(ćw.1 Chemia organiczna)

Ćwiczenie 1
Podstawy chemii organicznej.
Literatura:
1. Mastalerz P., „Elementarna chemia organiczna”, Wydawnictwo Chemiczne, Wrocław
1998
2.
Czapliński A. , "Węgiel kamienny", "Reakcje i organiczna struktura węgla" (Buczek
B.), Wydawnictwo Naukowe AGH, Kraków, 1994
3. Dzióbek B, Samson O., "Wybrane techniki laboratoryjne z chemii organicznej dla
towaroznawców", AE, Kraków, 1998
Wprowadzenie.
Do początku XIX wieku sądzono, że związki organiczne są związane z przejawami
życia i ich źródłem są naturalne produkty świata zwierzęcego i roślinnego. W 1828 Friedrich
Wöhler ogrzewając substancję nieorganiczną (pochodzenia mineralnego - izocyjanian amonu)
otrzymał mocznik, który jako produkt przemiany materii zaliczono do związków
organicznych:
NH 4 NCO   →( NH 2 )2 CO
ogrzewanie
Izocyjanian amonu
mocznik
Od tego czasu datuje się burzliwy rozwój chemii organicznej. Ponieważ liczna
znanych dziś związków organicznych węgla sięga kilkunastu milionów i jest większa niż
łączna liczba związków wszystkich pozostałych pierwiastków, wyodrębnienie działu chemii
organicznej stało się koniecznością. Nazwa Chemia Organiczna została wprowadzona w
1907 roku przez Berzeliusa.
Tak wielka ilość związków organicznych czyli związków węgla jest wynikiem
specyficznej pozycji węgla pośród innych pierwiastków układu okresowego:
•
zdolność łączenia się atomów węgla między sobą - długie łańcuchy oraz struktury
pierścieniowe
•
tendencja do tworzenia trwałych wiązań wielokrotnych (wiązania podwójne, potrójne)
•
skłonność do tworzenia wiązań kowalencyjnych z wodorem i innymi pierwiastkami:
(O,N,S,X),
1
Konfiguracja elektronowa atomu węgla w stanie podstawowym:
↑↓
↑↓
1s2
2s2
↑
↑
2p2
powłoka walencyjna
Dwa niesparowane elektrony 2p2 sugerują, że atom węgla jest zdolny do tworzenia jedynie
dwóch wiązań. W rzeczywistości podczas reakcji pod wpływem energii przyjmuje
konfigurację w stanie wzbudzonym:
↑↓
↑
1s2
2s1
↑
↑
↑
2p3
powłoka walencyjna
W ten sposób atom węgla ma cztery niesparowane elektrony walencyjne, które pojedynczo
obsadzają cztery orbitale drugiej powłoki. Taki atom C zdolny jest do tworzenia czterech
trwałych wiązań kowalencyjnych co jest konsekwencją jego centralnego położenia wśród
pierwiastków układu okresowego.
Podział związków organicznych:
1. Związki łańcuchowe - ALIFATYCZNE
2. Związki pierścieniowe - CYKLICZNE
a.
związki alicykliczne - pierścieniowe nie mające charakteru aromatycznego
b.
związki aromatyczne - ARENY
3. Związki heterocykliczne - zawierają w pierścieniu obok węgla inne pierwiastki - N, O, S
Związki organiczne można również rozpatrywać jako połączenia jednego lub kilku rodników
czyli grup albo reszt węglowodorowych połączonych z określoną grupą funkcyjną ⇒ zespół
kilku atomów ułożonych w określony sposób, który nadaje cząsteczce organicznej
charakterystyczne właściwości. Rodnik R określa natomiast bliżej nazwę związku
organicznego, może on powstać z węglowodoru przez usunięcie atomu wodoru:
−H
CH 4 
→ −CH 3
metan
2
rodnik metylowy
−H
C 6 H 6 
→ −C 6 H 5
benzen
rodnik fenylowy
Grupa funkcyjna
Ogólny wzór związku
Nazwa związku
ROH
alkohole
OH
C=O
RCOR’, RCHO
ketony, aldehydy
O
C
RCOOH
kwasy karboksylowe
OH
O
ROR’
etery
RNH2
aminy
H
N
H
O
C
RCONH2
amidy
NH2
Charakter związku zależy od rodzaju grupy funkcyjnej jednak w miarę wzrostu
ilości atomów w rodniku znaczenie grupy ulega zmniejszeniu. Na przykład alkohol
heksylowy (C6H13OH) nie ma już tak wyraźnych właściwości alkoholu co alkohol metylowy
(CH3OH) czy etylowy (C2H5OH). Podobnie kwas mrówkowy i octowy (HCOOH,
CH3COOH)
mają
(C17H35COOH)
czy
wyraźne
własności
oleinowy
kwasowe
(C17H33COOH)
podczas
bardziej
gdy
kwasy
stearynowy
przypominają
macierzyste
węglowodory; są ciałami stałymi i nierozpuszczalnymi w wodzie.
