Přehled organické chemie Deriváty uhlovodíků

Kritéria klasifikace derivátů uhlovodíků: Charakteristika Organické sloučeniny, vzniklé nahrazením jednoho, nebo více atomů vodíku jiným atomem, nebo skupinou atomů (funkční skupiny). Kritéria klasifikace derivátů uhlovodíků: podle počtu atomů uhlíku, na nichž došlo k náhradě - monotopické CH3-CH2-OH - polytopické - ditopické HO-CH2-CH2-OH - tritopické CH2-CH-CH2 OH OH OH . . podle druhu funkční skupiny

Rozdělení derivátů podle druhu funkční skupiny - Halogenderiváty: R-X (X = F, Cl, Br, I); R…uhlíkový řetězec - Sulfoderiváty: R-SO3H - sulfonové kyseliny R-SH – thioly (sirné obdoby alkoholů) Dusíkaté deriváty: R-NO2 – nitrosloučeniny R-NH2, R-NH-R, R3N - aminy Kyslíkaté deriváty: R-OH – alkoholy, fenoly R-O-R – ethery R-CHO – aldehydy R-CO-R – ketony R-COOH – karboxylové kyseliny

Halogenderiváty (R-X) Vznikají náhradou vodíkového atomu halovým prvkem. Vlastnosti – halový prvek je vázán k uhlíkovému řetězci kovalentní vazbou – vyplývá nerozpustnost ve vodě, naopak dobrá mísitelnost s organickými rozpouštědly. Většinou jde o velmi těkavé kapaliny, těžší než voda, nepříjemného zápachu. S rostoucím počtem atomů halogenů v molekule klesá hořlavost halogenderivátů. CCl4 – hasivo. alkylhalogenidy – (X) je vázán k acyklickému uhlovodíkovému zbytku. arylhalogenidy – (X) navázán na aromatické jádro.

CHCl3 - trichlormethan (chloroform) – nasládlá, těkavá, nehořlavá kapalina narkotických účinků. Výborné rozpouštědlo, ovšem možný karcinogen. Delším stáním na vzduchu, působením vlhkosti a světla se rozkládá na jedovatý fosgen (COCl2). CH2=CH-Cl – chlorethen (vinylchlorid) – základní surovina pro výrobu polyvinylchloridu (PVC). [...-CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-...]n Cl Cl Cl CF2=CF2 – 1,1,2,2 – terafluorethen – plynná látka, jejíž polymerací za zvýšeného tlaku vzniká teflon. […-CF2-CF2-CF2-CF2 -…]n

Sulfonové kyseliny (R-SO3H) Sulfoderiváty Sulfonové kyseliny (R-SO3H) SO3H Organické deriváty kyseliny sírové. Bezbarvé krystalické látky, hygroskopické, rozpustné ve vodě. kyselina para -toluensulfonová CH3 Použití - katalyzátory, výroba povrchově aktivních látek (PAL) - saponátů, emulgátorů a smáčedel. Thioly (Merkaptany) (R-SH) Sirné obdoby alkoholů - součást surových ropných produktů. Produkty rozkladu bílkovin. Odporně páchnoucí kapaliny, nerozpustné ve vodě, reagující slabě kysele. Použití – odorizace zemního plynu a svítiplynu.

Dusíkaté deriváty uhlovodíků Ve svých molekulách obsahují atom dusíku přímo vázaný na uhlíkový atom uhlovodíkového řetězce. Podle charakteru funkční skupiny je lze rozdělit na: Nitrosloučeniny (R-NO2) – organické deriváty kyseliny dusičné. Aminy - organické deriváty amoniaku. - primární: (R-NH2) - sekundární: (R1-NH-R2) - terciární: R1-N-R2 R3

Nitrosloučeniny (R-NO2) Organické látky obsahující skupinu NO2 v molekule. Funkční skupina může být vázána na acyklický, nebo na aromatický uhlovodíkový řetězec. Nitroalkany – průmyslová výroba je poměrně složitá (toxicita látek, riziko explozí, korozní problémy). Nitrace alkanů probíhá účinkem HNO3 v plynné fázi při teplotě 400-500°C. Vzniká směs nitrosloučenin. V laboratoři lze nitroalkany vyrobit působením dusitanu stříbrného na alkylhalogenidy: CH3I + AgNO2 = AgI + CH3NO2 (nitromethan)

Aromatické nitrosloučeniny Důležitá skupina organických sloučenin, které se připravují přímou nitrací – účinkem nitrační směsi. NO2 H2SO4 + HNO3 (konc.) + H2O nitrobenzen C6H5NO2 – nitrobenzen – bezbarvá až nažloutlá olejovitá kapalina, silně toxická a hořlavá. Základní surovina pro výrobu anilinových barviv, výbušnin, důležité barvářské rozpouštědlo. C6H2CH3(NO2)3 - trinitrotoluen – žlutá krystalická látka, používaná jako významná průmyslová trhavina TNT.

