CHEMIA ORGANICZNA. Zakres materiału

Transkrypt

1 EMIA ORGANIZNA Zakres materiału lp wykład data temat 1 W1-W klasy zw org alkany i cykloalkany 2 W3-W stereoizomeria 3 W5-W alkeny i cykloalkeny 4 W7-W alkadieny i alkiny 5 W9-W pochodne benzenu 6 W11-W flurowcopochodne 7 W13-W alkohole i fenole 8 W15-W etery i epoksyzwiązki 9 W17-W aldehydy i ketony 10 W19-W kw. karboksylowe i pochodne 11 W21-W aminy 12 W23-W obliczenia 13 W25-W ogólne 14 W27-W techniki 15 W29-W30 EGZAMIN hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 1

2 EMIA ORGANIZNA Literatura hemia organiczna. Kurs podstawowy Daniela Buza, Wojciech Sas, Przemysław Szczeciński Zadania z chemii organicznej z rozwiązaniami Daniela Buza, Wojciech Sas, Przemysław Szczeciński hemia Organiczna Przemysław Mastalerz hemia Organiczna John McMurry hemia Organiczna Robert Neilson Boyd, Robert Thornton Morrison hemia organiczna Jonathan layden, Nick Greeves, Stuart Warren, Peters Wothers Warunki zaliczenia Egzamin w formie testu otwartego na 100 pkt. (zalicza 51 pkt.) Zagadnienia egzaminacyjne będą podawane przez prowadzącego przedmiot pod koniec każdego wykładu hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 2

3 EMIA ORGANIZNA Dawniej chemia organiczna to dział chemii zajmujący się systematyką oraz badaniem własności związków organicznych, które, jak wierzono, nie mogą być otrzymane na drodze syntezy laboratoryjnej, a jedynie przez żywe organizmy dziś biochemia rok 1828! Friedrich Wöhler - synteza mocznika rok 1856 William enry Perkin przypadkowo otrzymał barwnik organiczny tzw. purpura Perkina rok 1874 Othmer Zeidler synteza DDT hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 3

4 EMIA ORGANIZNA to dziedzina chemii zajmująca się badaniem budowy, właściwości oraz reakcji związków chemicznych zawierających węgiel, a także opracowywaniem różnorodnych metod syntezy tych połączeń. Związki organiczne zawierają oprócz atomów węgla atomy innych pierwiastków, takich jak wodór, tlen, azot, fosfor, krzem oraz siarka. Zawartość węgla w skorupie ziemskiej wynosi 0,018% Węgiel występuje: w postaci pierwiastka chemicznego: grafit; diament; fulereny; sadza (zanieczyszczony węgiel bezpostaciowy); w postaci związków chemicznych: nieorganicznych: węglany, węgliki, tlenki; hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 4

5 EMIA ORGANIZNA Węgiel w chemii organicznej Konfiguracja elektronowa atomów wodoru, węgla, azotu i tlenu Atom L. atomowa 1s 2s 2p x 2p y 2p z 1 6 N 7 O 8 * 6 sp 3 sp 2 sp hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 5

6 EMIA ORGANIZNA 109 o s 1 sp 3 4 metan 109 o wzór przestrzenny wzór strukturalny plaski hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 6

7 SPOSOBY RYSOWANIA WZORÓW STRUKTURALNY ZWIĄZKÓW ORGANIZNY WZÓR STRUKTURALNY propan O O kwas propionowy Uwidocznia wszystkie wiązania chemiczne między atomami wchodzącymi w skład cząsteczki za pomocą kreski symbolizującej jedno wiązanie kowalencyjne (czyli parę elektronów wspólną dla obu atomów tworzących wiązanie). UPROSZZONY SPOSÓB PRZEDSTAWIANIA WZORÓW STRUKTURALNY: O N S O N O testosteron penicylina-g O 2 hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 7

8 KLASYFIKAJA ZWIĄZKÓW ORGANIZNY Alkany Alkohole 3 3 (etan) O 3 O (metanol) Alkeny Etery 2 = 2 (etylen) O 3 O 3 (eter dimetylowy) Alkiny (acetylen) O Aldehydy O (formaldehyd) Areny (benzen) O Ketony 3 (O) 3 (aceton) O O Kwasy karboksylowe OO (kwas mrówkowy) O Estry hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW O 3 OO 3 (octan metylu) 8

9 Aminy Tiole N 2 3 N 2 (metyloamina) S 3 S (tiometanol) Nitryle Tioetery N 3 N (acetonitryl) S ( 2 = 2 ) 2 S (diallilosulfid) (zapach czosnku) O Amidy N 2 (O)N 2 (formamid) X Fluorowcopochodne 3 2 l (chloroetan) hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 9

