organska kemija -1. dio

ORGANSKA KEMIJAORGANSKA KEMIJA

UVODUVOD

→ naziv “organska kemija” − tradicionalan

→ → Kemija ugljikovih spojevaKemija ugljikovih spojeva

− karakteristika atomâ ugljika da se međusobno povezuju stabilnim kovalentnim vezama izrazito velik broj poznatih organskih spojeva

− četverovalentni atom ugljika − osnovna gradivna jedinica organskih spojeva

− tradicionalan (donekle zastario) pristup učenju organske kemije → pregled po skupinama organskih spojeva

− podjela organskih spojeva → prema strukturnim osobitostima −

funkcionalne skupine

Naziv skupine spojeva

Funkcionalna skupina

Opća formula

ALKANI − CnH2n+2

ALKENI CnH2n

ALKINI

ALKOHOLI

CnH2n−2

R−OH

ETERI R−O−R

KARB. KISELINE

itd, itd, ...

R−COOH

C C

C C

OH

O

CO

OH

NEKE SKUPINE ORGANSKIH SPOJEVA I FUNKCIONALNE SKUPINENEKE SKUPINE ORGANSKIH SPOJEVA I FUNKCIONALNE SKUPINE

– oksidacijski broj ugljika u molekuli organskog spoja:→ određuje se za svaki pojedini atom ugljika u molekuli→ ovisi o elementima koji su neposredno vezani na

promatrani atom ugljika→ može biti u cijelom rasponu od −IV do +IV,

uključujući i vrijednost 0

Oksidacijski broj ugljika u organskim spojevima

Pravila za određivanje oksidacijskog broja ugljika u organskim molekulama:

1.) VEZE C-ATOMA S DRUGIM ATOMIMA UGLJIKA

a) veze promatranog atoma C s jednim ili više drugih atoma ugljika – ne utječu na oksidacijski broj promatranog C-atomab) red veze (jednostruka, dvostruka, itd.) opisan pod (a) – također ne utječe na oksidacijski broj promatranog C-atoma

2.) VEZE C-ATOMA S ATOMIMA VEĆE ELEKTRONEGATIVNOSTI (O, N, F, Cl, Br, I, …)

c) za svaku vezu s atomom veće elektronegativnosti – oksidacijski broj promatranog C-atoma uvećava se ‘za jedan’d) ako dani C-atom ostvaruje višestruku vezu s atomom veće elektronegativnosti (npr. C=O, C≡N ili sl.) – oksidacijski broj toga C-atoma uvećava se onoliko puta ‘za jedan’ koliki je red veze (dvostruka ili trostruka)

3.) VEZE C-ATOMA S ATOMIMA MANJE ELEKTRONEGATIVNOSTI (najčešće H)

e) za svaku vezu s atomom manje elektronegativnosti (što je najčešće atom vodika) – oksidacijski broj promatranog C-atoma umanjuje se ‘za jedan’

Primjeri:

C CHH3CC CH3

CH3

CH3

H3C0 0

ad 1:

HO C OH

OH

OH

ad 2:

IVC

OH

O

H3CIII

ad 3:

C H

H

H

H−IV

H3C C H

H

H

−III

UGLJIKOVODICIUGLJIKOVODICI

− ugljikovodici:

− organski spojevi koji sadrže samo ugljik i vodik− različiti načini vezanja atomâ ugljika u ugljikovodični

skelet → nekoliko podskupina ugljikovodika;

UGLJIKOVODICIUGLJIKOVODICI

ALKANI ALKENI ALKINI ARENI

ALIFATSKI (= aciklički,

lančasti)

CIKLIČKI (= aliciklički,

prstenasti)

AA LL KK AA NN II

− alkani − zasićeni ugljikovodici opće formule CnH2n+2

NAZIV SPOJA

MOLEKULSKAFORMULA

metan CH4

etan C2H6

propan C3H8

butan C4H10

pentan C5H12

heksan C6H14

heptan C7H16

oktan C8H18

nonan C9H20

dekan C10H22

*** ***heksadekan C16H34

heptadekan C17H36

Homologni niz alkana:

→ susjedni članovi homolognog niza – razlikuju se za metilensku, −CH2−, skupinu

17

IntermezzoIntermezzo oo prikazivanju i vrstama prikazivanju i vrstama formula organskih spojeva formula organskih spojeva

→ kalotni model (molekule metana)

→ model molekule (metana) “s kuglicama i štapićima”

→ klinasta formula (metana)

→ perspektivna formula (metana)

→ strukturna projekcijska formula (metana)

CH4→ molekulska formula (metana)

CH4→ empirijska formula (metana)

→ prikaz veznim crticama: (a) n-pentan (b) 2,4-dimetilpentan (c) butan-1-ol

OH

(a) (b) (c)

