Kémia 1 Szerves kémia Tárgya: a szénvegyületek szerkezetének, tulajdonságainak és átalakulásainak a vizsgálata. A szerves vegyületek összetételükben és kémiai viselkedésükben jelentősen eltérnek a szervetlen vegyületektől, a két vegyületcsoport eltérő módon rendszerezhető. A Földön az egyik legnagyobb szervesanyag-tömeget a növényvilág, azon belül az erdők hozzák létre. A fa szerves anyagát döntően szénhidrátok (cellulóz, hemicellulóz) és az aromás vegyületekből felépülő lignin alkotják, amelyekből kémiai eljárásokkal különböző egyszerűbb szerves vegyületek állíthatók elő. A szén molekulaképző sajátságai Vegyületeiben a szén négy vegyértékű, négy kovalens kötést létesít A szénatomok korlátlan számban egymással is kapcsolódhatnak, lánc vagy gyűrűs szerkezetű molekulaváz kialakulása közben A szerves vegyületekben a C, -en kívül O, N, S, halogén elemek fordulnak elő A szénvegyületek szerkezetének alapelvei A négyligandumos szénatom körül a ligandumok tetraéderesen helyezkednek el. Tetraéderes szerkezetű valamennyi telített szénhidrogén: A háromligandumos szénatom körül a ligandumok síkháromszög csúcsainak az irányában helyezkednek el, a kötésszög kb. 120 o. áromligandumosak például a kettős kötéssel kapcsolódó szénatomok vagy a delokalizált kovalens kötést tartalmazó szénhidrogének: A szerves kémiai reakciók jellege A gyökös reakciókban a kötések szimmetrikusan hasadnak fel, illetve keletkeznek, vagyis páratlan elektront tartalmazó átmeneti termékek, úgynevezett gyökök keletkeznek. Az ionos reakciókban a kötések felszakadása vagy képződése aszimmetrikus, azaz a kötő elektronpár a kötésben részt vevő egyik alkotórészen marad, illetve arról átkerül. A kétligandumos szénatomhoz kapcsolódó atomcsoportok 180 o -os szöget zárnak be egymással. Kétligandumosak például a hármas kötéssel kapcsolódó szénatomok: Szerves kémiai reakciók felosztása Szerves kémiai reakciók felosztása Szubsztitúció (helyettesítési reakció): valamely molekula atomja vagy atomcsoportja más atommal vagy atomcsoporttal cserélődik ki. Addíció (egyesülési reakció): két vagy több molekula egyetlen, új molekulává egyesül. Elimináció (kilépéses reakció): valamely molekulából egy vagy több atom, illetve atomcsoport kihasad. Izomerizáció (átrendeződés): a molekulaszerkezet azaz az atomok, illetve atomcsoportok molekulán belüli kapcsolódása változik meg. 1
A szerves vegyületek fő csoportjai a kapcsolódó funkciós csoportok szerint Funkciós csoport Vegyülettípus alogén atomok (-F; -; -Br; -I) alogén-származékok idroxilcsoport (-O) Alkoholok Fenolok Karbonilcsoport ( -CO ) Oxovegyületek (aldehidek, ketonok) Aminocsoport (-N 2 ) Aminok Nitrozocsoport (-NO) Nitrozovegyületek Nitrocsoport (-NO 2 ) Nitrovegyületek Karboxilcsoport (-COO ) Karbonsavak Szulfocsoport ( -SO 3 ) Szulfonsavak Szénhidrogének csak szénből és hidrogénből álló vegyületek Csoportosítás a) A szénatomok kapcsolódási sorrendje szerint: - nyílt láncú - el nem ágazó (normális láncú) - elágazó - zárt láncú (gyűrűs) b) A szénatomok közötti kötések száma szerint: - (a szénatomok között kizárólag egyszeres kötések); - Telítetlen szénhidrogének (a szénatomok között legalább egy kettős vagy hármas kötés); - (gyűrűs molekulák, delokalizált elektronrendszerrel). Alkánok C n 2n+2 Elnevezés: homológ sor első négy