Základy organické chemie

Transkript

1 Základy organické chemie

2 Trocha historie vyčleněna mezi stoletím M. Lomonosov, A. Lavoisier studium procesu hoření, org. látky vznikají v organismech účinkem živé síly ( vis vitalis ) F. Wöhler, syntéza močoviny z kyanatanu amonného N 4 NO N 2 -O-N 2 zpřesnění definice organické chemie, která platí dodnes: - chemie sloučenin uhlíku kromě O, O 2, karbidů, 2 O 3, N, NO (izokyanatá), ON (kyanatá), SN (thiokyantá), a jejich solí.

3 Organická chemie studium struktury, vlastností, přípravy a použití organických sloučenin obsahují,, dále také O, N, S, X, P skládají se z molekul, atomy jsou v nich vzájemně vázány kovalentní vazbou mají nízkou teplotu tání i varu teflon t t = 327 o

4 Základní vaznosti některých prvků jednovazný X (halogenidy) O dvojvazný S dvojvazná N trojvazný čtyřvazný jednovazné O S l N

5 Vazby v organických sloučeninách kovalentní (sdílený el. pár) jednoduché, dvojné (sdílené 2 el. páry), trojné (sdílené 3 el. páry) konjugované, izolované v aromatickém jádře - delokalizované nepolární - -, - polární -l

6 Struktura molekul sp 3 tetraedr, vazba jednoduchá - úhel 109 o 28 sp 2 molekula rovinná, vazba dvojná - úhel 120 o sp molekula lineární, vazba trojná - úhel 180 o

7 Izomerie organických sloučenin - sloučeniny se stejným sumárním vzorcem, liší se povahou vazeb, jejich uspořádáním nebo jen prostorovým uspořádáním atomů v molekule KONFIGURAČNÍ IZOMERY IS a TRANS Z-but-2-en(cis) 3 3 E-but-2-en (trans) 3 3

8 Izomerie konfigurační OPTIKÉ ANTIPODY (enantiomery, chirální molekuly) - jsou svými neztotožnitelnými zrcadlovými obrazy - stáčí rovinu polarizovatelného světla - chirální uhlík (asymetrický) tj. má 4 různé ligandy - D- a L- forma, (-) levotočivý, (+) pravotočivý enantiomer - racemická směs směs obou forem L-(-) kyselina mléčná D-(+) kyselina mléčná OO OO O O počet izomerů = 2 n 3 3

9 Pozn. R-rectus (pravý), S-sinister (levý) Enantiomery - léčiva S(+)-ketoprofen Dexketoprofen analgetikum, nesteroidní antiflogistikum, S(+)-ketoprofen, R-forma - neúčinná Omeprazol antiulcerózum, používán racemát, S-omeprazol-účinnější, R- jen 10% účinnosti, u potkana účinnější R-forma, u psa není rozdíl v účinnosti S a R-formy Thalidomid antiemetikum, proti ranní nevolnosti v těhotenství, ~ malformovaných dětí R-enantiomer = antiemetikum, S-enantiomer = teratogen, tvoří interkaláty s DNA

10 Izomerie konstituční - řetězové pentan x 2-methylbutan polohové 1-chlorpentan x 2-chlorpentan 2 3 l skupinové 1-butanol x ethoxyethan l O tautomery enol a keto forma (propen-2-ol x propanon) 2 O O 3 3 O

11 Rozdělení uhlovodíků acyklické (alifatické) x cyklické acyklické rozvětvené x nerozvětvené cyklické monocyklické x polycyklické nasycené x nenasycené aromatické

12 Názvosloví Vzorce: strukturní racionální molekulový Názvy: triviální (močovina, kofein) dvousložkové (ethylalkohol) systematické (název skeletu + funkční skupiny formou přepon a zakončení hierarchie, lokanty, stereodeskriptory - cis,trans, R, S) semisystematické přírodní sloučeniny

13 Názvosloví Alkany nasycené acyklické zbytek alkyl Alkeny nenasycené s 1 = zbytek alkenyl Alkyny zbytek alkynyl Alkadieny nenasycené s 2 = ykloalkany s jedním kruhem zbytek cykloalkyl Areny aromatické uhlovodíky zbytek aryl

14 Pravidla organického názvosloví Výběr hlavního řetězce: 1. Max. počet substituentů odpovídajících hlavní skupině 2. Max. počet násobných vazeb (=, trojných) 3. Max. délka řetězce 4. Max. počet = vazeb 5. Nejnižší lokanty pro hlavní skupiny 6. Nejnižší lokanty pro násobné vazby 7. Nejnižší lokanty pro = vazby 8. Nejnižší lokanty pro substituenty Skupina s nejvyšší prioritou má nejnižší možné číslo a v názvu je vyjádřena zakončením, zbylé funkční skupiny se řadí abecedně pomocí předpon.

