Z MojeChemie
Verze z 28. 9. 2010, 20:43, kterou vytvořila Katka (diskuse | příspěvky) (Založena nová stránka: = Organická chemie = Tento obor chemie se zabývá především organickými sloučeninami uhlíku. Její vývoj započala v 19. století teorie '''vitalismu''', která ...)
(rozdíl) ← Starší verze | zobrazit aktuální verzi (rozdíl) | Novější verze → (rozdíl)
Přejít na: navigace, hledání

Organická chemie

Tento obor chemie se zabývá především organickými sloučeninami uhlíku. Její vývoj započala v 19. století teorie vitalismu, která tvrdila, že organické sloučeniny se tvoří živoucí silou v organismech. Průlomem v organické chemii byla první umělá, tedy v laboratoři provedená syntéza organické látky. Tu provedl v roce 1828 Fridrich Wöhler, když nesyntetizoval močovinu z anorganické látky, kyanatanu amonného, tím že ho zahříval.
Dnes rozlišujeme tři základní zdroje organických látek. Prvním zdrojem jsou recentní neboli přírodní materiály, druhým fosilní materiály a třetím zdrojem jsou ty syntetické. Na složení organických sloučenin se podílí především Uhlík a vodík, méně potom již kyslík, dusík, síra, ale i halogeny, fosfor a další.
Obecné vlastnosti organických sloučenin jsou obtížně definovatelné, vzhledem rozsáhlosti organických látek. Poměrně častá je u nich nízká TT i TV, jsou tedy často těkavé. Jestliže je budeme zahřívat, téměř všechny se nám rozloží. Jejich vazby jsou většinou kovalentní a nikoli polární, nevedou tedy elektrický proud. Díky své nízké polaritě jsou jen málokdy rozpustné ve vodě, zato jsou většinou dobře rozpustné v nepolárních rozpouštědlech.
Co se týče vazeb, tak má uhlík v základní elektronové konfiguraci 2 volné elektrony, které by vznik vazby umožnili. Všechny uhlíky v organických vazbách jsou ale čtyřvazné, musí tedy dojít k jeho excitaci, která navýší počet volných elektronů na 4. Vazebná energie C C je 348 kJ/mol, což je poměrně vysoké číslo, ale nikoli zase nijak závratně. Velikost této vazebné energie se považuje jako optimum. Další vlastností uhlíků je malá elektronegativita, poměrně malý atom a schopnost spojovat se do řetězců.
Vazebný úhel, který vzniká v hybridizovaném orbitalu sp3, který tvoří tetraedr je 109°28´. Takovýto stav nastává ale skutečně jen u molekul, které hybridizaci sp3 mají. Tento orbital vzniká hybridizací, tedy přeměněním, nebo lépe řečeno zprůměrňováním všech vazebných elektronů tak, aby umožnili vznik symetrické molekuly. Z jeho složení vidíme, že je složen z jednoho s a tří p orbitalů. Takovéto modely hybridizace nastávají u takových sloučenin, kde má uhlík jen jednoduché, tedy σ vazby.
Druhou možností je sp2 hybridizace, která nastává v případě, že sloučenina obsahuje dvojnou vazbu. Vzniká tedy vazba σ ale k tomu ještě π vazba. Zatímco sigma vazba je přímo mezi středy celého hybridizovaného orbitalu, π vazba prochází mimo spojnici středů. Právě dvojnou, nebo spíše obecně násobnou, vazbu zajišťují p orbitaly, které se proto nemohou podílet na hybridizaci. Vazebné úhly dvojných vazeb jsou 120° a vytváří rovnostranný trojúhelník.
U trojných vazeb je to prakticky totožné, jen s tím rozdílem, že dochází ke vzniku dvou π vazeb a tudíž se na jejich tvorbu spotřebují dva p orbitaly, takže na hybridizaci zbudou pouze jeden s a jeden p orbital, tedy sp hybridizace. Jednotlivé násobné vazby jsou v prostoru uspořádány tak, aby se co nejméně navzájem ovlivňovali. Vazebné úhly trojných vazeb jsou 180° a tvoří lineární strukturu.