tagjának triviális neve van (metán, etán, propán, bután) 5. tagtól a szénatomszámnak megfelelő görög számnév tövéhez án végződés a vegyületek egymástól egy - - (metilén) csoportban különböznek Név Összegképlet metán C 4 etán C 2 6 propán C 3 8 bután C 4 10 pentán C 5 12 hexán C 6 14 heptán C 7 16 oktán C 8 18 nonán C 9 20 dekán C 10 22 Elnevezés: Az elágazó láncú vegyületeknél kiválasztjuk a leghosszabb normál szénláncot és ennek C-atomjait attól a láncvégtől kezdve számozzuk meg, amelyhez az elágazás közelebb van. A kapcsolódó csoport nevének megadásával és a számozás segítségével megjelölt helyének feltüntetésével képezzük a vegyület nevét. C-atomok rendűsége: Elsőrendű (primer) C atom csak egyetlen másik C-atomhoz kapcsolódik, pl. az etán C-atomjai C C Másodrendű (szekunder) C atom két másik C-atomhoz kapcsolódik, pl. a propán középső C-atomja C C armadrendű (tercier) C atom három másik C-atomhoz kapcsolódik, pl. az i-bután középső C-atomja C C C C Negyedrendű (kvaterner) C atom négy másik C-atomhoz kapcsolódik, pl. a neo-pentán középső C-atomja C C C C C 2
Fizikai tulajdonságok: a C kötés gyengén poláris, de a szimmetrikus, tetraéderes szerkezet miatt a molekulák teljesen apolárisak molekularácsban kristályosodnak, a rácsösszetartó erő másodrendű, diszperziós kölcsönhatás C1-C4 gáz halmazállapotú, C5-C17 folyékony, a többi szilárd vízben rosszul, egymásban jól oldódnak, a víznél kisebb sűrűségűek viszonylag alacsony olvadás- és forráspont a forráspont a moláris tömeg növekedésével monoton nő Alkánok fizikai tulajdonságai: Név Képlet Olvadáspont ( o C) Forráspont ( o C) Sűrűség (g/cm 3 ) Metán C 4-182,5-161,5 - Etán C 2 6-183,2-88,6 - Propán C 3 8-187,7-42,1 - Bután C 4 10-138,3-0,5 - Pentán C 5 12-129,7 36,1 0,626 exán C 6 14-95,3 68,7 0,659 eptán C 7 16-90,6 98,4 0,684 Oktán C 8 18-56,8 125,7 0,703 Nonán C 9 20-53,6 150,8 0,718 Dekán C 10 22-29,7 174,0 0,730 Kémiai tulajdonságai: kis reakciókészség Reakciók: Oxidáció (égés) a az égés tökéletes, szén-dioxid és víz keletkezik 2 C n 2n+2 + (3n+1) O 2 2 n CO 2 + (2n+2) 2 O A tökéletlen égés terméke CO C 4 +1/2 O 2 CO + 2 2 Szubsztitúciós reakciók kevéssé polarizált, erős kötések homolitikus kötéshasadás preferált hν (UV fény) + iniciáció C + C + S R C + C metil-klorid (klór-metán) C + C + + + + 2 + diklór-metán C 3 C 4 kloroform széntetraklorid (triklórmetán) (tetraklór-metán) A metán klórozásának láncreakciója Oktánszám Izooktán (2,2,4-trimetilpentán) A mérendő benzint izooktánból és n-heptánból (C 7 16 ) készült keverékkel hasonlítják össze. A mérendő benzinnel kompressziótűrés szempontjából azonos tulajdonságokkal rendelkező keverék térfogatszázalékban megadott izooktán tartalmát nevezzük a benzin oktánszámának. Tehát például a 95-ös benzin nyomástűrése azonos a 95 (V/V)% oktánt és 5 (V/V)% heptánt tartalmazó keverékével. Cikloalkánok Általános képletük: C n 2n gyűrűt tartalmazó telített szénhidrogének Nevüket a megfelelő normál szénláncú alkán nevéből a ciklo- előtaggal képezzük. ciklopropán C 3 6 ciklobután C 4 8 ciklopentán C 5 10 ciklohexán C 6 12 3
