Úvod do organické chemie = chemie sloučenin uhlíku

• C tvoří 4 kovalentní vazby a je schopen řetězit se → obrovské množství sloučenin
  (k roku 2000 jich bylo známo cca 23 000 000)
• Původní termín ORGANICKÁ CHEMIE vznikl poč. 19. st. a zahrnoval pouze chemické látky a děje v živých organizmech
• 1828 německý chemik Fridrich Wöhler vyrobil syntézou anorganických látek organickou močovinu:
  2 KOCN + (NH₄)₂SO₄ → K₂SO₄ + 2NH₄OCN NH₂ – C – NH₂ močovina

 

• Tato syntéza byla hodnocena jako nejdůležitější reakce 19. st.
• Dnes – organická sloučenina = každá, která obsahuje C (výjimky: CO₂, CO, H₂CO₃ + soli, HCN, HOCN, karbidy)
• Organická chemie studuje složení, struktury, vlastnosti, reakce, výrobu a užití org. látek

Organické látky získáváme

• Z přírodních zdrojů:sacharosa – cukrová řepa, třtina
  škrob – brambory, kukuřice
  bílkoviny – maso
  celulosa – dřevo
  plasty – ropa
• Synteticky: léčiva, barviva, lepidla, …

Obecné vlastnosti organických sloučenin

• Ve všech skupenstvích (s, l, g)
• Kovalentní charakter
• Většinou: nerozpustné ve vodě
  rozpustné v org. rozpouštědlech (benzen, aceton, ether, ethanol, …)
  se dají spálit v O₂
  neelektrolyty
  toxické, karcinogenní
  nestálé při ↑t (nad 200°C se rozkládají)
  zápalné, těkavé, často výbušné

Výskyt: v přírodě ve směsích i čisté (čisté mají t_t nebo t_v v malém teplotním rozmezí a většinou při vyšší teplotě než směsi)

Zisk: destilace, krystalizace, extrakce, chromatografie

Druhy vzorců organických sloučenin

1. Empirický (stechiometrický)
   udává pouze poměr sloučených atomů, např. CH₂
2. Souhrnný (sumární, molekulový)
   udává skutečný počet atomů v molekule: C₂H₄
3. Strukturní
   1. Konstituční – udává pořadí atomů a typ vazeb

• Racionální: CH₄                                       CH₂ = CH₂
• Rozvinuté:

 

1. Konfigurační – přidává ještě prostorové uspořádání

cis-2-buten                                                             trans-2-buten

Tyto dva typy jsou nejpoužívanější, později se seznámíme ještě s konformačním.

 

4. Strukturní elektronový
   udává způsob rozložení e^– v molekule (často jen na reakčních centrech)kyselina octová

Vazby v molekulách organických sloučenin

• Převládají kovalentní vazby

Vaznost

• Uhlík: vždy 4vazný
  možnosti:
  4 jednoduché vazby – všechny typu σ, hybridizace sp³

1 dvojná vazba a 2 jednoduché – 3σ + 1π, hybridizace sp²
1 trojná vazba a 1 jednoduchá – 2σ + 2π, hybridizace sp
2 dvojné vazby – 2σ + 2π, hybridizace sp

• Dusík: trojvazný
• Kyslík, síra: dvojvazné
• Vodík, halogeny: jednovazné
• Není-li splněna vaznost částice, nemá trvalou existenci a nese náboj:

 

rozložení náboje na nitroskupině

Vzájemná poloha násobných vazeb

• Izolované: C = C – C – C – C = C – C                násobné vazby jsou odděleny
  minimálně dvěma jednoduchými
• Konjugované: C = C – C = C – C = C        střídání vazeb
• Kumulované: C – C = C = C – C               násobné vazby nejsou odděleny

Izomerie

• Organické sloučeniny mohou mít stejný souhrnný nebo empirický vzorec, ale přesto se liší chemickými a fyzikálními vlastnostmi.
• Důvodem je rozdílná struktura nebo prostorové uspořádání = IZOMERIE
• IZOMERY mají stejný sumární vzorec, ale rozdílný strukturní

Rozdělení izomerií:

 

konstituční                                                                                                      konfigurační     
určuje pořadí atomů a vazeb v molekule                                            řeší prostorové uspořádání
stereoizomerie

1.      Konstituční izomerie

A.      Rovinná řetězová

• Liší se stavbou uhlíkového řetězce
  C₄H₁₀
  C₅H₁₂

B.      Rovinná vazebná

• liší se polohou a typem vazby
  C₅H⁶ C = C = C = C – C
  C = C – C = C = C
  C = C – C C – C

