1. Szénhidrogének halogénezett származékai

ELTE TTK Hallgatói Alapítvány – KÉMIA LEVELEZŐ ÉRETTSÉGI ELŐKÉSZÍTŐ Székhely: 1117 Budapest, Pázmány Péter sétány 1/C; Telefon: 381-2101; Fax: 381-2102; E-mail: [email protected] ; Felnőttképzési Nyilvántartási Szám: 01-1016-04

7. Oktatócsomag Az eddigiekben olyan molekulákkal foglalkoztunk, melyeket C- és H-atomok építettek fel (szénhidrogének). A heteroatomokat (hetero-: különböző-, eltérő-, más-) tartalmazó szénvegyületekben a szénen és a hidrogénen kívül más atom(ok) is megtalálhatók, ezek leggyakrabban az O (alkoholok, aldehidek, ketonok, karbonsavak, szénhidrátok stb.), N (aminok, heterociklusos szerves bázisok stb.), S (szulfonsavak stb.), halogénatomok (Cl, Br, I).

1. Szénhidrogének halogénezett származékai A szénhidrogének egy vagy több hidrogén atomját halogénatom (F, Cl, Br, I) helyettesíti. A természetben ritkán fordulnak elő, főként mesterséges vegyületek. Elnevezés: az alapszénhidrogén neve előtt ABC-rendben felsoroljuk a halogénatomokat, valamint megadjuk, hogy hányas számú szénatomhoz kapcsolódnak. Csoportosításuk: az alapszénhidrogén típusa szerint: telített, telítetlen, aromás •

Izoméria léphet fel náluk • • •

•

Konstitúciós izoméria Cisz-transz izoméria előfordulhat az alap szénhidrogéntől függően. Optikai izoméria léphet fel, amely az alap szénhidrogéntől függ.

Fizikai tulajdonságok • • • •

Néhány kis molekulatömegű klórvegyület, továbbá fluorvegyület gáz halmazállapotú. A közepes molekulatömegű halogénszármazékok jellegzetes szagú, vízzel nem elegyedő, nagy sűrűségű folyadékok. A nagyobbak kristályos anyagok. Ismertebb képviselőik halmazállapota: • kloroform (triklór-metán: CHCl3) folyadék • szén-tetraklorid (CCl4) folyadék • freon-12 (diklór-difluór-metán: CCl2F2) gáz • teflon (a tetrafluoro-etilén {CF2═CF2} polimerizációjával állítják elő) szilárd.

Reakciók: Szubsztitúció: CH3I + OH-

CH3OH + I-

R—Br + NaOH aceton  → R—OH + NaBr (melegítés) alkil-halogenid

Készítette: Fischer Mónika

alkohol

1

www.biokem.hu


Nukleofil szubsztitúció: olyan szubsztitúciós reakció, ahol a támadó reagens szolgáltatja az új kötéshez az elektronpárt, az úgynevezett távozó csoport pedig magával viszi a kötő elektronpárját. (A fenti reakcióban a támadó reagens a hidroxid-ion, a távozó csoport a jodid-ion.) A támadó reagens a nukleofil („atommagot kedvelő”), míg a vele kölcsönhatásba lépő vegyület az elektrofil („elektronokat kedvelő”) reakciótárs. A nukleofil reagenseknek minden esetben rendelkezniük kell nemkötő elektronpárral.

Elimináció: olyan reakció, melynek során egy nagyobb molekulából egy kisebb molekula lép ki. Az addícióval ellentétes irányú folyamat.


2

www.biokem.hu


Zajcev-szabály: elimináció során, ha a halogénatomot kötő szénatomnak több olyan szomszédja is van, amelyhez hidrogénatom kapcsolódik, akkor a hidrogénatom elsősorban arról a szénről szakad le, amelyhez már eleve kevesebb hidrogén kapcsolódott. • Reduktív dehalogénezés (szénhidrogének előállítása) 2H ' R—CH2—Cl + → R—CH3 + HCl

•

Aminok képzése + B( bázis)

R—I + :NH3 → R—NH3+I-   → R—NH2 (+ HB + I-) amin alkil-ammónium-jodid só A B (bázis) lehet az ammónia (:NH3) feleslege is, ekkor egyensúlyi folyamat alakul ki.

2. Aromás szénhidrogének nitrovegyületei Kísérletek: Kémiai album: nitro-benzol: 78. oldal nitrálás: 78, 90 oldal

Előállítás: Aromás szénhidrogének direkt nitrálásával állíthatók elő, tömény salétromsavval, illetve általában tömény salétromsav és tömény kénsav elegyével, az úgynevezett nitrálósavval, hogy a reakcióban felszabaduló vizet megkössék. A reakció a következő: C6H6 + HONO2 →C6H5NO2 + 2 H2O További nitrocsoportok beviteléhez füstölgő salétromsav és tömény kénsav elegyét használják, a második nitrocsoport meta-helyzetbe kerül. A harmadik nitrocsoport az előzőhöz képest meta-helyzetbe kerül, tehát szimmetrikus trinitro-benzol keletkezik. A toluol és a xilolok könnyen nitrálhatók. Toluolból o- és p-nitrotoluol, majd további nitrálással 2, 4, 6-trinitro-toluol keletkezik, amely trotil, vagy TNT néven nagy mennyiségben használt robbanóanyag. A nitrocsoport aktiváló hatású a szomszédos hidrogén atomokra. A benzolt közvetlenül nem lehet fenollá oxidálni, még a nitro-benzolba sem lehet így hidroxilcsoportot bevinni. A m-dinitro-benzol azonban már könnyen oxidálható 2, 5-dinitro-fenollá:


3

www.biokem.hu


A szimmetrikus trinitro-benzol pedig még könnyebben oxidálható 2,4,6-trinitro-fenollá, vagyis pikrinsavvá:

3. Hidroxivegyületek (Alkoholok, Fenolok) Kísérletek: Kémiai album: butanol: 85, 86 oldal alkohol: 12, 13, 21, 54, 56, 76, 80, 83

Funkciós csoport:

-OH

(hidroxil-csoport) Szénhidrogének hidroxi-származékai

Alkoholok

Enolok

Fenolok

Azok a hidroxi-származékok, ahol a hidroxil-csoport olyan szénatomhoz kapcsolódik, amely telített!

Azok a hidroxi-származékok, ahol a hidroxil-csoport olefinkötésű szénatomhoz kapcsolódik.

Azok a hidroxi-származékok, ahol a hidroxil-csoport közvetlenül aromás gyűrűhöz kapcsolódnak.

Alkoholok Elnevezés: Az alapszénhidrogén nevéhez –ol végződést kapcsolunk. A név előtt számmal, jelezzük, hogy a hidroxilcsoport melyik szénatomhoz kapcsolódik. A számozást a hidroxil-csoporthoz közelebbi láncvégen kezdjük.


4

www.biokem.hu


Homológsor: A telített, egyértékű vegyületek homológsorának összegképlete nyílt szénlánc esetében: CnH2n+2O vagy másként CnH2n+1OH Csoportosítás: •

A hidroxil-csoport száma szerint: • egyértékű (a molekulában egy —OH csoport van) • Kétértékű (OH—CH2—CH2—OH) és így tovább!

•

A hidroxil-csoportot tartalmazó szénatom rendűsége szerint

•

Az alap szénhidrogénlánc minősége szerint • telített • telítetlen • gyűrűs • aromás (benzil-alkohol)

Alkoholok rendűsége: attól függ, hogy a hidroxil-csoport milyen rendű szénatomhoz kapcsolódik. Megkülönböztetünk primer, szekunder és tercier alkoholokat.

Értékűség: egy vegyület értékűsége a molekulában lévő azonos funkciós csoportok számát jelenti. Fizikai tulajdonságok •

Hidrogénkötések kialakítására képesek, ahol a proton a donor (a –OH csoport H+-ja) és azakceptor az –OH csoport O-jének nemkötő elektronpárja.

