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-