Materiały do zajęć dokształcających z chemii organicznej

Chemia Warta Poznania - nowa JAKOŚĆ studiowania
- zwiększenie liczby absolwentów oraz atrakcyjności studiów na kierunku CHEMIA
na Uniwersytecie im. A. Mickiewicza w Poznaniu
Materiały do zajęć dokształcających
z chemii organicznej
Zajęcia nr 1
1. Hybrydyzacja atomu węgla w głównych grupach funkcyjnych związków
organicznych
2. Kwasy i zasady
3. Elementy stereochemii podstawionych alkanów i cykloalkanów
1. Hybrydyzacja atomu węgla w
głównych grupach funkcyjnych
związków organicznych
Konfiguracja elektronowa atomu węgla
12
6
C
↑↓
↑↓
↑
↑
1s
2s
2p
2p
2p
Konfiguracja elektronowa atomu węgla
w stanie wzbudzonym
12
6
C
*
↑↓
↑
↑
↑
↑
1s
2s
2p
2p
2p
Hybrydyzacja
1s
2s
2p
2p
2p
2sp3
s + 3·p
CH4
3
sp
=
4·sp3
C2H6
109,5o
2sp3 2sp3
2sp3
Hybrydyzacja sp2
1s
2s
2p
2p
2p
2sp2
s + 2·p
=
BH3
120o
2sp2 2sp2
3·sp2
Hybrydyzacja sp
1s
2s
2p
2p
2p
s +p
BeH2
180o
2sp
=
2·sp
2sp
Główne grupy funkcyjne
PODSTAWOWE GRUPY ALKILOWE
grupa metylowa
CH3
H
grupa metylenowa
C
H H H H
H H H H H
C C C C H
C C C C C H
H H H H
H H H H H
grupa butylowa
grupa pentylowa
H H H H
H
H
H C C C C H
grupa metinowa
C
H
H H
grupa sec-butylowa
H
H
H
C C H
C
C
C H
grupa etylowa
HH C HH
H H H
C C C H
H H H
H
grupa propylowa
H C H
C H
H C H
H
grupa izopropylowa
grupa izobutylowa
H
H
H C
H
C
C H
HH C HH
H
H C
C
C H
HH C HH
H H
H H
H C H
H
H
grupa tert-butylowa
H
grupa neopentylowa
H
H
H
C
grupa cyklopropylowa
C H
C
H
(
)
H
C H
H
H
H
H
H
H
C C H
H
H H
(
H
H
H
H
C
)
H
C C
H
H
H
grupa izopropylidenowa
(
)
grupa benzylowa
C
C
C
H
H
H
H
C
H
H
(
)
(
)
C
C C
C
C
H
H
C
H
grupa benzylidenowa
C H
C H
C
C
H
H
C
H
grupa cyklopentylowa
H
H
H C
H C
H
C
H
C
C
)
)
H
H
H
(
C
C
H
C
C
grupa allilowa
(
)
C H
H
H
grupa fenylowa
C
C
)
(
C
C
C
H
grupa winylowa
H
C
H
(
C
H
grupa cyklobutylowa
C
H C
C
H
H
C
H
C
H
H
H
H
grupa cykloheksylowa
(
)
O
OH grupa hydroksylowa
SH
grupa tiolowa
grupa acylowa
R
O
grupa ketonowa
O
grupa karboksylowa
OH
O
O
grupa estrowa
OR
O
O
O
O
S OH grupa sulfonowa
O
O
S
CH3
O
grupa p- toluenosulfonowa
OCH3 grupa metoksylowa
OCH2CH3 grupa etoksylowa
O
cykliczny ester = lakton
O
grupa nitrowa
N
R = alkil lub aryl
O
NH2 grupa aminowa
H H
C H
grupa N,N-dimetyloaminowa
N
C H
H H
C N grupa nitrylowa (cyjanowa)
grupa aldehydowa (formylowa)
H
grupa amidowa
N H
NH2
cykliczny amid = laktam
O
R
O
O
R
bezwodnik kwasowy
O
Cl chlorek kwasowy
R
R
O
R eter
2. Kwasy i zasady
Kwasy i zasady
Brønsteda-Lowry’ego
H
H
H
H O
N H
H O
H
H
kwas
(słabszy)
zasada
(słabsza)
O
H
CH3C O
H O
zasada
(silniejsza)
kwas
(silniejszy)
O
CH3C O
H
kwas
(słabszy)
H N H
H
H O
H
zasada
(słabsza)
zasada
(silniejsza)
kwas
(silniejszy)
pKa
Sprzężona zasada
NH3
~35
NH2-
ROH
15-19
RO-
H2O
15,7
OH-
RSH
10-12
RS-
R3NH+
9-11
R3N
HCN
9.40
-CN
NH4+
9.25
NH3
H2S
7.0
HS-
RCOOH
4-5
RCOO-
HF
3.2
F-
CH3-C6H6-SO3H
-1
CH3-C6H6-SO3-
H3O+
-1.7
H2O
H2SO4
-3
HSO4-
HCl
-8-(-9)
Cl-
HClO4
-10
ClO4-
HCN + OH ¯
pKa=9.4
¯CN
+ H2O
pKa=15.7
Wzrastająca zasadowość
Wzrastająca kwasowość
Sprzężony kwas
Kwasy i zasady
Lewisa
F
F
F
B
NH3
F
B
F
F
kwas
O
zasada
O
O
O
+ Na
O
NH3
O
zasada
O
Na
O
kwas
O
O
Podział kwasów i zasad
Pearsona
kwasy
zasady
twarde
H , Na , K , Mg , Ca , Mn , Al , Cr , Co ,
Fe3+, As3+, Si4+, Ti4+, BF3, AlCl3, SO3, CO2, H2O
pośrednie
Fe2+, Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, Pb2+,
Sn2+, Sb3+, B(CH3)3, SO2, NO+, R3C+
miękkie
Cu+, Ag+, Au+, Pd2+, Cd2+, Pt2+,
BH3, GaCl3, I+, Br+, RO+, I2, Br2
+
+
+
R
2+
C
2+
2+
3+
3+
3+
OH-, F-, CH3COO-, Cl-, ROH, RO-, R2O,
NH3, RNH2, PO42-, CO3-, NO3-, SO42-
O
C6H5NH2, C5H5N, N3-, Br-, S2O32-
R2S, RSH, RS-, I-, SCN-, R3P, (RO)3P, CN-, CO
Podział kwasów i zasad
Pearsona
O
O
O
O
Na+
O
O
O
O
O
O
N
N
Na+
N
S
S
Ag
N
S
N
S
S
N
Ag
+
+
S
+
S
S
Fe2+
S
S
N
N
N
Fe2+
N
N
N
Ładunek cząstkowy a ładunek formalny
O 
H

NH2
H
H
C  C H
H
H

O

F

H
O
elektroujemn.
w skali Paulinga
F = 4,1
O = 3,5
C = 2,5
H = 2,2
Cl = 2,8
N = 3,1
B = 2,0

O

B
O
H
H
wzrost mocy kwasu
O
O
OH
OH
OH
OH
O
O
Cl
Cl
pKa= 2.84
Cl
pKa= 4.82
OH
pKa= 4.76
FCH2
O
O
O
O
H3C
pKa= 4.06
pKa= 4.52
OH
pKa= 2.66
F2CH
OH
pKa= 1.24
F3C
OH
pKa= 0.23
Zasadowość a nukleofilowość
O
O
C
C
Nu
H
H
nukleofil Nu
O
O
C
C
H
BH+
zasada
B
3. Elementy stereochemii
podstawionych alkanów
i cykloalkanów
Reguła Cahna-Ingolda-Preloga (CIP)
H
A.
Ustalamy priorytet atomów lub grup atomów
przyłączonych do centrum chiralności
B.
Ustawiamy (obracamy) tak cząsteczkę żeby podstawnik o
najniższym priorytecie (4) znajdował się jak najdalej od
nas i ustalamy kierunek obrotu zgodnie z wyznaczonym
priorytetem podstawników od 1-3.
C.
Jeżeli postępując zgodnie z priorytetem podstawników
wykonamy obrót zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek
zegara to konfigurację określamy jako (R), jeżeli
niezgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara to
konfigurację określamy jako (S).
H
H
C
metan
H
H3C
H3C
H
H
H
H3C
C
C
H
CH3
CH3
H
F
C
?
Reguły pierwszeństwa podstawników:
CH3
Br
3F
2.
Jeżeli nie można ustalić względnego pierwszeństwa dwóch
grup według pierwszego punktu nr. 1 to należy
przeprowadzić porównanie kolejnych atomów w tych
grupach (jeżeli nie przyniesie to wyniku to należy odsunąć
się jeszcze dalej od centrum chiralności). Oznacza to w
konsekwencji porównywanie kolejnych atomów w grupach
aż do momentu ustalenia pary atomów z których jeden ma
większą liczbę atomową lub masową niż drugi.
C
F
(S) - Sinster /lewy/
(R) - Rectus /prawy/
2
Cl
*
Jeżeli cztery atomy połączone z centrum chiralności są
różne to pierwszeństwo grup uzależnione jest od ich liczb
atomowych – im wyższa tym wyższy priotytet.Jeżeli dwa
atomy są izotopami tego samego pierwiastka to
pierwszeństwo ma atom o większej liczbie masowej.
H
Br
2
1.
H4
C
(S)
1
Br 1
(S)- bromochlorofluorometan
Br
Cl
*
H4
C
(R)
F3
(R)- bromochlorofluorometan
os obrotu
4
4
2
CH3
CH2CH3
*
CH3
3
3
CH2CH3
C
C
1
1
2
*
(S)
(S)-3-fenylo-3-metylopent-1-en
lub (w/g IUPAC)
obrót struktury bez zrywania wiazañ tak aby 4
byl najbardziej oddalony od nas
1-((S)-3-met ylopent-1-en-3-ylo)benzen
traktujemy jako
traktujemy jako
CH
C C
CH
H2C
C C
