Chemia Organiczna - Materiały Dydaktyczne dla Studentów, Schematy z Chemia

Pobierz Chemia Organiczna - Materiały Dydaktyczne dla Studentów i więcej Schematy w PDF z Chemia tylko na Docsity!

Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

MATERIAŁY DYDAKTYCZNE DLA STUDENTÓW KIERUNKÓW

ZAMAWIANYCH UCZESTNICZĄCYCH W ZAJĘCIACH

WYRÓWNAWCZYCH

W RAMACH PROJEKTU

„STUDIA INŻYNIERSKIE GWARANCJĄ ROZWOJU UTP

I SPOŁECZEŃSTWA OPARTEGO NA WIEDZY”

nr POKL.04.01.02-00-166/11-

CHEMIA ORGANICZNA

Opracowanie:

Ewa Maćkowska

Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. Jana i Jędrzeja Śniadeckichw Bydgoszczy

Bydgoszcz 2011

SPIS TREŚCI

CHEMIA ORGANICZNA

1. Węglowodory alifatyczne

1.1. Alkany Alkany to grupa węglowodorów nasyconych o ogólnym wzorze

C n H 2n+

Najmniejszą cząsteczką z tej grupy węglowodorów jest metan o sumarycznym wzorze CH 4. W cząsteczce metanu istnieją cztery równo cenne wiązania węgiel- wodór, a jej kształt to czworościan foremny (tetraedr):

Budowa przestrzenna Model orbitali węgla Model cząsteczki cząsteczki metanu w cząsteczce metanu metanu Kolejnym węglowodorem w szeregu homologicznym alkanów jest etan. Atomy węgla w cząsteczce etanu połączone są wiązaniem .

Budowa przestrzenna Model orbitali węgla cząsteczki etanu w cząsteczce etanu Ważną cechą wiązania węgiel-węgiel jest to, że związane nim atomy mogą obracać się swobodnie wokół tego wiązania. Takie ułożenia chwilowe nazywa się konformacjami. Cząstki różniące się ułożeniem przestrzennym to konformery.

Konformacje skrajne etanu a) naprzeciwległa b) naprzemianległa Konformacja jest układem nietrwałym.

1.1.1. Izomeria alkanów

Węglowodory, które mają ten sam wzór sumaryczny, a różnią się wzorem strukturalnym nazywa się izomerami. Liczba izomerów wzrasta wraz ze zwiększeniem ilości węgli w łańcuchu węglowodoru.

Wzór alkanu Liczba izomerów

C 4 H 10 2

C 5 H 12 3

C 6 H 14 5

C 7 H 16 9

C 8 H 18 18

Izomeria, w której izomery różnią się od siebie sposobem połączenia atomów w cząsteczce nazywa się izomerią konstytucyjną. Ponieważ, jak widać w tabeli powyżej, węglowodory mają dużo izomerów, aby wiedzieć z jakim izomerem mamy do czynienia, należy zapisać go w postaci: wzoru strukturalnego skróconego uproszczonego H H (półstrukturalnego) H  C  C  H CH 3  CH 2  CH 3  C  C  H H

1.1.2. Nazewnictwo alkanów

Węglowodór nasycony o prostym, nierozgałęzionym łańcuchu nosi nazwę „ normalnego ” np.: n -butan, n - pentan. Gdy z węglowodoru zostanie usunięty jeden wodór, wtedy powstaje grupa alkilowa (podstawnik) np.: CH 4 CH 3  C 3 H 8 C 3 H 7  metan, grupa metylowa, propan, grupa propylowa

Aby nazwać rozgałęziony węglowodór nasycony należy wybrać najdłuższy łańcuch i nazwać go odpowiednio do ilości węgli łańcucha. Jeżeli w cząsteczce można wyznaczyć dwa łańcuchy o takiej samej ilości węgli, należy wybrać ten, który ma więcej rozgałęzień. Następnie należy ponumerować węgle łańcucha tak, aby podstawniki miały jak najniższe numery. Kolejnym krokiem jest określenie nazw podstawników (grup) przyłączonych do łańcucha głównego. Nazwę podaje się wymieniając numer węgla przy którym występuje podstawnik, a podstawniki wymieniamy w kolejności alfabetycznej. Jeżeli we wzorze taki sam podstawnik występuje kilka razy, to stosuje się przed nazwą tego podstawnika liczebnik: di-, tri-, tetra-, …, heksa- itp.

