1

Ćwiczenie 1 Podstawy chemii organicznej. Literatura:

1. Mastalerz P., „Elementarna chemia organiczna”, Wydawnictwo Chemiczne, Wrocław

1998

2. Czapliński A. , "Węgiel kamienny", "Reakcje i organiczna struktura węgla" (Buczek

B.), Wydawnictwo Naukowe AGH, Kraków, 1994

3. Dzióbek B, Samson O., "Wybrane techniki laboratoryjne z chemii organicznej dla

towaroznawców", AE, Kraków, 1998

Wprowadzenie.

Do początku XIX wieku sądzono, że związki organiczne są związane z przejawami

życia i ich źródłem są naturalne produkty świata zwierzęcego i roślinnego. W 1828 Friedrich

Wöhler ogrzewając substancję nieorganiczną (pochodzenia mineralnego - izocyjanian amonu)

otrzymał mocznik, który jako produkt przemiany materii zaliczono do związków

organicznych:

( ) CONHNCONH ogrzewanie224 →

Od tego czasu datuje się burzliwy rozwój chemii organicznej. Ponieważ liczna

znanych dziś związków organicznych węgla sięga kilkunastu milionów i jest większa niż

łączna liczba związków wszystkich pozostałych pierwiastków, wyodrębnienie działu chemii

organicznej stało się koniecznością. Nazwa Chemia Organiczna została wprowadzona w

1907 roku przez Berzeliusa.

Tak wielka ilość związków organicznych czyli związków węgla jest wynikiem

specyficznej pozycji węgla pośród innych pierwiastków układu okresowego:

• zdolność łączenia się atomów węgla między sobą - długie łańcuchy oraz struktury

pierścieniowe

• tendencja do tworzenia trwałych wiązań wielokrotnych (wiązania podwójne, potrójne)

• skłonność do tworzenia wiązań kowalencyjnych z wodorem i innymi pierwiastkami:

(O,N,S,X),

Izocyjanian amonu mocznik

2

Konfiguracja elektronowa atomu węgla w stanie podstawowym:

Dwa niesparowane elektrony 2p2 sugerują, że atom węgla jest zdolny do tworzenia jedynie

dwóch wiązań. W rzeczywistości podczas reakcji pod wpływem energii przyjmuje

konfigurację w stanie wzbudzonym:

W ten sposób atom węgla ma cztery niesparowane elektrony walencyjne, które pojedynczo

obsadzają cztery orbitale drugiej powłoki. Taki atom C zdolny jest do tworzenia czterech

trwałych wiązań kowalencyjnych co jest konsekwencją jego centralnego położenia wśród

pierwiastków układu okresowego.

Podział związków organicznych:

1. Związki łańcuchowe - ALIFATYCZNE

2. Związki pierścieniowe - CYKLICZNE

a. związki alicykliczne - pierścieniowe nie mające charakteru aromatycznego

b. związki aromatyczne - ARENY

3. Związki heterocykliczne - zawierają w pierścieniu obok węgla inne pierwiastki - N, O, S

Związki organiczne można również rozpatrywać jako połączenia jednego lub kilku rodników

czyli grup albo reszt węglowodorowych połączonych z określoną grupą funkcyjną ⇒ zespół

kilku atomów ułożonych w określony sposób, który nadaje cząsteczce organicznej

charakterystyczne właściwości. Rodnik R określa natomiast bliżej nazwę związku

organicznego, może on powstać z węglowodoru przez usunięcie atomu wodoru:

34 CHCH H − →− 5666 HCHC H − →−

↑↑↑↑↓↓↓↓ ↑↑↑↑↓↓↓↓ ↑↑↑↑ ↑↑↑↑

1s2 2s2 2p2

powłoka walencyjna

↑↑↑↑↓↓↓↓ ↑↑↑↑ ↑↑↑↑ ↑↑↑↑ ↑↑↑↑

1s2 2s1 2p3

powłoka walencyjna

metan rodnik metylowy benzen rodnik fenylowy

3

Grupa funkcyjna Ogólny wzór związku Nazwa związku

ROH alkohole

RCOR’, RCHO ketony, aldehydy RCOOH kwasy karboksylowe ROR’ etery RNH2 aminy RCONH2 amidy

Charakter związku zależy od rodzaju grupy funkcyjnej jednak w miarę wzrostu

ilości atomów w rodniku znaczenie grupy ulega zmniejszeniu. Na przykład alkohol

heksylowy (C6H13OH) nie ma już tak wyraźnych właściwości alkoholu co alkohol metylowy

(CH3OH) czy etylowy (C2H5OH). Podobnie kwas mrówkowy i octowy (HCOOH,

CH3COOH) mają wyraźne własności kwasowe podczas gdy kwasy stearynowy

(C17H35COOH) czy oleinowy (C17H33COOH) bardziej przypominają macierzyste

węglowodory; są ciałami stałymi i nierozpuszczalnymi w wodzie.