15 Nejčastější funkční skupiny Podle klesající názvoslovné důležitosti har. skupina předpona zakončení Typ sloučenin -OO karboxy- -ová kyselina karboxylové kyseliny -SO 3 sulfo- -sulfonová kyselina sulfonové kyseliny -OOR alkoxykarbonyl- alkyl -karboxylat alkyl -oat estery karbox. kyselin -OX halogenformyl- halogenid kyseliny -ové -oyl hologenid acylhalogenidy -ON 2 karbamoyl- -amid, -karboxamid amidy -N kyano- -nitril, -karbonitril nitrily -O oxo-, formyl- -al, -karbaldehyd aldehydy -O- oxo.- -on ketony

16 Nejčastější funkční skupiny har. skupina předpona zakončení Typ sloučenin -O hydroxy- -ol alkoholy -S merkapto- -thiol thioly -N 2, -NR 2 amino- -amin aminy -OO hydroxyperoxy- peroxidy -OR alkyloxy-, alkoxy ethery -SR alkylthio- thioethery, sulfidy -X halogen- alkylhalogenidy -NO 2 nitro- nitrosloučeniny -N=N- azosloučeniny

17 Alifatické uhlovodíky - ALKANY ALKANY n 2n+2 - základ řecké nebo latinské číslovky a -AN - methan, ethan, propan, butan, pentan - název zbytku - uhlíkové substituenty alkyly (R-) - odnětí od alkanů - methyl, ethyl, propyl, - ethylen,propylen - homologická řada plyny 5-17 kapaliny ostatní-pevné látky t v [ o ] t v [ o ] 5 = 36, 8 = ,5

18 Alkany reakce - reakce: - radikálová substituce, halogenace, oxidace O 2 na 2 O a O 2 RADIKÁLOVÁ SUBSTITUE halogenace 4 + l 2 3 l + l 1) Iniciace l l hn 2 l 2) Propagace 4 + l 3 + l 3 + l l 3 l + l 3) Terminace 2 l l l l 3 l OŘENÍ (oxidace) kyslík je biradikál (. O O. ) nižší iniciační energie O 2 3 O O

19 ZDROJ Alkany využití - ropa alkany, cykloalkany, areny frakční destilace ropy uhlovodíkové plyny, benzíny (do 180 o ), petrolej (do 260 o ), plynový olej (do 400 o ), destilační zbytek - zemní plyn methan (75%), další nižší alkany, O 2, N 2, 2 O VYUŽITÍ - palivo - methan - v chemické výrobě (pro výrobu 2, methanolu, acetylenu, rozpouštědel chloroform - biologické vlastnosti narkotický a dráždivý účinek

20 Ropa - surová nafta, zemní olej hnědá, nazelenalá, směs uhlovodíku alkany hustota - 0,730-1 g/cm³, lehčí než voda hmotn. složení: : %, : %, O: 1 %, S: 4 %, N: 1 % vznik ropy - anorganický (Mendělejev) přehřátá 2 O(g) + karbidy těžkých kovů, U, La, e - organický pozn. čím starší tím lehčí

21 Těžba ropy dříve přirozeně vyvěrala, dnes vrty přítomna společně se zemním plynem primární způsob ~ 20% sekundární způsob pumpy, injektáž 2 O, tlakování zem. plynem, O 2, 25-35% terciální způsob snížení viskozity horká vodní pára, detergenty, 5-15% ekonomičnost závisí na aktuální ceně ropy celková vytěžitelnost lehká ropa 80%, těžká 5% zásoby omezené 1971 vrchol těžby v USA předpokládaný světový vrchol 2007?

22 Druhy ropy lehká x těžká, sladká x kyselá (<0,5% S x >3% S) světové typy: Brent směsná, Severní moře West Texas Intermediate (WTI) Tapis Minas Těžba ropy v milliónech barelů za den OPE Saudská Arábie, Nigerie, Spojené arabské emiráty, Mexiko, Indonezie, Alžírsko, Venezuela Vývoj ceny ropy na světových trzích 1 barel = 42 amerických galonů = 35 britských galonů = 158,97 litrů 1 tuna = 7,33 barelu

23 Zpracování ropy Ropná destilační věž Rektifikační kolona 3, 4 LPG benzínová frakce předehřátí, odsíření, odstranění 2 O ropa petrolej letecký benzín plynový olej LTO, nafta mazací oleje ohřev mazut TTO, asfalt

24 Oktanové číslo jakostní benzíny rychlost hoření paliva ve směru, svíčka válec m/s méně kvalitní benzíny, či paliva s nižší OČ detonační spalování tlaková vlna ~1000 m/s nárazy do pístu = klepání motoru - zkrácení životnosti motoru, zvýšení spotřeby paliva, oleje 2,2,4-trimethylpentan (isooktan) - OČ=100 n-heptan OČ=0, Natural 95 = stejná antidetonační odolnost jako směs 95:5 isooktan/heptan antidetonační přísady dříve ( 2 5 ) 4 Pb, ( 3 ) 4 Pb, dnes MTBE, ETBE, TAME, DIME zvonivě dunivé zvuky Super 96 0,7 g/l Speciál 90 0,4 g/l methyl-terc-butylether, ethyl-terc-butylether, terc-amylmethylether, diisopropylether, mazací schopnost Pb nahrazena přídavkem Na či K

