Organická chemie - úvod

1. Organická chemie - úvod

2. Trocha historie • Původní dělení hmoty: • Neživá – anorganická • Živá – organická • Rozdělení chemie na organickou a anorganickou → objevy a isolace látek z přírodních materiálů • C.W.Scheele (1742-1786): • Objev kyselin mléčné, jablečné a vinné • J.J. Berzelius (1779-1848) – vitalistická theorie („životní síla“ – vis vitalis) • F. Wöhler (1818-1882) – synthesa močoviny: • NH4OCN → H2NCONH2 • Strukturní theorie: • 19. století • A.M. Butlerov (1828-1886) – vlastnosti sloučenin závisí na struktuře molekul • F.A. Kekulé (1829-1896) – vazebné možnosti atomu uhlíku

3. Současnost oboru organické chemie • Dynamický a rychlý vývoj • Základ pro řadu oborů chemického průmyslu – rozmanité výrobky • Lékařství, farmacie – synthesa nových léků, umělé cévy, kloubní náhrady • Stavebnictví, strojírenství – plasty jako konstrukční materiály • Elektronika – organické polovodiče • Zemědělství – pesticidy, fungicidy, herbicidy • Potravinářství – konservanty, umělá sladidla, chuťové látky • Čistíc prostředky – tenzidy • Další – barviva a pigmenty

4. Složení organických molekul • Organická chemie = chemie sloučenin uhlíku • Z prvků nejčastěji: • Uhlík – C – základní stavební částice organických molekul → čtyřvazný • Vodík – H → jednovazný • Kyslík – O – alkoholy, karbonylové a karboxylové sloučeniny, ethery → dvojvazný • Dusík – N – aminy, amidy, nitrily, nitro a nitroso– sloučeniny → obvykle trojvazný • Síra – S – merkaptáty, thioethery → dvojvazná • Halogeny → jednovazné

5. Vlastnosti uhlíkového atomu • 1) Uhlík je čtyřvazný • 2) Atomy uhlíku se mohou vzájemně spojovat do řetězců lineárních a cyklických • 3) Atomy uhlíku mohou tvořit čtyři jednoduché vazby, dvě dvojné vazby, nebo jednu dvojnou vazbu a dvě jednoduché vazby, jednu trojnou vazbu a jednu jednoduchou vazbu

6. Druhy vazeb v organických sloučeninách – theorie kovalentní vazby • Podle násobnosti: • Jednoduchá • Dvojná • Trojná • Podle výskytu vazebných elektronů: • Sigma – s: elektrony se nacházejí (tj. elektronová hustota je největší) na spojnici jader, tvoří se jako první • Pí – p: elektrony se nacházejí (tj. elektronová hustota je největší) nad a pod spojnicí jader, vyskytuje se v násobných vazbách jako doplněk k vazbě s

7. Druhy vazeb v organických sloučeninách – theorie kovalentní vazby • Podle hodnoty rozdílu elektronegativit (DX) vázaných atomů: • Kovalentní • Nepolární DX = 0,0 – 0,4 – elektrony jsou sdíleny rovnoměrně, elektronová hustota zhruba uprostřed mezi vázanými atomy. Nepolární látky obsahují buď jen nepolární vazby, nebo vzájemně kompensované vazby polární. • Polární DX = 0,4 – 1,7 – elektrony jsou přitahovány blíže k jednomu z partnerů. Elektronová hustota největší u elektronegativnějšího atomu. Vzniká parciální kladný (d+) a záporný (d-) náboj. Polární látky obsahují alespoň jednu nekompensovanou polární vazbu. • Iontové DX > 1.7 – elektrony jsou zcela přetaženy k elektronegativnějšímu atomu, dochází k rozdělení náboje a vzniku iontů. Vyskytuje se v pevných látkách (soli) a jejich taveninách.

8. Oxidační číslo v organických molekulách • Oxidační číslo: Theoretický náboj, který by vznikl na atomu, pokud by vazebné elektronové páry byly přisouzeny elektronegativnějšímu z obou partnerů. • Postup určení OČ: 1) Nakreslit plný konstituční vzorec 2) Určit elektronegativity jednotlivých atomů 3) Rozdělit vazby a vazebné elektrony vždy přisoudit elektronegativnějšímu z partnerů 4) Spočítat odebrané, případně získané elektrony 5) OČ = (+) počet odebraných elektronů, nebo (-) počet získaných elektronů

9. Energetika kovalentní vazby • Pokud se dva atomy k sobě přibližují a při tom se jejich valenční vrstvy postupně překrývají, dochází k uvolňování energie • Maximální energie (vazebná, disociační energie) se uvolní, když atomy dosáhnou určité vzdálenosti – rovnovážné vzdálenosti, která odpovídá vazebné délce • Pokud se atomy přiblíží ještě více, dojde k postupně rostoucí repulsi – odpuzování z důvodu přílišné blízkosti kladně nabitých jader

10. Prostorové uspořádání substituentů na uhlíkovém atomu - hybridisace • Hybridisace: děj, při kterém dochází k energetickému splývání orbitalů a přesunu elektronů v rámci nově vznikajícího hybridního orbitalu. Současně dochází k novému prostorovému uspořádání • Druh hybridisace určuje nové prostorové uspořádání molekulových orbitalů • Do hybridních orbitalů se započítávájí orbitaly podílející se na vazbě s a obsahující volné elektrony a nevazebné elektronové páry • Do hybridních orbitalů se nezapočítávají orbitaly tvořící vazby p • sp – přímka • sp2 – trojúhelník • sp3 – tetraedr