Aminy Deriváty NH3, vzniklé náhradou jednoho (primární), dvou (sekundární), nebo tří vodíků (terciární). Funkční skupina může být vázána na alifatické (alkylaminy), nebo na aromatické (arylaminy) řetězce. Významné biogenní sloučeniny, vyskytují se v živých organismech, jako metabolické produkty. Alkylaminy – nejnižší (C1-C5) jsou nepříjemně páchnoucí plyny, rozpustné ve vodě. Střední alkylaminy jsou kapaliny čpavkového pachu, nejvyšší aminy jsou tuhé látky. H2N-(CH2)6-NH2 – hexamethylendiamin – surovina pro výrobu polyamidových vláken.

Arylaminy – vodíkové atomy v molekule amoniaku nahrazeny aromatickými uhlovodíkovými řetězci. Vliv aromatického jádra se projeví v bazicitě (odpuzování H+ z NH2 skupiny – pokles zásaditosti proti alkylaminům). C6H5NH2 – aminobenzen (anilin) – Bezbarvá olejovitá kapalina (na vzduchu tmavnoucí), prudce jedovatá (krevní jed – oxiduje hemoglobin, poškozuje CNS). Průmyslově se vyrábí redukcí nitrobenzenu: NO2 NH2 Fe + HCl 200°C Použití – výroba anilinových barev, plastů, léčiv, činidel pro urychlení vulkanizace kaučuku.

Kyslíkaté deriváty uhlovodíků Jejich charakteristickým znakem je kyslík (součást funkční skupiny), přímo vázáný na základní uhlovodíkový řetězec. Hydroxysloučeniny Látky obecného vzorce R-OH. Lze je považovat za deriváty vody s jedním nahrazeným H-atomem. Podle typu řetězce, na který je navázána funkční skupina, je lze rozdělit na: alkoholy – skupina OH vázána na alifatický, nebo cyklický, nearomatický řetězec. fenoly – skupina OH vázána na benzenové jádro.

Alkoholy Podle polohy funkční skupiny je rozdělujeme na: primární, sekundární a terciární. CH3-CH2-CH2-CH2-OH 1-butanol (primární butanol) CH3-CH2-CH-CH3 2-butanol (sekundární butanol) OH CH3 CH3-C-CH3 2-methyl, 2-propanol (terciární butanol) OH Podle počtu funkčních skupin dělíme alkoholy na: jednosytné a vícesytné. Mají slabě kyselý charakter – reakcí s alkalickými kovy poskytují soli – alkoholáty (CH3-CH2-O- Na+ - ethanolát sodný)

Výroba – redukcí oxidu uhelnatého (Mittaschova syntéza). Jednosytné alkoholy: CH3OH – methanol (dřevěný líh) – bezbarvá hořlavá kapalina. Mísí se s vodou i organickými rozpouštědly. Výroba – redukcí oxidu uhelnatého (Mittaschova syntéza). 400°C, 20MPa CO + 2H2 CH3OH Cu + ZnO + Al2O3 obohacený vodní plyn !!! Prudký jed - způsobuje trvalé poškození organismu (oslepnutí, smrtelná dávka pro dospělou osobu cca 25g). Použití – rozpouštědlo, výroba jiných organických látek (např.formaldehyd,…), denaturace ethylalkoholu, přísada do pohonných směsí.

C2H5OH – ethanol (líh) – bezbarvá, hořlavá kapalina, s vodou neomezeně mísitelná. Má hygroskopické a desinfekční účinky. Vyrábí se kvašením roztoků obsahujících cukry: enzymy C6H12O6 2 C2H5OH + 2CO2 Technický líh se dnes vyrábí adicí vody na ethen: H2SO4 CH2=CH2 + H2O CH3-CH2-OH 140°C nebo katalytickou hydrogenací acetaldehydu: Ni CH3CHO + H2 CH3-CH2-OH Použití – rozpouštědlo, výroba kaučuku, barviv, acetaldehydu, přísada do benzínů, potravinářství.

Vícesytné alkoholy Použití: C2H4(OH)2 -1,2 – ethandiol (ethylenglykol) – hustá, bezbarvá, silně hygroskopická olejovitá kapalina, nasládlé chuti (jed). Používá se k přípravě syntetických pryskyřic a nemrznoucích směsí (Fridex). C3H5(OH)3 -1,2,3 – propantriol (glycerol) – sirupovitá kapalina, nasládlé chuti, na rozdíl od ethylenglykolu, není jedovatá. Je součástí živočišných tuků a olejů. Použití: - farmaceutický průmysl - výroba mastí, mýdel, kosmetických přípravků. - výbušniny – nitroglycerin, dynamit, bezdýmý střelný prach (třaskavá želatina).

