PODSTAWY CHEMII ORGANICZNEJ .pdf

PODSTAWY CHEMII ORGANICZNEJ

Opracowanie: dr Urszula Lelek-Borkowska

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

1. Wstęp

Chemia organiczna to chemia związków węgla (oprócz tlenków oraz kwasu węglowego i jego

pochodnych). Istnieje ogromna liczba związków organicznych występujących w przyrodzie oraz syntezowanych

przez człowieka (obecnie > 10 000 000). Wszystkie związki organiczne podlegają jednak kilku podstawowym

zasadom:

atomy węgla w związkach organicznych są zawsze czterowartościowe,

atomy węgla mogą łączyć się trwale w proste lub rozgałęzione łańcuchy o dowolnej długości, tworzyć

pierścienie oraz kombinacje pierścieni i łańcuchów,

atomy węgla mogą łączyć się ze sobą lub atomami innych pierwiastków za pomocą wiązań pojedynczych,

podwójnych lub potrójnych,

elektrony nie uczestniczące w wiązaniach pomiędzy atomami węgla są wykorzystywane do tworzenia

wiązań z innymi pierwiastkami,

każdy związek organiczny charakteryzuje się właściwą sobie budową, określoną przez rodzaj, liczbę i

sposób powiązania tworzących go atomów,

Nazwa związku organicznego musi być dokładna i jednoznaczna , tzn., na jej podstawie można napisać

wzór strukturalny tylko jednego, określonego związku organicznego. Pod jednym wzorem ogólnym może kryć

się kilka związków o różnej strukturze.

Hybrydyzacja atomów węgla i wiązania wielokrotne

Węgiel posiada w stanie wzbudzonym 4 elektrony walencyjne, 1 na orbitalu s i 3 na orbitalu p.

2s 2p

stan podstawowy C:

↑↓

↑

stan wzbudzony

C * :

↑

Powstawanie wiązań wielokrotnych w związkach organicznych możliwe jest dzięki hybrydyzacji (ujednoliceniu

pod względem energetycznym) orbitali walencyjnych atomu węgla.

Hybrydyzacja sp 3

Powstaje w wyniku wymieszania orbitalu s i trzech orbitali p, powstają wówczas cztery równorzędne wiązania

(sigma) – wiązania leżące w jednej linii z jądrami łączących się atomów, np. jak w cząsteczce etanu:

Hybrydyzacja sp 2

Powstaje poprzez nałożenie się dwóch orbitali p i jednego orbitalu s, atom C może wówczas utworzyć trzy

wiązania

i jedno mniej trwałe

(pi) z nałożenia się niezhybrydyzowanych orbitali p, czyli jedno podwójne (

)

i dwa pojedyncze (

) , np. jak w cząsteczce etenu:

Hybrydyzacja sp

Powstaje poprzez nałożenie się jednego orbitalu s i jednego p. Możliwe jest wówczas powstanie wiązania

potrójnego (jedno

i dwa

) oraz pojedynczego pojedyncze, np. jak w cząsteczce etynu:

Charakterystyka wybranych związków organicznych

Podział związków organicznych

Związki organiczne dzielimy ogólnie na: węglowodory – w ich skład wchodzą wyłącznie atomy C i H,

oraz związki z grupami funkcyjnymi, zawierające także atomy innych pierwiastków: O, N, S, itd.

Węglowodory występują w postaci łańcuchowej, jak i cyklicznej, mogą być nasycone (wszystkie

wiązania pomiędzy atomami węgla są pojedyncze – alkany, cykloalkany) lub nienasycone (występują wiązania

wielokrotne – alkeny, alkiny, węglowodory aromatyczne).

Grupy funkcyjne w pozostałych związkach organicznych determinują własności cząsteczki

3.1. Węglowodory

3.1.1. Alkany,cykloalkany

Alkany są węglowodorami nasyconymi – wszystkie wiązania pomiędzy atomami węgla są pojedyncze.

Wzór ogólny C n H 2n+2

Nazewnictwo –an

Szereg homologiczny metan, etan, propan, butan, pentan, heksan, heptan, oktan, nonan, dekan, undekan,

dodekan, tridekan, tetradekan, pentadekan, itd.

