ORGANICKÁ CHEMIE I Kristýna Bürglová Katedra Organické Chemie ÚMTM (FN) [email protected] Konzultace kdykoli po domluvě na přednášce/emailem 1
ORGANICKÁ CHEMIE I
Kristýna Bürglová
Katedra Organické Chemie ÚMTM (FN)
Konzultace kdykoli po domluvě na přednášce/emailem
1
Přednášky & seminář: středa 8:45 – 11:14
2.001
Přednášky a semináře nebudou striktně rozděleny!
2
Podmínky pro úspěšné absolvování předmětu OC1
1. Kvalifikace pro písemné kolokvium OC1
• Student musí úspěšně absolvovat 2 plánované průběžné testy v rámci výuky
předmětu OC1 - minimální úspěšnost každého testu musí činit alespoň 60%
• Student má nárok na náhradní termín průběžného testu v případě, že byl
řádně omluven dle Studijního a zkušebního řádu Univerzity Palackého, či
jeho úspěšnost v řádném termínu byla nižší než 60%.
• Jednotlivé průběžné testy budou vycházet z probraného učiva předmětu
OC1. Opravné termíny na konci semestru budou obsahovat již celé učivo
předmětu OC1.
Test č.1: 29.3.2017
Test č.2: 3.5.2017
1. Opravný termín (souhrnný): zápočtový týden
2. Opravný termín (souhrnný): během zkouškového období
3
Podmínky pro úspěšné absolvování předmětu OC1
2. Písemné kolokvium OC1
• Právo účastnit se písemného kolokvia OC1 má ten student, který splnil
podmínky kvalifikace pro písemné kolokvium OC1 (viz bod 1).
• Před ukončením výuky předmětu OC1 budou v předstihu oznámeny termíny
písemného kolokvia OC1.
• Celkem bude vypsáno maximálně 7 termínů písemného kolokvia OC1
v období od druhé poloviny května až do začátku července.
• Pro úspěšné zakončení předmětu OC1 musí činit minimální úspěšnost
písemného kolokvia OC1 alespoň 70%.
• Student má maximálně celkem 3 pokusy formou písemného kolokvia. Každý
student má tedy k dispozici 1 řádný a 2 opravné termíny písemného
kolokvia OC1.
4
Literatura
Jan Slouka, Iveta Fryšová, Petr Cankař: Průvodce některými úvodními kapitolami organické chemie, 2010, Univerzita Palackého Olomouc, ISBN: 978-80-244-2542-9.
5
Literatura
• John McMurry: Organická chemie, 2007, VUT v Brně, ISBN: 978-80-214-3291-8/ Nakladatelství VUTIUM, VŠCHT Praha, ISBN:978-80-7080-637-1, přeloženo z anglického originálu John McMurry: Organic Chemistry, Sixth Edition, 2004, Brooks/Cole, a Thomson Learning Company, ISBN: 0534389996
6
Literatura
• Jonathan Clayden, Nick Greeves and Stuart Warren: Organic chemistry, 2012, second edition, ISBN: 9780199270293.
7
Literatura: internet
• www.iupac.org (International Union of Pure and Applied Chemistry, nadnárodní nevládní organizace pomáhající tvořit normy v oblasti chemie v globálním měřítku).
• www.organic-chemistry.org (odkazy na zajímavá témata, reakce a články).
• www.orgchem.upol.cz (Katedra organické chemie PřF UP, studijní portál).
8
Literatura: internet
Procvičovací příklady:
http://biotrend.upol.cz/
On-line procvičování
Nutno registrovat se univerzitní emailovou adresou.
9
10
Zítra nemůžu přijít, protože si má milá zlomila nohu.
Nemůžu přijít na písemku, protože se mi přednášky kryjí s povinnými laboratořemi.
Z prezentací se mi učivo nepodařilo pochopit.
„Nevyžádaná“ pošta a jiné postřehy
Jak dlouho bude trvat kolokvium? Můžu se přihlásit ten den na další písemku?
Chybí mi bod v písemce. Nemohla byste udělat výjimku?
V přednáškách nejsou řešení k příkladům
Včera večer nebyla na webu přednáška.
Plán přednášek 2017
• Úvod do organické chemie, struktura a vazba
• Stereochemie organických sloučenin
• Elektronové vlastnosti organických sloučenin
• Indukční a mezomerní efekty, konjugace, rezonance
• Kyseliny a báze v organické chemii
• Přehled mechanismů organických reakcí
• Alkany
• Alkeny
• Aromáty
• Organokovové sloučeniny
11
Věnovat se učivu průběžně!!!