10 WYBRANE PRZYKŁADY ZWIĄZKÓW WIELOFUNKYJNY N 2 O O O N N N N O O O O 2 O O O O O 2 O O O adenozyna - komponent DNA glukoza kwas askorbinowy - witamina N 2 O O O geraniol kwas glutaminowy - składnik olejku różanego dodatek do żywności O O hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 10

11 11 1. WZÓR SUMARYZNY metan etan propan butan pentan ALKANY węglowodory posiadające tylko wiązania pojedyncze (sigma). n 2n+2 (n = liczba naturalna) 1.1. SZEREG OMOLOGIZNY Seria związków, np. alkanów nierozgałęzionych (tzw. n-alkanów), różniących się tylko liczbą grup 2 ; poszczególne zw. należące do szeregu homologicznego to homologi. hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW

12 2. NAZEWNITWO (NOMENKLATURA) ALKANÓW Metan, etan, propan, butan nazwy zwyczajowe. Nazwy wyższych homologów: rdzeń liczebnikowy (w j. greckim lub łacińskim) odpowiadający liczbie atomów węgla w łańcuchu + końcówka an. Liczba at. Nazwa alkanu Liczba at. Nazwa alkanu 1 metan 7 heptan 2 etan 8 oktan 3 propan 9 nonan 4 butan 10 dekan 5 pentan 11 undekan 6 heksan 12 dodekan hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 12

13 2. NAZEWNITWO (NOMENKLATURA) ALKANÓW Nazwy nierozgałęzionych grup alkilowych powstałych przez odjęcie jednego atomu wodoru od krańcowego atomu węgla - zastępienie końcówki an w nazwie węglowodoru końcówką yl (lub il). Ogólna nazwa grupy R alkil ( 2 ) ( 2 ) metyl etyl propyl heksyl tetradecyl Tworzenie nazw alkanów o łańcuchach rozgałęzionych - wskazówki: Wybrać najdłuższy łańcuch węglowy (łańcuch główny) i nadać mu nazwę zależną od liczby atomów węgla łańcuch główny: butan heksan heptan hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 13

14 NAZEWNITWO (NOMENKLATURA) ALKANÓW Łańcuch główny ma zawierać największą z możliwych liczbę rozgałęzień (podstawników) nieprawidłowy: nieprawidłowy: prawidłowy: 2 podstawniki 3 podstawniki 4 podstawniki Nazwać wszystkie podstawniki połączone z łańcuchem głównym. Przypisać lokanty atomom węgla w łańcuchu głównym pierwszy podstawnik ma posiadać jak najniższy lokant hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW

15 NAZEWNITWO (NOMENKLATURA) ALKANÓW Dwa podstawniki w takiej samej odległości od są obu krańców łańcucha głównego - o kierunku numeracji atomów węgla decyduje kolejność alfabetyczna nazw tych podstawników prawidłowa numeracja (etyl niższy lokant) nieprawidłowa numeracja Nazwy podstawników (łańcuchów bocznych) wymienić w kolejności alfabetycznej przed nazwą łańcucha głównego. Podać właściwy lokant przed nazwą podstawnika etylo-2-metylopentan 5-etylo-2-metylo-4-propyloheptan hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 15

16 NAZEWNITWO (NOMENKLATURA) ALKANÓW Krotność kilku identycznych nierozgałęzionych podstawników zaznaczyć podając przed ich nazwą przedrostek di-, tri-, tetra-, itd.; przedrostki te nie są brane pod uwagę przy ustalaniu kolejności alfabetycznej nazw podstawników ,2-dimetylobutan 2,3,5-trimetylo-4-propyloheptan Wzory i nazwy zwyczajowe wybranych podstawników rozgałęzionych: 3 3 izopropyl 1-metyloetyl 3 32 sec-butyl 1-metylopropyl izobutyl 2-metylopropyl tert-butyl 1,1-dimetyloetyl neopentyl 2,2-dimetylopropyl hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 16

17 NAZEWNITWO (NOMENKLATURA) ALKANÓW Przedrostki di-, tri-, itd. zawarte w nazwie podstawników rozgałęzionych są brane pod uwagę przy ustalaniu ich kolejności alfabetycznej (1,1-dimetyloetylo)-2,4-dimetylooktan Krotność kilku identycznych rozgałęzionych podstawników zaznaczyć podając przed ich nazwą systematyczną przedrostek bis-, tris-, tetrakis-, itd. Jeśli podaje się ich nazwy zwyczajowe, to przed nazwą umieszcza się przedrostki di-, tri-, tetra-, itd hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 17