Powyższe związki to jednofunkcyjne pochodne węglowodorów. Olbrzymia liczba
różnych związków organicznych wynika również z tego, że mogą one w swojej cząsteczce
zawierać dwie lub więcej różnych grup funkcyjnych.
3
WIELOFUNKCYJNE ZWIĄZKI ORGANICZNE
OH
OH
COOH
COH
hydroksykwasy
aldozy
OH
C=O
ketozy
NH2
COOH
aminokwasy
Ze względu na obecność dwóch grup funkcyjnych hydroksykwasy tworzą dwa
szeregi pochodnych: sole i estry (grupa karboksylowa); estry, aldehydy, ketony i kwasy
karboksylowe (grupa hydroksylowa). Reakcje estryfikacji pomiędzy grupami –OH i –COOH
możliwe są między dwiema cząsteczkami różnych hydroksykwasów, jak też w obrębie tej
samej cząsteczki.
Hydroksyaldehydy i hydroksyketony to cegiełki tworzące całą grupę związków
zwaną dawniej węglowodanami, do których należą monosacharydy (glukoz, fruktoza),
disacharydy (sacharoza, laktoza), oraz polisacharydy, których przedstawicielami są skrobia,
celuloza i glikogen.
Ważną właściwością aminokwasów jest zdolność do wzajemnego łączenia się
cząsteczek za pomocą grup funkcyjnych. Są to reakcje kondensacji w wyniku, których
powstają peptydy i polipeptydy. Reakcje kondensacji z udziałem 20 różnych aminokwasów
prowadzą do otrzymania białek.
Białka, podobnie jak skrobia i celuloza należą do naturalnych związków
wielkocząsteczkowych. Masy cząsteczkowe niektórych białek sięgają 45 mln jednostek masy
(u). Jak się wydaje, w białkach został osiągnięty kres złożoności materii.
4
Część doświadczalna
Węglowodory
1. Reakcja nitrowania
Celem ćwiczenia jest odróżnienie węglowodorów alifatycznych od aromatycznych za
pomocą reakcji charakterystycznych. Układy aromatyczne w odróżnieniu od układów
alifatycznych ulegają reakcjom nitrowania.
Szkło i aparatura: 2 zwykłe probówki, łaźnia wodna.
Odczynniki: heksan, benzen, mieszanina nitrująca (1:1, stęż. HNO3 i stęż. H2SO4).
Do probówki wlać 2cm3 benzenu oraz po 2 cm3 stęż. HNO3 i stęż. H2SO4. Mieszaninę
ogrzewać w łaźni wodnej przez 10-15 minut. Otrzymany roztwór wylać na lód. Pojawienie się
tłustych plam oraz zapachu gorzkich migdałów świadczy o otrzymaniu nitrobenzenu.
Ćwiczenie powtórzyć z heksanem, zaobserwować wynik reakcji.
2. Reakcja bromowania
Celem ćwiczenia jest otrzymanie bromopochodnych węglowodorów alifatycznych i
aromatycznych. Równocześnie należy stwierdzić w jakich warunkach zachodzą reakcje
bromowania i jakie powstają bromopochodne.
Szkło i aparatura: 4 probówki zwykłe, 2 zlewki po 50cm3, żarówka 150W lub lampa
kwarcowa.
Odczynniki: heksan, cykloheksen, toluen, Br2 w CCl4, wstążki Mg, papierek wskaźnikowy.
a. Ćwiczenie praktyczne
Do probówki wlać 1 cm3 n-heksanu i dodać 2 krople bromu w czterochlorku węgla.
Naświetlać lampę kwarcową przez 15 minut. Zbadać odczyn roztworu. Zaobserwować
zmianę zabarwienia.
b. Ćwiczenie praktyczne
Do probówki wlać 1cm3 cykloheksenu i dodać 2 krople bromu w czterochlorku węgla.
Natychmiastowe odbarwienie się roztworu świadczy o nienasyconym charakterze związku.
