pdf - wykÅ‚ad_05_kla.. - chemia.odlew.agh.edu.pl

Transkrypt

19/12/2014
http://scholaris.pl/
http://www.youtube.com/
http://wikipedia.com/
Początki chemii organicznej
1816 r., Michel Eugène Chevreul
1828 r., F. Wöhler – jako pierwszy otrzymał związek
organiczny – mocznik z substancji nieorganicznej
(amoniak), w procesie współcześnie nazywanym syntezą
Wöhlera
N
H
C
N
O
4
N
H
2
CO
N
H
2
możliwość powstawania związków organicznych bez udziału tzw. siły życiowej vis vitalis
1
19/12/2014
Początki chemii organicznej
1856 - William Henry Perkin – barwnik organiczny,
purpura Perkina (muweina)
 1874 - Othmer Zeidler – owadobójczy środek DDT
(dichlorodifenylotrichloroetan)
Chemia organiczna
chemia organiczna = chemia związków węgla
dziedzina chemii zajmująca się badaniem budowy, właściwości
fizycznych i chemicznych, struktury i reakcji związków chemicznych
zawierających węgiel, a także opracowywaniem różnorodnych metod
syntezy tych połączeń
10 000 000 znanych związków organicznych
związki organiczne – wszystkie związki chemiczne, w skład których
wchodzi C (za wyjątkiem: tlenków węgla, kwasu węglowego,
węglanów, wodorowęglanów, węglików, cyjanowodoru, cyjanków,
kwasu cyjanowego, piorunowego i izocyjanowego, a także ich soli)
2
19/12/2014
związki organiczne zawierać mogą atomy innych pierwiastków, takich
jak: wodór, tlen, azot, fosfor, krzem oraz siarka
Węgiel
 niemetal
 ciało stałe
 organizmy żywe
 czysty
pierwiastek:
diament, grafit,
fulereny i grafen
3
19/12/2014
Wiązania chemiczne
stan podstawowy
2s
C: 
2p
 
stan wzbudzony
2s
*
C: 
2p
  
węgiel we wszystkich związkach organicznych jest czterowartościowy
hybrydyzacja
Hybrydyzacja
z
sp3
sp3
sp3
y
x
sp3
płaszczyzna
xy
4
19/12/2014
wiązanie pojedyncze
metan, CH4
wiązanie podwójne
eten, CH2=CH2
wiązanie 
utworzone przez
sp2 –s nakładanie
wiązanie 
wiązanie 
wiązanie 
wiązanie  utworzone
przez
sp2 –sp2 nakładanie
wiązanie 
wiązanie potrójne
etyn, CHCH
przez
sp –s nakładanie
przez
sp –sp nakładanie
5
19/12/2014
Wiązania chemiczne
O
O
140 kJ/mol
Si
Si
226 kJ/mol
C
C
348 kJ/mol
wysoka stabilność
N
N
160 kJ/mol
wiązanie
długość
(pm)
energia
(kJ/mol)
H–H
H–O
H–F
H–Cl
C–H
C–C
C=C
C≡C
C–N
C–O
C–F
C–Cl
N–H
N–N
N≡N
O–O
O=O
F–F
Cl–Cl
Br–H
Br–Br
74
96
92
127
109
154
134
120
147
143
134
177
101
141
110
145
121
142
199
141
228
436
366
568
432
413
348
614
839
308
360
488
330
391
160
945
140
498
158
243
366
193
Wiązania chemiczne
łańcuch prosty
łańcuch rozgałęziony
węgiel może tworzyć
łańcuchy otwarte i zamknięte
wiązania pojedyncze
wiązania wielokrotne
6
19/12/2014
Wiązania chemiczne
sposoby przedstawiania wzorów przestrzennych
Wiązania chemiczne
sposoby przedstawiania wzorów przestrzennych
7
19/12/2014
Wiązania chemiczne
wiązanie chemiczne zdelokalizowane
Pozostałe symbole
strzałka wskazująca kierunek przemiany
stosowana w zapisie większości schematów
reakcji chemicznych
8
19/12/2014
Pozostałe symbole
strzałka wskazująca
 na wyraźnie odwracalny charakter reakcji
strzałka stanu równowagi dynamicznej
tautomeria keto-enolowa
Pozostałe symbole
9
19/12/2014
Pozostałe symbole
strzałka „mezomeryczna”
stosowana przy rysowaniu struktur granicznych
Pozostałe symbole
strzałki oznaczające przesunięcie/przeniesienie elektronu
10
19/12/2014
Pozostałe symbole
strzałki oznaczająca pozorne przesunięcie
par elektronowych
Pozostałe symbole
ładunki formalne, rodniki, pary elektronowe
niesparowany elektron, używany do oznaczania rodników
para elektronowa (wolna para elektronowa)
dodatni ładunek formalny atomu, ładunek jonu
ujemny ładunek formalny atomu, ładunek jonu
11
19/12/2014
Zasady zapisu wzorów chemicznych Lewisa
1. dla każdego indywiduum chemicznego posiadającego elektrony
zlokalizowane można napisać wzór elektronowy zwany strukturą Lewisa
obrazujący położenie tych elektronów (przedstawia się jedynie elektrony
walencyjne)
2. całkowita liczba elektronów walencyjnych w cząsteczce i rodniku, musi
być równa sumie wszystkich elektronów, znajdujących się na powłokach
zewnętrznych, dostarczonych cząsteczce przez poszczególne atomy
3. w przypadku anionów liczbę elektronów powiększa się odpowiednio o
ładunek jonu, natomiast w przypadku kationów liczbę elektronów
odpowiednio zmniejsza się
12
19/12/2014
4. należy ustalić, które z elektronów znajdują się w wiązaniach kowalencyjnych,
a które pozostają elektronami niewiążącymi
5. elektrony niewiążące stanowią część powłoki walencyjnej tylko jednego
atomu, natomiast elektrony w wiązaniach kowalencyjnych stanowią część
powłok walencyjnych obydwu atomów tworzących wiązanie
B
C
N
O F
6. atomy drugiego okresu mogą mieć najwyżej osiem elektronów walencyjnych
H
7. wodór, należący do pierwszego okresu, może mieć co najwyżej dwa elektrony
walencyjne
13
19/12/2014
8. jeżeli istnieje wybór między strukturami z sześcioma lub siedmioma
elektronami w sferze walencyjnej pierwiastka z drugiego okresu, a strukturą z
oktetem elektronowym, to ta druga, na ogół, odpowiada strukturze
rzeczywistej
wyjątek!