Powyższy przykład ciągu reakcji nosi nazwę reakcji następczych , to jest reakcji, w których produkty pierwszej są substratami drugiej, a produkty drugiej są substratami trzeciej itd. Warunkiem jest to, że jeden z substratów w każdej reakcji jest taki sam. Pozostałe chlorowce również reagują z alkanami. Reaktywność ich wskazuje poniższa zależność: F 2  Cl 2  Br 2  I 2. W węglowodorach o większej liczbie węgli atom chlorowca może przyłączyć się do dowolnego węgla, powstaje więc wiele izomerów, np.:

3 2 1 CH 3 -CH 2 -CH 3 +Cl-Cl → CH 3 -CH 2 -CH 2 -Cl + HCl 1-chloropropan 3 2 1 CH 3 -CH 2 -CH 3 +Cl-Cl → CH 3 -CH-CH 3 + HCl Cl 2-chloropropan

Ten typ izomerii nazywa się izomerią podstawnikową, ponieważ izomery różnią się położeniem podstawnika w łańcuchu. Izomeria podstawnikowa jest przykładem izomerii konstytucyjnej.

1.1.4. Zadania

1. Oblicz masę dichlorometanu otrzymanego w wyniku reakcji chlorowania 30 g metanu. Reakcja przebiega z 80% wydajnością.
2. Wyznacz sumaryczny wzór związku zawierającego wagowo 48,65% węgla, 8,11% wodoru i tlen. Wzór empiryczny tego związku jest także jego wzorem rzeczywistym.
3. Wyznacz wzór sumaryczny alkanu, którego masa molowa wynosi 114 g∙mol-1.
4. Napisz reakcję spalania propanu i pentanu przy nadmiarze i niedomiarze tlenu.
5. Podaj nazwę związków i określ rzędowość wszystkich atomów węgla:

CH 3 CH 2

CH 3 CH 2 CH CHCH 3

CH 2

CH 3

CH 3 CH 3

CH 2 CH 3 CH 2 CH 3

CH 3 -CH 2 -CH-CH-CH-CH 2 -C-CH 3 CH 3 -CH 2 -CH-CH – C-CH 3

H 3 C CH 2 CH 3 CH CH 3

CH 3 C(CH 3 ) 3

6. Napisz wzory strukturalne następujących związków:

 3-etylo-4-propylooktan,

 2,2-dimetylobutan,  2,3-dimetylobutan,  2,3,3-trimetyloheksan,  4,5-dietylo-2,3,4-trimetyloheptan,  1,1-dibromo-3-metylopentan,  2-bromo-1,1,1-trichloropropan  4-etylo-2,2-dimetylooktan,  2,3,5-trimetylo-4-propyloheptan  2,3-dimetylo-4-propyloheptan  4-(1,1-dimetyloetylo)heptan  5-(1,2-dimetylopropytlo)-2-metylononan

7. Narysuj wzory półstrukturalne wszystkich izomerów i podaj ich nazwy dla:  heptanu,  heksanu,  dichloropentanu,  etylo,metylo-pentanu.
8. Podaj nazwy wymienionych grup alkilowych i podaj ilu rzędowe są te grupy:
9. Wskaż pierwszo-, drugo-, trzecio- i czwartorzędowe atomy węgla we wzorach:
10. Narysuj wzory strukturalne oraz podaj nazwy systematyczne grup alkilowych, których nazwy zwyczajowe podano poniżej: a) Isopropyl- b) isobutyl- c) tert -butyl- d) neo -pentyl-
11. Podaj przykłady alkanów, które spełniają następujące kryteria:  alkan, który ma jeden czwartorzędowy i jeden drugorzędowy atom węgla,  alkan, który ma tylko pierwszorzędowe atomy węgla,  alkan, który ma dwa trzeciorzędowe, a nie ma wcale drugorzędowych atomów węgla.
12. Napisz, ile izomerów może powstać w wyniku poniższej reakcji (substraty zmieszano w stosunku 1:1):

Wiązanie potrójne złożone jest z jednego wiązania  i dwóch wiązań . Cząsteczka etynu ma budowę liniowa.

