Podział związków organicznych

Transkrypt

1 Podział związków organicznych węglowodory związki jednofunkcyjne związki wielofunkcyjne alifatyczne nasycone aromatyczne nienasycone halogenki alkilowe alkohole fenole etery aldehydy ketony aminy kwasy karboksylowe aminokwasy peptydy cukry alkany cykloalkany alkeny alkiny

2 Alkohole Alkohole związki organiczne o wzorze ogólnym -, czyli substancje w których jeden lub więcej atomów wodoru w węglowodorze alifatycznym zostało zastąpione grupą - (wodorotlenową, hydroksylową). Wiązanie pojedyncze węgiel-tlen w alkoholach jest spolaryzowane (tlen jest bardziej elektroujemny niż węgiel) δ + δ - Przykłady: metanol alkohol metylowy 2-propanol izopropanol 1,2,3-propanotriol gliceryna

3 alkohole pierwszorzędowe 1 o drugorzędowe 2 o trzeciorzędowe 3 o etanol 2-propanol 2-metylo-2-propanol

4 Właściwości fizyczne wybranych alkoholi. azwa (rzędowość) Wzór T. wrz., [ o ] Gęstość, [g/cm 3 ] ozp. [g/100 g wody] metanol (1 o ) 3 64,5 0,793 etanol (1 o ) ,3 0,789 1-propanol (1 o ) ,0 0,804 2-propanol (2 o ) ( 3 ) 2 82,5 0,789 1-butanol (1 o ) 3 ( 2 ) ,0 0,810 7,9 2-butanol (2 o ) ,5 0,806 12,5 2-metylo-1-propanol (1 o ) ( 3 ) ,0 0,802 10,0 2-metylo-2-propanol (3 o ) ( 3 ) 3 83,0 0,789 cyklopentanol (2 o ) ,0 0,949 ~10 cykloheksanol (2 o ) ,5 0,962 3,6 Wnioski: wysokie temperatury wrzenia w porównaniu do węglowodorów alifatycznych gęstość mniejsza od 1 g/cm 3 (mniejsza niż gęstość wody) alkohole zawierające do około 4 atomów węgla w łańcuchu rozpuszczają się w wodzie bez ograniczeń ( )

5 Własności fizyczne alkoholi łańcuch alifatyczny ma charakter niepolarny zęść hydrofobowa grupa hydroksylowa ( ) ma charakter silnie polarny zęść hydrofilowa becność grupy hydroksylowej decyduje o wysokiej polarności alkoholi i ich zdolność do tworzenia wiązań wodorowych.

6 Wiązanie wodorowe w alkoholach i ich roztworach wodnych Alkohole tworzą asocjaty poprzez wiązania wodorowe dparowanie alkoholu wymaga dostarczenia dodatkowej energii potrzebnej do rozerwania wiązań wodorowych. Stąd ich wyższe temperatury wrzenia w porównaniu do węglowodorów. Alkohole w roztworach wodnych są solwatowane cząsteczkami 2 Tworzenie wiązań wodorowych pomiędzy wodą a alkoholem powoduje, że alkohole zawierające do 4 atomów węgla doskonale rozpuszczają się w wodzie.

7 Podstawowe reakcje alkoholi ozerwanie wiązania ozerwanie wiązania Alkohole jako kwasy Atom wodoru w grupie - cząsteczki alkoholu związany jest bezpośrednio z silnie elektroujemnym atomem tlenu i dzięki temu wykazuje właściwości kwasowe. Kwasowy charakter alkoholi powoduje łatwość ich reakcji z metalami np.: a, K, Mg, a, Al a 2 a + [ 3 ] K 2 K + [ 3 2 ] + 2

8 ozerwanie wiązania 1. eakcja z halogenowodorami l 3 3 l l l mechanizm S 1 lub S 2 2. eakcja dehydratacji

9 Utlenianie alkoholi Utlenianie alkoholi 1 -rzędowych utlenianie do aldehydów (mieszaniną K 2 r 2 7 i rozcieńczonego 2 S 4 ) bezpośrednie utlenianie do kwasów karboksylowych (ogrzewanie z roztworem KMn 4 ). b) a) alkohol 1 o aldehyd kwas karboksylowy Utlenianie alkoholi 2 -rzędowych alkohole drugorzędowe utleniają się do ketonów (mieszaniną K 2 r 2 7 i rozcieńczonego 2 S 4 ). 3 2 [] alkohol 2 o keton Utlenianie alkoholi 3 -rzędowych eakcja nie zachodzi. alkohol 3 o []

10 Fenole Fenole (Ar-) to związki organiczne, w których grupa funkcyjna jest bezpośrednio połączona z pierścieniem aromatycznym. Przykłady fenoli i ich powszechnie stosowanych nazw zwyczajowych: 3 fenol pirokatechina hydrochinon meta-krezol Fenole wyodrębnia się w oddzielną klasę związków od alkoholi z powodu ich większej kwasowości. Wartość pk a, fenolu wynosi 9,9, a więc jest on o kilka rzędów wielkości silniejszym kwasem niż alkohole.

