H - Zakład Chemii Organicznej

Transkrypt

CHEMIA ORGANICZNA
Zakres materiału
lp
wykład
data
temat
1
W1-W2
7.10.2015
klasy zw org alkany i cykloalkany
2
W3-W4
14.10.2015
stereoizomeria
3
W5-W6
21.10.2015
alkeny i cykloalkeny
4
W7-W8
28.10.2015
alkadieny i alkiny
5
W9-W10
4.11.2015
pochodne benzenu
6
W11-W12
18.11.2015
flurowcopochodne
7
W13-W14
25.11.2015
alkohole i fenole
8
W15-W16
2.12.2015
etery i epoksyzwiązki
9
W17-W18
9.12.2015
aldehydy i ketony
10
W19-W20
16.12.2015
kw. karboksylowe i pochodne
11
W21-W22
13.01.2017
aminy
12
W23-W24
20.01.2017
obliczenia
13
W25-W26
27.01.2017
ogólne
14
W27-W28
3.02.2017
techniki
15
W29-W30
EGZAMIN
1
„Chemia Organiczna”, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, WChem PW
CHEMIA ORGANICZNA
Literatura






Chemia organiczna. Kurs podstawowy Daniela Buza, Wojciech Sas, Przemysław Szczeciński
Zadania z chemii organicznej z rozwiązaniami Daniela Buza, Wojciech Sas, Przemysław Szczeciński
Chemia Organiczna Przemysław Mastalerz
Chemia Organiczna John McMurry
Chemia Organiczna Robert Neilson Boyd, Robert Thornton Morrison
Chemia organiczna Jonathan Clayden, 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
2
CHEMIA ORGANICZNA
•
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 Henry Perkin przypadkowo otrzymał barwnik organiczny tzw. purpura Perkina
•
rok 1874 Othmer Zeidler – synteza DDT
3
CHEMIA ORGANICZNA
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;
4
CHEMIA ORGANICZNA
Węgiel w chemii organicznej
Konfiguracja elektronowa atomów wodoru, węgla, azotu i tlenu
Atom
L. atomowa
1s
2s
2px
2py
H
1

