11.Chemia organiczna. Irena Zubel Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechnika Wrocławska (na prawach rękopisu)

Transkrypt

1 11.Chemia organiczna. Irena Zubel Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechnika Wrocławska (na prawach rękopisu)

2 Związki organiczne CHEMIA ORGANICZNA Def. 1. (Gmelin 1848, Kekule 1851 ) chemia związków węgla wyjątki: tlenek węgla CO, CO 2 kwas węglowy +sole kwasu węglowego Def.2. (Schurlenmer w 1889 ) chemia węglowodorów i ich pochodnych H C: sp 3 tetraedr, 4 wiązania kowalencyjne H H H 110pm Pierwsza synteza związku organicznego: F. Wöhler 1828-synteza mocznika Olbrzymia różnorodność związków organicznych ponad 12 milionów

3 Związki organiczne Najważniejsze cechy: katencja izomeria C 5 H 12 C 5 H 12 C 5 H 12

4 Związki organiczne ŁAŃCUCHOWE (ALIFATYCZNE) WĘGLOWODORY CYKLICZNE JEDNOPIERŚCIENIOWE WIELOPIERŚCIENIOWE NASYCONE NIENASYCONE CYKLOALIFATYCZNE AROMATYCZNE ALKANY ALKENY ALKINY ALKADIENY NASYCONE NIENASYCONE CYKLOALKANY CYKLOALKENY CYKLOALKINY CYKLOALKADIENY

5 Związki organiczne łańcuchowe ŁAŃCUCHOWE (ALIFATYCZNE) NASYCONE NIENASYCONE ALKANY ALKENY ALKINY ALKADIENY Węglowodory nasycone (alkany)c n H 2n+2 zawierają wyłącznie pojedyncze wiązania między atomami węgla Węglowodory nienasycone - alkeny C n H 2n zawierają jedno wiązanie podwójne - alkadieny C n H 2n -2 - zawierają dwa wiązania podwójne - alkiny C n H 2n -2 - zawierają jedno wiązanie potrójne

6 Alkany gazy ciecze Powyżej pentadekanu C 15 H 32 - ciała stałe Kształty cząsteczek

7 Alkany Właściwości: Mało aktywne chemicznie Niepolarne Lżejsze od wody Rozpuszczają się w rozpuszczalnikach niepolarnych (alkohol, benzen, toluen) Źle rozpuszczają się w rozpuszczalnikach polarnych (woda, kwasy, zasady) Ze wzrostem długości łańcucha węglowego zwiększa się temperatura topnienia i wrzenia Wszystkie ulegają reakcji spalania: 2C n H 2n+2 + (3n+1)O 2 = 2nCO 2 +2(n+1)H 2 O + energia W zależności od ilości zużytego tlenu można uzyskać różne produkty: Spalanie całkowite: CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O Półspalanie: CH 4 + 3/2O 2 = CO + 2H 2 O Spalanie niecałkowite: CH 4 + O 2 = C+ 2H 2 O Zastosowanie: paliwa gazowe, benzyna, oleje napędowe

8 Alkany- rzędowość atomów węgla Rzędowość atomów węgla: - liczba atomów węgla związanych z rozpatrywanym atomem węgla I-rzędowy II-rzędowy III-rzędowy IV-rzędowy

9 Alkany Izomery Liczba izomerów zależy od ilości atomów węgla w cząsteczce Dla metanu, etanu, propanu liczba ta wynosi 1. Właściwości fizyczne i chemiczne izomerów są różne Wzór C 6 H 14 5 C 7 H 16 9 C 8 H C 9 H C 10 H Ilość izomerów C 20 H HEKSAN

10 Alkeny Kształty cząsteczek (izomeria) Wiązanie π jest sztywne, cząsteczka etenu jest płaska.

11 Alkiny Acetylen: Związki z potrójnym wiązaniem są bardzo aktywne chemicznie. Reakcji spalania acetylenu towarzyszy wysoka temperatura: 2C 2 H 2 + 5O 2 = 4CO 2 + 2H 2 O Wykorzystanie: np. palnik acetylenowo-tlenowy Izomeria analogicznie jak w alkenach

12 Alkadieny SZEREG HOMOLOGICZNY ALKADIENÓW Izomery

13 Węglowodory cykliczne CYKLICZNE CYKLOALIFATYCZNE AROMATYCZNE NASYCONE NIENASYCONE CYKLOALKANY CYKLOALKENY CYKLOALKINY CYKLOALKADIENY