5
c. Ćwiczenie praktyczne
Do probówki wlać 1cm3 toluenu i 2 krople bromu w czterochlorku węgla. Próbkę
ogrzewamy lampą promiennikową i naświetlamy promieniami ultrafioletowymi przez 15
minut (ewentualnie ogrzewać nad maszynką elektryczną). Zaobserwować zmianę
zabarwienia.
d. Ćwiczenie praktyczne
Do probówki wlać 1cm3 toluenu i 2 krople bromu w czterochlorku węgla oraz około
0,5 g odtłuszczonych wstążek Mg. Ogrzewać na łaźni wodnej 10 minut. Zaobserwować
zmianę zabarwienia i zbadać pH roztworu papierkiem uniwersalnym.
3. Reakcja izomeryzacji
Celem ćwiczenia jest wykazanie, że niektóre połączenia organiczne mają zdolność do
izomeryzacji. Izomery mają ten sam wzór sumaryczny, różnią się natomiast wzorem
strukturalnym, a tym samym własnościami fizycznymi i chemicznymi. W połączeniach
organicznych posiadających podwójne wiązanie spotyka się szczególny rodzaj stereoizomerii
zwanej izomerią geometryczną cis-trans. Zazwyczaj izomery trans są trwalsze od izomerów
cis.
H-C-(CH2)7-CH3

CH3-(CH2)7-C-H
H-C-(CH2)7-COOH
kwas oleinowy /cis/

H-C-(CH2)7-COOH
kwas elaidynowy /trans/
Szkło: 25cm3 cylinder z korkiem na szlifie.
Odczynniki: kwas oleinowy, stęż. HNO3, 1g druciku miedzianego
a. Ćwiczenie praktyczne
W cylindrze umieścić zwinięty drucik miedziany, po czym wlać 5 cm3 kwasu
azotowego i 10 cm3 kwasu oleinowego. Mieszaninę reagującą ostrożnie się wstrząsa,
otwierając co pewien czas korek aby wypuścić powstające tlenki azotu. Pod ich działaniem
ciekły kwas oleinowy (izomer „cis”) przechodzi w stały kwas elaidynowy (izomer „trans”) i
mieszanina reagująca w cylindrze zestala się.
6
Alkohole i fenole
1. Reakcja alkoholu metylowego z kwasem borowym
Celem ćwiczenia jest wykazanie, że alkohole z kwasami tworzą estry. Alkohole z
kwasami organicznymi i nieorganicznymi dają estry o charakterystycznych zapachach.
Środowisko zasadowe lub kwasowe przyspiesza bieg reakcji estryfikacji.
Szkło: parowniczka
Odczynniki: alkohol metylowy, 10% kwas borowy, stęż. H2SO4.
a. Ćwiczenie praktyczne
Do parowniczki dodać łyżeczkę stałego boraksu po 2-3 krople kwasu siarkowego.
Następnie dodać 5-10 kropli alkoholu. Mieszaninę wymieszać i zapalić. Zielone zabarwienie
płomienia świadczy o utworzeniu się boranu metylu.
2.
Reakcja fenoli z chlorkiem żelaza (III)
Celem ćwiczenia jest odróżnienie alkoholi od fenoli. Poszczególne fenole dają z FeCl3
barwne zabarwienie w odróżnieniu od alkoholi alifatycznych.
Szkło: 4 probówki
Odczynniki: fenol, rezorcyna, pirokatechina, floroglucyna, hydrochinon, alkohol etylowy,
2,5% chlorek żelaza (III).
a. Ćwiczenie praktyczne
Do pięciu probówek dodać kolejno: kryształek fenolu, rezorcynę, pirokatechinę,
floroglucynę, 1cm3 alkoholu etylowego. Do każdej probówki dodać około 10 cm3 wody
destylowanej. Wstrząsnąć probówki do rozpuszczenia fenoli. Następnie dodać po kilka kropel
FeCl3. Obserwować zabarwienie.
• fenol - fioletowe
• rezorcyna - fioletowe, znikające po dodaniu wodorowęglanu
• pirokatechina - zielone, przechodzące po dodaniu wodorowęglanu w czerwone.
7
Aldehydy i ketony
1. Próba Fehlinga
Celem ćwiczenia jest wykazanie własności redukujących aldehydów w odróżnieniu od
ketonów. Aldehydy w reakcjach z utleniaczami wykazują własności redukujące, same
utleniając się do odpowiednich kwasów.
