ORGANICKÁ CHEMIE I

Kristýna Bürglová

Katedra Organické Chemie ÚMTM (FN)

kristyna.burglova@upol.cz

Konzultace kdykoli po domluvě na přednášce/emailem

1

Přednášky & seminář: středa 8:45 – 11:14

2.001

Přednášky a semináře nebudou striktně rozděleny!

2

Podmínky pro úspěšné absolvování předmětu OC1

1. Kvalifikace pro písemné kolokvium OC1

• Student musí úspěšně absolvovat 2 plánované průběžné testy v rámci výuky

předmětu OC1 - minimální úspěšnost každého testu musí činit alespoň 60%

• Student má nárok na náhradní termín průběžného testu v případě, že byl

řádně omluven dle Studijního a zkušebního řádu Univerzity Palackého, či

jeho úspěšnost v řádném termínu byla nižší než 60%.

• Jednotlivé průběžné testy budou vycházet z probraného učiva předmětu

OC1. Opravné termíny na konci semestru budou obsahovat již celé učivo

předmětu OC1.

Test č.1: 29.3.2017

Test č.2: 3.5.2017

1. Opravný termín (souhrnný): zápočtový týden

2. Opravný termín (souhrnný): během zkouškového období

3

Podmínky pro úspěšné absolvování předmětu OC1

2. Písemné kolokvium OC1

• Právo účastnit se písemného kolokvia OC1 má ten student, který splnil

podmínky kvalifikace pro písemné kolokvium OC1 (viz bod 1).

• Před ukončením výuky předmětu OC1 budou v předstihu oznámeny termíny

písemného kolokvia OC1.

• Celkem bude vypsáno maximálně 7 termínů písemného kolokvia OC1

v období od druhé poloviny května až do začátku července.

• Pro úspěšné zakončení předmětu OC1 musí činit minimální úspěšnost

písemného kolokvia OC1 alespoň 70%.

• Student má maximálně celkem 3 pokusy formou písemného kolokvia. Každý

student má tedy k dispozici 1 řádný a 2 opravné termíny písemného

kolokvia OC1.

4

Literatura

Jan Slouka, Iveta Fryšová, Petr Cankař: Průvodce některými úvodními kapitolami organické chemie, 2010, Univerzita Palackého Olomouc, ISBN: 978-80-244-2542-9.

5

Literatura

• John McMurry: Organická chemie, 2007, VUT v Brně, ISBN: 978-80-214-3291-8/ Nakladatelství VUTIUM, VŠCHT Praha, ISBN:978-80-7080-637-1, přeloženo z anglického originálu John McMurry: Organic Chemistry, Sixth Edition, 2004, Brooks/Cole, a Thomson Learning Company, ISBN: 0534389996

6

Literatura

• Jonathan Clayden, Nick Greeves and Stuart Warren: Organic chemistry, 2012, second edition, ISBN: 9780199270293.

7

Literatura: internet

• www.iupac.org (International Union of Pure and Applied Chemistry, nadnárodní nevládní organizace pomáhající tvořit normy v oblasti chemie v globálním měřítku).

• www.organic-chemistry.org (odkazy na zajímavá témata, reakce a články).

• www.orgchem.upol.cz (Katedra organické chemie PřF UP, studijní portál).

8

Literatura: internet

Procvičovací příklady:

http://biotrend.upol.cz/

On-line procvičování

Nutno registrovat se univerzitní emailovou adresou.

9

10

Zítra nemůžu přijít, protože si má milá zlomila nohu.

Nemůžu přijít na písemku, protože se mi přednášky kryjí s povinnými laboratořemi.

Z prezentací se mi učivo nepodařilo pochopit.

„Nevyžádaná“ pošta a jiné postřehy

Jak dlouho bude trvat kolokvium? Můžu se přihlásit ten den na další písemku?

Chybí mi bod v písemce. Nemohla byste udělat výjimku?

V přednáškách nejsou řešení k příkladům

Včera večer nebyla na webu přednáška.

Plán přednášek 2017

• Úvod do organické chemie, struktura a vazba

• Stereochemie organických sloučenin

• Elektronové vlastnosti organických sloučenin

• Indukční a mezomerní efekty, konjugace, rezonance

• Kyseliny a báze v organické chemii

• Přehled mechanismů organických reakcí

• Alkany

• Alkeny

• Aromáty

• Organokovové sloučeniny

11

Věnovat se učivu průběžně!!!