11 Fenole porównanie właściwości kwasowych Szereg kwasowości: alkohole < 2 < fenole < 2 3 < kwasy karboksylowe Alkohole wykazują słabsze właściwości kwasowe od wody, nie reagują z zasadami: 3 + a reakcja nie zachodzi Fenole są kwasami znacznie silniejszymi od wody i alkoholi, ale słabszymi od kwasu węglowego (nie wypierają 2 z węglanów). ozpuszczają się w wodnych roztworach zasad tworząc fenolany: a a+ + 2

12 Podsumowanie właściwości kwasowych -, Ar- i - a a a 2 3 Alkohole: reagują nie reagują nie reagują Fenole: reagują reagują nie reagują Kwasy: reagują reagują reagują zapis zachodzących reakcji: a 2 a + [- - ] Ar- + 2 a 2 a + [Ar- - ] a 2 a + [- - ] + 2 Ar- + a a + [- - ] a a + [- - ] a a + [- - ]

13 Aminy Aminy związki organiczne pochodne amoniaku, w którym jeden lub więcej atomów wodoru zastąpione zostało podstawnikami alifatycznymi () lub aromatycznymi (Ar) podział na aminy alifatyczne i aromatyczne. W zależności od liczby podstawników związanych z atomem azotu rozróżniamy aminy o różnej rzędowości. amoniak aminy 1 o rzędowe 2 o rzędowe 3 o rzędowe

14 Aminy - przykłady aminy alifatyczne aromatyczne 3 metyloamina anilina dietyloamina 3 3,-dimetyloanilina pirydyna

15 Aminy właściwości fizyczne Podobnie jak amoniak aminy mogą tworzyć wiązania wodorowe między własnymi cząsteczkami (niższe temperatury wrzenia niż odpowiadające im alkohole ) a także z wodą (dobrze rozpuszczalne w wodzie). 1.. Możliwość tworzenia większej liczby wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami aminy 1 o powoduje, że mają one wyższą temperaturę wrzenia od izomerycznych amin 2 o i 3 o rzędowych Możliwość tworzenia większej liczby wiązań wodorowych typu - i - z wodą powoduje, że rozpuszczalność w wodzie amin 1 o jest lepsza od izomerycznych amin 2 o i 3 o rzędowych

16 Aminy właściwości chemiczne 1) eakcje z kwasami: Atom azotu w cząsteczce aminy, podobnie jak i w cząsteczce amoniaku posiada wolną parę elektronową, co sprawia, że może on być: a) donorem elektronów (zasadą Lewisa) dla odpowiednich grup lub jonów; np. nukleofilem w reakcjach S 2. b) akceptorem kationu wodorowego + (zasadą Brönsteda) reaguje z kwasami tworząc sole amonowe, np: + l l Br + Br 2) eakcje amin ze związkami karbonylowymi Aminy reagują ze związkami zawierającymi w cząsteczce grupę karbonylową aldehydami lub ketonami tworząc tzw. zasady Schiffa kwasami karboksylowymi tworząc peptydy

17 Zasadowe właściwości amin Aminy alifatyczne Grupy alkilowe zwiększają zasadowość amin. Dlatego aminy pierwszorzędowe są silniejszymi zasadami od amoniaku, a aminy drugorzędowe od amin pierwszorzędowych Br + 3 reakcja nie zachodzi Aminy aromatyczne Sprzężenie wolnej pary elektronowej atomu azotu z elektronami pierścienia aromatycznego powoduje, że aminy aromatyczne są słabszymi zasadami od amoniaku. Dlatego aminy aromatyczne w odróżnieniu od alifatycznych mogą być wyparte z ich soli za pomocą amoniaku. + Br Br - 3

18 Etery Etery są związkami o wzorze ogólnym --,gdzie symbole i oznaczać mogą zarówno podstawnik alifatyczny jak i aromatyczny. harakteryzują się dużą lotnością (porównywalną z alkanami) i słabą rozpuszczalnością w wodzie (tworzą bardzo słabe wiązania wodorowe). etery łańcuchowe cykliczne proste (symetryczne) mieszane (niesymetryczne) oksiran eter dietylowy tetrahydrofuran eter difenylowy 3 eter metylowo tert-butylowy furan

19 Związki karbonylowe Grupa karbonylowa (>=). Element strukturalny, w którym atom węgla łączy się z atomem tlenu wiązaniem podwójnym (σ+π). Wiązanie karbonylowe jest spolaryzowane w stronę bardziej elektroujemnego atomu tlenu i w ten sposób na atomie węgla występuje cząstkowy ładunek dodatni. 3 δ + 3 δ

