chemia organiczna
Transkrypt
chemia organiczna
Katarzyna Wińska Wanda Mączka Witold Gładkowski Kurs wyrównawczy z chemii organicznej Wrocław 2009 „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. Kurs wyrównawczy z chemii organicznej Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Katedra Chemii Materiały do kursu wyrównawczego z chemii nieorganicznej przeznaczony dla studentów kierunków przyrodniczych i technicznych Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu w semestrze letnim roku akademickiego 2009/2010 Kurs przeprowadzono w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków rodków Europejskiego Funduszu Społecznego Redakcja merytoryczna: Zespół autorów. © Copyright Katedra Chemii Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Wrocław 2009 „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 2 Spis treści. ................................ ............................................ 5 Ćwiczenie 1. ................................................................................................................................ 1.1 Elementy budowy związków zwią organicznych. Struktura cząsteczek. steczek. Przestrzenne rozmieszczenie atomów w cząsteczkach. ................................................................ ............................................................ 5 1.1.1 Izomeria konstytucyjna ................................................................................................ ................................... 6 1.1.2 Izomeria przestrzenna estrzenna (steroizomeria) ................................................................ ............................................ 7 1.2 Ustalenia budowy związków zwią organicznych. ................................................................ ........................................... 9 1.2.1 Analiza elementarna ................................................................................................ ........................................ 9 1.2.2 Wyznaczanie wzoru elementarnego i sumarycznego. ................................................... ................................ 11 1.3 Zadania. ................................................................................................................................ ................................ ................................. 13 Ćwiczenie 2. ................................................................................................................................ ................................ .......................................... 17 2.1 Grupy funkcyjne. ................................................................................................ ................................ ................................................... 17 2.2 Nazewnictwo związków ązków organicznych. ................................................................ ................................................ 18 2.3 Węglowodory. ................................................................................................ ................................ ....................................................... 22 2.3.1 Węglowodory glowodory nasycone. ............................................................................................... ............................... 22 2.3.2 Węglowodory glowodory nienasycone. ................................................................ .......................................................... 26 2.3.3 Węglowodory glowodory aromatyczne. ................................................................ .......................................................... 28 2.4 Zadania. ................................................................................................................................ ................................ ................................. 30 Ćwiczenie 3. ................................................................................................................................ ................................ .......................................... 34 3.1 Związki zki organiczne jednofunkcyjne zawierające zawieraj tlen. .......................................................... ................................ 34 3.1.1 Alkohole i fenole. ................................................................................................ .......................................... 34 3.1.2 Aldehydy i ketony. ................................................................................................ ........................................ 37 3.1.3 Kwasy karboksylowe................................................................................................. karboksylowe. .................................... 40 „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 3 3.1.4 Estry............................................................................................................................... ................................ .............................. 43 3.1.5 Reakcje estrów................................. ................................................................................................ .............................................. 43 3.2 Zadania. ................................................................................................................................ ................................ ................................. 45 Ćwiczenie 4. ................................................................................................................................ ................................ .......................................... 48 4.1 Związki organiczne jednofunkcyjne zwierające zwieraj azot. ........................................................... ................................ 48 4.1.1 Aminy. ................................................................................................ ................................ ........................................................... 48 4.1.2 Amidy. ................................................................................................ ................................ ........................................................... 50 4.1.3 Związki pierścieniowe cieniowe zawierające zawieraj azot, tlen i siarkę. .................................................. ................................ 51 4.2 Związki zki wielofunkcyjne. ................................................................................................ ....................................... 52 4.2.1 Hydroksokwasy, ketokwasy. ................................................................ ......................................................... 52 4.2.2 Węglowodany. ................................................................................................ ................................ ............................................... 54 4.2.3 Aminokwasy i białka. ................................................................................................ .................................... 56 4.3 Zadania. ................................................................................................................................ ................................ ................................. 57 Ćwiczenie 5. ................................................................................................................................ ................................ .......................................... 61 5.1 Typy reakcji organicznych. ................................................................................................ ................................... 61 5.2 Zadania. ................................................................................................................................ ................................ ................................. 63 „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 4 Ćwiczenie 1. 