Přehled organické chemie Uhlovodíky

Předmět Organické sloučeniny: Hlavní zdroje Zabývá se strukturou, vlastnostmi, přípravou a využitím sloučenin uhlíku (mimo oxidy, H2CO3 a její soli, karbidy, kyanidy). Organické sloučeniny: musí obsahovat: uhlík a vodík mohou obsahovat: kyslík, dusík, síru, fosfor, halogeny, kovy Hlavní zdroje - uhlí - ropa Z cca 20 milionů známých sloučenin je jich více, než 95% organických - zemní plyn - dřevo

Historie 1.období 2.období (60.léta 19.stol. – 20.léta 20.století) K rozvoji organické chemie, jako vědy, dochází až v 19. století. Od té doby lze vývoj rozdělit do tří etap. 1.období Důkaz reprodukovatelnosti chemických změn za stejných reakčních podmínek. Zánik vitalistické teorie. Wöhler (1828): NH4CNO => (NH2)2CO 2.období (60.léta 19.stol. – 20.léta 20.století) Zrod strukturní teorie (Kekulé, Couper) - podrobné představy o uspořádání a stavbě molekul. 3.období - současné Pokrok v teorii reakčních mechanismů. Syntézy složitých přírodních látek – např. chlorofyl (1960).

Základní vlastnosti organických sloučenin Jsou většinou nerozpustné ve vodě (mimo látky schopné tvořit vodíkové vazby – tzn. obsahující skupiny -OH, -NH2, -COOH). Dobře se rozpouštějí v organických rozpouštědlech (benzen, toluen, xyleny, aceton…). Jedná se o neelektrolyty - při rozpouštění nedisociují na ionty - v roztoku ani v roztavením stavu nevedou elektrický proud. Jsou nestabilní při ohřevu na vyšší teploty – nad 200°C se většina z nich rozkládá.

Vazby v organických sloučeninách Výsadní postavení má uhlíkový atom s elektronovou konfigurací 1s2 2s2 2px 2py. Vzhledem ke čtyřem valenčním elektronům vytváří nejčastěji sloučeniny typu CX4 (např.:CH4,CCl4). Atomy uhlíku mají neomezenou schopnost řetězení. Vytvářejí řetězce různé délky - lineární, rozvětvené i cyklické. Mají tendenci spojovat se násobnými kovalentními vazbami (dvojnými i trojnými – tzv. nenasycené vazby).

Vzorce v organické chemii sumární – udávají jen počet atomů v molekule. Často mívají různé, strukturně odlišné látky stejný sumární vzorec (izomerie). Např. C4H10: butan - izobutan CH3 CH3-CH2-CH2-CH3 CH3-CH-CH3 strukturní – zohledňují strukturu látek. Vyznačují všechny vazby mezi atomy v molekule. zkrácené strukturní (racionální) – vypouštějí vazby mezi atomy C a H. Počty H atomů se uvádějí číslem. CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 nebo: CH3-(CH2)4-CH3 hexan

Základy organického názvosloví Systematické názvosloví – založeno na principu substituce. Složité molekuly se pojmenovávají, jako by byly odvozeny od jednodušších molekul. - vyhledání a pojmenování hlavního řetězce - očíslování atomů uhlíku hlavního řetězce - označení bočních řetězců - názvoslovnými předponami - násobícími předponami - numerickými předponami

Radikálově funkční názvosloví – používá se zejména pro deriváty uhlovodíků. Spojuje název uhlovodíkových zbytků se skupinovým názvem derivátu. Látka Systematický název R-F název CH3Cl chlormethan methylchlorid CH3-CH2-OH ethanol ethylalkohol aminobenzen fenylamin CH2=CH-Cl chlorethen vinylbenzen -NH2