1.2.1. Izomeria alkenów

W dłuższych łańcuchach n-alkenów i n-alkinów wiązanie wielokrotne może występować w różnych miejscach łańcucha. Na przykład istnieją dwa izomery n- pentenu: CH 2 =CH-CH 2 -CH 2 -CH 3 CH 3 -CH=CH-CH 2 -CH 3 Z uwagi na wiązanie  w cząsteczce alkenu i alkinu nie ma możliwości obrotu wokół wiązania podwójnego czy potrójnego, tak jak to było w cząsteczce etanu. W alkenach pojawia się więc nowy typ izomerii: cis i trans****. Jest to tzw. stereoizomeria. Cząsteczki stereoizomerów różnią się od siebie wyłącznie przestrzennym rozmieszczeniem atomów. Wzory izomerów cis i trans przedstawiono poniżej:

Izomery 1,2-dichloroetenu Warunkiem istnienia izomerii cis-trans jest występowanie dwóch różnych podstawników przy każdym z węgli wiązania podwójnego. H 3 C H H H C  C C  C H 3 C CH 3 Cl Cl lewy węgiel - dwa takie same podstawniki różne podstawniki

• brak izomerii cis-trans - istnieje izomeria cis-trans Z uwagi na linowy charakter wiązania –CC– w alkinach nie występuje izomeria cis-trans.

1.2.2. Nazewnictwo alkenów i alkinów

Jeżeli w cząsteczce węglowodoru występuje wiązanie podwójne, do nazwy dodaje się końcówkę –en, a jeżeli wiązanie potrójne – końcówkę –yn (lub – in), np.: CH 2 =CH - CH 3 CH  C - CH 3 propen propyn Następnie wybiera się najdłuższy łańcuch, który zawiera wiązanie wielokrotne i atomie węgla. Kolejnym krokiem jest nazwanie podstawników, po czym należy napisać nazwę alkenu lub alkinu.

Jeżeli w cząsteczce alkenu występuje więcej niż jedno wiązanie podwójne, nazwę tworzy się dodając końcówkę: dwa wiązania -dien; trzy – trien.

CH 2 =C – CH 2 – CH = CH 2 2-bromopenta-1,4-dien Br

1.2.3. Własności fizyczne alkenów i alkinów

Alkeny i alkiny można otrzymać w reakcji eliminacji, np. chlorowcopochodnych lub alkoholi alifatycznych: R-CH 2 -CH 2 -OH → R-CH 2 =CH 2 R-CH 2 -CH 2 -Cl → R-CH 2 =CH 2 R-CH 2 -CH 2 -Cl → R-CCH R-CHCl-CH 2 -Cl → R-CH 2 =CH 2 + ZnCl 2 R-CCl 2 -CHCl 2 → R-CHCH + 2 ZnCl 2 Alkeny, podobnie jak alkany ulegają reakcji spalania. Drugą, ważną reakcją jest reakcja addycji , czyli przyłączania. W trakcie reakcji przyłączania pęka wiązanie . Łatwo przyłącza się cząsteczka chloru, trudniej wodoru (w obecności katalizatora). CH 2 =CH-CH 3 + Cl 2  CH 2 Cl-CHCl-CH 3

CH 2 =CH-CH 3 + H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 3

CHC-CH 3 + 2H 2 → CH 3 -CH 2 -CH 3 Alkeny reagują z

 wodą, dając alkohole: CH 2 =CH 2 + H 2 O → CH 3 -CH 2 -OH  chlorowodorami: CH 2 =CH 2 + HCl  CH 2 Cl-CH 3 CH  CH + 2HCl  CHCl 2 - CH 3 Jeżeli chlorowcowodór przyłącza się do wiązania wielokrotnego, w którym przy węglach jest różna liczba wodorów, to zgodnie z r egułą Markownikowa wodór zawsze przyłącza się do węgla, który był związany z większą ilością wodorów. Taki przykład ilustruje poniższa reakcja:

R-CH=CH 2 + H-Cl  R-CHCl-CH 3

Acetylen, przyłączając cząsteczkę wody tworzy aldehyd octowy. Reakcja przebiega w obecności siarczanu rtęci(II) i kwasu siarkowego(VI):

H O H-C  C-H + H 2 O → H C C H H

2. Fluorowcopochodne węglowodorów

Związki, w których grupą funkcyjną jest fluorowiec (fluor, chlor, brom lub jod) nazywane są halogenkami.