1.1 Elementy budowy związków zwi zków organicznych. Struktura czą cząsteczek. Przestrzenne rozmieszczenie atomów w cząsteczkach. cz Główny szkielet cząsteczek ąsteczek związków organicznych zbudowany jest z atomów węgla. Pierwiastek ten leżyy w czwartej grupie układu okresowego, zatem może tworzyć cztery wiązania zania kowalencyjne z innymi atomami - przede wszystkim z wodorem, tlenem, azotem a także, choć w mniejszym stopniu – z siarką, fosforem i fluorowcami. Atomy węgla mogą łączyć się między sobąą a także z innymi pierwiastkami wiązaniami pojedynczymi, podwójnymi lub potrójnymi. W ten sposób możemy otrzymywać różne typy szkieletów węglowych. Rodzaje szkieletów węglowych: ęglowych: • Łańcuchy cuchy proste z wiązaniami pojedynczymi i wielokrotnymi. C • C C C C C C C C C C C C C C Łańcuchy cuchy rozgałę rozgałęzione. C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 5 • Połączenia czenia pier pierścieniowe ścieniowe z wiązaniami pojedynczymi i wielokrotnymi. C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C Przykład. Mając do dyspozycji cztery atomy węgla możemy połączyć je na wiele sposobów. sposobów C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C Rysując wzory związków ązków organicznych pamiętaj, ze nie każda narysowana struktura oznacza nowy związek. CH3 CH3 = CH H2 CH2 CH2 CH3 CH2 CH3 CH2 C 2 CH 1.1.1 Izomeria konstytucyjna. konstytucyjna Izomerami konstytucyjnymi (strukturalnymi) nazywamy cząsteczki różniące się od siebie sposobem i kolejnością połączenia atomów. Izomerię konstytucyjną możemy podzielić na izomerię szkieletową (gdy cząsteczki będą różniły się tylko budową szkieletu węglowego) lub izomerię podstawienia (gdy cząsteczki różnią się miedzy sobą tylko położeniem „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 6 wiązania zania podwójnego lub położeniem poło podstawnika funkcyjnego, przy zachowaniu ogólnego szkieletu węglowego. glowego. Izomery konstytucje mają maj odmienne właściwości ci fizyczne i chemiczne. Przykład. Izomery szkieletowe: CH3 CH3CH2CH2CH2CH H3 CH3 CH3 CH CH2 CH3 CH3 C CH3 CH3 Izomery podstawienia o różnym miejscu położenia wiązania zania podwójnego: H2C CH3 CH CH C CH2 CH3 CH CH2 CH2 CH3 Izomery podstawienia: O CH3 C O CH2 CH C 2 CH3 CH3 CH2 C CH2 CH3 1.1.2 Izomeria przestrzenna (steroizomeria). (steroizomeria) Izomerami przestrzennymi (steroizomerami) nazywamy cząsteczki, steczki, które mają maj tą samą kolejność i sposób połączenia czenia atomów a różnią ró się rozmieszczeniem atomów w przestrzeni. Najprostszym przykładem tej izomerii są s związki różniące się położeniem żeniem podstawników względem dem podwójnego wiązania wiązan lub innej określonej lonej płaszczyzny. Jeżeli Je podstawniki znajdują się po tej samej stronie płaszczyzny odniesienia – są to izomery cis lub Z, a jeżeli po przeciwnych stronach – sąą to izomery trans lub E. Do opisywania przestrzennego ustawienia atomów lub grup up atomów w pierścieniach pier lub w dwupodstawionych wiązaniach ązaniach podwójnych stosujemy przedrostki cis lub trans. W przypadku rozpatrywania rozmieszczenia podstawników wokół wiązania ązania podwójnego według reguł pierwszeństwa ństwa Cahna-InglodaCahna Preloga w związkach łańcuchowych, owych, będziemy stosowali przedrostki Z lub E. „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 7 Przykład Izomery cis-trans: CH3 CH3 CH3 C CH3 trans-1,2-dimetylocykloheksan -1,2-dimetylocykloheksan cis-1,2-dimetylocykloheksan -1,2-dimetylocykloheksan Izomery E, Z: H Br H3C H C 3 CH CH3 H3C Br (Z)-2-bromobut-2-en (E)-2-bromobut-2-en Izomery konfiguracyjne związane są z chiralnością danego związku. Jeżeli cząsteczka nie jest identyczna ze swoim odbiciem lustrzanym to jest chiralna (jeżeli jest to jest - achiralna). Najprostszym przykładem związku chiralnego jest atom węgla o hybrydyzacji sp3 połączony czony z czterema różnymi podstawnikami. Taki atom węgla będzie nosił nazwę asymetrycznego i stanowi on centrum chiralności cząsteczki. Przykład H Br CH H3 Cl Cl CH3 H Br „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 8 Pary izomerów konfiguracyjnych, które są s swoimi odbiciami lustrzanymi, ale nie można ich nałożyć na siebie nazywamy enancjomerami. Mają Maj identyczne właściwości wła fizyczne i spektroskopowe, natomiast skręcają skr płaszczyznę światła wiatła spolaryzowanego o ten sam kątt ale w przeciwnych znakach. Wszystkie pozostałe izomery konfiguracyjne, które nie są enancjomerami nazywamy diasteroizomerami. Diasteroizomery różnią różnią się między sobą właściwo ściwościami fizycznymi i spektroskopowymi. Przykład COOH H OH H I HO H H OH I H H I COOH COOH COOH COOH HO H I H COOH COOH COOH enancjomery enancjomery diasteroizomery 1.2 Ustalenia budowy związków zwi organicznych. 1.2.1 Analiza elementarna. elementarna Wszystkie związki zki organiczne mają maj stały, niezmienny skład jakościowy i ilościowy. ilo Aby poznać budowę związku ązku organicznego należy nale doświadczalnie wiadczalnie wyznaczyć wyznaczy jego skład procentowy wykorzystującc do tego celu metody metod analizy elementarnej. „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 9 Przykład Po spaleniu 0,720 g nieznanego związku zwi organicznego wyłącznie cznie otrzymano 1,05 g dwutlenku węgla i 0,432 g wody. Oblicz skład procentowy związku. zwi (MC = 12 g/mol, MH = 1 g/mol, MO = 16 g/mol) Rozwiązanie: Po spaleniu związku zku organicznego zawarty w nim węgiel w utworzył dwutlenek węgla w a wodór wodę.. Obliczamy zatem masy węgla w gla i wodoru w produktach spalania z nastepujących proporcji: MCO2 − MC mCO2 − mC mC , / / 0,286 MH2O − 2MH mH2O − mH mH , / ! / 0,048 g Odejmujemy od masy próbki przed prze spaleniem masy węgla i wodoru: 0,720 g – (0,286 g + 0,048 g) = 0,386 g Otrzymana różnica nica miedzy wagą wag próbki oraz masami węgla gla i wodoru wskazuje na obecność obecno w badanym materiale jeszcze szcze jednego pierwiastka – tlenu, ponieważż jedynymi produktami spalania tego związku zku były CO2 i H2O. Obliczamy skład procentowy: mpróbki − 100 % mC − XC „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 10 XC $ % &'ó)*+ ,!, % ,- 39,72 % mpróbki − 100 % mH − XH XH % &'ó)*+ ,! % ,- 6,67 % Zawartość procentowa tlenu jest wynikiem różnicy: ró XO = 100 % − 39,72 % − 6,67 % = 53,61 % Badany związek zek zawierał 39,72 % węgla, w 6,67 % wodoru i 53,61 % tlenu. 1.2.2 Wyznaczanie wzoru elementarnego i sumarycznego. Po obliczeniu składu procentowego można mo przystąpić do obliczania wzoru elementarnego. Określa la on stosunek liczb atomów poszczególnych pierwiastków w cząsteczce badanego związku.. Przykład Ustal wzór elementarny związku zwi z poprzedniego przykładu: Rozwiązanie: Możemy emy łatwo obliczyć, obliczyć że w 100 g badanego związku zku znajduje się si 39,72 g węgla, 6,67 g wodoru i 53,61 g tlenu. „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 11 Obliczamy liczby moli pierwiastków: 8,- nC 7 / 3,3 % $ nH nO ,,,- / ,, , / 6,6 % 3,3 % Wyznaczamy stosunek liczb tych pierwiastków możliwie mo liwie najmniejszymi liczbami całkowitymi. nC: nH : nO = 3,3 : 6,6 : 3,3 = 1 : 2 : 1 Otrzymujemy wzór elementarny związku CH2O. Nie jest on jednak rzeczywistym wzorem a jedynie określa la jaka jest zawartość zawarto pierwiastków względem dem siebie. Cząsteczka Cz może mieć wzór: CH2O, C2H4O2, C3H6O3, C4H8O itp. Na podstawie obliczonego wzoru elementarnego oraz ustalonej metodami fizykochemicznymi masy cząsteczkowej, ąsteczkowej, możemy mo ustalić wzór sumaryczny. Przykład Oblicz wzór sumaryczny związku zwi o wzorze elementarnym CH2O i masie cząsteczkowej cz 180 g/mol. Rozwiązanie: Obliczamy masę cząsteczkow ąsteczkową związku o wzorze elementarnym CH2O: M 1 Mc 4 2 × MH 41 × MO 1 × 12 g/mol 4 2 × 1 g/mol 41 ×16 g/mol g 30 g/mol Wzór sumaryczny jest wielokrotnością wielokrotno wzoru elementarnego, czyli masa cząsteczkowa cz tego związku będzie wielokrotnością wielokrotno masy CH2O. „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 12 Zatem możemy emy obliczy obliczyćć: M M<=> x czyli 180 g/mol 30 g/mol x x6 Czyli wzorem sumarycznym badanego związku jest wzór: C6H12O6 Aby ustalić wzór strukturalny należy zastosować różne metody chemiczne, fizyczne i spektroskopowe. 