Szkło: 3 probówki
Odczynniki: płyn Fehlinga I i II, aldehyd salicylowy, aldehyd octowy, aceton
a. Ćwiczenie praktyczne
Do mieszaniny po 1cm3 płynu Fehlinga I i II dodawać kroplami roztwór aldehydu
octowego w wodzie i ostrożnie ogrzewać. W przypadku aldehydu alifatycznego pojawi się
czerwono-brunatny osad Cu2O. Próbę Fehlinga wykonać również z acetonem. Analogiczną
reakcję wykonać dla rozdrobnionych owoców (jabłko, banan).
Kwasy, estry, aminy i amidy
1. Badanie właściwości kwasu octowego
Celem ćwiczenia jest zbadanie właściwości kwasowych kwasu octowego oraz jego
mocy. Kwasy karboksylowe w roztworach wodnych ulegają dysocjacji zgodnie z równaniem:
RCOOH
RCOO- + H+
Kwasy reagują z metalami nieszlachetnymi dając odpowiednie sole i wodór.
Szkło: 2 probówki, 2 szkiełka zegarkowe
Odczynniki: kwas octowy, opiłki żelaza lub wstążki magnezu, stały węglan sodu, papierek
wskaźnikowy, papierek Kongo.
a. Ćwiczenie praktyczne
Na szkiełku zegarkowym umieścić parę kropel kwasu octowego. Za pomocą papierka
wskaźnikowego zbadać odczyn roztworu.
8
b. Ćwiczenie praktyczne
Umieścić na szkiełku zegarkowym papierek wskaźnikowy Kongo, który należy
zwilżyć paroma kroplami kwasu octowego. Pojawienie się niebieskiego zabarwienia
wskazuje na obecność mocnego kwasu organicznego.
c. Ćwiczenie praktyczne
Do probówki zawierającej 2 cm3 kwasu octowego wrzucić parę opiłków magnezu lub
kawałek magnezu. Obserwować zachodzące zjawisko i wyjaśnić go za pomocą reakcji
chemicznej.
d. Ćwiczenie praktyczne
Do probówki zawierającej 1g węglanu sodu wkraplamy 1cm3 kwasu octowego.
Obserwować zachodzący proces i wyjaśnić go za pomocą reakcji chemicznej.
2. Otrzymywanie i hydroliza estrów
Estry otrzymujemy w reakcjach estryfikacji tj. reakcji zachodzącej pomiędzy
alkoholem a kwasem karboksylowym lub kwasem nieorganicznym. Charakterystyczną
reakcją dla estrów jest reakcja hydrolizy. Obecność zasady lub kwasu przyspiesza przebieg tej
reakcji. Celem ćwiczenia jest otrzymanie octanu etylu oraz wykazanie, że estry ulegają
reakcji hydrolizy w środowisku zasadowym.
Szkło: 2 probówki
Odczynniki: alkohol etylowy, kwas octowy rozcieńczony z wodą w stosunku 1:1, stęż. H2SO4,
octan etylu, 0,1 molowy NaOH , 1% roztwór fenoloftaleiny.
a. Ćwiczenie praktyczne
Do probówki wlać 3 cm3 alkoholu etylowego, 3 cm3 kwasu octowego oraz 10 kropel
stęż.H2SO4. Mieszaninę ogrzewać do wrzenia w łaźni wodnej. Pojawienie się specyficznego
zapachu świadczy o otrzymaniu octanu etylu.
9
b. Ćwiczenie praktyczne
Do 1 cm3 octanu etylu dodać 2-5 kropli roztworu NaOH i kroplę fenoloftaleiny.
Roztwór przybiera zabarwienie malinowe. Mieszaninę ogrzewać do wrzenia na łaźni wodnej.
Po upływie 2-5 minut następuje odbarwienie roztworu.
Aminy
1. Reakcja biuretowa
Mocznik poddany prażeniu w temperaturze ok 150 oC ulega rozkładowi, którego
produktami są biuret (dwumocznik), zawierający wiązanie peptydowe oraz amoniak. Biuret
tworzy z solami miedzi (II) np.CuSO4 w roztworze alkalicznym związki kompleksowe o
zabarwieniu fioletowym.
Szkło: 2 probówki
Odczynniki: biuret (dwumocznik), mleko, woda destylowana, rozcieńczony CuSO4, NaOH
a. Ćwiczenie praktyczne
Biuret rozpuścić w 5 cm3 wody, a następnie dodać 1 kroplę rozcieńczonego CuSO4
oraz 2 krople 3 molowego NaOH. Analogiczną reakcję wykonać na mleku.
10