20 Aldehydy i ketony Aldehydy i ketony łącznie stanowią klasę związków określonych jako związki karbonylowe. Wspólnym elementem ich budowy jest grupa karbonylowa >=, która w znacznym stopniu określa ich właściwości chemiczne. Aldehydy: 32 Ketony:

21 Addycja nukleofilowa do grupy karbonylowej ajważniejszą reakcją grupy karbonylowej jest reakcja addycji nukleofilowej. δ + - u δ u 2 - u - + eakcja addycji do grupy karbonylowej przebiega z rozerwaniem wiązania π według mechanizmu nukleofilowego, tzn. że pierwszym i zasadniczym etapem reakcji jest atak odczynnika nukleofilowego (o charakterze zasady Lewisa) na węgiel grupy karbonylowej wykazujący cząstkowy ładunek dodatni (deficyt elektronowy), a wynikający z polaryzacji grupy karbonylowej. Elektron z odczynnika nukleofilowego i jeden z elektronów wiązania π tworzą nowe wiązanie węgiel-nukleofil, a drugi elektron wiązania π pozostaje na tlenie i tworzy najczęściej nowe wiązanie tlen-wodór pobierając kation wodorowy ze środowiska reakcji.

22 Przykład addycji nukleofilowej tworzenie hemiacetali i acetali Produktem addycji nukleofilowej alkoholu do grupy aldehydowej jest hemiacetal (półacetal) hemiacetal 2 3 W obecności kwasu hemiacetal może przeragować z drugą cząsteczką alkoholu tworząc acetal / hemiacetal 3 acetal 3

23 Inne reakcje związków karbonylowych utlenianie i redukcja 1) Aldehydy w odróżnieniu od ketonów łatwo ulegają utlenieniu do kwasów karboksylowych. zynnikiem utleniającym oprócz KMn 4, K 2 r 2 7 mogą być bardzo łagodne reagenty, takie jak jak odczynnik: Tollensa (Ag( 3 ) 2+ ) lub Fehlinga (u 2+ ) 3 [Ag( 3 ) 2 ] Ag 3 u u 2 Próba Tollensa Próba Fehlinga 2) Zarówno aldehydy jak i ketony ulegają reakcjom redukcji do alkoholi LiAl 4

24 Kwasy karboksylowe Do tej klasy zaliczamy związki zawierające grupę karboksylową, zapisywaną w skrócie jako połączoną albo z grupą alkilową () albo grupą arylową Ar (Ar). δ - δ + - δ + δ - Związki karboksylowe wykazują wyraźnie zaznaczone właściwości kwasowe wynikające ze znacznej polaryzacji wiązania - wzmocnionej dodatkowo (w porównaniu np. z alkoholami) ściąganiem elektronów przez grupę karbonylową. Dodatkową przyczyną znacznej kwasowości grupy karboksylowej jest stabilizacja anionu przez zdelokalizowany układ wiązań wynikający z obecności dwóch struktur rezonansowych

25 Kwasy karboksylowe - przykłady kwasy alifatyczne mrówkowy octowy propionowy masłowy kwasy aromatyczne benzoesowy salicylowy

26 Własności fizyczne Kwasy karboksylowe są związkami polarnymi i podobnie jak alkohole silnie zasocjowanymi stąd wysoka temperatura wrzenia wywołana tworzeniem wiązań wodorowych. -asocjacja pomiędzy cząsteczkami kwasów karboksylowych -asocjacja pomiędzy wodą i kwasem kwasy karboksylowe 1-4 łatwo są rozpuszczalne w wodzie kwas walerianowy (5) rozpuszcza się częściowo,wyższe homologi kwasów są praktycznie nierozpuszczalne.

27 Kwasy karboksylowe właściwości chemiczne a) eakcje wodoru grupy hydroksylowej Działanie na metale Zn Zn 2+ [ ( 3 - ) eakcja z wodorotlenkami i węglanami 3 + a 3 a a a + [( 3 )]

28 Kwasy karboksylowe właściwości chemiczne b) eakcje polegające na wymianie grupy na inną grupę (np. w reakcji z alkoholami prowadzi do syntezy estrów) estry można otrzymać przez ogrzewanie kwasu karboksylowego z alkoholem reakcja przebiega z udziałem katalizatora (np. kwasu siarkowego). reakcja ta jest odwracalna i osiąga stan równowagi między substratami i produktami ten sam katalizator - jon wodorowy, który katalizuje reakcję estryfikacji, jednocześnie katalizuje reakcję odwrotną- hydrolizę

