ORGANICKÁ CHEMIE
1
ORGANICKÁ CHEMIE úvod Organické látky = látky přítomné v organismu „VIS VITALIS“
ŽIVOTNÍ SÍLA
r. 1828 F. Wőhler – připravil močovinu. Močovina byla první organickou sloučeninou připravenou uměle z anorganických surovin, a to zahříváním kyanatanu amonného.
2
ORGANICKÁ CHEMIE
3
ORGANICKÁ CHEMIE úvod Dnes se org. Chemie = CHEMIE LÁTEK, SLOUČENIN C Kromě (CO, CO2, H2CO3, soli) Pozn.:
Původně jako organické - byly zIsk. z rostl. a živ.org., Dnes 20 milionů org.sl. (z nichž značný podíl představují sl. připravené synteticky). SLOŽENÍ ORG. SLOUČENIN: Malé množství prvků : C, H, ale i O, N, Halogeny, fosfor a síra 4
ORGANICKÁ CHEMIE C – ZÁKLADNÍ PRVEK ORG. CHEMIE VLASTNOSTI UHLÍKU: STABILITA UHLÍKOVÝCH ŘETĚZCŮ 1) Energie vazby C-C vysoká (346 kJ/mol), pevná 2) Elektronegativita uprostřed (2,55) 3) Nemá volné elektronové páry ani prázdné orbitaly TYTO PODMÍNKY SPLŇUJE Z PSP JEN UHLÍK Pzn. Každá vazba je charakterizována svojí energií. Při vzniku vazby s velkou energií se uvolňuje velké množství tepla. 5
ORGANICKÁ CHEMIE Ad2) Elektronegativita uprostřed (2,55)
Paulingova stupnice elektronegativit prvků H 2,2
Li
Be
B
C
N
O
F
0,98
1,57
2,04
2,55
3,04
3,44
4
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
0,93
1,31
1,51
1,9
2,19
2,58
3,16
As
Se
Br
2,18
2,55
2,96 I 2,66 6
ORGANICKÁ CHEMIE Ad3) Elektrony a orbitaly ( konfigurace) ORBITAL
kvantový stav elektronu v elektronovém oblaku okolo atomu
ohraničuje oblast, kde je nejvyšší pravděpodobnost výskytu daného elektronu.
Prvky nepřechodné tzn., že jejich valenční elektrony jsou umístěny v orbitalech s ( kulový tvar) a v orbitalech p , 7
ORGANICKÁ CHEMIE Ad3) Elektrony a orbitaly ( konfigurace) UHLÍK:
6C
1s2 2s2 2p2
1) uhlík vždy čtyřvazný 2) uhlíkové atomy tvoří vazby s jinými atomy mezi sebou (jednoduché, dvojné i trojné)
HYBRIDIZACE = SPOJENÍ ORBITÁLŮ NA STEJNOU ENERGETICKOU HODNOTU 8
VAZBA C-C, VAZNOST H
H
H
C
C
H
H
H
sp3
H
sp2
H C
H
H
DÉLKA VAZBY
C
C–C
0,154 nm
C=C
0,134 nm
C≡C
0,120 nm
H
C
C
H
sp1
Hybridizace sp3, sp2, sp1 9
VAZNOST Vaznost číslo určující počet kovalentních vazeb vycházejících z daného atomu ve sloučenině. (V chemii (zvláště org.) mají některé prvky vaznost ve všech sloučeninách stejnou.) C –čtyřvazný:
C
C
N –trojvazný:
N
N
O, S –dvojvazné:
O
O
C
C
N S 10
VAZNOST C 1) PRIMÁRNÍ C
H
H H
2) SEKUNDÁRNÍ C 3) TERCIÁRNÍ C
H
H
H
4) KVARTERNÍ C
11
VZORCE V ORGANICKÝCH SLOUČENINÁCH 1) STECHIOMETRICKÝ = EMPIRICKÝ 2) MOLEKULOVÝ= SOUHRNNÝ = SUMÁRNÍ 3) KONSTITUČNÍ = STRUKTURNÍ 4) ELEKTRONOVÝ STRUKTURNÍ 5) GEOMETRICKÝ = PROSTOROVÝ 6) FUNKČNÍ = RACIONÁLNÍ 12
VZORCE V ORGANICKÝCH SLOUČENINÁCH 1) STECHIOMETRICKÝ = EMPIRICKÝ - udává z jakých prvků se sloučenina skládá a v jakém jsou poměru atomy Př. CH3O
13
VZORCE V ORGANICKÝCH SLOUČENINÁCH 2) MOLEKULOVÝ = SOUHRNNÝ = SUMÁRNÍ udává druh a počet jednot. atomů v molekule, může být totožný se stechiometrickým vzorcem, nebo je jeho celistvým násobkem pořadí prvků : - po C a H následují ostatní značky dle abecedy (př. vzorec C3H4BrNO2 udává: molekula obsahuje 3 atomy uhlíku, 4 atomy vodíku, 1 atom bromu, 1 atom dusíku a 2 atomy kyslíku) o struktuře sloučeniny velmi málo (vyjimečně)
