11.Chemia organiczna.

Irena Zubel Wydzia Elektroniki Mikrosystemw i Fotoniki

Politechnika Wrocawska(na prawach rkopisu)

Zwizki organiczne

CHEMIA ORGANICZNADef. 1. (Gmelin 1848, Kekule 1851 ) chemia zwizkw wgla

wyjtki: tlenek wgla CO, CO2kwas wglowy +sole kwasu wglowego

Def.2. (Schurlenmer w 1889 ) chemia wglowodorw i ich pochodnych

C: sp3 tetraedr, 4 wizania kowalencyjne

Olbrzymia rnorodno zwizkw organicznych ponad 12 milionw

Pierwsza synteza zwizku organicznego:

F. Whler 1828-synteza mocznika

C: sp3 tetraedr, 4 wizania kowalencyjne

H

H

H

H

110pm

Zwizki organiczne

Najwaniejsze cechy:

katencja izomeria

C5H12

C5H12

C5H12

Zwizki organiczne

WGLOWODORY

WIELOPIERCIENIOWE

JEDNOPIERCIENIOWE

ACUCHOWE (ALIFATYCZNE)

NASYCONE NIENASYCONE

CYKLICZNE

NASYCONE NIENASYCONE

ALKANYALKENY

ALKADIENY

ALKINY

NASYCONE NIENASYCONE

AROMATYCZNECYKLOALIFATYCZNE

CYKLOALKANY

CYKLOALKADIENY

CYKLOALKENY CYKLOALKINY

Zwizki organiczne acuchowe

ACUCHOWE (ALIFATYCZNE)

NASYCONE NIENASYCONE

ALKANYALKENY ALKINY

Wglowodory nasycone (alkany)CnH2n+2 zawieraj wycznie pojedyncze wizania midzy atomami wgla

Wglowodory nienasycone

- alkeny CnH2n zawieraj jedno wizanie podwjne

- alkadieny CnH2n -2 - zawieraj dwa wizania podwjne

- alkiny CnH2n -2 - zawieraj jedno wizanie potrjne

ALKANYALKENY

ALKADIENY

ALKINY

Alkany

gazy

Ksztaty czsteczek

ciecze

Powyej pentadekanu C15H32 - ciaa stae

Alkany

Waciwoci:Mao aktywne chemicznieNiepolarneLejsze od wodyRozpuszczaj si w rozpuszczalnikach niepolarnych (alkohol, benzen, toluen)le rozpuszczaj si w rozpuszczalnikach polarnych (woda, kwasy, zasady)le rozpuszczaj si w rozpuszczalnikach polarnych (woda, kwasy, zasady)Ze wzrostem dugoci acucha wglowego zwiksza si temperatura topnienia i wrzeniaWszystkie ulegaj reakcji spalania:

2CnH2n+2 + (3n+1)O2 = 2nCO2 +2(n+1)H2O + energia

W zalenoci od iloci zuytego tlenu mona uzyska rne produkty:Spalanie cakowite: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2OPspalanie: CH4 + 3/2O2 = CO + 2H2OSpalanie niecakowite: CH4 + O2 = C+ 2H2O

Zastosowanie: paliwa gazowe, benzyna, oleje napdowe

Alkany- rzdowo atomw wgla

Rzdowo atomw wgla: - liczba atomw wgla zwizanych z rozpatrywanym atomem wgla

I-rzdowy II-rzdowy III-rzdowy IV-rzdowy

Alkany

IzomeryLiczba izomerw zaley od iloci atomw wgla w czsteczceDla metanu, etanu, propanu liczba ta wynosi 1.Waciwoci fizyczne i chemiczne izomerw s rne

HEKSANWzr Iloizomerw

C6H14 5

C7H16 9

C8H18 18

C9H20 37

C10H22 75

C20H42 36631

HEKSAN

Alkeny

Ksztaty czsteczek (izomeria)

Wizanie jest sztywne,czsteczka etenu jest paska.

Alkiny

Acetylen:

Zwizki z potrjnym wizaniem s bardzo aktywne chemicznie. Reakcji spalania acetylenu towarzyszy wysoka temperatura:

2C2H2 + 5O2 = 4CO2 + 2H2O

Wykorzystanie: np. palnik acetylenowo-tlenowy

Izomeria analogicznie jak w alkenach

Alkadieny

SZEREG HOMOLOGICZNY ALKADIENW

Izomery5 4 3 2 1

Wglowodory cykliczne

CYKLICZNE

AROMATYCZNECYKLOALIFATYCZNE

NASYCONE NIENASYCONE

AROMATYCZNECYKLOALIFATYCZNE

CYKLOALKANY

CYKLOALKADIENY

CYKLOALKENY CYKLOALKINY

Cykloalkany

Cykloalkeny

Cykloalkadieny

Porwnaj:

Wglowodory aromatyczne (areny)

CYKLICZNE

AROMATYCZNECYKLOALIFATYCZNE

JEDNOPIERCIENIOWE

NASYCONE NIENASYCONE

AROMATYCZNECYKLOALIFATYCZNE

CYKLOALKANY

CYKLOALKADIENY

CYKLOALKENY CYKLOALKINY

WIELOPIERCIENIOWE

Wglowodory aromatyczne (areny)

Czsteczka paskaRwnocenne wszystkie atomy wgla i wodoruWszystkie kty 120o

Wszystkie wizania 139pm (pojedyncze 154pm,podwjne 134pm)podwjne 134pm)

3 wizania typu 6 zdelokalizowanych elektronw

Areny jednopiercieniowe

Areny jednopiercieniowe

Areny wielopiercieniowe

Pochodne wglowodorw

Rodnik (R) - Podstawnik1,2-butanediol

1,4-butanediol

1-butanol

Grupy funkcyjne

1.

2.

7.

8.

3.

4.

5.

6.

9.

10.

11.

Fluorowcopochodne

1.

R - X

Alkohole

2. R - OH

Aldehydy

3.

R

Ketony

R1

R2

4.

Kwasy karboksylowe

5.

R

Etery

6.

Estry, aminy, amidy, aminokwasy

7. Estry 8. Aminy 9. Amidy

R

Anilina

Wodoroftalan butylu

Kwas 2-aminopropanowy (aminokwas alanina)

Reakcje chemiczne

1. Reakcje substytucji (podstawiania)

2. Reakcje addycji (przyczania)

3. Reakcje eliminacji

Reakcje odwrotne do przyczania, podstawniki zostaj odszczepione a midzy atomami wgla tworzy si wizanie typu .

4. Reakcje przegrupowaniaZmiana miejsca podstawnikw w ramach jednej czsteczki

Reakcje chemiczne

W wyniku zerwania wizania chemicznego powstaj:

-jony - gdy para elektronowa pozostaje przy jednym z atomw (rozszczepienie heterolityczne)

AB A- + B+

-rodniki gdy przy kadym z atomw pozostaje jeden elektron z pary -rodniki gdy przy kadym z atomw pozostaje jeden elektron z pary wicej (rozszczepienie homolityczne)

AB A + B

(1) rednia energia wizania R-H okoo 400kJ/mol

(2) energia wizania Cl-Cl 243 kJ/mol

Izomeria

Para izomerw optycznych

Izomeria optyczna jest spowodowana asymetri czsteczki wgla zwizanego z rnymi podstawnikami.

Czsteczki asymetryczne skrcaj paszczyzn polaryzacji wiata (odmiana prawa o kt + , odmiana lewa o kt - .

Izomeria

1-penten

pooenia wizania podwjnego

Rodzaje izomerii:

2-penten

geometryczna

acuchowa

podstawieniowa

2-pentan1-pentan

butanol-1 butanol-2

Izomeria

Wok pojedynczego wizania C-C grupy metylowe (tetraedry) mog ulega rotacji powstaj rne konformacje

Czsteczka etanu

konformacja konformacjanaprzemianlega naprzeciwlega

dwie skrajne konformacje, powstajce przy obrocie tetraedrw o 60o

-min odlego H-H-max energia odpychaniaukad najmniej trway

-max odlego H-H-min energia odpychania-ukad najtrwalszy

Izomeria

Nomenklatura zwizkw organicznych

Przykad:

Nomenklatura zwizkw organicznych

Najduszy acuch:

2,2,4,5-tetrametylo-4,5-dietylo-heptan

Polimery

Polimery zwizki wielkoczsteczkowe, skadajce si z powtarzajcych si czsteczek (merw)Masa czsteczkowa polimerw >10 000 u (granica umowna)

Polimery

naturalne syntetyczne

skrobiacelulozabiakoenzymyjedwabkauczuk

polietylenpolistyrenpolichlorek winylupoliuretanyywice epoksydowe

naturalnemodyfikowane

azotan celulozyoctan celulozybenzylocelulozakauczuk (wulkanizacja)

Polimeryzacja

Polimeryzacja czenie si zwizkw maoczsteczkowych w makroczsteczki

Polimeryzacja:

Polimer jeden rodzaj merwKopolimer dwa lub wicej rodzajw merw

chlorek winylu C2H3Cl

polichlorek winylu (C2H3Cl)n

nC2H3Cl(C2H3Cl)n

addycyjna kondensacyjna

n stopie polimeryzacji

Polimeryzacja addycyjna

I.III.

