Cwiczenie 5.doc

(190 KB) Pobierz
Ćwiczenie 4

Ćwiczenie nr 5

dr Marta Struga

Analiza jakościowa związków organicznych

 

Repetytorium

1.              Budowa przestrzenna (stereochemia) związków organicznych (konformacja,izomeria, tautomeria, metameria i izomeria optyczna).

2.              Jakościowa analiza organiczna:

A/ określenie czystości i jednorodności  badanej substancji

B/  oznaczanie pierwiastków wchodzących w skład związku organicznego

C/ badanie rozpuszczalności związku

D/ reakcje charakterystyczne grup funkcyjnych w związkach organicznych

E/ metody fizyczne analizy związków organicznych.

Część praktyczna

1.              Próba Lassaigne’a.

2.              Wykrywanie grup funkcyjnych w związkach organicznych (wiązania wielokrotne, alkohole i fenole, aldehydy, kwasy karboksylowe, ketony, aminy – rozróżnianie rzędowości amin).

3.         Analiza dwóch substancji organicznych.

 

Repetytorium

Chemia organiczna jest chemią związków węgla. Dla zakwalifikowania substancji do związków organicznych należy stwierdzić, czy ulega ona spaleniu lub zwęgleniu. Związki organiczne są mało odporne na działanie wysokich temperatur. Podczas ogrzewania w atmosferze beztlenowej rozkładają się na pierwiastki  lub proste związki nieorganiczne (CO, CO2, H2O itp.). Im bardziej jest złożona budowa związku organicznego tym łatwiej następuje jego rozkład. Każdy związek organiczny ogrzewany w tlenie lub powietrzu ulega utlenieniu. Często reakcja ma gwałtowny przebieg (spalanie). Węgiel zawarty w związku przechodzi wówczas
w CO2, wodór w H2O.

  Nawet w stosunkowo małych cząsteczkach organicznych rozmieszczenie atomów może być bardzo skomplikowane. Dlatego jednym z głównych problemów chemii organicznej jest poznanie względnego rozmieszczenia atomów w cząsteczce, czyli określenie struktury związku.

 

1. Budowa przestrzenna (stereochemia) związków organicznych       Konformacja to sposób ułożenia atomów i grup atomowych wokół pojedynczego wiązania. Konformacja jest spowodowana zahamowaniem wolnego obrotu wokół osi pojedynczego wiązania C-C, wskutek czego w cząsteczce może zaistnieć kilka rodzajów ułożenia atomów i grup atomowych. Najtrwalsza konformacja odpowiada najmniejszej energii wewnętrznej cząsteczki. Przykładem konformacji jest postać łódkowa i krzesłowa cykloheksanu lub konformacja butanu.

 

Izomeria jest to zjawisko istnienia związków chemicznych o identycznym wzorze sumarycznym lecz różnej strukturze cząsteczek. Związki spełniające ten warunek noszą nazwę izomerów, różnią się właściwościami chemicznymi
i fizycznymi z wyjątkiem masy molowej. Gdy cząsteczki izomerów stanowią odbicia lustrzane (enancjomery), wówczas różnice właściwości są ograniczone do skręcalności płaszczyzny światła spolaryzowanego i reaktywności z innymi związkami optycznie czynnymi.

Rozróżniamy dwa typy izomerii:  strukturalną i przestrzenną

Izomeria strukturalna                              Izomeria przestrzenna (stereoizomeria):

(konstytucyjna):                           

izomeria łańcuchowa                                 izomeria geometryczna (cis-trans)

izomeria podstawienia (położenia)            izomeria optyczna

izomeria funkcyjna (metameria) 

tautomeria

 

Izomeria łańcuchowa –     polegająca      na      odmiennej      konstytucji       łańcucha,

np. n-butan i  izobutan

 

                 

 

 

Izomeria podstawienia –      polegająca       na       różnej        pozycji     zajmowanej

przez      podstawnik       (grupę     funkcyjną    lub    atom    inny   niż     wodór),

   np. 1-chlorobutan i 2-chlorobutan:

 

 

 

Izomeria funkcyjna (metameria) – spowodowana obecnością różnych grup funkcyjnych , np. aldehyd i keton

       Aldehyd propionowy                     Aceton

 

lub np.  propyloamina i N-metlylo-etyloamina

                  

 

Tautomeria – zjawisko     wzajemnego     przemieszczania   się   protonu   i       wiązania

podwójnego    w obrębie     tego samego    związku. np. tautomeria keto-enolowa kwasu

pirogronowego.