Nazwa

wzór ogólny

wzór grupowy

wzór uproszczony

metan

CH 4

−

etan

C 2 H 6

CH 3 –CH 3

–

propan

C 3 H 8

CH 3 –CH 2 –CH 3

CH 3

butan

C 4 H 10

n-butan 2-metylopropa (izobutan)

CH 2

CH 3

CH 2

CH 3

CH 2

CH 3

pentan 2-metylobutan

(izopentan)

CH 3

2,2-dimetylopropan

(neopentan)

pentan

C 5 H 12

CH 3

Począwszy od butanu łańcuch węglowy może się rozgałęziać, występuje zjawisko izomerii, czyli różnic

w budowie lub właściwościach cząsteczek o takim samym składzie atomowym. W przypadku alkanów jest to

izomeria konstytucyjna – rodzaj izomerii cząsteczek chemicznych, posiadających tę samą liczbę tych samych

atomów, między którymi występuje jednak inny układ wiązań chemicznych. Izomery konstytucyjne posiadają ten

sam ogólny wzór sumaryczny. Izomery konstytucyjne mają zbliżone własności chemiczne, różnią się między

sobą własnościami fizycznymi (np. temperaturą wrzenia).

Nazewnictwo alkanów rozgałęzionych:

znajdujemy najdłuższy łańcuch węglowy i numerujemy atomy poczynając od końca z większą ilością

podstawników,

znajdujemy wszystkie podstawniki i podajemy numery atomów C, przy których się znajdują (np. 2,5–metylo,

4–etylo, itp.),

podstawniki szeregujemy wg porządku alfabetycznego:

CH 3

CH 3

CH 2

CH 3

CH CH 2

CH 2

CH 3

4–etylo–2,5–dimetylooktan

CH 2

CH 3

Cykloalkany

cyklopropan

C 3 H 6

cyklobutan

C 4 H 8

cyklopentan

C 5 H 10

cykloheksan

C 6 H 12

struktura krzesełkowa

Otrzymywanie

Alkany uzyskuje się przede wszystkim ze źródeł naturalnych: gazu ziemnego oraz ropy naftowej w procesie

rafinacji.

Właściwości fizyczne

Pierwsze cztery homologi w warunkach normalnych są gazami, C 5 –C 15 są cieczami, C n>15 są ciałami stałymi.

Wszystkie alkany mają gęstość niższą od wody. Są nierozpuszczalne w wodzie, rozpuszczają się w eterze,

benzenie i innych rozpuszczalnikach organicznych. Cyklopropan i cyklobutan są nietrwałe, pozostałe

cykloalkany mają własności podobne do alkanów.

Właściwości chemiczne

Alkany są mało reaktywne ze względu na wysycenie wiązań (wszystkie wiązania są pojedyncze). Ulegają

wyłącznie reakcjom substytucji (podstawiania) za atomy wodoru.

Najważniejsze reakcje:

spalanie do dwutlenku węgla i wody (przy wystarczającym dostępie tlenu), np.:

CO 2 + 2H 2 O

substytucja (podstawianie) halogenowcami (za atomy wodoru) w obecności światła jako katalizatora:

CH 4 + O 2

→

œwiatlo CH 3 –CH 2 –Cl + HCl

etan chloroetan

Zastosowanie

Uzyskiwanie energii z procesów spalania: metan – gaz ziemny, propan–butan – gaz turystyczny, izooktan

(2,2,4–trimetylopentan) – paliwo wzorcowe do wyznaczania liczby oktanowej oraz dodatek do paliwa (liczba

oktanowa określa odporność mieszanki paliwowo-powietrznej na samozapłon i spalanie stukowe, dla izooktanu

wynosi 100); rozpuszczalniki – heksan, halogenowcopochodne – substraty do syntez organicznych.

CH 3 –CH 3 + Cl 2

→

3.1.2. Alkeny,dieny

Alkeny (dieny) są węglowodorami nienasyconymi – w cząsteczce występuje jedno wiązanie podwójne

pomiędzy atomami węgla ( w przypadku dienów – dwa wiązania podwójne).

Wzór ogólny C n H 2n (C n H 2n–2 )

Nazewnictwo –en (–dien)

4 5

Szereg homologiczny eten, propen, buten, penten, butadien, pentadien, itd.

Nazwa

wzór

ogólny

wzór grupowy

wzór uproszczony

eten (etylen)

C 2 H 4

CH 2

propen (propylen)

C 3 H 6

CH 2

CH CH 3

buten

C 4 H 8

CH 2

CH CH 2 CH 3

but–2–en

(2–buten)

C 4 H 8

CH 3

buta–1,3–dien

(1,3–butadien)

C 4 H 6

CH 2

buta–1,2–dien

(1,2–butadien)

C 4 H 6

CH 2

CH 3

W alkenach oprócz izomerii konstytucyjnej (np. różne położenie wiązania podwójnego w butadienie)

występuje także izomeria geometryczna (izomeria trans-cis, izomeria E-Z ) związana z położeniem

podstawników przy wiązaniach wielokrotnych (większe podstawniki po tej samej stronie wiązania podwójnego –

izomeria cis, po przeciwnych stronach – izomeria trans).

