MATERIAŁY DYDAKTYCZNE CHEMIA cz.2

36 Pages • 4,633 Words • PDF • 3.4 MB
Uploaded at 2021-09-24 06:02

This document was submitted by our user and they confirm that they have the consent to share it. Assuming that you are writer or own the copyright of this document, report to us by using this DMCA report button.


1

Projekt współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

MATERIAŁY DYDAKTYCZNE DLA STUDENTÓW KIERUNKÓW ZAMAWIANYCH UCZESTNICZĄCYCH W ZAJĘCIACH WYRÓWNAWCZYCH W RAMACH PROJEKTU „STUDIA INŻYNIERSKIE GWARANCJĄ ROZWOJU UTP I SPOŁECZEŃSTWA OPARTEGO NA WIEDZY” nr POKL.04.01.02-00-166/11-00

CHEMIA ORGANICZNA

Opracowanie: Ewa Maćkowska

Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. Jana i Jędrzeja Śniadeckichw Bydgoszczy

Bydgoszcz 2011

2

SPIS TREŚCI CHEMIA ORGANICZNA

1. Węglowodory alifatyczne 1.1. Alkany 1.1.1. Izomeria alkanów 1.1.2. Nazewnictwo alkanów 1.1.3. Właściwości fizyczne alkanów 1.1.4. Zadania 1.2. Alkeny i alkiny 1.2.1. Izomeria alkenów 1.2.2. Nazewnictwo alkenów i alkinów 1.2.3. Własności fizyczne alkenów i alkinów 1.2.4. Otrzymywanie alkenów i alkinów

2. Fluorowcopochodne węglowodorów 2.1. Nazewnictwo fluorowcopochodnych 2.2. Otrzymywanie halogenowodorów 2.3. Reakcje charakterystyczne 2.4. Zadania

3. Węglowodory aromatyczne 3.1. Benzen 3.2. Reakcje benzenu 3.3. Szereg homologiczny arenów (benzenu)

4 4 5 5 6 7 9 10 10 11 12 13 13 13 15 16 19 19 20 20

4. Alkohole

21

4.1. Nazewnictwo alkoholi monohydroksylowych 4.2. Izomeria alkoholi 4.3. Alkohole polihydroksylowe – nazewnictwo 4.4. Otrzymywanie alkoholi 4.5. Reakcje alkoholi

21 22 22 22 23

5. Fenole

23

5.1. Otrzymywanie fenoli 5.2. Reakcje fenoli 5.3. Zadania (alkohole, fenole)

24 24 25

6. Aldehydy i ketony

28

6.1. Budowa i nazewnictwo 6.2. Otrzymywanie aldehydów 6.3. Reakcje charakterystyczne 6.4. Otrzymywanie ketonów 6.5. Reakcje charakterystyczne 6.6. Zadania

28 28 29 30 30 30

3

7. Kwasy karboksylowe

31

7.1. Nazewnictwo 7.2. Otrzymywanie kwasów karboksylowych 7.3. Reakcje kwasów karboksylowych 7.4. Zadania

31 32 32 32

8. Estry kwasów karboksylowych

33

8.1. Otrzymywanie 8.2. Reakcje estrów 8.3. Zadania

34 34 34

9. Literatura

36

4

CHEMIA ORGANICZNA 1. Węglowodory alifatyczne 1.1. Alkany Alkany to grupa węglowodorów nasyconych o ogólnym wzorze

CnH2n+2 Najmniejszą cząsteczką z tej grupy węglowodorów jest metan o sumarycznym wzorze CH4. W cząsteczce metanu istnieją cztery równo cenne wiązania węgielwodór, a jej kształt to czworościan foremny (tetraedr):

Budowa przestrzenna cząsteczki metanu

Model orbitali węgla w cząsteczce metanu

Model cząsteczki metanu

Kolejnym węglowodorem w szeregu homologicznym alkanów jest etan. Atomy węgla w cząsteczce etanu połączone są wiązaniem .

Budowa przestrzenna cząsteczki etanu

Model orbitali węgla w cząsteczce etanu

Ważną cechą wiązania węgiel-węgiel jest to, że związane nim atomy mogą obracać się swobodnie wokół tego wiązania. Takie ułożenia chwilowe nazywa się konformacjami. Cząstki różniące się ułożeniem przestrzennym to konformery.

Konformacje skrajne etanu a) naprzeciwległa Konformacja jest układem nietrwałym.

b) naprzemianległa

5

1.1.1. Izomeria alkanów Węglowodory, które mają ten sam wzór sumaryczny, a różnią się wzorem strukturalnym nazywa się izomerami. Liczba izomerów wzrasta wraz ze zwiększeniem ilości węgli w łańcuchu węglowodoru. Wzór alkanu

Liczba izomerów

C4H10

2

C5H12

3

C6H14

5

C7H16

9

C8H18

18

Izomeria, w której izomery różnią się od siebie sposobem połączenia atomów w cząsteczce nazywa się izomerią konstytucyjną. Ponieważ, jak widać w tabeli powyżej, węglowodory mają dużo izomerów, aby wiedzieć z jakim izomerem mamy do czynienia, należy zapisać go w postaci: wzoru strukturalnego H

H

HCCH H

skróconego

uproszczonego

(półstrukturalnego) CH3  CH2  CH3

CC

H

1.1.2. Nazewnictwo alkanów Węglowodór nasycony o prostym, nierozgałęzionym łańcuchu nosi nazwę „normalnego” np.: n-butan, n-pentan. Gdy z węglowodoru zostanie usunięty jeden wodór, wtedy powstaje grupa alkilowa (podstawnik) np.: CH4 CH3 C3H8 C3H7 metan, grupa metylowa, propan, grupa propylowa Aby nazwać rozgałęziony węglowodór nasycony należy wybrać najdłuższy łańcuch i nazwać go odpowiednio do ilości węgli łańcucha. Jeżeli w cząsteczce można wyznaczyć dwa łańcuchy o takiej samej ilości węgli, należy wybrać ten, który ma więcej rozgałęzień. Następnie należy ponumerować węgle łańcucha tak, aby podstawniki miały jak najniższe numery. Kolejnym krokiem jest określenie nazw podstawników (grup) przyłączonych do łańcucha głównego. Nazwę podaje się wymieniając numer węgla przy którym występuje podstawnik, a podstawniki wymieniamy w kolejności alfabetycznej. Jeżeli we wzorze taki sam podstawnik występuje kilka razy, to stosuje się przed nazwą tego podstawnika liczebnik: di-, tri-, tetra-, …, heksa- itp.