Triviální názvosloví – vznikalo v dobách, kdy ještě neexistovala systematická klasifikace organických sloučenin. Krátké názvy se často odkazují na původ a vlastnosti látky. Látka Systematický název Triviální název CHCl3 trichlormethan chloroform H-COOH kyselina methanová kyselina mravenčí CH3-CO-CH3 2-propanon aceton aminobenzen anilín -NH2

Základní typy organických reakcí Adiční reakce – reakce vedoucí k snižování počtu násobných vazeb v molekulách. CH2=CH2 + Cl2 CH2Cl-CH2Cl CH≡CH + H2O CH2=CH-OH Eliminační reakce (opak adice) - reakce vedoucí k zvyšování stupně nenasycenosti vazeb. CH3-CH2-OH CH2=CH2 + H2O CH2=CH2 CH≡CH + H2

Substituční reakce – reakce, při které se nahrazuje atom, nebo skupina atomů vázaná na uhlíku jiným atomem, nebo skupinou. CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl C6H6 + HNO3 C6H5-NO2 + H2O Molekulární přesmyk – reakce, při které se mění uhlíkatá kostra molekuly. H OH H C=C CH3-C H O H Ethenol (vinyl alkohol) Ethanal (acetaldehyd)

Rozdělení organických sloučenin Uhlovodíky – sloučeniny, obsahující pouze C a H. Deriváty uhlovodíků – vznikají náhradou jednoho, nebo více atomů vodíku v molekule jiným atomem, nebo skupinou atomů (funkční skupina). - Halogenderiváty: R-X (X = F, Cl, Br, I. R=uhlovodíkový řetězec) 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

Uhlovodíky acyklické uhlovodíky cyklické nasycené alkany alkeny nenasycené alkiny alkadieny, alkatrieny... uhlovodíky nasycené cykloalkany alicyklické cykloalkeny cyklické nenasycené cykloalkiny cykloalkadieny aromatické monocyklické polycyklické

Alkany Nasycené acyklické uhlovodíky - CnH2n+2. Látka Sumární vzorec Skupenství methan CH4 plynné ethan C2H6 propan C3H8 butan C4H10 pentan C5H12 kapalné hexan C6H14 heptan C7H16 oktan C8H18 nonan C9H20 dekan C10H22

Výskyt - ropa, zemní plyn Vlastnosti - bezbarvé, málo reaktivní sloučeniny. Mají menší hustotu než voda, jejich teploty tání i varu vzrůstají s rostoucí molární hmotností. Jednoduché vazby C-C jsou stálé, k reakcím bude docházet na vazbách C-H (substituce). Příprava - tepelné krakování ropy - Fischer - Tropschova syntéza nCO + (2n+1)H2 = CnH2n+2 + nH2O Použití - topné plyny (C1-C4), benzíny (C6-C9) - suroviny pro výrobu derivátů (ethanol, chloroform…atd.)

Výroba - průmyslově z vodního plynu. Methan (CH4) - nejjednodušší uhlovodík. Bezbarvý, hořlavý plyn, lehčí, než vzduch. Se vzduchem tvoří třaskavou směs již od koncentrace cca 6% hm. Výskyt - zemní plyn, v uzavřených ložiscích černého uhlí, v tzv. „bahenním plynu“(CH4+ CO2 + N2 – uvolňuje se ze dna rybníků). Výroba - průmyslově z vodního plynu. CO + 3H2 = CH4 + H2O - v laboratoři rozkladem Al4C3 vodou Al4C3 + 12H2O = 3CH4 + 4Al(OH)3 Použití - topný plyn, palivo pro zážehové motory, výroba sazí. CH4+ O2 = C(saze) + 2H2O

