 1.1.1. alkany
1.2. nenasycené 1.2.1. alkeny
1.2.2. alkiny
2) cyklické
2.1. alicyklické 2.1.1. nasycené 2.1.1.1. cykloalkany
2.1.2.nenasycené 2.1.2.1. cykloalkeny
2.1.2.2. cykloalkiny
2.2. aromatické 2.2.1. areny monocyklické
2.2.2. areny polycyklické