Podział związków organicznych -...
Transcript of Podział związków organicznych -...
Podział związków organicznych
węglowodory
alifatyczne aromatyczne
alkany cykloalkany
halogenki alkilowe alkohole fenole etery aldehydy ketony aminy kwasy karboksylowe
związki jednofunkcyjne związki wielofunkcyjne
nasycone
aminokwasy peptydy cukry
nienasycone
alkeny alkiny
AlkoholeAlkohole – związki organiczne o wzorze ogólnym R-OH, czyli substancje w których jeden lub więcej atomów wodoru w węglowodorze alifatycznym zostało zastąpione grupą -OH (wodorotlenową, hydroksylową). Wiązanie pojedyncze węgiel-tlen w alkoholach jest spolaryzowane (tlen jest bardziej elektroujemny niż węgiel)
Przykłady:
CH3
CH
CH3
OH
2-propanolizopropanol
CH2CH
CH2
O
OHOH
H
1,2,3-propanotriolgliceryna
CH3 OH
metanolalkohol metylowy
R O Hδ + δ -
CH3 C
CH3
OHH CH3
C
CH3
OHCH3
alkohole
drugorzędowe 2opierwszorzędowe 1o trzeciorzędowe 3o
etanol 2-propanol
CCH3 OH
H
H
2-metylo-2-propanol
Właściwości fizyczne wybranych alkoholi.
3,60,962 161,5C6H11OHcykloheksanol (2o)~100,949 140,0C5H9OHcyklopentanol (2o)∞0,789 83,0(CH3)3COH2-metylo-2-propanol (3o)
10,00,802 108,0(CH3)2CHCH2OH 2-metylo-1-propanol (1o)12,50,806 99,5CH3CHOHCH2CH32-butanol (2o)7,90,810 118,0CH3(CH2)2CH2OH1-butanol (1o)∞0,789 82,5(CH3)2CHOH2-propanol (2o)∞0,804 97,0CH3CH2CH2OH1-propanol (1o)∞0,789 78,3CH3CH2OHetanol (1o)∞0,793 64,5CH3OHmetanol (1o)
Rozp. [g/100 g wody]
Gęstość,[g/cm3]
T. wrz., [oC]
WzórNazwa(rzędowość)
Wnioski: • wysokie temperatury wrzenia w porównaniu do węglowodorów alifatycznych• gęstość mniejsza od 1 g/cm3 (mniejsza niż gęstość wody)• alkohole zawierające do około 4 atomów węgla w łańcuchu rozpuszczają się
w wodzie bez ograniczeń (∞)
Własności fizyczne alkoholi
grupa hydroksylowa (–OH)ma charakter silnie polarny
OH
Część hydrofobowa
Część hydrofilowa
łańcuch alifatycznyma charakter niepolarny
Obecność grupy hydroksylowej decyduje o wysokiej polarności alkoholi i ich zdolność do tworzenia wiązań wodorowych.
Wiązanie wodorowe w alkoholach i ich roztworach wodnych
RO
H
RO
H
RO
H
RO
H
RO
H
RO
H
RO
H
Odparowanie alkoholu wymaga dostarczenia dodatkowej energii potrzebnej do rozerwania wiązań wodorowych. Stąd ich wyższe temperatury wrzenia w porównaniu do węglowodorów.
HO
H
RO
H
HO
HTworzenie wiązań wodorowych pomiędzy wodą a alkoholem powoduje, że alkohole zawierające do 4 atomów węgla doskonale rozpuszczają się w wodzie.
Alkohole tworzą asocjaty poprzez wiązania wodorowe
Alkohole w roztworach wodnych są solwatowane cząsteczkami H2O
Podstawowe reakcje alkoholi
Alkohole jako kwasyAtom wodoru w grupie -OH cząsteczki alkoholu związany jest bezpośrednio z silnie elektroujemnym atomem tlenu i dzięki temu wykazuje właściwości kwasowe.
Kwasowy charakter alkoholi powoduje łatwość ich reakcji z metalami np.:Na, K, Mg, Ca, Al
2 CH3O–H + 2 Na → 2 Na+[CH3O–] + H2
2 CH3CH2O–H + 2 K → 2 K+[CH3CH2O–] + H2
Rozerwanie wiązania CO–H Rozerwanie wiązania C–OH
1. Reakcja z halogenowodorami
2. Reakcja dehydratacji
mechanizmSN1 lub SN2
CH3
CHCH3
OHCH3
CHCH3
Cl
Cl–
CH3
CHCH3
OH2+
CH3
CHCH3
ClH+
Cl–+ H2O
CH3
CHCH3
OH
CH3
CHCH2
H++ H2O
Rozerwanie wiązania C–OH
Utlenianie alkoholiUtlenianie alkoholi 1°-rzędowych• utlenianie do aldehydów (mieszaniną K2Cr2O7 i rozcieńczonego H2SO4)
• bezpośrednie utlenianie do kwasów karboksylowych (ogrzewanie z roztworem KMnO4).
Utlenianie alkoholi 2°-rzędowychalkohole drugorzędowe utleniają się do ketonów (mieszaniną K2Cr2O7 i rozcieńczonego H2SO4).
Utlenianie alkoholi 3°-rzędowychReakcja nie zachodzi.
CH3 CH2
C O
H
CH3 CH2
CH OH
H
CH3 CH2
C O
OH
a)
alkohol 1o aldehyd kwas karboksylowy
b)
CH3 CH2
C O
CH3
CH3 CH2
CH OH
CH3
[O]
alkohol 2o keton
CH3
CH3
C OHCH3
[O]
alkohol 3o
Fenole
Fenole (Ar-OH) to związki organiczne, w których grupa funkcyjna –OH jest bezpośrednio połączona z pierścieniem aromatycznym.
Przykłady fenoli i ich powszechnie stosowanych nazw zwyczajowych:
OH
OH
OH OH
OH
OH
CH3
pirokatechina meta-krezolhydrochinonfenol
Fenole wyodrębnia się w oddzielną klasę związków od alkoholi z powodu ich większej kwasowości. Wartość pKa, fenolu wynosi 9,9, a więc jest on o kilka rzędów wielkości silniejszym kwasem niż alkohole.
Fenole – porównanie właściwości kwasowych
Alkohole wykazują słabsze właściwości kwasowe od wody, nie reagują z zasadami:
Szereg kwasowości:
alkohole < H2O < fenole < H2CO3 < kwasy karboksylowe
CH3OH + NaOH reakcja nie zachodzi
Fenole są kwasami znacznie silniejszymi od wody i alkoholi, ale słabszymi od kwasu węglowego (nie wypierają CO2 z węglanów). Rozpuszczają się w wodnych roztworach zasad tworząc fenolany:
OH O Na+
NaOH+ H2O
Podsumowanie właściwości kwasowych R-OH, Ar-OH i R-COOH
Na NaOH Na2CO3
Alkohole: reagują nie reagują nie reagują
Fenole: reagują reagują nie reagują
Kwasy: reagują reagują reagują
zapis zachodzących reakcji:
2 R-OH + 2 Na 2 Na+[R-O-] + H2
2 Ar-OH + 2 Na 2 Na+[Ar-O-] + H22 R-COOH + 2 Na 2 Na+[R-COO-] + H2
Ar-OH + NaOH Na+[R-O-] + H2OR-COOH + NaOH Na+[R-COO-] + H2O
2 R-COOH + Na2CO3 2 Na+[R-COO-] + CO2 H2O+
Aminy
N
HH
H
..
N
R1
R2H
..
N
R1
HH
..
Aminy – związki organiczne pochodne amoniaku, w którym jeden lub więcej atomów wodoru zastąpione zostało podstawnikami alifatycznymi (R) lub aromatycznymi (Ar) – podział na aminy alifatyczne i aromatyczne.