14 Cykloalkany

15 Cykloalkeny

16 Cykloalkadieny Porównaj:

17 Węglowodory aromatyczne (areny) CYKLICZNE JEDNOPIERŚCIENIOWE CYKLOALIFATYCZNE AROMATYCZNE WIELOPIERŚCIENIOWE NASYCONE NIENASYCONE CYKLOALKANY CYKLOALKENY CYKLOALKINY CYKLOALKADIENY

18 Węglowodory aromatyczne (areny) Cząsteczka płaska Równocenne wszystkie atomy węgla i wodoru Wszystkie kąty 120 o Wszystkie wiązania 139pm (pojedyncze 154pm, podwójne 134pm) 3 wiązania typu π 6 zdelokalizowanych elektronów

19 Areny jednopierścieniowe

20 Areny jednopierścieniowe

21 Areny wielopierścieniowe

22 Pochodne węglowodorów 1,4-butanediol 1-butanol 1,2-butanediol Rodnik (R) - Podstawnik

23 Grupy funkcyjne

24 Fluorowcopochodne 1. R - X

25 Alkohole 2. R - OH

26 Aldehydy 3. R

27 Ketony 4. R 1 R 2

28 Kwasy karboksylowe 5. R

29 Etery 6.

30 Estry, aminy, amidy, aminokwasy 7. Estry 8. Aminy 9. Amidy Wodoroftalan butylu Anilina R Kwas 2-aminopropanowy (aminokwas alanina)

31 Reakcje chemiczne 1. Reakcje substytucji (podstawiania) 2. Reakcje addycji (przyłączania) 3. Reakcje eliminacji Reakcje odwrotne do przyłączania, podstawniki zostają odszczepione a między atomami węgla tworzy się wiązanie typu π. 4. Reakcje przegrupowania Zmiana miejsca podstawników w ramach jednej cząsteczki

32 Reakcje chemiczne W wyniku zerwania wiązania chemicznego powstają: -jony - gdy para elektronowa pozostaje przy jednym z atomów (rozszczepienie heterolityczne) AB A - + B + -rodniki gdy przy każdym z atomów pozostaje jeden elektron z pary wiążącej (rozszczepienie homolityczne) AB A + B (1) średnia energia wiązania R-H około 400kJ/mol (2) energia wiązania Cl-Cl 243 kj/mol

33 Izomeria Izomeria optyczna jest spowodowana asymetrią cząsteczki węgla związanego z różnymi podstawnikami. Para izomerów optycznych Cząsteczki asymetryczne skręcają płaszczyznę polaryzacji światła (odmiana prawa o kąt + α, odmiana lewa o kąt -α.

34 Izomeria Rodzaje izomerii: położenia wiązania podwójnego 1-penten 2-penten łańcuchowa 1-pentan 2-pentan podstawieniowa butanol-1 butanol-2 geometryczna

35 Izomeria Wokół pojedynczego wiązania C-C grupy metylowe (tetraedry) mogą ulegać rotacji powstają różne konformacje Cząsteczka etanu dwie skrajne konformacje, powstające przy obrocie tetraedrów o 60 o konformacja konformacja naprzemianległa naprzeciwległa -max odległość H-H -min energia odpychania -układ najtrwalszy -min odległość H-H -max energia odpychania układ najmniej trwały

36 Izomeria

37 Nomenklatura związków organicznych Przykład:

38 Nomenklatura związków organicznych Najdłuższy łańcuch: 2,2,4,5-tetrametylo-4,5-dietylo-heptan

39 Polimery Polimery związki wielkocząsteczkowe, składające się z powtarzających się cząsteczek (merów) Masa cząsteczkowa polimerów > u (granica umowna) Polimery skrobia celuloza białko enzymy jedwab kauczuk naturalne naturalne modyfikowane azotan celulozy octan celulozy benzyloceluloza kauczuk (wulkanizacja) syntetyczne polietylen polistyren polichlorek winylu poliuretany żywice epoksydowe

40 Polimeryzacja Polimeryzacja łączenie się związków małocząsteczkowych w makrocząsteczki chlorek winylu C 2 H 3 Cl Polimer jeden rodzaj merów Kopolimer dwa lub więcej rodzajów merów Polimeryzacja: addycyjna kondensacyjna polichlorek winylu (C 2 H 3 Cl) n nc 2 H 3 Cl (C 2 H 3 Cl) n n stopień polimeryzacji