Powyższe związki to jednofunkcyjne pochodne węglowodorów. Olbrzymia liczba

różnych związków organicznych wynika również z tego, że mogą one w swojej cząsteczce

zawierać dwie lub więcej różnych grup funkcyjnych.

OH

C=O

C O

OH

O

N H

H

C O

NH2

4

WIELOFUNKCYJNE ZWI ĄZKI ORGANICZNE

hydroksykwasy aldozy ketozy aminokwasy

Ze względu na obecność dwóch grup funkcyjnych hydroksykwasy tworzą dwa

szeregi pochodnych: sole i estry (grupa karboksylowa); estry, aldehydy, ketony i kwasy

karboksylowe (grupa hydroksylowa). Reakcje estryfikacji pomiędzy grupami –OH i –COOH

możliwe są między dwiema cząsteczkami różnych hydroksykwasów, jak też w obrębie tej

samej cząsteczki.

Hydroksyaldehydy i hydroksyketony to cegiełki tworzące całą grupę związków

zwaną dawniej węglowodanami, do których należą monosacharydy (glukoz, fruktoza),

disacharydy (sacharoza, laktoza), oraz polisacharydy, których przedstawicielami są skrobia,

celuloza i glikogen.

Ważną właściwością aminokwasów jest zdolność do wzajemnego łączenia się

cząsteczek za pomocą grup funkcyjnych. Są to reakcje kondensacji w wyniku, których

powstają peptydy i polipeptydy. Reakcje kondensacji z udziałem 20 różnych aminokwasów

prowadzą do otrzymania białek.

Białka, podobnie jak skrobia i celuloza należą do naturalnych związków

wielkocząsteczkowych. Masy cząsteczkowe niektórych białek sięgają 45 mln jednostek masy

(u). Jak się wydaje, w białkach został osiągnięty kres złożoności materii.

OH

COOH

OH OH

COH C=O

NH2

COOH

5

Część doświadczalna

Węglowodory

1. Reakcja nitrowania

Celem ćwiczenia jest odróżnienie węglowodorów alifatycznych od aromatycznych za

pomocą reakcji charakterystycznych. Układy aromatyczne w odróżnieniu od układów

alifatycznych ulegają reakcjom nitrowania.

Szkło i aparatura: 2 zwykłe probówki, łaźnia wodna.

Odczynniki: heksan, benzen, mieszanina nitrująca (1:1, stęż. HNO3 i stęż. H2SO4).

Do probówki wlać 2cm3 benzenu oraz po 2 cm3 stęż. HNO3 i stęż. H2SO4. Mieszaninę

ogrzewać w łaźni wodnej przez 10-15 minut. Otrzymany roztwór wylać na lód. Pojawienie się

tłustych plam oraz zapachu gorzkich migdałów świadczy o otrzymaniu nitrobenzenu.

Ćwiczenie powtórzyć z heksanem, zaobserwować wynik reakcji.

2. Reakcja bromowania

Celem ćwiczenia jest otrzymanie bromopochodnych węglowodorów alifatycznych i

aromatycznych. Równocześnie należy stwierdzić w jakich warunkach zachodzą reakcje

bromowania i jakie powstają bromopochodne.

Szkło i aparatura: 4 probówki zwykłe, 2 zlewki po 50cm3, żarówka 150W lub lampa

kwarcowa.

Odczynniki: heksan, cykloheksen, toluen, Br2 w CCl4, wstążki Mg, papierek wskaźnikowy.

a. Ćwiczenie praktyczne

Do probówki wlać 1 cm3 n-heksanu i dodać 2 krople bromu w czterochlorku węgla.

Naświetlać lampę kwarcową przez 15 minut. Zbadać odczyn roztworu. Zaobserwować

zmianę zabarwienia.

b. Ćwiczenie praktyczne

Do probówki wlać 1cm3 cykloheksenu i dodać 2 krople bromu w czterochlorku węgla.

Natychmiastowe odbarwienie się roztworu świadczy o nienasyconym charakterze związku.