tlen w stanie
trypletowym
tlen w stanie
singletowym
Rodzaje wiązań chemicznych
H
elektroujemność – zdolność atomów pierwiastka do
przyciągania elektronów (* w skali Paulinga)
2,2
Li
B
C
N
O
F
1,0
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
Na
0,9
wiązanie kowalencyjne – różnica elektroujemności atomów 0 – 0,4*
parametry wiązania kowalencyjnego: długość, energia, polarność
wiązanie kowalencyjne spolaryzowane – różnica elektroujemności
atomów 0,4 -1,7
cząsteczka jest dipolem elektrycznym; cząsteczka jest polarna;
miarą polarności cząsteczki jest jej moment dipolowy
moment dipolowy = ładunek  odległość miedzy środkami
ładunków dodatniego i ujemnego
1D = 3,338  10-30 [Cm]
wiązanie jonowe - różnica elektroujemności atomów >1,7
14
19/12/2014
Oddziaływania międzycząsteczkowe
• dotyczą cząsteczek
typu
posiadających trwały moment
dipol-dipol dipolowy
• występuję pomiędzy atomami
wiązania posiadającymi cząstkowy
wodorowe ładunek dodatni, a centrami
nukleofilowymi
siły van • występują między cząsteczkami nie
posiadającymi trwałego momentu
der
dipolowego
Waalsa
Podział związków organicznych
peptydy
białka
węglowodany
kwasy
nukleinowe
aminokwasy
związki organiczne
pochodne
węglowodorów
węglowodory
alkany
alkeny
alkiny
aldehydy
areny
związki
karbonylowe
ketony
estry
alkohole
halogeno
węglowodory
aminy
kwasy karboksylowe
tłuszcze
woski
15
19/12/2014
Węglowodory
węglowodory
alkany
CnH2n+2
nasycone (parafiny)
(łańcuchowe i
cykliczne) zawierające
tylko wiązania
pojedyncze 
alkeny
CnH2n
związki zbudowane
wyłącznie z węgla i wodoru
alkiny
CnH2n-2
areny
nienasycone (łańcuchowe i
cykliczne) zawierające
wiązania wielokrotne
aromatyczne
benzen,
wielopierścieniowe
analogi benzenu
szereg homologiczny - szereg tego samego typu związków organicznych (np.: alkoholi,
alkanów...), o podobnych właściwościach chemicznych, których cząsteczki różnią się między
sobą o stałą grupę metylenową (-CH2-); człony szeregu nazywamy HOMOLOGAMI
Alkany
CH 4
CH3CH3
CH3CH2CH3
CH3CH2CH2CH3
CH4
metan
C2H6
etan
C3H8
propan
C4H10
butan
16
19/12/2014
Nazewnictwo alkanów
II rzędowy atom C
o
(2 ) charakteryzuje się tym, że
posiada jako podstawniki dwie inne grupy połączone
poprzez atom węgla (np. atom C-2 w cząsteczce propanu)
I rzędowy atom C
(1o) posiada jako
podstawnik tylko jedną grupę inną niż atom
wodoru
C
H
3
C
H
C
H
C
H
C
H
C
H
C
H
C
H
C
H
3
2
2
2
3
C
H
C
H
C
H
H
H
3 C
2 2 C
3
III rzędowy atom C
(1o) posiada jako podstawnik
trzy grupy inne niż atom H
C
H
3
 znajdź najdłuższy łańcuch i ponumeruj atomy węgla zaczynając od końca z
większą ilością podstawników: 9 węgli - nonan
 znajdź wszystkie podstawniki i podaj numery atomów węgla, do których są
doczepione: 2-metylo, 5-(1,2-dimetylopropylo)
 uszereguj podstawniki w porządku alfabetycznym:
5-(1,2-dimetylopropylo) 2-metylononan
Izomeria strukturalna (konstytucyjna)
ten sam wzór ogólny - różne struktury
C5H12
występowanie różnych związków chemicznych o jednakowym wzorze
sumarycznym; cząsteczki izomerów posiadają odmienną strukturę (wzory
strukturalne) i odmienne własności fizyczne i chemiczne
C
H
C
H
C
H
C
H
C
H
2
2
3
2
3
pentan
CH3CHCH2CH3
CH3
2-metylobutan
CH3
CH3 C CH3
CH3
2,2-dimetylopropan
17
19/12/2014
Izomeria optyczna
chiralność
–
cecha
cząsteczek
chemicznych przejawiająca się w tym, że
cząsteczka wyjściowa i jej odbicie lustrzane
nie są identyczne; nie można ich nałożyć na
siebie na drodze translacji i obrotu w
przestrzeni
cząsteczki chiralne występują w formie
dwóch
izomerów
optycznych
enancjomerów
prawoskrętnie
lewoskrętnie
Własności fizyczne
 nie są polarne, przyciągają się do siebie bardzo słabymi siłami van der Waalsa
 wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego n-alkanów zmieniają się ich
właściwości fizyczne:
 pierwsze cztery węglowodory (metan, etan, propan, butan) są gazami
 alkany zawierające w swej cząsteczce od 5 do 16 atomów węgla to ciecze
 wyższe alkany są ciałami stałymi
 są nierozpuszczalne w wodzie (brak polarności); rozpuszczają się w eterze,
benzenie i innych rozpuszczalnikach organicznych
 między sobą mieszają się bez ograniczeń
temp. topnienia i wrzenia
w °C dla pierwszych czternastu
alkanów prostych pod c. atm.
