28.2.2010
Organická chemie - úvod
Trocha historie • Původní dělení hmoty: – Neživá – anorganická – Živá – organická
• Rozdělení chemie na organickou a anorganickou → objevy a isolace látek z přírodních materiálů – C.W.Scheele (1742-1786): • Objev kyselin mléčné, jablečné a vinné
– J.J. Berzelius (1779-1848) – vitalistická theorie („životní síla“ – vis vitalis)
• F. Wöhler (1818-1882) – synthesa močoviny: – NH4OCN → H2NCONH2
• Strukturní theorie: – 19. století – A.M. Butlerov (1828-1886) – vlastnosti sloučenin závisí na struktuře molekul – F.A. Kekulé (1829-1896) – vazebné možnosti atomu uhlíku
1
28.2.2010
Současnost oboru organické chemie • Dynamický a rychlý vývoj • Základ pro řadu oborů chemického průmyslu – rozmanité výrobky – Lékařství, farmacie – synthesa nových léků, umělé cévy, kloubní náhrady – Stavebnictví, strojírenství – plasty jako konstrukční materiály – Elektronika – organické polovodiče – Zemědělství – pesticidy, fungicidy, herbicidy – Potravinářství – konservanty, umělá sladidla, chuťové látky – Čistíc prostředky – tenzidy – Další – barviva a pigmenty
Složení organických molekul • Organická chemie = chemie sloučenin uhlíku • Z prvků nejčastěji: – Uhlík – C – základní stavební částice organických molekul → čtyřvazný – Vodík – H → jednovazný – Kyslík – O – alkoholy, karbonylové a karboxylové sloučeniny, ethery → dvojvazný – Dusík – N – aminy, amidy, nitrily, nitro a nitroso – sloučeniny → obvykle trojvazný – Síra – S – merkaptáty, thioethery → dvojvazná – Halogeny → jednovazné
2
28.2.2010
Vlastnosti uhlíkového atomu H
• 1) Uhlík je čtyřvazný
H
C
H
O
C
C
H
N
O
H
• 2) Atomy uhlíku se mohou vzájemně spojovat do řetězců lineárních a cyklických H H H
H C C C
H
C
H H
H
H
C C
H
H
H
H
H
• 3) Atomy uhlíku mohou tvořit čtyři jednoduché vazby, dvě dvojné vazby, nebo jednu dvojnou vazbu a dvě jednoduché vazby, jednu trojnou vazbu a jednu H jednoduchou vazbu H H
H
C H H
C H
C
C
H C
H
H
C
C
H
H
Druhy vazeb v organických sloučeninách – theorie kovalentní vazby • Podle násobnosti: – Jednoduchá – Dvojná – Trojná
Vazby σ
Vazby π
• Podle výskytu vazebných elektronů: – Sigma – σ: elektrony se nacházejí (tj. elektronová hustota je největší) na spojnici jader, tvoří se jako první – Pí – π: elektrony se nacházejí (tj. elektronová hustota je největší) nad a pod spojnicí jader, vyskytuje se v násobných vazbách jako doplněk k vazbě σ
3
28.2.2010
Druhy vazeb v organických sloučeninách – theorie kovalentní vazby • Podle hodnoty rozdílu elektronegativit (∆X) vázaných atomů: – Kovalentní • Nepolární ∆X = 0,0 – 0,4 – elektrony jsou sdíleny rovnoměrně, elektronová hustota zhruba uprostřed mezi vázanými atomy. Nepolární látky obsahují buď jen nepolární vazby, nebo vzájemně kompensované vazby polární. • Polární ∆X = 0,4 – 1,7 – elektrony jsou přitahovány blíže k jednomu z partnerů. Elektronová hustota největší u elektronegativnějšího atomu. Vzniká parciální kladný (δ+) a záporný (δ-) náboj. Polární látky obsahují alespoň jednu nekompensovanou polární vazbu. – Iontové ∆X > 1.7 – elektrony jsou zcela přetaženy k elektronegativnějšímu atomu, dochází k rozdělení náboje a vzniku iontů. Vyskytuje se v pevných látkách (soli) a jejich taveninách.