C
6
N
2pz




7





O
8





C*
6





sp3
sp2
sp
5
CHEMIA ORGANICZNA
109o
H s1
C sp3
CH4
metan
H
H
109o
H
H
wzór przestrzenny
H
H C H
H
wzór strukturalny
plaski
6
SPOSOBY RYSOWANIA WZORÓW STRUKTURALNYCH ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH
WZÓR STRUKTURALNY
H
H
H
H
C
C
C
H
H
H
H
propan
H
H
H
O
C
C
C
H
H
OH
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).
UPROSZCZONY SPOSÓB PRZEDSTAWIANIA WZORÓW STRUKTURALNYCH:
OH
HN
O
S
N
CO2H
O
testosteron
penicylina-G
7
KLASYFIKACJA ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH
Alkany
C
C
CH3CH3
(etan)
C
Alkohole
CH3OH (metanol)
OH
Alkeny
C
C
CH2=CH2 (etylen)
C
Alkiny
CH (acetylen)
O
HC
C
C
C
Areny
(benzen)
O
C
Aldehydy
HCHO
(formaldehyd)
H
Ketony
CH3C(O)CH3 (aceton)
O
C
C
C
Kwasy karboksylowe
HCOOH
(kwas mrówkowy)
O
C
OH
O
C
O
Etery
CH3OCH3
(eter dimetylowy)
C
Estry
CH3COOCH3
(octan metylu)
8
C
NH2
C
N
O
C
C
NH2
X
Aminy
CH3NH2
(metyloamina)
Nitryle
CH3CN
(acetonitryl)
C
C
Tiole
CH3SH
(tiometanol)
SH
S
C
Tioetery
(CH2=CHCH2)2S
(diallilosulfid)
(zapach czosnku)
Amidy
HC(O)NH2
(formamid)
Fluorowcopochodne
CH3CH2Cl
(chloroetan)
9
WYBRANE PRZYKŁADY ZWIĄZKÓW WIELOFUNKCYJNYCH
NH2
N
HO
N
CHO
N
N
O
H
H
H
OH
H
H
OH
H
OH
HO
OH
O
O
OH
CH2OH
adenozyna komponent DNA
H
H
H
H
CH2OH
OH
HO
kwas askorbinowy witamina C
glukoza
NH2
OH
geraniol –
składnik olejku różanego
O
O
C
C
OH
OH
kwas glutaminowy dodatek do żywności
10
ALKANY – węglowodory posiadające tylko wiązania pojedyncze (sigma).
1. WZÓR SUMARYCZNY
CnH2n+2 (n = liczba naturalna)
1.1. SZEREG HOMOLOGICZNY
Seria związków, np. alkanów nierozgałęzionych (tzw. n-alkanów), różniących się tylko
liczbą grup –CH2; poszczególne zw. należące do szeregu homologicznego to homologi.
H
H
C
H
H H
H
H
C
C
H
H
metan
etan
CH4
C2H6
H H
H
H
H
C
C
C
H
H
H
propan
C3H8
H H
H
H
H
H
C
C
C
C
H
H
H
H
H H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
butan
pentan
C4H10
C5H12
11
H
2. NAZEWNICTWO (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. C
1
2
3
4
5
6
Nazwa alkanu Liczba at. C
metan
7
etan
8
propan
9
butan
10
pentan
11
heksan
12
Nazwa alkanu
heptan
oktan
nonan
dekan
undekan
dodekan
12
2. NAZEWNICTWO (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.
CH3-
CH3CH2-
metyl
etyl
CH3CH2CH2-
CH3(CH2)4CH2-
CH3(CH2)12CH2-
heksyl
tetradecyl
propyl
 Tworzenie nazw alkanów o łańcuchach rozgałęzionych - wskazówki:
Wybrać najdłuższy łańcuch węglowy (łańcuch główny) i nadać mu nazwę zależną od liczby
atomów węgla.
CH3
CH3CHCH2CH3
CH3
łańcuch główny:
butan
CH3CH2CHCH3
CH3CH2CH2CHCH2CHCH3
CH2CH2CH3
heksan
CH2CH3
heptan
13
NAZEWNICTWO (NOMENKLATURA) ALKANÓW
 Łańcuch główny ma zawierać największą z możliwych liczbę rozgałęzień
(podstawników)
CH3 CH3
CH3 CH3
CH3 CH3
CH3CHCHCHCHCH2CH3
CH3CHCHCHCHCH2CH3
CH3CHCHCHCHCH2CH3
nieprawidłowy:
2 podstawniki


CH3 CH2CH2CH3
CH3 CH2CH2CH3
CH3 CH2CH2CH3
nieprawidłowy:
3 podstawniki
prawidłowy:
4 podstawniki
Nazwać wszystkie podstawniki połączone z łańcuchem głównym.
Przypisać lokanty atomom węgla w łańcuchu głównym – pierwszy podstawnik ma
posiadać jak najniższy lokant.
1
2
6
5
CH3
3
4
5
3
2
6
CH3CH2CHCH2CH2CH3
4
1
7
6
5
1
2
3
4
3
CH3
2
1
CH3CH2CH2CHCH2CHCH3
4 5
6
CH2CH3
7

Dwa podstawniki w takiej samej odległości od są obu krańców łańcucha głównego o kierunku numeracji atomów węgla decyduje kolejność alfabetyczna nazw tych
podstawników.
CH2CH3
CH3
CH2CH3
CH3CH2CHCH2CH2CHCH2CH3
1
2
3
4
5
6
7
prawidłowa numeracja
(etyl – niższy lokant)

8
CH3
CH3CH2CHCH2CH2CHCH2CH3
8
7
6
5
4
3
2
1
nieprawidłowa numeracja
Nazwy podstawników (łańcuchów bocznych) wymienić w kolejności alfabetycznej
przed nazwą łańcucha głównego. Podać właściwy lokant przed nazwą podstawnika.
CH2CH3
CH3CH2CHCHCH3
CH3
3-etylo-2-metylopentan
CH2CH3 CH3
CH3CH2CHCHCH2CHCH3
CH2CH2CH3
5-etylo-2-metylo-4-propyloheptan
15

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.
CH3
CH3 CH3
CH3CCH2CH3
CH3CHCHCHCHCH2CH3
CH3
CH3 CH2CH2CH3
2,2-dimetylobutan