2.1. Nazewnictwo fluorowcopochodnych

Nazwy fluorowcopochodnych tworzy się przez dodanie do nazwy węglowodoru przedrostka określającego rodzaj fluorowca i numer węgla, przy którym on występuje. Przykłady podano poniżej. Jeżeli w cząsteczce związku występuje więcej niż jeden atom tego samego fluorowca to liczbę tych atomów określamy przedrostkami di-, tri- tetra- itd.

2.2. Otrzymywanie halogenowodorów

Chlorki i bromki alkilów otrzymuje się w reakcji podstawienia wodoru w alkanie chlorem lub bromem, reakcja jest inicjowana światłem:

Chlorowcopochodne alkanów tworzą związki metaloorganiczne z reaktywnymi metalami, np. magnezem, litem. Związki te znalazły szerokie zastosowanie w syntezie organicznej, między innymi do otrzymywania węglowodorów.

Związki metaloorganiczne są czułe na obecność wilgoci i reagują z wodą tworząc węglowodory:

Inne reakcje z metalami:

Inną metodą otrzymywania halogenków jest reakcja addycji fluorowców lub fluorowcowodorów do wiązań wielokrotnych:

Jodki otrzymuje się w reakcji alkoholi z HI:

R-OH + HI R-I + H 2 O

Z chlorku winylu otrzymuje się polichlorek winylu, popularne tworzywo polimerowe PCW lub PVC

2.4. Zadania

1. Wybierz cząsteczki, które tworzą izomery cis i trans:  CH 3 - C=CH-CH 3  CHBr=CHCl CH 3  CHCl=CHCH 2 CH 3  CH 2 = C-H Cl
2. Wybierz cząsteczki, które tworzą izomery cis i trans:  3-metylo-1-penten  2-metylo-3-heksen  2,3-dibromobut-2-en  2,3-dichlorobutan  1-chloro-1,2-dibromoeten  1-chloro-3-etylo-4-metylohept-3-en  3-propylopenta-1,3-dien  1,1-dichloroprop-1-en
3. Narysuj wzory strukturalne i podaj nazwy węglowodorów nienasyconych o wzorach: C 5 H 10 C 5 H 8 Które z izomerów wykazują izomerię cis-trans?
4. Napisz wzory strukturalne izomerów cis i trans heks-3-enu.
5. Narysuj wzór strukturalny 6-metylohept-3-enu.
6. Podaj nazwy związków:

e) CH 2 =CH-CH 2 CH 2 CCH f) CH 3 -CH=CH-CH 2 CC-CH 3 h) CH 2 -CH 3 g) CH 3 -CH =CH-CH 2 – CH-CH 2 CH 2 CH 3 CH 2 = C-CH-CH 2 CH 3 CH=CH 2 CH 3

7. Dla związku o wzorze:
8. Napisz równania reakcji spalania alkenów:  heksenu do tlenku węgla(II)  heptenu do tlenku węgla(IV)  butenu do tlenku węgla (IV)
9. Narysuj wzory strukturalne:  4-etylo-2,2-dimetylohept-3-en  2-metylobut-2-en  3,3-dietylopent-1-en  but-2-yn  3-metylobut-1-yn  2-chlorobuta-1,3-dien  2-metylobuta-1,3-dien
10. Narysuj wzory strukturalne związków o podanych niżej nazwach:  5-bromo-2,4-dimetyloheptan  1-bromo-4-chloro-3-metylopentan  4-bromo-2,2-dimetylopentan  4-chlorobut-1-en  5-chloro-3-metyloheks-2-en
11. Znając wzór ogólny alkenów zawierających jedno wiązanie podwójne, zaproponuj wzory ogólne dla: dienów i trienów.
12. Napisz dowolną reakcję: substytucji, addycji i eliminacji.
13. Dokończ reakcje:

 CH 3 -CH 3 + Cl 2 → ……  CH 2 =CH 2 + H 2 → …….  R-CH=CH 2 + Cl 2  …….

b) but-2-yn + chlorowodór  …………. c) 1,2-dichloroetan + KOH → …………..