18 3. ALKANY- WŁAŚIWOŚI FIZYZNE 3.1. ROZPUSZZALNOŚĆ 3.2. GĘSTOŚĆ Ok. 0,7 g/cm 3 ; łatwy podział mieszaniny z wodą, alkan faza górna. hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 18

19 3.3. TEMPERATURA WRZENIA T wrz. [º] n-alkany , izo-alkany hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW Liczba atomów węgla 19

20 3.4. TEMPERATURA TOPNIENIA T topn. [º] parzysta l. at. węgla , nieparzysta l. at. węgla hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW Liczba atomów węgla 20

21 3.5. TEMPERATURA WRZENIA I TOPNIENIA A STOPIEŃ ROZGAŁĘZIENIA ŁAŃUA T wrz T top hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 21

22 4. ALKANY- ŹRÓDŁA POZYSKIWANIA 4.1. GAZ ZIEMNY - 70% metanu, 10% etanu i 15% propanu ROPA NAFTOWA mieszanina alkanów, głównie o łańcuchach nierozgałezionych; cykloalkanów i węglowodorów aromatycznych; także inne związki organiczne zawierające tlen, azot i siarkę. KRAKING REFORMING hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 22

23 5. ALKANY - ZASTOSOWANIA PRAKTYZNE LPG (skrót od ang. Liquefied Petroleum Gas) hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 23

24 5. ALKANY - ZASTOSOWANIA PRAKTYZNE ( 2 ) 5 3 n-heptan (LO=0) izooktan (LO=100) 2,2,4-tri metylopentan mieszaniny mieszaniny hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 24

25 6. IZOMERIA ALKANÓW IZOMERY IZOMERIA KONSTYTUYJNA hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 25

26 7. RZĘDOWOŚĆ ATOMU WĘGLA W ZWIĄZKA ORGANIZNY NA PRZYKŁADZIE ALKANÓW n-heksan 2,3-dimetylobutan 3-metylopentan 2-metylopentan 2,2-dimetylobutan hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 26

27 8. BUDOWA PRZESTRZENNA ALKANÓW 1 109,5 1,10A ,54A 2 3 etan obrót wokół wiązania 2-3 prowadzi do powstania czterech konformerów 3 butan hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 27

28 9. KONFORMAJE ALKANÓW Konformacja hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 28

29 Wykres zmian energii potencjalnej podczas rotacji wokół wiązania 2-3 w butanie Energia potencjalna Kąt obrotu 29 hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW

30 Podstawowe zasady ustalania stopnia utlenienia w związkach kowalencyjnych: I Utlenianie +1 Redukcja - hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 30

31 10. LABORATORYJNE METODY SYNTEZY ALKANÓW METODY POLEGAJĄE NA USUWANIU GRUP FUNKYJNY 10.1.a. KATALITYZNE UWODORNIENIE (redukcja) ALKENÓW propen propan 10.1.b. KATALITYZNE UWODORNIENIE (redukcja) ALKINÓW propyn W obu tych reakcjach - katalizator: Pt (platyna), Pd (pallad) lub Ni-Raneya (nikiel Raneya) hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 31

32 10.2. METODY POLEGAJĄE NA BUDOWIE SZKIELETU WĘGLOWEGO 10.2.a. REAKJA WURTZA (1855 r.) 1-bromobutan halogenenk pierwszorzędowy n-oktan, wyd. ok. 50% Produkty alkany o parzystej liczbie atomów węgla 10.2.b. SPRZĘGANIE ALOGENKÓW (BROMKÓW, JODKÓW) ALKILOWY Z DIALKILOMIEDZIANAMI LITU (REAKJA OREY A-OUSE A) chlorek sec-butylu 3-metyloheptan (70%) 32 hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW

33 11. REAKJE ALKANÓW UTLENIANIE O 2 2O O O 2 2O O 4 + O O O 2 O + 2 O O O O YDROKRAKING KATALITYZNY O O +3-1 O 2, T kat KRAKING KATALITYZNY T kat

34 11.4. ALOGENOWANIE zamiana jednego lub wielu atomów wodoru w alkanie przez atom chlorowca n 2n+2 + X 2 n 2n+1 X + X * Z fluorem reakcja bardzo gwałtowna, nawet w temperaturze pokojowej i bez dostępu światła * Z chlorem i bromem reakcja wymaga stosowania wysokiej temperatury i/lub naświetlania promieniowaniem ultrafioletowym (rekcja metanu z chlorem zachodzi dopiero w temperaturze ok. 300 i po naświetlaniu promieniowaniem ultrafioletowym) * Szereg reaktywności halogenów: F 2 >>l 2 >>Br 2 * Reakcja ma bardzo małe zastosowanie w syntezie organicznej. 34 hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 34