                              

                                                          dwie formy kwasu pirogronowego

 

Tautomeria amino-iminowa występuje w zasadach pirymidynowych - związkach

heterocyklicznych mających ważne znaczenie biologiczne.

 

Izomeria  geometryczna jest następstwem występowania wiązania podwójnego

którego sztywność  wyklucza obrót wokół niego.   Izomery geometryczne charakteryzują

się    identyczną    strukturą,    różnią  się konfiguracją (rozmieszczeniem przestrzennym

atomów),  co  jest  przyczyną   różnych   właściwości  fizykochemicznych.  Atomy  węgla

połączone   wiązaniem  podwójnym   wraz    ze     związanymi    z    nimi    bezpośrednio

podstawnikami   leżą  w  jednej  płaszczyźnie,  zaś  płaszczyzna  wiązania   Π jest do niej

prostopadła.   Izomer   cis zawiera jednakowe podstawniki po jednej stronie płaszczyzny

wiązania Π, zaś izomer trans po przeciwnych.

 

 

Szczególnym przypadkiem izomerii cis-trans jest izomeria syn-anti i dotyczy wiązań typu –C=N- lub też  -N=N-, np. dwuazany:

 

Izomeria optyczna 

Jest to rodzaj stereoizomerii spowodowany chiralną  budową cząsteczki. Chiralność jest to nieidentyczność z własnym odbiciem w płaskim zwierciadle. Warunkiem koniecznym i wystarczającym do wystąpienia izomerii optycznej związków chemicznych jest obecność centrum chiralności w cząsteczce. Najczęściej centrum chiralności  stanowi asymetryczny atom węgla czyli atom związany z czterema różnymi podstawnikami. Asymetryczne mogą być także atomy innych pierwiastków, jak: Si, N, P, As, S. Aktywność optyczną mogą wykazywać także cząsteczki chiralne, nie zawierające asymetrycznego atomu (tzw. chiralność cząsteczkowa). Przykłdem mogą być ortopodstawione układy bifenylowe.

Związki chemiczne, których cząsteczki stanowią odbicie lustrzane noszą nazwę enancjomerów. Budowę przestrzenną izomerów tego typu przedstawia się wzorami przestrzennymi lub wzorami Fischera.

Odmiany enancjomeryczne kwasu mlekowego (wzory Fischera).

Wszystkie związki o cząsteczkach chiralnych wykazują czynność optyczną (aktywność optyczną) – cechę polegającą na skręcaniu płaszczyzny polaryzacji światła przechodzącego przez tę substancję. Każdy z enancjomerów skręca płaszczyznę polaryzacji w przeciwnym kierunku, ale o taki sam kąt. Oprócz skręcalności optycznej, enancjomery różnią się szybkością reakcji ze związkami optycznie czynnymi. Inne właściwości chemiczne i fizyczne są identyczne.

Równomolowa mieszanina enancjomerów nosi nazwę racematu.

Maksymalna liczba stereoizomerów wynosi 2n, gdzie n jest to liczba asymetrycznych atomów węgla. Jeżeli w cząsteczce są 2 asymetryczne atomy węgla mogą istnieć 4 izomery.

 



           para enancjomerów                                     para enancjomerów

 

Ponieważ cząsteczka może mieć tylko jeden obraz lustrzany, zatem wśród czterech izomerów istnieją dwie pary enancjomeryczne (I i II oraz III i IV), natomiast pary I – III, I – IV, II – III nie stanowią odbić lustrzanych (nie są enancjomerami) i różnią się właściwościami chemicznymi i fizycznymi podobnie jak izomery konstytucyjne. Stereoizomery nie będące enancjomerami noszą nazwę diastereoizomerów.