•

Olvadás és forráspontjuk relatíve magas (hidrogénkötés!) {a dioloké az egyértékű karbonsavakénál is magasabb a több hidrogénkötés miatt}. CH4 gáz, míg a CH3—OH folyadék

Egy vegyület olvadáspontja és forráspontja függ az adott vegyület molekulatömegétől, valamint attól, hogy a molekulák között milyen másodlagos kötőerők (diszperziós kölcsönhatás, dipólus-dipólus

5


kölcsönhatás, hidrogénkötés) lépnek fel. Magasabb olvadás- és forráspontra nagyobb molekulatömeg és erősebb kötések esetén számítunk. Egy vegyület adott oldószerben való oldhatóságát az határozza meg, hogy molekulái milyen másodlagos kötőerők létesítésére képesek az oldószer molekuláival. Akkor oldódik jól az adott vegyület, ha molekulái és az oldószer molekulák között fellépő kötőerők hasonlóan erősek, mint az oldószer-molekulák egymással kialakított kötései. Forráspont Vegyületcsoport

Kölcsönhatás

Megjegyzés

Alkán Éter Észter Aldehid Keton Alkohol Karbonsav Diol, poliol

diszperziós diszperziós, gyenge dipólus-dipólus diszperziós, dipólus-dipólus diszperziós, dipólus-dipólus diszperziós, dipólus-dipólus diszperziós, hidrogénkötés diszperziós, hidrogénkötés diszperziós, hidrogénkötés

molekula-asszociátumok dimerek (kép) molekula-asszociátumok

.

Molekula-asszociátumok: kettő vagy több molekulából álló, hidrogénkötések által összetartott molekulacsoportok. A táblázatban fentről lefelé nő a forráspont, hiszen egyre erősebbek a másodlagos kötőerők. (A vegyületcsoportok közel azonos molekulatömegű képviselőit összehasonlítva.) Egy vegyületcsoporton belül (pl.: alkoholok) minél hosszabb (apoláris) szénlánc kapcsolódik az adott funkciós csoporthoz, annál inkább hasonlítanak az adott vegyület fizikai tulajdonságai (Op, Fp, oldhatóság) a hasonló tömegű alkánéhoz. A vegyületek olvadáspontját egy harmadik tényező, a molekulák alakja is befolyásolja. Minél jobban hasonlítanak a molekulák egy gömbhöz, annál könnyebben rendeződnek kristályrácsba, tehát magasabb az olvadáspont. Az elnyújtott alakú molekulák esetén alacsonyabb olvadáspontra számítunk. •

•

Nagy szénatomszám esetén azonban a funkcióscsoport hatása már elenyésző, ezért a nagy szénatomszámú vegyületek olvadáspontja jelentősen nem különbözik az azonos szénatomszámú szénhidrogénekétől. Vízoldékonyság • A kisebb szénatomszámú alkoholok korlátlanul illetve jól oldódnak vízben; (a szénatomszám növekedésével egyre inkább a szénhidrogén jelleg dominál).

6


Kémiai tulajdonságok •

Sav-bázis jelleg Igen gyenge savak, aciditásuk a víznél gyengébb, ezért vizes oldatban az alkoholokból lúg segítségével nem állítható elő só (a víz, mint erősebb sav, az alkoholt sójából felszabadítja)! A vizes oldat kémhatása semleges. A-

HA

+

H+

Savi dissszociációs állandók:

Kd

Savmaradék ion:

.

Alkohol (etil-alkohol) Víz Fenol Karbonsav (ecetsav) Karbonsav (hangyasav) Sósav

10-15,9 10-15,7 10-9,95 10-4,76 10-3,75 108,00

CH3-CH2-O- (alkoholát- vagy alkoxid-ion) OH- (hidroxid-ion) C6H5-O- (fenolát-ion) CH3-COO- (acetát-ion) HCOO- (formiát-ion) Cl- (Klorid-ion)

A táblázatban a savak erőssége lefelé növekszik. A víznél erősebb savak vizes oldata savas kémhatású, hiszen ezek protont adnak át a vízmolekulának. A vízzel szinte azonos erősségű savak az alkoholok. Ezek vizes oldata közel semleges kémhatású, hiszen ezek molekulái csak olyan mértékben cserélnek protont a vízmolekulákkal, mint azok egymással. A savmaradék ionok bázisként viselkednek. Minél erősebb a sav, annál gyengébb bázis a belőle levezethető savmaradék ion. A táblázatban tehát az alkoholát ion a legerősebb bázis, hiszen az alkohol a leggyengébb sav. A gyenge savak sóinak vizes oldata lúgos kémhatású, hiszen a savmaradék ionok képesek protont felvenni a víztől. (A táblázat utolsó sorában feltüntetett sósav savmaradék ionjának vizes oldata semleges kémhatású, hiszen ez egy igen gyenge bázis) Pl.: C6H5-OFenolát-ion 2C2H5OH Etil-alkohol C2H5-O-

+ + +

H2O 2Na H2O

C6H5-OH Fenol = 2C2H5ONa Nátrium-etilát C2H5-OH

+

OH-

+

H2 (redoxi-reakció!)

+

OH-

Reakció erős savakkal - Alkoholok: R-OH + Alkohol

HCl

[R-OH2+ + Cl-] Alkil-oxónium-ion

R-Cl + Alkil-klorid

- Éterek: R-O-R Éter

HCl

[R-OH-R+ + Cl-] Dialkil-oxónium-ion

R-Cl + Alkil-klorid

+

7

H2O

R-OH Alkohol


Nemcsak savas, de bázisos tulajdonságokat is mutatnak. Ez a bennük előforduló oxigénatomok nemkötő elektronpárjaira vezethető vissza, amelynek révén megköthetik egy náluk erősebb sav protonját.

•

Reakció Na-al 2CH3—CH2—OH + 2Na → 2CH3—CH2—ONa + H2

•

Reakció tömény sósavval R—OH + cc.HCl → R—Cl + H2O

•

Oxidáció Szelektív a funkcióscsoport szénatomját tekintve (primer alkoholok aldehiddé vagy erélyes oxidálószer hatására karbonsavvá oxidálódnak, szekunder alkoholok ketonná).

•

Vízelimináció - intramolekuláris −H O

2→ R—CH═CH—R’ (alkén) R—CHOH—HCH—R’  

- intermolekuláris −H O

2→ R—O—R 2R—OH  

cc.H2SO4 130-140°C

8


•

Észterképződés - szerves savval (savas közegben, ahol az ásványi sav a katalizátor szerepét tölti be) R—COOH + HO—R’ = R—CO—O—R’ - szervetlen savval HNO3 + CH3—CH2—OH = CH3—CH2—O—NO2 (salétromsav-etilészter)

Előállítás •

Karbonsav-észterek hidrolízisével Általában a természetben előforduló észterekből állítanak így elő alkoholt.

•

Alkének vízaddíciójával. Ipari eljárás.

•

Alkének kénsavaddíciójával

•

Halogénszármazékok lúgos hidrolízisével − R—X OH  → R—OH + X-

•

Oxovegyületek redukciójával

Fontosabb képviselőik:

Metanol

Előfordulás Észterei és éterei a természetben elterjedtek, szabadon azonban csak nyomokban található. Fizikai és kémiai tulajdonságok - A tiszta metanol gyenge, az etanolhoz hasonló szagú, illékony, színtelen folyadék. - Oxidálva formaldehid, majd hangyasav és végül szén-dioxid keletkezik belőle: CH3OH → CH2O → HCOOH → CO2 + H2O Előállítás Régebben fa desztillációjával állították elő (innen népies neve - faszesz), ekkor faszén, faecet és fakátrány keletkezik, az előbbiből mésztejjel leválasztják az ecetsavat, a maradékot desztillációval szétválasztják és így metanolt, valamint acetont kapnak. Ma már kizárólag szén-monoxid és hidrogén elegyéből állítják elő megfelelő katalizátorral (cink-oxid és króm (III)-oxid keverékével) 450 °C-on, 200 atm nyomáson.

9


Melléktermékként izo-butil-alkohol és folyékony szénhidrogének is keletkeznek. Egészen tiszta metilalkoholt észtereinek, pl. oxálsavas-dimetilészter elszappanosításával, nyerhetnek. Felhasználás Az iparban a formaldehid előállítására, metilészterek készítésére és általában metilezésre, valamint lakkipari oldószerként használják nagy mennyiségben.

Biológia Bódító hatású, erősen mérgező, sok halálesetet kisebb mennyiségben vakságot okoz. A szervezetben az alkohol dehidrogenáz enzim első lépésben a formaldehiddé oxidálja, ez okozza a mérgezést.