C.       Polohová

• Liší se umístěním heteroatomu (další prvek, kromě C a H)
  C₃H₇Cl

D.      Skupinová

• Liší se charakteristickou skupinou
  C₂H₆O ethanol                               dimethyletherC₄H₈O   butanal                                ethyl(methyl)keton

 

E.       Tautomerie

• Keto a enol forma (keto = keton, obsahuje O vázaný dvojnou vazbou; enol = obsahuje dvojnou vazbu mezi uhlíky ( -en) a hydroxylovou skupinu ( -ol))
  vinylalkohol acetaldehyd

2.      Konfigurační izomerie

A.      Izomerie na dvojné vazbě (cis a trans)

 

cis-2-buten                        trans-2-buten

 

B.      Optická

• Látky se liší orientací substituentů na chirálním uhlíku a stáčí rovinu polarizovaného světla opačnými směry (viz později kyslíkaté deriváty karboxylových kyselin)

3.      Konformační izomerie

např. cyklohexan                            židlička                                                                vanička

ethan

 

 

 

Klasifikace organických sloučenin

• UHLOVODÍKY – obsahují pouze C a H

1. Dělení podle typu řetězce

 

otevřený řetězec                                                                                          uzavřený řetězec
acyklické neboli alifatické uhlovodíky                                                                   cyklický

 

nerozvětvený                   rozvětvený                                        alicyklické                           aromatické
obsahují benzenové jádro

karbocyklické    heterocyklické

+ podle počtu cyklů: monocyklické, bicyklické, tricyklické, …

 

2. Dělení podle typu vazeb

 

nasycené                                                                                                          nenasycené

obsahují pouze jednoduché vazby                                                        obsahují násobnou vazbu

alkany                                                                                                                dvojnou = alkeny

trojnou = alkyny

 

• DERIVÁTY UHLOVODÍKŮ – obsahují i jiný prvek, buď náhradou za C, nebo H
  • Nejdůležitější:
    • Halogenderiváty: obsahují atom halogenu
    • Kyslíkaté deriváty: obsahují skupiny – OH, = O, – O –
    • Dusíkaté deriváty: aminy( – NH₂) a nitroderiváty ( – NO₂)
  • Každý typ derivátu má typickou skupinu atomu = funkční (charakteristická) skupina

Charakteristika reakcí organických sloučenin

Obecné vlastnosti:

• Reaktanty = substrát (látka se složitou strukturou) + reagent (činidlo, látka s jednoduchou strukturou)
• Platí stejné zákony jako v anorg. chemii: vznik vazby – koligace, koordinace
  zánik vazby – homolýza, heterolýza
• Reakce jsou pomalejší a složitější (několik stupňů, meziprodukty)
• Reakce probíhají na vazbách C – C, C – H, u derivátů i na charakter. skupině
• Část molekuly, kde probíhá reakce = reakční centrum

Zápis chemického děje:

• Chemická rovnice – reaktanty, produkty + vyčísleno
• Reakční schema – pouze reaktanty a produkty, nevyčísleno
• Reakční mechanizmus – popis všech změn (kroků), kterými se reaktant přemění na produkt

Klasifikace organických reakcí

1.      Dle hybridního stavu reakčního centra

1. Substituce S – (náhrada, záměna) hybridní stav zůstane zachován
   CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl
2. Eliminace E – (odebrání odtržení) hybridní stav se sníží, vznikají násobné vazby
   CH₃– CH₂OH → CH₂ = CH₂ + H₂O
3. Adice A – (opak eliminace, dodání, připojení) hybridní stav se zvyšuje,
   probíhá na nenasycených uhlovodících
   π vazby zanikají
4. Přesmyk – změna sloučeniny na jinou pouhým přeskupením atomů v molekule
   izomerie, nemění se souhrnný vzorec molekuly

2.      Dle typu reagentu

1. Radikál R• – částice s volným e^–, velmi reaktivní
   vznikají působením světla, UV zářením nebo el. výbojem
2. Elektrofil – částice s celým nebo parciálním kladným nábojem (všechny kationty)
   při reakci atakuje substrát v místě zvýšené e^– hustoty
   (např. na aromatické jádro benzenu)
3. Nukleofil ­– částice s celým nebo parciálním záporným nábojem (OH^–, I^–, …)
   atakují místa se sníženou e^– hustotou

 

• Spojením obou kritérií získáme tyto možnosti:
  • Radikálová substituce S_R
  • Elektrofilní substituce
  • Nukleofilní substituce

E_R                       
A_R               

3.      Někdy mluvíme o organických reakcích podle typu děje

• Oxidace – u org. reakcí je to příjem O, nebo ztráta H
• Redukce – ztráta O, nebo příjem H
• Hydrogenace
• Dehydrogenace
• Hydratace
• Dehydratace
• Polymerace, polykondenzace, esterifikace, neutralizace, hydrolýza, …