 temp. wrzenia wzrastają wraz ze wzrostem łańcucha węglowego
 najwyższe temp. topnienia i wrzenia mają węglowodory o łańcuchach prostych,
temperatury te maleją u węglowodorów z rozgałęzionymi łańcuchami
18
19/12/2014
Własności chemiczne
 są związkami biernymi chemicznie
 nie odbarwiają wody bromowej, nie są utleniane przez roztwór nadmanganianu
potasu
 niższe parafiny nie ulegają reakcji nitrowania, a wyższe podczas niej ulegają
degradacji
 są palne i w zależności od dostępu powietrza zachodzi:
 spalanie całkowite: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
 półspalanie: 2CH4 + O2 → 2CO + 4H2
 spalanie niecałkowite: CH4 + O2 → C + 2H2O
 wchodzą w reakcje z fluorowcami (reakcja podstawienia); reakcja przebiega
przy udziale energii świetlnej; jest to reakcja substytucji wolnorodnikowej:
Cl2 → Cl· + Cl·
CH4 + Cl· → CH3· + HCl
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
CH3· + Cl2 → CH3Cl + Cl·
CH3Cl + Cl2 → CH2Cl2 +HCl
 reakcja odwodornienia: R–CH2–CH2–R → R–CH=CH–R + H2
Destylacja frakcyjna ropy naftowej
benzyna
(C5–C12)
temp.
wrzenia 40–
200ºC
wieża destylacyjna
redestylator
gaz
ziemny
(C1–C4)
nafta (C13–
C16) temp.
wrzenia 200
– 250ºC
kondensator
zbiornik zwrotny
olej
opałowy
(C17–C18)
250 –
300ºC
destylacja
kaskadowa
(wielopoziomowa), w której
każdy stopień procesu jest
zasilany
produktem
(destylatem) poprzedniego;
rektyfikacja jest procesem
jednostkowym, w którym
mieszanina
ciekła
jest
rozdzielana na frakcje o
różnej (zwykle zbliżonej)
lotności
kolumny rektyfikacyjne –
zapewniają
adiabatyczne
warunki procesu
ropa naftowa
(olej skalny, czarne złoto) – ciekła kopalina, złożona z
mieszaniny naturalnych węglowodorów gazowych, ciekłych i
stałych (bituminów), z niewielkimi domieszkami azotu, tlenu,
siarki i zanieczyszczeń; podstawowe znaczenie jako surowiec
przemysłu chemicznego, a przede wszystkim jako jeden z
najważniejszych surowców energetycznych
 kolumny z płaszczem
chłodzącym lub grzejnym
albo kolumny strefowe, które
na pewnym odcinku są
ogrzewane a na innym
chłodzone
19
19/12/2014
Metan
 gaz błotny / gaz kopalniany
 w temp. pokojowej jest bezwonny i bezbarwny
gaz opałowy i surowiec do syntezy wielu innych
związków organicznych
struktura tetraedryczna
temp. krytyczna -82,6 °C pod ciśnieniem 4.6 MPa
(45 atm)
ciśnienie krytyczne 46,3 bar
wartość opałowa 11 954 kcal/kg = 50,05 MJ/kg
ciepło spalania 13 264 kcal/kg = 55,53 MJ/kg
mieszanina metanu z powietrzem w stężeniu
objętościowym 4,5–15% ma właściwości wybuchowe
 w mieszaninie o proporcji powyżej 15% pali się
płomieniowo
20
19/12/2014
Cykloalkany
cykloalkany - węglowodory, których atomy połączone są wyłącznie wiązania
kowalencyjnymi (atomowymi), tworząc zamknięty układ cykliczny należą do
szeregu homologicznego o ogólnym wzorze CnH2n, gdzie n ≥ 3
nazwy systematyczne tworzy się poprzez dodanie przedrostka „cyklo” do nazwy
systematycznej alkanu o tej samej liczbie at. C w cząsteczce
szereg homologiczny
cyklopropan, C3H6 – bezbarwny, cięższy od powietrza gaz o słodkawym zapachu;
bardzo łatwopalny, w kontakcie z tlenem tworzy silną mieszankę wybuchową;
stosowany w znieczuleniu ogólnym w anestezjologii
cyklobutan, C4H8 - cykliczny węglowodór, znajdujący zastosowanie jako
rozpuszczalnik organiczny; występuje naturalnie u bakterii przeprowadzających proces
anammox (Brocadia, Kuenenia, Scalindua)
 cyklopentan, C5H10 - rozpuszczalnik organiczny
21
19/12/2014
 cykloheksan, C5H10 - w temperaturze pokojowej jest to bezbarwna, łatwopalna ciecz,
bardzo
słabo
rozpuszczająca
się
w
wodzie.