29 Ważne estry Woski są to estry nasyconych kwasów tłuszczowych (nierozgałęzionych kwasów karboksylowych zawierających ponad 15 atomów węgla w łańcuchu) i alkoholi o prostych, długich łańcuchach (do około 30 atomów węgla). i 1-16 do 31 1 Tłuszcze są estrami różnych kwasów karboksylowych oraz jednego tylko alkoholu trójwodorotlenowego gliceryny. Stąd ogólna ich nazwa glicerydy triacylowy ester gliceryny (gliceryd) (przeważnie)

30 Pochodne kwasów karboksylowych Są to związki, w których grupa w grupie karboksylowej została zastąpiona odpowiednim ugrupowaniem l (chlorki kwasowe), (=) (bezwodniki), 2 (amidy), (estry). Estry ( ) hlorki kwasowe ( l) l Amidy ( 2 ) Bezwodniki kwasowe

31 Aminokwasy Aminokwasy to związki wielofunkcyjne posiadające w swojej budowie co najmniej dwie grupy funkcyjne: karboksylową i aminową: grupa karboksylowa grupa aminowa jon obojnaczy (zwitterjon) przykładowe aminokwasy: Glicyna Gly Alanina Ala Walina val

32 Peptydy ajistotniejszą reakcją aminokwasów jest ich zdolność do łączenia w związki o charakterze polimerycznym tzw. peptydy za pomocą wiązania peptydowego (=)--. Wiązanie peptydowe powstaje z wykorzystaniem grupy karboksylowej i aminowej dwóch cząsteczek aminokwasów kat Gly Ala Gly-Ala (dipeptyd) Ponieważ w cząsteczce dipeptydu pozostaje wolna grupa aminowa i karboksylowa, istnieje możliwość dalszego łączenia się z kolejnymi aminokwasami tworząc struktury łańcuchowe: tripeptydy, tetrapeptydy itd białka Ala-Gly-Ala-Val (tetrapeptyd) ligopeptydy: 2-10 aminokwasów Polipeptydy: aminokwasów Białka: > 100 aminokwasów

33 ukry (sacharydy, węglowodany) ukry to związki wielofunkcyjne zawierające obok (przeważnie kilku) grup hydroksylowych grupę aldehydową lub ketonową. Z tego względu cukry dzielimy na aldozy i ketozy. 2 D-glukoza 2 2 D-fruktoza

34 Struktura łańcuchowa i pierścieniowa węglowodanów 2 2 D-glukoza 2 δ + δ - 2 * * α-d-glukopiranoza β-d-glukopiranoza W wyniku zamknięcia pierścienia węgiel (1) staje się węglem asymetrycznym (*), w związku z czym powstają 2 izomery optyczne D-glukozy tj. α- i β-d-glukoza.

35 Przykładowe pytania na zaliczenie: arysuj dwa izomery butanu (alkanu o wzorze sumarycznym 4 10 ). Dokończ reakcje i podaj nazwę mechanizmu wg którego zachodzi reakcja: a) b) 3 Br c) + Br Br Które z alkoholi rozpuszczają się w wodzie bez ograniczeń. o jest tego przyczyną? arysuj wzór strukturalny alkanu 2 o i 3 o -rzędowego zawierającego 4 atomy węgla w łańcuchu alifatycznym. Uzupełnij rekacje: d) a + a S 4 Wyjaśnij dlaczego aminy mają wyższe temperatury wrzenia od analogicznych węglowodorów nasyconych. Wyjaśnij znaczną lotność eterów w porównaniu do analogicznych alkoholi. Podaj przykład aminy 1 o i 2 o -rzędowej. arysuj ich wzory strukturalne. Podaj przykłady reakcji, w w których można rozróżnić alkohole 1 o, 2 o i 3 o rzędowe. Uzupełnij reakcje: 3 [Ag( 3 ) 2 ] +

36 2- Dokończ równanie reakcji: Wyjaśnij przyczyny znacznej kwasowości wodoru grupy karboksylowej Dokończ reakcję: Jakie grupy funkcyjne wchodzą w skład cukrów. Do jakiej grupy związków należą cukry o zamkniętych pierścieniach (po reakcji grupy aldehydowej i hydroksylowej) Jakie wiązanie tworzy się po reakcji grupy karboksylowej i aminowej pochodzącej z dwóch cząsteczek aminokwasów. Glicyna (Gly) to aminokwas o wzorze 2 2. arysuj wzór strukturalny dipeptydu Gly-Gly oraz zaznacz wiązanie peptydowe. Wskaż grupy funkcyjne w cząsteczkach: Wskaż miejsca elektrofilowe w drobinie: zapach konwaliowy Które z drobin posiadają właściwości nukleofilowe, a które elektrofilowe: 3 l 3 3 Atenolol (lek na nadciśnienie) 3 l - Br