N
R1
R2R3
..
amoniak
1o rzędowe 2o rzędowe
HN
R
H
HN
R
R
RN
R
R
3o rzędoweH
NH
H
W zależności od liczby podstawników związanych z atomem azotu rozróżniamy aminy o różnej rzędowości.
aminy
HN
CH3
H
metyloamina
NCH2
CH3CH2
CH3
H
dietyloamina
NH
H
anilina
NCH3
CH3
N,N-dimetyloanilina
N
pirydyna
Aminy - przykłady
aminy
aromatycznealifatyczne
Aminy – właściwości fizyczne
N
R1
H
H
N
R1
HH
N
R1
HH
....
..
Możliwość tworzenia większej liczby wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami aminy 1o powoduje, że mają one wyższą temperaturę wrzenia od izomerycznych amin 2o i 3o rzędowych
N
R1
HH
HOH
HO
H
HO
H
..
| |
| |
| |
Możliwość tworzenia większej liczby wiązań wodorowych typu NH-O i N-HO z wodą powoduje, że rozpuszczalność w wodzie amin 1o jest lepsza od izomerycznych amin 2o i 3o rzędowych
Podobnie jak amoniak aminy mogą tworzyć wiązania wodorowe między własnymi cząsteczkami (niższe temperatury wrzenia niż odpowiadające im alkohole ) a także z wodą (dobrze rozpuszczalne w wodzie).
Atom azotu w cząsteczce aminy, podobnie jak i w cząsteczce amoniaku posiada wolną parę elektronową, co sprawia, że może on być: a) donorem elektronów (zasadą Lewisa) dla odpowiednich grup lub jonów; np.
nukleofilem w reakcjach SN2. b) akceptorem kationu wodorowego H+ (zasadą Brönsteda) – reaguje z kwasami
tworząc sole amonowe, np:
Aminy – właściwości chemiczne1) Reakcje z kwasami:
HN
+
CH3
HH Cl
HN
CH3
HClH+
BrHN
+
H
HH
BrN
H
H
+
2) Reakcje amin ze związkami karbonylowymi
Aminy reagują ze związkami zawierającymi w cząsteczce grupę karbonylową
• aldehydami lub ketonami tworząc tzw. zasady Schiffa
• kwasami karboksylowymi tworząc peptydy
Aminy alifatyczne
Grupy alkilowe zwiększają zasadowość amin. Dlatego aminy pierwszorzędowe są silniejszymi zasadami od amoniaku, a aminy drugorzędowe od amin pierwszorzędowych
Zasadowe właściwości amin
Aminy aromatyczne
Sprzężenie wolnej pary elektronowej atomu azotu z elektronami pierścienia aromatycznego powoduje, że aminy aromatyczne są słabszymi zasadami od amoniaku. Dlatego aminy aromatyczne w odróżnieniu od alifatycznych mogą być wyparte z ich soli za pomocą amoniaku.
N+
H
HH Br N
H
H
NH3+ + NH4+Br-
CH2
N+
H
HHCH3 Br
NH3+ reakcja nie zachodzi
Etery są związkami o wzorze ogólnym R-O-R‘,gdzie symbole R i R‘ oznaczać mogą zarówno podstawnik alifatyczny jak i aromatyczny. Charakteryzują się dużą lotnością (porównywalną z alkanami) i słabą rozpuszczalnością w wodzie (tworzą bardzo słabe wiązania wodorowe).
CH2 CH2
OCH3 CH3
eter dietylowy
eter difenylowy
O
eter metylowo – tert-butylowy
C
CH3
CH3
CH3
OCH3
etery
mieszane (niesymetryczne)
proste (symetryczne)
cyklicznełańcuchowe
O
O
Ofuran
tetrahydrofuran
oksiran
Etery
Grupa karbonylowa (>C=O). Element strukturalny, w którym atom węgla łączy się z atomem tlenu wiązaniem podwójnym (σ+π).
Związki karbonylowe
Wiązanie karbonylowe jest spolaryzowane w stronę bardziej elektroujemnego atomu tlenui w ten sposób na atomie węgla występuje cząstkowy ładunek dodatni.
CH3
CH3
C Oδ + δ −
Aldehydy i ketony łącznie stanowią klasę związków określonych jako związki karbonylowe. Wspólnym elementem ich budowy jest grupa karbonylowa >C=O, która w znacznym stopniu określa ich właściwości chemiczne.