Cykloheksan
jest
rozpuszczalnikiem olejów, tłuszczów, wosków i żywic
atomy wodoru w cykloheksanie nie są
równocenne (aksjalne i ekwatorialne)
konformacja krzesełkowa najtrwalsza
Izomeria
podstawnika - w cykloalkanach o co najmniej 4 at. C występuje izomeria
konstytucyjna (położenia podstawnika) – zamiast atomu (ów) wodoru może być
przyłączony jednowartościowy (jeden, dwa, itd.) podstawnik(i), np. grupa(y)
alkilowa(e)
1,2-dimetylocykloheksan
1,3-dimetylocykloheksan
 geometryczna cis - trans
cis-1,2-dichlorocyklopropan
trans-1,2-dichlorocyklopropan
22
19/12/2014
Alkeny (Olefiny)
H
H
C C
CH2 CH2
H
CH3
eten
1–propen
H
H
C C
H
H
C
CH3
H
1–buten
Alkeny (Olefiny)
1-buten
1-hexen
1-penten
1,3-butadien
2-penten
3-metylo-1,4-pentadien
23
19/12/2014
Izomeria geometryczna
ten sam wzór – różne własności chemiczne i fizyczne
CH3
CH3
CH3
H
H
H
H
CH3
trans-(E)-2-buten
cis-(Z)-2-buten
diastereoizomery to izomery konfiguracyjne (np.
izomery optyczne lub izomery E-Z), które nie pozostają
z sobą w relacji odbić lustrzanych, nie są to więc
enancjomery
wykazują różnice we właściwościach fizycznych
takich jak: temp. topnienia i wrzenia, rozpuszczalność,
moment dipolowy itd.; aktywność optyczna może być
podobna lub też skrajnie różna; w szczególnych
przypadkach (np. diastereoizomery cis-trans, forma
mezo) mogą nie wykazywać czynności optycznej
Reakcje alkenów
 spalanie całkowite: CH2= CH2 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O + energia
 utlenienie: CH2= CH2 →KMno4, OH-, H2O HO–CH2–CH2 –OH
 polimeryzacja: n CH2=CH2 → [–CH2–CH2–]n
 reakcja uwodornienia: R–CH=CH–R + H2 →kat R–CH2–CH2–R
 przyłączanie (addycja elektrofilowa): R1–CH=CH–R2 + A–B → R1–CH–n CH–R2
H X
H OSO3H
C C
H OH
H+
X X
H C C X
jedno podstawione
halogeno pochodne
H C C OSO3H
sulfozwiązki
H C C OH
alkohole
X C C X
dwu podstawione
halogeno pochodne
24
19/12/2014
Alkiny/alkyny
H C C H
H C C CH3
etyn
etin
acetylen
HC C C
H
H
2C
3
propyn
propin
CH3 C C CH3
but-1-yn
(1-butyn)
but-2-yn
(2-butyn)
Reakcje alkinów
 alkiny są bardziej reaktywne niż alkeny
 spalanie całkowite: CH2≡CH2 + 3/2O2 → 2CO2 + 2H2O + energia
 addycja (przyłączanie)
 halogenku X2
R–C≡CH + Br2 → R–CBr=CHBr
R–CBr=CHBr + Br2→ R–CBr2–CHBr2
 halogenowodoru HX
R–C≡CH + HBr → R–CBr=CH2
R–CBr=CH2 + HBr → R–CBr2–CH3
 wodoru H2 (redukcja)
R–C≡CH + 2 H2 → R–CH2–CH3 (na katalizatorze Pd/C aktywny)
 wody H2O
R–C≡CH + H2O → R–CO–CH3 (w obecności HgSO4 i H2SO4)
25
19/12/2014
Węglowodory aromatyczne
benzen
wązania sigma
sp2 hybrydyzacja
struktura płaska
długość wiązań 140 ppm
struktury Kekulego
(struktury
graniczne, izomery)
6 elektronów z orbitali p
tworzy, chmurę
elektronową
 stabilizacja
aromatyczna
hybryda rezonansowa
okrąg reprezentuje
6 elektronów krążących
po całej cząsteczce
zdelokalizowany
 elektronowy system
Związki aromatyczne
fenantren
antracen
naftalen
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
1,2–dimetylobenzen –meta
toluen
ortho-ksylen
(o–ksylen)
(metylobenzen)
O
Cl
chlorobenzen
NH2
anilina
C
CH
OH
kwas
benzoesowy
styren
CH3
CH3
–para
CH2
OH
C2H5
etylobenzen
O2N
fenol
CH3
NO2
NO2
2,4,6-trinitrotoluen (TNT)
26
19/12/2014
Związki hetero-aromatyczne
Związki aromatyczne
zaliczamy związki, których właściwości są podobne do właściwości benzenu
związki pierścieniowe (pierścienie pięcio-, sześcio- i siedmioczłonowe)
cząsteczki mają budowę płaską (lub prawie płaską)
cząsteczki zawierają chmurę zdelokalizowanych elektronów  poniżej i
powyżej płaszczyzny pierścienia
 zdelokalizowane elektrony tworzą układ wiązań sprzężonych
 liczba zdelokalizowanych elektronów musi spełniać regułę Hückla
 są zdolne do indukowania, w zewnętrznym polu magnetycznycznym,
diamagnetycznego prądu w pierścieniu
ulegają reakcji elektrofilowej substytucji aromatycznej
27
19/12/2014
Reakcje węglowodorów aromatycznych
SEAr
substytucja elektrofilowa – reakcja substytucji zachodzącej dla związków
aromatycznych, w której czynnikiem atakującym jest elektrofil (cząsteczka lub grupa, w
której występuje niedomiar elektronów i w odpowiednich warunkach jest w stanie je przyjąć, czyli być
ich akceptorem). Substytucja elektrofilowa jest oznaczana symbolem SE:
nitrowanie
sulfonowanie
halogenowanie
alkilowanie Friedla – Craftsa
acylowanie Friedla – Craftsa
talowanie
nitrozowanie
sprzęganie z solami diazoniowymi
reakcja Kolbego
reakcja Reimera - Tiemanna
Aromatyczne podstawienie elektrofilowe –
wpływ podstawników
20 – 30 min.