14
VZORCE V ORGANICKÝCH SLOUČENINÁCH 3) KONSTITUČNÍ = STRUKTURNÍ -vyjadřuje konstituci – pořadí a způsob jakým jsou atomy v molekule vázány -(vazebné poměry v molekule)
H
O
H
H
C
C
H
H
O
H 15
VZORCE V ORGANICKÝCH SLOUČENINÁCH 4) ELEKTRONOVÝ STRUKTURNÍ - doplnění o volné elektronové páry (informace o rozložení el. párů v molekule)
H
O
H
H
C
C
H
H
O
H 16
VZORCE V ORGANICKÝCH SLOUČENINÁCH 5) GEOMETRICKÝ = PROSTOROVÝ - znázorňuje prostorové uspořádání atomů v molekule H2C H
OH O H
H
O
H OH
C H
H H
H
HO
OH H
H
H
OH 17
VZORCE V ORGANICKÝCH SLOUČENINÁCH 6) FUKNČNÍ = RACIONÁLNÍ zachycuje char. uskupení atomů – tzv. char. (funkční) skupiny – př. –OH, –COOH apod.,
18
Stechiometrický (empirický)
Molekulový (souhrnný, sumární)
Voda
H2O
H2O
Peroxid vodíku
HO
H2O2
ethan
CH3
C2H6
benzen
CH
C6H6
19
Nejjednodušší sloučeniny C a H. Od nich odvozujeme ostatní org. sl. vazba jednoduchá Násobná vazba (dvojná, trojná)
alicyklické
monocyklické
polycyklické
20
Uhlovodíkové řetězce mohou být:
přímé – C – C – C – C– • otevřené rozvětvené – C – C – C – C• uzavřené – cyklické –C–C– C–C– 21
IZOMERIE Jev, kdy jednomu molekulovému vzorci odpovídá několik různých sloučenin lišících se 1) povahou vazeb 2) jejich pořadím 3) nebo jen prostorovým uspořádáním atomů. Takové sloučeniny jsou pak svými izomery.
22
IZOMERIE IZOMERY: (org. sloučeniny) - stejné chemické složení - různé prostorové uspořádání ⇒ jiné fyzikální a ch. vlastnosti. !!!!!!!!!!!!!!! = existence 2 nebo více sloučenin
stejný vzorec sumární = molekulový souhrnný (i empirický) rozdílný
vzorec strukturní 23
IZOMERIE IZOMERIE: 1) KONSTITUČNÍ
a) řetězová b) polohová c) skupinová d) tautomerie
2) PROSTOROVÁ (STEREOIZOMERIE) A) B) C)
KONFIGURAČNÍ (geometrická) KONFORMAČNÍ OPTICKÁ
a) cis b) trans
24
1) KONSTITUČNÍ - odlišná vnitřní struktura a) řetězová
H
rozdíl je v typu uhlíkatého řetězce, liší se způsobem uspořádání uhlíkatého řetězce
H
H
H
H
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
H
H CCH3 H
H
C4H10
C4H10
b) polohová
liší se polohou substituentů v molekule nebo polohou násobné vazby
OH-CH2CH2CH3
H3CCHCH3 STRUKTURNÍ OH
C3H8O
MOLEKULOVÝ
C3H8O
25
IZOMERIE c) Skupinová - Obsahují ve svých molekulách různé funkční skupiny H3C
CH2
CH2
CH2
OH
Butan-1- ol H3C
CH2
O
CH2
CH3
diethylether
26
IZOMERIE d) Tautomerie – liší se umístěním dvojné vazby a polohou jednoho atomu vodíku
enol-keto tautomerie 27
IZOMERIE 2) PROSTOROVÁ a) KONFIGURAČNÍ (geometrická) stejné strukturní vzorce, ale odlišné prostorové uspořádání (u dvojné vazby)
H3C
H
CH3
H
a) cis -but-2 -en
H
H3C
CH3
H
b) trans –but-2-en 28
IZOMERIE 2) PROSTOROVÁ b) KONFORMAČNÍ u necyklických uhlovodíků -
různá prostorová uspořádání téže molekuly
-
volné otáčení kolem jednoduchých vazeb okolo σ vazby
-
Konformační izomery = konformery (př. Ethan)
29
IZOMERIE 2) PROSTOROVÁ b)
KONFORMAČNÍ HH H H
A
A
A
A
HH
E H
B
H
H
H H
B
B
B 0
60
120
180
240
300
360
Degrees of Rotation energie konformerů ethanu θ
H
Nezákrytová stabilnější než zákrytová
30
IZOMERIE 2) PROSTOROVÁ b)