2,3,5-trimetylo-4-propyloheptan
Wzory i nazwy zwyczajowe wybranych podstawników rozgałęzionych:
2
CH3
1
3
2
CH3
1
CH3CH
CH3CH2CH
izopropyl
1-metyloetyl
sec-butyl
1-metylopropyl
3
CH3
2 1
CH3CHCH2
izobutyl
2-metylopropyl
2
CH3
1
CH3C
CH3
tert-butyl
1,1-dimetyloetyl
3
CH3
2 1
CH3CCH2
CH3
neopentyl
2,2-dimetylopropyl
16
 Przedrostki di-, tri-, itd. zawarte w
nazwie podstawników rozgałęzionych są
brane pod uwagę przy ustalaniu ich
kolejności alfabetycznej.
CH3
H3C
C
CH3 CH3
CH3CH2CH2CHCHCH2CHCH3
CH3
5-(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.
CH3
CHCH3
CH3CH2CH2CHCHCH2CH2CH3
CHCH3
CH3
17
3. ALKANY- WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE
3.1. ROZPUSZCZALNOŚĆ
3.2. GĘSTOŚĆ
Ok. 0,7 g/cm3; łatwy podział mieszaniny z wodą, alkan – faza górna.
18
3.3. TEMPERATURA WRZENIA
Twrz. [ºC]
200
151
126
150
98
n-alkany
100
69
36
50
140
116
90
28
-42
-50
166
60
0
0
174
-12
-88,5
-100
-162
-150
izo-alkany
-200
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Liczba atomów węgla
19
3.4. TEMPERATURA TOPNIENIA
Ttopn. [ºC]
-20
-40
-30
-60
-57
-80
-100
parzysta l. at. węgla
-95
-120
-140
-138
-160
-180
-200-183
1
-90,5
-130
nieparzysta l. at. węgla
-172
2
-54
-187
3
4
5
6
7
8
9
10
Liczba atomów węgla
20
3.5. TEMPERATURA WRZENIA I TOPNIENIA A STOPIEŃ ROZGAŁĘZIENIA ŁAŃCUCHA
CH3
CH3
CH3CHCH2CH2CH3
C H3CHCHCH3
CH3
Twrz.
Ttop.
60C
-154C
58C
-135C
CH3
CH3CCH2CH3
CH3
50C
-98C
21
4. ALKANY- ŹRÓDŁA POZYSKIWANIA
4.1. GAZ ZIEMNY - 70% metanu, 10% etanu i 15% propanu.
4.2. ROPA NAFTOWA – mieszanina alkanów, głównie o łańcuchach nierozgałezionych;
cykloalkanów i węglowodorów aromatycznych; także inne związki organiczne
zawierające tlen, azot i siarkę.
•KRAKING –
•REFORMING –
22
5. ALKANY - ZASTOSOWANIA PRAKTYCZNE
5.1. C1-C2 –
5.2. C3-C4 –
LPG (skrót od ang. Liquefied Petroleum Gas)
23
5. ALKANY - ZASTOSOWANIA PRAKTYCZNE
5.3. C5-C8 –
CH3
CH3(CH2)5CH3 n-heptan (LO=0)
CH3
izooktan (LO=100)
CH3CHCH2CHCH3 2,2,4-tri metylopentan
CH3
5.4. C9-C16 –
5.5. mieszaniny C16 -C34 –
5.6. mieszaniny C20-C34 -
24
6. IZOMERIA ALKANÓW
IZOMERY –
IZOMERIA KONSTYTUCYJNA –
25
7. RZĘDOWOŚĆ ATOMU WĘGLA W ZWIĄZKACH ORGANICZNYCH NA PRZYKŁADZIE
ALKANÓW
n-heksan
2,3-dimetylobutan
3-metylopentan
2,2-dimetylobutan
2-metylopentan
26
8. BUDOWA PRZESTRZENNA ALKANÓW
H1
109,5°
C1
H2
°
1,54A
H5
°
1,10A
H6
C2
H4
H3
etan
CH3
H
H
obrót wokół wiązania C2-C3 prowadzi
do powstania czterech konformerów
C3
C2
H
CH3
H
butan
27
9. KONFORMACJE ALKANÓW
Konformacja –
0°
H3C CH3
C2
H
H
H
H
28
Energia potencjalna
Wykres zmian energii potencjalnej podczas rotacji wokół wiązania C2-C3 w butanie
0
60
120
180
240