6

3-etylo-2,2-dimetylopentan

3,4,4,5-tetrametylooktan

Jak widać powyżej, atom węgla w cząsteczce węglowodoru może łączyć się z różną liczbą atomów węgla (od 1 do 4). Liczba atomów węgla związanych z określonym węglem określa jego rzędowość: H CH3CH

H

H

CH3CCH3

CH3CCH3

H

H

I-rzędowy

CH3 CH3CCH3

CH3

II-rzędowy

CH3

III-rzędowy

IV-rzędowy

1.1.3. Właściwości fizyczne alkanów Kolejne węglowodory szeregu homologicznego alkanów różnią się od siebie o grupę CH2. Alkany są mało aktywne chemicznie, ponieważ wszystkie wiązania są niespolaryzowane lub słabo spolaryzowane. W nadmiarze tlenu węglowodory nasycone spalają się do tlenku węgla(IV) i wody: C2H6 + 3 O2  2 CO2 + 3 H2O W przypadku niedostatecznej ilości tlenu następuje niepełne spalanie i powstaje tlenek węgla(II) i woda lub węgiel i woda: C2H6 + 2 O2  2 CO + 3 H2O

lub

C2H6 + 1 O2  2 C + 3 H2O

Węglowodory ulegają reakcji chlorowania chlorem w obecności światła: CH4 + Cl2 →

CH3Cl + HCl ogólnie RH + Cl2 →

RCl + HCl

W wyniku reakcji powstaje chlorowodór. Powyższa reakcja jest reakcją podstawiania (substytucji). Reakcja substytucji (podstawiania) to reakcja, w której atom cząsteczki zostaje zastąpiony innym atomem (w reakcji wodór został podstawiony chlorem). Powyższa reakcja rzadko zachodzi z utworzeniem tylko jednego produktu. Najczęściej powstaje mieszanina różnych chlorometanów CH3Cl + Cl2 →

CH2Cl2 + HCl - dichlorometan

CH2Cl2 + Cl2 →

CHCl3 + HCl

CHCl3 + Cl2 →

- trichlorometan

CCl4 + HCl - tetrachlorometan

7

Powyższy przykład ciągu reakcji nosi nazwę reakcji następczych, to jest reakcji, w których produkty pierwszej są substratami drugiej, a produkty drugiej są substratami trzeciej itd. Warunkiem jest to, że jeden z substratów w każdej reakcji jest taki sam. Pozostałe chlorowce również reagują z alkanami. Reaktywność ich wskazuje poniższa zależność: F2  Cl2  Br2  I2. W węglowodorach o większej liczbie węgli atom chlorowca może przyłączyć się do dowolnego węgla, powstaje więc wiele izomerów, np.: 3

CH3-CH2-CH3 +Cl-Cl →

1

CH3-CH2-CH2-Cl + HCl 1-chloropropan 3

CH3-CH2-CH3 +Cl-Cl →

2

2

1

CH3-CH-CH3 + HCl Cl 2-chloropropan

Ten typ izomerii nazywa się izomerią podstawnikową, ponieważ izomery różnią się położeniem podstawnika w łańcuchu. Izomeria podstawnikowa jest przykładem izomerii konstytucyjnej. 1.1.4.

Zadania

1. Oblicz masę dichlorometanu otrzymanego w wyniku reakcji chlorowania 30 g metanu. Reakcja przebiega z 80% wydajnością. 2. Wyznacz sumaryczny wzór związku zawierającego wagowo 48,65% węgla, 8,11% wodoru i tlen. Wzór empiryczny tego związku jest także jego wzorem rzeczywistym. 3. Wyznacz wzór sumaryczny alkanu, którego masa molowa wynosi 114 g∙mol-1. 4. Napisz reakcję spalania propanu i pentanu przy nadmiarze i niedomiarze tlenu. 5. Podaj nazwę związków i określ rzędowość wszystkich atomów węgla: CH3CH2 CH3CH2CH CHCH3 CH2 CH3 CH3

CH3

CH2

CH3

CH3-CH2-CH-CH-CH-CH2-C-CH3 H3 C

CH2

CH2 CH3 CH3-CH2-CH-CH –C-CH3

CH3

CH3 6. Napisz wzory strukturalne następujących związków: 

3-etylo-4-propylooktan,

CH C(CH3)3

CH3

8

          

2,2-dimetylobutan, 2,3-dimetylobutan, 2,3,3-trimetyloheksan, 4,5-dietylo-2,3,4-trimetyloheptan, 1,1-dibromo-3-metylopentan, 2-bromo-1,1,1-trichloropropan 4-etylo-2,2-dimetylooktan, 2,3,5-trimetylo-4-propyloheptan 2,3-dimetylo-4-propyloheptan 4-(1,1-dimetyloetylo)heptan 5-(1,2-dimetylopropytlo)-2-metylononan