Procvičovat příklady
Ptát se pokaždé, když něčemu nerozumím
Používat různé zdroje informací
Nesnažit se organiku naučit nazpaměť!
Pár rad jak úspěšně zvládnout organiku
12
Stačí znát pár písmen abecedy – C, H, O, N…
Stačí umět počítat od jedné do osmi (většinou jen do čtyř).
Umět číst a psát.
Odpověď lze nalézt v otázce.
Organická chemie je jednoduchá, protože …
13
Organická chemie se dá pochopit snadno a bez fotografické paměti – ale nepůjde to
bez správných studijních návyků!!!
14
Proč se učit organickou chemii?
15
Rafinérie Texas
• Práce v příjemném prostředí
16
ii) Modifikace přírodních sloučenin, kterými se zlepšují jejich vlastnosti
Hlavní část organické chemie je organická syntéza
i) Příprava sloučenin, které jsou omezeně
dostupné v přírodě nebo je levnější je připravit
uměle. N
MeH
H
HO
O
Me
dendrobin
N
S
O
H2N
COOH
Me
Me
penicilanová kyselina
N
S
O
HN
COOH
Me
Me
O
penicilin G
N
S
O
HN
COOH
Me
Me
O
modifikovaný penicilinampicilin
H2N
iii) Příprava nových sloučenin, které mohou mít zajímavé vlastnosti
R
R
R
R
R
R
R
R R
R1
R1
R
R = alkyl, R1= alkyl, COOR
lineární polyaceny
17
iv) Příprava sloučenin, které jsou důležité z teoretického hlediska (strukturní a
vazebná teorie)
prizman kuban pentaprisman
18
• C sloučeniny jsou všude kolem nás
DNA
Enzymy
Proteiny
Benzín
Umělé hmoty
Moderní materiály
Biomedicínské materiály
Pesticidy
Potraviny
Barviva
Léčiva Kosmetika
19
Co je organická chemie?
Uhlík (C), vodík (H), kyslík (O), dusík (N) a v menší míře síra (S), fosfor (P)
a další prvky
Organická chemie je disciplína zabývající se chemií sloučenin uhlíku
První transformace anorganické sloučeniny na organickou:
konverze kyanatanu ammoného na močovinu (Wöhler 1828)
„I cannot, so to say, hold my chemical water, and must tell you that I can make
urea, without thereby needing to have kidneys, or anyhow, an animal, be it human
or dog.“ napsal Berzeliovi 20
Periodická tabulka organického chemika
21
Kde končí anorganická chemie a začíná organická???
22
Teorie VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory)
23
Teorie VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory)
Elektronové páry (vazebné i nevazebné) se ve valenční vrstvě atomu odpuzují. Snaží se tedy zaujmout takový tvar, aby byly co nejdále od sebe.
24
Elektronová konfigurace uhlíkového atomu
= čtyřvaznost uhlíku 25
Atomové a molekulové orbitaly
1. Kombinací atomový orbitalů (AO) dvou a více atomů vznikají
molekulové orbitaly (MO), které jsou buď vazebné (nižší
energie) nebo antivazebné (vyšší energie) (LCAO – lineární
kombinace atomových orbitalů)
2. Z jednoho AO vzniká jeden MO. Ze tří AO vznikají tři MO, atp
3. Pokud se kombinují dva AO stejného atomu, vzniká hybridní
AO.
