Ćwiczenie 1 Podstawy chemii organicznej.

Transkrypt

1 Ćwiczenie 1 Podstawy chemii organicznej. Literatura: 1. Mastalerz P., Elementarna chemia organiczna, Wydawnictwo Chemiczne, Wrocław Czapliński A., "Węgiel kamienny", "Reakcje i organiczna struktura węgla" (Buczek B.), Wydawnictwo Naukowe AGH, Kraków, Dzióbek B, Samson O., "Wybrane techniki laboratoryjne z chemii organicznej dla towaroznawców", AE, Kraków, 1998 Wprowadzenie. Do początku XIX wieku sądzono, że związki organiczne są związane z przejawami życia i ich źródłem są naturalne produkty świata zwierzęcego i roślinnego. W 1828 Friedrich Wöhler ogrzewając substancję nieorganiczną (pochodzenia mineralnego - izocyjanian amonu) otrzymał mocznik, który jako produkt przemiany materii zaliczono do związków organicznych: ogrzewanie NH 4 NCO ( NH ) CO Izocyjanian amonu mocznik Od tego czasu datuje się burzliwy rozwój chemii organicznej. Ponieważ liczna znanych dziś związków organicznych węgla sięga kilkunastu milionów i jest większa niż łączna liczba związków wszystkich pozostałych pierwiastków, wyodrębnienie działu chemii organicznej stało się koniecznością. Nazwa Chemia Organiczna została wprowadzona w 1907 roku przez Berzeliusa. Tak wielka ilość związków organicznych czyli związków węgla jest wynikiem specyficznej pozycji węgla pośród innych pierwiastków układu okresowego: zdolność łączenia się atomów węgla między sobą - długie łańcuchy oraz struktury pierścieniowe tendencja do tworzenia trwałych wiązań wielokrotnych (wiązania podwójne, potrójne) skłonność do tworzenia wiązań kowalencyjnych z wodorem i innymi pierwiastkami: (O,N,S,X), 2 2 1

2 Konfiguracja elektronowa atomu węgla w stanie podstawowym: 1s 2 2s 2 2p 2 powłoka walencyjna Dwa niesparowane elektrony 2p 2 sugerują, że atom węgla jest zdolny do tworzenia jedynie dwóch wiązań. W rzeczywistości podczas reakcji pod wpływem energii przyjmuje konfigurację w stanie wzbudzonym: 1s 2 2s 1 2p 3 powłoka walencyjna W ten sposób atom węgla ma cztery niesparowane elektrony walencyjne, które pojedynczo obsadzają cztery orbitale drugiej powłoki. Taki atom C zdolny jest do tworzenia czterech trwałych wiązań kowalencyjnych co jest konsekwencją jego centralnego położenia wśród pierwiastków układu okresowego. Podział związków organicznych: 1. Związki łańcuchowe - ALIFATYCZNE 2. Związki pierścieniowe - CYKLICZNE a. związki alicykliczne - pierścieniowe nie mające charakteru aromatycznego b. związki aromatyczne - ARENY 3. Związki heterocykliczne - zawierają w pierścieniu obok węgla inne pierwiastki - N, O, S Związki organiczne można również rozpatrywać jako połączenia jednego lub kilku rodników czyli grup albo reszt węglowodorowych połączonych z określoną grupą funkcyjną zespół kilku atomów ułożonych w określony sposób, który nadaje cząsteczce organicznej charakterystyczne właściwości. Rodnik R określa natomiast bliżej nazwę związku organicznego, może on powstać z węglowodoru przez usunięcie atomu wodoru: CH 4 H H CH 3 C6H6 C6H5 metan rodnik metylowy benzen rodnik fenylowy 2