Etanol Előfordulás A metanoléhoz hasonló, de erjedéssel is keletkezik a természetben. Vizes oldatát nevezik szesznek. Előállítás Szintetikusan etilénből, vagy kedvezőbben acetilénből állítható elő, ekkor az acetaldehidet, nikkel katalizátor jelenlétében hidrogenálják. Legnagyobb mennyiségben azonban ma is erjesztéssel termelik. A hat szénatomos cukrok (hexózok), vagyis szőlőcukor (glükóz) és gyümölcscukor (fruktóz) vizes oldatában élesztőgombákkal etanol és széndioxid keletkezik: C6H12O6 → 2 C2H5OH + CO2 Ezt a folyamatot már Lavoisier felismerte 1785-ben, a fenti egyenletet Gay-Lussac állította fel. Iparilag a legnagyobb mennyiségben keményítő tartalmú anyagokból (burgonya, kukorica) gőzöléssel nyert szőlőcukorból állítanak elő erjesztéssel alkoholt. Az erjesztés után desztillációval választják el az alkoholt. Fizikai és kémiai tulajdonságok Színtelen, jellemző, kellemes szeszes szagú folyadék. Kissé világító, kék lánggal ég. Vízzel minden arányban elegyedik, ekkor térfogata csökken, pl. 52 térfogat százalék etanolból és 48 térfogat százalék vízből álló elegy csak 96,3 térfogat rész lesz. Oxidálva acetaldehid, majd ecetsav és végül szén-dioxid keletkezik belőle: CH3CH2OH → CH2CHO→CH3COOH→2 CO2 + H2O Felhasználás Laboratóriumban és az iparban oldószerként, szintézisekhez, továbbá ecetsav, lakkok, festékek előállítására használják. Legnagyobb mennyiségben azonban italok alakjában fogy el (sör, bor, tömény italok). Élelmiszerekben E1510 kódszámmal is szerepelhet. Biológia Kisebb mennyiségben élénkítő hatású, nagyobb mennyiségben részegítő hatású, káros. Bizonyos mennyiségben halálos is lehet.

10


Két- és többértékű alkoholok • A geminális diolok általában nem létképes vegyületek, intramolekuláris vízvesztéssel aldehiddé

vagy ketonná alakulnak képződésük pillanatában. • A vicinális diolok életképes vegyületek. Alkénekből oxidációs eljárással állíthatók elő.

•

Fontosabb képviselői: •

metil-alkohol (faszesz)

•

etil-alkohol (borszesz)

•

glikol (1, 2-etándiol; etilén-glikol)

•

Etilén-glikol (etán-1, 2-diol): HO-CH2CH2-OH, fagyálló, édes folyadék Glicerin (propán-1, 2, 3-triol):

•

Édes, viszkózus folyadék, fontos biokémiai szerepel. Lenyelve erősen mérgező hatású. Gőzei is mérgezőek.

Fenolok Elnevezés: az alapszénhidrogén hidroxi- származékának tekintjük.

11


Példák: Fenol (karbolsav)

Hidroxi-benzol

2-naftol

Hidrokinon

2-hidroxi-naftalin

1,4-dihidroxi-benzol

Fenol nómenklatúra

• •

az OH-csoport kapja az 1-es számot 3-metil-4-klór-fenol

Fenolok aciditása • •

a fenoxid-anionokat stabilizálja a rezonancia (aromás gyűrű) az elektronvonzó csoportok tovább stabilizálják a fenoxid-aniont (különösen az orto- vagy a para-)

Fenolok reakciói • • •

a fenolos C-O kötés ritkán hasad (SN1, SN2, E1 és E2 nem megy arilcsoporttal) a fenoxid-anionok jó nukleofilek az elektrofilek könnyen reagálnak az aromás gyűrűvel az OH aktiváló és o,p-irányító

Éterek Funkciós csoport: R-O-R’ (éter-csoport) Elnevezés: az oxigénatomhoz kapcsolódó két szénhidrogéncsoport neve után az –éter utótagot tesszük.

12


Példák: Dietil-éter: CH3-CH2-O-CH2-CH3

Fenil-metil-éter:

Gyűrűs éterek: Tetrahidrofurán:

Dioxán:

Éter nómenklatúra •

alkil-alkil-éter (triviális név)

•

benzil-metil-éter a JUPAC név

Éterek reakciója • •

az éterek általában nem reaktívak (jó oldószerek) erős savakkal reagálnak (a protonált forma alávethető SN1 vagy SN2 reakciónak)

4. Oxovegyületek (Aldehidek, Ketonok)

Oxocsoport: =O

Karbonilcsoport:

Aldehid (formil)-csoport:

Aldehidek: az oxocsoport láncvégi szénatomhoz csatlakozik. (Aldehid-csoport, -CHO) Ketonok: az oxocsoport láncközi (vagy gyűrűs) szénatomhoz csatlakozik. (Karbonil-csoport, -CO-)

13


Elnevezés: az alapszénhidrogén nevéhez –al végződést kapcsolunk aldehidek esetén, míg –on végződést ketonok esetén. Alkanal: Metanal (formaldehid) Etanal (acetaldehid) Propanal Butanal

Képlet H-CHO (40%-os vizes oldata a formalin) H3C-CHO H3C-CH2-CHO C3H7-CHO

Alkanon: Képlet Propanon (Aceton, dimetil-keton) H3C-CO-CH3 (körömlakklemosó) Butanon (etil-metil-keton) H3C-CO-CH2-CH3 2-pentanon (metil-propil-keton) H3C-CO-CH2-CH2-CH3 3-pentanon (dietil-keton) H3C-CH2-CO-CH2-CH3 Többértékűek: -dial, -dion, ... végződés Propándial: CHO-CH2-CHO 2,4-pentándion: H3C-CO-CH2-CO-CH3 Ketonok tulajdonságai: Előállítás a) Másodrendű alkoholok oxidációjával: H3C-COH-CH2 + O → H3C-CO-CH2 + H2O További oxidációval szemben a ketonok ellenállóbbak, mint az aldehidek, de nagyon erős oxidálószerek a ketonokat elhasíthatják, kisebb szénatomszámú karbonsavakká. b)

Karbonsavak

kalcium-sóinak

száraz

desztillációjával

is

ketonokat

Fizikai és kémiai tulajdonságok A sorozat első tagja illékony, színtelen folyadékok, Vízben jól oldódnak. A molekulasúly növekedésével az oldhatóság csökken, a forráspont és az olvadáspont emelkedik. Kémiailag nagyon hasonlítanak az aldehidekhez, bizonyos jellemző különbségekkel. Oxidációs viselkedésüket már láttuk, egyéb jellemző reakcióik: Erős redukcióval ketonokból másodrendű alkoholok keletkeznek.

14

kapunk:


Aldehidek tulajdonságai: Ha egy szénhidrogén szélső szénatomján két hidrogént hidroxilgyökkel helyettesítünk, akkor a keletkező geminális kétértékű alkoholok nem állandóak, hanem víz lehasadásával aldehidekké alakulnak, ezekben végső helyzetű –HC=O gyök van. Előállítás a) Elsőrendű alkoholok oxidációja aldehideket ad: H3C-CH2OH + O → H3C-CHO + H2O Sokszor a levegőben lévő oxigén is elegendő megfelelő katalizátor (pl platina vagy réz) jelenlétében. b) Sav-kloridok redukciója hidrogénnel palládium katalizátor jelenlétében aldehidet ad: CnH2n+1COCl + H2 → CnH2n+1CHO + HCl Ez igazolja az aldehidek szerkezetét is. Fizikai és kémiai tulajdonságok A formaldehid szobahőmérsékleten szúrós szagú gáz, Az acetaldehid szobahőmérsékleten forró (fp. 20,8 °C) folyadék. A következő tagok forráspontja egyre inkább emelkedik, illatuk kellemes. Igen reakcióképesek, könnyen polimerizálódnak, vagy oxidálódnak. Már ultraibolya sugarakkal megvilágítva bomlanak, szén-monoxid távozással, szénhidrogénekké. A karbonil csoport általában könnyen reagál. Az aldehidek kémiai reakciói közül az alábbiakat kell megemlíteni: a) Hidrogénnel katalizátor jelenlétében alkohollá redukálhatók: CnH2n+1CHO + H2→CnH2n+1CH2OH b) Oxidáció könnyen savakká alakítja az aldehideket. Már levegőn is oxigént vesznek fel, előbb addíciós termék keletkezik, majd egy második aldehid molekulához csatlakozva karbonsav: CnH2n+1CHO + O2→CnH2n+1CHO.O2 CnH2n+1CHO.O2 + CnH2n+1CHO→2 CnH2n+1COOH Előfordulás A nagyobb szénatomszámú aldehidek egészen 12 szénatomig, bizonyos növények olajában, pl. citrom-, és rózsaolajban fordulnak elő. Felhasználás Kellemes illatuk miatt illatszerekhez használják őket.

