STRUKTURA określa w jaki sposób poszczególne atomy połączone są w cząsteczce

Transkrypt

1 Jakie zagadnienia będą poruszane podczas zgłębiania chemii związków węgla, czyli chemii organicznej? STRUKTURA określa w jaki sposób poszczególne atomy połączone są w cząsteczce MEANIZM - w jaki sposób i dlaczego zachodzą określone reakcje chemiczne SYNTEZA otrzymywanie nowych związków z zastosowaniem reakcji chemicznych Dlaczego węgiel? Tworzy silne wiązania kowalencyjne ze sobą i innymi atomami. 1

2 Rodzaje wiązań chemicznych Teoria Lewisa (1916) atomy łączą się ze sobą przez przeniesienie (1 lub więcej) elektronów z jednego atomu na drugi wiązanie jonowe lub przez uwspólnienie par elektronowych aby uzyskać stabilną konfigurację elektronową wiązanie kowalencyjne. Wiązanie jonowe: Na + l Na + l 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 1s 2 2s 2 2p 6 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Ne Ar 2

3 Wiązanie kowalencyjne : Wiązanie kowalencyjne niespolaryzowane wiązanie atomowe powstaje gdy różnica elektroujemności w skali Paulinga wynosi: 0 0,4. - 3

4 Elektroujemność Elektroujemność: dążność atomu znajdującego się w cząsteczce związku chemicznego do przyciągania do siebie elektronów. Na ogół małe atomy przyciągają elektrony silniej niż atomy duże. W układzie okresowym: Grupa kres 4

5 Skala elektroujemności według Paulinga: 1 2,2 2 Li Be B N F 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 3 Na Mg Al. Si P S l 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,5 3,0 4 K Br 0,8 2,8 5 Rb I 0,8 2,5 6 s 0,7 5

6 Wiązanie kowalencyjne spolaryzowane: polaryzacja wiązań chemicznych wynika w pierwszym rzędzie z różnej elektroujemności związanych z sobą atomów. W uproszczeniu atom o większej elektroujemności "ściąga" w swoim kierunku chmurę elektronową tworzącą wiązanie na skutek czego uzyskuje cząstkowy ładunek ujemny δ-, zaś atom mniej elektroujemny jest "odsłaniany" i uzyskuje cząstkowy ładunek dodatni δ+. 6

7 Układ dwóch przeciwnych ładunków elektrycznych umieszczonych w pewnej odległości nazywamy dipolem. W rezultacie między atomami powstaje elektryczny moment dipolowy, μ, którego wektor jest skierowany wzdłuż wiązania w kierunku atomu bardziej elektroujemnego. l elektroujemność 2,2 3,5 l μ moment dipolowy 7

8 l l δ+ i δ- oddzielone od siebie długością wiązania l Powstaje dipol o momencie dipolowym = δ l Jednostką μ w układzie SI jest m (kulombometr) zęsto w praktyce stosuje się jednostkę zwaną debajem [D] = 3, m harakterystyczną cechą wszystkich wiązań kowalencyjnych spolaryzowanych jest ich kierunkowość. Każde wiązanie spolaryzowane jest dipolem o określonym momencie dipolowym. 8

9 ząsteczka ma moment dipolowy równy sumie wektorowej momentów dipolowych poszczególnych wiązań. Np. cząsteczki o wzorze AB 2 mogą mieć strukturę: liniową B A B (wówczas μ = 0) np.: 2 lub kątową (wówczas μ > 0) np.: 2 μ = 1,85 D 9

10 Jeżeli dipole wewnątrz cząsteczki znoszą się nawzajem z powodu symetrycznego ułożenia, cząsteczka ma zerowy moment dipolowy. l l l l trwały dipol μ > 0 brak trwałego dipolu μ = 0 10

11 Przykładowe momenty dipolowe: Związek Moment dipolowy [D] Nal 9,0 F 1,91 Br 0,

12 Związek Moment dipolowy [D] BF 3 0 F F B F sp sp 12

13 Związek Moment dipolowy [D].. N 3 1,47 N sp 3 2 1,85 R R R 13

14 Związek Moment dipolowy μ [D] 4 0 sp 3 3 l 1,87 l sp 3 2 l 2 1,55 l l sp 3 l 4 0 l l l l sp 3 14

15 Efekt Indukcyjny Powstały w wyniku polaryzacji dipol oddziałuje przez indukcję (czyli wpływa) na polaryzację wiązań znajdujących się w sąsiedztwie. Efekt indukcyjny ma krótki zasięg i polaryzacyjne działanie podstawników przestaje być wyczuwalne w miejscach cząsteczek oddalonych bardziej niż kilka wiązań od atomu wywołującego polaryzację l > polaryzacja wiązania -l słabszy efekt indukcyjny powoduje (indukuje) polaryzację sąsiedniego wiązania - 15

16 Liczba utworzonych wiązań przez atomy 2 okresu zależy od tego, ile elektronów walencyjnych ma atom danego pierwiastka i tak: atom z 1, 2 lub 3 elektronami walencyjnymi tworzy odpowiednio 1, 2 lub 3 wiązania, natomiast atom z 4 elektronami walencyjnymi, tworzy tyle wiązań, ile elektronów potrzebuje, do osiągnięcia struktury oktetowej (8 elektronów walencyjnych). 16

17 Elektrony walencyjne, wiązania i wolne pary elektronowe. Wolna para elektronowa para elektronów nie tworzących wiązania ATM Elektrony walencyjne Ilość wiązań Ilość wolnych par elektronowych N F 7 1 3,N,,F 2 okres, atomy dążą do uzyskania oktetu 17

18 N 3 (wzór Lewisa ) wolna para elektronowa elektron N elektron N Wzór strukturalny Kekule go niewiążąca para elektronowa N N wiążąca para elektronowa 18

19 Wiązania kowalencyjne wielokrotne Aby zapełnić swoje powłoki walencyjne atomy mogą wspólnie używać więcej niż jednej pary elektronów F N N N 19

20 Wiązania pomiędzy pierwiastkami w związkach organicznych W związkach organicznych atomy węgla mogą tworzyć cztery wiązania (mogą to być wiązania pojedyncze, podwójne lub potrójne). Również łącząc się same ze sobą atomy węgla mogą tworzyć wiązania: pojedyncze podwójne potrójne 20

21 Atomy wodoru tworzą tylko jedno wiązanie l Atomy tlenu tworzą dwa wiązania (mogą to być dwa wiązania pojedyncze, lub jedno wiązanie podwójne). Atomy azotu w związkach organicznych tworzą najczęściej trzy wiązania, z wolną parą elektronową na atomie azotu. N N N 21

22 Możliwe są jednak również przypadki, kiedy atom azotu tworzy więcej niż trzy wiązania, wykorzystując swoją wolną parę elektronową np. w niektórych związkach zawierających tlen. N Atomy F, l, Br, I tak jak wodór tworzą w związkach organicznych wiązania pojedyncze l 22

23 Typy orbitali atomowych: s rbitale atomowe p z y x z y x z y x z y x p x p y p z d d xy d xz d yz d x 2 -y 2 d z 2 23

24 rbitale molekularne (cząsteczkowe) powstają w wyniku: liniowego nałożenia się orbitali atomowych wzdłuż osi łączącej jądra atomów tworzących wiązanie powstaje orbital molekularny σ a wiązanie tak utworzone nazywamy wiązaniem typu σ bocznego nałożenia się orbitali atomowych (dwóch orbitali p) powstaje orbital molekularny π (pi) a wiązanie tak utworzone nazywamy wiązaniem typu π 24

25 Wiązanie typu sigma - - powstaje w wyniku czołowego nałożenia się dwóch orbitali atomowych wzdłuż linii narysowanej między jądrami. + x s s wiązanie s-s np.: w 2 + p p wiązanie p-p w l 2 + s p wiązanie s-p np. w l 25

26 Wiązanie - powstaje w wyniku bocznego nałożenia się dwóch równoległych orbitali atomowych p (niezhybrydyzowanych). p p 26

27 Uzupełnienie elektronów w atomach do oktetu wymaga często utworzenia więcej niż jednej pary elektronów wiążących powstają wówczas wiązania wielokrotne. Wiązanie pojedyncze - jest zawsze wiązaniem typu σ Wiązanie podwójne 1 wiązanie typu σ i 1 wiązanie typu π Wiązanie potrójne 1 wiązanie typu σ i 2 wiązania typu π 27

28 stan podstawowy * stan wzbudzony Energia 2p 2s Energia 2p 2s 1s 1s Węgiel w stanie podstawowym może tworzyć tylko 2 ewentualnie 3 wiązania (jedno koordynacyjne), ale tworzy 4 np. 4 lub l 4. Jak? Zakładamy, że węgiel przechodzi w stan wzbudzony *. 28