Oxidační číslo v organických molekulách • Oxidační číslo: Theoretický náboj, který by vznikl na atomu, pokud by vazebné elektronové páry byly přisouzeny elektronegativnějšímu z obou partnerů. • Postup určení OČ: 1) Nakreslit plný konstituční vzorec 2) Určit elektronegativity jednotlivých atomů 3) Rozdělit vazby a vazebné elektrony vždy přisoudit elektronegativnějšímu z partnerů 4) Spočítat odebrané, případně získané elektrony 5) OČ = (+) počet odebraných elektronů, nebo (-) počet získaných elektronů
4
28.2.2010
Energetika kovalentní vazby • Pokud se dva atomy k sobě přibližují a při tom se jejich valenční vrstvy postupně překrývají, dochází k uvolňování energie • Maximální energie (vazebná, disociační energie) se uvolní, když atomy dosáhnou určité vzdálenosti – rovnovážné vzdálenosti, která odpovídá vazebné délce • Pokud se atomy přiblíží ještě více, dojde k postupně rostoucí repulsi – odpuzování z důvodu přílišné blízkosti kladně nabitých jader
Prostorové uspořádání substituentů na uhlíkovém atomu - hybridisace • Hybridisace: děj, při kterém dochází k energetickému splývání orbitalů a přesunu elektronů v rámci nově vznikajícího hybridního orbitalu. Současně dochází k novému prostorovému uspořádání • Druh hybridisace určuje nové prostorové uspořádání molekulových orbitalů • Do hybridních orbitalů se započítávájí orbitaly podílející se na vazbě σ a obsahující volné elektrony a nevazebné elektronové páry • Do hybridních orbitalů se nezapočítávají orbitaly tvořící vazby π – sp – přímka – sp2 – trojúhelník – sp3 – tetraedr
5
28.2.2010
Theorie molekulových orbitalů • Chemickou vazbu je možné popisovat i theorií molekulových orbitalů (MO) • Vznik vazby je popisován matematickou lineární kombinací vlnových funkcí atomových orbitalů (AO) za vniku MO. Vznikající orbitaly jsou příslušné celé molekule, nikoli jen jednomu atomu. • MO popisuje pravděpodobnost výskytu elektronu v molekule • Lineární kombinace: – Součet – vznik vazebného orbitalu – Rozdíl – vznik antivazebného orbitalu
Vznik molekulového σ – orbitalu
Theorie molekulových orbitalů • HOMO = nejvyšší obsazený MO • LUMO = nejnižší neobsazený MO
Vznik molekulového π - orbitalu
6
28.2.2010
Vzorce organických sloučenin • Souhrnné (sumární)
C2H6O
• Strukturní: – Konstituční • Plné
H
H
H
C
C
H
H
• Racionální
H3C
• Elektronové
H
CH2 H
H
C
C
H
H
H O
OH H O
– Konfigurační
Volné elektronové páry
– Konformační
Modely organických molekul •
Kuličkové: – Tvořeny kuličkami (atomy) a tyčinkami (vazby)
•
Trubičkové: – Skládají se z fragmentů spojených trubičkami. Fragmenty se liší velikostí a barvou, trubičky délkami.