15


Egyéb vegyületek: Ciklohexanon:

Benzaldehid: (keserűmandula)

5. Aminok Az aminok olyan nitrogéntartalmú szénvegyületek, melyek molekuláiban a nitrogénatom egyszeres kovalens kötéssel kapcsolódik egy, két vagy három szénatomhoz, a többi vegyértékét pedig hidrogénatomok kötik le. Más megfogalmazás szerint az aminok az ammónia szénhidrogéncsoportokkal szubsztituált származékai. Attól függően, hogy a nitrogénatomhoz mennyi szénhidrogéncsoport kapcsolódik, megkülönböztetünk primer (1), szekunder (2), és tercier (3) aminokat. Ha a nitrogénatomhoz négy szénhidrogéncsoport kapcsolódik, akkor a molekula állandó jelleggel pozitív töltést hordoz, ezért ezeket, az anyagokat kvaterner ammónium-ionoknak nevezzük. Ez a csoportosítás a rendűség alapján történt. Primer

Szekunder

Tercier

Kvaterner

Amino-csoport Értékűség alapján való csoportosítás: ha több aminocsoport van egy molekulában, akkor többértékű aminokról beszélünk. Elnevezés Felsoroljuk a nitrogénhez kapcsolódó szénhidrogéncsoportok neveit, majd az –amin utótagot alkalmazzuk. Eljárhatunk úgy is, hogy a szénhidrogéncsoport neve elé az amino- szócskát írjuk. Példák: Metil-amin (aminometán)

Dimetil-amin

Trietil-amin

16


Fenil-amin (anilin)

N,N-dimetil-2-aminoetanol

Benzil-amin

Fizikai tulajdonságok Az aminok képesek hidrogénkötések kialakítására. A primer és szekunder aminok donor és akceptor szerepet is játszhatnak, míg a tercier aminok csak akceptorként vehetnek részt a hidrogénkötésben. Forráspont: a kialakuló hidrogénkötések miatt a primer és szekunder aminok forráspontja magasabb, mint a hasonló molekulatömegű alkánok forráspontja. A tercier aminok molekulái egymás között nem alakítanak ki hidrogénkötéseket, ezért ezek forráspontja alacsonyabb. Oldhatóság: az aminok vízben jól oldódnak, hiszen hidrogénkötéseket hoznak létre a vízmolekulákkal. A kis molekulatömegűek az ammóniára emlékeztető szagúak. A nagyobb molekulatömegűek undorító szagúak. A kevéssé illékonyak pedig szagtalanok. Kémiai tulajdonságok Az aminok bázisként viselkednek, mert a nitrogénatom nemkötő elektronpárja protont köthet meg: Vízzel szemben gyenge bázisok, mint az ammónia: R-NH2 + H2O R-NH3+ + OHAmin Alkil-ammónium ion Erős savval (pl.:sósav) az aminok szinte teljes mértékben sóvá alakulnak: R-NH2 + H3O+ R-NH3+ + H2O Az aminok sói: vízben jól oldódó, ionkristályos vegyületek. Vizes oldatban hidrolizálnak, oldatuk savas kémhatású. Pl.: Trietil-ammónium-klorid (trietil-amin-hidroklorid): (C2H5)3NH+Cl(C2H5)3NH+ + H2O (C2H5)3N + H3O+ Előállítás Nitrovegyületek redukciójával, pl. az anilint nitro-benzolt vasforgáccsal és sósavval történő redukciójával: C6H5NO2 + 2 Fe + 6 HCl → C6H5NH2 + 2 FeCl3 + 2 H2O Ammónia alkilezésével: RX + NH3 → R -NH3+ X- (+ NH3) → R -NH2 + NH4X A reakció során megjelennek többszörösen alkilezett származékok is. Felhasználás Műanyaggyártás, pl. a NH2-(CH2)6-NH2 hexametilén-diamin a nylongyártás egyik alapanyaga. Redoxiindikátorok (pl. difenil-amin) 17


Festékipar (pl. anilin). Műanyagok (olvasmány) A műanyagok mesterséges úton előállított, vagy átalakított óriásmolekulájú anyagok, szerves polimerek. Ma már elképzelhetetlen nélkülük az élet. Jelen vannak mindenütt a háztartásokban, a járművekben, az egészségügyben, az elektronikában, az űrkutatásban, amerre nézünk mindenütt. Sokszor olyan helyeken is jelen vannak, ahol nem is gondolnánk (Például, amit papírnak nevezünk, sokszor az is tartalmaz műanyag(oka)t, de általában műanyagok a festékek hordozói is. A 80% pamutot tartalmazó zokni 20%-a műszál, a lakkok, ragasztók zöme szintén valamilyen műanyag.) Számtalan különböző műanyagot gyártanak, némelyeket igen nagy mennyiségben. Történeti áttekintés: A műanyagok ősei az ókorban is ismertek voltak. Ezek a különböző természetes gyanták és a bitumen. Mesterséges úton nagytömegű műanyagot az 1900-as évszázad végén kezdtek előállítani. Óriásmolekulájú vegyületeket sokszor véletlenül állítottak elő, műanyagként csak később alkalmazták őket. ( Pl.: polisztirolt már 1835-ben előállítottak, de műanyagként csak közel 100 év múlva kezdték alkalmazni. Teflont is előállítottak már 1936-ban és használták is már a II. Világháború alatt, de nálunk csak jóval később vált ismertté.) PTFE politetrafluor-etilén (teflon) (C2F4)n Kemény, hő-, kopásálló és vegyi anyagoknak is jól ellenálló polimerizációs műanyag Roy Plunkett fedezte fel a DuPont-nál 1938-ban, miközben új CFC hűtőközeget akart előállítani. 1946-ban került kereskedelmi forgalomba. Felhasználás Elsősorban az edények tapadásgátló bevonataként ismert de számtalan egyéb célra használják, pl.: forgácsolt alkatrészek, önkenő siklócsapágyak, csapágyperselyek, csapágybélések, tömítések, áteresztőcsapok, tolózárak, vegyszerszivattyú membránok, korrózióvédő bevonatok, vegyipari eszközök bevonatai, rádiófrekvenciás eszközök dielektrikuma, stb. Az űrhajózásban is használatos például a rakéta egyik hajtóanyagként is alkalmazott fluor teflon csöveken vezethető, egyébként szinte mindent tönkretesz. Egyik legkorábbi alkalmazása Manhattan Project (atombomba kifejlesztése) keretében történt, ahol szelep bevonatként és csövek tömítésére használták, a rendkívül reakcióképes urán-hexafluorid "megtartására" az urán dúsító üzemben (Oak Ridge, Tennessee). Ekkor, mint "K416" volt ismeretes. A műanyagok nagyarányú termelése az 1930-as években indult meg. 1908-ban Baekeland belga tudós találmányával indult meg a nem természetes alapú, szintetikus felépítésű műanyagok gyártása. Backeland fenol, formaldehid kondenzációs alapú műgyantája tette lehetővé a bakelit sajtolóporok gyártását. 1921-ben Pollák osztrák tudós a karbamid-formaldehid alapú kondenzációs termékek - aminoplasztok - felfedezésével vitte előbbre a szintetikus műanyagipart. E kettőt követte gyors egymásutánban az anilin, a különféle alkidok, a ftálsavas glicerin, a vinilgyanták és présporok stb. gyártása egészen napjaink legújabban birtokba vett műanyag-szenzációkig. De a fejlődés még egyáltalában nincs lezárva, mert az első műanyag felfedezésével a világ új nyersanyagforrás birtokába jutott. A műanyagok nyersanyagai megtalálhatók a növény és állatvilágban. Természetes alapú műanyagok nyersanyagai cellulóz, furfurol és a növényi olajok, továbbá a kaucsuk a természetes gyanták és a bitumenek. Eredet szerinti besorolás: Eredet szerint beszélhetünk természetes alapú és mesterséges úton előállított műanyagokról. A természetes alapú műanyagok között említhetők: - Cellulózszármazékok. Leggyakoribb cellulózból előállított műanyagok: Vulkánfíber: erős, szívós anyag, amely megduzzasztva melegen könnyen formázható. Jól forgácsolható, szilárdsága nagy, fajsúlya kicsi. Viszkóz: fonalat (műselyem - a képen), fóliát (cellofán), és szivacsot készítenek belőle. Celluloid: átlátszó, igen tiszta, jól színezhető anyag. - Fehérjeszármazékok. A fehérjék növényi vagy állati eredetű természetes óriásmolekulák, amelyek fő alkotóelemei az aminosavak. A kazein (tejfehérje) 17 különböző aminosavmaradékból épül fel. - Kazeinalapú műanyag (műszaru): erősen hasonló a természetes szaruhoz. Színezhető, polírozható, forgácsolható. Oldószere nincs.