29 stan podstawowy * stan wzbudzony Energia 2p 2s Energia 2p 2s 1s 1s 4-2s - 1s wiązanie s-s 2p - 1s wiązanie p-s 2 p - 1s wiązanie p-s 2p - 1s wiązanie p-s 3 wiązania σ takie same p-s i 1 wiązanie σ inne s-s W rzeczywistości 4 identyczne wiązania te same długości. 29

30 Koncepcja hybrydyzacji orbitali Linus Pauling 1931r rbitale powłoki drugiej atomu * ( w stanie wzbudzonym) obsadzone pojedynczymi elektronami ulegają hybrydyzacji (wymieszaniu, uśrednieniu) 30

31 W wyniku zmieszania (połączenia) 4 orbitali atomowych węgla ( jednego 2s i trzech 2p) powstają 4 identyczne zhybrydyzowane orbitale zawierające po 1 elektronie walencyjnym. Energia * 2p 2s sp 3 orbitale atomowe węgla * cztery równocenne zhybrydyzowane orbitale sp 3 31

32 sp 3 hybrydyzacja tetraedryczna ybrydyzację tę ma: N N N N 32

33 4 4 x sp 3 1s 1s 33

34 4 4 x sp 3 1s 4 wiązania - sp3 s 34

35 3 x x x x 1s sp 3 sp 3 35

36 3 x x x x 1s 4 wiązania σ (sp 3 s) 3 - i 1-1 wiązanie σ (sp 3 sp 3 ) - 2 niewiążące pary elektronowe na tlenie na orbitalach sp 3 36

37 ybrydyzacja sp 2 : Energia 2p niezhybrydyzowany orbital p p * 2s sp 2 3 zhybrydyzowane orbitale sp 2 ybrydyzacja sp 2 - hybrydyzacja trygonalna 37

38 ybrydyzację tę przyjmuje: ybrydyzacja sp 2 : N N N 38

39 Wiązanie - powstaje w wyniku bocznego nałożenia się dwóch równoległych orbitali atomowych p (niezhybrydyzowanych). p p 39

40 2 = 2 x 3 orbitale sp 2 3 orbitale sp 2 1 orbital p niezhybrydyzowany 1 orbital p 40

41 wiązanie sp 2 sp 2 x 4 wiązania sp 2 s x s wiązanie p p s x 41

42 Eten (etylen) 2 2 oba - hybrydyzacja sp 2 wiązanie = 1 wiązanie σ (mocniejsze) i 1 wiązanie π (słabsze) wiązanie σ powstaje w wyniku liniowego nałożenia się dwóch orbitali sp 2 wiązanie - powstaje w wyniku bocznego nałożenia się dwóch równoległych niezhybrydyzowanych orbitali atomowych p. x p p 42

43 ybrydyzacja sp: z x y p x p z Energia * 2p 2s 2 niezhybrydyzowane orbitale p sp 2 zhybrydyzowane orbitale sp p ybrydyzacja sp: hybrydyzacja digonalna 43

44 ybrydyzacja sp: ybrydyzację tę przyjmuje: N N N hybrydyzacja sp hybrydyzacja sp 2 44

45 orbital atomowy s hybrydyzacja: sp 3 sp 2 sp N N N N 45

46 Siła (energia, moc) i długości wiązań między atomami węgla Długość wiązań między atomami węgla jest zależna od rodzaju wiązania: wiązanie pojedyncze - w etanie 3 3 długość - ok. 1,54Å i moc 376 kj/mol; wiązanie podwójne = w etenie (etylenie) 2 = 2 jest długość = ok. 1,33 Å i moc 611 kj/mol; wiązanie potrójne w etynie (acetylenie) ma długość ok. 1,20 Å i moc 835 kj/mol; wiązanie σ - moc 376 kj/mol wiązanie π w = moc 235 kj/mol ( ) Wiązanie π w = jest słabsze i łatwiejsze do rozerwania. Proces ten dominuje w chemii alkenów i alkinów - reakcje addycji do = i. 46

47 - Siła (energia, moc) i długość wiązania = (np. w aldehydach) długość 0,143nm (1,43 Å) moc 358 kj/mol 0,122nm(1,22 Å) moc 736 kj/mol wiązanie σ - moc 358 kj/mol wiązanie π w = moc 378 kj/mol ( ) zęste występowanie reakcji addycji / eliminacji w chemii grupy karbonylowej = 47

48 Siła (energia, moc) i długość wiązania Wiązanie Długość (nm) Moc (kj/mol) -F 0, l 0, Br 0, I 0, Wiązania krótsze są zwykle wiązaniami mocniejszymi. 48