Příprava - dehydratace nasycených alkoholů Alkeny (olefiny) Nenasycené alifatické uhlovodíky, mající v molekule jednu dvojnou vazbu. Obecný vzorec - CnH2n. Výskyt - ropa, zemní plyn, produkty krakování a destilace organických látek. Příprava - dehydratace nasycených alkoholů CH3-CH2-OH CH2=CH2 + H2O Vlastnosti – z fyzikálního hlediska se podobají alkanům Chemické vlastnosti jsou odlišné - na dvojné vazbě C=C dochází k reakcím adičním a polymeračním. CH2=CH2 + Cl2 CH2Cl-CH2Cl ethen → 1,2- dichlorethan n (CH2=CH2) [-CH2-CH2-]n ethen → polyethylen

Výroba - dehydratace ethanolu Ethen (CH2=CH2) – bezbarvý plyn, nerozpustný ve vodě, ve směsi se vzduchem výbušný. Výskyt – v zemním a koksárenském plynu,v rostlinách jako fytohormon. Urychluje stárnutí květů, zrání plodů, opadávání listů. Výroba - dehydratace ethanolu H2SO4 CH3-CH2-OH CH2=CH2 + H2O - katalytická hydrogenace ethinu (acetylenu) Pt, Pd,Ru,Rh CH≡CH + H2 CH2=CH2 Použití - výroba polyethylenu, ethanolu, styrenu…

Izolovaný systém: 1,4 - pentadien - vlastnostmi podobný alkenům Dieny Nenasycené alifatické uhlovodíky se dvěma dvojnými vazbami v molekule. Obecný vzorec - CnH2n-2. Podle vzájemné polohy dvojných vazeb v řetězci, lze rozlišit následující uspořádání: Kumulovaný systém: 1,2 - propadien (CH2=C=CH2) Izolovaný systém: 1,4 - pentadien - vlastnostmi podobný alkenům CH2=CH-CH2-CH=CH2 Konjugovaný systém: např. 1,3 - butadien CH2=CH-CH=CH2 - nejstabilnější systém, mající značný praktický význam.

1,3 - butadien (CH2=CH-CH=CH2) Je základní molekulou pro výrobu syntetických kaučuků (polymerizační reakce). Výroba - katalytická dehydrogenace a dehydratace lihu (Lebeděv) 2 CH3CH2OH CH2=CH-CH=CH2 + 2H2O + H2 2-methyl-1,3 - butadien (isopren) CH2=CH-CH=CH2 CH3 Za normálních teplot kapalný- součást výronu kaučukovníku. Základní jednotka přírodního kaučuku.

Reakce – adice, polymerace, substituce (acetilidy). Alkiny (acetyleny) Nenasycené acyklické uhlovodíky, mající v molekule jednu trojnou vazbu. Obecný vzorec - CnH2n-2. Vlastnosti – podobají se alkenům, mají však vyšší body tání. Vyznačují se vysokou mírou chemické reaktivity v důsledku přítomnosti vazby C≡C. Reakce – adice, polymerace, substituce (acetilidy). CH≡CH + H2O CH3-CHO adice: ethin -acetaldehyd n CH≡CH …[-CH=CH-CH=CH-]n… polymerace: ethin - polyacetylén CH≡CH + 2Ag Ag-C≡C-Ag substituce: ethin – acetilid stříbrný

Výroba - přímou syntézou z prvků Ethin (acetylen - C2H2) – bezbarvý plyn narkotických účinků, poměrně dobře rozpustný ve vodě, ve směsi se vzduchem výbušný (1,5 - 80%hm.). Výskyt – v koksárenském plynu. Vzniká za vysokých teplot při karbonizaci černého uhlí. Výroba - přímou syntézou z prvků 2C + H2 = C2H2 - rozklad dikarbidu vápenatého vodou CaC2 + 2H2O = C2H2 + Ca(OH)2 Použití - organické syntézy, výroba PVC, akrylátů…. - (C2H2 + O2) - autogenní svařování ocelových součástí (teplota plamene 2700°C).