7. Narysuj wzory półstrukturalne wszystkich izomerów i podaj ich nazwy dla:  heptanu,  heksanu,  dichloropentanu,  etylo,metylo-pentanu. 8. Podaj nazwy wymienionych grup alkilowych i podaj ilu rzędowe są te grupy:

9. Wskaż pierwszo-, drugo-, trzecio- i czwartorzędowe atomy węgla we wzorach:

10. Narysuj wzory strukturalne oraz podaj nazwy systematyczne grup alkilowych, których nazwy zwyczajowe podano poniżej: a) Isopropyl- b) isobutyl- c) tert-butyl- d) neo-pentyl11. Podaj przykłady alkanów, które spełniają następujące kryteria:  alkan, który ma jeden czwartorzędowy i jeden drugorzędowy atom węgla,  alkan, który ma tylko pierwszorzędowe atomy węgla,  alkan, który ma dwa trzeciorzędowe, a nie ma wcale drugorzędowych atomów węgla. 12. Napisz, ile izomerów może powstać w wyniku poniższej reakcji (substraty zmieszano w stosunku 1:1):

9

metylopropan + Cl2 →

……………….

13. Narysuj wzory wszystkich izomerów związku o sumarycznym wzorze C4H8Cl2 i podaj ich nazwy oraz rzędowość atomów węgla.

1.2.

Alkeny i alkiny

Alkeny to grupa węglowodorów nienasyconych o ogólnym wzorze :

CnH2n które zawierają podwójne wiązanie węgiel-węgiel. Nazwą węglowodory nienasycone określamy węglowodory, które mają w łańcuchu jedno lub więcej wiązań wielokrotnych. Najprostszym alkenem jest eten (etylen), węglowodór zawierający dwa atomy węgla. 1200 1200 1200

struktura elektronowa cząsteczki etenu

model cząsteczki etenu

W cząsteczce etenu atomy węgla połączone są wiązaniem podwójnym, które tworzą dwie pary elektronowe, które nie są równocenne. Jedna para tworzy wiązanie  (jak w alkanach), a druga para wiązanie , które jest znacznie słabsze i łatwiej ulega rozerwaniu. Ta budowa wiązania powoduje, że alkeny dużo łatwiej niż alkany ulegają reakcjom chemicznym. Kształty przestrzenne orbitali odpowiadające tym wiązaniom także są różne. Przedstawia je rysunek poniżej:

Alkiny to węglowodory nienasycone, zawierające wiązanie potrójne węgiel-węgiel, o ogólnym wzorze:

CnH2n-2 Najprostszym przedstawicielem tego szeregu homologicznego jest etyn (acetylen):

struktura elektronowa cząsteczki etynu

model cząsteczki etynu

10

Wiązanie potrójne złożone jest z jednego wiązania  i dwóch wiązań . Cząsteczka etynu ma budowę liniowa.

1.2.1. Izomeria alkenów W dłuższych łańcuchach n-alkenów i n-alkinów wiązanie wielokrotne może występować w różnych miejscach łańcucha. Na przykład istnieją dwa izomery npentenu: CH2=CH-CH2-CH2-CH3

CH3-CH=CH-CH2-CH3

Z uwagi na wiązanie  w cząsteczce alkenu i alkinu nie ma możliwości obrotu wokół wiązania podwójnego czy potrójnego, tak jak to było w cząsteczce etanu. W alkenach pojawia się więc nowy typ izomerii: cis i trans. Jest to tzw. stereoizomeria. Cząsteczki stereoizomerów różnią się od siebie wyłącznie przestrzennym rozmieszczeniem atomów. Wzory izomerów cis i trans przedstawiono poniżej:

Izomery 1,2-dichloroetenu Warunkiem istnienia izomerii cis-trans jest występowanie dwóch różnych podstawników przy każdym z węgli wiązania podwójnego. H3 C

H

H

CC H3 C

H CC

CH3

lewy węgiel - dwa takie same podstawniki – brak izomerii cis-trans

Cl

Cl

różne podstawniki - istnieje izomeria cis-trans

Z uwagi na linowy charakter wiązania –CC– w alkinach nie występuje izomeria cis-trans. 1.2.2. Nazewnictwo alkenów i alkinów Jeżeli w cząsteczce węglowodoru występuje wiązanie podwójne, do nazwy dodaje się końcówkę –en, a jeżeli wiązanie potrójne – końcówkę –yn (lub –in), np.: CH2=CH - CH3 CH  C - CH3 propen propyn Następnie wybiera się najdłuższy łańcuch, który zawiera wiązanie wielokrotne i atomie węgla. Kolejnym krokiem jest nazwanie podstawników, po czym należy napisać nazwę alkenu lub alkinu.

11

Jeżeli w cząsteczce alkenu występuje więcej niż jedno wiązanie podwójne, nazwę tworzy się dodając końcówkę: dwa wiązania -dien; trzy –trien. CH2=C – CH2 – CH = CH2 Br

2-bromopenta-1,4-dien

1.2.3. Własności fizyczne alkenów i alkinów Alkeny i alkiny można otrzymać w reakcji eliminacji, np. chlorowcopochodnych lub alkoholi alifatycznych: R-CH2-CH2-OH →

R-CH2=CH2

R-CH2-CH2-Cl →

R-CH2=CH2

R-CH2-CH2-Cl →

R-CCH

R-CHCl-CH2-Cl → R-CH2=CH2 + ZnCl2 R-CCl2-CHCl2 →

R-CHCH + 2 ZnCl2

Alkeny, podobnie jak alkany ulegają reakcji spalania. Drugą, ważną reakcją jest reakcja addycji, czyli przyłączania. W trakcie reakcji przyłączania pęka wiązanie . Łatwo przyłącza się cząsteczka chloru, trudniej wodoru (w obecności katalizatora). CH2=CH-CH3 + Cl2  CH2Cl-CHCl-CH3 CH2=CH-CH3 + H2 →