1.3 Zadania. 1. Ustal, który z podanych wzorów przedstawiają ten sam związek: CH3CH2CH CH3 CH3 CH3 CH3CH2CH CH2CH3 CH2CH CH2 CH2CH3 CH3 CH3 CH3 H3C CH3 CH3 CH3 CH CH CH2 CH3 Cl Cl CH2 Cl CH3 CH3 CH CH CH3 CH H3 C CH CH3 CH3 CH3 CH3 CH H3 Cl CH2 CH CH CH H3 CH3 CH CH H CH3 CH3 Cl CH2 „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 13 2. Narysować wzory półstrukturalne wszystkich związków zwi zków izomerycznych o wzorze sumarycznym: a. C5H12 b. C4H9Cl c. C5H8 3. Ustal wzór rzeczywisty węglowodoru w o masie cząsteczkowej steczkowej 60 g/mol, jeżeli je w reakcji spalania 3 g tego związku zwi otrzymano 8,8 g dwutlenku węgla ęgla i wodę. 4. Ustal najprostszy wzór sumaryczny związku, zwi który składa się z 58,80% węgla, w 9,87% wodoru oraz tlenu. Zaproponuj wzór półstrukturalny tego związku. 5. Podaj nazwy poniższych ższych związków. zwi Które z podanych wzorów przedstawiają: przedstawiaj a) homologi b) izomery c) te same cząsteczki a) c) b) H2C CH CH H CH3 CH H3 d) H3C CH e) CH H CH3 CH3 H3C C CH3 CH H3 CH C 3 CH CH3 CH3 f) CH3 CH3 HC CH CH3 CH3 6. Narysuj stereoizomery E,Z 2-chlorobut-2-enu. „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 14 7. Narysuj wzory półstrukturalne cząsteczek steczek o wzorze sumarycznym C4H8Cl2, które są wobec siebie a) izomerami szkieletowymi b) izomerami położenia żenia podstawnika c) izomerami optycznymi 8. Wymień rodzaje izomerii i podaj po jednym przykładzie. 9. Narysuj stereoizomery cis-trans 1,2-dimetylocykloheksanu. 10. Które z wymienionych związków zwi występują w formie stereoizomerów? Narysuj i nazwij te stereoizomery. a) but-2-en d) pent-2-en b) heks-2-en e) metylopropen c) 3,4-dimetylo-heks heks-3-en 11. Narysuj model przestrzenny cząsteczki cz metanu, podaj długość ść wiązań wią i wartość kąta między wiązaniami. 12. Porównaj budowęę etanu, etenu i etynu. Jakiego typu wiązania wi zania występują wyst w tych cząsteczkach? 13. Określ liczbę atomów węgla w o hybrydyzacji sp, sp2, sp3 w cząsteczce 3-bromo-23 metylookta-1,6-dien-4--ynu. 14. Podaj stopnie utlenienia poszczególnych atomów węgla w w następują ępujących związkach: a) propan d) propan-1--ol b) propen e) propanal c) propyn f) kwas propanowy 15. Wskaż za pomocą gwiazdki asymetryczne atomy węgla w poniższych ższych związkach. zwi „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 15 O H2C CH CH HO CH3 C H H O OH CH3 O OH I NH2 CH2OH O H Br H H Cl H Cl HO O CH3 Cl Br OH CH3 OH CH3 16. Na dowolnym przykładzie wyjaśnij pojęcia: enancjomery, diastereoizomery, mieszanina racemiczna, prawoskrętność związku chemicznego. 17. Posługując się wzorami Fischera narysuj wszystkie stereoizomery 2-chloro-32 jodobutanu, wskażż pary enancjomerów i diastereoizomerów. 18. Posługując się wzorami Fischera narysuj stereoizomery kwasu winowego. Która struktura przedstawia izomer mezo? 19. Określ przynależność ść narysowanych w konwencji Fischera stereoizomerów stereoiz do szeregu konfiguracyjnego D lub L. Narysuj ich enancjomery. O C OH H OH CH3 O C H H OH HO H HO H H O O C OH H2N H C H OH H H OH CH3 OH C HO O CH2OH „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 16 2 Ćwiczenie 2. 2.1 Grupy funkcyjne. Jak już wcześniej niej wspomniano, wszystkie związki zwi zki organiczne zbudowane są s z szkieletu węglowego, glowego, do którego przyłączone przyłą są głównie atomy omy wodoru. Do atomów węgla w mogą być również przyłączone inne atomy atom (np. chlor, siarka) lub grupy atomów, atomów które nazywamy grupami funkcyjnymi.. Decydują Decyduj one o właściwościach ciach chemicznych cząsteczki, cz bez względu na jej wielkość i złożoność. złożono W tabeli zebrano najważ ajważniejsze grupy funkcyjne z szczególnym omówieniem grupy karbonylowej. Tabela 1. Grupy funkcyjne. Nazwa związku Wzór Alkohole i fenole Etery Aminy Związki nitrowe Grupa funkcyjna hydroksylowa eterowa aminowa nitrowa R - OH R-O-R R - NH2 R - NO 2 O Grupy funkcyjne zawierającą zawieraj grupę karbonylową. C * Aldehydy aldehydowa O R Ketony C H karbonylowa O R Kwasy karboksylowe C R karboksylowa O R Estry C OH estrowa O R Amidy O R C NH2 R C * OR O O C C NHR R amidowa NR2 (R – łańcuch węglowodorowy owy nasycony, nienasycony lub aromatyczny) „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 17 2.2 Nazewnictwo związków ązków organicznych. Obecnie stosowany system nazewnictwa związków jest zgodny z zaleceniami IUPAC (International International Union of Pure and Applied Chemistry). Nazwa związku organicznego powinna składać się z trzech części:: przedrostka, rdzenia i przyrostka. Przedrostek informuje o miejscu położenia enia podstawników, rdzeń rdzeń – opisuje główny szkielet cząsteczki (m. in. mówi o ilości atomów węgla) gla) a przyrostek określa główną grupę funkcyjną, do której należy cząsteczka. Zasady nazywania zwi związków ązków organicznych: 1. Należy znaleźć źć najdłuższy łańcuch węglowy w cząsteczce. (Uwaga! Najdłuższy łańcuch może że by byćć „pozaginany”). Jeżeli w cząsteczce są dwa długie łańcuchy – wybieramy ten, który ma większą liczbę punktów rozgałęzienia. Przykład CH2 CH3 C 2 CH3 CH CH3 CH CH2 CH H2 CH CH3 CH3 CH C CH2 CH2 CH CH3 CH2 CH3 CH2 CH3 nie heksan oktan CH3 C 3 CH CH3 CH CH2 CH H2 CH CH3 CH3 CH C CH2 CH2 CH CH3 CH CH3 nie CH CH3 CH3 tak CH3 „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 18 2. Numerujemy atomy węgla. Jeżeli w cząsteczce nie ma grup charakterystycznych (wiązanie zanie wielokrotne, grupy funkcyjne itp.) to numerowanie rozpoczynamy od końca, ca, na którym znajduje się najbliższy punkt rozgałęzienia. Przykład CH3 1 2 C 3 CH 3 4 7 5 CH3 CH CH2 CH H2 CH CH3 nie 6 CH CH3 7 CH3 6 5 4 3 CH3 CH C CH2 CH2 CH CH3 2 CH CH3 1 CH3 tak 3. Nazywamy i numerujemy podstawniki. Nazwy podstawników alkilowych pochodzą zazwyczaj od nazw odpowiednich węglowodorów. Dla niektórych podstawników stosujemy ze względów historycznych nazwy zwyczajowe: CH3 CH CH3 grupa izopropylowa CH3 CH3 C CH3 grupa tert-butylowa butylowa CH3 CH2 CH CH3 CH3 CH3 CH CH2 grupa sec-butylowa grupa izobutylowa CH3 CH3 CH3 C CH3 CH CH H2 CH2 CH2 CH3 grupa neopentylowa grupa izopentylowa Jeżeli na atomie węgla znajdują się dwa podstawniki to obydwa uzyskują ten sam numer. „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 19 4. Zapisujemy nazwę nazw związku zku w postaci jednego słowa. Jeżeli Jeż w cząsteczce obecne są dwa lub więcej wi różnych nych podstawników to zapisujemy je w kolejności alfabetycznej. Jeżeli Jeż występują dwa lub więcej cej takich samych podstawników to stosujemy przedrostki di-, di tri-, tetra-,, ale bez układania ich w kolejności kolejno alfabetycznej. Przykład CH3 7 6 CH2CH3 5 4 3 CH3 CH CH2 CH2 C CH2 CH3 2 CH CH3 1 CH3 3,3-dietylo-2,6-dimetyloheptan Ad. 2. Jeżeli eli w cząsteczce cz występują różne ne grupy charakterystyczne tylko jedna z nich, leżąca ąca najwyżej najwy w szeregu ważności, określa śla nazwę nazw przyrostka, pozostałe ustawione w kolejności kolejno ci alfabetycznej zapisywane są s w przedrostku nazwy. Atom węgla, w przy którym znajduje się „najważniejsza” „najwa grupa charakterystyczna powinien mieć mie jak najniższy numer. Przykład Dla eterów stosujemy przedrostek alkoksy np. grupa –OCH OCH3 będzie nosiła nazwę metoksy-.. O 1 2 CH3 3 4 5 6 7 CH3 C CH CH CH CH CH3 OH 6-hydroksy-5-metylohept-3-en-2-on „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 20 Tabela 2.. Nazwy związków organicznych. Nazwa grupy funkcyjnej Przyrostek nazwy Przedrostek nazwy Kwasy karboksylowe kwas -owy karboksy- kwas -karboksylowy Bezwodniki kwasowe bezwodnik -owy bezwodnik -karboksylowy Estry -an alkoksykarbonylo alkoksykarbonylo- -karboksylan Halogenki kwasowe halogenek -oilu, -ylu halokarbonylo- Amidy -amid karbamoilo- -karboksyamid Aldehydy -al okso- Ketony -on okso- Alkohole -ol hydroksy- Aminy -amina amino- Alkeny -en alkenylo- Alkiny -yn alkinylo- Alkany -an alkilo- „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 21 2.3 Węglowodory. Węglowodory glowodory zbudowane są s wyłącznie z atomów węgla gla i wodoru. Ze względu wzgl na budowę zostały podzielone na kilka grup: Węglowodory Nasycone Acykliczne Aromatyczne Cykliczne Nienasycone Acykliczne Cykliczne Schemat 1. Podział węglowodorów. 