Aldehydy:H H
C
O
HC
O
CH3CH2 H
C
O
CH3C
O
CH2
CH3 CH3
C
O C
O
Ketony:
Aldehydy i ketony
• Reakcja addycji do grupy karbonylowej przebiega z rozerwaniem wiązania π według mechanizmu nukleofilowego, tzn. że pierwszym i zasadniczym etapem reakcji jest atak odczynnika nukleofilowego (o charakterze zasady Lewisa) na węgiel grupy karbonylowej wykazujący cząstkowy ładunek dodatni (deficyt elektronowy), a wynikający z polaryzacji grupy karbonylowej.
• Elektron z odczynnika nukleofilowego i jeden z elektronów wiązania π tworzą nowe wiązanie węgiel-nukleofil, a drugi elektron wiązania π pozostaje na tlenie i tworzy najczęściej nowe wiązanie tlen-wodór pobierając kation wodorowy ze środowiska reakcji.
Najważniejszą reakcją grupy karbonylowej jest reakcja addycji nukleofilowej.
Addycja nukleofilowa do grupy karbonylowej
R
R
C O
-Nu
R
R
CO
Nu R
R
CO-H
Nu
-δ + δ −+ OH
H2O
Produktem addycji nukleofilowej alkoholu do grupy aldehydowej jest hemiacetal (półacetal).
H
OH
CCH3O
CH2
CH3
CH3
CH3
CH2
O
CHCH3
O
CH2C2H5OH/H+
– H2O
acetalhemiacetal
Przykład addycji nukleofilowej – tworzenie hemiacetali i acetali
W obecności kwasu hemiacetal może przeragować z drugą cząsteczką alkoholu tworząc acetal.
CH2 O
CH3
H
CH3 C
H
O
H
OH
CCH3O
CH2
CH3
+
hemiacetal
1) Aldehydy w odróżnieniu od ketonów łatwo ulegają utlenieniu do kwasów karboksylowych.
Czynnikiem utleniającym oprócz KMnO4, K2Cr2O7 mogą być bardzo łagodne reagenty, takie jak jak odczynnik: Tollensa (Ag(NH3)2
+) lub Fehlinga (Cu2+)
CH3 C
H
O
CH3
O
C
O
Ag[Ag(NH3)2]+
+OH–
CH3 C
H
O
CH3
O
C
O
Cu2OCu2+
+OH–
Inne reakcje związków karbonylowych – utlenianie i redukcja
Próba Tollensa Próba Fehlinga
2) Zarówno aldehydy jak i ketony ulegają reakcjom redukcji do alkoholi
HC
O
HC
OHH
LiAlH4
Do tej klasy zaliczamy związki zawierające grupę karboksylową, zapisywaną w skrócie jako –COOH połączoną albo z grupą alkilową R (RCOOH)albo grupą arylową Ar (ArCOOH).
Kwasy karboksylowe
CO
O-H
δ +
δ -
δ -
δ +
Związki karboksylowe wykazują wyraźnie zaznaczone właściwości kwasowe wynikające ze znacznej polaryzacji wiązania O-H wzmocnionej dodatkowo (w porównaniu np. z alkoholami) ściąganiem elektronów przez grupę karbonylową.
Dodatkową przyczyną znacznej kwasowości grupy karboksylowej jest stabilizacja anionu przez zdelokalizowany układ wiązań wynikający z obecności dwóch struktur rezonansowych
OHC
H
O
OHC
CH3
O
CH3 OHC
CH2
O
CH2CH3 OH
CCH2
O
OHC
O
OHC
O
OH
mrówkowy propionowy
salicylowybenzoesowy
masłowyoctowy
kwasy alifatyczne
kwasy aromatyczne
Kwasy karboksylowe - przykłady
Kwasy karboksylowe są związkami polarnymi i podobnie jak alkohole silnie zasocjowanymi stąd wysoka temperatura wrzenia wywołana tworzeniem wiązań wodorowych.
