Inovace bakalářského studijního oboru Aplikovaná chemie http://aplchem.upol.cz CZ.1.07/2.2.00/15.0247
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
ZÁKLADY ORGANICKÉ CHEMIE Doc. RNDr. Jakub Stýskala, Ph.D. OCH/ZOCH
Doporučená literatura: 1.
Slouka J., Fryšová I., Cankař P.: Průvodce některými úvodními kapitolami organické chemie, UPOL, 2010
2.
Bouchar E. a kol.: Organická chemie pro pedagogické fakulty, SPN Praha 1979.
3.
Červinka O. a kol: Organická chemie, SNTL Praha
4.
Červinka O. a kol:Chemie organických sloučenin, SNTL 1987
5.
Kováč J.: Organická chémia, Alfa 1977
6.
McMurry J.: Organická chemie, VŠCHT Praha 2007
7.
Solomons G. Organic Chemistry, New York, 1997
Vývoj organické chemie •První zkušenosti: pivo, víno, ocet, cukr, oleje… •Izoloce organických látek z živé přírody: kyselina vinná, močovina, morfin •Rozdělení chemie na živou (organickou) a neživou (anorganickou) •Typické rysy organických látek: Citlivost ke zvýšené teplotě, omezená rozpustnost ve vodě, výskyt určitých prvků: C, H, N, S, O event. P
•Berzelius (1779-1848) – vitalistická teorie: vznik organických látek pomocí živé síly •F.Wöhler (1800-1828) – Roku 1828 První syntéza organické látky – močoviny:
NH4 OCN
H2N C NH2 O
•stanovení sumárního vzorce pomocí spalovacích metod př. Vzorek obsahuje W%C, X%H, Y%N, Z%O pak C:H:N:O = W/12:X/1:Y/14:Z/16
Strukturní teorie: Kekule (1829-1896), Bulerov (1828-1886) •vlastnosti látek jsou dány vnitřní stavbou (strukturou)
Vyslovení postulátu o uhlíku: • Uhlík je čtyřvazný a může se vázat s ostatnimi atomy
jednoduchou, // i /// vazbou • Všechny vazby jsou si rovnocenné • Uhlíkové atomy se mohou vázat do řetězců otevřených i uzavřených. • Jednoduché vazby uhlíku směřují do vrcholu pravidelného čtyřstěnu
1.
C O
C H
2.
H C H Br
3.
C N Br
H =
H C Br
= H C H H
H
C C C C C C C
C C C C C
C
Znázorňování a zobrazování molekul: prostorové modely: kuličkové,
kalotové,
drátěnné
(dnes pomocí VT v 3D)
pomocí rovinných strukturních vzorců: Př. 2-methylbutan
- souhrnný (molekulový, sumární) C5H12 CH3 - racionální
CH3
CH3 CH CH2 CH3
CH3CH CH2CH3 H
-rozvinutý
H H C H H H H C
C
C C H
H
H
H H
- elektronové strukturní vzorce (na znázornění elektronového obsazení atomů, příp.polarity vazeb)
H C
F
H
H
- mezní vzorce
H F H O H
H+
F
-
H + C O H
O
Řešení prostorového uspořádání molekuly v rovině: prostorové (perspektivní) vzorce: HOOC
HOOC H3C
OH
Br
H
HO
OH Br CH3
2,3-dibrom-2,3-dihydroxybutanová kyselina
2-hydroxypropanová kyselina
projekční vzorce: Newmanova projekce – slouží k znázornění vztahu dvou atomů ve směru vazby Molekula A-CH2-CH2-B
AB
B
H H
B
B
A H
H
A
A
A
syn-periplanární
syn-klinální
anti-klinální
B anti-periplanární
Fisherova projekce k znázornění protáhlých molekul jako cukry apod. Př. CH3.CH(OH).CH(NH2).COOH (2-amino-3-hydroxybutanová kyselina) H
HOOC
COOH
NH2
H2N H
H CH3
HO
OHC
H CH2 OH
OH CH3
CHO
OH H
HO
H
H
OH
H
OH CH2OH