35 11.4.a. LOROWANIE METANU T lub h 4 + 4l 2 l 4 + 4l T podwyższona temperatura (ok. 300 ) h promieniowanie ultrafioletowe l 2, T lub h + l l - l l l l l 2 l - l metan chlorometan dichlorometan l l 2 - l l l l 2 - l l l l trichlorometan tetrachlorometan hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 35

36 11.4.b. MONOLOROWANIE WYŻSZY ALKANÓW powstaje mieszanina monochloropochodnych różnej rzędowości Względna reaktywność atomów wodoru w reakcji chlorowania wolnorodnikowego: 4 : (1 ) : (2 ) : (3 ) = : 1 : 3,8 : 5 2 l chloro-2-m etylobutan l chloro-3-m etylobu tan chlorki 1 - sum arycznie 42% l 2 2-m etylobu tan h l 2-chloro-3-m etylobu tan l 2-chloro-2-m etylobu tan chlorek 2, 35% chlorek 3, 23% hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 36

37 11.4.c. MONOBROMOWANIE WYŻSZY ALKANÓW powstaje mieszanina monobromopochodnych różnej rzędowości 2 Br Br brom o-2-m etylobutan 1-brom o-3-m etylobutan bromek 1 ; 0,34% brom ek 1 ; 0,17% Br 2 2-m etylobutan h bromki1 - sumarycznie 0.51 % Br 2-brom o-3-m etylobutan Br 2-brom o-2-m etylobutan brom ek 2 ; 9,04% brom ek 3 ; 90,45% hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 37

38 TRWAŁOŚĆ RODNIKÓW ALKILOWY hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW

39 39 YLKOALKANY alkany o budowie cyklicznej (zamkniętej); Wzór sumaryczny n 2n hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW

40 NOMENKLATURA YKLOALKANÓW Do nazwy alkanu o tej samej liczbie atomów węgla dodaje się przedrostek cyklo-. Nazwy podstawionych cykloalkanów dodanie nazwy podstawnika przed nazwą odpowiedniego cykloalkanu (pisownia łączna). W nazwach monopodstawionych cykloalkanów nie podaje się lokanta podstawnika Nazwy cykloalkanów posiadających dwa i więcej podstawników atomy węgla w pierścieniu numeruje się kolejno w taki sposób, aby lokanty podstawników były jak najniższe; numerację rozpoczyna się od atomu węgla posiadającego podstawnik, którego nazwa rozpoczyna się na wcześniejszą literę alfabetu 40

41 BUDOWA PIERŚIENIA W YKLOALKANA YKLOPROPAN hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 41

42 YKLOBUTAN 88º YKLOPENTAN 108 hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 42

43 YKLOEKSAN Konformacja krzesłowa hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 43

44 Izomeria geometryczna w cykloalkanach (izomeria cis-trans) lub 3 3 lub hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 44

45 Nazewnictwo wiązań - w konformacji krzesłowej cykloheksanu i inwersja pierścienia cykloheksanu a - wiązania (protony) aksjalne e - wiązania (protony) ekwatorialne Inwersja pierścienia (e) (e) (a) (e) 1 6 (a) 2 (a) (a) 3 5 (a) 4 (e) (a) (e) (e) (a) (a) (e) (a) (e) (e) (e 1 6 (e) ) 5 (e) (a) (e) (a) hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 45

46 Konformacje monopodstawionych pochodnych cykloheksanu na przykładzie metylocykloheksanu hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 46

47 Równowaga konformacyjna w 1,2-dipodstawionym cykloheksanie na przykładzie 1,2-dimetylocykloheksanu is-1,2- Trans-1,2- hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 47

48 Równowaga konformacyjna w 1,3-dipodstawionym cykloheksanie na przykładzie 1,3-dimetylocykloheksanu 3 3 is-1,3- Trans-1,3-3 3 hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 48

49 Równowaga konformacyjna w 1,4-dipodstawionym cykloheksanie na przykładzie 1,4-dimetylocykloheksanu is-1,4- Trans-1,4 hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 49

50 REAKJE YKLOALKANÓW yklopropan Addycja bromu 1,3-dibromopropan propan-1-ol Addycja wody w obecności kwasu siarkowego propan Uwodornienie katalityczne kwas propylosiarkowy Addycja kwasu siarkowego hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 50

51 REAKJE YKLOALKANÓW yklobutan butan ykloalkany o pierścieniach pięcio- i sześcioczłonowych ulegają takim samym reakcjom jak alkany, tj. chlorowaniu i bromowaniu w obecności promieniowania nadfioletowego i/lub w podwyższonej temperaturze. hemia Organiczna, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, Whem PW 51