2.3.1 Węglowodory glowodory nasycone. Węglowodory glowodory nasycone nazywamy ogólnie alkanami. Łańcuch cuch węglowy w szkieletu cząsteczki steczki zbudowany jest z wiązań wi pojedynczych. Skrajne atomy węgla wę połączone są z trzema atomami wodoru a pozostałe z dwoma. „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 22 Tabela 3. Węglowodory nasycone. Nazwa alkanu Wzór sumaryczny Wzór strukturalny uproszczony Metan CH4 CH4 Etan C2H6 CH3CH3 Propan C3H8 CH3CH2CH3 Butan C4H10 CH3CH2CH2CH3 Pentan C5H12 CH3CH2CH2CH2CH3 Heksan C6H14 CH3CH2CH2CH2CH2CH3 Heptan C7H16 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3 Oktan C8H18 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 Nonan C9H20 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 Dekan C10H22 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 Undekan C11H24 CH3(CH2)9CH3 Dodekan C12H26 CH3(CH2)10CH3 Tridekan C14H28 CH3(CH2)11CH3 Tetradekan C16H30 CH3(CH2)12CH3 Pentadekan C18H32 CH3(CH2)13CH3 Wzór sumaryczny alkanów zapisujemy wzorem: CnH2n+2, gdzie n oznacza liczbę liczb atomów węgla. Cząsteczki steczki kolejnych węglowodorów w maja podobną budowę budow i właściwości a różnią sie od siebie jedynie o fragment –CH2–. Taką grupę związków zków nazywamy szeregiem homologicznym ym a poszczególne związki zwi – homologami. Poza węglowodorami glowodorami łańcuchowymi ła cuchowymi prostymi znamy również równie węglowodory łańcuchowe rozgałęzione, zione, np. butan i 2-metylopropan. 2 „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 23 Atom węgla ma rzędowo ędowość równą liczbie atomów węgla gla z nim zwi związanych, zatem możemy mieć atomy węgla gla I, II, III i IV rzędowe: rz C C C C C C C C C C C C C I-rzędowy II-rz II-rzędowy C III-rzędowy IV-rz IV-rzędowy Atomy węgla mogąą łączy łączyć się nie tylko w łańcuchy, ale równieżż w pierścienie. pier Takie węglowodory glowodory nazywamy cykloalkanami. Podobnie jak alkany tworzą tworzą szereg homologiczny o wzorze ogólnym CnH2n. CH2 CH2 CH2 CH2 cyklopropan CH2 CH H2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH H2 CH2 CH2 CH2 CH2 cyklobutan cyklopentan cykloheksan CH2 CH2 Jeżeli do pierścienia cienia przyłączone przył są podstawniki to należyy wskaza wskazać w nazwie jego miejsce położenia enia oraz jego rodzaj. Przykład 4 5 3 6 2 1 2-etylo-1-izopropylo-4-metylocykloheksan „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 24 2.3.1.1 Reakcje węglowodorów glowodorów nasyconych. Węglowodory nasycone są s związkami zkami mało aktywnymi chemicznie. Alkany ulęgają reakcjom spalania oraz reakcji z chlorem lub bromem w obecności obecno światła. wiatła. W spalaniu węglowodorów glowodorów możemy mo w zależności od ilości dostarczonego tlenu otrzymać różne produkty: C5H12 + 8 O2 5 CO2 + 6 H2O 2 C5H12 + 11 O2 10 CO + 12 H2O C5H12 + 3 O2 5 C + 6 H2O Alkany ulegają również reakcjom podstawienia jednego lub kilku atomów wodoru atomami fluorowców. Reakcja wymaga jednak zainicjowania przez światło wiatło lub podwyższoną podwy temperaturę. W wyniku reakcji tworzy się si mieszanina produktów podstawienia. Cl Cl2, hν Cl Cl Cl + + + Na podstawie doświadcze wiadczeń stwierdzono, ze najbardziej reaktywne jest wiązanie wi C-H przy trzeciorzędowym dowym atomie węgla, w gla, mniej reaktywne jest przy drugorzędowym drugorzę a najmniej reaktywne – przy pierwszorzędowym. pierwszorzę Dlatego głównym produktem powyższej powy reakcji jest 2-chloro-2-metylobutan. „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 25 2.3.2 Węglowodory glowodory nienasycone. Węglowodory glowodory nienasycone mają przynajmniej jedno wiązanie wielokrotne – podwójne (alkeny) lub potrójne (alkiny). Obecność wiązań wielokrotnych decyduje o reaktywności ci tych grup zwią związków. Mogą one ulęgać miedzy innymi reakcjom przyłączenia (addycji) i polimeryzacji. 2.3.2.1 Reakcje węglowodorów glowodorów nienasyconych. Reakcje addycji elektrofilowej do wiązania wi wielokrotnego: Regułaa Markownikowa: W reakcjach addycji elektrofilowej do wiązania wielokrotnego w przewadze tworzy się ten produkt, gdzie odczynnik elektrofilowy (kation) przyłącza się do węgla połączonego ączonego z większą ilością wodorów (o niższej rzędowości). Addycja halogenu. Cl H2C CH CH3 Cl2 H2C CH CH3 Cl 1,2-dichloropropan propen Br HC C CH3 Br2 H C Br Br C CH3 Br propyn 1,2-dibromopropen Br2 H C C CH3 Br Br 1,1,2,2-tetrabromopropan „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 26 Addycja halogenowodoru. HCl CH2 CH CH3 CH3 CH CH3 Cl propen 2-chloropropan HBr HC C CH3 H2C C CH3 Br HBr H3C C CH3 Br propyn Br 2-bromopropen 2,2-dibromopropen Addycja wody. H2O, H+ H2C CH CH3 CH3 CH CH C 3 OH propen propan-2-ol W reakcji addycji wody do wiązania potrójnego powstaje nietrwały nienasycony alkohol, który izomeryzuje do bardziej trwałego związku karbonylowego. H2C CH CH3 H2O, H+ Hg2+ H2C C CH3 OH propen CH3 C CH3 O propanon keton dimetylowy aceton Addycja wodoru. H2C CH CH3 propen H2 CH3 CH2 CH3 propan „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 27 HC C CH3 H2 H2C CH CH3 H2 CH3 CH2 CH3 propen propyn propan Polimeryzacja: Reakcja łączenia ł się pojedynczych cząsteczek steczek (monomerów) w policząsteczki eczki nazywamy polimeryzacją: polimeryzacj H2C CH Cl + H C CH + 2 ... ... Cl Cl polichlorek winylu Cl H2C CH + H2C CH CH3 CH CH C 2 CH + ... styren CH3 CH CH C 2 CH ... polistyren 2.3.3 Węglowodory glowodory aromatyczne. Węglowodory glowodory aromatyczne mają maj cząsteczkę płaską,, cykliczną (pierścieniową) i zawierają wiązania zania zdelokalizowane, które łączą ł wszystkie atomy w pierścieniu. pier Liczba elektronów π powinna byćć zgodna z regułą reguł Hückla 4n+2, gdzie n = 0, 1, 2, 3…. Benzen jest najprostszym związkiem zwi zkiem aromatycznym, tworzy różne szeregi homologiczne. „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 28 C 3 CH CH2 CH3 benzen benzen toluen (metylobenzen) naftalen etylobenzen fenantren antracen W nazwach dwupodstawionych pochodnych benzenu wykorzystuje się si przedrostki orto (podstawienie 1,2), meta (podstawienie 1,3) i para (podstawienie 1,4). CH3 CH3 CH H3 CH H3 CH3 1,2-dimetylobenzen orto-ksylen 1,3-dimetylobenzen meta-ksylen CH H3 1,4-dimetylobenzen para-ksylen -ksylen 2.3.3.1 Reakcje węglowodorów glowodorów aromatycznych. Reakcje podstawienia (substytucji) elektrofilowej: Reakcje substytucji elektrofilowej polega na podstawieniu atomu wodoru w pierścieniu cieniu aromatycznym innym atomem lub grupą grup funkcyjną.. Reakcjami substytucji są s miedzy innymi reakcje nitrowania, sulfonowania, halogenowania i alkilowania. „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 29 NO2 HNO3+H2SO4 nitrobenzen SO3H H2SO4 kwas benzenosulfonowy Br Br2, FeBr3 bromobenzen CH3Cl, AlCl3 CH3 toluen Schemat 2. Reakcje substytucji elektrofilowej węglowodorów aromatycznych. Reakcje uwodornienia: uwodornienia Benzen i inne węglowodory ęglowodory aromatyczne w obecności obecno ci katalizatora (nikiel) i podwyższonego ciśnienia nienia ulega reakcjom przyłączenia przył czenia wodoru. Produktem reakcji są s odpowiednie cykloalkany. H2, kat. 2,5 MPa, 200oC 2.4 Zadania. 1. Narysuj i nazwij po 3 związki zwi należące do węglowodorów glowodorów nasyconych, węglowodorów glowodorów nienasyconych, arenów, chlorowcoalkanów, alkoholi, eterów, aldehydów, ketonów, kwasów karboksylowych, estrów, amin, amidów. Wskaż Wska „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 30 charakterystyczne fragmenty budowy (wiązania, grupy funkcyjne narysowane w postaci pełnych wzorów strukturalnych) decydujące o przynależności tych związków zków do poszczególnej klasy. 