→ pravila: – atome ugljika i pripadne atome vodika predstavljaju krajevi i prijelomi linije – atomi vodika vezani na atome ugljika se ne naznačuju – heteroatomi (O, N, S, Cl,…) moraju biti posebno naznačeni – atomi vodika vezani na heteroatome moraju biti naznačeni

Prikazi molekule etana: (a) klinasta formula, (b) perspektivna formula, (c) Newmanova projekcija,

(d) model kuglica i štapića, (e) kalotni model

→ javlja se zbog slobodne rotacije oko jednostruke veze C–C– pri sobnoj temperaturi – molekule primaju dovoljno energije za

konformacijske mijene→ zasjenjena i zvjezdasta konformacija – dva krajnja konformacijska

oblika→ konformacijski izomeri = konformeri = rotacijski izomeri = rotameri

Izomerija alkanaIzomerija alkana

1.) konformacijska izomerija

zasjenjena zvjezdasta konformacija konformacija

– uobičajeno prikazivanje rotacijskih izomera Newmanovim formulama:

→ odnos stabilnosti konformacija etana

zvjezdasta konformacija zasjenjena konformacija

– konstitucijski izomeri – spojevi jednakih molekulskih formula, ali različitog redoslijeda vezanja atomâ

ugljika u molekuli

Izomerija alkanaIzomerija alkana

2.) konstitucijska izomerija

Strukturnim projekcijskim formulama i veznim crticama prikaži strukturu molekula spojeva formule C5H12.

konstitucijska izomerija (nekoć: „strukturna izomerija”)

NAZIV SPOJA FORMULA tt / °C tv / °C

metan CH4 − 183 − 162

etan C2H6 − 172 − 88

propan C3H8 − 187 − 42

butan C4H10 − 135 1

pentan C5H12 − 131 36

heksan C6H14 − 94 69

heptan C7H16 − 91 99

oktan C8H18 − 57 126

nonan C9H20 − 54 151

dekan C10H22 − 30 174

heksadekan C16H34 20 288

heptadekan C17H36 23 303

Fizička svojstva nekih ravnolančanih alkana

Ovisnost tališta i vrelišta alkana o broju ugljikovih atoma u molekuli

Kemijska svojstva alkanaKemijska svojstva alkana

– u molekulama alkana – svi ugljikovi atomi tvore četiri kovalentne veze s četirima atomima, dakle – zasićeni su → alkani su slabo reaktivni spojevi

→ stari naziv za alkane: parafini (od franc. paraffine ← lat. parum affinis = slabo poveziv)

– za alkane su karakteristične reakcije supstitucije

31

1.) Reakcije (potpunog) gorenja

32

2.) Reakcije supstitucije

→ skraćeno:

CIKLOALKANICIKLOALKANI

–najjednostavniji ciklički alkani su:

ciklopropan ciklobutan ciklopentan cikloheksan (C3H6) (C4H8) (C5H10) (C6H12)

→ cikloalkani s 3, odn. 4 atoma C u prstenu – tzv. napeti prstenovi, zbog velikog odstupanja valentnih kuteva od tetraedarskog kuta (109o)

→ konformacija stolice

→ konformacija lađice

– molekule cikloalkana – nisu planarne

– kemijska i fizička svojstva cikloalkana – slična svojstvima lančastih alkana

– cikloalkani s 3, odn. 4 atoma C u prstenu – tzv. napeti prstenovi → reaktivniji od

ostalih

1.) Reakcije izgaranja

2.) Reakcije adicije

AA LL KK EE NN II

− alkeni − nezasićeni ugljikovodici opće formule CnH2n

− karakterizirani barem jednom dvostrukom vezom ugljik-ugljik, C=C, u molekuli − stari (trivijalni naziv): olefini

NAZIV SPOJA

MOLEKULSKAFORMULA

eten C2H4

propen C3H6

buten C4H8

penten C5H10

heksen C6H12

hepten C7H14

okten C8H16

nonen C9H18

decen C10H20

itd.

Homologni niz alkena:

→ trivijalno ime: etilen → trivijalno ime: propilen

etenil-etenil-(trivijalno: vinil-)

Neke alkilne skupine s dvostrukom vezom C=CNeke alkilne skupine s dvostrukom vezom C=C

2-propenil-2-propenil-(trivijalno: izopropenil-)

1-propenil-1-propenil-(trivijalno: propenil-)

C CH

H H

H

C C

H H

CH

H

H

C C H

H

CH

H

H

CC

HH

CH

H3-propenil-3-propenil-

(trivijalno: alil-)

Sažetim strukturnim projekcijskim formulama prikaži molekule alkena čije su molekulske formule C4H8.

konstitucijski izomeri

Konstitucijska izomerija alkenaKonstitucijska izomerija alkena

atomi u području dvostruke veze C=C – leže u istoj ravnini

nemogućnost rotacije oko dvostruke veze C=C geometrijska izomerija

π-veza

π-veza

σ-veza

→ oznake konfiguracija stereoizomera alkena: a) stare oznake: cis-, trans- b) suvremene oznake (prema CIP-sustavu): Z-, E-

cis-but-2-en trans-but-2-en

Z-but-2-en E-but-2-en

Geometrijska izomerija (stereoizomerija) alkenaGeometrijska izomerija (stereoizomerija) alkena