CO
OR
HC
O
OR
H-asocjacja pomiędzy cząsteczkami kwasów karboksylowych
-asocjacja pomiędzy wodą i kwasem
CO
OR
H
HO
H
HO
H
kwasy karboksylowe C1-C4 łatwo są rozpuszczalne w wodzie kwas walerianowy (C5) rozpuszcza się częściowo,wyższe homologi kwasów są praktycznie nierozpuszczalne.
Własności fizyczne
a) Reakcje wodoru grupy hydroksylowej
Działanie na metale
2 CH3COOH + Zn → Zn2+[ (CH3COO-)2 + H2
Reakcja z wodorotlenkami i węglanami
CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O
2CH3COOH +Na2CO3 → 2 Na+[(CH3COO)]- + H2O + CO2
Kwasy karboksylowe – właściwości chemiczne
Kwasy karboksylowe – właściwości chemiczne
b) Reakcje polegające na wymianie grupy –OH na inną grupę(np. –OR w reakcji z alkoholami prowadzi do syntezy estrów)
CH3CH2
OHCH3 CH2
C
O
OH OH2
CH3CH2
O
CH3 CH2
C
O
H+
+ +
• estry można otrzymać przez ogrzewanie kwasu karboksylowego z alkoholem
• reakcja przebiega z udziałem katalizatora (np. kwasu siarkowego).
• reakcja ta jest odwracalna i osiąga stan równowagi między substratami i produktami
• ten sam katalizator - jon wodorowy, który katalizuje reakcję estryfikacji, jednocześnie katalizuje reakcję odwrotną- hydrolizę
Ważne estry
Woski są to estry nasyconych kwasów tłuszczowych (nierozgałęzionych kwasów karboksylowych zawierających ponad 15 atomów węgla w łańcuchu) i alkoholi o prostych, długich łańcuchach (do około 30 atomów węgla).
CROOR1
R i R1 - C16 do C31
Tłuszcze są estrami różnych kwasów karboksylowych oraz jednego tylko alkoholu trójwodorotlenowego – gliceryny. Stąd ogólna ich nazwa glicerydy.
CH2
CH
O
CH2
O
O
C
C
C
O
R1
OR2
OR3
triacylowy ester gliceryny (gliceryd)
R1 ≠ R2 ≠ R3 (przeważnie)
Są to związki, w których grupa –OH w grupie karboksylowej została zastąpiona odpowiednim ugrupowaniem –Cl (chlorki kwasowe), –O(C=O)R (bezwodniki), –NH2 (amidy), –OR’ (estry).
Chlorki kwasowe (R–COCl)
CH3
CH2 C
Cl
O
R CO
O CO
R
CH3
CH2 C
O
CH3
CH2 C
O
O
Bezwodniki kwasowe
CH3
CH2 C
NH2
O
Amidy (RCONH2)
Pochodne kwasów karboksylowych
Estry (RCOOR’)
CH3
CH2OCH3
C
O
OC
CH OHNH2
H
Glicyna Gly Alanina Ala
OC
CH OHNH2
CH3
Walina val
CHCH3 CH3
OC
CH OHNH2
AminokwasyAminokwasy to związki wielofunkcyjne posiadające w swojej budowie co najmniej dwie grupy funkcyjne: karboksylową i aminową:
OC
CH OHH2N
R
OC
CH OH3N
R
grupa karboksylowa
grupa aminowa +
przykładowe aminokwasy:
jon obojnaczy(zwitterjon)
Ala-Gly-Ala-Val (tetrapeptyd)
CHCH3
CH3
OC
CH OHNH
CH3
OC
CHNH
OC
CHNH
CH3
OC
CHNH2
H
CH3
OHC
CH ONH
H
OC
CHH2N
CH3
OHC
CH ONH
HH
OC
CHH2N OH + kat
Gly-Ala (dipeptyd)AlaGly
+ H2O
Najistotniejszą reakcją aminokwasów jest ich zdolność do łączenia w związki o charakterze polimerycznym tzw. peptydy za pomocą wiązania peptydowego –(C=O)-NH-. Wiązanie peptydowe powstaje z wykorzystaniem grupy karboksylowej i aminowej dwóch cząsteczek aminokwasów.
