Zarys Chemii Organicznej Chemię organiczną definiuje się jako chemię związków węgla. Ogólna liczba znanych związków organicznych przekracza obecnie 18 milionów i wielokrotnie przewyższa liczbę znanych związków nieorganicznych. Główną przyczyną występowania ogromnej liczby związków organicznych jest zdolność węgla do tworzenia trwałych wiązań C-C w układach wielordzeniowych, w wyniku czego można uzyskać praktycznie dowolne struktury liniowe, rozgałęzione i cykliczne.
30
Embed
Zarys Chemii Organicznej - Janusz Zachara Homepagejanzac.ch.pw.edu.pl/IBM/wyklady/W1_druk.pdf · Reakcje alkanów 1. Halogenowanie ... Halogenki alkilów - związki, w których co
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Zarys Chemii Organicznej
Chemię organiczną definiuje się jako chemię związków węgla. Ogólna liczba znanych związków organicznych przekracza obecnie 18 milionów i wielokrotnie przewyższa liczbę znanych związków nieorganicznych. Główną przyczyną występowania ogromnej liczby związków organicznych jest zdolność węgla do tworzenia trwałych wiązań C-C w układach wielordzeniowych, w wyniku czego można uzyskać praktycznie dowolne struktury liniowe, rozgałęzione i cykliczne.
Właściwości fizyczne alkanów są zależne od liczby atomów węgla w cząsteczce. Alkany posiadające:
• od 1 do 4 atomów węgla - są gazami (gaz ziemny) • od 5 do 17 atomów węgla - są cieczami (benzyny) • więcej jak 18 atomów węgla - są ciałami stałymi (parafina)
Wszystkie alkany są nierozpuszczalne w wodzie, natomiast dobrze w rozpuszczalnikach organicznych.
Szereg homologiczny prostych alkanów.
• od 1 do 4 atomów węgla - są gazami (gaz ziemny) • od 5 do 17 atomów węgla - są cieczami (benzyny) • więcej jak 18 atomów węgla - są ciałami stałymi (parafina)
Wszystkie alkany są nierozpuszczalne w wodzie, natomiast dobrze w rozpuszczalnikach organicznych.
-200
-100
0
100
200
300
400
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
liczba atomów węgla
t/oC
Temperatura wrzenia
Temperatura topnienia
t.pok
Rzędowość atomów węgla.
Pierwszorzędowy (1°) atom węgla jest połączony z jednym atomem węgla
Drugorzędowy (2°) atom węgla jest połączony z dwoma atomami węgla
Trzeciorzędowy (3°) atom węgla jest połączony z trzema atomami węgla
Czwartorzędowy (4°) atom węgla jest połączony z czterema atomami węgla
CH3
CH3
CH3
CH2
CHCH2
CCH3
CH3
1°
1° 1°
1°
1°2° 2°
3° 4°
2,2,4-trimetyloheksan
Nie wszystkie węglowodory mają proste łańcuchy węglowe. Gdy w węglowodorze atom węgla łączy się z więcej niż dwoma innymi atomami węgla, to mówimy o łańcuchu rozgałęzionym.
1°
1° 1°
1°
1°2° 2°
3° 4°
Podstawnik (grupa alkilowa). Jeżeli od węglowodoru oderwiemy formalnie jeden atom wodoru, to otrzymujemy tzw. grupę alkilową. Metan pozbawiony wodoru nazywamy grupą metylową, etan bez wodoru to grupa etylowa lub etyl itd. A więc słowo alkil to nazwa ogólna podstawników wywodzących się od odpowiednich węglowodorów nasyconych, w których nazwie zamieniamy końcówkę –an na –yl.
Promieniowanie ultrafioletowe dostarcza energii niezbędnej do homolitycznego rozerwania wiązań Cl-Cl.
Cl• + CH3• CH3Cl
odtworzenie rodnika Cl• umożliwia reakcję łańcuchową z kolejną cząsteczką metanu
terminacja
2 CH3• CH3CH3
2 Cl• Cl2
przereagowanie dwóch rodników kończy łańcuch reakcyjny
Węglowodory zawierające układ cykliczny, wzór sumaryczny CnH2n.
Cykloalkany
Niskocząsteczkowe cykloalkany jednopierścieniowe.
Cykloalkany pod względem reaktywności chemicznej są podobne do alkanów: • są bierne wobec odczynników jonowych • ulegają substytucji według mechanizmu wolnorodnikowego.
Reaktywność cykloalkanów
Kierunek orbitali sp3-sp3 w cyklopropanie
CH2
ClCH2 CH2
Cl+ Cl2
Cl+ Cl2 + HCl
hν
Cyklopropan wyjątkowo ulega reakcjom addycji z otwarciem pierścienia:
Alkeny(olefiny)Węglowodory zawierające podwójne (σ+π) lub potrójne wiązanie (σ+π+π)
w cząsteczce to węglowodory nienasycone.
Inne przykłady alkenów:
C3H6 czyli CH2=CH-CH3 propenC4H8 czyli CH2=CH-CH2-CH3 1-buten lub CH3-CH=CH-CH3 2-buten
Izomerią nazywamy zjawisko występowania związków, które mimo identycznego składu pierwiastkowego i identycznej masy cząsteczkowej
różnią się właściwościami fizycznymi, chemicznymi i biologicznymi.