2,3,4-trihydroxybutanal
HO
CHO
H
CH2OH
H OH
projekce dle Cahna, Ingolda a Preloga (CIP projekce) • nejuniverzálnější způsob znázornění prostorového uspořádání • určuje absolutní konfiguraci na chirálních atomech (R-S systém) CH3.CH(OH).COOH 2-hydroxypropanová kyselina 2
HOOC H
C
COOH HO
H
4
C
H
3
CH3
OH
H3C
HOOC
H3C
OH 1
prostorový vzorec
Fisherova projekce
2
COOH H 1
CH3
OH
Kyselina (2S)-2-hyroxypropanová
3
Konfigurace S CIP projekce
4
Název s určením konfigurace na chirálním atomu:
2
HOOC OH
C
H
H3C
COOH H
HOOC
OH
OH CH3
1
H3C
4
H
3
1
OH
2
COOH
CH3 3
H 4
Konfigurace R
Kyselina (2R)-2-hydroxypropanová
Nakreslete prostorový vzorec a určete konfiguraci na chirálních atomech: COOH
HOOC
H
NO2
H
H
H
H
H
H
NO2
=
COOH
4
COOH
COOH
R
COOH
O2N
HOOC
2
H
3 CH2CH2COOH
1 NO
2
(2R)-2-nitropentandiová kyselina
Znázorněte Fisherovou projekcí a určete konfiguraci na chirálních atomech:
NH2 Cl
Br NH2
H
H
H
H
Br
Cl
H H
H H CH3
2 Cl
1 Br
S
3 CH2CH2NH2 CH2CH2CH3 4 (3S)-3-brom-3-chlorhexanamin
Znázorněte prostorovým vzorcem a Fischerovou projekcí (2R)-2-amino-2-fenoxybutanovou kyselinu 2
NH2 O 4 3 CH3 CH2 C C 1O
OH
R
1 Ph O
H2N
2 NH2 COOH
Ph
O H3C
3
4 CH2CH3
COOH H2N H
O-Ph H CH3
COOH
IZOMERIE Jev, kdy jednomu vzorci přísluší více struktur CH3-O-NO
methylnitrát -plyn
CH3NO2 CH3-NO2
nitromethan - kapalina b.v. 101°C
KONSTITUČNÍ (rovinná) IZOMERIE: tribrombenzeny
1) Izomerie polohová: H2C C CH3 H OH 2 propan-1-ol
Cl HC C CH3 H Cl 2 1,1-dichlorpropan
H H2C C CH3 Cl Cl 1,2-dichlorpropan
Br
Br
Br
Br
H H3C C CH3
Br
Br
OH propan-2-ol
Br
Br
1,2,3-
Br 1,2,4-
1,3,5-
vicinalni
asymetricky
symetricky
Cl
H2 H2C C C H Cl 2 Cl
H3C C CH3
1,3-dichlorpropan
2,2-dichlorpropan
Cl
2) Řetězcová: H3C C5H12
H3C
C C C CH3 H2 H2 H2
H C
CH3 C CH3 H2
H3C
CH3
pentan
C
CH3
CH3 2,2-dimethylpropan
2-methylbutan
3) Izomerie násobných vazeb: C4H6
H2C
C
C H
CH3
buta-1,2-dien
H2C
C H
C H
CH2
HC
C
C CH3 H2
H3C
but-1-yn
buta-1,3-dien
C
C
but-2-yn
Tautomerie – vzájemná přeměna izomerů
Oxo-enol tautomerie:
O R
O C R H2
Azo-hydrazonová tautomerie:
N R
R
C R H
Ar
Ar
N
NH
R H
H
N R
R
CH3
4) Cyklořetězcová izomerie: C4H8
CH3
CH2 CH CH2 CH3
methylcyklopropan
cyklobutan
buten
C10H8 azulen
naftalen
5) Radikálová izomerie (metamerie): C4H10O
O
diethylether
O
methylpropylether
PROSTOROVÁ IZOMERIE:
1) Geometrická (konfigurační) izomerie – systémy, kde je zabráněno volné otáčivosti. cis x trans, E-Z,
H3C
CH3 C C
H
H
H3C
H C C
H
B
CH3
H3C
cis-but-2-en
Cl (Z)-1-chlor-1-fluorpropen
C C
(Z)-but-2-en
trans-but-2-en
H
F
H3C
F C C
(E)-but-2-en
H
(E)-1-chlor-1-fluorpropen Cl
B
A
A
C
C R
OH N
H
Dusíkaté nenasycené sloučeniny syn x anti, E-Z
R N H
OH
syn-aldoxim Z-aldoxim
anti-aldoxim E-aldoxim
Určete typ geometrického izomeru u těchto sloučenin: OH OH
Z -izomer
N OH
E-izomer
N OH
F Cl
Br
H
H CH3
H
CH3
HOOC N
COCH3
N C N
OH
H3C N CH3
E -izomer
Z - izomer
E -izomer (anti)
E-izomer (anti)
2) Optická