49 Rysowanie wzorów strukturalnych 1. Pełen wzór strukturalny: 2. Wzory skrócone (grupowe): ( 3 ) 2 49

50 3. Strukturalne wzory szkieletowe: Atomy węgla się na ogół nie uwidacznia. Zakłada się, że atom węgla znajduje się na każdym - przecięciu dwóch linii (wiązań) - zagięciu - i na końcu każdej linii. Atom węgla można zaznaczyć dla jasności obrazu albo położenia nacisku. 50

51 3. Strukturalne wzory szkieletowe: Atomy wodoru przyłączone do atomu węgla nie są uwidaczniane. Ponieważ atom węgla ma zawsze wartościowość 4, przypisujemy odpowiednią liczbę atomów wodoru każdemu atomowi węgla

52 3. Strukturalne wzory szkieletowe: Atomy inne niż węgiel i wodór są zawsze uwidaczniane. l l

53 N 2 N 2 N 2 53

54 Grupy funkcyjne. Klasy związków. Grupa funkcyjna jest częścią dużej cząsteczki, składa się z atomu lub grupy atomów, które wykazują charakterystyczne zachowanie chemiczne. Dana grupa funkcyjna, z chemicznego punktu widzenia, zachowuje się w ten sam sposób w każdej cząsteczce, której część stanowi. Właściwości każdej cząsteczki organicznej, bez względu na jej wielkość i złożoność, są określone przez grupy funkcyjne, które zawiera. Klasy związków związki zawierające tę samą grupę funkcyjną. 54

55 Grupa funkcyjna z punktu widzenia chemicznego, zachowuje się w ten sam sposób, w każdej cząsteczce, w której się znajduje (np. : podwójne wiązanie w etenie i limonenie). 2 2 eten limonen 55

56 Nazwa klasy związków Struktura grupy funkcyjnej Przykład Przyrostek Nazwa przykładu Alkan R Zawiera jedynie pojedyncze wiązania - i an etan dodekan 2,5,8,11-tetrametylododekan 56

57 Alkan R metan etan propan butan pentan heksan heptan oktan nonan dekan Alkil R 3 - metyl etyl propyl -an -yl ; -il 3 3 izopropyl izobutyl tert-butyl 57

58 Nazwa klasy związków Struktura grupy funkcyjnej Przykład Przyrostek Nazwa przykładu cykloalkan Zawiera jedynie pojedyncze wiązania - i - cykloalkan cyklopropan cyklobutan cyklopentan cykloheksan 58

59 Nazwa klasy związków Struktura grupy funkcyjnej Przykład Przyrostek Nazwa przykładu -en Alken eten (etylen) 3 3 etan 2 = 2 eten (etylen) propan 3 = 2 propen (propylen) butan 2 = buten but-1-en cykloheksen 3 = 3 2-buten but-2-en 59

60 Nazwa klasy związków Struktura grupy funkcyjnej Przykład Przyrostek Nazwa przykładu -in lub yn Alkin etyn (acetylen) 3 propyn butyn but-2-yn butyn but-1-yn 60

61 Nazwa klasy związków Struktura grupy funkcyjnej Przykład Przyrostek Nazwa przykładu Aren związki aromatyczne brak benzen toluen 3 naftalen 61

62 Nazwa klasy związków Struktura grupy funkcyjnej Przykład Przyrostek Nazwa przykładu alogenek RX X l brak chlorometan 3 2 l 3 Br 3 3 F Br 1-bromopropan Br jodoetan bromometan 2-fluoropropan Br 1-bromopentan Br 62

63 Nazwa klasy związków Struktura grupy funkcyjnej Przykład Przyrostek Nazwa przykładu Alkohol R alkan-ol 3 metanol 3 2 etanol 3 () 3 2-propanol propan-2-ol propanol propan-1-ol 3 () butanol butan-2-ol cykloheksanol 63

64 Nazwa klasy związków Struktura grupy funkcyjnej Przykład Przyrostek Nazwa przykładu Fenol Ar Grupa przyłączona bezpośrednio do pierścienia aromatycznego fenol 1-naftol α-naftol 2-naftol β-naftol 64

65 Nazwa klasy związków Struktura grupy funkcyjnej Przykład Przyrostek Nazwa przykładu Eter RR 3 3 eter eter dimetylowy eter dimetylowy eter dietylowy eter etylowo-metylowy 65