2. Podaj nazwy systematyczne następujących związków: CH3 CH2 CH3 CH3 CH H3 CH3 Cl Cl CH3CH2CH2CH H CH2CH2CH3 Cl CH H2CH2CH CH2CH3 C CH2CH C CH CH3 Br Br Cl CH3 3. Określ rzędowość wszystkich atomów węgla w cząsteczkach następujących związków: metylooktan a) 4-etylo-4-metylooktan c) 2,3,4-trimetylopentan trimetylopentan b) 2,2-dimetylopropan d) 3-etylo-2,2-dimetylopentan dimetylopentan 4. Ile trzeciorzędowych atomów węgla zawiera: neopentan, 3-metyloheksan. metyloheksan. 5. Podaj ogólne wzory oraz narysuj i nazwij trzy pierwsze związki w szeregu homologicznym alkanów, nów, alkenów i alkinów. 6. Napisz reakcje pełnego spalania butanu, propenu i acetylenu. 7. Ile produktów monochlorowania uzyskasz w wyniku reakcji 2,3-dimetylobutanu 2,3 dimetylobutanu oraz etylocykloheksanu z chlorem? Dla pierwszego z wymienionych substratów podaj nazwy wszystkichh produktów i zaznacz produkt główny. 8. Narysuj wzory półstrukturalne izomerycznych alkenów zawierających 5 atomów węgla w cząsteczce. Podaj ich nazwy systematyczne. 9. Na przykładzie reakcji winylocykloheksanu z HBr wyjaśnij regułę Markownikowa. „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 31 10. Napisz reakcje addycji 1 mola HCl, Br2 oraz wody w środowisku rodowisku kwaśnym kwa do: a) etylenu c) 2-metylobut-22-enu b) metylopropenu d) acetylenu 11. Napisz reakcje uwodornienia i polimeryzacji: a) etenu b) metylopropenu c) chlorku winylu pomoc których 12. Na dowolnym przykładzie napisz dwie reakcje probówkowe, za pomocą odróżnisz węglowodór glowodór nasycony od nienasyconego. Opisz krótko efekt wizualny tych reakcji. hybrydyzacj atomów węgla w cząsteczkach steczkach cykloheksanu cykloheksa 13. Porównaj budowęę i hybrydyzację i benzenu. Napisz reakcję reakcj cykloheksanu z bromem pod wpływem światła oraz benzenu tym samym odczynnikiem w obecności obecno FeBr3. 14. Narysuj i nazwij możliwe żliwe liwe izomery dowolnego dwupodstawionego benzenu. 15. Jakie będą główne produkty następujących nast reakcji: a) bromobenzenu z chlorem w obecności obecno FeCl3 b) nitrobenzenu z bromem w obecności obecno FeBr3 c) toluenu z kwasem azotowym (V) w obecności obecno H2SO4 d) fenolu z kwasem azotowym (V) w obecności obecno H2SO4 16. Napisz po jednym przykładzie reakcji 1-bromopropanu 1 z KOH będą ędącej reakcją: a) substytucji b) eliminacji 17. Uzupełnij poniższy szy schemat reakcji. „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 32 A H3C CH2 OH H2C CH2 B H3C CH2 Cl C H3C CH2 CH2 CH3 D H3C CH CH2 CH3 Cl 18. Ustal strukturę alkenów, które w wyniku ozonolizy dają daj następujące ące produkty: O O a) H3C CH2 C + H CH3 C O b) H3C CH2 C CH3 + H C O c) H O + O O d) CH3 C H H H3C C CH3 O + CH3 C CH3 „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 33 3 Ćwiczenie 3. 3.1 Związki zki organiczne jednofunkcyjne zawierające tlen. Wiele związków zków organicznych poza węglem w glem i wodorem ma grupy funkcyjne zawierające ce tlen np. grupa hydroksylowa, karbonylowa, karboksylowa. 3.1.1 Alkohole i fenole. Alkohole to grupa związków zwi organicznych, gdzie do jednego lub więcej wi atomów węgla przyłączone są grupy hydroksylowe. W alkoholach alifatycznych grupa hydroksylowa przyłączona czona jest do tetraedrycznego atomu węgla, w w fenolach zaś podstawiony jest jeden z atomów wodory w pierścieniu cieniu aromatycznym. OH H CH3 CH C 2 OH alkohol etylowy etanol fenol W zależności od rzędowo ędowości atomu węgla, do którego przyłączona ączona jest grupa –OH alkohole nazywa się alkoholami pierwszorzędowymi, pierwszorz drugorzędowymi dowymi i trzeciorzędowymi. trzeciorz CH3CH2CH2OH alkohol pierwszorzędowy OH CH3CH CH3 OH CH3 C CH3 CH3 alkohol drugorzędowy alkohol trzeciorzędowy trzeciorz „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 34 3.1.1.1 Reakcje alkoholi i fenoli. Reakcje alkoholi i fenoli z zasadami: Alkohole alifatyczne ssąą słabymi kwasami i w reakcji z aktywnymi metalami tworzą alkoholany: 2 CH3CH2OH + 2 CH3CH2 O-Na+ 2 Na H2 + W reakcjach w wodzie alkoholany ulegają hydrolizie: CH3CH2 O-Na + CH3CH2OH + Na+ + OH- H2O Alkohole aromatyczne są silniejszymi kwasami niż alkohole i woda, więc fenolany otrzymać można w reakcji z roztworami wodorotlenków litowców: O Na+ OH + + NaOH H2O Reakcja podstawienia grupy hydroksylowej atomem fluorowca: W reakcji wymiany grupy hydroksylowej na atom fluorowca otrzymujemy odpowiednią halogenopochodną. Alkohol poddajemy działaniu silnych kwasów florowcowodorowych często w podwyższonej temperaturze. Możemy w ten sposób otrzymać bromki i jodki z alkoholi, nie da się natomiast otrzymać z pierwszorzędowych alkoholi chlorków. „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 35 CH3 CH3 H3C OH H HBr H3C Br CH3 CH3 Chlorki pierwszorzędowe ędowe otrzymamy w reakcji alkoholi pierwszorzędowych z HCl i ZnCl2 jako katalizatorem,, jednak reakcja powinna być prowadzona w podwyższonej temperaturze. Reakcja eliminacji wody. Eliminacja cząsteczki steczki wody z alkoholi prowadzi do powstania alkenu. Reakcja zachodzi w obecności ci mocnych stężonych kwasów i wysokiej temperatury. OH H+, - H2O CH3 CH CH CH3 CH3 CH2 CH CH3 Reakcja utlenienia alkoholi alifatycznych. Pierwszorzędowe alkohole alifatyczne utleniają się w zależności od użytego odczynnika do aldehydów lub kwasów karboksylowych, natomiast drugorzędowe alkohole utleniają się do ketonów. Trzeciorzędowe alkohole nie utleniają się powszechnie stosowanymi utleniaczami. C 3 CH2 CH2 C CH CH3 CH2 CH2 C CH3 CH2 CH2 CH2 OH O O K2Cr2O7, H+ OH H OH K2Cr2O7, H+ O CH H3 CH2 C CH3 CH3 CH2 CH CH3 „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 36 Reakcje podstawienia wodoru w pierścieniu pier cieniu aromatycznym fenolu. Fenol podobnie jak benzen ulega reakcji podstawienia jednego z wodorów w pierścieniu cieniu aromatycznym. W tej reakcji grupa hydroksylowa będzie będzie kierowała drugi z podstawników w pozycję orto lub para. OH OH OH NO2 HNO3, H2SO4 + NO2 fenol orto-nitrofenol para-nitrofenol 3.1.2 Aldehydy i ketony. W aldehydach i ketonach atom tlenu jest związany zwi zany z atomem węgla w wiązaniem podwójnym. Utworzona grupa funkcyjna nosi nazwę nazw grupy karbonylowej: O C * * W aldehydach grupa karbonylowa połączona poł jest z atomem wodoru oraz z resztą reszt węglowodorową – alifatyczną lub aromatyczną. Natomiast w cząsteczkach steczkach ketonów grupa karbonylowa połączona czona jest z dwoma resztami węglowodorowymi. w „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 37 O C R O H R aldehyd C R keton 3.1.2.1 Reakcje aldehydów i ketonów. Reakcje utlenienia: Wszystkie aldehydy wykazują właściwości redukujące – ulegaj gają utlenieniu do kwasów karboksylowych. • próba Tollensa Odczynnik Tollensa to amoniakalny amoniak roztwór azotanu(V) (V) srebra (a ( właściwie wodorotlenek diaminosrebrowy). O pozytywnym wnym przebiegu reakcji świadczy wydzielające sięę na ściankach probówki lustro srebrowe. Ketony nie ulegają utlenieniu. O O + 2 Ag(NH3)2OH CH3C CH3C O NH4 H • + Ag + H2O + 3 NH3 + próba Trommera era W próbie Trommera Trom czynnikiem utleniającym jest świeżo strącony wodorotlenek miedzi(II). miedzi( Wydziela się ceglasty osad tlenku miedzi (I). Ketony nie ulegają utlenieniu. O CH3C + O Cu(OH)2 CH3C H + OH Cu2O + H2O ceglasty osad „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 38 Reakcje redukcji: Aldehydy i ketony redukowane są s głównie za pomocąą wodorków metali (glinowodorkiem litu lub borowodorkiem sodu) do odpowiednich pierwszo i drugorzędowych alkoholi. O NaBH4 CH3 C CH3CH2OH H O CH3 C OH CH3 LiAlH4 CH3CH CH H3 Reakcja przyłączenia alkoholi: W obecności ci kwasów może mo nastąpić przyłączenie cząsteczek ąsteczek alkoholi do karbonylowego atomu węgla ęgla gla aldehydów i ketonów. W wyniku tej reakcji tworzy się si hemiacetal. Jeżeli eli reakcja jest prowadzona w nadmiarze alkoholu to następuje nast nastę przyłączenie kolejnej cząsteczki steczki alkoholu do utworzenia acetalu. Acetale są s nietrwałe i łatwo ulegają ulegaj rozpadowi pod wpływem wodnego roztworu kwasu. O CH3C H CH3CH2OH, H+ O H CH3CH O CH2CH3 hemiacetal CH3CH2OH, H+ O CH2CH3 