3 Grupa funkcyjna Ogólny wzór związku Nazwa związku OH ROH alkohole C=O RCOR, RCHO ketony, aldehydy C O OH RCOOH kwasy karboksylowe O ROR etery N H H RNH 2 aminy C O RCONH 2 amidy NH 2 Charakter związku zależy od rodzaju grupy funkcyjnej jednak w miarę wzrostu ilości atomów w rodniku znaczenie grupy ulega zmniejszeniu. Na przykład alkohol heksylowy (C 6 H 13 OH) nie ma już tak wyraźnych właściwości alkoholu co alkohol metylowy (CH 3 OH) czy etylowy (C 2 H 5 OH). Podobnie kwas mrówkowy i octowy (HCOOH, CH 3 COOH) mają wyraźne własności kwasowe podczas gdy kwasy stearynowy (C 17 H 35 COOH) czy oleinowy (C 17 H 33 COOH) bardziej przypominają macierzyste węglowodory; są ciałami stałymi i nierozpuszczalnymi w wodzie. Powyższe związki to jednofunkcyjne pochodne węglowodorów. Olbrzymia liczba różnych związków organicznych wynika również z tego, że mogą one w swojej cząsteczce zawierać dwie lub więcej różnych grup funkcyjnych. 3

4 WIELOFUNKCYJNE ZWIĄZKI ORGANICZNE OH OH OH NH 2 COOH COH C=O COOH hydroksykwasy aldozy ketozy aminokwasy Ze względu na obecność dwóch grup funkcyjnych hydroksykwasy tworzą dwa szeregi pochodnych: sole i estry (grupa karboksylowa); estry, aldehydy, ketony i kwasy karboksylowe (grupa hydroksylowa). Reakcje estryfikacji pomiędzy grupami OH i COOH możliwe są między dwiema cząsteczkami różnych hydroksykwasów, jak też w obrębie tej samej cząsteczki. Hydroksyaldehydy i hydroksyketony to cegiełki tworzące całą grupę związków zwaną dawniej węglowodanami, do których należą monosacharydy (glukoz, fruktoza), disacharydy (sacharoza, laktoza), oraz polisacharydy, których przedstawicielami są skrobia, celuloza i glikogen. Ważną właściwością aminokwasów jest zdolność do wzajemnego łączenia się cząsteczek za pomocą grup funkcyjnych. Są to reakcje kondensacji w wyniku, których powstają peptydy i polipeptydy. Reakcje kondensacji z udziałem 20 różnych aminokwasów prowadzą do otrzymania białek. Białka, podobnie jak skrobia i celuloza należą do naturalnych związków wielkocząsteczkowych. Masy cząsteczkowe niektórych białek sięgają 45 mln jednostek masy (u). Jak się wydaje, w białkach został osiągnięty kres złożoności materii. 4

5 Część doświadczalna Węglowodory 1. Reakcja nitrowania Celem ćwiczenia jest odróżnienie węglowodorów alifatycznych od aromatycznych za pomocą reakcji charakterystycznych. Układy aromatyczne w odróżnieniu od układów alifatycznych ulegają reakcjom nitrowania. Szkło i aparatura: 2 zwykłe probówki, łaźnia wodna. Odczynniki: heksan, benzen, mieszanina nitrująca (1:1, stęż. HNO 3 i stęż. H 2 SO 4 ). Do probówki wlać 2cm 3 benzenu oraz po 2 cm 3 stęż. HNO 3 i stęż. H 2 SO 4. Mieszaninę ogrzewać w łaźni wodnej przez minut. Otrzymany roztwór wylać na lód. Pojawienie się tłustych plam oraz zapachu gorzkich migdałów świadczy o otrzymaniu nitrobenzenu. Ćwiczenie powtórzyć z heksanem, zaobserwować wynik reakcji. 2. Reakcja bromowania Celem ćwiczenia jest otrzymanie bromopochodnych węglowodorów alifatycznych i aromatycznych. Równocześnie należy stwierdzić w jakich warunkach zachodzą reakcje bromowania i jakie powstają bromopochodne. Szkło i aparatura: 4 probówki zwykłe, 2 zlewki po 50cm 3, żarówka 150W lub lampa kwarcowa. Odczynniki: heksan, cykloheksen, toluen, Br 2 w CCl 4, wstążki Mg, papierek wskaźnikowy. Do probówki wlać 1 cm 3 n-heksanu i dodać 2 krople bromu w czterochlorku węgla. Naświetlać lampę kwarcową przez 15 minut. Zbadać odczyn roztworu. Zaobserwować zmianę zabarwienia. b. Ćwiczenie praktyczne Do probówki wlać 1cm 3 cykloheksenu i dodać 2 krople bromu w czterochlorku węgla. Natychmiastowe odbarwienie się roztworu świadczy o nienasyconym charakterze związku. 5