CH3-CH2-CH3

CHC-CH3 + 2H2 →

CH3-CH2-CH3

Alkeny reagują z  

wodą, dając alkohole: CH2=CH2 + H2O → CH3 -CH2-OH chlorowodorami: CH2=CH2 + HCl  CH2Cl-CH3 CH  CH + 2HCl  CHCl2-CH3

Jeżeli chlorowcowodór przyłącza się do wiązania wielokrotnego, w którym przy węglach jest różna liczba wodorów, to zgodnie z regułą Markownikowa wodór zawsze przyłącza się do węgla, który był związany z większą ilością wodorów. Taki przykład ilustruje poniższa reakcja: R-CH=CH2 + H-Cl  R-CHCl-CH3 Acetylen, przyłączając cząsteczkę wody tworzy aldehyd octowy. Reakcja przebiega w obecności siarczanu rtęci(II) i kwasu siarkowego(VI): H H-C  C-H + H2O →

H

C H

O C H

12

W temperaturze 200-3000C i pod ciśnieniem 100-350 MPa cząsteczki etylenu reagują ze sobą, tworząc długie łańcuchy z wiązaniem pojedynczym. Reakcja taka nosi nazwę reakcji polimeryzacji, a powstający produkt to polimer. Poniżej przedstawiono reakcję polimeryzacji etylenu: H

H

n C=C H



H

etylen

H

H

C

C

H

H

n

polietylen

Innym, bardzo popularnym polimerem jest polichlorek winylu, powstający w wyniku reakcji chloroetanu: H H H H n C= C



C

H Cl

C

H Cl

Chloroetan

n

polichlorek winylu

Otrzymywanie alkenów i alkinów

1.2.4.

W sposób uproszczony sposoby otrzymywania alkenów w reakcjach eliminacji można zapisać według schematu: C

C

H

OH

C

C

H

Br

C

C

Br

Br





C=C



Acetylen otrzymuje się w reakcji węgliku wapnia z wodą: 3 C + CaO →

CaC2 + CO

CaC2 + 2 H2O  HC  CH + Ca(OH)2 Jedną z metod otrzymywania innych alkinów jest reakcja podwójnej eliminacji bromowodoru z dibromoalkanów, na przykład: Br H H-C – C - CH2- CH3 + 2 KOH  H-CC-CH2-CH3 + 2 KBr + 2 H2O Br H

13

2. Fluorowcopochodne węglowodorów Związki, w których grupą funkcyjną jest fluorowiec (fluor, chlor, brom lub jod) nazywane są halogenkami.

2.1. Nazewnictwo fluorowcopochodnych Nazwy fluorowcopochodnych tworzy się przez dodanie do nazwy węglowodoru przedrostka określającego rodzaj fluorowca i numer węgla, przy którym on występuje. Przykłady podano poniżej. Jeżeli w cząsteczce związku występuje więcej niż jeden atom tego samego fluorowca to liczbę tych atomów określamy przedrostkami di-, tri- tetra- itd.

2.2. Otrzymywanie halogenowodorów Chlorki i bromki alkilów otrzymuje się w reakcji podstawienia wodoru w alkanie chlorem lub bromem, reakcja jest inicjowana światłem:

14

Chlorowcopochodne alkanów tworzą związki metaloorganiczne z reaktywnymi metalami, np. magnezem, litem. Związki te znalazły szerokie zastosowanie w syntezie organicznej, między innymi do otrzymywania węglowodorów.

Związki metaloorganiczne są czułe na obecność wilgoci i reagują z wodą tworząc węglowodory:

Inne reakcje z metalami:

Inną metodą otrzymywania halogenków fluorowcowodorów do wiązań wielokrotnych:

jest

reakcja

Jodki otrzymuje się w reakcji alkoholi z HI: R-OH + HI R-I + H2O

addycji

fluorowców

lub

15

2.3. Reakcje charakterystyczne Halogenki mogą ulegać reakcjom podstawienia fluorowca lub eliminacji halogenowodoru

W wyniku reakcji eliminacji HX z cząsteczki węglowodoru otrzymuje się alkeny. Podstawiając fluorowiec grupą –OH- otrzymujemy alkohole, a grupą -NH2 - aminy:

Poniżej przedstawiono konkurencyjne reakcje podstawiania i eliminacji. W zależności od warunków reakcji możemy otrzymać dwa różne produkty:

Duże znaczenie spośród halogenoalkenów ma chlorek winylu.

16 Z chlorku winylu otrzymuje się polichlorek winylu, popularne tworzywo polimerowe PCW lub PVC

2.4. Zadania 1. Wybierz cząsteczki, które tworzą izomery cis i trans:  CH3- C=CH-CH3  CHBr=CHCl 

CH3 CHCl=CHCH2CH3

 CH2= C-H Cl

2. Wybierz cząsteczki, które tworzą izomery cis i trans:  3-metylo-1-penten  2-metylo-3-heksen  2,3-dibromobut-2-en  2,3-dichlorobutan  1-chloro-1,2-dibromoeten  1-chloro-3-etylo-4-metylohept-3-en  3-propylopenta-1,3-dien  1,1-dichloroprop-1-en 3. Narysuj wzory strukturalne i podaj nazwy węglowodorów nienasyconych o wzorach: C5H10 C5H8 Które z izomerów wykazują izomerię cis-trans? 4. Napisz wzory strukturalne izomerów cis i trans heks-3-enu.