1 - 2 min.
p62%
o32%
m6%
28
19/12/2014
szybciej
wolniej
p1%
m93%
o6%
Klasyfikacja podstawników
podstawniki
dezaktywujące
kierują w pozycję
o- i p-
kierują w pozycję m-
aktywujące
kierują w pozycję
o- i p-
29
19/12/2014
Grupy funkcyjne węglowodorów
grupy funkcyjne
C, H, O
alkohole
 ethery
 aldehydy
 ketony
 kwasy karboksylowe
 estry
 węglowodany
C,H,O,N
 aminy
 amidy
 nitrozwiązki
C,H,O,N,S
 tiole
 tioetery
 tioalkohole
 siarczki
 sulfonamidy
Główne grupy funkcyjne
 określają typ związku organicznego i są identyfikowane w dwojaki
sposób, albo
 przyrostek (po): jeżeli jest to najważniejsza grupa funkcyjna w
cząsteczce
 przedrostek (przed): jeżeli nie jest to najważniejsza grupa funkcyjna w
cząsteczce
30
19/12/2014
Kwasy karboksylowe
d-
przyrostek : kwas …owy albo
kwas alkanokarboksylowy
dd+
CO 2H
CO 2H
kwas propanowy
kwas cykloheksylokarboksylowy
Kwasy karboksylowe
wzór
nazwa
zwyczajowa
nazwa systematyczna
Występowanie
HCOOH
kwas mrówkowy
kwas metanowy
żądła owadów
CH3COOH
kwas octowy
kwas etanowy
ocet winny
CH3CH2COOH
kwas
propioniowy
kwas propanowy
CH3(CH2)2COOH
kwas masłowy
kwas butanowy
CH3(CH2)3COOH
kwas
walerianowy
kwas pentanowy
CH3(CH2)10COOH
kwas laurowy
kwas dodekanowy
CH3(CH2)16COOH
kwas
stearynowy
kwas oktadekanowy
zjełczałe masło
olejek kokosowy
31
19/12/2014
OH
C
O
O
C
CH 3
O
COOH
OH
aspirina
kwas salicylowy
Fizyczne własności kwasów karboksylowych
 polarne, tworzą aglomeraty połączone wiązaniami wodorowymi
dla kwasów od C1 do C4 rozpuszczalne w H2O, dla > C4
rozpuszczalne
ze
względu
na
hydrofobowe
własności
słabo
łańcucha
węglowego
 nienasycone, długołańcuchowe – kwasy tłuszczowe
 rozpuszczalne w eterach i alkoholach
32
19/12/2014
Reakcje kwasów karboksylowych
zobojętnianie
O
O
+N
+HO
C
H
C
a
O
H
C
H
C
2
3
3
O
H
O
N
a
estryfikacja
O
O
+
+H
C
H
C
H
O
H
O
C
H
C
C
H
C
3 2
2
3
3
O
O
H
C
H
C
H
2
3
redukcja do aldehydów i ketonów
Estry
d-
przyrostek : ...-an albo
alkilo(arylo)karboksylan alkilu (alkilowy)
d-
d+
kwasowa alkoholowa reszta
CO 2CH
3
CO 2 CH3
propionian metylu
cykloheksylokarboksylan metylu
33
19/12/2014
Estry
triester (trigiceryd) - kwasy linolowy, alphalinolowy i olejowy
Fizyczne własności estrów
 rozpuszczalne w wodzie nieco gorzej niż kwasy, od których
pochodzą
 większość posiada charakterystyczny zapach, stąd stosowane
jako sztuczne dodatki smakowe i zapachowe
34
19/12/2014
Reakcje estrów
hydroliza
CH3COOC2H5+ H2O  CH3COOH + C2H5OH

zmydlanie (saponifikacja) - jest reakcją zasadowej
(zazwyczaj przy użyciu NaOH) hydrolizy triglicerydów,
którymi są estry kwasów tłuszczowych (tłuszczów); w
wyniku
reakcji
powstaje
(podanym
przykładzie)
sól
sodowa
karboksylanu,
nazywana
mydłem,
oraz
glicerol;
substancjami
zmydlającymi się określa się te, które można przekształcić
w mydło
Aldehydy
d-
przyrostek : -al
przedrostek : okso-
d+
O
CHO
HO
propanal
CHO
kwas 4-oksobutanowy
35
19/12/2014
Ketony
d+
przyrostek : -on
przedrostek : okso-
d
-
O
O
CO 2H
kwas 4-oksopentanowy
pentan-2-on
Aldehydy i ketony
O
O
H
C
H
formaldehyd (metanal,
aldehyd metylowy,
formalina)
CH3
C O
CH3
dimetyloketon
(propanon, aceton)
CH3
C
H
aldehyd octowy
(etanal)
CH3CH2
C O
CH3
metyloetylo keton
(butanon)
O
C
H
benzaldehyd
(aldehyd benzoesowy)
O
C
CH3
acetofenon
(1-fenyletanone)
36
19/12/2014
Aldehydy
aldehyd cynamonowy (cynamal)
witamina pyridoxal
pigment wzrokowy
retinal
glukoza
Ketony
nylon 6,6
tetracyklina –
antybiotyk o
szerokim spektrum
przeciwbakteryjnym