CH3CH O CH2CH3 acetal „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 39 Reakcja haloformowa: Ketony z grupą metylową metylow przyłączoną bezpośrednio do karbonylowego arbonylowego atomu węgla w utleniają się do kwasów w reakcji z fluorowcami w wodnym zasadowym roztworze. W zależności od użytego ytego reagenta produktem produktem reakcji poza kwasem jest jodoform, chloroform chlorofo lub bromoform. O O CH3C CH3 + 3 I2 + NaOH CH3C + OH CHI3 + 3NaI + 3H2O 3.1.3 Kwasy karboksylowe. Grupą funkcyjną w kwasach karboksylowych jest grupa karboksylowa. W zależności od budowy reszty węglowodorowej glowodorowej kwasy możemy mo podzielić na alifatyczne i aromatyczne. Kwasy mogą mieć więcej ęcej niż ni jedną grupę karboksylową – kwasy dikarboksylowe, trikarboksylowe itp. Nazwy systematyczne pochodzą pochodz od odpowiednich węglowodorów glowodorów a numeracje w łańcuchu rozpoczyna sięę od grupy karboksylowej. Bardzo często cz sto stosuje się si jednak nazwy zwyczajowe, które zazwyczaj określają pochodzenie danego kwasu. Wyprowadzając Wyprowadzaj nazwy zwyczajowe dla pochodnych kwasów karboksylowych stosujemy oznaczenia atomów węgla w literami greckimi zaczynając numerację numeracj od węgla bezpośrednio rednio połączonego połą z grupą karboksylową. 5 4 3 2 1 CH3 CH2 CH2 CH2 COOH δ γ β α „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 40 Tabela 4.. Wzory i nazwy kwasów karboksylowych Wzór Nazwa systematyczna Nazwa zwyczajowa. HCOOH Kwas metanowy Kwas mrówkowy CH3COOH Kwas etanowy Kwas octowy CH3CH2COOH Kwas propanowy Kwas propionowy CH3(CH2)2COOH Kwas butanowy Kwas masłowy CH3(CH2)3COOH Kwas pentanowy Kwas walerianowy CH3(CH2)4COOH Kwas heksanowy Kwas kapronowy CH3(CH2)6COOH Kwas oktanowy Kwas kaprylowy CH3(CH2)7COOH Kwas nonanowy Kwas pelargonowy CH3(CH2)10COOH Kwas dodekanowy Kwas laurynowy CH3(CH2)14COOH Kwas heksadekanowy Kwas palmitynowy CH3(CH2)16COOH Kwas oktadekanowy Kwas stearynowy Przykład. OH CH3 CH2 CH CH2 COOH kwas 3-hydroksypentanowy kwas β−hydroksywalerianowy 3.1.3.1 Reakcje kwasów karboksylowych. Tworzenie soli: W reakcjach kwasów karboksylowych z aktywnymi metalami, tlenkami metali lub wodorotlenkami otrzymujemy jemy sole kwasów karboksylowych. Niektóre z nich są s stosowane w życiu yciu codziennym od dawna np. sole sodowe kwasów tłuszczowych są s głównym składnikiem mydła, benzoesan sodu jest znanym środkiem konserwującym. cym. „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 41 CH3 CH2 CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 C 2 CH CH2 CH2 C 2 CH CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CO OOH CH2 CH2 + NaOH - + CO OO Na + H2O CH2 Reakcja estryfikacji: W wyniku reakcji kwasów karboksylowych z alkoholami w środowisku rodowisku kwaśnym kwa otrzymuje się estry. O + CH3CH2C O + H CH3CH2OH CH3CH2C OH + H2O O 2CH3 OCH Reakcja tworzenia amidów: W pierwszym etapie reakcji kwasu karboksylowego z amoniakiem otrzymuje się si sole amonowe. Dopiero po ogrzaniu grzaniu sole przechodzą przechodz w amidy kwasowe. O O + CH3C 2 NH3 CH3C OH T O NH4+ O CH3C NH2 „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 42 Redukcja kwasów karboksylowych: Kwasy karboksylowe można zredukować np. glinowodorkiem litu (LiAlH4) do pierwszorzędowych alkoholi. CH3COOH LiAlH4 CH3CH2OH 3.1.4 Estry. Produktami reakcji kwasów karboksylowych lub nieorganicznych z alkoholami monowodorotlenowymi lub wielowodorotlenowymi są estry. Te szeroko rozpowszechnione w świecie roślinnym i zwierzęcym związki mają zazwyczaj charakterystyczne przyjemne zapachy,, np. mrówczan etylu ma zapach rumowy, a maślan etylu - ananasowy. ananasowy Nazwy estrów tworzy się podobnie ja nazwy soli, ale zamiast nazwy nazwy metalu podaje się nazwę grupy pochodzącej od alkoholu. 3.1.5 Reakcje estrów. Estry otrzymuje się w reakcji kwasów z alkoholami w środowisku kwaśnym. Reakcja ta jest odwracalna, ponieważ powstająca w reakcji woda reaguje z estrem powodując jego hydrolizę do kwasu i alkoholu. W trakcie reakcji ustala się stan równowagi dynamicznej. O CH3CH2C OH + + O H + CH3CH2C CH3CH C 2OH O CH H2CH3 H2O „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 43 Kwasy nieorganiczne również również reagują z alkoholami dając estry: CH3CH2OH + HNO3 CH3CH2O NO2 + H2O Reakcja hydrolizy kwaśnej: Hydroliza kwaśna na jest procesem odwrotnym do reakcji estryfikacji. Aby przesunąć stan równowagi w kierunku produktów reakcji stosuje się duży nadmiar wody. O CH3CH2C O CH2CH3 + + H2O O H + CH3CH2C OH CH3CH2OH + H CH3CH2O NO2 + CH3CH2OH H2O + HNO3 Reakcja hydrolizy zasadowej: Reakcja hydrolizy zasadowej jest procesem nieodwracalnym. Produkt Produktami hydrolizy są alkohol i sól kwasu. OH - O + CH3CH2C O CH2CH3 H2O O CH3CH2C + CH3CH2OH + NO3- O OH - CH3CH2O NO2 + CH3CH2OH H2O „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 44 3.2 Zadania. 1. Narysuj lub nazwij następujące nastę cząsteczki: a) butan-1-ol e) eter dietylowy b) 2-metylopropan-2-ol ol f) octan etylu c) etanal g) fenol d) propanon (aceton) h) O i) O j) OH H k) OH l) O 2. Narysuj wzory izomerycznych alkoholi o 4 atomach węgla w w cząsteczce ąsteczce i określ okre ich rzędowość.. Jak za pomocą pomoc odczynnika Jonesa (K2Cr2O7 w H2SO4) rozróżnisz rozró alkohole o różnej rzędowości? ci? Napisz odpowiednie reakcje. 3. Porównaj kwasowość ść etanolu i fenolu pisząc pisz c odpowiednie reakcje. Napisz reakcję reakcj świadczącą, żee fenol jest kwasem słabszym od kwasu węglowego. w 4. Jakie produkty otrzymasz w reakcjach butan-2-olu butan z: a) HBr c) K2Cr2O7 b) Al2O3 (300 oC) d) CH3COOH 5. Napisz jednoetapowe reakcje otrzymywania 2,4-dimetylopentan-3-olu 2,4 olu z: a) alkenu b) chlorowcoalkanu c) związku ązku karbonylowego „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 45 6. Otrzymaj aldehyd octowy oraz aceton przez utlenianie odpowiednich alkoholi tlenkiem miedzi (II), a następnie napisz reakcje aldehydu octowego z 1 molem oraz z 2 molami etanolu w środowisku kwaśnym. 7. Napisz dwie reakcje probówkowe, za pomocą których odróżnisz aldehyd od ketonu. Opisz efekty wizualne towarzyszące tym reakcjom. 8. Uzupełnij schemat reakcji: HCl A 2-metylobut-1-en KOH, H2O B C propanon KMnO4, OHD 9. Narysuj wzory: a) pięciu pierwszych kwasów z szeregu homologicznego nierozgałęzionych kwasów alkanowych (podaj ich nazwy) b) kwasu benzoesowego c) kwasu stearynowego i palmitynowego d) kwasu oleinowego i linolowego (uwzględnij konfigurację wiązań podwójnych) e) octanu propylu f) maślanu butylu 10. Napisz reakcje: a) estryfikacji kwasu propionowego w środowisku kwaśnym b) hydrolizy benzoesanu etylu w środowisku zasadowym c) hydrolizy zy mrówczanu etylu w środowisku kwaśnym Która z wymienionych reakcji jest reakcją odwracalną? „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 11. Posługując się odpowiednimi reakcjami uszereguj podane związki zwi zki według wzrastających właściwo ściwości kwasowych.kwas octowy, butan-1-ol, ol, glikol etylenowy, pkrezol, etanol, kwas węglowy wę 12. Narysuj wzór trioleinianu gliceryny i napisz reakcję: reakcj a) będącą podstawąą procesu produkcji mydeł b) wykorzystywanąą w technologii produkcji margaryny c) wykorzystywanąą do odróżnienia odró tego związku zku od tripalmitynianu gliceryny (podaj (pod efekt wizualny) 13. Napisz reakcję nitrogliceryny itrogliceryny z kwasem azotowym(V). azotowym 14. Uzupełnij schemat reakcji: etan Cl2,hv , NaOH, H2O A E NaOH CuO B D C Ag2O 15. Zaproponuj ciągg reakcji chemicznych, w wyniku których z etanu można mo moż otrzymać octan izopropylu. „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 47 4 Ćwiczenie 4. 4.1 Związki organiczne jednofunkcyjne zwierające zwieraj azot. Azot jest obok węgla, gla, wodoru, tlenu i fluorowców jednym z najczęściej najczęściej występujących wyst pierwiastków w związkach zkach organicznych. Występuje puje miedzy innymi w aminach, amidach, związkach zkach nitrowych oraz aminokwasach i białkach, a także tak e jest w zasadach azotowych budujących nukleotydy. 