18


-Vérfehérje alapú műanyag: Szintén műszaru készíthető belőle. Meggyújtva szenesedik és igen kellemtlen szaga van. - Kaucsukszármazékok Klórkaucsuk: sárgásfehér színű szemcsés szagtalan por. Jó minőségű lakkalapanyag. Filmje korrózióálló. Ellenáll sósavnak, lúgoknak. Hidroklórkaucsuk: színtelen gyantaszerű termék. Ciklokaucsuk: Vulkanizálással fémhez ragaszható, csak 60°C-ig alkalmazható. Gumi: Régóta alkalmazott, rugalmas, természetes polimer. Keménygumi (Ebonit): Savaknak, lúgoknak sóknak ellenáll. Ebonit akkumulátor ház. Fekete színű szilárd anyag, felmelegítve jól hajlítható. Egyéb természetes alapú műanyagok: - Bitumenek: Aszfalt alapú műanyagok. - Kátrányok: Desztillációs termékük a szurok. - Sellak: Cserjék, fák ágain pajzstetvek szúrásának hatására keletkezik. Hazája India. Hőre lágyuló plasztikus massza. Jó villamos szigetelő tulajdonságú. - Faktisz: A gumiipar legfontosabb adalékanyaga. Növényi olajból állítják elő. - Linóleum: Rugalmas, kopásálló. Jó minőségű hézagmentes bevonatok készíthetők belőle. Mesterséges úton előállított műanyagok Mesterséges úton, kis molekulákból állítanak elő óriásmolekulákat. Az alapmolekulák (monomerek) kapcsolódása szerint a következők lehetnek: - Polikondenzációs műanyagok Kémiailag eltérő felépítésű alapmolekulákból makromolekulák jönnek létre, melléktermék lekeletkezésével. Polikondenzációs folyamat során a monomerek egyesülésekor a melléktermék általában víz. A polikondenzációs műanyagok szerkezete lehet lineáris, fonal alakú és térhálós. - Polimerizációs műanyagok Polimerizáció során az alapvegyület (monomer) molekulái melléktermék nélkül, a kettőskötések felbomlása útján kapcsolódnak egymáshoz. A koncentráció növelése, a hőmérséklet, a nyomás és a fény gyorsítja a polimerizációt. Úgynevezett módosítókkal szabályozható a molekulasúly és az alak. Az egyik legelterjedtebb polimerizációs műanyag a polietilén. - Poliaddíciós műanyagok Kémiailag különböző molekulákból makromolekulák jönnek létre, melléktermék keletkezése nélkül. Az óriásmolekulákat két vagy több funkciós alapvegyület kapcsolódásával kapjuk, melléktermék keletkezése nélkül. Általában alacsony hőmérsékleten megy végbe, katalizátorra nincs szükség. Ide tartoznak a (PUR) poliuretánok. Részlet a http://hmika.freeweb.hu/Kemia/Html/Muanyag.htm című honlapról

6. Nitrogéntartalmú heterociklusok Olyan gyűrűs szénvegyületek, melyek molekuláiban a gyűrű felépítésében nem csak szén, hanem heteroatomként nitrogén is részt vesz. Sok ilyen anyagnak igen nagy biokémiai jelentőssége van. Piridin (C5H5N)

19


A benzolhoz hasonló, aromás rendszer. A gyűrűt alkotó hat atom 1-1 elektronja (összesen 6 elektron) delokalizálódik a benzol molekulapályáihoz hasonló molekulapályákon (π1,π2,π3). A nitrogénatom nagyobb elektronegativitású, mint a szénatomok, ezért a delokalizált elektronpárok közelebb húzódnak a nitrogénatomhoz, tehát a molekula elektronfelhője torzul a benzolhoz képest. A nitrogénatomon elektrontöbblet lép fel, tehát itt lesz a molekula negatív pólusa. Főleg a nitrogén melletti két szénatom, valamint a vele szemben lévő szénatom hordozza a részleges pozitív töltéseket (az ábrán a 2. 6. és 4. számú szénatomok). A piridinmolekula tehát dipólusos. Fizikai tulajdonságok Kellemetlen szagú folyadék. Forráspontja magasabb, mint a benzolé, hiszen a molekulák között dipólusdipólus kölcsönhatás lép fel. Vízzel minden arányban elegyedik (hidrogénkötés akceptor a nirtogénatom a nemkötő elektronpárja miatt). Apoláris oldószerekben is jól oldódik. Kémiai tulajdonságok Gyenge bázis:

+ OHPiridin Piridinium-kation Sói (piridiniumsók, pl.: piridinium-klorid, C5H5NH+Cl-) vízben jól oldódnak, savasan hidrolizálnak. +

H2O

Pirimidin (C4H4N2)

A benzolhoz és a piridinhez hasonló aromás gyűrű, mely két nitrogénatomot tartalmaz 1, 3 helyzetben. Mindkét nitrogénatomnak van 1-1 nemkötő elektronpárja. Vízben jól oldódik. Gyengébb bázis, mint a piridin. Sok fontos természetes szénvegyületben megtalálhatjuk a pirimidingyűrűt. Ilyenek például bizonyos nukleinsav-bázisok: citozin, timin, uracil. Pirrol (C4H5N)

Négy szénatomból és egy nitrogénatomból álló aromás gyűrű, hat darab delokalizált elektronnal (a nitrogénatom nemkötő elektronpárja delokalizálódik). A molekula dipólusos, viszont ellentétben a

20


piridinnel, itt a részleges pozitív töltés a nitrogénatomon lép fel, míg a szénatomokon részleges negatív töltés jelentkezik. Fizikai tulajdonságok: Színtelen folyadék. Vízben nem oldódik, apoláris oldószerekben viszont igen. Kémiai tulajdonságai nem hasonlítanak a szekunder aminok kémiai tulajdonságaihoz, ahogyan azt a képletre nézve várnánk, hiszen a nitrogénatom nemkötő elektronpárja delokalizálódik. Nem viselkedik bázisként, hanem gyenge sav, gyengébb, mint a víz, így annak nem ad át protont. Sok fontos természetes szénvegyületben megtalálhatjuk a pirrolgyűrűt. Ilyenek például: klorofill, hemoglobin, B12-vitamin. Indol (C8H7N)

Egy benzol és egy pirrol gyűrű képzeletbeli „összeolvasztásával” vezethető le. Aromás gyűrűrendszer. Kémiai tulajdonságaiban a pirrolhoz hasonlít. Sok fontos természetes szénvegyületben megtalálhatjuk az indolvázat. Ilyenek például: triptofán (egy aminosav), auxin (indolecetsav, növényi hormon), szerotonin (neurotranszmitter). Imidazol (C3H4N2)

Három szénatomból és két nitrogénatomból álló aromás gyűrű, hat darab delokalizált elektronnal (az egyik nitrogénatom nemkötő elektronpárja delokalizálódik, míg a másik nitrogénatom megtartja nemkötő elektronpárját). Az egyik nitrogén – amelyikhez a hidrogén kapcsolódik – a pirrolra emlékeztet, a másik viszont a piridinre. A molekula dipólusos: a pirrolszerű nitrogénen részleges pozitív, míg a piridinszerű nitrogénen részleges negatív töltés jelenik meg. Fizikai tulajdonságok: Az imidazolmolekulák között erős hidrogénkötések vannak, ami a két különböző nitrogén következménye. Kristályos vegyület (Op: 90 ºC, Fp: 256 ºC). Vízben jól oldódik. Kémiai tulajdonságok: Gyenge bázis (piridinszerű N miatt), de erősebb, mint a piridin. Gyenge sav (pirrolszerű N miatt), de erősebb, mint a pirrol. Az imidazol tehát protont felvéve imidazolium-kationná, míg protont leadva imidazol-anionná alakulhat. Biológiai jelantősségét éppen az adja, hogy képes enzimek részeként protoncsere reakciókban részt venni. 21


Sok fontos természetes szénvegyületben megtalálhatjuk az imidazolgyűrűt. Ilyenek például: hisztidin (egy aminosav), hisztamin (immunválasz, neurotranszmitter). Purin (C5H4N4)

Egy pirimidin- és egy imidazolgyűrű képzeletbeli „összeolvasztásával” vezethető le. Aromás gyűrűrendszer. Kémiai tulajdonságaiban a pirimidinre és az imidazolra egyaránt hasonlít. Sok fontos természetes szénvegyületben megtalálhatjuk a purinvázat. Ilyenek például: adenin, guanin (nukleinsav bázisok), koffein, húgysav.

