C O CH
Transkrypt
C O CH
Podział związków organicznych węglowodory alifatyczne nasycone alkany cykloalkany aromatyczne nienasycone alkeny alkiny związki jednofunkcyjne związki wielofunkcyjne halogenki alkilowe alkohole fenole etery aldehydy ketony aminy kwasy karboksylowe aminokwasy peptydy cukry Alkohole Alkohole – związki organiczne o wzorze ogólnym R-OH, czyli substancje w których jeden lub więcej atomów wodoru w węglowodorze alifatycznym zostało zastąpione grupą -OH (wodorotlenową, hydroksylową). Wiązanie pojedyncze węgiel-tlen w alkoholach jest spolaryzowane (tlen jest bardziej elektroujemny niż węgiel) δ+ δR O H Przykłady: CH3 CH3 OH CH OH CH3 metanol alkohol metylowy 2-propanol izopropanol HO CH2 CH CH2 O H 1,2,3-propanotriol gliceryna OH alkohole pierwszorzędowe 1o H etanol OH CH3 C trzeciorzędowe 3o CH3 CH3 H CH3 C drugorzędowe 2o OH H 2-propanol H3C C OH CH3 2-metylo-2-propanol Właściwości fizyczne wybranych alkoholi. Nazwa (rzędowość) Wzór T. wrz., [oC] Gęstość, [g/cm3] Rozp. [g/100 g wody] metanol (1o) CH3OH 64,5 0,793 ∞ etanol (1o) CH3CH2OH 78,3 0,789 ∞ 1-propanol (1o) CH3CH2CH2OH 97,0 0,804 ∞ 2-propanol (2o) (CH3)2CHOH 82,5 0,789 ∞ 1-butanol (1o) CH3(CH2)2CH2OH 118,0 0,810 7,9 2-butanol (2o) CH3CHOHCH2CH3 99,5 0,806 12,5 2-metylo-1-propanol (1o) (CH3)2CHCH2OH 108,0 0,802 10,0 2-metylo-2-propanol (3o) (CH3)3COH 83,0 0,789 ∞ cyklopentanol (2o) C5H9OH 140,0 0,949 ~10 cykloheksanol (2o) C6H11OH 161,5 0,962 3,6 Wnioski: • wysokie temperatury wrzenia w porównaniu do węglowodorów alifatycznych • gęstość mniejsza od 1 g/cm3 (mniejsza niż gęstość wody) • alkohole zawierające do około 4 atomów węgla w łańcuchu rozpuszczają się w wodzie bez ograniczeń (∞) Własności fizyczne alkoholi grupa hydroksylowa (–OH) ma charakter silnie polarny łańcuch alifatyczny ma charakter niepolarny O Część hydrofobowa H Część hydrofilowa Obecność grupy hydroksylowej decyduje o wysokiej polarności alkoholi i ich zdolność do tworzenia wiązań wodorowych. Wiązanie wodorowe w alkoholach i ich roztworach wodnych Alkohole tworzą asocjaty poprzez wiązania wodorowe H R R R R O O O O H H O H H O H H O R R R Odparowanie alkoholu wymaga dostarczenia dodatkowej potrzebnej do rozerwania wiązań wodorowych. Stąd ich temperatury wrzenia w porównaniu do węglowodorów. energii wyższe Alkohole w roztworach wodnych są solwatowane cząsteczkami H2O R Tworzenie wiązań wodorowych pomiędzy O H wodą a alkoholem powoduje, że alkohole H H O zawierające do 4 atomów węgla doskonale O rozpuszczają się w wodzie. H H Podstawowe reakcje alkoholi Rozerwanie wiązania CO–H Rozerwanie wiązania C–OH Alkohole jako kwasy Atom wodoru w grupie -OH cząsteczki alkoholu związany jest bezpośrednio z silnie elektroujemnym atomem tlenu i dzięki temu wykazuje właściwości kwasowe. Kwasowy charakter alkoholi powoduje