Nitroglycerin – lze připravit nitrací glycerolu CH2 – OH CH2 – O-NO2 CH – OH + 3HNO3 CH – O-NO2 + 3H2O CH2 – OH CH2 – O-NO2 H2SO4 Exploze nitroglycerinu CH2 – O-NO2 4 CH – O-NO2  12 CO2 (g) + 10 H2O (g) + 6 N2(g) + O2(g) CH2 – O-NO2 Hr = - 5684 kJ/mol – ze 4 molů NG vznikne 29 molů plynů – vzhledem k vysoké teplotě vzroste objem 10 000x – k explozi není potřeba kyslíku

Fenoly Jednosytné fenoly Aromatické sloučeniny, mající jednu, nebo více hydroxylových skupin vázaných na benzenové jádro. Vznikají při karbonizaci uhlí a dřeva i při rozkladné destilaci kyslíkatých organických látek. Mají kyselý charakter – s alkalickými hydroxidy poskytují soli – fenoláty. Jednosytné fenoly C6H5OH – hydroxybenzen (fenol) – bílá krystalická látka, získávaná z karbolového oleje. Má leptavé a baktericidní účinky. Použití – výroba fenolformaldehydových pryskyřic (bakelit) a polyamidů.

Použití - rozpouštědlo, Ethery Skupina organických látek obecného vzorce R-O-R. Lze je považovat za organické deriváty vody, vzniklé náhradou vodíkových atomů alkylovými skupinami. Molekuly neobsahují vodíkový atom vázaný na kyslík – nemohou tvořit H-můstky – projevuje se velmi nízkými body varu. CH3-CH2-O-CH2-CH3 - diethylether – kapalina nasládlého pachu a narkotických účinků. Výpary tvoří se vzduchem výbušnou směs!!! Použití - rozpouštědlo, - příprava mrazících směsí (+ CO2(s) = -80°C), - lékařství (narkotikum, Hofmanské kapky).

Karbonylové sloučeniny Skupina sloučenin s karbonylovou funkční skupinou ( C=O) v molekule. Podle druhu zbytků, vázaných ke karbonylové funkční skupině, lze sloučeniny rozdělit na: aldehydy (R,H) ketony (R1,R2) karboxylové kyseliny (R,OH) Vyjádření struktury karbonylové skupiny pomocí dvojné vazby, není zcela přesné – p-elektrony jsou přitahovány kyslíkem, na němž vzniká částečný záporný náboj. + - Vazba je zdrojem chemického neklidu - sklon k adičním reakcím. C=O C-O

Aldehydy Sloučeniny, mající na karbonylové skupině navázaný uhlovodíkový řetězec a atom vodíku (obecný vzorec R-CHO). Významná je především dvojná vazba C=O, poskytuje adiční a polymerační reakce (aldolová kondenzace). Oxidace aldehydů - probíhá velmi snadno a rychle za vzniku karboxylových kyselin: Ag+, Cu2+ R-CHO R-COOH oxidace Redukce aldehydů - probíhá za vzniku primárních alkoholů, nebo uhlovodíků: NaBH4, LiAlH4 R-CHO R-CH2OH R-CH3 redukce redukce

Významné aldehydy: HCHO – methanal (formaldehyd) – bezbarvý, štiplavý plyn, rozpustný ve vodě. Vyrábí se oxidací methanolu. 40%-ní vodný roztok (formalín), stabilizovaný CH3OH - konzervace anatomických preparátů. Použití – desinfekční a fungicidní činidlo, výroba syntetických pryskyřic (fenoplasty, aminoplasty). CH3-CHO – ethanal (acetaldehyd) – páchnoucí, těkavá kapalina, jejíž páry tvoří se vzduchem výbušnou směs. V kyselém prostředí polymeruje na cyklický trimer paraldehyd (CH3CHO)3. Použití – výroba kyseliny octové, ethanolu, acetonu. Polymer metaldehyd (tuhý líh) – palivo do vařičů.