6

c. Ćwiczenie praktyczne

Do probówki wlać 1cm3 toluenu i 2 krople bromu w czterochlorku węgla. Próbkę

ogrzewamy lampą promiennikową i naświetlamy promieniami ultrafioletowymi przez 15

minut (ewentualnie ogrzewać nad maszynką elektryczną). Zaobserwować zmianę

zabarwienia.

d. Ćwiczenie praktyczne

Do probówki wlać 1cm3 toluenu i 2 krople bromu w czterochlorku węgla oraz około

0,5 g odtłuszczonych wstążek Mg. Ogrzewać na łaźni wodnej 10 minut. Zaobserwować

zmianę zabarwienia i zbadać pH roztworu papierkiem uniwersalnym.

3. Reakcja izomeryzacji

Celem ćwiczenia jest wykazanie, że niektóre połączenia organiczne mają zdolność do

izomeryzacji. Izomery mają ten sam wzór sumaryczny, różnią się natomiast wzorem

strukturalnym, a tym samym własnościami fizycznymi i chemicznymi. W połączeniach

organicznych posiadających podwójne wiązanie spotyka się szczególny rodzaj stereoizomerii

zwanej izomerią geometryczną cis-trans. Zazwyczaj izomery trans są trwalsze od izomerów

cis.

H-C-(CH2)7-CH3 CH3-(CH2)7-C-H

H-C-(CH2)7-COOH H-C-(CH2)7-COOH

kwas oleinowy /cis/ kwas elaidynowy /trans/

Szkło: 25cm3 cylinder z korkiem na szlifie.

Odczynniki: kwas oleinowy, stęż. HNO3, 1g druciku miedzianego

a. Ćwiczenie praktyczne

W cylindrze umieścić zwinięty drucik miedziany, po czym wlać 5 cm3 kwasu

azotowego i 10 cm3 kwasu oleinowego. Mieszaninę reagującą ostrożnie się wstrząsa,

otwierając co pewien czas korek aby wypuścić powstające tlenki azotu. Pod ich działaniem

ciekły kwas oleinowy (izomer „cis”) przechodzi w stały kwas elaidynowy (izomer „trans”) i

mieszanina reagująca w cylindrze zestala się.

7

Alkohole i fenole

1. Reakcja alkoholu metylowego z kwasem borowym Celem ćwiczenia jest wykazanie, że alkohole z kwasami tworzą estry. Alkohole z

kwasami organicznymi i nieorganicznymi dają estry o charakterystycznych zapachach.

Środowisko zasadowe lub kwasowe przyspiesza bieg reakcji estryfikacji.

Szkło: parowniczka

Odczynniki: alkohol metylowy, 10% kwas borowy, stęż. H2SO4.

a. Ćwiczenie praktyczne

Do parowniczki dodać łyżeczkę stałego boraksu po 2-3 krople kwasu siarkowego.

Następnie dodać 5-10 kropli alkoholu. Mieszaninę wymieszać i zapalić. Zielone zabarwienie

płomienia świadczy o utworzeniu się boranu metylu.

2. Reakcja fenoli z chlorkiem żelaza (III)

Celem ćwiczenia jest odróżnienie alkoholi od fenoli. Poszczególne fenole dają z FeCl3

barwne zabarwienie w odróżnieniu od alkoholi alifatycznych.

Szkło: 4 probówki

Odczynniki: fenol, rezorcyna, pirokatechina, floroglucyna, hydrochinon, alkohol etylowy,

2,5% chlorek żelaza (III).

a. Ćwiczenie praktyczne

Do pięciu probówek dodać kolejno: kryształek fenolu, rezorcynę, pirokatechinę,

floroglucynę, 1cm3 alkoholu etylowego. Do każdej probówki dodać około 10 cm3 wody

destylowanej. Wstrząsnąć probówki do rozpuszczenia fenoli. Następnie dodać po kilka kropel

FeCl3. Obserwować zabarwienie.

• fenol - fioletowe

• rezorcyna - fioletowe, znikające po dodaniu wodorowęglanu

• pirokatechina - zielone, przechodzące po dodaniu wodorowęglanu w czerwone.

8

Aldehydy i ketony

1. Próba Fehlinga

Celem ćwiczenia jest wykazanie własności redukujących aldehydów w odróżnieniu od

ketonów. Aldehydy w reakcjach z utleniaczami wykazują własności redukujące, same

utleniając się do odpowiednich kwasów.

