Organická chemie - úvod

Trocha historie Původní dělení hmoty: Neživá – anorganická Živá – organická Rozdělení chemie na organickou a anorganickou → objevy a isolace látek z přírodních materiálů C.W.Scheele (1742-1786): Objev kyselin mléčné, jablečné a vinné J.J. Berzelius (1779-1848) – vitalistická theorie („životní síla“ – vis vitalis) F. Wöhler (1818-1882) – synthesa močoviny: NH4OCN → H2NCONH2 Strukturní theorie: 19. století A.M. Butlerov (1828-1886) – vlastnosti sloučenin závisí na struktuře molekul F.A. Kekulé (1829-1896) – vazebné možnosti atomu uhlíku

Současnost oboru organické chemie Dynamický a rychlý vývoj Základ pro řadu oborů chemického průmyslu – rozmanité výrobky Lékařství, farmacie – synthesa nových léků, umělé cévy, kloubní náhrady Stavebnictví, strojírenství – plasty jako konstrukční materiály Elektronika – organické polovodiče Zemědělství – pesticidy, fungicidy, herbicidy Potravinářství – konservanty, umělá sladidla, chuťové látky Čistíc prostředky – tenzidy Další – barviva a pigmenty

Složení organických molekul Organická chemie = chemie sloučenin uhlíku Z prvků nejčastěji: Uhlík – C – základní stavební částice organických molekul → čtyřvazný Vodík – H → jednovazný Kyslík – O – alkoholy, karbonylové a karboxylové sloučeniny, ethery → dvojvazný Dusík – N – aminy, amidy, nitrily, nitro a nitroso – sloučeniny → obvykle trojvazný Síra – S – merkaptáty, thioethery → dvojvazná Halogeny → jednovazné

Vlastnosti uhlíkového atomu 1) Uhlík je čtyřvazný 2) Atomy uhlíku se mohou vzájemně spojovat do řetězců lineárních a cyklických 3) Atomy uhlíku mohou tvořit čtyři jednoduché vazby, dvě dvojné vazby, nebo jednu dvojnou vazbu a dvě jednoduché vazby, jednu trojnou vazbu a jednu jednoduchou vazbu

Druhy vazeb v organických sloučeninách – theorie kovalentní vazby Podle násobnosti: Jednoduchá Dvojná Trojná Podle výskytu vazebných elektronů: Sigma – s: elektrony se nacházejí (tj. elektronová hustota je největší) na spojnici jader, tvoří se jako první Pí – p: elektrony se nacházejí (tj. elektronová hustota je největší) nad a pod spojnicí jader, vyskytuje se v násobných vazbách jako doplněk k vazbě s

Druhy vazeb v organických sloučeninách – theorie kovalentní vazby Podle hodnoty rozdílu elektronegativit (DX) vázaných atomů: Kovalentní Nepolární DX = 0,0 – 0,4 – elektrony jsou sdíleny rovnoměrně, elektronová hustota zhruba uprostřed mezi vázanými atomy. Nepolární látky obsahují buď jen nepolární vazby, nebo vzájemně kompensované vazby polární. Polární DX = 0,4 – 1,7 – elektrony jsou přitahovány blíže k jednomu z partnerů. Elektronová hustota největší u elektronegativnějšího atomu. Vzniká parciální kladný (d+) a záporný (d-) náboj. Polární látky obsahují alespoň jednu nekompensovanou polární vazbu. Iontové DX > 1.7 – elektrony jsou zcela přetaženy k elektronegativnějšímu atomu, dochází k rozdělení náboje a vzniku iontů. Vyskytuje se v pevných látkách (soli) a jejich taveninách.

Oxidační číslo v organických molekulách Theoretický náboj, který by vznikl na atomu, pokud by vazebné elektronové páry byly přisouzeny elektronegativnějšímu z obou partnerů. Postup určení OČ: 1) Nakreslit plný konstituční vzorec 2) Určit elektronegativity jednotlivých atomů 3) Rozdělit vazby a vazebné elektrony vždy přisoudit elektronegativnějšímu z partnerů 4) Spočítat odebrané, případně získané elektrony 5) OČ = (+) počet odebraných elektronů, nebo (-) počet získaných elektronů

Energetika kovalentní vazby Pokud se dva atomy k sobě přibližují a při tom se jejich valenční vrstvy postupně překrývají, dochází k uvolňování energie Maximální energie (vazebná, disociační energie) se uvolní, když atomy dosáhnou určité vzdálenosti – rovnovážné vzdálenosti, která odpovídá vazebné délce Pokud se atomy přiblíží ještě více, dojde k postupně rostoucí repulsi – odpuzování z důvodu přílišné blízkosti kladně nabitých jader

Prostorové uspořádání substituentů na uhlíkovém atomu - hybridisace Hybridisace: děj, při kterém dochází k energetickému splývání orbitalů a přesunu elektronů v rámci nově vznikajícího hybridního orbitalu. Současně dochází k novému prostorovému uspořádání Druh hybridisace určuje nové prostorové uspořádání molekulových orbitalů Do hybridních orbitalů se započítávájí orbitaly podílející se na vazbě s a obsahující volné elektrony a nevazebné elektronové páry Do hybridních orbitalů se nezapočítávají orbitaly tvořící vazby p sp – přímka sp2 – trojúhelník sp3 – tetraedr