66 Nazwa klasy związków Struktura grupy funkcyjnej Przykład Przyrostek Nazwa przykładu Amina RN 2 N N 3 N 2 alkiloamina metyloamina 3 2 N 2 ( 3 ) 2 N ( 3 2 ) 3 N N N 2 N 2 etyloamina dimetyloamina trietyloamina 1-propyloamina 1-butyloamina cykloheksyloamina N N 2 anilina - fenyloamina aminobenzen 66

67 Nazwa klasy związków Struktura grupy funkcyjnej Przykład Przyrostek Nazwa przykładu Nitryl alkano-nitryl RN N 3 N etanonitryl (acetonitryl) 3 N etanonitryl (acetonitryl) 3 2 N propanonitryl 67

68 Nazwa klasy związków Struktura grupy funkcyjnej Przykład Przyrostek Nazwa przykładu Nitrozwiązek RN 2 N brak nitroalkan 3 N 2 nitrometan N 2 2-nitrobutan 68

69 Nazwa klasy związków Struktura grupy funkcyjnej Przykład Przyrostek Nazwa przykładu Sulfid RSR S sulfid 3 S 3 sulfid dimetylowy Tiol RS S alkanotiol 3 S metanotiol 69

70 Nazwa klasy związków Struktura grupy funkcyjnej Przykład Przyrostek Nazwa przykładu Karbonyl Aldehyd R 3 alkanal etanal R 70

71 metanal aldehyd mrówkowy 3 3 etanal aldehyd octowy propanal butanal aldehyd masłowy 71

72 Nazwa klasy związków Struktura grupy funkcyjnej Przykład Przyrostek Nazwa przykładu Karbonyl Keton RR 3 3 alkan-on propanon (aceton) butanon 3-pentanon pentanon pentan-2-on 72

73 Nazwa klasy związków Struktura grupy funkcyjnej Przykład Przyrostek Nazwa przykładu Kwas Karboksylowy R 3 kwas alkanowy kwas etanowy (kwas octowy) kwas metanowy ( mrówkowy) 3 kwas etanowy ( octowy) 3 2 kwas propanowy kwas butanowy (masłowy) 6 5 kwas benzoesowy 73

74 Nazwa klasy związków Struktura grupy funkcyjnej Przykład Przyrostek Nazwa przykładu Ester RR 3 3 alkanian alkilu etanian metylu (octan metylu) 3 3 metanian metylu (mrówczan metylu) etanian etylu (octan etylu) 3 benzoesan metylu propanian metylu 74

75 Nazwa klasy związków Struktura grupy funkcyjnej Przykład Przyrostek Nazwa przykładu Amid RN 2 N 3 N 2 alkanoamid etanoamid (acetamid) N 2 N 2 metanoamid (formamid) 3 2 N N 2 propanoamid N 2 N 2 benzamid amid kwasu benzoesowego 75

76 Nazwa klasy związków Struktura grupy funkcyjnej Przykład Przyrostek Nazwa przykładu hlorek kwasu karboksylowego Rl l chlorek alkanoilu, chlorek acylu, 3 l chlorek etanoilu (chlorek acetylu) l chlorek propanoilu chlorek kwasu propanowego l chlorek acetylu chlorek etanoilu chlorek kwasu octowego chlorek kwasu etanowego 76

77 Nazwa klasy związków Struktura grupy funkcyjnej Przykład Przyrostek Nazwa przykładu Bezwodnik kwasu karboksylowego (R) 2 Bezwodnik kwasu. bezwodnik -owy 3 3 bezwodnik kwasu etanowego bezwodnik octowy ( 3 ) 2 77

78 Zakreśl i nazwij grupy funkcyjne: keton aren amina eter N N kwas karboksylowy nitryl 78

79 etyryzyna jest lekiem przeciwhistaminowym II generacji (Zyrtec, Allertec) aromatyka amina halogenek N N l eter kwas karboksylowy 79

80 Adrenalina alkohol aromatyka N 3 amina fenol 80

81 Metoprolol - kardioselektywny lek należący do grupy β 1 -blokerów, zmniejsza zapotrzebowanie serca na tlen, spowalnia akcję serca oraz obniża skurczowe i rozkurczowe ciśnienie tętnicze. alkohol N amina eter aren eter 81

82 leokantal wyizolowano z oleju z oliwek, jest odpowiedzialny za lekko pieprzny smak oliwy typu extra virgin. aromatyka ester aldehyd fenol alken aldehyd 82

83 Taxol to najbardziej istotny terpen w leczeniu nowotworów ester 3 keton amid aren alken 6 5 N alkohol eter ester 83