Ajánlott irodalom/Irodalomjegyzék Szabó Lászlóné: Kémia III. Általános kémia (Nemzeti Tankönyvkiadó) Orbán Erzsébet-Borszéki Ágnes: Felvételi és versenyfeladatok gyűjteménye. Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete (Gondolat) Természettudományi kisenciklopédia (Gondolat) Villányi Attila: Kémia Feladatgyűjtemény a kétszintű érettségire Villányi Attila: Kémia a kétszintű érettségire Villányi Attila: Ötösöm lesz kémiából. Inzelt György: Kalandozások a kémia múltjában és jelenében Rózsahegyi Márta – Wajand Judit Kémia itt, kémia ott, kémia mindenhol! Rózsahegyi Márta- Wajand Judit 575 kísérlet a kémia tanításához Orbán Erzsébet-Borszéki Ágnes: Felvételi és versenyfeladatok gyűjteménye. Bodonyi Ferenc, Dr. Pitter György: Kémiai összefoglaló

Internetes ismeretek • http://www.kfki.hu/~cheminfo/TermVil/tv2001/tv0105/kajtar.html Kajtár Márton: Miért piros a paprika? A paprika csípős ízet és piros színe egy-egy vegyületnek köszönhető. Rövid molekuláris és elektron szerkezeti bevezető után tér ki a cikk a tartalmi részre, ahol a konjugált poliolefinek (mint az imént említett molekulák is) elektronszerkezetén keresztül magyarázza a paprika ízét és színét. Konjugált poliének

• http://www.matud.iif.hu/03feb/egyed.html Számomra a kémia szórakozás és szenvedély is

22


Egyed László beszélgetése Oláh Györggyel • http://www.eletestudomany.hu/hirek/375.html Dr. Barthó Loránd: Tintagomba-mérgezés „A tintagombák (Coprinus-fajok) leginkább arról ismertek, hogya legtöbb faj termőteste idővel a spórák által feketére festett folyadékká, „tintává” alakul. Egyes tintagombafajok azonban egyéb mutatványokra is képesek: egyik hatóanyaguk, a koprin nevű aminosavszármazék önmagában nem különösebben toxikus vegyület, ám ha röviddel a koprin-bevitel előtt, vele egyidejűleg vagy (esetleg nem is olyan röviddel) utána alkoholt iszik valaki, akár súlyos tünetek is felléphetnek.”

• http://www.matud.iif.hu/01nov/puppan.html Puppán Dániel Bioüzemanyagok – A biodízel és a bioetanol mint alternatív motorikus üzemanyag Különböző átalakítások révén az eddig csak táplálkozás céljából vásárolt étolajokból könnyen a járműveknek mefelelő bioüzemanyagok állíthatók elő. Ennek folyamata ismerhető mge ezen az oldalon. Az egyik legfontosabb, hogy ezek használatával jelentősen csökkenthető a szénhidrogének, a szén-monoxid és a benzol kibocsátása, valamint az üvegházgázok kibocsájtása. Azonban nálunk sajnso ez még annyira sem elterjedt, mint Nyugat-Európában…

• http://www.matud.iif.hu/02dec/olah.html Oláh György, Ániszfeld Róbert: Új generációjú üzemanyagcellák „Az üzemanyagcella olyan elektrokémiai galvánelem, amely képes a benne lévő üzemanyag kémiai energiáját közvetlenül elektromos energiává átalakítani. A különbség az üzemanyagcellák és galvánelemek között az, hogy amíg a galvánelemek esetében az üzemanyag felhasználása után az elemet (vagy akkumulátort) ki kell cserélni (vagy fel kell tölteni), addig az üzemanyagcellákat új üzemanyaggal folyamatosan lehet ellátni” A cikk bővebben a direkt metanolos üzemanyagcellával foglalkozik.

• http://www.kfki.hu/chemonet/osztaly/50/hargittai.html Hargittai István: A molekulák útra keltek - a kémiai kutatások elmúlt 50 évének eredményeiből A molekulák útra keltek számomra azt jelenti, hogy a kémia az elmúlt 50 évben eddig soha nem látott módon hatolt be a rokontudományokba és átszőtte azokat. Ezt azért hangsúlyozom, mert vannak olyan statisztikák, amelyek szerint a kémia visszavonul, mind a tudósok számát, mind pedig a publikációs tevékenységet tekintve. A visszavonulás azonban csupán látszólagos, a valóság ennek az ellenkezője. A modern biológia az elmúlt évtizedekben elkémiásodott és ez igaz más tudományterületekre is, ha nem is olyan mértékben, mint a biológiára. Számomra ez jelenti a molekulák útrakelését. Úgy gondolom, hogy nincs is szükség ennek további bizonyítására, bár tulajdonképpen egész előadásom is illusztrálja ezt a folyamatot. Azzal a váddal sem szeretnék külön foglalkozni, hogy a kémia elszennyezi a környezetünket, mert ha valamitől a környezetünk megmentését remélhetjük, az éppen a kémia. Modern életünkben mindenütt kémiát találunk.

23


Gyakorlás 1. Asszociáció A)

aldehidek

B)

ketonok

C)

mindkettő

D)

egyik sem

1…karbonilcsoportot tartalmazó vegyületek. 2…karbonilcsoportjukhoz egy hidrogénatom és egy szénatom vagy két hidrogénatom kapcsolódik. 3…karbonilcsoportjukhoz két szénatom kapcsolódik. 4…karbonilcsoportjuk a szénlánc végén van. 5…oxocsoportjuk láncközi szénatomhoz kapcsolódik. 6…nevükben az oxocsoportot “–on” végződéssel jelöljük. 7…nevükben az oxocsoportot “–al” végződéssel jelöljük. 8…nevükben az oxocsoportot “–ol” végződéssel jelöljük. Párosítsa a vegyület nevét és molekulájának képletét! formaldehid acetaldehid benzaldehid 3-metil-butanol akrilaldehid (2-propénal) aceton

2-pentanon (metil-propil-keton) 9… H3C—CO—CH3 10… HCOH 11… H3C—CO—CH2—CH2—CH3 12… H3C—CHCH3—CH2—COH 13…

O C

H

24


14… CH3—COH 15… CH2═CH—COH

Ötféle asszociáció: A) butanon B) buténon C) fenil-metil-keton D) ciklohexanon E) egyik sem 16 Általános összegképlete: CnH2nO. 17 Erélyes oxidációjával adipinsav keletkezik. 18 A név nem egy konkrét vegyületre utal. 19 Adja az ezüsttükörpróbát. 20 HCl-dal reakcióba lép. 21 Redukciójával primer alkohol keletkezik. 22 Molekulájában minden atom egy síkban van. 23 Aromás keton. 24 Homológ sorának általános összegképlete megegyezik a “D” vegyület homológsorának általános összegképletével. 25 Elszínteleníti a brómos vizet.

2. Nevezze el a következő vegyületeket (vegyük figyelembe a sztereokémiát is, ha jelölve van).

a)

b)

d)

c)

e)

25


3. Írd fel a terc-butil-alkohol vizes kénsavas dehidratálásának E1 mechanizmusát. 4. Írjuk fel a benzol FeBr3-katalizált brómozásának mechanizmusát. Rajzoljuk fel a reakció potenciális energia diagramját. Az intermedierek összes rezonancia formáját is rajzoljuk fel. Miért számít katalizátornak a FeBr3? 5. Egészítsük ki a reakciót a hiányzó részekkel:

6. Szövegértelmezés Illatok, szagok kémiája: Ahhoz, hogy valaminek a szagát érezhessük az illető anyag molekulája "önállóan kell lebegjen" a levegőben, hogy az orrba jutva a szagérzékelő sejtek receptoraiban ingerületet kelthessen. Az anyagok felületén lévő molekulák közül mindig akad olyan, amelyik elegendő mozgási energiára tesz szert ahhoz, hogy leküzdhesse a többi molekula vonzó hatását és elpárologjon. Nagyobb hőmérséklet esetén több ilyen molekula akad. Bizonyos anyagok hajlamosabbak a párolgásra vagy szublimálásra, ezeknek már alacsonyabb hőmérsékleten is érezhetjük a szagát, ha egyébként "illeszkednek a receptorokba". Csak olyan anyagokat érzékelünk "szagként", amelyek ingerületet keltenek a szaglóidegekben. 26