Gdy trzy grupy związane z pierwszym atomem asymetrycznym są takie same jak grupy związane z drugim, wówczas liczba izomerów wynosi 3, ponieważ jeden izomer, zwany odmianą mezo, ma płaszczyznę symetrii i wskutek tego jest achiralny a więc optycznie nieczynny, pomimo że ma dwa asymetryczne atomy węgla. Typowym przykładem jest kwas winowy.

 

Konfiguracja absolutna R, S (konfiguracja bezwzględna) to jednoznaczny sposób rozróżniania i nazewnictwa izomerów optycznych, a ściśle biorąc ustalania rzeczywistej konfiguracji podstawników przy centrach chiralności w enancjomerach i diastereoizomerach.

Cztery grupy związane z centrum chiralnosci układa się w kolejności pierszeństwa, ustalonego w sposób opisany poniżej B → C → D → A. Na atom chirany patrzy się od strony przeciwnej w stosunku do grupy A. Jeżeli pozostałe grupy (D → C → B) układają się zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara konfigurację określa się literą R (od łac. rectus – prawy). Jeżeli układają się przeciwnie, konfigurację określa się literą S (od łac. sinister – lewy).

Zasady ustalania kolejności podstawników:

1. O kolejności decyduje w pierwszej instacji liczba atomowa (l.a) atomu podstawnika, który jest bezpośrednio przyłączony do centrum chiralności. Oznacza to np: że w sytuacji, gdy podstawniki są czterema różnymi pojedynczymi atomami (np: jod (I, l.a = 57), brom (Br, l.a = 35), chlor (Cl, l.a= 17), wodór (H, l.a = 1) ich kolejność jest następująca: I > Br > Cl > H.

2. Jeśli podstawniki łączą się z centrum chiralności tymi samymi atomami, to należy wziąć pod uwagę kolejne atomy przyłączone bezpośrednio do atomu, którym cały podstawnik łączy się z centrum chiralności. Jeśli i te mają tę samę liczbę atomową, należy wziąć pod uwagę kolejne, dalsze atomy, aż w końcu dojdzie się do takiej pary atomów, z których jeden ma większą liczbę atomową od drugiego.

3. gdy dalsze atomy są połączone wiązaniami wielokrotnymi, liczy się się je jakby były połączone wiązaniami pojedynczymi, tyle że wiele razy. Oznacza to np. że gdy mamy dwa podstawniki -A=B i -A-B, podstawnik -A=B będzie pierwszy gdyż A łączy się z atomem B "dwa razy" podczas gdy podstawnik -A-B tylko "raz". 

5. gdy w podstawniku występują ugrupowania cykliczne, a wcześniejsze reguły nie pozwoliły ustalić kolejności, przed "dotarciem" do układu cyklicznego, stosuje się zasadę, że o kolejności decyduje "dotarcie" do pary dwóch różnych atomów po jak najkrótszej drodze (przechodząc przez jak najmniejszą liczbę wiązań chemicznych).

 

1.      Jakościowa analiza organiczna

Potwierdzenie tożsamości związku organicznego dokonuje się na podstawie danych fizykochemicznych (temperatura topnienia lub wrzenia, współczynnik załamania światła, analiza procentowej  zawartości węgla, wodoru i azotu), analizy spektralnej  i reakcji charakterystycznych. Natomiast identyfikacja nowych związków wymaga określenia właściwości fizykochemicznych charakteryzujących ten związek oraz  potwierdzenia struktury metodami chemicznymi i instrumentalnymi.

Analizę substancji organicznej rozpoczyna się zwykle od oceny czystości danej próbki.

Czystość związku oznacza się metodami chromatograficznymi – przy użyciu chromatografii cienkowarstwowej (TLC), gazowej (GC) lub wysokosprawnej chromatografii cieczowej (HPLC). Następnie wyznacza się  charakterystyczne stałe fizyczne, takie jak temperatura topnienia lub wrzenia i współczynnik załamania światła.

Kolejnym etapem analizy jest jakościowe oznaczanie  azotu, siarki i chlorowców wchodzących w skład związku organicznego – tzw. próba Lassaigne`a.