4.1.1 Aminy. Aminy są to związki zki organiczne wywodzące wywodz się od amoniaku, gdzie zamiast kolejnych wodorów znajdują się grupy węglowodorowe. w glowodorowe. Aminy dzielimy w zależności zale od ilości wprowadzonych grup na pierwszorzędowe, pierwszorz drugorzędowe i trzeciorzędowe. dowe. Przykład Aminy pierwszorzędowe. ędowe. H3C H CH3CH2 H N N H H metyloamina H H NH2 N CH3CH CH3 etyloamina izopropyloamina anilina „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 48 Aminy drugorzędowe. H3C CH3CH2 CH3 CH3 N N H H H N CH3CH CH C 3 etylometyloamina dimetyloamina C 3 CH izopropylometyloamina Aminy trzeciorzędowe. dowe H3C N CH2CH3 H3C CH3 N CH3 N-etylo-N-metyloanilina trimetyloamina 4.1.1.1 Reakcje amin. Aminy, podobnie jak amoniak, zachowują się jak słabe zasady (aminy aromatyczne są słabszymi zasadami od amin alifatycznych i amoniaku). Reagują z kwasami dając sole amoniowe: CH3CH2NH2 + CH3CH2NH H3+ Cl - HCl chlorowodorek etyloaminy Aminy pierwszorzędowe reagują z związkami karbonylowymi tworząc zasady Schiffa. CH3CH2CH2C O H H + H2N CH2CH3 CH3CH2CH2C N CH C 2CH3 + H2O zasada Schiffa „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 49 Zasady Schiffa powstają powstaj w organizmach żywych ywych w przemianach biochemicznych aminokwasów przy udziale enzymów. enzymów 4.1.2 Amidy. Amidy są pochodnymi kwasów karboksylowych i amin. Związki Związki z ugrupowaniem amidowym występują bardzo często cz w przyrodzie np. mocznik będący cy końcowym koń produktem przemiany związków zków azotowych. Wiązanie Wi amidowe występuje puje w białkach, białkach w wielu antybiotykach i alkaloidach. O C O H2N C NH2 H3C C O NH2 mocznik amid kwasu octowego acetamid O NH2 H3C C N CH3 CH3 benzamid N,N-dimetyloacetamid 4.1.2.1 Reakcje amidów. Amidy w środowisku rodowisku kwaśnym kwa hydrolizują do kwasu karboksylowego i soli amoniowej. Natomiast w środowisku zasadowym hydrolizują hydrolizuj do soli kwasu karboksylowego i amoniaku lub aminy. Przykład. Hydroliza kwaśna. O O + H , H2O H3C C + H3C C OH NH2 NH4+ „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 50 Hydroliza zasadowa. O OH H3C C O - + H3C C NH3 O NH2 4.1.3 Związki pierścieniowe cieniowe zawierające zawieraj azot, tlen i siarkę. Znamy wiele związków zków naturalnych pierścieniowych zawierających cych azot. Zazwyczaj wiele z nich ma znaczenie w procesach biochemicznych. Najczęściej Najcz ciej spotykane związki zwi to: S O H H N N N furan tiofen pirol imidazol H N N N N pirydyna puryna H piperydyna O NH2 N N N N pirymidyna N N N N N N H2N H N N H guanina adenina „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 51 O H N NH H2 N O N O N H cytozyna uracyl O H N N O CH3 tymina 4.2 Związki zki wielofunkcyjne. Związki zawierające ce więcej wię niż jedną grupę funkcyjną nazywamy wielofunkcyjnymi. Na właściwości chemiczne, ich zachowanie i reaktywność takich związków zwi wpływają wszystkie obecne w cząsteczce steczce grupy, które mogą mog reagować z poszczególnymi odczynnikami, jak również wewnątrzcząsteczkowo. steczkowo. 4.2.1 Hydroksokwasy,, ketokwasy. ketokwasy Związki zawierające ące zarówno grupę grup hydroksylową jak i karboksylową karboksylow nazywamy hydroksykwasami. W produktach naturalnych są s często sto spotykane w stanie wolnym lub też te w postaci estrów np. kwas jabłkowy w jabłkach, kwas winowy w winie. W procesach biochemicznych występująą jako produkty pośrednie, po np. kwas cytrynowy wy w cyklu Krebsa. OH CH2 COOH kwas glikolowy OH OH H3C CH COOH HOOC CH2 CH COOH kwas mlekowy kwas jabłkowy „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 52 COOH H HOOC CH2 C OH OH CH H2 COOH COOH HOOC CH CH COOH OH kwas cytrynowy OH kwas salicylowy kwas winowy Cząsteczki steczki hydroksykwasów mogą tworzyć estry zarówno z kwasami jak i alkoholami, reagować mogą sobą miedzy dając poliestry, lub też przy wewnatrzczasteczkowej estryfikacji – laktony. Najbardziej znane ketokwasy to: O O H3C C COOH H3C C CH2COOH kwas pirogronowy kwas acetylooctowy Ketokwasy posiadają posiadają dwa rodzaje grup funkcyjnych – grupę karboksylową i karbonylową. Związki zki te odgrywają ważna role w wielu procesach biochemicznych. Ketokwasy ulegają dekarboksylacji do związków karbonylowych onylowych i dwutlenku węgla. Przykład O O H3C C CO OOH H3C C H + CO2 aldehyd octowy kwas pirogronowy O O H3C C CH2COOH H3C C CH3 kwas acetylooctowy aceton + CO2 „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 53 4.2.2 Węglowodany. Węglowodany posiadają w swojej strukturze dwa rodzaje grup funkcyjnych: grupę grup karbonylową (aldehydowa lub ketonowa) oraz grupy grup hydroksylowe. Możemy żemy podzielić podzieli je na trzy grupy: monosacharydy (cukry proste), disacharydy (dwucukry) i polisacharydy (wielocukry). Ponadto w zależności zależ ci od grupy funkcyjnej cukry proste dzielimy na ketozy i aldozy. Cząsteczki cukrów prostych zawierają zawieraj zazwyczaj od trzech do sześciu sześ atomów węgla, stądd podział na triozy (trzy atomy węgla), tetrozy (cztery atomy węgla ęgla), pentozy (pięć atomów węgla) gla) i heksozy (sześć atomów węgla). O C H H C OH HO C H O C H HO C H O C H H C OH HO C H HO C H C O HO C H H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH D-mannoza D-galaktoza D-fruktoza D-glukoza HO C H CH2OH H C OH Wszystkie cukry (poza dihydroksyacetonem) mają przynajmniej jeden chiralny atom węgla. W zależności ci od konfiguracji na przedostatnim atomie węgla, w gla, dany cukier zaliczamy do szeregu D lub L. Konfigurację Konfiguracj związku określa się względem dem wzorca zaproponowanego przez Fischera – aldehydu glicerynowego. „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 54 O C H H C OH O C H H C OH H C OH CH2OH H C OH CH2OH aldehyd D-glicerynowy D-ryboza Cukry proste mogą występować wyst w formie łańcuchowej i pierścieniowej. cieniowej. Występujące Wyst w jednej cząsteczce grupy - aldehydowa lub ketonowa oraz hydroksylowa mogą mog tworzyć wewnątrzcząsteczkowe steczkowe wiązanie, zwane hemiacetalowym. Utworzone pi pięcio- lub sześcioczłonowe heterocykliczne cykliczne pierścienie pier są pochodnymi furanu lub piranu. O O furan piran Izomery cukrów różni żniące się tylko konfiguracja na acetalowym alowym atomie węgla w nazywamy anomerami. Anomery omery skręcają skr płaszczyznę światła wiatła spolaryzowanego o odmienne kąty. W roztworach cukrów następuje nast zmiana skręcalności ci cukrów (mutarotacja) związana zwi z przejściem anomeru α w β (i odwrotnie) poprzez formę form łańcuchową. CH2OH O O OH H H OH H OH H H OH CH2OH O H H H OH H OH OH H OH β−anomer anomer α−anomer „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 55 4.2.3 Aminokwasy i białka. Aminokwasy należą żą do związków dwufunkcyjnych – zawierajją grupę aminową i karboksylową. Obydwie grupy, grupy w charakterystycznych dla nich reakcjach, reakcjach dają właściwe dla nich pochodne, np. reagująą z kwasami i zasadami. CH3 CH CH COOH H CH3 NH2 CH3 CH CH COOH H CH3 NH2 CH3 C CH COOH CH CH3 NH3+ + + H + OH _ CH3 _ C CH COO CH CH3 NH2 Aminokwasy mogą również reagować ze sobą nawzajem tworząc wiązanie peptydowe. Powstałe łańcuchy nazywamy peptydami (białkami), które mogą składać się z kilkuset reszt aminokwasowych. O O H2N CH C N CH C N CH COOH CH3 H CH2 H CH2 CH2 COOH alanyloglutamylofenyloalanina Ala-Glu- Phe W przyrodzie występuje około 20 aminokwasów białkowych. wych. Ich nazwy są zwyczajowe, a dla każdego aminokwasu obowiązuje również powszechnie stosowany trzyliterowy skrót. „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 56 Większość aminokwasów (poza glicyną) ma przynajmniej jedno centrum chiralno chi ści (węgiel asymetryczny), jest wi więęc optycznie czynna.. Naturalne aminokwasy należą do szeregu L zgodnie z konfiguracją aldehydu glicerynowego. O C H HO C H COOH H2 N C H CH CH3 CH2OH H CH H3 aldehyd L-glicerynowy L-walina Wartość pH roztworu, przy którym aminokwas występuje głównie w formie jonu obojnaczego nazywamy punktem izoelektrycznym. Tworzenie jonu obojnaczego wynika z istnienia równowagi miedzy formą kationową i anionową. H2N CH COO _ R _ + H +H + + NH3 CH COO _ _ + H + NH3 + R +H CH COOH R 4.3 Zadania. 