300
360
Kąt obr otu
HH H
H
H
H
HH
H
H
29
Podstawowe zasady ustalania stopnia utlenienia w związkach kowalencyjnych:
+1
H
+1
H
-4
C
H
+1
H
+1
H
H
-3
+1
H
-1
C
C
H
H
-1
I
+1
Utlenianie –
Redukcja „Chemia Organiczna”, dr inż. Ewa Mironiuk-Puchalska, WChem PW
30
10. LABORATORYJNE METODY SYNTEZY ALKANÓW
10.1. METODY POLEGAJĄCE NA USUWANIU GRUP FUNKCYJNYCH
10.1.a. KATALITYCZNE UWODORNIENIE (redukcja) ALKENÓW
propen
propan
10.1.b. KATALITYCZNE UWODORNIENIE (redukcja) ALKINÓW
propyn
W obu tych reakcjach - katalizator: Pt (platyna), Pd (pallad) lub Ni-Raneya (nikiel
Raneya)
31
10.2. METODY POLEGAJĄCE NA „BUDOWIE” SZKIELETU WĘGLOWEGO
10.2.a. REAKCJA WURTZA (1855 r.)
1-bromobutan
halogenenk
pierwszorzędowy
n-oktan, wyd. ok. 50%
Produkty – alkany o parzystej
liczbie atomów węgla
10.2.b. SPRZĘGANIE HALOGENKÓW (BROMKÓW, JODKÓW) ALKILOWYCH
Z DIALKILOMIEDZIANAMI LITU (REAKCJA COREY’A-HOUSE’A)
chlorek
sec-butylu
3-metyloheptan (70%)
32
11. REAKCJE ALKANÓW
11.1. UTLENIANIE
-4
2CH 4 + 4O 2
2CH 4 + 3O 2
CH 4 + O 2
CH 4 + O 2
-3
2C 2H 6 + 3O 2
+4
2CO 2 + 4H 2O
+2
2CO + 4H 2O
+1
H
0
C + 2H 2O
0
HCHO + H 2O
0
C
-2
O
+3
H3C
C
+3
2CH 3CO 2H + 2H 2O
+1
H
-2
O
-1
OH
11.2. HYDROKRAKING KATALITYCZNY
C5H12
H2, T
kat.
C12H26
11.3. KRAKING KATALITYCZNY
C7H16
T
kat.
C12H26
C5H10
C7H16
33
11.4. HALOGENOWANIE – zamiana jednego lub wielu atomów wodoru w alkanie przez atom
chlorowca
CnH2n+2 + X 2
CnH2n+1X + HX
* 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C i po naświetlaniu promieniowaniem ultrafioletowym)
* Szereg reaktywności halogenów: F2>>Cl2>>Br2
* Reakcja ma bardzo małe zastosowanie w syntezie organicznej.
34
34
11.4.a. CHLOROWANIE METANU
CH4 + 4Cl2
T lub h
CCl4 + 4HCl
T – podwyższona temperatura (ok. 300C)
h promieniowanie ultrafioletowe
H
H
C
Cl
H
+
H
Cl
Cl2, T lub h
Cl
-
H
metan
C
Cl2
-
HCl
Cl
H
Cl
Cl
C
HCl
Cl
Cl
H
Cl
C
chlorometan
Cl2
-
HCl
H
C
Cl
Cl2
-
HCl
H
dichlorometan
Cl
Cl
H
trichlorometan
tetrachlorometan
35
11.4.b. MONOCHLOROWANIE WYŻSZYCH ALKANÓW –
powstaje mieszanina monochloropochodnych różnej rzędowości
Względna reaktywność atomów wodoru w reakcji chlorowania wolnorodnikowego:
CH4 : H(1) : H(2) : H(3) = 0.004 : 1 : 3,8 : 5
CH3
C H 2C l
C H 2C H 2C H C H 3
C lC H 2 C H 2 C H C H 3
1-ch lo ro -2 -m ety lob u ta n
1 -c h lo r o-3 -m ety lo b u ta n
ch lo rk i 1 ° - su m a r y cznie 4 2%
CH3
C H 3C H 2C H C H 3
2-m ety lo bu ta n
+
C l2
h
CH3
C H 3C H C H C H 3
Cl
2 -c hlo r o -3-m ety lo b u ta n
ch lo rek 2 °, 3 5 %
CH3
C H 3C H 2C C H 3
Cl
2-c h lo ro -2 -m ety lo b u ta n
c hlo rek 3 °, 2 3 %
36
11.4.c. MONOBROMOWANIE WYŻSZYCH ALKANÓW – powstaje mieszanina