testosteron –
hormon męski
muskon – występuje w
naturalnym piżmie
estron –
hormon żeński
37
19/12/2014
 aldehydy: wodny roztwór formaldehydu używany jest do dezynfekcji
 formaldehyd w polikondensacji z
tworzy żywice
fenolem, mocznikiem lub melaminą
 acetofenon: rozpuszczalnik celulozy w przemyśle żywic rozpuszczalnych
w alkoholach
 ketony: stosowane w przemyśle perfumeryjnym i farbiarskim
 rozpuszczalniki i substraty w przemyśle chemicznym
 tautomeria keto-enolowa:
Reakcje aldehydów i ketonów
 utlenianie
R
CH2OH
[O]
R C
O [O]
O
R C
H
OH
 redukcja
O [H
]
R C
H
R
1
[H
]
CO
R
2
R C
H
O
H
2
R
1
C
HO
H
R
2
38
19/12/2014
Chlorki kwasowe
d-
przyrostek : halogenek -oilowy lub
halogenek karbonylowy
dd+
COCl
COCl
chlorek cycloheksanokarbonylowy
chlorek propanoilowy
Amidy (kwasowe)
dd-
przyrostki : -amid lub -karboksamid
d+
CONH 2
CONH 2
propanamid
cycloheksanokarboksamid
39
19/12/2014
Alkohole
d-
d+
d+
przyrostek : -ol
przedrostek : hydroksy-
OH
OHC
cycloheksanol
OH
3-hydroksypropanal
Alkohole
CH3OH
CH3CH2OH
metanol,
alkohol metylowy
alkohol etylowy (etanol)
CH3CH2CH2OH
propan-1-ol
C2H5OH
CH3
CHOH
CH3
propan-2-ol
(izopropanol)
40
19/12/2014
retinol (witamina A)
cholesterol
Polialkohole
CH2CH2
CH3CH2CH2
OH OH
OH OH
etano-1,2-diol
(glikol etylenowy)
propano-1,2-diol
(glikol propylenowy)
CH2 OH
CH OH
propano-1,2,3-triol
(gliceryna)
CH2 OH
41
19/12/2014
Fenole Ar-OH
OH
OH
OH
OH
CH3
CH3
CH3
ortho–kresol
meta–kresol
para–kresol
(obecne w dymie tytoniowym; mają silne działanie rakotwórcze)
otrzymywany jest przez destylację np. ropy naftowej
fenol
bisfenol A (stosowany do produkcji tworzyw sztucznych)
BHT
konserwant
żywności
estradiol
hormon płciowy
kapsaicyna
substancja aktywna chili
serotonina
neurotransmiter
42
19/12/2014
Fizyczne własności alkoholi
 R=C1 to C4 rozpuszczalne w H2O, R>C4 coraz mniej rozpuszczalne
 kwasowe, polarne rozpuszczalniki
metanol: rozpuszczalnik farb, paliwo
wysokotoksyczny – powoduje ślepotę
samochodów
wyścigowych,
etanol: alkohol spożywczy, rozpuszczalnik leków, perfum, olejków
zapachowych, antyseptyczny
 glikole: trujące, stosowane w syntezie polimerów, rozpuszczalniki
barwników, antybakteryjne, składniki odmrażaczy w samochodach
 fenol: toksyczne, bezwonne ciało stałe, antyseptyczny, stosowany w
produkcji leków (aspiryny) i syntetycznych żywic (bakelit)
ze wzrostem wielkości cząsteczki wzrasta temperatura wrzenia alkoholi
rozpuszczalność i lotność alkoholi maleje szybko wraz ze wzrostem
masy cząsteczkowej
Reakcje alkoholi
odwodnienie
H SO ,Q
4
R  CH2  CH2  OH 2 
R  CH  CH2  H2O
 tworzenie alkoholanów i soli
2R  CH2  CH2  OH  2Na  2R  CH2  CH2  ONa  H2
O
H
C
H
2
+
3
H
O
N
O
C
H
O
H
2
O
N
O
C
H
2
2
C
H
O
N
O
3
H
O
2+
2
O
H
C
H
2
O
N
O
C
H
2
2
nitrogliceryna
43
19/12/2014
 utlenienie
[
O
]
RC
H
O
H
2
alkohole pierwszorzędowe
O
O
[
O
]
RC
RC
H
O
H
aldehyd
R
1
[O
]
C
HO
H
R
2
alkohole drugorzędowe
kwas karboksylowy
R
1
CO keton
R
2
 estryfikacja
O
R
R
+
O
H
C
2
1
O
H
O
+
R
H
O
C
2
2
O
R
1
Aminy
przyrostek : -amina
przedrostek : aminodd+
d+
d+
NH 2
O
NH 2
cycloheksylamina
4-aminobutan-2-on
44
19/12/2014
CH3NH2
NH2CH2NH2
CH3NHCH3
metyloamina
metylodiamina
dimetyloamina
to trujący, bezbarwny, łatwopalny gaz o nieprzyjemnym
zapachu (amoniaku i psujących się ryb); zastosowania
w syntezie barwników i garbników, w preparatyce
farmaceutycznej
i
syntezie
chemicznej
(do
produkcji pestycydów, surfaktantów i przyspieszaczy).