Peptydy
Ponieważ w cząsteczce dipeptydu pozostaje wolna grupa aminowa i karboksylowa, istnieje możliwość dalszego łączenia się z kolejnymi aminokwasami tworząc struktury łańcuchowe: tripeptydy, tetrapeptydy…itd…białka...
Oligopeptydy:2-10 aminokwasówPolipeptydy:10-100 aminokwasówBiałka:> 100 aminokwasów
Cukry to związki wielofunkcyjne zawierające obok (przeważnie kilku) grup hydroksylowych grupę aldehydową lub ketonową. Z tego względu cukry dzielimy na aldozy i ketozy.
Cukry (sacharydy, węglowodany)
CH2OHCHCHCHC OCH2OH
OHOHOH
D-fruktoza
CCH OH
O
CHOH
CH2OHCHCH OH
OH
H
D-glukoza
CHCH OH
O
CHOH
CH2OHCHCH OH
OH
D-glukoza
CH
CH
OH
OCH
OH
CH2OHCH
CHOH
OH
δ +δ -
OHCH
CH
OH
O
CH
OH
CH2OHCH
CHOH
*
OH
CH
CH
OH
O
CH
OH
CH2OHCH
CHOH
*
α-D-glukopiranoza
β-D-glukopiranoza
Struktura łańcuchowa i pierścieniowa węglowodanów
W wyniku zamknięcia pierścienia węgiel C(1) staje się węglem asymetrycznym (*), w związku z czym powstają 2 izomery optyczne D-glukozy tj. α- i β-D-glukoza.
Przykładowe pytania na zaliczenie:• Narysuj dwa izomery butanu (alkanu o wzorze sumarycznym C4H10).• Dokończ reakcje i podaj nazwę mechanizmu wg którego zachodzi reakcja:
• Które z alkoholi rozpuszczają się w wodzie bez ograniczeń. Co jest tego przyczyną?• Narysuj wzór strukturalny alkanu 2o i 3o-rzędowego zawierającego 4 atomy węgla w
łańcuchu alifatycznym.• Uzupełnij rekacje:
• Wyjaśnij dlaczego aminy mają wyższe temperatury wrzenia od analogicznych węglowodorów nasyconych.
• Wyjaśnij znaczną lotność eterów w porównaniu do analogicznych alkoholi.• Podaj przykład aminy 1o i 2o-rzędowej. Narysuj ich wzory strukturalne.• Podaj przykłady reakcji, w w których można rozróżnić alkohole 1o, 2o i 3o –rzędowe.• Uzupełnij reakcje:
C C CH3CH3
BrH
H
CH3
+ +
+
HBr 2Br2
HNO3
H2SO4+ NH3
a)
b)
c)
d)
OHCH3CH2CH2OH + NaOH
+ NaOH
CH3 C
H
O[Ag(NH3)2]+
OH–
• Dokończ równanie reakcji: CH3CH2COOH +CO32- →
• Wyjaśnij przyczyny znacznej kwasowości wodoru grupy karboksylowej –COOH• Dokończ reakcję:
• Jakie grupy funkcyjne wchodzą w skład cukrów.• Do jakiej grupy związków należą cukry o zamkniętych pierścieniach (po reakcji grupy
aldehydowej i hydroksylowej)• Jakie wiązanie tworzy się po reakcji grupy karboksylowej i aminowej pochodzącej z dwóch
cząsteczek aminokwasów.• Glicyna (Gly) to aminokwas o wzorze H2NCH2COOH. Narysuj wzór strukturalny dipeptydu
Gly-Gly oraz zaznacz wiązanie peptydowe.• Wskaż grupy funkcyjne w cząsteczkach:
• Wskaż miejsca elektrofilowe w drobinie:
• Które z drobin posiadają właściwości nukleofilowe, a które elektrofilowe:
COOH
+ CH3CH2OH
H
OCH3
CH3
OH
OH
NCH3
CH3
NH2
O
Ozapach konwaliowy Atenolol (lek na nadciśnienie)
CH3 C
Cl
O
H
HH
HNH3CH3 C
CH3
CH3+Cl- Br- NO2
+ OH-