25 Krakování tepelné štěpení (pyrolýza) alkanů, nad 370 o vynalezl V. Shukhov, 1891 patentováno zdvojnásobuje zisk benzínové frakce z ropy zisk 2, 4, nenasycených uhlovodíku, ethylenu a propylenu výroba polymerů termické krakování malý význam, používané před II.SV visbreaking o 1-3 min, zbytek TTO, koksování delší dobu, vyšší výtěžek benzínu katalytické krakování zeolitický kat., kyselé prostředí Shukovova krakovací továrna, Baku, USSR, 1934 katalytické hydrokrakování pod tlakem 2, destilační zbytky, vakuový destilát

26 yklické alkany - cykloalkany MONOYKLIKÉ - cykloalkany - cyklopropan, cyklobutan, cyklopentan, cyklohexan (rozpouštědlo),

27 3 3 Alkeny 2 2 ALKENY n 2n - koncovka EN, pokud je více = -DIEN - ethen (ethylen), propen (propylen) - číslování tak, aby = byly u nižších čísel, aby čísla dvojně vázaných atomů šla za sebou, pokud nelze, uvádí se druhé číslo v závorce - zbytky - ethenyl (vinyl), 2-propenyl (allyl) 2 - zbytek s = -yliden, s trojnou vazbou -ylidyn - izomerie cis a trans fyzikální vlastnosti - jako u alkanů - biologické vlastnosti toxičtější než alkany, toxicita roste s délkou řetězce a s počtem násobných vazeb

28 Alkeny - reakce - chemické reakce velmi reaktivní, adiční reakce elektrofilní adice 1. adice halogenvodíků 2. adice vody (kyseliny sírové) 3. adice halogenů ADIE ALOGENVODÍKŮ 2 =- 3 + l 3 -l- 3 2 =- 3 + Br 2 2 Br-Br- 3 Markovnikovo pravidlo negativní část adované molekuly jde na s menším počtem vodíkových atomů

29 Alkeny - reakce RADIKÁLOVÁ ADIE - adice 2 v přítomnosti katalyzátorů (Pt, Ni, Pd) - ztužování tuků polymerace výroba plastů n R = 2 [-R 2 -] n ethylen polyethylen vinylchlorid polyvinylchlorid propylen polypropylen

30 Alkyny ALKYNY n 2n-2 - koncovka YN - ethyn (acetylen), propyn (methylacetylen), butyn, - zbytky - ethynyl - 1-propynyl 3-2-propynyl (propargyl) - fyzikální vlastnosti jako u alkanů a alkenů - biologické vlastnosti silnější narkotické a dráždivé účinky 2

31 Alkyny - chemické vlastnosti elektrofilní a radikálová adice jako u alkenů dvojnásobná elektrofilní adice: - acetylen + l vynilchlorid + l 1,1-dichlorethan - acetylen bezbarvý hořlavý plyn, se vzduchem výbušná směs

32 Alicyklické sloučeniny YKLOALKENY cyklobuten, cyklopenten, cyklopentadien,

33 Aromatické uhlovodíky Aromatické jádro: - konjugovaný cyklický systém s 4n + 2 p elektronů (ückelovo pravidlo) - rovinné uspořádání kruhu - stejná délka vazby mezi - velká stabilita v porovnání s nenasycenými uhlovodíky - delokalizace p elektronů

34 Aromatické uhlovodíky Konjugovaný cyklický systém s 4n + 2 p elektronů (ückelovo pravidlo) Areny: Benzen Naftalen Anthracen Fenanthren Bifenyl

35 Areny - názvosloví Aryly: fenyl fenylen 1,2-; ortho- (o-) 1,3-; meta- (m-) 1,4-; para- (p-) 1-naftyl benzyl 2

36 Areny - reakce hemické vlastnosti: halogenace X 2 (katalyzátor FeX 3 ) nitrace NO 3, 2 SO 4 alkylace RX (kat. AlX 3 ) Friedelova-raftsova reakce sulfonace 2 SO 4

37 Areny - reakce ELEKTROFILNÍ SUBSTITUE + E E E - E NITRAE BENZENU ONO SO 4 2 O + NO 2 + SO 4 NO 2 + NO 2 + +

38 Areny - využití POUŽITÍ: - benzen hořlavá kapalina příjemné vůně, důležitá surovina, má narkotický účinek, podezřelý karcinogen - toluen a xyleny hořlavé kapaliny, rozpouštědla, výroba kyseliny benzoové a kyseliny ftalové - styren výroba umělých hmot polystyren - Naftalen pevná látka, výroba kyseliny ftalové - Benzo(a)pyren nejzmánější polycyklický aromatický uhlovodík, KARINOGENNÍ

39 Alifatické uhlovodíky - názvosloví methylpropan methylbutyl ethyl-4-methylpent1-en 2 5

40 Alifatické uhlovodíky 2,3-dimethylpentan ,1-dimethylpropyl hexa-1,3-dien-5-yn 2