5. Narysuj wzór strukturalny 6-metylohept-3-enu. 6. Podaj nazwy związków: e) CH2=CH-CH2CH2CCH f) CH3-CH=CH-CH2CC-CH3 g) CH3-CH =CH-CH2 – CH-CH2CH2CH3 CH=CH2

h)

CH2-CH3 CH2= C-CH-CH2CH3 CH3

17

7. Dla związku o wzorze:

8. Napisz równania reakcji spalania alkenów:  heksenu do tlenku węgla(II)  heptenu do tlenku węgla(IV)  butenu do tlenku węgla (IV) 9. Narysuj wzory strukturalne:  4-etylo-2,2-dimetylohept-3-en  2-metylobut-2-en  3,3-dietylopent-1-en  but-2-yn  3-metylobut-1-yn  2-chlorobuta-1,3-dien  2-metylobuta-1,3-dien 10. Narysuj wzory strukturalne związków o podanych niżej nazwach:  5-bromo-2,4-dimetyloheptan  1-bromo-4-chloro-3-metylopentan  4-bromo-2,2-dimetylopentan  4-chlorobut-1-en  5-chloro-3-metyloheks-2-en 11. Znając wzór ogólny alkenów zawierających jedno wiązanie podwójne, zaproponuj wzory ogólne dla: dienów i trienów. 12. Napisz dowolną reakcję: substytucji, addycji i eliminacji. 13. Dokończ reakcje: 

CH3-CH3 + Cl2 →

 

CH2=CH2 + H2 → ……. R-CH=CH2 + Cl2  …….

……

18

   

CH3-CH2OH → …….. R-CH=CH-R + HCl  ……. CH2=CH2 + H2O  …… CH2=CH-CH2-CH3 + Cl2  …….

14. Podaj schemat reakcji i nazwy związków powstających w wyniku ogrzewania poniższych związków z alkoholowym roztworem wodorotlenku potasu:  1,1-dichlorobutan  1,2-dibromo-4-metylopentan  4,4-dichloro-2,6-dimetyloheptan 15. W miejsce liter A, B, C wpisz wzory półstrukturalne odpowiednich związków: 1. A → 2-chloropropan → 2. A → B →

CH3-CH2Cl →

3. CH2=CH2 →

A → B

4. But-1-en →

A → A →

B → C →

C

B

B →

5. 1,5-dibromopentan → 6. A →

B →

C → B →

D →

B → butan C →

D

but-2-en

15. Wpisz wzory substratów w podanych równaniach reakcji: CH3 1. A + B  H3C- CH2- C-CH3 CH3 CH3 2. A + B  H3C- C

CH-CH3

Br Br 3. A + B  CH3-CH-CH3 Cl 16. W miejsce liter A, B, C i D zaproponuj odpowiednie reagenty: C3H8 →

C3H7Cl →

C3H6 →

C3H6Br2 →

C3H5Br

17. Napisz wzory strukturalne alkinów i podaj nazwy systematyczne wszystkich izomerów o podanych wzorach sumarycznych: a) C6H10 b) C4H5Br c) C3H2Cl2 18. Uzupełnij poniższe reakcje: a) propyn + chlor  ……………….

19

b) but-2-yn + chlorowodór  …………. c) 1,2-dichloroetan + KOH →

…………..

3. Węglowodory aromatyczne Węglowodory aromatyczne (areny) to węglowodory zawierające w swojej budowie pierścień benzenowy lub inny podobny pierścień. 3.1. Benzen Benzen jest związkiem cyklicznym o wzorze sumarycznym C6H6. Na jeden atom węgla w cząsteczce benzenu przypada jeden atom wodoru, muszą więc w cząsteczce występować wiązania wielokrotne. Jednak benzen nie zachowuje się jak związek nienasycony, jest wyjątkowo trwały. Cząsteczkę benzenu można opisać wzorem: W benzenie nie ma występujących naprzemiennie wiązań pojedynczych i podwójnych. Występująca w cząsteczce benzenu zdelokalizowana chmura elektronów  charakteryzuje się dużą trwałością. Narysowane kółko w pierścieniu oznacza rozmyte na całą cząsteczkę wiązanie zdelokalizowane tworzone przez sekstet elektronowy.

W toku badań odkryto, że wszystkie wiązania pomiędzy atomami węgla mają w cząsteczce benzenu identyczne długości - 139 pm, co jest wartością pośrednią między długością wiązania pojedynczego C-C (154 pm) i podwójnego C=C (134 pm). Wszystkie kąty między wiązaniami C-C-C mają wartość równą 120°. Każdy z atomów węgla ma hybrydyzację sp2 i na każdym z nich istnieje niezhybrydyzowany orbital p, zorientowany prostopadle do płaszczyzny pierścienia.

Zdelokalizowany sekstet elektronowy w cząsteczce benzenu Węglowodory aromatyczne charakteryzują się stosunkowo dużą trwałością, nie ulegają reakcjom addycji natomiast ulegają przede wszystkim reakcjom substytucji, które zachodzą bez rozerwania pierścienia. Szczególnie łatwo podstawiają atom wodoru przy pierścieniu aromatycznym: grupy alkilowe, grupy nitrowe, grupy sulfonowe, halogeny (fluorowce). Produktami tych reakcji są pochodne benzenu, które

20

mają duże znaczenie praktyczne. W określonych warunkach węglowodory aromatyczne mogą ulegać także addycji. Przy podwyższonym ciśnieniu i w obecności niklu jako katalizatora, benzen może ulec uwodornieniu, a produktem takiej reakcji jest cykloheksan. Podobne zachowanie do benzenu wykazują węglowodory aromatyczne, które posiadają skondensowane pierścienie.

3.2. Reakcje benzenu W powietrzu pary benzenu spalają się świecącym płomieniem tworząc sadzę: 2 C6H6 + 3 O2 →

12 C + 6 H2O

Benzen, w obecności katalizatora np. FrBr3 reaguje z bromem, tworząc bromobenzen: Br

+

FeBr3

+ H Br

Br2

Jest to reakcja podstawienia atomu wodoru fluorowcem. W obecności stężonego kwasu siarkowego łatwo zachodzi reakcja z kwasem azotowym(V). Atom wodoru zostaje podstawiony grupą nitrową –NO2. NO2

+ HNO3

H2SO4

+ H2 O

nitrobenzen

3.3. Szereg homologiczny arenów (benzenu) Wzór ogólny: CnH2n-6 Jeżeli zastąpimy jeden atom wodoru (lub więcej)Najbliższym homologiem benzenu jest toluen, następne to węglowodory aromatyczne odpowiadające wzorowi sumarycznemu C8H10, czyli etylobenzen i ksyleny: Benzen

Metylobenzen CH 3

Toluene

Etylobenzen CH 2 CH 3

21

1,2-dimetylobenzen

1,3-dimetylobenzen

1,4-dimetylobenzen CH 3

CH 3

CH 3 CH 3 CH 3

o-ksylen 1,2-dimetylobenzen

CH 3

m-ksylen 1,3- dimetylobenzen

p-ksylen 1,4- dimetylobenzen

Istnieją trzy izomery dimetylobenzenu, różniące się wzajemnie położeniem grup metylowych w pierścieniu benzenowym. Izomer orto jest wtedy, kiedy podstawniki są przy węglach 1 i 2, izomer meta - pozycje 1 i 3 i izomer para – pozycja 1 i 4. X orto 6 meta 5

2

orto

3

meta

4

para

Z benzenem mogą być także połączone łańcuchy nienasycone. Najważniejszy jest winylobenzen, zwany styrenem. Fenyloetylen CH

CH 2

styren

4. Alkohole Alkohole to pochodne węglowodorów, zawierające w cząsteczce jedną lub więcej grup hydroksylowych –OH.

4.1. Nazewnictwo alkoholi monohydroksylowych W zależności od położenia grupy hydroksylowej w łańcuchu węglowodorowym, alkohole dzielimy je na I-, II- i III- rzędowe: R1 R-CH2-OH I-rzędowy

R-CH-R1

R-CH-R2

OH

OH

II-rzędowy

III-rzędowy

22

Nazwy systematyczne alkoholi tworzy się poprzez dodanie do nazwy najdłuższego węglowodoru przyrostka –ol. Atomy węgla w łańcuchu głównym numeruje się tak, aby atom węgla połączony z grupą –OH miał jak najniższy numer. Numer ten podaje się w nazwie alkoholu bezpośrednio przed końcówką –ol. CH3 CH3- CH-CH3

propan-2-ol

CH3- C-CH3

OH

2-metylopropan-2-ol

OH

4.2. Izomeria alkoholi Alkohole występują, podobnie jak węglowodory, w postaci różnych izomerów. Szereg homologiczny alkoholi nasyconych rozpoczyna metanol – CH3OH, każdy następny homolog ma zwiększony łańcuch o grupę –CH2- . Pierwsze izomery tworzy propanol (propan-1-ol i propan-2-ol).

4.3. Alkohole polihydroksylowe - nazewnictwo Są to alkohole zawierające więcej niż jedną grupę hydroksylową. W cząsteczkach alkoholi polihydroksylowych grupy hydroksylowe muszą być związane z różnymi atomami węgla. Nazwy alkoholi polihydroksylowych tworzy się tak jak monohydroksylowych, dodając przed końcówką –ol liczebnik określający ilość grup hydroksylowych: dwie grupy –di-, trzy grupy –tri-; cztery grupy –tetra-. Położenie grup hydroksylowych określa się, umieszczając przed nazwą numery węgli, przy których się one znajdują, oddzielając je przecinkami. HO-CH2-CH2-OH etano-1,2-diol

4.4. Otrzymywanie alkoholi a) addycja wody do alkenu: R-CH=CH2 + H2O →

R-CH-CH3 (zgodnie z regułą Markownikowa)

OH

gdzie R to podstawnik alifatyczny lub aromatyczny. b) substytucja chlorowcopochodnych: R-CH2-CH2 + KOH →

R-CH2-CH2 + KX

X OH gdzie R to podstawnik alifatyczny lub aromatyczny, a X to chlorowiec (CI, Br, I). c) metody specyficzne: - dla metanolu: CO + 2 H2 → - dla etanolu: C6HI206 →

CH3OH 2 C2H5OH + 2 CO2

23

4.5. Reakcje alkoholi a) tworzenie alkoholanów w reakcji z sodem lub potasem: 2 R-OH + 2 Na  2 R-ONa + H2

5. Fenole W fenolach grupa hydroksylowa związana jest z atomem węgla z pierścienia aromatycznego i można określić je ogólnym wzorem Ar-OH. OH 1

OH

OH

CH 3

2

CH 3

3 4

CH 2 CH 3

benzofenol

2-metylofenol

4-etylo-2-metylofenol

Jeżeli grupa hydroksylowa znajduje się przy węglu grupy alkilowej wtedy mamy alkohol nie fenol OH CH 2 OH

CH 3

fenol

CH 3

alkohol

24

5.1. Otrzymywanie fenoli

5.2.Reakcje fenoli

25

5.3. Zadania 1. Napisz wzory półstrukturalne trzech najprostszych homologów metanolu. 2. Podaj nazwy poniższych alkoholi i określ ich rzędowość:

26

3. Podaj nazwy systematyczne alkoholi i określ ich rzędowość:

4. Zapisz wzory strukturalne i podaj nazwy wszystkich alkoholi o sumarycznym wzorze C4H9OH. 5. Podaj nazwy systematyczne i narysuj wzory strukturalne poniższych alkoholi: a) alkohol propylowy b) alkohol izopropylowy c) alkohol izobutylowi d) alkohol tert-butylowy e) alkohol benzylowy f) alkohol allilowy 6. Napisz wzory półstrukturalne alkoholi: a) 3-etylopentan-3-ol b) but-3-yn-2-ol c) 2,2-dimetylobutan-1-ol d) 2-etylobut-2-en-1-ol e) 2-metylopropan-1-ol f) 2-fenyloetanol. g) 2,2,4,4-tetrametylo-pentan-1-ol

5. Napisz równanie reakcji spalania etanolu i pentanolu do : a) tlenku węgla(II) i pary wodnej b) tlenku węgla(IV) i pary wodnej.