26
H2
27
Sigma vazba (Ϭ) • kovalentní vazba • symetrická kolem osy vazby • Nejvyšší elektronová hustota na spojnici jader
Interakce orbitalů s atomů vodíků za vzniku vazby Ϭ
28
Π vazba
29
Π vazba • Vznik překryvem dvou p orbitalů kolmých na spojnici jader • Není symetrická kolem osy vazby • Nejvyšší elektronová hustota pod a nad spojnicí jader
30
H s
sp3
sp3
sp3
sp3
H s
H s
H s
C
H
H
H
H
Methan
31
H s
C C
H s 1
sp2
sp2
sp2
sp2
sp2
sp2
H s
H s
p
x
px
C
H
HC
H
H
Ethen
32
Acetylen
C C sp sp
px
py
px
py
H s H s sp sp
1
2
C C HH
33
Struktura organických sloučenin a její zobrazení
C C154 pm
109,5°sp3
tetraedrické uspořádání
C C133 pm
121,7°
116,6°sp2
planární uspořádání
C C121 pm
180°lineární uspořádání
sp
34
AO s mírně rozdílnou energií
• Silná interakce mezi AO • Vazebný MO mnohem níž než
AO • Antivazebný MO mnohem výš
než AO • Oba AO přispívají do MO
stejně • Elektrony ve vazebném MO
jsou sdíleny mezi atomy stejně
• nepolární kovalentní vazba
• Nejjednodušší homolytické štěpení vazby
AO s velmi odlišnou energií
AO se stejnou energií
• Slabší interakce mezi AO • Vazebný MO lehce níž než AO B • Antivazebný MO trochu výš než
AO A • B přispívá do MO více • Elektrony ve vazebném MO jsou
sdíleny mezi atomy, ale jsou posunuty blíže B
• kovalentní vazba ale také elektrostatické atrakce (polární kovalentní)
• Nejjednodušší rozštěpit vazbu na A+ a B-, ale možno i radikálově
• AO příliš daleko na interakci
• Vazebný MO lehce níž než AO B
• Přispívá pouze jeden AO • „čistá“ iontová vazba • Sloučenina ve formě A+ a
B-
Vliv MO na polaritu vazby
35
AO s mírně rozdílnou energií
• Slabší interakce mezi AO • Vazebný MO lehce níž než AO B • Antivazebný MO trochu výš než
AO A • B přispívá do MO více • Elektrony ve vazebném MO jsou
sdíleny mezi atomy, ale jsou posunuty blíže B
• kovalentní vazba ale také elektrostatické atrakce
• Nejjednodušší rozštěpit vazbu na A+ a B-, ale možno i radikálově
Převážná většina organických sloučenin
Vznik parciálních nábojů δ+ a δ-
Stále se jedná o kovalentní vazbu!!!
36
Elektronegativita = schopnost atomu v molekule přitahovat elektrony
• Vyšší hodnoty elektronegativit mají ty prvky, které vznikem aniontu dosáhnou konfigurace následujícího vzácného plynu
Elektronegativita & parciální náboje
37
=> Atom s vvyšší elektronegativitou získává záporný parciální náboj
Elektronegativita & parciální náboje
38
Atom s vvyšší elektronegativitou získává záporný parciální náboj
• Parciální náboje jsou skutečné
Elektronegativita & parciální náboje
CH3Br δ+ δ-
CH3Li δ+ δ-
δ+
δ-
39
Formální náboj
= rozdíl mezi počtem valenčních elektronů neutrálního atomu a atomu ve sloučenině
Formální náboj = číslo skupiny - počet nevazebných elektronů - počet kovalentních vazeb
4-0-4 = 0 6-2-3= 1 3-0-4 = -1
40
Struktura organických látek
Uhlovodíková kostra : • vazby C-H • tvořena řetězci, popř. kruhy • „podpěra“ funkčních skupin
Funkční skupiny: • Části molekul obsahující jiné atomy než uhlík • Určují chemické a biologické chování molekul!! • Můžou být i násobné vazby mezi atomy uhlíku
41
Kreslení vzorců
Kyselina linolová
42
Kreslení vzorců
Kyselina linolová – krystalová struktura
1. Kresli řetězce CIK-CAK
Lépe přeneseme 3D realitu do 2D obrázku.
43
2. Kresli „ekonomicky“
Kreslení vzorců
44
Každý vrchol křivky = uhlíkový atom Z tohoto uhlíku už vychází 4 vazby, neobsahuje tedy žádný H
Z atomu C vychází 3 vazby = musí obsahovat jeden atom H
Tento H se kreslí, protože je vázaný na jiný atom než uhlík
Obsahuje vázané 2 atomy H
3.Vynechej všechny H připojené k uhlíkům (s výjimkou funkčních skupin)
4. Vynechej psaní C (s výjimkou funkčních skupin)
Výjimky = funkční skupiny, reakční místa, atp POZOR! Pokud vypíšu C písmenem, musím dopsat i H atp. – dodržet vaznost!!! 45
Kreslení prostorových vzorců
Substituent směřuje ZA rovinu nákresny Substituent směřuje
PŘED rovinu nákresny
Rovina nákresny
46
Kreslení prostorových vzorců
47
Lewisovy vzorce & Oktetové pravidlo
• Vychází ze snahy atomů dosáhnout ve své valenční sféře energeticky nejvýhodnější elektronové konfigurace nejbližších vzácných plynů (He, Ne, Ar) = oktetové pravidlo
• Dosažení oktetu je možné tvorbou chemické vazby – přenosem (iontová vazba) nebo sdílením (kovalentní vazba) elektronů ve valenčních sférách
Přenos elektronů – iontová vazba:
Konfigurace He Konfigurace Ne
Sdílení elektronů – kovalentní vazba:
48
Lewisovy vzorce
= elektronové vzorce znázorňující rozložení valenčních elektronů v kovalentní sloučenině – rozložení vazebných i nevazebných elektronových párů