Szag: általában valamely anyagból párolgás vagy kiválás útján a levegőbe jutó és a szaglóidegekre ható illó részecskék, illetve gáznemű anyagok által keltett érzet. Illat: rendszerint illóolajokból eredő jó, kellemes szag. Régen jelzővel általában jellegzetes szag leírására is használták, pl. "fojtó, kellemetlen, kesernyés illat". A szaglás szerve a felső orrjáratban kb. 4-5 cm2-es területen elhelyezkedő szaglóhám. Ebben találhatók a szaglóreceptorok, melyeknek száma 15-20 millió lehet. A szaglórégióhoz a szaganyagok főként a belélegzett levegővel jutnak. Tekintettel arra, hogy a felső orrjárat ventillációja rossz és a levegő normális légzés során főleg az alsó orrjáratokon áramlik át - bár örvényáramlás és felmelegedés okozta cirkuláció révén a felső orrjáratba is eljut - a felső orrjárat átszellőzése és ezáltal a szagfelismerő képesség szippantással, szimatolással erősen fokozható. A szaganyagok egyébként csak akkor keltenek szagérzetet, ha mozgásban vannak. Ezzel magyarázható, hogy nem érezzük erős szaganyagok szagát akkor sem, amikor az orrüregben vannak, ha nem veszünk lélegzetet, vagy ha nyitott szájon keresztül lélegzünk. Ha "takarékon" lélegzünk, akkor is kb. 1 liternyi levegőt szívunk be (és fújunk) ki egy-egy légvételnél. Ennek kb. 80 %-a nitrogén, vagyis kb. 8 deci nitrogént szívunk be és fújunk ki, mivel azzal semmi sem történik. Ez kevesebb, mint egy gramm nitrogént jelent, amiben kb 2 x 1022 db nitrogénmolekula található. Oxigénből kevesebb, mint 2 deci jut egy ilyen légvételre ez úgy 0,26 grammnyi, amiben kb. 5 x 1021db oxigénmolekula található. A levegő "alapösszetevői" semmilyen szagingert nem keltenek (szerencsére). Ha valami olyan szagot érzünk, amire érzékeny az ember orra, abból ppm-nyi (milliomod résznyi) mennyiség elegendő a levegőben. Vagyis az említett levegővételben 1 milliomod liternyi (ezred köbcentinyi) mennyiség van az adott illatból (szagból). Ez tömegre nagyon kevés, "darabra" azonban még mindig iszonyú sok kb. 1017 darab molekulát jelent az adott anyagból. Ennek persze csak igen kis hányada lép kölcsönhatásba a szaglósejtekkel, de az is elegendő. A szaglás funkciója étfontosságú az állatvilágban segít a zsákmányállat követésében, a megfelelő táplálék kiválasztásában, a potenciális szexuális partner megtalálásában vagy a fejletlen újszülött emlősnek anyja megtalálásában. Az ember számára a szaglás szintén döntő a romlott táplálék illetve egyéb vészhelyzetek (tűz, mérgezés) felismerésében. Az érzékszerveink közül talán a legkésőbb "fejtettük meg" a szaglás működési mechanizmusát. A 2005 évi Nobel-díjat Richard Axel és Linda B. Buck kapta megosztva az ezzel kapcsolatos kutatásaikért. A két kutató 1991-ben egér kísérletek segítségével együtt fejtette meg szaglásunk bonyolult működését. Felfedeztek egy nagyobb, körülbelül 1000 génből álló géncsaládot - (ez teljes génállományunk 3 százaléka) -, amely szerepet játszik a szagok azonosításában. Bár képesek vagyunk megkülönböztetni tízezerféle szagot, a szaglóhámunkon csak ezer különféle receptor sejt azonosítható, mindegyik egy adott szagra specializálódva. Hogy mégis sokkal több szagot vagyunk képesek azonosítani, annak titka, hogy a szagingert kiváltó, eltérő konfigurációjú molekulák egyszerre több receptor sejthez kötődnek, így a kombinációk határozzák meg a kiváltott szagérzés milyenségét. A szagingert ugyanis leginkább olyan illó anyagok molekulái keltik, melyek feloldódnak a szaglóhámot borító vékony váladékban. (Ez magyarázza, hogy például nátha esetén csökken a szaglási érzékenység.) A szaglóhámban elhelyezkedő szaglósejtek dendrit-szerű felületi nyúlványaikon keresztül az ingerületet a szaglóidegek megvastagodott részébe, az úgynevezett glomerusokba küldik. A receptorsejtek mindig ugyanahhoz a glomerushoz juttatják el az ingerületet.

27


A glomerusokban a szagingerületek más idegsejtekre átkapcsolódva az agy más területeire, így a limbikus rendszerbe, a hipotalamuszba és a frontális lebenybe is eljutnak. Ezáltal az illatok nagyon hatékonyak például az emlékek felidézésében: bizonyos illatok könnyen felidézhetik gyerekkorunkat, egy romlott vagy kevésbé friss étel viszont évekre eltántoríthat bennünket bizonyos ízektől. Minden élő organizmus képes a kémiai alkotóelemek felismerésére környezetében. A halaknak relatíve kevés, körülbelül száz körüli a receptor sejtjeik száma, az egereknek viszont több mint ezer, azaz több mint az emberé. Nem csak a receptor sejtek számától, hanem a szaglóhámtól is függ a szaglás kifinomultsága. A kutyák szaglása körülbelül egymilliószor jobb, mint az emberé, ami részben azzal is magyarázható, hogy egy átlagos kutya orrában 130 négyzetcentiméter szaglóhám található. Ismert az is, hogy a nők szaglásérzékenysége nagyobb, mint a férfiaké, az illatszerek egy részét a férfiak nem, vagy csak alig érzik. Szaglóhámunk idegsejtjei bizonyos vegyületekre érzékenyek, a "szagérzet" azonban teljesen szubjektív Ugyanazt a szagot esetleg érezheti valaki kellemesnek, míg másvalaki kellemetlennek. Az adott anyag mennyiségétől (kocentrációjától) is függ a szagérzet. Pl. a bróm-sztirol, vagy fenil-acetaldehid, melyek tömény állapotban igen kellemetlen szagúak, nagy hígításban azonban megtévesztésig jácintszagúak. A magasabb zsírsav-aldehidek tömény állapotban kellemetlen izzadtságszagúak. Nagy hígításban megtartják ugyan, de már csak enyhén az izzadtságszagot, de emellett narancs-, rózsa-, jázmin stb. között változik az illatuk. Az indol és a szkatol nagy részben okai az emberi bélsár bűzének. Igen nagy hígításban azonban virágillatuk van. A kumin-aldehidnek poloskaszaga van. Nagy hígításban azonban nem kellemetlen, érdekes, stb. Nagy hígításban való használatuk következménye kiadósságuk, olcsóságuk. Virágkedvelők és parfümszakértők szerint esetleg nagyon sokban tér el két illat, míg a vegyészek szerint igencsak kevésben: csupán egy-egy metil-csoportban, amelyek az aromás szénhidrogéngyűrűre épült alkohol szénláncát hosszabbítják. Hasonló összevetést tehetünk - jóllehet más és más szerkezeti rokonságra hivatkozva - a narancsvirág és az ámbráscet váladékának illata, vagy a gyöngyvirág, a hársfa és az ibolya illata között. Sokféle szaganyag szerkezetét sikerült már analitikai eszközökkel felderíteni, mégis keveset tudunk a környezetünket elárasztó illatokról, minthogy a szagok objektív mérésére - ahogyan a hang vagy a fény esetében - nincs lehetőség. A "szagkutatás" elsősorban "beépített összehasonlító analitikai mérőműszerünk", az orrunk szubjektív megérzéseire támaszkodik. (Bár nemrégen kifejlesztettek olyan elektronikus eszközöket, amelyek bizonyos "szagokra", vagyis bizonyos vegyületekre az emberi orrnál érzékenyebbek, de nem képesek a 10.000 féle szag akár töredékének felismerésére sem.) A kutatóknak már korábban feltűnt, hogy az emberek azonos vagy hasonló szagúnak érzékelnek olyan vegyületeket, amelyeknek szerkezete nagymértékben eltérő, hasonló viszont az őket felépítő atomok térbeli elhelyezkedése, a vegyület molekuláinak térkitöltése (például a kámfor és a hexaklór-etán szaga hasonló, mivel mindkét molekula közelítőleg gömb alakú , és méretük is hasonló.). Ennél is meglepőbb megfigyelés volt, hogy az egymással szoros kémiai rokonságban levő anyagok - amelyekben csak egy molekularészlet térbeli elhelyezkedése különbözik -, vagy az egymásnak pontosan megfelelő tükörképi párok (enantiomerek) egymástól lényegesen különböző szagérzetet keltenek. Hogy felderítsék e különös jelenség okait, a kutatók nagyon sok emberrel különféle szagmintákat szagoltattak, és pontosan feljegyezték, hogy mit is éreztek a kísérleti alanyok. Kiderült, hogy a szagérzetekben néhány alapvető szag uralkodik, s hogy a szagok többsége ezeknek, az alapszagoknak a keveréke. Amerikai kutatók a következő hét alapszagot különítették el: pézsma- vagy mósuszillat, kámforszag, virágszerű illat, mentolszag, éterszag, szúrós, valamint büdös, rothadó szag.