41 Polimeryzacja addycyjna Etylen C 2 H 4 -gaz I. III. II. I. Inicjacja powstawanie rodników z H 2 O 2 (T. hν,): H O O H 2(H O) II. Reakcja łańcuchowa: przemieszczanie się aktywnego centrum polimeryzacji III. Zakończenie: przyłączenie wolnego rodnika (H O) na końcu polimeru Polietylen (PE) (C 2 H 4 ) n ciało stałe, polimer

42 Polimeryzacja addycyjna I. II. X dowolna grupa funkcyjna, np.-cl R - rodnik inicjujący proces: Cl 2 Cl + Cl (hν) H 2 O 2 OH + OH (T, UV, γ) Szybkość polimeryzacji: cząsteczek/s III. Zakończenie: dezaktywacja rodnika (rekombinacja) -w reakcji z zanieczyszczeniami - w reakcji z moderatorami M

43 Polimeryzacja kondensacyjna Fenol formaldehydowy Produkt uboczny H H H H + N-(CH 2 ) 6 -N OH-C-(CH 2 ) 4 -C-OH Nylon + H 2 O H H Produkt uboczny

44 Charakterystyka polimeryzacji

45 Stereoizomeria R: Cl - polichlorek winylu CH 3 polipropylen C 6 H 5 - polistyren a) Polietylen b) Struktura izotaktyczna c) Struktura synodiotaktyczna d) Struktura ataktyczna

46 Stereoizomeria a) Struktura izotaktyczna b) Struktura synodiotaktyczna c) Struktura ataktyczna

47 Kopolimeryzacja Typy kopolimerów: a) statystyczny b) przemienny c) blokowy d) szczepiony

48 Kopolimeryzacja Typy kopolimerów: a) przemienny b) statystyczny c) blokowy d) szczepiony

49 Rozgałęzienia Polietylen prosty Struktura krystaliczna w 80% objętości Rozgałęzienia zmniejszają: - gęstość -wytrzymałość -twardość -Odporność na ścieranie -skłonność do krystalizacji Polietylen rozgałęziony Struktura krystaliczna w 50% objętości

50 Struktura polimerów Funkcyjność monomeru stopień zdolności do reakcji. Centrum reaktywności są grupy funkcyjne lub wiązania wielokrotne. Monomery dwufunkcyjne - cząsteczki złożonych z węgla i wodoru z podwójnym wiązaniem w wyniku polimeryzacji tworzą polimery łańcuchowe (liniowe). Polimery termoplastyczne: polietylen, polichlorek winylu, polipropylen, polistyren. Topią się podczas ogrzewania, zestalają podczas chłodzenia, są rozpuszczalne w wielu rozpuszczalnikach. Monomery wielofunkcyjne posiadają więcej niż dwa centra aktywności w wyniku polimeryzacji tworzą struktury wielowymiarowe. Polimery utwardzalne, silnie usieciowane, żywice: epoksydowa, poliestrowa, fenolowo-formaldehydowa (bakelit) Nietopliwe, nierozpuszczalne, w wysokiej temperaturze rozkładają się nieodwracalnie. Oba rodzaje polimerów mogą powstawać zarówno przez addycję jak i polikondensację.

51 Struktura polimerów Polimery o strukturze: a) liniowej b) rozgałęzionej, c) usieciowanej

52 Usieciowanie przestrzenne Przejście od struktury liniowej (liniowej rozgałęzionej) do usieciowanej uzyskuje się dzięki wiązaniom poprzecznym. Przykład: wulkanizacja otrzymywanie gumy z kauczuku naturalnego (izoprenu) przez dodanie siarki a) przed wulkanizacją po wulkanizacji Powstają silne wiązania kowalencyjne między atomami siarki i dwiema cząsteczkami polimerów dzięki podwójnym wiązaniom w merach izoprenu. Nadmiar siarki powoduje wzrost twardości i kruchości gumy.

53 Łańcuchy polimerowe a b c d Kątowa zależność między wiązaniami w łańcuchu węglowym polietylen Czwarty atom węgla w łańcuchu węglowym polimeru (d) może zająć dowolne położenie na obwodzie koła i zależność kątowa miedzy wiązaniami zostanie zachowana. Ta dowolność położenia powoduje, że łańcuchy liniowe nie są proste, lecz pozginane i poskręcane.

54 Łańcuchy polimerowe Makrocząsteczka polimeru złożona z jednego łańcucha liniowego o złożonym kształcie Schemat splątanych i skręconych łańcuchów w strukturze materiału polimerowego