Procvičovat příklady

Ptát se pokaždé, když něčemu nerozumím

Používat různé zdroje informací

Nesnažit se organiku naučit nazpaměť!

Pár rad jak úspěšně zvládnout organiku

12

Stačí znát pár písmen abecedy – C, H, O, N…

Stačí umět počítat od jedné do osmi (většinou jen do čtyř).

Umět číst a psát.

Odpověď lze nalézt v otázce.

Organická chemie je jednoduchá, protože …

13

Organická chemie se dá pochopit snadno a bez fotografické paměti – ale nepůjde to

bez správných studijních návyků!!!

14

Proč se učit organickou chemii?

15

Rafinérie Texas

• Práce v příjemném prostředí

16

ii) Modifikace přírodních sloučenin, kterými se zlepšují jejich vlastnosti

Hlavní část organické chemie je organická syntéza

i) Příprava sloučenin, které jsou omezeně

dostupné v přírodě nebo je levnější je připravit

uměle. N

MeH

H

HO

O

Me

dendrobin

N

S

O

H2N

COOH

Me

Me

penicilanová kyselina

N

S

O

HN

COOH

Me

Me

O

penicilin G

N

S

O

HN

COOH

Me

Me

O

modifikovaný penicilinampicilin

H2N

iii) Příprava nových sloučenin, které mohou mít zajímavé vlastnosti

R

R

R

R

R

R

R

R R

R1

R1

R

R = alkyl, R1= alkyl, COOR

lineární polyaceny

17

iv) Příprava sloučenin, které jsou důležité z teoretického hlediska (strukturní a

vazebná teorie)

prizman kuban pentaprisman

18

• C sloučeniny jsou všude kolem nás

DNA

Enzymy

Proteiny

Benzín

Umělé hmoty

Moderní materiály

Biomedicínské materiály

Pesticidy

Potraviny

Barviva

Léčiva Kosmetika

19

Co je organická chemie?

Uhlík (C), vodík (H), kyslík (O), dusík (N) a v menší míře síra (S), fosfor (P)

a další prvky

Organická chemie je disciplína zabývající se chemií sloučenin uhlíku

První transformace anorganické sloučeniny na organickou:

konverze kyanatanu ammoného na močovinu (Wöhler 1828)

„I cannot, so to say, hold my chemical water, and must tell you that I can make

urea, without thereby needing to have kidneys, or anyhow, an animal, be it human

or dog.“ napsal Berzeliovi 20

Periodická tabulka organického chemika

21

Kde končí anorganická chemie a začíná organická???

22

Teorie VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory)

23

Teorie VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory)

Elektronové páry (vazebné i nevazebné) se ve valenční vrstvě atomu odpuzují. Snaží se tedy zaujmout takový tvar, aby byly co nejdále od sebe.

24

Elektronová konfigurace uhlíkového atomu

= čtyřvaznost uhlíku 25

Atomové a molekulové orbitaly

1. Kombinací atomový orbitalů (AO) dvou a více atomů vznikají

molekulové orbitaly (MO), které jsou buď vazebné (nižší

energie) nebo antivazebné (vyšší energie) (LCAO – lineární

kombinace atomových orbitalů)

2. Z jednoho AO vzniká jeden MO. Ze tří AO vznikají tři MO, atp

3. Pokud se kombinují dva AO stejného atomu, vzniká hybridní

AO.

26

H2

27

Sigma vazba (Ϭ) • kovalentní vazba • symetrická kolem osy vazby • Nejvyšší elektronová hustota na spojnici jader

Interakce orbitalů s atomů vodíků za vzniku vazby Ϭ

28

Π vazba

29

Π vazba • Vznik překryvem dvou p orbitalů kolmých na spojnici jader • Není symetrická kolem osy vazby • Nejvyšší elektronová hustota pod a nad spojnicí jader