izomerie:
•látky stáčející rovinu monochromatického světla • opticky aktivní (chirální) pravotočivé + (dříve d) levotočivé – (dříve l)
specifická rotace: t.c
*
=
100
- naměřený úhel l- délka kyvety v dm * použitá vlnová délka polarizovaného světla
l .c
Typy chirálích molekul: Molekuly se čtyřvazným atomem nesoucí různé substituenty tzv. asymetrické atomy
R1 R4
C R2 R3
R1 R4
Si R2 R3
R4
R1 + N R2 R3
Molekuly se znemožněnou volnou otáčivostí - atropoizomerie A
Ac
C
D BD
B (Newmanova projekce)
O
O
H3C O
Je-li n 6 je molekula asymetrická (CH2)
n
O
D
Jiný asymetrický útvar: hexahelicen
C
E
B F
A
Obsahuje-li molekula jen jedno asymetrické centrum (je zcela lhostejné, je-li to asymetrický atom nebo jiný typ asymetrie), jsou zde možné dva optické isomery, které jsou zrcadlovými obrazy a nazývají se antipody (enantiomery)
Kyselina mléčná (2-hydroxypropanová kyselina) COOH
HOOC OH H
HO H CH3
H3C
COOH H
OH CH3
Kyselina D(-)mléčná
COOH HO
H CH3
Kyselina L(+)mléčná
ekvimolární směs obou antipodů –Racemická směs – nestáčí rovinu polarizovaného světla
antipody shodují: •ve všech fyzikálně-chemických konstantách, včetně spekter až na znaménko optické rotace. •absolutní hodnotou specifické rotace. •reaktivitou se všemi reaktanty, které však nesmějí být asymetrické.
antipody se liší • Tvarem krystalů (jsou si zrcadlovými obrazy) -enantiomorfie •Smyslem otáčení roviny polarizovaného světla
•Reakcí s jinou asymetrickou molekulou (je rozdíl zda reaguje antipod + nebo-)
V případě dvou asymetrických center v molekule - dvě dvojce antipodů. p = 2n tedy 4 CH2(OH)C*H(OH) C*H(OH)CHO
2,3,4-trihydroxybutanal
CHO
CHO
CHO
H
OH
HO
H
HO
H
OH
HO
H
H
H OH
CHO H
OH
HO
H
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
I
II
III
IV
Antipody: I,II a III ,IV (zrcadlové izomery) Diastereoizomery :I, III a I, IV a II, III a II,IV (liší se ve všech fyzikálně chemických vlastnostech
Diastereoizomerie – jev, kdy se optické izomery liší konfigurací na chirálních atomech
Kyselina 2,3-dihydroxybutandiová (kyselina vinná) HOOC-CH(OH)CH(OH)COOH COOH
COOH HO
H
H
OH COOH I
H HO
OH
H
OH
HO
H
H
H
OH
HO
H
COOH II
COOH
COOH
COOH
COOH
III
IV
I a II – antipody III a IV – jsou totožné (vzhledem k přítomné ose symetrie) - mesoforma
OH
HO OH
CHO
CHO
CHO HO
CHO
HO
OH
HO
OH
HO
OH
OH
HO
OH
OH
OH
CH2 OH
CH2 OH
CH2 OH
D-manosa
D-gulosa
CH2 OH L-glukosa
D-glukosa
optické izomery
HO
diastereoizomery epimery
Epimerie – jev, kdy dva diastereoizomery se liší konfigurací na prvním chirálním centru
Dělení racemických směsí 1) Na základě různých tvarů krystalů (enantiomorfie) – pinzeta a lupa 2) Na principu odlišné reaktivity obou antipodů s jinou asymetrickou molekulou – vznik dvou diastereoizomerů –separace fyzikálními metodami (krystalizace, chromatografie…)
dA l,d racemická směs
+
2A vhodná asymetrická molekula
dA
+
lA
odštěpeni A
d
separace
směs diastereoizomerů lA
odštěpeni A
l
COOH OH
.