CH 3

C C

CH 3

C C

CH 3

cis (Z) but-2-en trans (E) but-2-en

Otrzymywanie

Alkeny otrzymuje się m.in. poprzez eliminację halogenowcowodorów z halogenowcopochodnych alkanów.

CH 3

CH 3 –CH 2 –Cl

→

CH 2 =CH 2 + HCl

Większość alkenów stosowanych w przemyśle pochodzi z przeróbki (krakingu niskociśnieniowego, tzw.

olefinowego) różnych frakcji ropy, głównie benzyny ciężkiej .

Właściwości fizyczne

Alkeny wykazują właściwości fizyczne zbliżone do analogicznych alkanów, w zależności od ilości atomów węgla

w łańcuchu.

Właściwości chemiczne

Alkeny są bardziej reaktywne od alkanów ze względu na obecność wiązania podwójnego, które pęka i daje

możliwość przyłączania (addycji) innych cząsteczek. Ulegają także reakcjom polimeryzacji addycyjnej.

C C

Najważniejsze reakcje:

addycja cząsteczki wodoru (uwodornienie):

CH 2 =CH 2 + H 2

→

CH 3 –CH 3

addycja cząsteczki halogenowca:

CH 2

F 2

CH 2

1,2–difluoroetan

addycja cząsteczki halogenowcowodoru:

CH 2 =CH 2 + HBr

CH 3 –CH 2 –Br

bromoetan

→

addycja cząsteczki wody:

CH 2 =CH 2 + H 2 O

CH 3 –CH 2 –OH

etanol

→

Zastosowanie

Alkeny mają zastosowanie przede wszystkim w syntezach organicznych i polimeryzacji. Największe

zastosowanie jako substrat ma etylen, otrzymuje się z niego między innymi: polietylen (PE), polichlorek winylu

(PCW), rozpuszczalniki, leki, włókna syntetyczne, żywice, farby, kleje, polistyren, itp.

3.1.3. Alkiny

W cząsteczce alkinów występuje jedno wiązanie potrójne, są więc węglowodorami nienasyconymi.

Wzór ogólny C n H 2n–2

Nazewnictwo –yn (–in)

Szereg homologiczny etyn, propyn, butyn, pentyn, itd.

Nazwa

wzór ogólny

wzór grupowy

wzór uproszczony

etyn (acetylen)

C 2 H 2

–

propyn

C 3 H 4

CCH 3

butyn

C 4 H 6

CH 2

CH 3

but–2–yn (2–butyn)

C 4 H 6

CH 3

Otrzymywanie

Acetylen otrzymuje się w reakcji karbidu (CaC 2 – węgliku wapnia) z wodą:

CH + Ca(OH) 2

karbid etyn

(acetylen)

Właściwości fizyczne

Pierwsze homologi są bezbarwnymi, wybuchowymi gazami o charakterystycznym zapachu.

Właściwości chemiczne

Alkiny są jeszcze bardziej reaktywne od alkenów ze względu na mniejszą trwałość wiązania potrójnego i również

ulegają reakcjom addycji .

Najważniejsze reakcje:

spalanie:

+ H 2 O

→

≡

CH +

5 O 2

→

CO 2 + H 2 O

addycja cząsteczki wodoru (uwodornianie) do etenu, w dalszym etapie do etanu:

≡

CH + H 2

→

CH 2 =CH 2 + H 2

→

CH 3 –CH 3

addycja cząsteczki halogenowca:

Br–CH=CH–Br

1,2–dibromoeten

addycja cząsteczki halogenowcowodoru:

≡

CH + Br 2

→

CH 2 =CH–I

jodoeten

(jodek winylu)

≡

CH + HI

→

addycja cząsteczki wody:

H 2 O

CH 3

C H

aldehyd octowy

Zastosowanie

Największe zastosowanie posiada etyn, stosowany jest przede wszystkim w palnikach acetylenowo-tlenowych

do spawania i cięcia metali (osiąga temp. 2700 o C) , służy także do produkcji tworzyw sztucznych.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: