Úvod do organické chemie Tomáš Hauer 2. lékařská fakulta UK

Organické chemie chemie sloučenin uhlíku akcent: studium uhlíkových atomů tvořících řetězce jednodušší sloučeniny uhlíku pojednává anorganická chemie oxidy, karbidy, uhličitany, kyseliny Převažující součásti org. sloučenin: C, H, O, N, S, P organogenní, makrobiogenní prvky

Získávání organických sloučenin Přírodní zdroje: rostliny, živočichové, ropa, uhlí, aj... Laboratorní syntéza: první uměle vyrobená sloučenina - 1825 močovina NH2CONH2 zahříváním kyanatanu amonného popření vitalistické teorie

Organické sloučeniny ohromná rozmanitost dána vlastnostmi uhlíku schopnost tvořit různé řetězce různě dlouhé lineární cyklické rozvětvené nerozvětvené schopnost tvořit různé vazby jednoduché dvojné trojné

Polarita organických sloučenin většinou nepolární až málo polární=nerozpustné v polárních rozpouštědlech obsah značného počtu vazeb uhlík – uhlík .... nepolární uhlík – vodík .... málo polární anorganické sloučeniny uhlíku vazby silně polární až iontové

Vlastnosti org. sloučenin teplota tání – dána polaritou: nízká teplota tání a varu (do 200 C), „nepřežijí teplotu varu vody“ nerozpustné ve vodě a jiných polárních rozpouštědlech dobře rozpustné v organických rozpouštědlech benzen ether aceton roztoky a taveniny nevedou proud – neelektrolyty málo odolné vůči vysokým teplotám, při zahřátí: se snadno rozkládají na větší množství produktů jsou: těkavé hořlavé jejich hořením vzniká CO2 a voda

Vlastnosti org. sloučenin organické látky obsahující polární skupiny mající schopnost tvořit vodíkové můstky -OH, -NH2, -COOH mají vyšší teplotu varu a některé se rozpouštějí ve vodě

Chemické reakce org. sloučenin stejné chem. zákony jako v anorganické chemii pomalejší průběh složitý průběh (složitý reakční mechanismus), více kroků často vratné často vznik více různých produktů

Druhy reakcí org. sloučenin 1. eliminace/adice 2. substituce 3. přesmyk 4. oxidace/redukce 5. analýza/syntéza 6. speciální reakce (diazotace+kopulace)

Mechanismus reakcí 1. radikálová substituce = polymerace, acylace 2. iontová substituce = esterifikace

Vazby v organických sloučeninách základem je uhlík schopnost tvořit 3 různé typy vazeb na vazebných schopnostech uhlíku závisí vlastnosti org. sloučenin

Vaznost prvků v org. sloučeninách org. sloučeniny: každý prvek má svou charakteristickou vaznost ta plyne z jeho elektronové struktury vaznost prvku je shodná s počtem vazeb v nejjednodušší sloučenině daného prvku s vodíkem; z tohoto hlediska je: uhlík čtyřvazný vodík + halogeny jednovazné kyslík a síra dvojvazné

Vaznost prvků v org. sloučeninách čím je dán počet vazeb v nejjednodušší sloučenině daného prvku? elektronovou konfigurací prvku: el. konfigurace uhlíku v základním stavu 2 nepárové elektrony = 2 kovalentní vazby jak je tedy možné , že je uhlík čtyřvazný? elektronová konfigurace C v org. sloučeninách se liší má čtyři nepárové elektrony tato situace nastává u atomu C v excitovaném stavu atom C vytváří 4 vazby, jež vznikají z různých orbitalů – 2s, 2p vazby jsou však zcela rovnocenné jaké je vysvětlení.............???

Vaznost prvků v org. sloučeninách ...... hybridizace orbitalů: energetické sjednocení různých orbitalů daného atomu vznik rovnocenných orbitalů stejná energie stejný tvar nové prostorové uspořádání!!!

Hybridizace atomu uhlíku sp3 hypridizace – hybridizuje jeden orbital s a tři orbitaly p vznikají 4 rovnocenné hybridní orbitaly sp3 směřující do vrcholu pravidelného čtyřstěnu=tetraedru. Vazby svírají úhel 109,5 stupňů sp3 hybridizaci má jen ten atom uhlíku, ze kterého vycházejí 4 vazby sigma

Hybridizace atomu uhlíku sp2 hybridizace – hybridizuje jeden orbital s a dva orbitaly p vznikají 3 rovnocenné hybridní orbitaly sp2 směřující do vrcholu rovnostranného trojúhelníku. Vazby svírají úhel 120 stupňů. ATOMOVÉ ORBITALY TVOŘÍCÍ VAZBU PÍ NEHYBRIDIZUJÍ

Hybridizace atomu uhlíku sp hybridizace – hybridizuje jeden orbital s a jeden orbital p. vznikají dva rovnocenné orbitaly sp, svírají úhel 180 stupňů. Hybridní orbitaly sp jsou lineární

Strukturní teorie org. sloučenin I uhlík v org. sloučeninách je vždy čtyřvazný všechny čtyři vazby atomu uhlíku jsou rovnocenné – je jedno, na kterou připojím Cl, stále je to CH3Cl vazby v nasycených sloučeninách (slouč. s jednoduchými vazbami) svírají úhel 109O. Všechny atomy uhlíku mají hybridizaci sp3 sp3 hypridizace – hybridizuje jeden orbital s a tři orbitaly p vznikají 4 rovnocenné hybridní orbitaly sp3 směřující do vrcholu pravidelného čtyřstěnu. Vazby svírají úhel 109,5 stupňů sp3 hybridizaci má jen ten atom uhlíku, ze kterého vycházejí 4 vazby sigma

Strukturní teorie org. sloučenin II sloučeniny s dvojnou vazbou jsou v místě dvojné vazby planární (rovinné). Úhly mezi vazbami jsou 120O. Atomy uhlíku s dvojnou vazbou mají hybridizaci sp2 sloučeniny s trojnou vazbou jsou v místě trojné vazby lineární, vazby svírají úhel 180O. Atomy uhlíku s trojnou vazbou mají hybridizaci sp. jednoduché vazby jsou volně otáčivé, násobné vazby otáčivé nejsou. Otáčením skupin atomů kolem jednoduchých vazeb vznikají různé konformery (viz izomerie). sp hybridizace – hybridizuje jeden orbital s a jeden orbital p. vznikají dva rovnocenné orbitaly sp, svírají úhel 180 stupňů. Hybridní orbitaly sp jsou lineární sp2 hybridizace – hybridizuje jeden orbital s a dva orpitaly p vznikají 3 rovnocenné hybridní orbitaly sp2 směřující do vrcholu rovnostranného trojúhelníku. Vazby svírají úhel 120 stupňů. ATOMOVÉ ORBITALY TVOŘÍCÍ VAZBU PÍ NEHYBRIDIZUJÍ

Strukturní teorie org. sloučenin II Každá sloučenina má snahu zaujímat nejvýhodnější prostorové uspořádání (minimální množství nevazebných interakcí). To nastává, jsou li atomy od sebe maximálně vzdáleny v totožných vzdálenostech Vlastnosti org. sloučenin závisí na jejich struktuře. Ze znalosti sloučeniny můžeme předvídat vlastnosti sloučeniny a naopak. K tomu je zapotřebí znát strukturní nebo geometrický vzorec sloučeniny. Znalost molekulového vzorce – vzhledem k izomerii – nestačí.

Vlastnosti jednoduchých a násobných vazeb mezi atomy uhlíku čím je vazba násobnější, tím je pevnější a kratší nejpevnější trojná, má nejvyšší disociační energii vazba sigma je pevnější než vazba pí (vyšší disociační energii) nejméně stálá je pí2 trojné vazby jednoduché vazby jsou tedy méně reaktivní než vazby násobné org. sloučeniny s násobnými vazbami jsou reaktivnější než ty s vazbami jednoduchými

Molekuly s několika dvojnými vazbami Klasifikace dle vzájemné polohy dvojné vazby: kumulované dvojné vazby = dvojné vazby vedle sebe konjugované dvojné vazby = 2 dvojné vazby oddělené vazbou jednoduchou izolované dvojné vazby – mezi dvojnými vazbami jsou minimálně 2 vazby jednoduché

Vzorce org. sloučenin

Empirický (stechiometrický) vzorec Udává základní složení sloučeniny z prvků, tzn. minimální poměry atomů jednotlivých prvků ve sloučenině. Jedná se o nejjednodušší vzorec.