2
COOH HO
COO -
+
OH
CH2
COO -
.
HO
+
CH2
CH3
CH3
CH3
D-pervitin
racemická kyselina mandlová
směs dvou diastereoizomerních solí separace
COO OH
.
COO +
CH2
.
HO
CH2
+ NH2CH3
+ NH2CH3
CH3 OH
CH3 OH
-
COO OH
-
COO +
CH2 N CH3 H
CH3
CH2
+ NH2CH3
+ NH2CH3
N CH3 H
.
HO
+
CH2 N CH3 H
CH3
3) Využití stereospecifity enzymových reakcí COOH
Enzym
COOH
OH . HO CH3
COOH
COOH O
+
HO
CH3
CH3
Racemická kys. mléčná
k. pyrohroznová
O
O
N *
CH3 k. L-mléčná
H N O
O
Thalidomid – sedativum (na uklidnění) S antipod má navíc teratogenní účinky
HO
H H
NHCH3
(-)-efedrin (1R, 2S)-(-)-2-methylamino-1-fenylpropan-1-ol
H
NHCH3
(+)-pervitin, (+)-metamfetamin (S)-(+)-N-methyl-1-fenylpropan-2-amin
ZÁKLADY ORGANICKÉ CHEMIE seminář Doc. RNDr. Jakub Stýskala, Ph.D. OCH/SOCH
Seminární úkoly: 1. Určete sumární vzorec těchto sloučenin: O COOC2H5
N H
CHO
2. Znázorněte další izomerní struktury těchto sloučenin a) N-ethylpropan-1-amin b) methyl-propanoát : O a)
b)
N H
O C4H8O2
C5H13N
3. Znázorněte další izomerní struktury a) propanolu b) pentanolu: a)
OH
C3H8O
b)
OH C5H12O
4. Vytvořte struktury organických sloučenin, které budou odpovídat tomuto sumárnímu vzorci C 4H10O:
NH2
5. Očíslujte substituenty na stereogenním centru těchto sloučenin , určete konfiguraci a znázorněte pomocí CIP projekce Příklad:
3
1.
3
COOH
2 COOH
COOH
H2N H 4 1
H2N H
CH3CH2CH2
2
NH2
1
H 4 (R)-2-aminohexanová kyselina
1 CHO
2.
CHO
OH
H
H
HO
3 H HO
2 CHO
OH 3
1 OH
4
CHOCH2
2 H 4
HO 1
CH(OH)CH2CH3
H 4
H
2 3
H
CH(OH)CH2CHO
3
OH
CH3CH2 OH 1
H 4
2 (3R,4S)-3,4-dihydroxyhexanal
Úkol: COOH
COOH
H2N H
H NH2 1
COOH
2
H3C 3
COOH
H 4
H3C
H
6. Určete konfiguraci na stereogenních centrech (chirálních atomech) těchto opticky aktivních sloučenin : Příklad: H
CH3
4
1.
H 2
3 CH3
H
CH3
4
2.
(S)-3-methylcyklohex-1-en
3 OH O
(S)-2-methoxytetrahydrofuran-2-ol
Úkol:
H
COOH 1
H
OCH3
O
OH
1
OCH3 2
(R)-2-methoxytetrahydrofuran-2-ol
HO
NH2
H NH2 COOC2H5 H2N
H 5
HO H H 6
HO
H O
3
2
NH2 CN
4
H3CO
NH2
3
4
OH
O OCH3 1 2
OCH3
O
1
2
(R)-3-methylcyklohex-1-en
OH
H
1
4
3 CH3
OH H
COOH
(3R,4S,6R)-3,4,6-trihydroxyheptanová kyselina
SH OH
CHO
COOH
HN
OH
HO
8
7
OHC
HO
OH 10
9 OH
Br
H 12
11
Cl
13
(R)-1-methyl-4-(prop-1-en-2-yl)cyklohex-1-en
O
HO 14
H3C
O
N
(2R,3S,5R)-5-(dimethylamino)-2methyltetrahydrofuran-3-ol
15
NH2
COOH
OH
H2N O
(R)-2,4-diamino-4-oxobutanová kyselina L-asparagin
16
COOH
7. Určete konfiguraci na chirálních centerch těchto přírodních sloučenin:
O
O
S
O O
OH (-)-menthol
(+)-karvon
HO O
HO
N H CH3
morfin - 5 chirálních atomů
penicilín
N COOH
8. Znázorněte tyto sloučeniny prostorovým vzorcem: Příklad
H2N
NH2 COOH
Br
Cl
COOH
COOH NH2