Alicyklické uhlovodíky Uhlíkové atomy jsou spojeny do kruhu. Dnes jsou známé 3 až cca 30-ti členné cyklické uhlovodíky. Nejstálejší jsou kruhy o 5 - 6 uhlíkových atomech. Cykloalkany (nafteny - CnH2n) Vlastnosti – podobné alkanům, jsou však chemicky reaktivnější (způsobeno pnutím zakřiveného C-řetězce) . Výskyt – v ropách, z nichž se získávají destilací. Využití – nejvíce využívané cykloalkany jsou cyklopentan a cykohexan - rozpouštědla, výroba syntetických vláken, naftenových kyselin

Aromatické uhlovodíky (Areny) Historické pojmenování sloučenin, které se vyznačovaly charakteristickou vůní. V současné době jsou takto označovány látky s benzenovým kruhem v molekule. Benzenové jádro - (1,3,5-cyklohexatrien - Kekulé 1865) 6p elektronů tvoří uzavřený systém (sextet) - příčina aromatického charakteru benzenu. Molekula benzenu vykazuje šestičlennou osu symetrie - delokalizace p-elektronu (1,5 násobné vazby).

Benzen a aromatické uhlovodíky na rozdíl cykloalkenů preferují substituční reakce před adičními. Cl FeCl3, SbCl5 + Cl2 + HCl benzen chlorbenzen CH=CH2 FeCl3, AlCl3 + CH2=CH2 + H2 vinylbenzen benzen Dochází vždy k uvolnění a náhradě jednoho z vodíku na benzenovém kruhu jiným atomem, či skupinou atomů.

Výskyt - v ropě a černouhelném dehtu. Benzen (C6H6) – bezbarvá kapalina, lehčí než voda s vysokým indexem lomu (Tv=80,4°C, Ttá=5,5°C). Páry tvoří se vzduchem výbušnou směs, jsou silně toxické - poškozování jater, ledvin, CNS, kostní dřeně. Výskyt - v ropě a černouhelném dehtu. Využití - vynikající rozpouštědlo, - výroba laků, olejů, léčiv, barviv, plastů. Toluen (C6H6CH3) – bezbarvá kapalina s bodem varu 111°C. Získává se z černouhelného dehtu a z ropy. Lze jej vyrobit z benzenu Friedel-Craftsovou reakcí: AlCl3, FeCl3 + CH3Cl CH3 + HCl F.- C. katalyzátory

Využití toluenu – rozpouštědlo, - příprava kyseliny benzoové, barviv, výbušnin (TNT). CH3 COOH +1,5 O2 - H2O toluen kyselina benzoová CH3 CH3 O2N NO2 H2SO4 + 3 HNO3 NO2 toluen trinitrotoluen (TNT)

Xyleny - C6H6(CH3)2 - směs tří izomerů (ortho-, meta-, para-) . ortho-xylen meta-xylen para-xylen Vzhledem k velmi blízkým teplotám varu (138-144°C), je těžké od sebe uvedené izomery oddělit destilací. Využití – vynikající rozpouštědla.

Polyaromatické uhlovodíky (PAU) Pevné látky vynikající kondenzací dvou, nebo více benzenových jader. Vlastnostmi se podobají monocyklickým arenům. Mnohé z nich jsou karcinogenní (3,4-benzpyren) Výskyt - v černouhelném dehtu, - v připálených potravinách, - v dehtu vzniklém kouřením tabáku !!! Výzkumy ukazují, že 3,4-benzpyren vyvolává zhoubné bujení buněk.

Technicky významné PAU: Naftalen (C10H8) - objeven v černouhelném dehtu roku 1819. krystalizuje v bezbarvých lístcích, nerozpustný ve vodě, dobře rozpustný v organických rozpouštědlech. Použití - v barvířském průmyslu (barvy, indikátory), pro výrobu výbušnin a léčiv, plastických hmot. Anthracen (C14H10) – krystaluje v bezbarvých lístcích, které v UV-světle modrofialově fluoreskují. použití výhradně pro barvářské účely, výroba alizarinových a indanthrenových barviv.