KONFORMAČNÍ u cyklických uhlovodíků
-
různá prostorová uspořádání téže molekuly
-
volné otáčení kolem jednoduchých vazeb (okolo σ vazby)
-
Konformační izomery = konformery (př. cyklohexan)
židličková
vaničková
!!!za normálních teplot převažuje židličková mající nižší energii!!! 31
IZOMERIE 2) PROSTOROVÁ C) OPTICKÁ vyskytuje se ve sloučeninách, které obsahují ve své molekule chirální = asymetrický uhlíkový atom
Opticky aktivní látka = optický izomer stáčí rovinu polarizovaného světla (doleva nebo doprava) -
prostorově izomerní (stereoizomerní)
Chirální uhlík C* (asymetrický) nese 4 různé substituenty píše se do středu vzorce Nejsou ztotožnitelná se svým zrcadlovým obrazem Zrcadlový obraz = odlišný tvar (levá a pravá ruka) 32
IZOMERIE
33
IZOMERIE OPTICKÁ IZOMERIE : - vyskytuje
se ve sloučeninách, které obsahují ve své molekule chirální = asymetrický uhlíkový atom - tyto sloučeniny mají schopnost otáčet rovinu polarizovaného světla (doleva nebo doprava)
34
CH3 H3C
Cl
I
* Cl
*
CH3
F
*
H
NH2 CH3 F
*
CH3 Cl
* OH
H3C
HO
* H
NH2
H
NH2
CH3
*
H3C I
F
CH3 CH3
CH3 Cl
CH3 CH3 Cl Br
H3C
I
Cl
OH NH2 H3C
*
Br
CH3 Cl
OH
CH3
CH3
CH3
H3C
* NH2
CH3 NH2
* Br
CH3
* CH 3 CH3 F 35
REAKCE ORGANICKÝCH LÁTEK 1) bývají pomalejší než anorganické 2) mají složitější průběh (více meziproduktů) 3) bývá třeba vyšších teplot a tlaků, katalyzátorů (enzymů), která reakci urychlí nebo vůbec umožní
36
REAKCE ORGANICKÝCH LÁTEK • K zápisu. reakční schémata nad reakční šipkou = podmínky reakce H H3C
t [°C] , H2SO4 OH
H
H2C
CH2
-HCl
pod šipkou = vedlejší anorg. produkty 37
REAKCE ORGANICKÝCH LÁTEK • 1)
Dělení podle způsobu štěpení vazby a) homolýza b) heterolýza
2)
podle charakteru částic v reakci a) elektrofilní b) nukleofolní c) radikálová
3)
dle celkové změny výchozí látky a) b) c) d)
Eliminace Adice Substituce Přesmyk
38
REAKCE ORGANICKÝCH LÁTEK • 1) podle způsobu štěpení vazby a) HOMOLÝZA (vzácný způsob štěpení) symetrické štěpení vazby mezi atomy prvků, které mají stejnou, případně podobnou hodnotu elektronegativity => vznikají radikály Radikál
= částice s nepárovými elektrony
např. štěpení chloru 39
REAKCE ORGANICKÝCH LÁTEK • 1) podle způsobu štěpení vazby b) HETEROLÝZA nesymetrické štěpení ( přesun celého elektronového páru k jednomu z vazebných partnerů=>
vznikají ionty 40
REAKCE ORGANICKÝCH LÁTEK • 2) podle charakteru částic v reakci • ELEKTROFILNÍ činidla -vyhledávají záporný náboj (vyhledávají látku s přebytkem e-, sami mají nedostatek e-) - útočí na místa s větší el. hustotou ⇒jsou nabity kladně (např. H+, CH3+) ⇒nebo neutrálně
41
REAKCE ORGANICKÝCH LÁTEK • 2) podle charakteru částic v reakci • NUKLEOFILNÍ činidla - částice vyhledávající kladný náboj => poskytují e- útočí na místa s menší el. hustotou ⇒jsou nabity záporně (např. Cl-) ⇒nebo neutrálně 42
REAKCE ORGANICKÝCH LÁTEK • 2) podle charakteru částic v reakci • RADIKÁLOVÉ - částice nesoucí nepárový e- (volná vazba) - útočí na všechno
43
REAKCE ORGANICKÝCH LÁTEK • 3) dle celkové změny výchozí látky • ADICE - násobná vazba nabourána navázáním jiné molekuly - z dvojné vazby vazba jednoduchá - přidání menší molekuly k větší