Cikloalkánok Fizikai tulajdonságai: Olvadás- és forráspontjuk magasabb, sűrűségük nagyobb, mint az azonos C-atomszámú alkánoké. Név Olvadáspont ( o C) Forráspont ( o C) Sűrűség (g/cm 3 ) ciklopropán - 127-33 - ciklobután - 50-12 0,703 ciklopentán - 93,8 49 0,745 ciklohexán 6,5 81 0,779 cikloheptán -12 119 0,810 ciklooktán 14,4 150 0,835 ciklononán 9,7-0,853 ciklodekán 10,8 201 0,857 Cikloalkánok Kémiai tulajdonságai: A ciklopropán és ciklobután az alkénekhez hasonlóan hidrogénnel és brómmal reagál, a reakció a gyűrű felnyílásával jár. Az ötnél nagyobb tagszámú gyűrűs szénhidrogének az alkánokhoz hasonlóan nem reakcióképesek, addíciós reakcióba nem vihetők, szubsztituálásuk nehéz. + 2 C C ciklopropán propán + Br 2 Br Br ciklopropán 1,3-dibróm-propán Telítetlen szénhidrogének Alkének (olefinek) C n 2n - Egy kettős kötést tartalmazó telítetlen szénhidrogének - A C-atomok háromligandumosak, a 3 atom egy síkban helyezkedik el és a vegyértékszög 120 o. Név etén 2 C= Képlet propén C but-1-én C- pent-1-én ) 2 hex-1-én ) 3 Alkének (olefinek) -Elnevezés: A telítetlen kötést a vegyületek nevében én végződéssel jelezzük. A IUPAC nomenklatúra szabályai szerint a szénlánc C- atomjainak számozását azon a láncvégen kell mindig kezdeni, amelyhez a kettős kötés a legközelebb esik. A kettős kötés helyét az -én végződés elé tett számmal adjuk meg, mely annak a C- atomnak a sorszámát jelenti, melyről a kettős kötés indul. hept-1-én ) 4 okt-1-én ) 5 non-1-én ) 6 dec-1-én ) 7 Alkének (olefinek) Fizikai tulajdonságok: a molekulák között erősebb a kölcsönhatás, mint az alkánok esetében alkének sűrűsége és op.-ja magasabb lesz mint a megfelelő szénatomszámú alkánoké, forráspontjuk némileg alacsonyabb. A C 2 -C 4 gázok, C 5 -C 17 tagok folyadékok, míg C 17 felett szilárd halmazállapotúak. Apoláris vegyületek, szerves oldószerekben jól oldódnak, vízzel nem elegyednek. Alkének fizikai tulajdonságai Név Olvadáspont ( o C) Forráspont ( o C) Sűrűség (g/cm 3 ) etén -169,2-103,7 - propén -185,3-47,7 - but-1-én -185,4-6,3 - pent-1-én -165,2 30,0 0,641 hex-1-én -139,8 63,5 0,674 hept-1-én -119,0 93,6 0,697 okt-1-én -101,7 121,3 0,716 non-1-én -81,3 146,9 0,729 4
Alkének (olefinek) Kémiai tulajdonságok: A π-kötés kisebb kötési energiájú, ezért az alkének az alkánoknál nagyobb reakcióképességgel rendelkeznek Addíciós reakciók: idrogén addíció: Pd kat. R C = C R + 2 R R alkén alkán alogén-addíció: X= F,, Br, I R C = C R + X 2 R C C R X X vicinális dihalogén származék Bróm addíciója alkénekre: Víz addíciója alkénekre idrogén-halogenid addíció: Telítetlen vegyületek oxidálása Polimerizáció kettős, vagy hármas kötést tartalmazó monomerek összekapcsolódása láncreakcióban polimerek képződése közben Markovnyikov szabály: mindig arra a szénatomra lép, amelyik eredetileg is több hidrogént tartalmaz. C n C X hν, vagy C X n X C műanyag neve polietilén polipropilén poli(vinil-klorid) polisztirol Diének (diolefinek) A diolefinek molekulánként 2 db kettős kötést tartalmazó nyílt láncú szénhidrogének. Általános képletük: C n 2n-2 Kémiai jellemzők: A konjugált rendszereknek az olefineknél is nagyobb az addíciós reakciókészségük. Polimerizációval műkaucsokat állítanak belőlük elő: pl. Kumulált Konjugált Izolált 2 C=C= allén Általában nem stabilak 2 C=C buta-1,3-dién 2 C=C C izoprén Gyakorlati szempontból a legjelentősebbek. A két kettőskötés együttesen reagál. 2 C=C ~ C= A két kettőskötés külön-külön reagál n C2=C C=C2 [ C2 C=C C2 ]n A természetes kaucsuk és a gumi A természetes kaucsuk telítetlen vegyület (poliizoprén cisz-izomerje). Monomerje az izoprén. Kaucsukfa (eves brasiliensis) tejszerű nedve. A nyers kaucsuk felhasználása korlátozott, ezért kénnel, töltő- és adalékanyaggal keverve (vulkanizálás) gumivá alakítják. 5