C CH
CH3 H
CH3C C
H
CH3 CH3
H
temp. wrz. +4oCtemp. topn. -139oC
trans-2-buten
Występuje w przypadku, gdy każdy z atomów węgla tworzących podwójne wiązanie połączony jest z dwoma różniącymi się od siebie podstawnikami.
cis-2-buten
temp. wrz. +1oCtemp. topn. -106oC
Reakcje alkenów
Przyłączenie wody:
2) Przyłączenie halogenu (chlorowca):
C C C CBr BrBr2
C C C CH OHH2O
H+
Przyłączenie halogenowodorów:
C C C CH BrHBr
H+
1) Przyłączenie (addycja) elektrofilowa
odczynnik elektrofilowy - odczynnik, który w reakcji chemicznej pobiera elektrony z zewnątrz lub tworzy wiązanie kowalencyjne z atomem kosztem pary elektronów tego atomu (a więc posiada charakter kwasu Lewisa). Odczynnik elektrofilowy może być:
a) kationem – kation wodorowy H+, jon wielordzeniowy np.: jon nitroniowy NO2+
odczynnik nukleofilowy - odczynnik, który w reakcji chemicznej oddaje elektrony do centrum atakowanego lub tworzy z tym centrum wiązanie kowalencyjne kosztem własnych elektronów (a więc posiada charakter zasady Lewisa).
c) cząsteczki, w których orbitale cząsteczkowe typu [π] tworzą wiązanie wielokrotne pomiędzy atomami węgla np.: alkeny, alkiny, węglowodory aromatyczne.
b) drobiny posiadające wolne pary elektronów, takie jak np.: aminy, etery, alkohole
Typy odczynników chemicznych
Reakcje alkenówNajbardziej charakterystyczna dla alkenów jest reakcja addycji elektrofilowej.
C C C+
CH
C CX H
H+ X+
Następnie czynnik elektrofilowy (kation wodorowy) przyłącza się alkenu wykorzystując elektrony wiązania π do utworzenia nowego wiązania CH.
Atom węgla, w którym występuje niedobór elektronów uzyskuje ładunek dodatni – powstaje tzw. karbokation.
Jest to cząsteczka reaktywna i w następnym etapie reakcji łatwo przyłącza czynnik nukleofilowy (np. anion Br-, OH-).
W pierwszym etapie reakcji następuje rozpad heterolityczny wiązania i wygenerowanie pary reagentów: elektrofilowego i nukleofilowego.
H-Br
H-O-H
Br-Br
H+
Br
Br+ Br
H+ O-H
+
+
+ -
Reakcje alkenów - przykładyReguła Markownikowa
W reakcjach jonowej addycji do podwójnych wiązań węgiel-węgiel alkenów, atom wodoru przyłącza się do tego atomu węgla, z którym związana jest większa liczba atomów wodoru.
Właściwości fizyczne zbliżone do odpowiednich alkanów i alkenów (pierwsze człony szeregu homologicznego - gazy, do ok. 18 atomów węgla w cząsteczce - ciecze)
2) podwyższona kwasowość atomów wodoru związanych z węglem o hybrydyzacji sp
C CCH3 H Na C CCH3 Na+
H2+2 2 2 +
Węglowodory aromatyczne
Węglowodory aromatyczne to związki cykliczne o płaskich pierścieniach, zawierające sprzężony układ wiązań podwójnych.
Liczba elektronów π w cząsteczce musi spełniać warunek:
liczba elektronów π=4n+2 (tzw. reguła Hückla)
+-benzen
O związkach, które spełniają regułę Hückla mówimy, że są aromatyczne.Związki aromatyczne ulegają one przede wszystkim reakcjom podstawienia (podobnie do mało reaktywnych alkanów), a nie reakcjom addycji (charakterystycznym dla związków nienasyconych).
W ujęciu teorii rezonansu cząsteczka benzenu jest hybrydą rezonansową dwóch struktur granicznych (tzw. Struktur Kekulego)
Struktury te są równoważne energetycznie, mają równy udział w opisie struktury elektronowej hybrydy.
Konsekwencją tego :
jest pełna delokalizacja elektronów π
Jednakowa długość wszystkich wiązań C-C
Struktura rezonansowa cząsteczki benzenu
Reakcje substytucji elektrofilowej benzenu
Najbardziej charakterystyczną reakcją benzenu i ogólnie pierścieni aromatycznych jest podstawienie atomu wodoru przez inny atom lub grupę atomów
Mechanizm reakcji podstawienia elektrofilowego w benzenie
kompleks σ możemy przedstawić za pomocą trzech struktur rezonansowych:
Substytucja nukleofilowa jest typową reakcją halogenków. Polega ona na ataku odczynnika nukleofilowego na karbokation lub inne miejsce cząsteczki organicznej o najmniejszej gęstości elektronów.
Reakcja ta może przebiegać wg. dwóch głównych schematów określanych jako mechanizm SN1 i Sn2.
Węglowodory nasycone - to węglowodory w których występują pojedyńcze wiązania węgiel-węgiel. Węglowodory nienasycone - to węglowodory w których występują wiązania podwójne i potrójne pomiędzy atomami wegla.Szereg homologiczny - szereg podobnych chemicznie związków, w których pomiedzy dwoma kolejnymi związkami występuje ta sama różnica w postaci grupy CH2.Homologi - to związki tego samego szeregu homologicznegoAlkil - węglowodór zawierający o jeden atom wodoru mniej niż odpowiadająca mu cząsteczka węglowodoruNukleofil – reagent o charakterze zasady Lewisa posiadający wolne pary elektronowe, np. OH-, NH3, Cl-Elektrofil – reagent o charakterze kwasu Lewisa posiadający wolne luki elektronowe, akceptor np. elektronów z wiązań π – Η+, Br+, NO2
+.Reakcja podstawienia (substytucji) - to reakcja w której atom wodoru zostaje zastąpiony przez inny atom lub grupy atomów. Reakcja przyłączenia (addycji) - to reakcja, w której rozerwaniu ulega wiązanie podwójne, z jednoczesnym przyłączeniem dodatkowych atomów lub grup.