Szkło: 3 probówki

Odczynniki: płyn Fehlinga I i II, aldehyd salicylowy, aldehyd octowy, aceton

a. Ćwiczenie praktyczne

Do mieszaniny po 1cm3 płynu Fehlinga I i II dodawać kroplami roztwór aldehydu

octowego w wodzie i ostrożnie ogrzewać. W przypadku aldehydu alifatycznego pojawi się

czerwono-brunatny osad Cu2O. Próbę Fehlinga wykonać również z acetonem. Analogiczną

reakcję wykonać dla rozdrobnionych owoców (jabłko, banan).

Kwasy, estry, aminy i amidy

1. Badanie właściwości kwasu octowego

Celem ćwiczenia jest zbadanie właściwości kwasowych kwasu octowego oraz jego

mocy. Kwasy karboksylowe w roztworach wodnych ulegają dysocjacji zgodnie z równaniem:

RCOOH RCOO- + H+

Kwasy reagują z metalami nieszlachetnymi dając odpowiednie sole i wodór.

Szkło: 2 probówki, 2 szkiełka zegarkowe

Odczynniki: kwas octowy, opiłki żelaza lub wstążki magnezu, stały węglan sodu, papierek

wskaźnikowy, papierek Kongo.

a. Ćwiczenie praktyczne

Na szkiełku zegarkowym umieścić parę kropel kwasu octowego. Za pomocą papierka

wskaźnikowego zbadać odczyn roztworu.

9

b. Ćwiczenie praktyczne

Umieścić na szkiełku zegarkowym papierek wskaźnikowy Kongo, który należy

zwilżyć paroma kroplami kwasu octowego. Pojawienie się niebieskiego zabarwienia

wskazuje na obecność mocnego kwasu organicznego.

c. Ćwiczenie praktyczne

Do probówki zawierającej 2 cm3 kwasu octowego wrzucić parę opiłków magnezu lub

kawałek magnezu. Obserwować zachodzące zjawisko i wyjaśnić go za pomocą reakcji

chemicznej.

d. Ćwiczenie praktyczne

Do probówki zawierającej 1g węglanu sodu wkraplamy 1cm3 kwasu octowego.

Obserwować zachodzący proces i wyjaśnić go za pomocą reakcji chemicznej.

2. Otrzymywanie i hydroliza estrów

Estry otrzymujemy w reakcjach estryfikacji tj. reakcji zachodzącej pomiędzy

alkoholem a kwasem karboksylowym lub kwasem nieorganicznym. Charakterystyczną

reakcją dla estrów jest reakcja hydrolizy. Obecność zasady lub kwasu przyspiesza przebieg tej

reakcji. Celem ćwiczenia jest otrzymanie octanu etylu oraz wykazanie, że estry ulegają

reakcji hydrolizy w środowisku zasadowym.

Szkło: 2 probówki

Odczynniki: alkohol etylowy, kwas octowy rozcieńczony z wodą w stosunku 1:1, stęż. H2SO4,

octan etylu, 0,1 molowy NaOH , 1% roztwór fenoloftaleiny.

a. Ćwiczenie praktyczne

Do probówki wlać 3 cm3 alkoholu etylowego, 3 cm3 kwasu octowego oraz 10 kropel

stęż.H2SO4. Mieszaninę ogrzewać do wrzenia w łaźni wodnej. Pojawienie się specyficznego

zapachu świadczy o otrzymaniu octanu etylu.

10

b. Ćwiczenie praktyczne

Do 1 cm3 octanu etylu dodać 2-5 kropli roztworu NaOH i kroplę fenoloftaleiny.

Roztwór przybiera zabarwienie malinowe. Mieszaninę ogrzewać do wrzenia na łaźni wodnej.

Po upływie 2-5 minut następuje odbarwienie roztworu.

Aminy

1. Reakcja biuretowa

Mocznik poddany prażeniu w temperaturze ok 150 oC ulega rozkładowi, którego

produktami są biuret (dwumocznik), zawierający wiązanie peptydowe oraz amoniak. Biuret

tworzy z solami miedzi (II) np.CuSO4 w roztworze alkalicznym związki kompleksowe o

zabarwieniu fioletowym.

Szkło: 2 probówki

Odczynniki: biuret (dwumocznik), mleko, woda destylowana, rozcieńczony CuSO4, NaOH

a. Ćwiczenie praktyczne

Biuret rozpuścić w 5 cm3 wody, a następnie dodać 1 kroplę rozcieńczonego CuSO4

oraz 2 krople 3 molowego NaOH. Analogiczną reakcję wykonać na mleku.