6 c. Ćwiczenie praktyczne Do probówki wlać 1cm 3 toluenu i 2 krople bromu w czterochlorku węgla. Próbkę ogrzewamy lampą promiennikową i naświetlamy promieniami ultrafioletowymi przez 15 minut (ewentualnie ogrzewać nad maszynką elektryczną). Zaobserwować zmianę zabarwienia. d. Ćwiczenie praktyczne Do probówki wlać 1cm 3 toluenu i 2 krople bromu w czterochlorku węgla oraz około 0,5 g odtłuszczonych wstążek Mg. Ogrzewać na łaźni wodnej 10 minut. Zaobserwować zmianę zabarwienia i zbadać ph roztworu papierkiem uniwersalnym. 3. Reakcja izomeryzacji Celem ćwiczenia jest wykazanie, że niektóre połączenia organiczne mają zdolność do izomeryzacji. Izomery mają ten sam wzór sumaryczny, różnią się natomiast wzorem strukturalnym, a tym samym własnościami fizycznymi i chemicznymi. W połączeniach organicznych posiadających podwójne wiązanie spotyka się szczególny rodzaj stereoizomerii zwanej izomerią geometryczną cis-trans. Zazwyczaj izomery trans są trwalsze od izomerów cis. H-C-(CH 2 ) 7 -CH 3 CH 3 -(CH 2 ) 7 -C-H H-C-(CH 2 ) 7 -COOH H-C-(CH 2 ) 7 -COOH kwas oleinowy /cis/ kwas elaidynowy /trans/ Szkło: 25cm 3 cylinder z korkiem na szlifie. Odczynniki: kwas oleinowy, stęż. HNO 3, 1g druciku miedzianego W cylindrze umieścić zwinięty drucik miedziany, po czym wlać 5 cm 3 kwasu azotowego i 10 cm 3 kwasu oleinowego. Mieszaninę reagującą ostrożnie się wstrząsa, otwierając co pewien czas korek aby wypuścić powstające tlenki azotu. Pod ich działaniem ciekły kwas oleinowy (izomer cis ) przechodzi w stały kwas elaidynowy (izomer trans ) i mieszanina reagująca w cylindrze zestala się. 6

7 Alkohole i fenole 1. Reakcja alkoholu metylowego z kwasem borowym Celem ćwiczenia jest wykazanie, że alkohole z kwasami tworzą estry. Alkohole z kwasami organicznymi i nieorganicznymi dają estry o charakterystycznych zapachach. Środowisko zasadowe lub kwasowe przyspiesza bieg reakcji estryfikacji. Szkło: parowniczka Odczynniki: alkohol metylowy, 10% kwas borowy, stęż. H 2 SO 4. Do parowniczki dodać łyżeczkę stałego boraksu po 2-3 krople kwasu siarkowego. Następnie dodać 5-10 kropli alkoholu. Mieszaninę wymieszać i zapalić. Zielone zabarwienie płomienia świadczy o utworzeniu się boranu metylu. 2. Reakcja fenoli z chlorkiem żelaza (III) Celem ćwiczenia jest odróżnienie alkoholi od fenoli. Poszczególne fenole dają z FeCl 3 barwne zabarwienie w odróżnieniu od alkoholi alifatycznych. Szkło: 4 probówki Odczynniki: fenol, rezorcyna, pirokatechina, floroglucyna, hydrochinon, alkohol etylowy, 2,5% chlorek żelaza (III). Do pięciu probówek dodać kolejno: kryształek fenolu, rezorcynę, pirokatechinę, floroglucynę, 1cm 3 alkoholu etylowego. Do każdej probówki dodać około 10 cm 3 wody destylowanej. Wstrząsnąć probówki do rozpuszczenia fenoli. Następnie dodać po kilka kropel FeCl 3. Obserwować zabarwienie. fenol - fioletowe rezorcyna - fioletowe, znikające po dodaniu wodorowęglanu pirokatechina - zielone, przechodzące po dodaniu wodorowęglanu w czerwone. 7