44
REAKCE ORGANICKÝCH LÁTEK • 3) dle celkové změny výchozí látky – ELIMINACE - odštěpením molekuly vznik násobných vazeb (opak adice) - přidání větší molekuly k menší
45
REAKCE ORGANICKÝCH LÁTEK • 3) dle celkové změny výchozí látky – SUBSTITUCE • nahrazení atomu (fční skupiny) za jiný (jinou)
46
REAKCE ORGANICKÝCH LÁTEK • 3) dle celkové změny výchozí látky – PŘESMYK - výměna atomů (fnc.skupin) v rámci jedné molekuly , dochází k přestavbě struktury sloučeniny - nějaká skupina se přesune někam jinam
47
Indukční a mezomerní efekt Efekt = posun elektronů vyvolaných polární vazbou
+I, -I
+M, -M
Jednoduché vazby
Násobná vazba
Nasycené uhlovodíky
Nenasycené uhlovodíky
tzn. σ-elektronů
vazeb π-elektronů
Pzn. Vazba polární = 0,4 až 1,7 48
Indukční efekt
+I, -I
- spojen s přítomností pol. vazeb (0,4 až 1,7) - v uhlovodících = vazby nepolární ( menší než 0,4) - projeví se v přít. odlišně elektronegativního atom H
H −
H
C
δ
δ
Li
>
δ−
δ+
+
H
C
H
H
A
B
Cl
<
C = 2,5 / Li = 1,0 / 2,5-1 = 1,5 C = 2,5 / Cl = 3,0 / 3,0-2,5 = 0,5
49
Opakování: ELEKTRONEGATIVITA
Schopnost atomu či prvku přijímat elektrony Tzn. Elektronegativnější prvek bude tyto elektrony čerpat (přijímat) od méně elektronegativnějšího .
50
Indukční efekt A
+I
částečný parciální náboj záporný
H
H −
δ
H
C
3
H δ−2
C
částečný parciální náboj kladný
δ−1
C
+
δ
Li > +I efekt
H
H
H
A) Li – elektropozitivní prvek (1,0) •posun e se zmenšuje s rostoucí vzdáleností od polární vazby, • platí, že δ-1> δ -2 > δ -3 51
Indukční efekt A
+I
+I: odpuzují elektrony např. Mg, Li, alkyly R , -O-, -S-, CH3 H
CH3
HC
H
>
CH2
>
H
H CH3
CH3
CH3
C
CH3
CH3
síla indukčního efektu
52
>
Indukční efekt B H δ
H
C
+
3
H δ+ 2
C
δ+ 1
C efekt +I
H
H
>
H
-I
částečný parciální náboj záporný
δ-
Cl -I efekt
H
-I = přitahují elektrony Př. -CN, -NO2, -NH2,,-COOH,- OH -F, > -Cl, > -Br > -I 53
Mezomerní efekt Násobná vazba Nenasycené uhlovodíky vazeb π-elektronů
54
SYSTÉM NÁSOBNÝCH VAZEB 1) IZOLOVANÉ -C=C–C–C=C–
mezomerní efekt
2) KONJUGOVANÉ - C = C – C = C – C =C-
3) KUMULOVANÉ -C=C=C–C–C– 55
Mezomerní efekt = konjugace volného elektronového páru do systému dvojných vazeb
Efekt přes konjugované systémy bez ZESLABOVÁNÍ!!! 56
Mezomerní efekt A. kladný mezomerní efekt +M •substituenty, které zvyšují v konjugovaných systémech elektronovou hustotu •např. -NH2, -OH, -Cl atd. efekt +M
NH2
Posun – obloučky
δ-
δ-
H2C
CH
Cl
ortho = o
ortho
efekt +M meta= m
meta
POSKYTUJÍ SVÉ ELEKTRONY DO KONJUGACE
δ-c para=p 57
Mezomerní efekt B. záporný mezomerní efekt -M •substituenty, které v konjugovaných systémech elektronovou hustotu snižují •např. -NO2, -CN, =O, =S (obsahují násobné vazby) -M efekt
NO 2 H2C
CH
C
N
-M efekt Odčerpávají elektrony 58
procvičení
H3C
-I efekt
CH2
CH2
CH2
NH2
efekt +M
H2C
CH
H3C
CH2 CN
CH
CH2
CH
Br
Na
efekt +I
-M efekt
59
procvičení CH3 H3C
C F
Br
*C Cl
H3C
OH
*C CH3
CH
F
*C NH2
CH2
OH
F
C
C
OH
F
CH2
OH
*C
CH3
NH2
CH3
Br Polohová izomerie
H3C
CH2
CH2
CH2
CH2
Br 60
procvičení
H3C
Br
F
CH3
CH3
CH3
C*
C
C
C*
C*
C
NH2
Br
NH2
F
SH
OH
*
H3C
Cl
CH2
CH
CH2
CH3
CH3
CH3 řetězová izomerie
H3C
CH2
CH2
CH2
CH2
CH3 61