W postaci skroplonej stosowana jako rozpuszczalnik
NH2
NH2
NH2
heksametylenodiamina
(nylon 6)
anilina
(benzoamina)
w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym, barwnikarskim,
gumowym;
przy wytwarzaniu materiałów wybuchowych, jako paliwo
rakietowe
Fizyczne własności amin
 metylo-, dimetylo-, trimetylo- oraz etyloamina – gazy w warunkach
normalnych, dietyloamina i trietyloamina - ciecze, wyższe aminy –
ciała stałe
 gazowe aminy posiadają charakterystyczny zapach amoniakalny,
ciekłe aminy posiadają „rybi” zapach
 większość amin alifatycznych wykazuje rozpuszczalność w wodzie
malejącą ze wzrostem liczby atomów węgla w łańcuchu
 aminy alifatyczne wykazują
rozpuszczalnikach organicznych
rozpuszczalność
w
polarnych
45
19/12/2014
Etery
dd+
d+
przedrostek : alkoksy- lub eter
OCH 3
O
OCH 3
eter dietylowy
o-dimetoksybenzen
Etery
CH3–O–CH3
dimetyloeter
gaz pędny w sprayach aerozolowych
w
mieszaninie
z
propanem
do
usuwania brodawek metodą kriogeniczną
paliwo alternatywne dla LPG, LNG, benzyny i oleju
napędowego;
produkowany
z
gazu
ziemnego, węgla lub biomasy
CH3–CH2–O–CH2–CH3
CH3–O–CH2CH3
dietyloeter
metyloetyloeter
O
O
tetrahydrofuran
uniwersalny rozpuszczalnik organiczny
oksantren
dioksyna
46
19/12/2014
Główne grupy funkcyjne
grupa funkcyjna
przyrostek
przedrostek
RCO2H
kwas ....owy
karboksy
RCO2R
…. an
alkoksykarbonylo
RCOX
chlorek …owy
halokarbonylo
RCONH2
amid
amido
RCHO
al
okso
R2CO
on
okso
ROH
ol
hydroksy
RNH2
amina
amino
Etery koronowe
12-korona-4, 15-korona-5, 18-korona-6, korona-18-korona-6 i diaza-18-korona-6
47
19/12/2014
Etery koronowe
kryptandy i sferandy
heksabenzo[18]korona[6]
kompleks kryptandu [2.2.2] z kationem
potasu
Właściwości eterów koronowych
• rozpuszczają się w niemal wszystkich znanych rozpuszczalnikach
• są doskonałymi ligandami dla wielu jonów
• są bardzo selektywnymi ligandami – zmieniając rozmiar i topologię ich układów
cyklicznych, można otrzymywać związki, które wiążą ściśle określone jony, np.
wyłącznieK+ lub wyłącznie Mg2+, ze ściśle określoną "siłą„
• w przypadku kryptandów i sferandów, skompleksowany jon staje się "niewidzialny" dla
innych cząsteczek, gdyż jest otoczony ze wszystkich stron przez ligand
 dimetyloeter i etylometyloeter – gazy, wyższe etery - ciecze
 niektóre etery mają własności narkotyczne, usypiające i przeciwbólowe
 narkotyki, wywołują efekt spania, środki przeciw bólowe
 stosuje się je do:
•
przyspieszania reakcji chemicznych z udziałem jonów
•
selektywnego "transportu" jonów z fazy wodnej do organicznej
•
do "ukrywania" określonych jonów w środowisku reakcji
•
do oczyszczania wody z toksycznych jonów metali ciężkich
•
do modelowania zjawisk selektywnego transportu jonów przez błony komórkowe
 dioksyny – bardzo toksyczne
48
19/12/2014
Węglowodany Cn(H2O)n
cukry, cukrowce, sacharydy
 składają się z atomów C, H i O w stosunku H:O = 2:1
 zawierają liczne grupy hydroksylowe, karbonylowe oraz czasami mostki
półacetalowe
 ogólnym wzorem sumarycznym węglowodanów jest CxH2yOy lub Cx(H2O)y
(znane są jednak węglowodany niespełniające tego wzoru, np. deoksyryboza).