Chemická vazba a reakce

Chemické vazby rozlišujeme podle toho, jak velké jsou jednotlivé rozdíly elektronegativit obou vazebných partnerů. Podlé tohoto rozdílu je dělíme na nepolární, neboli kovalentní, kdy je rozdíl X nejvýše 0,4. Do této kategorie patří třeba vazby C C a C H atd… Druhou možností jsou polární vazby, jejichž rozdíl X se pohybuje od 0,4 do 1,7. U těchto vazeb dochází k poměrně razantnímu posunu elektronů a následnému rozdělení parciálních nábojů. Takovéto vazby jsou například: C N, C O nebo C S. Poslední a nepříliš rozšířenou variantou je iontová vazba, kde je rozdíl negativit mezi vazebnými partnery vyšší než 1,7. takovýmto příkladem je vazba O Na, která vzniká například u alkoxidů (etoxid, metoxid). Disociační konstanta jednotlivých vazeb stoupá směrem doprava. Řádovostí, neboli vazností myslíme maximální počet jednoduchých vazeb, které na daný atom můžeme navázat. Čtyřvazný je uhlík, třívaný fosfor a dusík, dvouvazný kyslík a síra a jednovazný halogeny alkalické kovy a vodík.¨

Vzorce

Organické sloučeniny můžeme zapsat několika různými typy vzorců. Prvním typem je empirický neboli stechiometrický vzorec. Ten zapisuje pouze poměr počtu zastoupených atomů. Příkladem je H2CO nebo CH4. Druhou možností je sumární, neboli molekulový vzorec, který ukazuje skutečné počty atomů v dané molekule. Příkladem je C6H12O6, nebo C2H6. třetí možností je racionální, neboli funkční vzorec, který ukazuje nejen přesné počty atomů ve struktuře, ale i vazby mezi jednotlivými skupinami atomů. Poslední možností je strukturní, neboli konstituční vzorec, který ukazuje jednotlivé vazby, mezi každým atomem v molekule. Dále se může dělit na strukturně geometrický a strukturně elektronový. Chemické reakce Fungují podle obecné rovnice, kdy reaguje substrát, za katalýzy činidla a vzniká produkt, popřípadě se během reakce odštěpuje vedlejší produkt. Takováto reakce poskytuje zpravidla nízký výtěžek, což ale koresponduje s charakterem rovnovážného stavu reakce. Při reakcích dochází ke štěpení vazeb, a to různými mechanismy. Mezi ty základní patří radikálové štěpení, kdy vznikají radikály. Hovoříme o hemolýze chemické vazby. Příkladem takového radikálového rozštěpení je rozpad chlormethanu CH3Cl na H3C• a Cl•. Dochází tedy ke stejnoměrnému rozdělení chemické vazby, každý z partnerů si vezme zpět elektron, který vazbu tvořil. Nutno dodat, že u této reakce je zapotřebí dodat značné množství energie, nebo UV-záření, protože se takto díky obrovskému rozdílu elektronegativit elektrony takto nerozdělují. Za normálních podmínek by oba přešli k Chloru. Druhou možností štěpení vazby je vznik iontů. O této reakci mluvíme jako o heterolýze vazby. Z toho je patrné, že oba partneři odejdou z reakce nějak pozměněni a odlišeni. Dochází k přechodu elektronů do elektronového obalu toho atomu, který má větší elektronegativitu. V případě, že větší X má uhlovodíková zbytek (obecně R) hovoříme o Karbokationu, naopak, pokud má R menší X než vazebný partner, hovoříme o karbanionu. Vedle substrátů je v reakčních mechanismech důležité i činidlo. Tyto rozdělujeme obecně na radikálová, nukleofilní a elektrofilní. Radikálové činidla způsobují hemolýzu vazby. Nukleofilní a elektorfilní činidla působí heterolýzu vazby. Nukleofilní činidla vyhledávají kladný parciální náboj, který vzniká vždy na elektropositivnějším vazebném partnerovi a označuje se δ+, zatímco parciální