6. Podaj wzory półstrukturalne i nazwy systematyczne wszystkich izomerów alkoholu o wzorze C5H12O.

27

7. Dokończ następujące równania reakcji, zaproponuj katalizatory:

8. Uzupełnij schematy, wpisując w miejsce liter A, B, C i D wzory odpowiednich związków organicznych

9. Uzupełnij stechiometrycznie schematy reakcji podanych poniżej, podaj katalizatory:

10. Zapisz równania reakcji zgodnie z poniższymi schematami:

11.Narysuj wzory strukturalne związków: a) m-nitrofenolu b) 2,4,6-tribromofenolu c) p-aminofenol

28

6. Aldehydy i ketony Aldehydy i ketony to cząsteczki zawierające w swojej budowie grupę karbonylową: C=O W aldehydach atom węgla grupy karbonylowej łączy się z jednym atomem węgla i jednym atomem wodoru, natomiast w ketonach grupa karbonylowa połączona jest z dwoma atomami węgla: R

R C=O

C=O

H

R1 aldehyd

keton

6.1. Budowa i nazewnictwo Nazwy systematyczne prostych aldehydów alifatycznych tworzy się przez dodanie do nazwy węglowodoru o tej samej liczbie atomów węgla przyrostka –al.: CH3–CH3 etan

H-CH3 metan O H-C

O H3C-C

H metanal

H etanal

CH3-CH2-CH3 propan O CH3-CH2-C H propanal

Nazwy ketonów tworzy się przez dodanie do nazwy węglowodoru końcówki –on i ewentualne podanie numeru węgla przy którym jest grupa karbonylowa: CH3-CH2-CH3 propan CH3- C -CH3

CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 pentan CH3- C -CH2-CH2-CH3

O

O

propanon

pentan-2-on

CH3-CH2- C -CH2-CH3 O pentan-3-on

Aldehydy i ketony o łańcuchach prostych zawierające taką sama liczbę atomów węgla są swoimi izomerami, które różnią się położeniem grupy karbonylowej w łańcuchu.

6.2. Otrzymywanie aldehydów

29

6.3.

Reakcje charakterystyczne

Aldehyd mrówkowy (metanal) wykazuje w tych reakcjach silne własności redukujące. Reakcja pierwsza, z miedzią(II) nosi nazwę próby Trommera. Niebieska zawiesina wodorotlenku miedzi przechodzi w ceglasty osad tlenku miedzi(I), a aldehyd mrówkowy utlenia się do kwasu mrówkowego :

Reakcja druga nosi nazwę próby Tollensa. W wyniku tej reakcji powstaje lustro srebrowe. Do roztworu azotanu(V) srebra dodaje się wodorotlenku sodu: 2 Ag+ + 2 OH-  Ag2O + H2O Aldehyd redukuje tlenek srebra do metalicznego srebra, które osadza się w postaci lustra na ściankach probówki:

R1-C=O H

+ H2 →

R1-CH2-OH

30

6.4. Otrzymywanie ketonów

6.5.Reakcje charakterystyczne

6.6. Zadania 1.

Podaj nazwy systematyczne i zwyczajowe następujących związków: a) HCHO b) CH3CHO c) CH3CH2CHO d) (CH3)2CHCHO e) CH3CH=CHCHO f) CH3CH2COCH2CH3 g) CH3CH2 CH2COCH3 h) (CH3)2CHCOCH2CH3 i) CH2=CHCOCH3 j) C6H5COCH3

Podaj wzory półstrukturalne wszystkich możliwych aldehydów o poniższych wzorach: a) C3H6O b) C4H8O c) C5H10) 3. Uzupełnij równania reakcji:

2.

a) ………… + CuO → b) ………… + H2 →

Cu + CH3-CH2-CHO CH3 CH(OH) -CH2 -CH3

c) CH3 -CHO + Cu(OH)2 →

…….. + ………..+ ………

d) CH3 –CH(OH)-CH3 + CuO → …….. + ………..+ ……… 4. Narysuj wzory strukturalne poniższych związków: a) 4-hydroksybutanal b) 4-chlorobut-2-en-al

31

c) d) e) f)

hepta-3,5-dien-2-on 3,3-dimetylopentanal Heks-4-enal propenal

5. Podaj wzory i nazwy alkoholi, z których można w wyniku utlenienia uzyskać poniższe aldehydy i ketony: a) 2-metylobutanal b) 2,4-dimetylopentanal c) keton izopropylowo-propylowy

6. Podaj nazwy systematyczne następujących związków: a) CH3-C-CH3

b) CH3-C-CH-CH3

O

O CH3

c) CH3-C- CH-CH=CH2

7. a) b)

8.