8 Aldehydy i ketony 1. Próba Fehlinga Celem ćwiczenia jest wykazanie własności redukujących aldehydów w odróżnieniu od ketonów. Aldehydy w reakcjach z utleniaczami wykazują własności redukujące, same utleniając się do odpowiednich kwasów. Szkło: 3 probówki Odczynniki: płyn Fehlinga I i II, aldehyd salicylowy, aldehyd octowy, aceton Do mieszaniny po 1cm 3 płynu Fehlinga I i II dodawać kroplami roztwór aldehydu octowego w wodzie i ostrożnie ogrzewać. W przypadku aldehydu alifatycznego pojawi się czerwono-brunatny osad Cu 2 O. Próbę Fehlinga wykonać również z acetonem. Analogiczną reakcję wykonać dla rozdrobnionych owoców (jabłko, banan). Kwasy, estry, aminy i amidy 1. Badanie właściwości kwasu octowego Celem ćwiczenia jest zbadanie właściwości kwasowych kwasu octowego oraz jego mocy. Kwasy karboksylowe w roztworach wodnych ulegają dysocjacji zgodnie z równaniem: RCOOH RCOO - + H + Kwasy reagują z metalami nieszlachetnymi dając odpowiednie sole i wodór. Szkło: 2 probówki, 2 szkiełka zegarkowe Odczynniki: kwas octowy, opiłki żelaza lub wstążki magnezu, stały węglan sodu, papierek wskaźnikowy, papierek Kongo. Na szkiełku zegarkowym umieścić parę kropel kwasu octowego. Za pomocą papierka wskaźnikowego zbadać odczyn roztworu. 8

9 b. Ćwiczenie praktyczne Umieścić na szkiełku zegarkowym papierek wskaźnikowy Kongo, który należy zwilżyć paroma kroplami kwasu octowego. Pojawienie się niebieskiego zabarwienia wskazuje na obecność mocnego kwasu organicznego. c. Ćwiczenie praktyczne Do probówki zawierającej 2 cm 3 kwasu octowego wrzucić parę opiłków magnezu lub kawałek magnezu. Obserwować zachodzące zjawisko i wyjaśnić go za pomocą reakcji chemicznej. d. Ćwiczenie praktyczne Do probówki zawierającej 1g węglanu sodu wkraplamy 1cm 3 Obserwować zachodzący proces i wyjaśnić go za pomocą reakcji chemicznej. kwasu octowego. 2. Otrzymywanie i hydroliza estrów Estry otrzymujemy w reakcjach estryfikacji tj. reakcji zachodzącej pomiędzy alkoholem a kwasem karboksylowym lub kwasem nieorganicznym. Charakterystyczną reakcją dla estrów jest reakcja hydrolizy. Obecność zasady lub kwasu przyspiesza przebieg tej reakcji. Celem ćwiczenia jest otrzymanie octanu etylu oraz wykazanie, że estry ulegają reakcji hydrolizy w środowisku zasadowym. Szkło: 2 probówki Odczynniki: alkohol etylowy, kwas octowy rozcieńczony z wodą w stosunku 1:1, stęż. H 2 SO 4, octan etylu, 0,1 molowy NaOH, 1% roztwór fenoloftaleiny. Do probówki wlać 3 cm 3 alkoholu etylowego, 3 cm 3 kwasu octowego oraz 10 kropel stęż.h 2 SO 4. Mieszaninę ogrzewać do wrzenia w łaźni wodnej. Pojawienie się specyficznego zapachu świadczy o otrzymaniu octanu etylu. 9

10 b. Ćwiczenie praktyczne Do 1 cm 3 octanu etylu dodać 2-5 kropli roztworu NaOH i kroplę fenoloftaleiny. Roztwór przybiera zabarwienie malinowe. Mieszaninę ogrzewać do wrzenia na łaźni wodnej. Po upływie 2-5 minut następuje odbarwienie roztworu. Aminy 1. Reakcja biuretowa Mocznik poddany prażeniu w temperaturze ok 150 o C ulega rozkładowi, którego produktami są biuret (dwumocznik), zawierający wiązanie peptydowe oraz amoniak. Biuret tworzy z solami miedzi (II) np.cuso 4 w roztworze alkalicznym związki kompleksowe o zabarwieniu fioletowym. Szkło: 2 probówki Odczynniki: biuret (dwumocznik), mleko, woda destylowana, rozcieńczony CuSO 4, NaOH Biuret rozpuścić w 5 cm 3 wody, a następnie dodać 1 kroplę rozcieńczonego CuSO 4 oraz 2 krople 3 molowego NaOH. Analogiczną reakcję wykonać na mleku. 10