Etylen C2H4-gaz

II.I. Inicjacja powstawanie rodnikw z H2O2

(T. h,): H O O H 2(H O)

II. Reakcja acuchowa: przemieszczanie si aktywnego centrum polimeryzacji

III. Zakoczenie: przyczenie wolnego rodnika (H O) na kocu polimeru

Polietylen (PE) (C2H4)n ciao stae, polimer

Polimeryzacja addycyjna

I.

II.

X dowolna grupa funkcyjna, np.-ClR - rodnik inicjujcy proces:

Cl2 Cl + Cl (h)H2O2 OH + OH (T, UV, )

II.

III.

Szybko polimeryzacji:10 000 czsteczek/s

Zakoczenie: dezaktywacja rodnika (rekombinacja)-w reakcji z zanieczyszczeniami- w reakcji z moderatorami M

Polimeryzacja kondensacyjna

+ H2O

H H H H

N-(CH2)6-N OH-C-(CH2)4-C-OH

H H

Nylon+

Produkt uboczny

Fenol formaldehydowy

Produkt uboczny

Charakterystyka polimeryzacji

Stereoizomeria

R:Cl - polichlorek winyluCH3 polipropylenC6H5 - polistyren

a) Polietylen

b) Struktura izotaktyczna

c) Struktura synodiotaktyczna

d) Struktura ataktyczna

Stereoizomeria

a) Struktura izotaktyczna

b) Struktura synodiotaktyczna

c) Struktura ataktyczna

Kopolimeryzacja

Typy kopolimerw:

a) statystyczny

b) przemiennyb) przemienny

c) blokowy

d) szczepiony

Kopolimeryzacja

Typy kopolimerw:

a) przemienny

b) statystyczny

c) blokowyc) blokowy

d) szczepiony

Rozgazienia

Polietylen prostyStruktura krystaliczna w 80% objtoci

Rozgazienia zmniejszaj:- gsto

Polietylen rozgazionyStruktura krystaliczna w 50% objtoci

- gsto-wytrzymao-twardo-Odporno na cieranie-skonno do krystalizacji

Struktura polimerw

Funkcyjno monomeru stopie zdolnoci do reakcji. Centrum reaktywnoci s grupy funkcyjne lub wizania wielokrotne.

Monomery dwufunkcyjne - czsteczki zoonych z wgla i wodoru z podwjnym wizaniem w wyniku polimeryzacji tworz polimery acuchowe (liniowe). Polimery termoplastyczne: polietylen, polichlorek winylu, polipropylen, polistyren. Polimery termoplastyczne: polietylen, polichlorek winylu, polipropylen, polistyren. Topi si podczas ogrzewania, zestalaj podczas chodzenia, s rozpuszczalne w wielu rozpuszczalnikach.Monomery wielofunkcyjne posiadaj wicej ni dwa centra aktywnoci w wyniku polimeryzacji tworz struktury wielowymiarowe. Polimery utwardzalne, silnie usieciowane, ywice: epoksydowa, poliestrowa, fenolowo-formaldehydowa (bakelit)Nietopliwe, nierozpuszczalne, w wysokiej temperaturze rozkadaj si nieodwracalnie.

Oba rodzaje polimerw mog powstawa zarwno przez addycj jak i polikondensacj.

Struktura polimerw

Polimery o strukturze:

a) liniowej

b) rozgazionej,

c) usieciowanejc) usieciowanej

Usieciowanie przestrzenne

Przejcie od struktury liniowej (liniowej rozgazionej) do usieciowanej uzyskuje si dziki wizaniom poprzecznym.

Przykad: wulkanizacja otrzymywanie gumy z kauczuku naturalnego (izoprenu) przez dodanie siarki

a)

Powstaj silne wizania kowalencyjne midzy atomami siarki i dwiema czsteczkami polimerw dziki podwjnym wizaniom w merach izoprenu.Nadmiar siarki powoduje wzrost twardoci i kruchoci gumy.

przed wulkanizacj po wulkanizacji

acuchy polimerowe

a

b

c

d

polietylen

Ktowa zaleno midzy wizaniami w acuchu wglowym

Czwarty atom wgla w acuchu wglowym polimeru (d) moe zaj dowolne pooenie na obwodzie koa i zaleno ktowa miedzy wizaniami zostanie zachowana. Ta dowolno pooenia powoduje, e acuchy liniowe nie s proste, lecz pozginane i poskrcane.

acuchy polimerowe

Makroczsteczka polimeru zoona z jednego acucha liniowego o zoonym ksztacie

Schemat spltanych i skrconych acuchw w strukturze materiau polimerowego