Telítetlen szénhidrogének Alkinek C n 2 n-2 - hármas kötést tartalmazó telítetlen alifás szénhidrogének - a C-atomok lineáris szerkezetűek -Elnevezés: az azonos szénatom-számú alkán nevéből vezetjük le, az án végződést in-re cserélve. A számozását azon a láncvégen kell kezdeni, amelyhez a hármas kötés a legközelebb esik. -asonlatosság az alkánokhoz, alkénekhez alacsony op, fp apoláros oldószerekben jól oldódik Név etin (acetilén) propin but-1-in pent-1-in hex-1-in hept-1-in okt-1-in non-1-in dec-1-in Képlet C C C C- ) 2 ) 3 ) 4 ) 5 ) 6 ) 7 Alkinek Kémiai tulajdonság: az olefinekhez hasonlóan hajlamosak addíciós reakciókra Addíciós reakciók: idrogén-addíció: R R C C R 2 /kat idrogén-halogenid addíció: 2 /kat R C C R R RR alkin alkén alkán C C 2 C C vinil-klorid 1,2-diklóretán főtermék + C 1,1-dikloretán melléktermékk Alkinek (Arének) Víz addíció: 2 O / C C 2 C C O alogénaddíció: vinil-alkohol enol-forma Br C C Br 2 C C + Br transz- -1,2-dibrómetén főtermék Br Br C C cisz- -1,2-dibrómetén melléktermék O C C acetaldehidd oxo-forma Br Br Br 2 C C Br Br 1,1,2,2-tetrabrómetánN sík alakú molekulaszerkezet, amelyben gyűrűsen delokalizált, π- elektronrendszer van nagyfokú stabilitás, kis reakciókészség Benzol (C 6 6 ) szabályos hatszöges gyűrű, 120 -os kötésszögek, 6 elektronból álló delokalizált π-elektronrendszer valamennyi C-C kötés azonos erősségű és azonos hosszúságú energetikailag stabilabb, mintha három lokalizált kettős kötés lenne Az aromás jelleg megjelenésének szerkezeti feltételei: gyűrűs szerkezet a gyűrűt építő atomok és a hozzájuk közvetlenül kapcsolódó atomok közös síkban helyezkednek el a gyűrű síkja alatt és felett ciklikusan delokalizált π- elektronfelhővel rendelkeznek a π-elektronok száma 4n+2, ahol n= 1,1,3 (ückelszabály) szerkezete a π elektronok gyűrűs delokalizációja miatt rendkívül stabil, nehezen megbontható. 6
Elnevezés: általában a benzol szubsztituált származékaiként nevezzük el, a benzolgyűrű számozása a szubsztituenstől kezdődik. Néhány rövidebb alifás oldalláncot tartalmazó származéknak triviális neve is van: Fizikai tulajdonságok: almazállapotuk szobahőmérsékleten folyékony vagy szilárd. Apoláros vegyületek. Vízben nem, szerves oldószerekben jól oldódnak. Forráspontjuk a megfelelő szerkezetű cikloalkánok forráspontjához közeli értékű. Toxikusak! Kémiai tulajdonságok: Oxidációval szemben az aromás mag nagyon ellenálló, az oldallánc azonban általában könnyen oxidálható. Addíciós reakció (magas hőm., nagy nyomás): Kondenzált gyűrűs aromás szénhidrogének Szubsztitúciós reakciók alogénezés + 2 Fe 3 + Nitrálás NO 2 + NO 2 + + Szulfonálás SO 3 + 2 SO 4 SO 3 + SO 4 - + SO3 + SO 3 + + Lignin A cellulóz után a legnagyobb mennyiségű és jelentőségű szerves polimer. A föld legjelentősebb aromás szénforrása. Fenil-propán-vázas alapegységekből épül fel. Az egyes alapegységek között éter (C-O) vagy szén-szén (C-C) kötések vannak. A lignin szerkezete, összetétele erősen függ a (fa)fajtól. fenil-propán alapváz p-kumarilalkohol koniferilalkohol szinapilalkohol 7