podział związków organicznych -...
TRANSCRIPT
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-