30

H s

sp3

sp3

sp3

sp3

H s

H s

H s

C

H

H

H

H

Methan

31

H s

C C

H s 1

sp2

sp2

sp2

sp2

sp2

sp2

H s

H s

p

x

px

C

H

HC

H

H

Ethen

32

Acetylen

C C sp sp

px

py

px

py

H s H s sp sp

1

2

C C HH

33

Struktura organických sloučenin a její zobrazení

C C154 pm

109,5°sp3

tetraedrické uspořádání

C C133 pm

121,7°

116,6°sp2

planární uspořádání

C C121 pm

180°lineární uspořádání

sp

34

AO s mírně rozdílnou energií

• Silná interakce mezi AO • Vazebný MO mnohem níž než

AO • Antivazebný MO mnohem výš

než AO • Oba AO přispívají do MO

stejně • Elektrony ve vazebném MO

jsou sdíleny mezi atomy stejně

• nepolární kovalentní vazba

• Nejjednodušší homolytické štěpení vazby

AO s velmi odlišnou energií

AO se stejnou energií

• Slabší interakce mezi AO • Vazebný MO lehce níž než AO B • Antivazebný MO trochu výš než

AO A • B přispívá do MO více • Elektrony ve vazebném MO jsou

sdíleny mezi atomy, ale jsou posunuty blíže B

• kovalentní vazba ale také elektrostatické atrakce (polární kovalentní)

• Nejjednodušší rozštěpit vazbu na A+ a B-, ale možno i radikálově

• AO příliš daleko na interakci

• Vazebný MO lehce níž než AO B

• Přispívá pouze jeden AO • „čistá“ iontová vazba • Sloučenina ve formě A+ a

B-

Vliv MO na polaritu vazby

35

AO s mírně rozdílnou energií

• Slabší interakce mezi AO • Vazebný MO lehce níž než AO B • Antivazebný MO trochu výš než

AO A • B přispívá do MO více • Elektrony ve vazebném MO jsou

sdíleny mezi atomy, ale jsou posunuty blíže B

• kovalentní vazba ale také elektrostatické atrakce

• Nejjednodušší rozštěpit vazbu na A+ a B-, ale možno i radikálově

Převážná většina organických sloučenin

Vznik parciálních nábojů δ+ a δ-

Stále se jedná o kovalentní vazbu!!!

36

Elektronegativita = schopnost atomu v molekule přitahovat elektrony

• Vyšší hodnoty elektronegativit mají ty prvky, které vznikem aniontu dosáhnou konfigurace následujícího vzácného plynu

Elektronegativita & parciální náboje

37

=> Atom s vvyšší elektronegativitou získává záporný parciální náboj

Elektronegativita & parciální náboje

38

Atom s vvyšší elektronegativitou získává záporný parciální náboj

• Parciální náboje jsou skutečné

Elektronegativita & parciální náboje

CH3Br δ+ δ-

CH3Li δ+ δ-

δ+

δ-

39

Formální náboj

= rozdíl mezi počtem valenčních elektronů neutrálního atomu a atomu ve sloučenině

Formální náboj = číslo skupiny - počet nevazebných elektronů - počet kovalentních vazeb

4-0-4 = 0 6-2-3= 1 3-0-4 = -1

40

Struktura organických látek

Uhlovodíková kostra : • vazby C-H • tvořena řetězci, popř. kruhy • „podpěra“ funkčních skupin

Funkční skupiny: • Části molekul obsahující jiné atomy než uhlík • Určují chemické a biologické chování molekul!! • Můžou být i násobné vazby mezi atomy uhlíku

41

Kreslení vzorců

Kyselina linolová

42

Kreslení vzorců

Kyselina linolová – krystalová struktura

1. Kresli řetězce CIK-CAK

Lépe přeneseme 3D realitu do 2D obrázku.

43

2. Kresli „ekonomicky“

Kreslení vzorců

44

Každý vrchol křivky = uhlíkový atom Z tohoto uhlíku už vychází 4 vazby, neobsahuje tedy žádný H

Z atomu C vychází 3 vazby = musí obsahovat jeden atom H

Tento H se kreslí, protože je vázaný na jiný atom než uhlík

Obsahuje vázané 2 atomy H

3.Vynechej všechny H připojené k uhlíkům (s výjimkou funkčních skupin)

4. Vynechej psaní C (s výjimkou funkčních skupin)

Výjimky = funkční skupiny, reakční místa, atp POZOR! Pokud vypíšu C písmenem, musím dopsat i H atp. – dodržet vaznost!!! 45

Kreslení prostorových vzorců

Substituent směřuje ZA rovinu nákresny Substituent směřuje

PŘED rovinu nákresny

Rovina nákresny

46

Kreslení prostorových vzorců

47

Lewisovy vzorce & Oktetové pravidlo

• Vychází ze snahy atomů dosáhnout ve své valenční sféře energeticky nejvýhodnější elektronové konfigurace nejbližších vzácných plynů (He, Ne, Ar) = oktetové pravidlo