1. Narysuj lub nazwij następujące związki: a) metyloamina d) N-metyloetyloamina metyloetyloamina b) n-propyloamina e) amid kwasu octowego (acetamid) c) fenyloamina (anilina) f) N-etyloamid etyloamid kwasu benzoesowego (N-metylobenzamid) metylobenzamid) „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 57 g) h) N N i) O j) NH2 O N H 2. Napisz reakcje dysocjacji metyloaminy oraz aniliny i na ich podstawie określ okre właściwości kwasowo--zasadowe amin. 3. Na trzech dowolnych przykładach napisz reakcje otrzymywania amin z odpowiednich halogenków alkilowych wych oraz z odpowiednich nitrozwiązków. nitrozwi 4. Jakie produkty powstaną w wyniku reakcji metyloaminy: a) z kwasem solnym b) z kwasem octowym podczas ogrzewania ? 5. Napisz reakcję hydrolizy N-etyloacetamidu N w środowisku kwaśnym nym i zasadowym. 6. Narysuj wzoryy i nazwij następujące nast aminokwasy budujące białka: a) aminokwasy alifatyczne b) aminokwasy z pierścieniem aromatycznym c) aminokwas z dodatkową dodatkow grupą aminową d) aminokwasy z grupą hydroksylową e) aminokwasy siarkowe 7. Na przykładzie waliny napisz w zapisie cząsteczkowym steczkowym i jonowym reakcje uzasadniające ce amfoteryczny charakter aminokwasów. Wskaż Wska jon obojnaczy; zdefiniuj punkt izoelektryczny. Wskaż Wska formę, w której aminokwas tenn występuje wystę przy pH=11 i pH=2. „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 8. Napisz reakcję kondensacji cysteiny z seryną seryn prowadzącą do powstania dipeptydu Cys-Ser. Ser. W otrzymanym produkcie wskaż wska wiązanie zanie peptydowe oraz aminokwas N-końcowy i C-końcowy. ńcowy. 8. Poniżej ej przedstawiono wzór glutationu – tripeptydu występują ępującego w żywych komórkach. Napisz reakcję reakcj hydrolizy tego związku w środowisku rodowisku kwaśnym. kwa O O H2N CH C CH2 CH2 C NH CH C NH CH2 COOH C COOH CH2SH 9. Co decyduje o przynależności przynale ci aminokwasów do szeregu D lub L? Które z tych aminokwasów budująą białka? 10. Jakie produkty powstaną w wyniku reakcji treoniny z: a) HCl b) KOH c) alkoholem etylowym w środowisku kwaśnym d) kwasem benzoesowym w środowisku kwaśnym 11. Narysuj wzory łańcuchowe ńcuchowe Fischera: aldehydu D-glicerynowego, D glicerynowego, D-rybozy, D D-glukozy, D-fruktozy fruktozy i D-galaktozy D oraz ich formy L. 12. Narysuj wzory pierścieniowe Hawortha: α-D-glukopiranozy, glukopiranozy, β-D-fruktofuranozy, β β-D-rybopiranozy, rybopiranozy, sacharozy. W cz steczce cząsteczce sacharozy wska wskaż i nazwij charakterystyczne dla dwudwu i polisacharydów wiązanie. 13. Napisz reakcję,, za pomocą pomoc której możesz odróżnić α-D-maltozęę od sacharozy. Podaj efekt wizualny; o jakich właściwościach wła świadczy wiadczy pozytywny wynik tej reakcji? „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 59 14. Na przykładzie glukozy narysuj przemianę przemian zwaną mutarotacją. mutarotacją Jakie zjawisko towarzyszy tej przemianie? Która z postaci glukozy wykazuje właściwości wła redukujące? 15. Napisz reakcję α-D-glukopiranozy glukopiranozy z metanolem w środowisku dowisku kwaśnym. kwaś Czy produkt tej reakcji posiada właściwości wła redukujące? ce? Czy ulega mutarotacji? Odpowiedź Odpowied uzasadnij. 16. Narysuj fragment cząsteczki ąsteczki skrobi i celulozy. Wskaż Wska i nazwij charakterystyczne dla tych polisacharydów wiązania. wią „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 60 5 Ćwiczenie 5. 5.1 Typy reakcji organicznych. Reakcja podstawienia (substytucji): następuje zastąpienie pienie jednej grupy lub pierwiastka połączonego czonego z atomem węgla w wiązaniem zaniem pojedynczym przez inna grupę lub pierwiastek. Przykład: Substytucja wolnorodnikowa: podstawienie atomu mu wodoru lub innego atomu przy udziale wolnych rodników. Cl Cl2, hν + HCl Substytucja nukleofilowa: podstawienie atomu lub grupy atomów przez czynnik nukleofilowy. KOH CH3 CH2 CH2 CH2 Cl CH3 CH2 CH2 CH2 OH H2O Substytucja elektrofilowa: podstawienie atomu lub grupy atomów przez czynnik elektrofilowy. HNO3, H2SO4 NO2 „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 61 Nukleofil to atom lub grupa atomów posiadająca wolną parę elektronów. Elektrofil to atom lub grupa atomów z deficytem elektronów. Reakcja przyłączenia czenia (addycji): przyłączenie dwóch podstawników do wiązania podwójnego z równoczesnym rozerwaniem go i utworzeniem dwóch nowych wiązań pojedynczych. Przykład: Addycja elektrofilowa: HBr H2C CH CH3 H3C CH H CH3 Br Reakcja eliminacji: następuje odczepienie dwóch podstawników i utworzenie utw wiązania podwójnego między atomami węgla. CH3 H3 C C CH3 OH H CH H3 + - H2 O H3 C C CH2 Reakcja przegrupowania: przemieszczenie grupy atomów lub pojedynczego atomu w inne miejsce cząsteczki tworząc izomeryczny produkt. CH3 CH3 C C CH3 CH CH3OH O H + - H2O H3C CH3 C H3C C CH3 Reakcja polimeryzacji: w reakcji następuje rozerwanie wiązań podwójnych lub nietrwałego pierścienia związku małocząsteczkowego (monomery), które prowadzi do otrzymania produktu wielkocząsteczkowego (polimeru). „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 62 5.2 Zadania. 1. Napisz po jednym przykładzie reakcji: a) substytucji d) redukcji b) eliminacji f) utlenienia c) addycji g) hydrolizy 2. Zapisz równania reakcji przedstawionych na schemacie. Określ typ każdej reakcji. a) CaC2 A b) 1-chloropropan c) etan H2 H2O Ni KOH/H2O Cl2, hv A Cl2 B A Zn C Al2O3 B NaOH/C2H5OH D polimeryzacja C H2O B C 3. Napisz reakcje: dichloropropanu z cynkiem a) 1,2-dichloropropanu b) kwasu butanowego z etanolem w środowisku kwaśnym c) bromowania toluenu w obecności FeBr3 Które z powyższych reakcji przedstawiają reakcję substytucji a które eliminacji? 4. Otrzymaj aceton z propanolu w 55-etapowej syntezie dokonując kolejno reakcji: re redukcji, eliminacji, addycji, substytucji i utlenienia. Zapisz wszystkie reakcje i wzory produktów pośrednich. rednich. 5. Podaj nazwę poniższej ższej reakcji: CnH2n+2 + Br2 hv CnH2n+1Br + HBr „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 63 6. Podaj po dwa przykłady reakcji zobojętniania zoboj tniania oraz reakcji polimeryzacji w chemii ch organicznej. ne przykłady reakcji substytucji i eliminacji w chemii organicznej. 7. Podaj dwa różne 8. Podaj przykłady, w których cząsteczka cz steczka chloru bierze udział w reakcjach: a) addycji elektrofilowej b) substytucji elektrofilowej c) substytucji wolnorodnikowej 9. Napisz reakcje, w których toluen ulega: a) substytucji wolnorodnikowej b) substytucji elektrofilowej c) addycji śl typ tych reakcji: 10. Napisz reakcje i określ a) nitrowania benzenu b) dehydratacji butan-22-olu w środowisku kwaśnym c) 1-jodopropanu jodopropanu z KOH w etanolu d) wody ze styrenem (winylobenzenem) w środowisku kwaśnym 11. Napisz reakcje hydrolizy: a) tripalmitynianu gliceryny w środowisku kwaśnym b) laktozy c) dowolnego dipeptydu 12. Uzupełnij schemat; wskaż wska reakcję substytucji ji nukleofilowej i wolnorodnikowej. Br2 A Cl2, hv Na B C KOH/H2O D heksan-1-ol „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 64 13. Po uzupełnieniu schematu wskaż wska reakcję dekarboksylacji oraz addycji elektrofilowej. NaOH A propionian sodu Br2, hv KOH/EtOH B ogrzewanie C H2O D 14. Podaj przykład reakcji utlenienia: a) alkenu b) aldehydu c) alkoholu 15. Uzupełnij schemat, wskaż wska reakcję będącą przykładem reakcji kondensacji w chemii organicznej. HBr B OH - CH3CH2OH H+ A H2O C K2Cr2O7 F Cu2+ D E „Program Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu dotyczący dotycz zwiększenia kszenia liczby absolwentów kierunków przyrodniczo-technicznych technicznych o kluczowym znaczeniu dla gospodarki opartej na wiedzy” Projekt realizowany w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. 65
Podobne dokumenty
MATERIAŁY DYDAKTYCZNE CHEMIA cz.2
poniższa zależność: F2 Cl2 Br2 I2. W węglowodorach o większej liczbie węgli atom chlorowca może przyłączyć się do dowolnego węgla, powstaje więc wiele izomerów, np.:
Bardziej szczegółowo