monobromopochodnych różnej rzędowości
CH3
C H 2Br
C H 3C H 2 C H CH 3
BrC H 2C H 2C H C H 3
1-brom o-2-m etylobutan
brom ek 1°; 0,34%
brom ki1° - sum arycznie 0.51 %
CH3
CH 3CH 2CH CH 3
2-m etylobutan
brom ek 1°; 0,17%
+
Br2
h
CH3
C H 3C HC H C H 3
Br
brom ek 2°; 9,04%
CH3
CH 3 CH 2 CC H 3
Br
brom ek 3°; 90,45%
37
TRWAŁOŚĆ RODNIKÓW ALKILOWYCH
3
2
1
CH3
38
CYLKOALKANY – alkany o budowie cyklicznej (zamkniętej); Wzór sumaryczny CnH2n
H
H
H
H
C
H
C
H
H
C
H
C
H
H
C
H
H
H H
H
H
C
H
C
H
C
C
H
C
H
C
H
H
H
H
H H
C
H
C
H
H
C
C
H
C
C
H
H
H
C
H
H H
39
NOMENKLATURA CYKLOALKANÓW
 Do nazwy alkanu o tej samej liczbie atomów węgla dodaje się przedrostek cyklo-.
 Nazwy podstawionych cykloalkanów – dodanie nazwy podstawnika przed
odpowiedniego cykloalkanu (pisownia łączna).
 W nazwach monopodstawionych cykloalkanów nie podaje się lokanta podstawnika
nazwą
 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
BUDOWA PIERŚCIENIA W CYKLOALKANACH
CYKLOPROPAN –
H
H
C
C
H
H
C
H
H
41
CYKLOBUTAN –
H
H
88º
H
H
CYKLOPENTAN –
108
42
CYKLOHEKSAN –
1
2
6
3
5
4
Konformacja krzesłowa –
43
Izomeria geometryczna w cykloalkanach (izomeria cis-trans) –
lub
H3C
H
CH3
H
lub
44
Nazewnictwo wiązań C-H w konformacji krzesłowej cykloheksanu i inwersja pierścienia
cykloheksanu
a - wiązania (protony) aksjalne
e - wiązania (protony) ekwatorialne
H(a)
H(e)
2
(e)H
5
6
4
H(e)
H
1
H(e)
H(a)
H(a)
H
4
2
H
6
H(a)
H
H(e)
H
H
H(e)
1
(e)H
H(a)
H(a)
H(a)
3
Inwersja pierścienia
H
3
5
H
H
2
(e)H
(e)H
H
6
(e)H
H
H
H(a)
4
3
1
(a)H
H(a)
5
H(e
H(e) )
(e)H
(a)H
45
Konformacje monopodstawionych pochodnych cykloheksanu na przykładzie
metylocykloheksanu
46
Równowaga konformacyjna w 1,2-dipodstawionym cykloheksanie na przykładzie
1,2-dimetylocykloheksanu
Cis-1,2-
Trans-1,2-
47
Cis-1,3-
CH3
CH3
Trans-1,3-
CH3
CH3
48
Cis-1,4-
Trans-1,4
49
REAKCJE CYKLOALKANÓW
Cyklopropan
Addycja bromu
1,3-dibromopropan
propan
propan-1-ol
Uwodornienie
katalityczne
Addycja wody
w obecności kwasu siarkowego
kwas
propylosiarkowy
Addycja
kwasu siarkowego
50
REAKCJE CYKLOALKANÓW
Cyklobutan
butan
Cykloalkany o pierścieniach pięcio- i sześcioczłonowych ulegają takim
samym reakcjom jak alkany, tj. chlorowaniu i bromowaniu w obecności
promieniowania nadfioletowego i/lub w podwyższonej temperaturze.
51

H - Zakład Chemii Organicznej

Transkrypt

Podobne dokumenty

Zestawienie przydzielonych tematów prac kontrolnych z chemii

Michał Nejman 1980 Łódź kawaler http://azan.pl/

Microsoft Word Viewer - Sylabusy zbiorcze

Wygeneruj plik PDF

W4 Węglowodany w chemii medycznej

W8 Terpeny

Wykorzystanie programu Chem Sketch w pracy nauczyciela chemii.