28


Bebizonyosodott, hogy az azonos "szagkategóriába" jutó molekulák egymással közeli térszerkezeti rokonságban vannak. Önként adódik a feltevés - amelyet a méhek szaglósejtjeinek vizsgálatával kísérletileg is alátámasztottak -, hogy a különböző anyagok érzékelésére a szaglóhámban némileg eltérő sejtek szakosodtak. A kísérletek alapján azt feltételezik, hogy e sejtek felszínén különböző alakú receptorok vannak a szagmolekulák befogadására. Illatok Mindennapi "illatkörnyezetünk" különböző kémiai szerkezetű anyagok sokszoros keverékéből adódik össze, egy-egy jellegzetes alkotóelemére azonban mind önmagában, mind különféle összetételekben könnyen ráismerhetünk. Az aromás vegyületek közül például a benzaldehid az egyik közismert illat hordozója: keserűmandula szagú folyadék. A keserűmandulán kívül más gyümölcsök magvaiban is megtalálható (őszibarack, kajszi, cseresznye). A gyümölcsökben gyakran előfordulnak különböző észterek (szerves savak és alkoholok vegyületei). Az etil-acetát (ecetsav és etil-alkohol észtere), propilacetát (ecetsav és propilalkohol észtere), butil-acetát (ecetsav és butilalkohol észtere) pl. a szilva, alma, körte, sárgabarack, őszibarack illatában egyaránt jelen vannak. A hidrogén-cianid szaga szintén a mandulára emlékeztet. Nem véletlenül, hiszen kimutatták, hogy a keserűmandulából kristályosan elkülöníthető vegyület, az amigdalin víz hatására szőlőcukorra, benzaldehidre és hidrogén-cianidra esik szét. (Szintén kellemes keserűmandula szaga van az egyébként erősen mérgező nitro-benzolnak is. Amíg be nem tiltották, "mandulaszappan" készítésére is felhasználták.. A háziasszonyok kedvelik - a molyok kevésbé - az aromás vegyületek másik képviselőjét, a naftalint, amelynek átható szaga elriasztja a ruházatunkban élősködő lepkéket. Fontos karácsonyi fűszer a szegfűszeg is, az Eugenia caryophyllata szárított virágbimbója. Aromáját főként az eugenol (4-allil-2-metoxi-fenol) adja. Illata vonzza a rovarokat, de valószínűleg a férfiakat is, mert néha parfümökbe keverik. Sok kedves virágunk andalító illata származik a virágfakadáskor képződő illékony aromás alkoholoktól és a terpénektől. Ez utóbbi vegyületcsalád képviselőitől illatozik a narancsvirág, a mandarinolaj és az ibolya. Rokonságban áll ezekkel a vegyületekkel a mentol és a kámfor is. Ha a pacsuliszagot emlegetik, inkább visszataszító, mint kellemes illatra gondolunk, pedig a pacsulialkohol - az Indiában honos Pogostemon patchouli nevű növényből vonják ki - ma is az illatszeripar egyik legfontosabb alapanyaga. Szagok De léteznek igazán kellemetlen szagok is, és a kutatók ezek titkait igyekeznek "kiszaglászni". Feltételezik az eddigi térszerkezeti megfontolásoktól eltérően szintén a kémiai rokonságra alapozva -, hogy a rothadáshoz hasonló, kellemetlen szagérzeteket olyan illékony anyagok molekulái keltik, amelyekben kénvagy nitrogénatom van. A záptojás átható bűze a kén-hidrogéntől származik, és ugyancsak a képződő kénvegyületek (poliszulfidok és más szerves vegyületek) okolhatók a rothadó retek büdösségéért is. A különbözően módosult kén-hidrogén molekulák - két, három vagy négy CH2-csoporttal kiegészülve [tioalkoholok merkaptánok)]- más-más bűzt keltenek: ilyen vegyülettel "illatosítják" a földgázt (CH3CH2SH), ettől sírunk hagymametéléskor (CH3CH2CH2SH), ettől büdös a görény is (CH3CH2CH2CH2SH). A fokhagyma fő hatóanyaga, az alliin az aliináz nevű enzim hatására allicinné alakul át, amely - többek között - diallil-diszulfiddá bomlik. Különösen kellemetlen szag kíséri a fehérjék bomlását. Az undorító szagot a bomlás során keletkező nitrogéntartalmú vegyületek okozzák, mint például az istállószagot keltő ammónia vagy a hasonló "illatú" metil-amin. A trimetil-amint a rotható hal szagából ismerhetjük, de a heringpácban is megtalálható. Jóllehet kén- és nitrogénatomot nem tartalmaznak, kellemetlenül bűzös

29


szagú vegyületek a vajsavak, amelyek az izzadságszag, a romlott hús- és az ürülékszag alkotórészeként fordulnak elő. Az egyes molekulák "illatosságának" vagy "bűzösségének" viszonyítására ez ideig nem találtak megfelelő mértékszámot, minthogy orrunk szubjektív "megérzéseit" - az egyéni érzékenység eltérései miatt is lehetetlen egységesíteni. "Beépített mérőműszerünk" teljesítményét mégsem szabad lebecsülni, hiszen "belső használatra" meglehetősen pontosan elemzi a szagingereket. Az ínyencek például kiválóan, megkülönböztetik - csupán illatuk alapján - a különféle dohány- vagy teafajtákat, holott a műszeres analitikai mérések szerint a dohányfüstnek 2900, a teaaromának majdnem 200 összetevője van, s az egyes tea- és dohányfajtákban csak a különböző komponensek aránya tér el egymástól. Válaszolj röviden a kérdésekre: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Mi az anilin összegképlete? Milyen biológiai egységek által érzékeljük a szagokat? Hogyan csoportosíthatjuk az alkoholokat? Mi annak a vegyület típusnak a neve ahol a hidroxil csoport aromás rendszerhez kapcsolódik? Egy molekula tömege és darabszáma között milyen matematikai összefüggés van? Milyért nincs szaga a nitrogén molekulának? Az anyagi halmazt vizsgálva a térben, hol következik be a párolgás? Az anyagi rendszer hőmérsékletének emelésekor a részecskéknek milyen melyik energiatípusa fog nőni?

30


Gyakorlás megoldása 1. Asszociáció 0.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

0

-

C

A

B

A

B

B

A

D

F

1

A

G

D

C

B

E

A

D

E

E

2

B

E

E

C

B

B

2. Nevezze el a következő vegyületeket (vegyük figyelembe a sztereokémiát is, ha jelölve van). a) transz-1-izopropil-4-metoxi-ciklohexán b) 2-ciklopentil-4-pentén-2-ol c) 2,5-dimetil-4-nitro-fenol d) 4,10-dibróm-8-etil-1,1,1-trifluor-7-klór-9-metil-dekán e) 5-bróm-4-metil-3-pentén-1-ol

3.

Írjuk fel a terc-butil-alkohol vizes kénsavas dehidratálásának E1 mechanizmusát.

31


4. Írd fel a benzol FeBr3-katalizált brómozásának mechanizmusát.

A FeBr3 visszaalakul, így újra használható (ezért katalizátor). A potenciáldiagramnak a Br+ addícióját endotermnek kell ábrázolnia (emelkedő), és az aromás szerkezet visszaalakulását exotermnek (lejtő). 5. Egészítsük ki a reakciót a hiányzó részekkel:

32


6. Szövegértelmezés 1. C6H7N

Ugye a szerkezeti képlete:

a nitrogénen még van egy nemkötő elektronpár.

2. Receptorok 3. A, rendűség szerint, mely azt jelenti, hogy a hidroxil csoportot hordozó szénatom hány másik szénhez kapcsolódik B, Értékűség szerint, mely azt jelenti, hogy hány hidroxil csoport van a molekulában. C, Telítettség szerint 4. Fenol 5.A tömeg és moláris tömeg hányadosa megadja a mólok számát., és Avogadro törvénye alapján anyagi minőségtől függetlenül adott paraméterek mellett 1 mólban mindig 6·1023 db részecske van. 6. Mert a háromszoros kovalens kötése nagyon erős- nem reaktív. 7. A felszínen. 8. Mozgási energiájuk.

33

1. Szénhidrogének halogénezett származékai

Recommend Documents