(R)-3-brom-3-chlorhexanová kyselina
(R)-2-aminopentanová kyselina
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
(3R,4R)-3,4-diaminohexanová kyselina
(S)-2-aminopentanová kyselina (R)-2-hydroxypropannitril (S)-2-fenylpropan-1-ol (R)-2,3-dimethylpentan (R)-1,1,2-trimethylcyklohexan (S)-2-amino-2-fenoxypentanová kyselina (S)-3-methylpent-1-en (1R, 2S)-cyklopentan-1,2-diol
9. Znázorněte tyto sloučeniny do Fischerovy projekce: NH2
NH2
COOH
H2N
COOH
1
2
3 CHO
OH OH HO H
COOH OH 4
OH 5
NHCH3
OH H
OH
CHO
HO 6
COOH
10. Znázorněte tyto sloučeniny prostorovým vzorcem: CHO H OH CH2OH
D-glyceraldehyd
COOH H2N H H H OH
L-alanin
CH2OH O HO H H OH H OH CH2OH D-fruktosa
H HO H H
CHO OH H OH OH CH2OH
D-glukosa
11. Pojmenujte systematicky L-cystein, znázorněte jeho antipod pomocí prostorového vzorce i Fisherovy projekce a u obou antipodů určete konfiguraci na chirálních centrech.
12. Ve Fisherově projekci znázorněte antipod k D-ribose, epimer a jiný diastereoizomer
CHO H OH H OH H OH CH2OH D-ribosa
13. Znázorněte tento konformační izomer pomocí Newmanovy a Fisherovy projekce Příklad:
H3C Cl H
Úkol:
Cl
H
H3C
OH
H
H
CHO
CHO OH
HOOC
H OH HO
H CH2OH
CHO Cl H HO H CH3
14. Doplňte příslušný stereodeskriptor k názvu geometrického izomeru (pokud existuje) u následujících sloučenin. NO2 Br but-2-en
but-2-en
3-methylhex-2-en 1-brom-1-nitroprop-1-en
Br
NO2
I
NO2
I
I
Br
1-brom-2-iod-1-nitroprop-1-en
Cl
1-bromo-2,2-diiod-1-nitroethen
CN
3-chlorbut-2-enenitril
COOH F 3-fluoropent-2-en
(2Z,6E)-3-methylokta-2,6-dien
OH
Cl Cl
hexa-2,4-dienová kyselina
COOH
CN
2,3-dichlorprop-1-ennitril
deka-2,4,6,8-tetraenová kyselina
OH
N
OH
O
OH
2-hydroxycyklopentanon oxim
OH
OH N
N
N OH
OH
(Z)-2-hydroxy-5-methoxycyklopentanon oxim 2,5-dihydroxycyklopentanon oxim
2-(methylimino)cyklopentanol
15. Určete, které z následujících molekul mohou být chirální (opticky aktívní).
OH HO
HO
OH 1
H3C
CHO
3
2
OH
8
COOH H OH H OH COOH
9
C2H5CHClCH3
10
C2H5CHCl2
OH 13
14
15
O
COOH
4
OH
O
7
O
H2N
CH2OH
NH2
OH CN
11
5
6
COOH H OH H OH CH2OH
COOH HO H H OH COOH 12
16. Jaký vzájemný vztah mají tyto dvojce molekul z hlediska izomerie (konstituční izomery, geometrické izomery, diastereoizomery, enantiomery, identické molekuly, nejsou izomery (nemají žádný vztah)).
H H3C
A
Br H Cl H
H H3C
Br H H Cl
B
H3C Br
F
Cl
Cl
C
H3C
F
C2H5
Br
H3C
H Cl Cl H
C2H5 H3C
D
H3C H
CH2CH3 Cl
E
H ClH2C
H CH2CH3
Cl H H Cl
COOH HO H H OH H OH CH2OH
COOH H OH HO H H OH CH2OH
F
G
H F
F
COOH
CH3
Cl COOH
CHO HO H HO H H OH CH2OH
CHO H OH H OH HO H CH2OH
CHO HO H H OH H OH CH2OH
CHO H OH H OH H OH CH2OH
H
H
J
I
COOH
K
COOH
L
Cl
H3C