• Dosažení oktetu je možné tvorbou chemické vazby – přenosem (iontová vazba) nebo sdílením (kovalentní vazba) elektronů ve valenčních sférách

Přenos elektronů – iontová vazba:

Konfigurace He Konfigurace Ne

Sdílení elektronů – kovalentní vazba:

48

Lewisovy vzorce

= elektronové vzorce znázorňující rozložení valenčních elektronů v kovalentní sloučenině – rozložení vazebných i nevazebných elektronových párů

- platí oktetové pravidlo

1. Nakresli uspořádání atomů v molekule a urči centrální atom.

2. Urči počet valenčních elektronů zúčastněných atomů

3. Pokud není molekula elektroneutrální, přidej (odeber) požadovaný počet elektronů.

4. Elektrony, které nepřispívají do vazby jsou součástí volného elektronového páru (nejdřív doplň periferním atomům, nakonec centálnímu).

5. Oktetové pravidlo!!! Počítají se všechny elektrony ve volných elektronových párech a ve vazbách.

6. Lewisův vzorec se dá nakreslit více způsoby, nutno přizpůsobit co „nejreálnější“ podobě (pokud na sousedních atomech opačný formální náboj, vznik násobné vazby)

49

Lewisovy vzorce

Příklad: Nakresli Lewisovým vzorcem CF4

50

Příklad: nakresli Lewisův vzorec molekuly SO32-

Počet valenčních elektronů = 5 + 7*3 = 26, tzn. 13 elektronových párů

Ϭ skelet tvoří 3 elektronové páry

Každému atomu Cl pro doplnění na oktet je potřeba doplnit 3 elektronové páry Zbávající jediná elektronová pár je přidělen centrálnímu atomu P

Příklad: nakresli Lewisův vzorec PCl3:

Příklad: nakresli Lewisův vzorec molekuly COCl2

51

• řada organických látek obsahuje iontové vazby

• struktura nelze vyjádřit pouze pomocí kovalentních vazeb (došlo by k porušení oktetového pravidla) => iontová vazba

• někdy možné kreslit iontovou nebo kovalentní formou (ale preferujeme iontovou, pokud je velký rozdíl elektronegativit)

• resonanční vzorce (později v semestru)

Iontové vazby

52

• Zisk základní představy o vazebných poměrech v molekule

• Určení tvaru molekuly (VSEPR)

• Navrhování reakčních mechanismů

• Vaznost = počet vazeb, které jednotlivé atomy vytvářejí

Význam Lewisových vzorců

Atomy

Vaznost 4 3 2 1 1

VEP 0 1 2 0 3

53

54

Vazebné faktory

Typ hybridizace jednotlivých atomů rozhoduje o délce, vazebném úhlu a energii vazby!

délka vazby

[pm]

energie vazby

[kJ/mol]

147 290-315

128 598

114 854

C N

C N

C N

Obecně se dá říct, že čím je kratší vazba, tím je vyšší energie vazby. Násobné vazby jsou kratší než jednoduché díky překryvu orbitalů.

H3C N

H

H

H3C O

H

H3C S

H

Vazebný úhel je silně ovlivněn poměrem zapojení s a p orbitalů do hybridizace.

methanamin 112° methanol 108° methanthiol 99,4°

Hodnoty úhlů a délky vazeb jsou ve skutečnosti zprůměrované díky vibračnímu pohybu jednotlivých atomů v molekule!

Klasifikace organických sloučenin podle struktury Acyklické sloučeniny

= necyklické

- acyklické sloučeniny obsahují řetězce uhlíků, ale ne kruhy. Řetězce mohou být

nerozvětvené a rozvětvené.

55

Karbocyklické sloučeniny

Karbocyklické sloučeniny obsahují nejméně jeden kruh složený z atomů uhlíku.

Nejmenší karbocyklická sloučenina = cyklopropan.

56

Heterocyklické sloučeniny

Heterocyklické sloučeniny tvoří třetí a největší skupinu organických látek.

V heterocyklických sloučeninách musí být přinejmenším jeden neuhlíkový atom (tzv.

heteroatom) přítomný v kruhu.

57