Molekulový (souhrnný, sumární) vzorec udává skutečné počty atomů, bez ohledu na jejich polohu a vazby může to být dimethylether, ale taky ethanol

Strukturní (konstituční) vzorec udává pořadí a způsob, jakým jsou atomy v molekule vázány=druhy vazeb bez ohledu na jejich úhly struktura molekuly

Racionální (funkční) vzorec zjednodušený vzorec strukturní. Udává charakteristická atomová seskupení uspořádání skupin atomů, funkčních skupin, atd

Elektronový strukturní vzorec strukturní vzorec, ve kterém jsou znázorněny i volné elektronové páry. všechny valenční elektrony jsou tedy znázorněny

Geometrický vzorec udává prostorové uspořádání atomů v molekule= úhly vazeb, tvar v prostoru Rovina: přímka, trojúhelník, čtverec Prostor: tetraedr=čtyřstěn, oktaedr

Opakování

Uhlíkový řetězec základ většiny org. sloučenin: (může být „přerušen“ O,S,N) řetězec uhlíkových atomů, které jsou navzájem spojeny jednoduchými nebo násobnými vazbami uhlíková kostra, uhlíkový skelet

Formy řetězců uhlíkových atomů lineární: nerozvětvený rozvětvený

Formy řetězců uhlíkových atomů cyklický izocyklický – obsahuje pouze atomy uhlíku heterocyklický – jeho součástí jsou i jiné atomy - heteroatomy

Klasifikace org. sloučenin !!! skutečně komplikované - záleží na kritériích uvědomme si to, jednáme dle toho

Klasifikace dle chem. složení a/ uhlovodíky obsahují pouze atomy uhlíku a vodíku b/ deriváty uhlovodíků vznikají substitucí atomů vodíku v molekule uhlovodíku funkční skupinou funkční skupina atom nebo skupina atomů ve struktuře molekuly, jež určuje její strukturu (-OH, NH2, COOH)

Klasifikace dle typu vazeb a/ nasycené v řetězci pouze nasycené vazby b/ nenasycené mimo jednoduchých jsou přítomné i násobné vazby c/ aromatické cyklické sloučeniny se stabilním konjugovaným systémem pí elektronů (4n + 2)

Klasifikace dle typu uhlíkového řetězce

Nomenklatura org. sloučenin

různé názvy vznikající různým způsobem (jedna sloučenina může mít více správných názvů…. Močovina jich má 16!!!) triviální názvy historický původ žádný vztah ke složení ani struktuře sloučeniny zpravidla souvisí s vlastnostmi sloučeniny a jejími vlastnostmi (aceton, močovina) atd...

Určete původ názvů: Kyselina šťavelová, octová, máselná, mravenčí, jablečná, jantarová Kyselina kapronová, laurová, valerová, adipová Taurin, azulen, anilin, k. pikrová, allen, toluen, benzen, piperidin, tyrosin, spermacet Pyrrol, pyran, pyridazol, pyrimidin, pyrolidon

Názvosloví cukrů Jen triviální xylosa x lyxosa, gulosa, idosa, galaktosa, fruktosa/levulosa, arabinosa, laktosa….

systematické názvy – vyjadřují: složení sloučeniny stechiometrické poměry informují o struktuře sloučeniny tvoří se dle pevných pravidel International union of pure and applied chemistry IUPAC základ – názvy nerozvětvených alkanů

Alkany s nerozvětveným řetězcem nasycené alifatické uhlovodíky s obecným vzorcem CnH2n+2 alkany tvoří homologickou řadu každý člen = homolog stejný obecný vzorec každý člen se liší od předchozího homologickým přírůstkem – skupinou -CH2- v každém homologickém řetězci platí s rostoucím počtem atomů uhlíku roste pravidelně teplota tání teplota varu hustota (barva) ostatní chem. vlastnosti jsou stejné

první čtyři alkany – triviální názvy ostatní – z řecké číslovky a sufixu -an

Uhlovodíkové zbytky odvozujeme odtržením atomu vodíku z uhlovodíku uhlovodíkové zbytky = radikály obecné označení R- název – sufix -yl

Uhlovodíkové zbytky 3 různé typy uhlovodíkových zbytků

Příklady uhlovodíkových zbytků 1/ jednovazné a/ nasycené - ALKYLY

Příklady uhlovodíkových zbytků 1/ jednovazné nenasycené – ALKENYLY a ALKINYLY

Příklady uhlovodíkových zbytků 2/ dvojvazné mají sufix –diyl stále používaný starší sufix -ylen

Alkany s rozvětveným řetězcem - tvoření názvů - PRAVIDLA 1/ určení nejdelšího uhlíkového řetězce ten tvoří základ názvu

Alkany s rozvětveným řetězcem - tvoření názvů - PRAVIDLA 2/ číslování nejdelšího řetězce tak, aby alkyly či substituenty měly co nejmenší možné číslo

Alkany s rozvětveným řetězcem - tvoření názvů - PRAVIDLA 3/ před názvem nejdelšího řetězce udáváme polohu alkylu nebo substituentu (resp. číslo uhlíku, na kterém je vázán) název alkylu nebo substituentu různé typy substituentů řadíme v abecedním pořadí CH=C !! větší počet stejných substituentů vyjadřujeme prefixy di-, tri-, tetra-, ... Numerický prefix nemá vliv na abecední pořadí!!! před a za každou skupinou číslic musí být pomlčka .

Alkany s rozvětveným řetězcem - tvoření názvů - PRAVIDLA 4/ jsou li dva různé alkyly nebo substituenty ve stejných polohách, má nižší číslo ten substituent, který je dříve v abecedě

Psaní vzorců za příklad poslouží 2,3 -dichlor-4-methylhexan 1/ vytvoříme hlavní uhlíkový řetězec a očíslujeme (poslední slovo v názvu končící na –n)

Psaní vzorců 2/ na příslušné atomy uhlíku připojíme substituenty

Psaní vzorců doplníme atomy vodíku tak, aby každý atom uhlíku byl čtyřvazný

Nenasycené uhlovodíky – tvorba názvu 1/ určení základního řetězce ten s nejvyšším počtem násobných vazeb nemusí být nejdelší

Nenasycené uhlovodíky – tvorba názvu 1a/ v případě 2 řetězců se stejným počtem násobných vazeb volíme ten delší

Nenasycené uhlovodíky – tvorba názvu 1b/ máme-li 2 řetězce se stejným počtem násobných vazeb i atomů uhlíku, volíme řetězec s větším počtem dvojných vazeb

Nenasycené uhlovodíky – tvorba názvu řetězec číslujeme tak, aby polohy násobných vazeb měly co nejmenší možná čísla polohy násobných vazeb píšeme před název základního řetězce

Nenasycené uhlovodíky – tvorba názvu Přítomnost násobných vazem vyjadřujeme sufixem en pro dvojnou vazbu – alken in pro trojnou vazbu – alkin větší počet násobných vazeb vyjadřujeme prefixem di, tri, ... .

Nenasycené uhlovodíky – tvorba názvu je li v uhlovodíku dvojná i trojná vazba, řadíme sufixy –en a –in dle abecedy Pojmenujte je

Nenasycené uhlovodíky – tvorba názvu Další postup tvoření názvu je stejný jako u rozvětvených uhlovodíků

Alicyklické uhlovodíky základní řetězec = kruh v názvu prefix cyklo- + název odpovídajícího uhlovodíku podle počtu uhlíků

Alicyklické uhlovodíky 1/ cykloalkany

Alicyklické uhlovodíky 2/ nenasycené alicyklické uhlovodíky

Alicyklické uhlovodíky 3/ substituované alicyklické uhlovodíky