Dany związek organiczny  poddaje się mineralizacji poprzez stapianie z metalicznym sodem. Pierwiastki obecne w związku organicznym, niezależnie od tego, na jakim są stopniu utlenienia, w trakcie reakcji przechodzą odpowiednio: siarka - w jon siarczkowy S2-, chlor - w jon chlorkowy Cl-, azot - w jon cyjankowy CN- . Obecność tych jonów stwierdza się przy pomocy reakcji charakterystycznych. 

Badanie rozpuszczalności związku. Stwierdzenie, czy analizowana substancja rozpuszcza się w wodzie, rozpuszczalnikach organicznych,  a także roztworach mocnych i słabych kwasów i zasad  dostarcza cennych informacji na temat polarności, lipofilności i własności kwasowych i zasadowych  tego związku.

Wykonanie reakcji charakterystycznych dla grup funkcyjnych  pozwala na ich wykrycie w cząsteczce związku. Wybrane reakcje opisane są w części eksperymentalnej.

 

Metody fizyczne analizy związków organicznych

Do końca I połowy XX wieku przy ustalaniu budowy związków organicznych posługiwano się prawie wyłącznie metodami chemicznymi. Zwykle większe cząsteczki poddawano degradacji otrzymując mniejsze, których budowa była już znana lub mogła łatwo być ustalona. Otrzymywano także pochodne, pozwalające na identyfikację charakterystycznych grup funkcyjnych. Na podstawie budowy mniejszych fragmentów oraz informacji o grupach funkcyjnych, zawartych
w badanych, większych cząsteczkach, możliwe było postulowanie dla nich struktur, zgodnych z ich wszystkimi właściwościami. Ostatecznym potwierdzeniem słuszności postulowanej budowy była synteza badanego związku metodami, których poszczególne etapy były zrozumiałe i nie budziły żadnych wątpliwości. Procedura taka była wysoce skuteczna, o czym świadczy fakt, że do roku 1950 ustalono w ten sposób budowę ponad pół miliona związków organicznych, pochodzących ze źródeł naturalnych lub otrzymanych na drodze syntezy. Było to jednak postępowanie niesłychanie uciążliwe i pracochłonne. Na przykład ustalenie wszystkich szczegółów budowy cholesterolu C27H46O trwało około 150 lat od momentu wydzielenia tego związku z kamieni żółciowych.

W połowie XX wieku, dzięki rozwojowi elektroniki, rozpoczął się rozwój instrumentalnych metod analizy strukturalnej, opartych głównie na spektroskopowych właściwościach substancji. Zastosowanie tych metod tak bardzo ułatwiło pracę chemików, że już w latach pięćdziesiątych, budowę alkaloidu rezerpiny C33H35N2O9 ustalono w ciągu zaledwie czterech lat od chwili wyodrębnienia tego związku z materiałów roślinnych. Obecnie ustalenie struktury nowego związku organicznego przy użyciu metod spektroskopowych i analizy rentgenostrukturalnej  jest kwestią dni lub tygodni.

Spektroskopią nazywamy dział fizyki, zajmujący się  badaniami budowy
i właściwości atomów, cząsteczek i jąder atomowych na podstawie emitowanego przez nie lub pochłanianego promieniowania elektromagnetycznego. Do badania budowy związków organicznych stosuje się promieniowanie o różnych zakresach długości fal, od ultrafioletu aż do fal radiowych. Ogólny sposób postępowania polega na tym, ze przez próbkę badanego związku przepuszcza się właściwe dla danej metody promieniowanie elektromagnetyczne, odczytuje i rejestruje (przy użyciu spektrofotometru) jego natężenie przy różnych długościach fal, po przejściu przez badaną próbkę. Otrzymany wykres zależności natężenia promieniowania przepuszczonego od długości fali nazywamy widmem absorpcyjnym substancji.

W chemii organicznej największe zastosowanie znajduje spektroskopia w zakresie podczerwieni (IR), widzialnym i nadfioletu (UV-Vis) oraz w zakresie krótkich fal radiowych (NMR).