łatwość ich reakcji z metalami np.: Na, K, Mg, Ca, Al 2 CH3O–H + 2 Na → 2 Na+[CH3O–] + H2 2 CH3CH2O–H + 2 K → 2 K+[CH3CH2O–] + H2 Rozerwanie wiązania C–OH 1. Reakcja z halogenowodorami Cl OH CH3 CH Cl– CH3 CH CH3 CH3 H+ + OH2 CH3 CH mechanizm SN1 lub SN2 Cl Cl– CH3 CH3 CH CH3 2. Reakcja dehydratacji OH CH3 CH H+ CH3 CH3 CH CH2 + H2O + H2O Utlenianie alkoholi Utlenianie alkoholi 1°-rzędowych • utlenianie do aldehydów (mieszaniną K2Cr2O7 i rozcieńczonego H2SO4) • bezpośrednie utlenianie do kwasów karboksylowych (ogrzewanie z roztworem KMnO4). b) CH3 CH2 CH OH CH3 CH2 a) C H CH3 CH2 O C H alkohol OH kwas karboksylowy aldehyd 1o O Utlenianie alkoholi 2°-rzędowych alkohole drugorzędowe utleniają się do ketonów (mieszaniną K2Cr2O7 i rozcieńczonego H2SO4). CH3 CH2 CH OH [O] CH3 CH2 C CH3 CH3 keton alkohol 2o Utlenianie alkoholi 3°-rzędowych Reakcja nie zachodzi. alkohol 3o O CH3 CH3 C CH3 OH [O] Fenole Fenole (Ar-OH) to związki organiczne, w których grupa funkcyjna –OH jest bezpośrednio połączona z pierścieniem aromatycznym. Przykłady fenoli i ich powszechnie stosowanych nazw zwyczajowych: OH OH OH OH OH CH3 OH fenol pirokatechina hydrochinon meta-krezol Fenole wyodrębnia się w oddzielną klasę związków od alkoholi z powodu ich większej kwasowości. Wartość pKa, fenolu wynosi 9,9, a więc jest on o kilka rzędów wielkości silniejszym kwasem niż alkohole. Fenole – porównanie właściwości kwasowych Szereg kwasowości: alkohole < H2O < fenole < H2CO3 < kwasy karboksylowe Alkohole wykazują słabsze właściwości kwasowe od wody, nie reagują z zasadami: reakcja nie zachodzi CH3OH + NaOH Fenole są kwasami znacznie silniejszymi od wody i alkoholi, ale słabszymi od kwasu węglowego (nie wypierają CO2 z węglanów). Rozpuszczają się w wodnych roztworach zasad tworząc fenolany: OH NaOH O Na + + H2O Podsumowanie właściwości kwasowych R-OH, Ar-OH i R-COOH Na NaOH Na2CO3 Alkohole: reagują nie reagują nie reagują Fenole: reagują reagują nie reagują Kwasy: reagują reagują reagują zapis zachodzących reakcji: 2 R-OH + 2 Na 2 Ar-OH + 2 Na 2 R-COOH + 2 Na Ar-OH + NaOH R-COOH + NaOH 2 R-COOH + Na2CO3 2 Na+[R-O-] + H2 2 Na+[Ar-O-] + H2 2 Na+[R-COO-] + H2 Na+[R-O-] + H2O Na+[R-COO-] + H2O 2 Na+[R-COO-] + CO2 + H2O Aminy Aminy – związki organiczne pochodne amoniaku, w którym jeden lub więcej atomów wodoru zastąpione zostało podstawnikami alifatycznymi (R) lub aromatycznymi (Ar) – podział na aminy alifatyczne i aromatyczne. W zależności od liczby podstawników związanych z atomem azotu rozróżniamy aminy o różnej rzędowości. amoniak aminy H H N H H H R R N N N R H 1o rzędowe H 2o rzędowe .. .. .. N N N H H 1 R H H R 1 R R R 3o rzędowe .. H 2 R N R 1 3 R 2 R Aminy - przykłady aminy alifatyczne H aromatyczne H H N N CH3 metyloamina H CH3 CH3 N CH2 CH2 dietyloamina H anilina CH3 N CH3 N N,N-dimetyloanilina