9. 10.

d) CH3-C-CH2-CH-CH3

O CH3 O Br Zaproponuj po dwa wzory strukturalne związku o składzie C5H10O, jeżeli: zawiera on grupę aldehydową, a najdłuższy łańcuch węglowy składa się z 5 lub 3 atomów węgla, zawiera on grupę karbonylową, a najdłuższy łańcuch węglowy składa się z 5 lub 4 atomów węgla. Napisz równanie reakcji przedstawione poniższymi schematami: a) C4H9OH  C3H7CHO  CH3CH(CH3)COOH b) C3H7Cl  C3H7OH CH3COCH3 c) C2H6  C2H5Br  C2H5OH  C2H4O Aby otrzymać keton należy utlenić alkohol: a) I-rzędowy b) II-rzędowy c) III-rzędowy d) odpowiedzi a i b są dobre Zaproponuj sposoby przekształcenia aldehydu benzoesowego w następujące związki: a) C6H5CH2OH b) C6H5COOH c) C6H5COCH3

7. Kwasy karboksylowe Kwasy alkanowe zawierają w swojej budowie grupę karboksylową: O C

wzór ogólny

R-COOH

OH

7.1. Nazewnictwo Kwasy karboksylowe nazywa się w dwojaki sposób. Pierwszym członem nazwy jest słowo kwas i nazwa węglowodoru o tej samej liczbie węgli co kwas z przyrostkiem – owy, ale kwasy karboksylowe posiadają także nazwy zwyczajowe:

HCOOH kwas metanowy mrówkowy

CH3COOH kwas etanowy octowy

CH3CH2COOH kwas propanowy propionowy

CH3CH2CH2COOH kwas butanowy masłowy

32

7.2. Otrzymywanie kwasów karboksylowych

7.3. Reakcje kwasów karboksylowych

7.4.Zadania 1. Zapisz wzory półstrukturalne wszystkich możliwych kwasów alkanowych o wzorach sumarycznych: a) C3H6O2, b) C4H8O2, c) C5H10O2. 2. Podaj nazwy systematyczne następujących związków: a) CH3-CH2-CH2-CH2-COOH, b) CH3-CH=CH-CH(CH3)-COOH, c) CH3-CH(CH3)-CH(CH3)-COOH, d) CH3-CH(CH3)-COOH, e) CH2=C(CH3)COOH, f) C6H5COOH.

3. Zapisz wzory strukturalne kwasów: a) propanowego,

33

b) c) d) e)

3-metylobutanowego, 3,4-dimetylopentanowego, 2-chloroheksanowego, propenowego.

4. Za pomocą wzorów półstrukturalnych zapisz równania reakcji otrzymywania: a) kwasu propanowego z propanolu, b) kwasu butanowego z butanolu.

5. Uzupełnij równania reakcji: a) b) c) d)

C5H11COOH + …………  C5H11COOK + H2O CH3COOH + Zn  ……….. + ……………. HCOOH + C5H11COONa  ……………. + …………. C8H15COOH + Br2  ……………….

6. Za pomocą wzorów półstrukturalnych dokończ równania reakcji: a) CH3-CH3 →

A →

b) CH3-CH2-CH2OH →

B→

C →

A →

D → B →

E C

7. Oblicz ile gramów 40% KMnO4 potrzeba do utlenienia 86 g toluenu, jeżeli reakcja przebiega zgodnie z równaniem:

8. Zaproponuj schematy reakcji, w których można przekształcić kwas 2-metylobutanowy w: a) 2-metylobutanian etylu, b) 2-bromo-2-metylobutanian etylu.

8. Estry kwasów karboksylowych Estry są produktami reakcji alkoholi lub fenoli z kwasami karboksylowymi. Można powiedzieć, że estry powstają przez zamianę grupy –OH w grupie karboksylowej na grupę –OR1, gdzie R1 może być grupą alkilową lub arylową: O R-C

O R-C

O-H Kwas karboksylowy

O -C O-

O-R1 ester kwasu karboksylowego

grupa estrowa

Nazwy estrów tworzy się podobnie jak soli, pierwszym członem jest nazwa kwasu z końcówką –an, a drugim nazwa alkoholu, z którego powstał ester, z końcówką –ylu, np.: CH3COOH + C2H5OH  CH3COOC2H5 kwas etanowy alkohol etylowy etanian etylu kwas octowy etanol octan etylu

34

8.1.

Otrzymywanie

8.2. Reakcje estrów

8.3.

Zadania 1. Zapisz wzory półstrukturalne wszystkich możliwych izomerycznych kwasów i estrów o wzorach sumarycznych: a) C3H6O2 b) C4H8O2

2. Podaj nazwy estrów przedstawionych za pomocą poniższych wzorów: O H-C

O CH3-CH-C

O-CH2-CH3

CH3

O CH3-C

O-CH2-CH3

O-CH3

35

3. Uzupełnij poniższe reakcje, wpisując w miejsce liter odpowiednie wzory związków:

4.

5.

6.

7.

8.

9.

36

9.

Literatura cytowana: 1. Danikiewicz W.; Część III. Chemia organiczna 2. Hejwowska S., Marcinkowski R., Staluszka J.; Chemia organiczna, Chemia 2, 2005 3. Hejwowska S., Pajor G., Staluszka J., Zielińska A.; Chemia organiczna, Chemia 2, Zbiór zadań, 2005
MATERIAŁY DYDAKTYCZNE CHEMIA cz.2

Related documents

36 Pages • 4,633 Words • PDF • 3.4 MB

28 Pages • 6,810 Words • PDF • 863.7 KB

2 Pages • 1,622 Words • PDF • 446.8 KB

35 Pages • 1,301 Words • PDF • 2 MB

2 Pages • 638 Words • PDF • 362.8 KB

2 Pages • 262 Words • PDF • 71.9 KB

5 Pages • 668 Words • PDF • 197.8 KB

14 Pages • 613 Words • PDF • 1.1 MB

8 Pages • 3,188 Words • PDF • 1011.6 KB

7 Pages • 1,482 Words • PDF • 291.5 KB

12 Pages • 2,650 Words • PDF • 54.1 MB