Organická chemie

                       

                Předmětem organické chemie jsou sloučeniny čtyřvazného uhlíku. Elektronová konfigurace uhlíku: 1s² 2s² 2p² Þ má tedy 4 valenční elektrony, což znamená, že je čtyřvazný. Uhlík tvoří buď 4 jednoduché vazby, nazývané s vazby. Jednoduchá kovalentní vazba, která vznikla překryvem atomových orbitů na spojnici jader, nebo tvoří vazby dvojné popřípadě trojné. Násobná vazba je tvořena vždy jednou vazbou s a jednou nebo dvěma p vazbami. Dochází k překryvu atomových orbitů v prostoru tedy nad a pod nebo vlevo a vpravo od spojnice atomů. Rozlišujeme p vazbu lokalizovanou – mezi dvěma určitými atomy a p vazby delokalizované, tedy rozprostřené mezi 3 nebo více atomů. Vazebné poměry způsobují velkou rozmanitost organických sloučenin, což vyplývá ze skutečnosti, že atomy C se mohou spojovat navzájem za vzniku přímých, rozvětvených i cyklických řetězců, kde se mohou uplatňovat jednoduché i násobné vazby. Dalším důvodem pro velkou rozmanitost organických sloučenin je isomerie, což je jev, kdy dvě nebo více sloučenin, které mají stejný sumární vzorec, mají rozdílné vlastnosti a jsou tedy díky rozdílům ve vnitřní struktuře molekul rozdílnými chemickými individui.

 

Isomerie:    strukturní        (konstituční)

prostorová       (stereoisomerie)

Strukturní isomerie – atomy jsou navzájem spojeny v rozdílném pořadí.

 

            Řetězová: C – C – C – C     nebo  C – C – C

                                                                               |

                                                                              C

            Skupinová: CH₃CH₂OH                  CH₃OCH₃

 

            Polohová:   CH₃CH₂CH₂OH                       CH₃CHOHCH₃

 

Stereoisomerie: různé uspořádání v prostoru:

            Geometrická: na dvojné vazbě nebo kruhu – cis – trans isomerie

            Optická: dvojice molekul, která má všechny vlastnosti stejné, liší se pouze optickou aktivitou jedna molekula je zrcadlovým obrazem druhé.

Isomerie a vlastnosti organických látek

 

řetězová isomerie

sloučenina	vzorec	bod tání oC	bod varu oC
pentan	CH3CH2CH2CH2CH3	– 130	36,15
isopentan 2-metylbutan	CH3CHCH2CH3                    |                    CH3	– 158	27,9
neopentan 2,2´-dimetylpropan	CH3 | CH3CCH3 |     CH3	– 19,8	9,45

 

skupinová isomerie

sloučenina	vzorec	bod tání oC	bod varu oC
etanol	CH3CH2OH	– 117	78,5
dimetyléter	CH3OCH3	– 140	– 24,9

 

polohová isomerie

sloučenina	vzorec	bod tání oC	bod varu oC
propanol	CH3.CH2.CH2OH	– 127	97,15
2-propanol	CH3.CHOH.CH3	– 89,5	82,4

 

geometrická isomerie cis – trans

sloučenina	název	forma	bod tání oC
kyselina butendiová	kyselina maleinová	cis	137
COOH.CH=CH.COOH	kyselina fumarová	trans	286

Optická isomerie

 

L levotočivý

|                            – C – H |

|        H – C –     |

D pravotočivý

 

Glukosa (hroznový cukr)

 

D

CHO |   H–C–OH |          HO–C–H   |   H–C–OH |   H–C–OH |        CH2OH

CHO     |          HO–C–H     |     H–C–OH     |          HO–C–H     |          HO–C–H   |          CH2OH

L

 

Kyselina vinná   (2,3 dihydroxybutandiová kyselina)

 

D +

COOH            |      H– C –OH            | HO– C –H            |            COOH

COOH              |    HO– C –H              |      H– C –OH             |            COOH

L –

 

Základní pojmy:

Homologická řada – soubor sloučenin, které mají stejný obecný vzorec, podobné vlastnosti a dva po sobě jdoucí členové řady se liší o homologický přírůstek –CH₂–.