11. Theorie molekulových orbitalů • Chemickou vazbu je možné popisovat i theorií molekulových orbitalů (MO) • Vznik vazby je popisován matematickou lineární kombinací vlnových funkcí atomových orbitalů (AO) za vniku MO. Vznikající orbitaly jsou příslušné celé molekule, nikoli jen jednomu atomu. • MO popisuje pravděpodobnost výskytu elektronu v molekule • Lineární kombinace: • Součet – vznik vazebného orbitalu • Rozdíl – vznik antivazebného orbitalu Vznik molekulového s – orbitalu

12. Theorie molekulových orbitalů • HOMO = nejvyšší obsazený MO • LUMO = nejnižší neobsazený MO Vznik molekulového p - orbitalu

13. Vzorce organických sloučenin • Souhrnné (sumární) C2H6O • Strukturní: • Konstituční • Plné • Racionální • Elektronové • Konfigurační • Konformační Volné elektronové páry

14. Modely organických molekul • Kuličkové: • Tvořeny kuličkami (atomy) a tyčinkami (vazby) • Trubičkové: • Skládají se z fragmentů spojených trubičkami. Fragmenty se liší velikostí a barvou, trubičky délkami. • Kalotové modely: • Tvořeny kalotami (stavební částice) • Počítačové

15. Dělení organických sloučenin • Podle složení: • Uhlovodíky (pouze uhlík a vodík) • Deriváty uhlovodíků (obsahují i další prvky) • Podle řetězce: • Acyklické (alifatické) • Rozvětvené • Nerozvětvené • Cyklické • Alicyklické • Aromatické • Monocyklické • Vícecyklické • Podle výskytu násobných vazeb: • Nasycené • Nenasycené

16. Struktura organických sloučenin • Konstituce – vyjadřuje vzájemné uspořádání atomu spojením chemickými vazbami • Konfigurace – vyjadřuje uspořádání atomů v prostoru, které není možné změnit volnou rotací kolem jednoduché vazby • Konformace – vyjadřuje uspořádán atomů v prostoru, které je možné měnit volnou rotací kolem jednoduché vazby

17. Isomerie • Isomerie: jev, kdy sloučeniny mají stejné složené, ale rozdílnou strukturu (= isomery) • Konstituční • Řetězcová – rozdílné větvení řetězce alkanů • Polohová – rozdílné umístnění charakteristické skupiny v molekule • Skupinová – rozdíl ve funkční skupině za současného zachování sumárního vzorce • Prostorová - stereoisomerie • Konformační – různé formy stejné molekuly, vznikající otáčením atomů kolem jednoduché vazby • Geometrická (cis-trans isomerie) – různé umístnění substituentů vzhledem k dvojné vazbě • Optická – rozdílné uspořádání substituentů na asymetrickém atomu uhlíku (uhlík se čtyřmi odlišnými substituenty). Oba isomery jsou sobě zrcadlovými obrazy – enantiomery. Liší se stáčením roviny polarisovaného světla – opticky aktivní

18. Reakce organických sloučenin • Klasifikace: • Podle štěpení vazby: • Homolytické: vazba se štěpí symetricky za vzniku radikálů • Heterolytické: vazba se štěpí asymetricky za vzniku iontů • Podle typu reagujících částic • Elektrofilní: reakcí se účastní částice přitahující elektrony (buď kladně nabité, nebo elektroneutrální) • Nukleofilní: reakcí se účastní částice poskytující elektrony (záporně nabité, nebo elektroneutrální) • Radikálové: účastnící se částice nesou nepárový elektron • Podle změny struktury: • Adice: A + B → C • Eliminace: A → B+ C • Substituce: A + B → C + D • Přesmyk: A → B

19. Další reakční typy • Redoxní reakce: • Oxidace: • Hoření – prudká oxidace kyslíkem • Přidávání elektronegativních atomů (hlavně kyslíku) do molekuly • Odebírání atomů vodíku z molekuly • Redukce: • Hlavně přidávání atomů vodíku do molekuly • Acidobasické reakce: • Brönstedtovy kyseliny (např. karboxylové kyseliny) a base (např. aminy) • Lewisovy kyseliny (např. karbonylový atom uhlíku) a base (např. kyslíkový atom alkoholů)

20. Zápis organických reakcí • Rovnice • Schéma + 3 Zn + 6 HCl → + 3 ZnCl2 + 2 H2O

21. Substituční efekty v organických molekulách • Reakční centrum: část molekuly, kde probíhá chemická reakce • Indukční efekt – přenáší se po vazbách s na krátkou vzdálenost • +I – efekt: substituent dodává elektrony do reakčního centra molekuly (alkylové a elektropositivní substituenty – donory elektronů) • -I – efekt: substituent z reakčního centra odnímá elektrony (elektronegativní substituenty – akceptory elektronů) • Mesomerní efekt – přenáší se po vazbách p, v některých případech za účasti nevazebných elektronových párů • +M – efekt: substituent dodává elektrony do reakčního centra (donor elektronů) • -M – efekt: substituent odčerpává elektrony z reakčního centra (akceptor elektronů +I -I +M -M

22. Resonance (mesomerie) • Jev, kdy není možné vyjádřit strukturu molekuly jediným strukturním vzorce, ale pouze jejich kombinací → daná látka může zaujmout více možných struktur = resonanční struktury • Resonance je způsobena volným pohybem p-elektronů násobných vazeb • Jediný rozdíl mezi resonančními strukturami je umístnění elektronů p a nevazebných valenčních elektronů. Samotné atomy v obou resonančních strukturách zaujímají přesně tutéž polohu a jsou spojovány stejným způsobem.