Ketony Sloučeniny, mající na karbonylové skupině vázané dva uhlovodíkové řetězce (obecný vzorec R1-CO-R2). Dvojná vazba C=O, poskytuje adiční a polymerační reakce, podobně jako u aldehydů. Ve srovnání s aldehydy jsou však méně reaktivní. Oxidace ketonů – ketony jsou velmi odolné vůči oxidačním činidlům. Oxidace probíhá až za drastických podmínek - dochází při tom ke štěpení uhlovodíkového řetězce. Redukce ketonů – provádí se komplexními hydridy za vzniku sekundárních alkoholů. NaBH4, LiAlH4 R1-C-R2 R1-CH-R2 redukce O OH

Významné ketony: CH3-CO-CH3 – 2-propanon (aceton) – průmyslově se vyrábí oxidací 2-propanolu. Páchnoucí kapalina (b.v. 56°C), neomezeně mísitelná s vodou. Páry tvoří se vzduchem výbušnou směs. Použití – rozpouštědlo, želatinizační činidlo pro nitrát celulozy, výroba léčiv. C6H10O – cyklohexanon – bezbarvá, olejovitá kapalina peppermintové vůně, časem žloutnoucí. Je omezeně rozpustný ve vodě (5-10g/100ml), dobře se však rozpouští ve většině organických rozpouštědel. Použití – rozpouštědlo, aktivátor oxidačních reakcí, výroba kaprolaktamu a nylonu-6 (silonu).

Karboxylové kyseliny Skupina sloučenin s karboxylovou funkční skupinou (-COOH) v molekule. Podle počtu funkčních skupin, lze kyseliny rozdělit na: monokarboxylové (jednosytné) polykarboxylové (vícesytné) Vlastnosti vyplývají z přítomnosti kyselé skupiny -COOH – dochází k disociaci na ionty: R-COOH + H2O = R-COO- + H3O+ Nižší karboxylové kyseliny jsou dobře rozpustné ve vodě – tvorba vodíkových můstků mezi H2O a COOH. S rostoucím řetězcem rozpustnost ve vodě klesá.

Reakce karboxylových kyselin: Reakce s alkalickými hydroxidy: R-COOH + NaOH = R-COONa + H2O Reakčními produkty jsou soli karboxylových kyselin. Esterifikace (reakce s alkoholy) esterifikace R1-COOH + HO-R2 R1-COO-R2 + H2O hydrolýza Reakčními produkty jsou tzv. estery. Oxidace a redukce - Karboxylová skupina je velmi odolná vůči oxidaci. - Produktem její redukce jsou primární alkoholy. LiAlH4 R-COOH R-CH2-OH

Nasycené monokarboxylové kyseliny HCOOH – kyselina methanová (mravenčí) – bezbarvá, ostře páchnoucí, leptavá kapalina. Má baktericidní a redukční vlastnosti (je současně i aldehydem). V přírodě se vyskytuje volná v sekretu mravenců, žihadlech hmyzu, jehličí. Použití – konzervace ovocných šťáv, desinfekce vinných a pivních sudů, součást mořidel. CH3-COOH - kys.ethanová (octová) – štiplavá, leptavá kapalina (známá ve formě 5-8% roztoku – ocet). Průmyslově se připravuje oxidací acetaldehydu. Použití – konzervace, výroba umělých vláken a lepidel. Soli (Fe3+,Cr3+) - barvířství, (Al3+,Pb2+) - lékařství.

Nenasycené monokarboxylové kyseliny CH2=CH-COOH - kyselina propenová (akrylová) – velmi snadno polymeruje na sklovitou hmotu. COOH COOH COOH kyselina polyakrylová …-CH-CH2-CH-CH2-CH-CH2 -…. CH3 CH2=C-COOH - kys. metakrylová – obsažena v heřmánkové silici – její ester (methylmetakrylát) slouží k výrobě netříštivého organického skla. PMMA – polymethyl metakrylát: (plexisklo)

CH3(CH2)7CH=CH-(CH2)7COOH – kyselina olejová – spolu s palmitovou (C15H31COOH) a stearovou (C17H35COOH) kyselinou je součástí molekul tuků a olejů (tzv. vyšší mastné kyseliny). CH2-OH HOOC – C15H31 CH2-O-CO-C15 H31 esterifikace + CH-OH HOOC – C17H35 CH-O-CO-C17H35 hydrolýza HOOC – C17H33 CH2-OH CH2-O-CO-C17H33 glycerol vyšší mastné kyseliny tuk C6H5-COOH – kyselina benzoová – nejjednodušší aromatická karboxylová kyselina. Využívá se v potravinářství ke konzervacím i jako surovina k organickým syntézám.

Dikarboxylové kyseliny (COOH)2 – kyselina ethandiová (šťavelová) – silná kyselina, v přírodě se vyskytující ve formě K+, nebo Ca2+ solí. Má leptavé účinky, krystaluje jako dihydrát. Její požití způsobuje poruchu metabolismu vápníku. Použití – v analytické chemii (manganometrie), příprava mořidel. COOH - kys. 1,2-benzendikarboxylová (ftalová) COOH Zahříváním přechází na ftalanhydrid: O C O – surovina pro výrobu barev a indikátorů (např. fenolftalein) a glyptálových pryskyřic. C O