pirydyna Aminy – właściwości fizyczne Podobnie jak amoniak aminy mogą tworzyć wiązania wodorowe między własnymi cząsteczkami (niższe temperatury wrzenia niż odpowiadające im alkohole ) a także z wodą (dobrze rozpuszczalne w wodzie). H H H |O| .. .. N N R R H 1 1 H 1 .. H N R H H 1 Możliwość tworzenia większej liczby wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami aminy 1o powoduje, że mają one wyższą temperaturę wrzenia od izomerycznych amin 2o i 3o rzędowych R .. H N |O| H H |O| H H H Możliwość tworzenia większej liczby wiązań wodorowych typu NH-O i N-HO z wodą powoduje, że rozpuszczalność w wodzie amin 1o jest lepsza od izomerycznych amin 2o i 3o rzędowych Aminy – właściwości chemiczne 1) Reakcje z kwasami: Atom azotu w cząsteczce aminy, podobnie jak i w cząsteczce amoniaku posiada wolną parę elektronową, co sprawia, że może on być: a) donorem elektronów (zasadą Lewisa) dla odpowiednich grup lub jonów; np. nukleofilem w reakcjach SN2. b) akceptorem kationu wodorowego H+ (zasadą Brönsteda) – reaguje z kwasami tworząc sole amonowe, np: H H H N + CH3 HCl Cl H N+ CH3 H H H N N H H + H + HBr Br 2) Reakcje amin ze związkami karbonylowymi Aminy reagują ze związkami zawierającymi w cząsteczce grupę karbonylową • aldehydami lub ketonami tworząc tzw. zasady Schiffa • kwasami karboksylowymi tworząc peptydy Zasadowe właściwości amin Aminy alifatyczne Grupy alkilowe zwiększają zasadowość amin. Dlatego aminy pierwszorzędowe są silniejszymi zasadami od amoniaku, a aminy drugorzędowe od amin pierwszorzędowych H CH3 + N H Br CH2 H + NH3 reakcja nie zachodzi Aminy aromatyczne Sprzężenie wolnej pary elektronowej atomu azotu z elektronami pierścienia aromatycznego powoduje, że aminy aromatyczne są słabszymi zasadami od amoniaku. Dlatego aminy aromatyczne w odróżnieniu od alifatycznych mogą być wyparte z ich soli za pomocą amoniaku. H H + N H Br H N + NH3 H + NH4+Br- Etery Etery są związkami o wzorze ogólnym R-O-R‘,gdzie symbole R i R‘ oznaczać mogą zarówno podstawnik alifatyczny jak i aromatyczny. Charakteryzują się dużą lotnością (porównywalną z alkanami) i słabą rozpuszczalnością w wodzie (tworzą bardzo słabe wiązania wodorowe). etery łańcuchowe proste (symetryczne) CH3 CH2 O CH2 cykliczne mieszane (niesymetryczne) oksiran O CH3 eter dietylowy O eter difenylowy tetrahydrofuran O CH3 CH3 O C CH3 CH3 eter metylowo – tert-butylowy furan O Związki karbonylowe Grupa karbonylowa (>C=O). Element strukturalny, w którym atom węgla łączy się z atomem tlenu wiązaniem podwójnym (σ+π). Wiązanie karbonylowe jest spolaryzowane w stronę bardziej elektroujemnego atomu tlenu i w ten sposób na atomie węgla występuje cząstkowy ładunek dodatni. CH3 CH3 δ+ C δ− O Aldehydy i ketony Aldehydy i ketony łącznie stanowią klasę związków określonych jako związki karbonylowe. Wspólnym