ENANCJOMERY – nienakładalne odbicia lustrzane
H
C2H5
* Br
CH3 (S)
(S)-2-bromobutan
H
C2H5
Br *
(R) CH
3
(R)-2-bromobutan
CH2Cl-CH2Cl
projekcja Newmanna
wzór koziolkowy
Cl
Cl
Cl
H
.
H
HH
H
H
H
H
rotacja
.
rotacja
H
H
H
ClH
H
projekcja Fischera
H
H
Cl
H
Cl
H
Cl
H
H
Cl
H
H
Cl
H
Cl
H
Cl
H
Cl
H
H
H
H
H
H
konformacja
antiperiplanarna
Cl
H
.
Cl
H
konformacja
synklinalna
"gauche"
konformacja
synperiplanarna
"eclipsed"
H
H
Cl
H
Cl
H
.
Cl
Cl
I
oddzialywanie 1-4 diaksjalne
jodocykloheksan
I
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
oddzialywanie 1-3 diaksjalne
Ha
He
Ha
He
He
He
Ha
Ha
a -pozycja aksjalna
e - pozycja ekwatorialna
Ha
He
He
Ha
He
Ha
Ia
Ha
Ie
He
Ha
He
He
He
Ha
Ha
I
kierunek obserwacji
jodocykloheksan
H
I
H
I
.
H
.
.
H
H
H
H
H
Ha
H
.
Ha
.
H
H
H
Ha
He
He
H
H
.
HH
H
H
H
H
He
H H
Ha
H
Ie
Ha
He
H
H
.
Ha
He
.
H
H
H
.
H
H
H
H
H
I
Cl
Cl
Cl
Cl
(R) czy (S) ?
Cl
Cl
Cl
Cl
(1?,3?)-dichlorocykloheksan
H
H
H
Cl
H
.
H
.
H
H
Cl
H
2
H
H
H
.
H
H
Cl
H
H
H
1
1
Cl
.
H
Cl
H
H
H
*
Cl
Cl
H4
*
(S)
2
*
4H
Cl
(R)
(S)
Cl
Cl
*
3
3
(S)
(R)
Brak izomerii geometrycznej
A
H
H
A
A H
CH3 B
A H
CH3 B
A
H
H A
A H
CH3 B
A H
CH3CH3 C
Izomeria geometryczna
B H3C
CH3 B
B H3C
A
H
A
A H
H
H A
CH2CH3 C
B H3C
B H3C
D
C
CH2CH3 D
B H3C
Z-
H A
CH2CH3 C
A H
E-
ZA H
CH3 B
trans-
cis-
A H
H A
B H3C
D
A H
E-
C
CH2CH3 D
Okreslamy priorytet podstawników w/g CIP !
CH2CH2CH3 2
1 F
2 H3CCH2
F
I
Z-
E-
D
2
Cl 1
(E)-3-fluoro-4-chlorohept-3-en
2
CH3 1
H
1
E-
1 Cl
2
1
Br 2
(Z)-1-bromo-1-jodo-2-chloro-2-fluoroeten
(E)-1-fenylo-2-deutero-prop-1-en
CH3
1 C3H7
2 H3C
E-
2
CH2Br 1
(E)-1-bromo-2,3-dimetylo-heks-2-en
Przykładowe zadania do zajęć nr 1
1. Z pośród podanych związków wybierz:
a) kwasy i zasady Brønsteda-Lowry’ego
b) kwasy i zasady Lewisa
Uzasadni wybór!
AlCl3
CH3OH
NH3
(CH3)3N
N3-
OH
COO-
CH3COOH
CH3OCH3
2. Napisz reakcje równowagowe i określ, w którą stronę będzie
przesunięta równowaga reakcji.
CH3COOH
+
NH3
H3O+
+
SH-
CH3COOH
+
NH2-
3. Wskaż i nazwij poszczególne grupy funkcyjne i określ hybrydyzację atomów węgla
HO
O
H
OH
OH
O
OH
O
O
NH
O
O
OH
O
O
4. Określ konfigurację
H
OH
F
H 3C
H5C2
F
Br
D
Cl
CN
H
H5C2
HS
CH3
Cl
CH3
C2H5
F
D
H
H
Br
I
H
Cl
Cl
OH
Br
C3H7
CH3
I
H
CN
5. Narysuj w najkorzystniejszej konformacji poniższe związki
w projekcji Newmana i koziołkowej
Cl
Br
I
HO