3. Węglowodory aromatyczne

Węglowodory aromatyczne ( areny ) to węglowodory zawierające w swojej

budowie pierścień benzenowy lub inny podobny pierścień.

3.1. Benzen

Benzen jest związkiem cyklicznym o wzorze sumarycznym C 6 H 6. Na jeden atom węgla w cząsteczce benzenu przypada jeden atom wodoru, muszą więc w cząsteczce występować wiązania wielokrotne. Jednak benzen nie zachowuje się jak związek nienasycony, jest wyjątkowo trwały. Cząsteczkę benzenu można opisać wzorem:

W toku badań odkryto, że wszystkie wiązania pomiędzy atomami węgla mają w cząsteczce benzenu identyczne długości - 139 pm, co jest wartością pośrednią między długością wiązania pojedynczego C-C (154 pm) i podwójnego C=C (134 pm). Wszystkie kąty między wiązaniami C-C-C mają wartość równą 120°. Każdy z atomów węgla ma hybrydyzację sp^2 i na każdym z nich istnieje niezhybrydyzowany orbital p, zorientowany prostopadle do płaszczyzny pierścienia.

Zdelokalizowany sekstet elektronowy w cząsteczce benzenu

Węglowodory aromatyczne charakteryzują się stosunkowo dużą trwałością, nie ulegają reakcjom addycji natomiast ulegają przede wszystkim reakcjom substytucji, które zachodzą bez rozerwania pierścienia. Szczególnie łatwo podstawiają atom wodoru przy pierścieniu aromatycznym: grupy alkilowe, grupy nitrowe, grupy sulfonowe, halogeny (fluorowce). Produktami tych reakcji są pochodne benzenu, które

W benzenie nie ma występujących naprzemiennie wiązań pojedynczych i podwójnych. Występująca w cząsteczce benzenu zdelokalizowana chmura elektronów  charakteryzuje się dużą trwałością. Narysowane kółko w pierścieniu oznacza rozmyte na całą cząsteczkę wiązanie zdelokalizowane tworzone przez sekstet elektronowy.

mają duże znaczenie praktyczne. W określonych warunkach węglowodory aromatyczne mogą ulegać także addycji. Przy podwyższonym ciśnieniu i w obecności niklu jako katalizatora, benzen może ulec uwodornieniu, a produktem takiej reakcji jest cykloheksan. Podobne zachowanie do benzenu wykazują węglowodory aromatyczne, które posiadają skondensowane pierścienie.

3.2. Reakcje benzenu

W powietrzu pary benzenu spalają się świecącym płomieniem tworząc sadzę: 2 C 6 H 6 + 3 O 2 → 12 C + 6 H 2 O Benzen, w obecności katalizatora np. FrBr 3 reaguje z bromem, tworząc bromobenzen:

Jest to reakcja podstawienia atomu wodoru fluorowcem. W obecności stężonego kwasu siarkowego łatwo zachodzi reakcja z kwasem azotowym(V). Atom wodoru zostaje podstawiony grupą nitrową –NO 2.

nitrobenzen

3.3. Szereg homologiczny arenów (benzenu)

Wzór ogólny: CnH2n-

Jeżeli zastąpimy jeden atom wodoru (lub więcej)Najbliższym homologiem benzenu jest toluen, następne to węglowodory aromatyczne odpowiadające wzorowi sumarycznemu C 8 H 10 , czyli etylobenzen i ksyleny:

Benzen Metylobenzen Etylobenzen

Toluene

Br 2

FeBr 3

Br

+ +H Br

HNO 3

H 2 SO 4

NO 2

CH 3 CH CH 2 3

• H 2 O