 

Tabulka:   Příklady homologických řad uhlovodíků

alkany	CnH2n+2	alkeny	CnH2n	alkyny	CnH2n–2
metan	CH4
etan	CH3.CH3	eten	CH2=CH2	etyn	CHºCH
propan	CH3.CH2.CH3	propen	CH2=CH.CH3	propyn	CHºC.CH3
butan	CH3.CH2.CH2.CH3	buten	CH2=CH.CH2.CH3	butyn	CHºC.CH2.CH3
pentan	CH3.CH2.CH2.CH2.CH3	penten	CH2=CH.CH2.CH2.CH3	pentyn	CHºC.CH2.CH2.CH3
hexan	CH3.CH2.CH2.CH2.CH2.CH3	hexen	CH2=CH.CH2.CH2.CH2.CH3	hexyn	CHºC.CH2.CH2. CH2.CH3

 

Funkční skupina – atom nebo skupina atomů společná pro řadu sloučenin, je příčinou charakteristických vlastností dané řady řady látek např.: –OH, >C=O, –NH₂, –NO₂.

Nasycenost – pojem používaný k popisu systému obsahujícího pouze jednoduché kovalentní vazby.  Nenasycenost – pojem používaný k popisu systému obsahujícího kovalentní dvojné nebo trojné vazby.

Základní typy reakcí:   substituce

eliminace

adice

přesmyky

Substituční reakce (nahrazování) – části molekul si vymění své místo:

CH₄ + Cl₂ Þ CH₃Cl + HCl

Eliminace – atomy nebo skupiny atomů ze dvou sousedních uhlíků se oddělí za vzniku násobné vazby:                                                CH₃CH₂OH Þ CH₂=CH₂ + H₂O

Adice: je opakem eliminace – nenasycená sloučenina se spojí s další molekulou za vzniku jedné látky:                                        CH₂=CH₂ + Br₂ Þ CH₂BrCH₂Br

V některých případech může probíhat adice a eliminace současně – tuto reakci nazýváme kondenzace: CH₃CHO + CH₃CHO Þ CH₃CHOH CH₂CHO Þ CH₃CH=CHCHO + H₂O

Přesmyky: dochází k přeskupení (migraci) atomů uvnitř molekuly:

CHºCH + H₂O Þ CH₂=CHOH   Þ CH₃CHO

 

Základní typy reakčních mechanizmů:

            O typu reakčního mechanizmu rozhoduje způsob zániku – štěpení – vazeb činidla

Štěpení kovalentní vazby:     radikálové (homolytické) – každý z atomů zůčastněných na vazbě si ponechá po jednom elektronu z elektronového páru tvořícího vazbu: X – X Þ 2 XŸ

                                               iontové (heterolytické) – elektronegativnější atom si přitáhne oba elektrony z vazby a vzniknou ionty:                                                       X – Y Þ X⁺ + Y^–

Iontový mechanizmus je dvojího druhu podle toho, který ion jako první napadne reagující molekulu. Elektrofilní mechanizmus zahajuje kation a váže se na místa s největší elektronovou hustotou, elektrofilní činidla např.: H⁺, NO₂⁺

Nukleofilní mechanizmus zahajuje anion a váže se na místa, kde je nedostatek elektronů (kladný náboj), nukleofilní činidla: OH^–, Cl^–, Br^– nebo sloučeniny, které mají volný elektronový pár :NH₃, RNH₂.

 

Názvosloví organických sloučenin

S ohledem na velký počet organických sloučenin je bezpodmínečně nutné stanovit pravidla, která umožňují danou sloučeninu jednoznačně pojmenovat a určit.

Podrobnější výklad organického názvosloví naleznete ve skriptech autorů Doc. Ing. H. Schejbalová, CSc., Ing. Grégr J.: KCH FP TU Liberec, Příklady a úlohy z chemie. V současné době je organické názvosloví upravováno tak, aby vyhovovalo mezinárodním normám a počítačové chemii.

 

Deriváty uhlovodíků

vznikají nahrazením jednoho nebo více atomů vodíku jiným atomem nebo skupinou. Těmto skupinám obvykle říkáme funkční skupiny a vymezují vlastnosti látek s touto skupinou.

Halogenderiváty: chloro-, fluoro-, bromo-, jodo- deriváty : R-X, ale často s více halogeny

Kyslíkaté deriváty: alkoholy R-OH, étery R¹-O-R², aldehydy R-CHO, ketony R¹-CO-R², karboxylové kyseliny R-COOH

Dusíkaté deriváty: aminy R-NH₂, sekundární aminy R¹-NH-R², terciální aminy R¹,R²,R³-N, nitroderiváty R-NO₂, azoderiváty R¹-N=N-R², hydrazoderiváty R¹-NH-NH-R², hydroxylaminy R-NHOH, oximy R=NOH, iminy R=NH

Sírné deriváty: thioly R-SH, sulfidy R¹-S-R², sulfonové kyseliny R – SO₃H