Označivanje konfiguracije stereoizomera

ad a (stare oznake):(i) promatra se položaj međusobno jednakih ili sličnih skupina atomâ vezanih na atome ugljika koji su involvirani u dvostruku vezu C=C(ii) ako su takve iste ili slične skupine smještene s iste strane ravnine koja je okomita na ravninu C=C veze → spoj dobiva oznaku cis- (od lat. cis = s iste strane)(iii) ako su takve iste ili slične skupine smještene s različitih strana ravnine koja je okomita na ravninu C=C veze → spoj dobiva oznaku trans- (od lat. trans = s druge strane, preko)

ad b (CIP-sustav*):(i) promatraju se atomi, odnosno skupine atomâ, koji su neposredno vezani na svaki pojedini nezasićeni atom ugljika u vezi C=C(ii) atom (neposredno vezan na pojedini nezasićeni C-atom) koji ima viši atomski broj dobiva stupanj prioriteta , dok onaj drugi poprima oznaku(iii) ako su na pojedini nezasićeni atom C neposredno vezana dva atoma istog elementa (najčešće su to također atomi ugljika), red prioriteta takvih atomskih skupina određuje se promatranjem atomâ koji su dalje, posredno, vezani na nezasićeni C-atom – ponovno uz primjenu kriterija atomskog broja, ali i broja kovalentnih vezâ koje ostvaruju ti atomi

*CIP – od Cahn-Ingold-Prelog; 1966.g. / 1982.g.

12

(iv) ako se skupine jednakog stupnja prioriteta (vezane na dva ugljikova atoma u C=C vezi) nalaze s iste strane ravnine okomite na ravninu veze C=C → spoj u imenu dobiva oznaku konfiguracije Z- (od njem. zusammen = zajedno)(v) ako se skupine jednakog stupnja prioriteta (vezane na dva ugljikova atoma u C=C vezi) nalaze s različitih strana ravnine okomite na ravninu veze C=C → spoj u imenu dobiva oznaku konfiguracije E- (od njem. entgegen = nasuprot)

Robert Sidney Cahn(1899.-1981.), britanski kemičar

Christopher Kelk Ingold(1893.-1970.), britanski kemičar

Vladimir Prelog(1906.-1998.), hrvatsko-švicarski kemičar,Nobelova nagrada 1975. g.

1

2

C C

1

2 12

C C

1 2

Z- E-(zusammen = zajedno) (entgegen = nasuprot)

konjugiranekonjugirane

PolieniPolieni

– spojevi s više dvostrukih veza C=C u molekuli

– s obzirom na međusobni razmještaj, dvostruke veze C=C:

H

H

C C

H H

CH

H

H

C C H

H

C

H

H

H

C C

H H

CH

H

H

C C H

H

C

H

C CH2H2C

izoliraneizolirane

kumuliranekumulirane

Kemijska svojstva alkenaKemijska svojstva alkena

– u molekulama alkena – dvostruka veza C=C – nezasićenost – određuje kemijska svojstva alkena

– za alkene su karakteristične reakcije adicije;a) simetrični reagensib) asimetrični reagensi

1.) Izgaranje alkena

2.) Reakcije adicije na alkene

(i) simetrični reagensi

a) adicija vodika (katalitičko hidrogeniranje)

b) adicija halogenih elemenata (halogeniranje)

(ii) asimetrični reagensi

c) adicija halogenovodika

d) adicija vode

AA LL KK II NN II

− alkini − nezasićeni ugljikovodici opće formule CnH2n−2

− karakterizirani barem jednom trostrukom vezom ugljik-ugljik, C≡C, u molekuli − staro (trivijalno) ime: acetileni

NAZIV SPOJA

MOLEKULSKAFORMULA

etin C2H2

propin C3H4

butin C4H6

pentin C5H8

heksin C6H10

heptin C7H12

itd.

Homologni niz alkina:

→ trivijalno ime: acetilen

– model molekule pent-1-ina

linearnost molekule alkina u dijelu trostruke C≡C veze

Kemijska svojstva alkinaKemijska svojstva alkina

– u molekulama alkina – dvostruka veza C≡C – nezasićenost – određuje kemijska svojstva alkina

– za alkine su karakteristične reakcije adicije;a) simetrični reagensib) asimetrični reagensi

– alkini s trostrukom vezom C≡C – reakcije supstitucije (na vezu C–H)

1.) Izgaranje alkina

2.) Reakcije adicije na alkine

a) adicija vodika (katalitičko hidrogeniranje)

b) adicija halogenih elemenata (halogeniranje)

c) adicija halogenovodika

d) adicija vode

3.) Reakcije supstitucije (na alkine s trostrukom vezom C≡C na kraju lanca)