- platí oktetové pravidlo
1. Nakresli uspořádání atomů v molekule a urči centrální atom.
2. Urči počet valenčních elektronů zúčastněných atomů
3. Pokud není molekula elektroneutrální, přidej (odeber) požadovaný počet elektronů.
4. Elektrony, které nepřispívají do vazby jsou součástí volného elektronového páru (nejdřív doplň periferním atomům, nakonec centálnímu).
5. Oktetové pravidlo!!! Počítají se všechny elektrony ve volných elektronových párech a ve vazbách.
6. Lewisův vzorec se dá nakreslit více způsoby, nutno přizpůsobit co „nejreálnější“ podobě (pokud na sousedních atomech opačný formální náboj, vznik násobné vazby)
49
Lewisovy vzorce
Příklad: Nakresli Lewisovým vzorcem CF4
50
Příklad: nakresli Lewisův vzorec molekuly SO32-
Počet valenčních elektronů = 5 + 7*3 = 26, tzn. 13 elektronových párů
Ϭ skelet tvoří 3 elektronové páry
Každému atomu Cl pro doplnění na oktet je potřeba doplnit 3 elektronové páry Zbávající jediná elektronová pár je přidělen centrálnímu atomu P
Příklad: nakresli Lewisův vzorec PCl3:
Příklad: nakresli Lewisův vzorec molekuly COCl2
51
• řada organických látek obsahuje iontové vazby
• struktura nelze vyjádřit pouze pomocí kovalentních vazeb (došlo by k porušení oktetového pravidla) => iontová vazba
• někdy možné kreslit iontovou nebo kovalentní formou (ale preferujeme iontovou, pokud je velký rozdíl elektronegativit)
• resonanční vzorce (později v semestru)
Iontové vazby
52
• Zisk základní představy o vazebných poměrech v molekule
• Určení tvaru molekuly (VSEPR)
• Navrhování reakčních mechanismů
• Vaznost = počet vazeb, které jednotlivé atomy vytvářejí
Význam Lewisových vzorců
Atomy
Vaznost 4 3 2 1 1
VEP 0 1 2 0 3
53
54
Vazebné faktory
Typ hybridizace jednotlivých atomů rozhoduje o délce, vazebném úhlu a energii vazby!
délka vazby
[pm]
energie vazby
[kJ/mol]
147 290-315
128 598
114 854
C N
C N
C N
Obecně se dá říct, že čím je kratší vazba, tím je vyšší energie vazby. Násobné vazby jsou kratší než jednoduché díky překryvu orbitalů.
H3C N
H
H
H3C O
H
H3C S
H
Vazebný úhel je silně ovlivněn poměrem zapojení s a p orbitalů do hybridizace.
methanamin 112° methanol 108° methanthiol 99,4°
Hodnoty úhlů a délky vazeb jsou ve skutečnosti zprůměrované díky vibračnímu pohybu jednotlivých atomů v molekule!
Klasifikace organických sloučenin podle struktury Acyklické sloučeniny
= necyklické
- acyklické sloučeniny obsahují řetězce uhlíků, ale ne kruhy. Řetězce mohou být
nerozvětvené a rozvětvené.
55
Karbocyklické sloučeniny
Karbocyklické sloučeniny obsahují nejméně jeden kruh složený z atomů uhlíku.
Nejmenší karbocyklická sloučenina = cyklopropan.
56
Heterocyklické sloučeniny
Heterocyklické sloučeniny tvoří třetí a největší skupinu organických látek.
V heterocyklických sloučeninách musí být přinejmenším jeden neuhlíkový atom (tzv.
heteroatom) přítomný v kruhu.
57