Theorie molekulových orbitalů Chemickou vazbu je možné popisovat i theorií molekulových orbitalů (MO) Vznik vazby je popisován matematickou lineární kombinací vlnových funkcí atomových orbitalů (AO) za vniku MO. Vznikající orbitaly jsou příslušné celé molekule, nikoli jen jednomu atomu. MO popisuje pravděpodobnost výskytu elektronu v molekule Lineární kombinace: Součet – vznik vazebného orbitalu Rozdíl – vznik antivazebného orbitalu Vznik molekulového s – orbitalu

Theorie molekulových orbitalů HOMO = nejvyšší obsazený MO LUMO = nejnižší neobsazený MO Vznik molekulového p - orbitalu

Vzorce organických sloučenin Souhrnné (sumární) C2H6O Strukturní: Konstituční Plné Racionální Elektronové Konfigurační Konformační Volné elektronové páry

Modely organických molekul Kuličkové: Tvořeny kuličkami (atomy) a tyčinkami (vazby) Trubičkové: Skládají se z fragmentů spojených trubičkami. Fragmenty se liší velikostí a barvou, trubičky délkami. Kalotové modely: Tvořeny kalotami (stavební částice) Počítačové

Dělení organických sloučenin Podle složení: Uhlovodíky (pouze uhlík a vodík) Deriváty uhlovodíků (obsahují i další prvky) Podle řetězce: Acyklické (alifatické) Rozvětvené Nerozvětvené Cyklické Alicyklické Aromatické Monocyklické Vícecyklické Podle výskytu násobných vazeb: Nasycené Nenasycené

Struktura organických sloučenin Konstituce – vyjadřuje vzájemné uspořádání atomu spojením chemickými vazbami Konfigurace – vyjadřuje uspořádání atomů v prostoru, které není možné změnit volnou rotací kolem jednoduché vazby Konformace – vyjadřuje uspořádán atomů v prostoru, které je možné měnit volnou rotací kolem jednoduché vazby

Isomerie Isomerie: jev, kdy sloučeniny mají stejné složené, ale rozdílnou strukturu (= isomery) Konstituční Řetězcová – rozdílné větvení řetězce alkanů Polohová – rozdílné umístnění charakteristické skupiny v molekule Skupinová – rozdíl ve funkční skupině za současného zachování sumárního vzorce Prostorová - stereoisomerie Konformační – různé formy stejné molekuly, vznikající otáčením atomů kolem jednoduché vazby Geometrická (cis-trans isomerie) – různé umístnění substituentů vzhledem k dvojné vazbě Optická – rozdílné uspořádání substituentů na asymetrickém atomu uhlíku (uhlík se čtyřmi odlišnými substituenty). Oba isomery jsou sobě zrcadlovými obrazy – enantiomery. Liší se stáčením roviny polarisovaného světla – opticky aktivní

Reakce organických sloučenin Klasifikace: Podle štěpení vazby: Homolytické: vazba se štěpí symetricky za vzniku radikálů Heterolytické: vazba se štěpí asymetricky za vzniku iontů Podle typu reagujících částic Elektrofilní: reakcí se účastní částice přitahující elektrony (buď kladně nabité, nebo elektroneutrální) Nukleofilní: reakcí se účastní částice poskytující elektrony (záporně nabité, nebo elektroneutrální) Radikálové: účastnící se částice nesou nepárový elektron Podle změny struktury: Adice: A + B → C Eliminace: A → B+ C Substituce: A + B → C + D Přesmyk: A → B

Další reakční typy Redoxní reakce: Acidobasické reakce: Oxidace: Hoření – prudká oxidace kyslíkem Přidávání elektronegativních atomů (hlavně kyslíku) do molekuly Odebírání atomů vodíku z molekuly Redukce: Hlavně přidávání atomů vodíku do molekuly Acidobasické reakce: Brönstedtovy kyseliny (např. karboxylové kyseliny) a base (např. aminy) Lewisovy kyseliny (např. karbonylový atom uhlíku) a base (např. kyslíkový atom alkoholů)

Zápis organických reakcí Rovnice Schéma + 3 Zn + 6 HCl → + 3 ZnCl2 + 2 H2O

Substituční efekty v organických molekulách Reakční centrum: část molekuly, kde probíhá chemická reakce Indukční efekt – přenáší se po vazbách s na krátkou vzdálenost +I – efekt: substituent dodává elektrony do reakčního centra molekuly (alkylové a elektropositivní substituenty – donory elektronů) -I – efekt: substituent z reakčního centra odnímá elektrony (elektronegativní substituenty – akceptory elektronů) Mesomerní efekt – přenáší se po vazbách p, v některých případech za účasti nevazebných elektronových párů +M – efekt: substituent dodává elektrony do reakčního centra (donor elektronů) -M – efekt: substituent odčerpává elektrony z reakčního centra (akceptor elektronů +I -I +M -M

Resonance (mesomerie) Jev, kdy není možné vyjádřit strukturu molekuly jediným strukturním vzorce, ale pouze jejich kombinací → daná látka může zaujmout více možných struktur = resonanční struktury Resonance je způsobena volným pohybem p-elektronů násobných vazeb Jediný rozdíl mezi resonančními strukturami je umístnění elektronů p a nevazebných valenčních elektronů. Samotné atomy v obou resonančních strukturách zaujímají přesně tutéž polohu a jsou spojovány stejným způsobem.