Spektroskopia w podczerwieni  obejmuje zakres promieniowania od 2,5 do 20 mm (4000 – 500 cm-1). Energia kwantów w tym zakresie długości fal wystarcza do wywołania zmian energii oscylacyjnej cząsteczek. Atomy w cząsteczkach drgają wokół położeń równowagi. W wyniku absorpcji promieniowania amplituda drgań,
a zatem ich energia może wzrosnąć, i cząsteczka zostaje wzbudzona na wyższy poziom energetyczny. W widmie  absorpcyjnym IR pasma odpowiadające drganiom poszczególnych wiązań występują zwykle w stałych przedziałach częstości promieniowania, niezależnych od budowy całej cząsteczki.

I tak, w zakresie najwyższych częstości, 4000 – 2500 cm-1, występują pasma odpowiadające drganiom wiązań O-H, N-H, C-H, a w przedziale 2000 – 1500 cm-1 pasma wiązań podwójnych C=C i  C=O. Obszar od 1500 do 650 cm-1 jest nazywany obszarem daktyloskopowym, ponieważ tu widma poszczególnych związków najbardziej różnią się od siebie. Jest to jakby „odcisk palca” związku organicznego, wyróżniający go spośród milionów różnych związków. Widmo IR dostarcza więc informacji o grupach funkcyjnych obecnych w cząsteczce, a poprzez porównanie
z widmem wzorcowym może potwierdzić tożsamość związku.

W spektroskopii UV-Vis (zwanej też elektronową) stosuje się promieniowanie ultrafioletowe w zakresie od 200 do 400 nm oraz w zakresie widzialnym, tzn. 400 – 750 nm. Światło o tych zakresach długości fal, jeśli jest absorbowane, powoduje wzbudzenie cząsteczek polegające na przeniesieniu elektronów na wyższe poziomy energetyczne, zwykle z orbitali wiążących na antywiążące. Spektroskopia elektronowa zwykle nie pozwala na uzyskanie zbyt wielu informacji o budowie, ponieważ widma są z reguły ubogie w pasma absorpcyjne, a zatem zawarta w nich ilość informacji jest niewielka.

Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego dostarcza chemikowi organikowi najwięcej informacji o budowie związku. Magnetycznym rezonansem jądrowym nazywamy zjawisko absorpcji promieniowania elektromagnetycznego przez jądra atomowe znajdujące się w przyłożonym z zewnątrz polu magnetycznym. Absorpcja wynika stąd, że jądra, których spin  jest różny od zera  mają własny moment magnetyczny, który w zewnętrznym polu może przyjmować różne orientacje, charakteryzujące się różnymi  poziomami energetycznymi. W przypadku pierwiastków o spinie =  ½ , do których należą 1H, 13C, 19F i 31P, możliwe są dwie orientacje momentu magnetycznego, a zatem i dwa  poziomy energetyczne. Różnica energii między tymi poziomami zależy od  rodzaju jądra i od natężenia zewnętrznego pola magnetycznego a więc częstość absorbowanego promieniowania elektromagnetycznego zależy od pola magnetycznego oddziałującego na to jądro atomowe.

W strukturalnej analizie organicznej największe znaczenie ma protonowa i węglowa spektroskopia NMR.

W przypadku 1H NMR rejestrujemy widmo zawierające sygnały pochodzące od protonów w cząsteczce badanego związku organicznego, znajdujących się
w różnych otoczeniach chemicznych. Protony te bowiem absorbują promieniowanie o różnych częstościach, ponieważ pole magnetyczne w którym się znajdują jest wypadkową pola przyłożonego z zewnątrz i pól wewnątrzcząsteczkowych, wytworzonych przez wirujące w cząsteczkach  elektrony. W praktyce, próbkę związku umieszcza się w polu magnetycznym i naświetla stałą częstością radiową np. 250 MHz, a zmienia w sposób ciągły zewnętrzne pole magnetyczne. Absorpcja następuje, gdy  poszczególne protony  w cząsteczce  znajdą si...

Zgłoś jeśli naruszono regulamin