elementem ich budowy jest grupa karbonylowa >C=O, która w znacznym stopniu określa ich właściwości chemiczne. O Aldehydy: H C O O H CH3 CH2 C C H H O CH2 O Ketony: CH3 C CH3 C O CH3 C Addycja nukleofilowa do grupy karbonylowej Najważniejszą reakcją grupy karbonylowej jest reakcja addycji nukleofilowej. R δ+ C Nu • - O C R R • O δ− R Nu H 2O R O-H + OH C R - Nu Reakcja addycji do grupy karbonylowej przebiega z rozerwaniem wiązania π według mechanizmu nukleofilowego, tzn. że pierwszym i zasadniczym etapem reakcji jest atak odczynnika nukleofilowego (o charakterze zasady Lewisa) na węgiel grupy karbonylowej wykazujący cząstkowy ładunek dodatni (deficyt elektronowy), a wynikający z polaryzacji grupy karbonylowej. Elektron z odczynnika nukleofilowego i jeden z elektronów wiązania π tworzą nowe wiązanie węgiel-nukleofil, a drugi elektron wiązania π pozostaje na tlenie i tworzy najczęściej nowe wiązanie tlen-wodór pobierając kation wodorowy ze środowiska reakcji. Przykład addycji nukleofilowej – tworzenie hemiacetali i acetali Produktem addycji nukleofilowej alkoholu do grupy aldehydowej jest hemiacetal (półacetal). O CH3 + CH2 O CH3 C CH3 C H OH O H H hemiacetal CH2 CH3 W obecności kwasu hemiacetal może przeragować z drugą cząsteczką alkoholu tworząc acetal. CH3 CH3 C OH O H hemiacetal O C2H5OH/H+ CH2 CH3 – H2O CH2 CH3 CH O acetal CH2 CH3 Inne reakcje związków karbonylowych – utlenianie i redukcja 1) Aldehydy w odróżnieniu od ketonów łatwo ulegają utlenieniu do kwasów karboksylowych. Czynnikiem utleniającym oprócz KMnO4, K2Cr2O7 mogą być bardzo łagodne reagenty, takie jak jak odczynnik: Tollensa (Ag(NH3)2+) lub Fehlinga (Cu2+) O CH3 C [Ag(NH3)2 OH– ]+ O O + Ag CH3 C H Cu2+ CH3 C OH– H O Próba Tollensa O CH3 C + Cu2O O Próba Fehlinga 2) Zarówno aldehydy jak i ketony ulegają reakcjom redukcji do alkoholi O C OH H LiAlH4 C H H Kwasy karboksylowe Do tej klasy zaliczamy związki zawierające grupę karboksylową, zapisywaną w skrócie jako –COOH połączoną albo z grupą alkilową R (RCOOH) albo grupą arylową Ar (ArCOOH). δO δ+ C + O-H δ δZwiązki karboksylowe wykazują wyraźnie zaznaczone właściwości kwasowe wynikające ze znacznej polaryzacji wiązania O-H wzmocnionej dodatkowo (w porównaniu np. z alkoholami) ściąganiem elektronów przez grupę karbonylową. Dodatkową przyczyną znacznej kwasowości grupy karboksylowej jest stabilizacja anionu przez zdelokalizowany układ wiązań wynikający z obecności dwóch struktur rezonansowych Kwasy karboksylowe - przykłady kwasy alifatyczne H O O C C OH mrówkowy CH3 O O CH3 OH CH2 C OH CH3 propionowy octowy O O C C OH benzoesowy salicylowy CH2 C masłowy kwasy aromatyczne OH CH2 OH OH Własności fizyczne Kwasy karboksylowe są związkami polarnymi i podobnie jak alkohole silnie zasocjowanymi stąd wysoka temperatura wrzenia wywołana tworzeniem wiązań wodorowych. H O O -asocjacja pomiędzy cząsteczkami kwasów karboksylowych R C C O H -asocjacja pomiędzy wodą i kwasem kwasy karboksylowe C1-C4 łatwo są rozpuszczalne w wodzie kwas walerianowy (C5) rozpuszcza się częściowo,wyższe homologi kwasów są praktycznie nierozpuszczalne. O O R R H O C O H H O H H Kwasy karboksylowe – właściwości chemiczne a) Reakcje wodoru grupy hydroksylowej Działanie na metale 2 CH3COOH + Zn → Zn2+[ (CH3COO-)2 + H2 Reakcja z wodorotlenkami i węglanami CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O 2CH3COOH +Na2CO3 → 2 Na+[(CH3COO)]- + H2O + CO2 Kwasy karboksylowe – właściwości chemiczne b) Reakcje polegające na wymianie grupy –OH na inną grupę (np. –OR w reakcji z alkoholami prowadzi do syntezy estrów) CH3 CH2 C O OH + H H+ O CH2 CH3 CH3 CH2 C O + H2O O CH2 CH3 • estry można otrzymać przez ogrzewanie kwasu karboksylowego z alkoholem • reakcja przebiega z udziałem katalizatora (np. kwasu siarkowego). • reakcja ta jest odwracalna i osiąga stan równowagi między substratami i produktami • ten sam katalizator - jon wodorowy, który katalizuje reakcję estryfikacji, jednocześnie katalizuje reakcję odwrotną- hydrolizę Ważne estry Woski są to estry nasyconych kwasów tłuszczowych (nierozgałęzionych kwasów karboksylowych zawierających ponad 15 atomów węgla w łańcuchu) i alkoholi o prostych, długich łańcuchach (do około 30 atomów węgla). O R C OR1 R i R1 - C16 do C31 Tłuszcze są estrami różnych kwasów karboksylowych oraz jednego tylko alkoholu trójwodorotlenowego – gliceryny. Stąd ogólna ich nazwa glicerydy. CH2 O C R1 O CH O C R2 O CH2 O C R3 O triacylowy ester gliceryny (gliceryd) R1 ≠ R2 ≠ R3 (przeważnie) Pochodne kwasów karboksylowych Są to związki, w których grupa –OH w grupie karboksylowej została zastąpiona odpowiednim ugrupowaniem –Cl (chlorki kwasowe), –O(C=O)R (bezwodniki), –NH2 (amidy), –OR’ (estry). Estry (RCOOR’) Chlorki kwasowe (R–COCl) CH3 O CH3 C O CH2 CH3 Amidy (RCONH2) CH3 O O CH2 C Cl Bezwodniki kwasowe CH3 O CH2 C O CH2 C NH2 CH2 C CH3 O R C O C R O O Aminokwasy Aminokwasy to związki wielofunkcyjne posiadające w swojej budowie co najmniej dwie grupy funkcyjne: karboksylową i aminową: grupa karboksylowa grupa aminowa H2N O CH C + H3N OH R O CH R C O jon obojnaczy (zwitterjon) przykładowe aminokwasy: O NH2 CH C H Glicyna Gly O NH2 OH CH C O NH2 CH OH CH3 Alanina Ala C CH H3 C CH3 Walina val OH Peptydy Najistotniejszą reakcją aminokwasów jest ich zdolność do łączenia w związki o charakterze polimerycznym tzw. peptydy za pomocą wiązania peptydowego –(C=O)-NH-. Wiązanie peptydowe powstaje z wykorzystaniem grupy karboksylowej i aminowej dwóch cząsteczek aminokwasów. O H2N CH C CH3 OH + H N H CH H Gly CH3 O C O kat H2N OH CH H Ala C N H CH C O + H2O OH Gly-Ala (dipeptyd) Ponieważ w cząsteczce dipeptydu pozostaje wolna grupa aminowa i karboksylowa, istnieje możliwość dalszego łączenia się z kolejnymi aminokwasami tworząc struktury łańcuchowe: tripeptydy, tetrapeptydy…itd…białka... NH2 CH CH3 O H C CH N H C O H N CH3 CH3 CH O CH CH3 C N H CH C O Ala-Gly-Ala-Val (tetrapeptyd) OH Oligopeptydy: 2-10 aminokwasów Polipeptydy: 10-100 aminokwasów Białka: > 100 aminokwasów Cukry (sacharydy, węglowodany) Cukry to związki wielofunkcyjne zawierające obok (przeważnie kilku) grup hydroksylowych grupę aldehydową lub ketonową. Z tego względu cukry dzielimy na aldozy i ketozy. H C O HC OH HO CH CH2OH C O HO CH HC OH HC OH HC OH HC OH CH2OH CH2OH D-glukoza D-fruktoza Struktura łańcuchowa i pierścieniowa węglowodanów CH2OH C H HC HC O HC OH HO CH HC OH HC OH CH2OH D-glukoza CH2OH OH OH C H C OH H H C HC OH H δ+ O OH C δ C H OH O H C* H C OH OH α-D-glukopiranoza CH2OH C H HC OH OH C H O H C OH OH C* H β-D-glukopiranoza W wyniku zamknięcia pierścienia węgiel C(1) staje się węglem asymetrycznym (*), w związku z czym powstają 2 izomery optyczne D-glukozy tj. α- i β-D-glukoza. Przykładowe pytania na zaliczenie: • • Narysuj dwa izomery butanu (alkanu o wzorze sumarycznym C4H10). Dokończ reakcje i podaj nazwę mechanizmu wg którego zachodzi reakcja: a) b) c) + HBr H3C H Br H3C C C CH3 + 2Br2 d) + NH3 + HNO3 H2SO4 H • • • Które z alkoholi rozpuszczają się w wodzie bez ograniczeń. Co jest tego przyczyną? Narysuj wzór strukturalny alkanu 2o i 3o-rzędowego zawierającego 4 atomy węgla w łańcuchu alifatycznym. Uzupełnij rekacje: CH CH CH OH + NaOH 3 2 2 OH + NaOH • • • • • Wyjaśnij dlaczego aminy mają wyższe temperatury wrzenia od analogicznych węglowodorów nasyconych. Wyjaśnij znaczną lotność eterów w porównaniu do analogicznych alkoholi. Podaj przykład aminy 1o i 2o-rzędowej. Narysuj ich wzory strukturalne. Podaj przykłady reakcji, w w których można rozróżnić alkohole 1o, 2o i 3o –rzędowe. Uzupełnij reakcje: O CH3 C [Ag(NH3)2]+ OH– H • • • Dokończ równanie reakcji: CH3CH2COOH +CO32- → Wyjaśnij przyczyny znacznej kwasowości wodoru grupy karboksylowej –COOH COOH Dokończ reakcję: + CH3CH2OH • • • • • Jakie grupy funkcyjne wchodzą w skład cukrów. Do jakiej grupy związków należą cukry o zamkniętych pierścieniach (po reakcji grupy aldehydowej i hydroksylowej) Jakie wiązanie tworzy się po reakcji grupy karboksylowej i aminowej pochodzącej z dwóch cząsteczek aminokwasów. Glicyna (Gly) to aminokwas o wzorze H2NCH2COOH. Narysuj wzór strukturalny dipeptydu Gly-Gly oraz zaznacz wiązanie peptydowe. NH2 Wskaż grupy funkcyjne w cząsteczkach: O H3C OH O H3C H CH3 N CH3 O OH zapach konwaliowy • Wskaż miejsca elektrofilowe w drobinie: Atenolol (lek na nadciśnienie) O CH3 C Cl • Które z drobin posiadają właściwości nukleofilowe, a które elektrofilowe: H Cl- H NO2+ BrH H CH3 H3C C CH3 + NH3 OH-