 ze względu na liczbę jednostek cukrowych w cząsteczce, węglowodany dzielą
się na:
cukry proste, inaczej monosacharydy
oligosacharydy: disacharydy, trisacharydy, tetra-, penta-, heksa-,
hepta-, okta-, nona- i dekasacharydy
wielocukry czyli polisacharydy
Monosacharydy
D-ryboza
D-glukoza
D-fruktoza
49
19/12/2014
Di-, Polisacharydy
sacharoza
skrobia
(amyloza, amylopektyna)
celuloza
Fizyczne własności węglowodanów
węglowodany spełniają w organizmach następujące funkcje:
 są materiałem odżywczym (maltoza, laktoza, rafinoza)
i
energetycznym (fruktoza) – podczas wieloetapowego spalania 1 g
glukozy w komórkach wyzwala się 17,2 kJ energii (u roślin magazynem
energii jest głównie skrobia i inulina, a u zwierząt oraz ludzi glikogen)
 transportowa – u roślin transportową formą cukru jest sacharoza, a u
zwierząt oraz ludzi glukoza
 budulcowa (celuloza, hemiceluloza) - wchodzą w skład DNA i RNA,
stanowią modyfikację niektórych białek
 hamują krzepnięcie krwi – heparyna
50
19/12/2014
Kwasy nukleinowe
 kwasy nukleinowe – biopolimery zbudowane z
nukleotydów. Zostały odkryte w roku 1869 przez
Johanna Friedricha Mieschera
 znane są dwa podstawowe typy naturalnych kwasów
nukleinowych: kwasy deoksyrybonukleinowe (DNA) i
rybonukleinowe (RNA)
 komórki wszystkich organizmów na Ziemi zawierają
zarówno DNA i RNA, kwas nukleinowy znajduje się
także w wirionach wirusów, co jest podstawą ich
podziału na wirusy RNA i wirusy DNA
Organella:
1. jąderko
2. jądro komórkowe
3. rybosom
4. pęcherzyk
5. szorstkie retikulum endoplazmatyczne
6. aparat Golgiego
7. mikrotubule
8. gładkie retikulum endoplazmatyczne
9. mitochondrium
10. wakuola
11. cytozol
12. lizosom
51
19/12/2014
Kwasy nukleinowe
Monomer kwasu nukleinowego (nukleotyd) - składa się z nukleozydu czyli
cząsteczki pentozy (dla RNA rybozy, dla DNA deoksyrybozy), do której
przyłączona jest, przy pierwszym atomie węgla, wiązaniem N-glikozydowym
zasada azotowa (purynowa lub pirymidynowa) oraz z reszty fosforanowej,
(wiązanie fosfodiestrowe).
Zasadami są adenina, guanina, cytozyna oraz uracyl (w RNA) lub tymina (w
DNA).
Kwasy nukleinowe, wiązania fosfonodiestrowe
grupa fosforanowa łączy wiązaniami estrowymi pozycje 3'-O i 5'-O reszt
deoksyrybozy
liniowa jednoniciowa cząsteczka kwasu nukleinowego ma jeden koniec 5' i jeden 3’
dwuniciowa - dwa końce 5' (po jednym na każdej nici) i dwa końce 3’
cząsteczka kolista (obojętnie jedno- czy dwuniciowa) nie ma żadnych wolnych końców
 w pozycjach 1' przyłączone są przykładowe zasady heterocykliczne (adenina
i tymidyna)
DNA
RNA
52
19/12/2014
Kwasy nukleinowe
za koniec 3' uważa się ten spośród
skrajnych nukleotydów nici DNA lub
RNA, który z nukleotydem sąsiednim
łączy
się
wiązaniem
fosfodiestrowym
przez
piąty
atom węgla swojej pentozy, za to do
trzeciego węgla tej pentozy nie
przyłącza się już żaden inny nukleotyd
Aminokwasy
53
19/12/2014
ELEKTRYCZNIE POLARNE
NAŁADOWANE
NIEPOLARNE
Aminokwasy
kwaśne
zasadowe
Peptydy i białka
54
19/12/2014
Peptydy i białka
struktura
czwartorzędowa
struktura
drugorzędowa
struktura
trzeciorzędowa
-helisa
-kartka
struktura
pierwszorzędowa
Peptydy i białka
insulina
oksytocyna
lizozym
inhibitor subtilizyny
Streptomyces
55
19/12/2014
Tłuszcze
tłuszcze – zwyczajowa nazwa grupy lipidów, estrów glicerolu i kwasów
tłuszczowych, głównie triacylogliceroli
 reszty kwasowe występujące w cząsteczkach tłuszczów zawierają zwykle od 12 do 18 atomów węgla
 większość tłuszczów nie ma zapachu, jest nierozpuszczalna w wodzie i rozpuszczalnikach polarnych
oraz dobrze rozpuszczalna w rozpuszczalnikach niepolarnych
 są lżejsze od wody, odczyn tłuszczów jest obojętny. Ich stan skupienia zależy od tego, jakie reszty
kwasowe tworzą cząsteczkę
 tłuszcze stałe zawierają nasycone reszty kwasowe o długich łańcuchach węglowych, natomiast
tłuszcze ciekłe zawierają nienasycone reszty kwasowe (reszty, w których występują wiązania
podwójne) lub reszty kwasowe o krótkich łańcuchach węglowych; kwasy nienasycone występujące w
naturalnych tłuszczach są izomerami cis
 większość tłuszczów to estry mieszane, czyli takie, które w cząsteczce zawierają różne reszty
kwasowe
 tłuszcze naturalne zawsze są mieszaninami różnych estrów glicerolu. W temperaturze pokojowej
tłuszcze zwierzęce to zazwyczaj ciała stałe (wyjątkiem jest np. tran), tłuszcze roślinne są cieczami
(wyjątki to np. masło kakaowe i olej kokosowy)
nasycony mononasycony
polinasycony
56

pdf - wykÅ‚ad_05_kla.. - chemia.odlew.agh.edu.pl

Transkrypt

Podobne dokumenty