•
Kalotové modely: – Tvořeny kalotami (stavební částice)
•
Počítačové
7
28.2.2010
Dělení organických sloučenin • Podle složení: – Uhlovodíky (pouze uhlík a vodík) – Deriváty uhlovodíků (obsahují i další prvky)
• Podle řetězce: – Acyklické (alifatické) • Rozvětvené • Nerozvětvené
– Cyklické • • • •
Alicyklické Aromatické Monocyklické Vícecyklické
• Podle výskytu násobných vazeb: – Nasycené – Nenasycené
Struktura organických sloučenin • Konstituce – vyjadřuje vzájemné uspořádání atomu spojením chemickými vazbami • Konfigurace – vyjadřuje uspořádání atomů v prostoru, které není možné změnit volnou rotací kolem jednoduché vazby • Konformace – vyjadřuje uspořádán atomů v prostoru, které je možné měnit volnou rotací kolem jednoduché vazby
8
28.2.2010
Isomerie •
Isomerie: jev, kdy sloučeniny mají stejné složené, ale rozdílnou strukturu (= isomery)
•
Konstituční
H3C
CH CH3
CH2 CH3
– Řetězcová – rozdílné větvení řetězce alkanů – Polohová – rozdílné umístnění charakteristické skupiny v molekule
H3C
CH2
H3C H3C
H3C
CH2
CH CH3
CH2 Cl Cl
– Skupinová – rozdíl ve funkční skupině za současného zachování sumárního vzorce
•
H3C
H3C
O
CH2 OH
CH3
Prostorová - stereoisomerie – Konformační – různé formy stejné molekuly, vznikající otáčením atomů kolem jednoduché vazby H3C
H3C
– Geometrická (cis-trans isomerie) – různé umístnění substituentů vzhledem k dvojné vazbě – Optická – rozdílné uspořádání substituentů na asymetrickém atomu uhlíku (uhlík se čtyřmi odlišnými substituenty). Oba isomery jsou sobě zrcadlovými obrazy – enantiomery. Liší se stáčením roviny polarisovaného světla – opticky aktivní
CH3
CH3
F
F Br
Cl CH3
Cl H3C
Br
Reakce organických sloučenin • Klasifikace: – Podle štěpení vazby: • Homolytické: vazba se štěpí symetricky za vzniku radikálů • Heterolytické: vazba se štěpí asymetricky za vzniku iontů
– Podle typu reagujících částic • Elektrofilní: reakcí se účastní částice přitahující elektrony (buď kladně nabité, nebo elektroneutrální) • Nukleofilní: reakcí se účastní částice poskytující elektrony (záporně nabité, nebo elektroneutrální) • Radikálové: účastnící se částice nesou nepárový elektron
– Podle změny struktury: • • • •
Adice: Eliminace: Substituce: Přesmyk:
A+B→C A → B+ C A+B→C+D A→B
9
28.2.2010
Další reakční typy • Redoxní reakce: – Oxidace: • Hoření – prudká oxidace kyslíkem • Přidávání elektronegativních atomů (hlavně kyslíku) do molekuly • Odebírání atomů vodíku z molekuly
– Redukce: • Hlavně přidávání atomů vodíku do molekuly
• Acidobasické reakce: – Brönstedtovy kyseliny (např. karboxylové kyseliny) a base (např. aminy) – Lewisovy kyseliny (např. karbonylový atom uhlíku) a base (např. kyslíkový atom alkoholů)
Zápis organických reakcí • Rovnice NH2
NO2
+ 3 Zn + 6 HCl →
+ 3 ZnCl2 + 2 H2O
• Schéma NO2
NH2
Zn, HCl - ZnCl2, - H2O
10
28.2.2010
Substituční efekty v organických molekulách • Reakční centrum: část molekuly, kde probíhá chemická reakce • Indukční efekt – přenáší se po vazbách σ na krátkou vzdálenost – +I – efekt: substituent dodává elektrony do reakčního centra molekuly (alkylové a elektropositivní substituenty – donory elektronů) – -I – efekt: substituent z reakčního centra odnímá elektrony (elektronegativní substituenty – akceptory elektronů)
• Mesomerní efekt – přenáší se po vazbách p, v některých případech za účasti nevazebných elektronových párů – +M – efekt: substituent dodává elektrony do reakčního centra (donor elektronů) – -M – efekt: substituent odčerpává elektrony z reakčního centra (akceptor elektronů O
H2C
H3C
CH
H2C
CH2
CH
H2C
Cl
CH3
+I
CH
Cl
-I
+
N
O
+M
-M
Resonance (mesomerie) • Jev, kdy není možné vyjádřit strukturu molekuly jediným strukturním vzorce, ale pouze jejich kombinací → daná látka může zaujmout více možných struktur = resonanční struktury • Resonance je způsobena volným pohybem π-elektronů násobných vazeb • Jediný rozdíl mezi resonančními strukturami je umístnění elektronů π a nevazebných valenčních elektronů. Samotné atomy v obou resonančních strukturách zaujímají přesně tutéž polohu a jsou spojovány stejným způsobem. O
OH H3C
H3C
CH3
CH3
O
-
O
O
O -
HC
CH
CH
-
-
11