záporný náboj se označuje δ-. Mezi nukleofilní činidla patří anionty (OH-, NH2-, Cl-) a částice s volným elektronovým párem NH3, H2O. Elekrofilní činidla jsou přitahovány záporným parciálním nábojem. Jako příklad elektrofilních činidel slouží kationty (H+, H3O+, Cl+ chloroniový, NO2+ nitroniový, SO3H+ sulfonový) popřípadě částice s volným orbitalem, což jsou především Lewisovy kyseliny. Typy reakcí Rozlišujeme dva základní typy reakcí. První se týká „redoxních reakcí“, či lépe řečeno oxidace a redukce, které mění počty O a H na sloučeninách a ta druhá se týká změn ve vazbách. V organické chemii označujeme jako redukci děj, při kterém dochází k hydrogenaci a nebo k deoxigenaci. Oxidace je takový děj, ve kterém se do sloučeniny vkládá kyslík, tedy jej oxigenujeme a nebo se odebírá vodík, dochází tedy k dehydrogenaci. Reakce které se týkají změn ve vazbách dále rozlišujeme do čtyř typů. Prvním z nich je adice. Při této reakci dochází k zániku vazeb. Druhou reakcí je eliminace, během které naopak vazby vznikají. Substituce je reakce, během které dojde k prohození vazebných partnerů. Přesmyk je poslední a dosti specifickou reakcí. Jedná se samovolnou reakci, kdy dochází v rámci jedné molekuly ke tvorbě izomeru. O látkách, které na sebe samovolně přechází hovoříme jako o konformerech. V reakcích jako je adice či substituce rozlišujeme dva podtypy. Nukleofilní a elektrofilní. Vše závisí na tom, jak nabytá částice se naváže na uhlíkový atom. Pokud se na něj naváže záporná částice, mluvíme o nukleofilní reakci, pokud se na něj naváže kladná částice, jde o elektrofilní reakci. Izomerie Obecně ji lze popsat jako společnou vlastnost dvou organických sloučenin, které mají stejný sumární vzorec, ale liší se svou strukturou a mnohdy i vlastnostmi. Izomery se dělí na konstituční a konfigurační. Konstituční izomery Tyto izomery se jinak jmenují stavební. Budou se tedy lišit uspořádáním atomů do vazeb. Rozlišujeme řetězové, polohové, skupinové izomery a tautomery. Konfigurační izomery Jsou takové izomery, které mají stejný počet vazeb a liší se pouze jejich uspořádáním. Tyto izomery se dále dělí na geometrické, která vzniká na dvojných vazbách a na cyklech. Sem patří cis/trans izomerie, což jsou izomery, které se skutečně liší pouze vlastnostmi, nikoliv počtem vazeb. To co je odlišuje je směr vazeb. Druhou možností geometrických izomerů je E/Z izomerie, která je založena na stejném principu jako cis/trans, ale může se používat i v případě, že máme na dvojné vazbě navázáno více odlišných atomů. U neuhlíkatých atomů se určí důležitost, kdy důležitější je vždy ten atom, který má větší Z, tedy protonové číslo. Ten pak porovná svoji polohu s uhlíkem a určí se je-li Entegen nebo Zusammen, tedy naproti tedy spolu. Druhým typem je optická izomerie. Tyto izomery se liší pouze optickou otáčivostí roviny polarizovaného světla. Rozlišujeme +/-, D/L a nebo R/S izomerie. Plus minus označujeme obecně opticky aktivní izomery, Dextra/Leva se používá pro označení opticky aktivních sacharidů, převážně cukrů a AMK a Recta/Sinistra se používá pro značení opticky aktivních složitějších sloučenin, někdy i AMK. Aby mohla být molekula aktivní, musí na sobě mít chirální centrum. To je takový atom (většinou uhlík), který na sobě má navázány 4 různé skupiny či atomy. Chirální centrum se označuje hvězdičkou. Počet optických neboli stereoizomerů se spočítá jako 2n, kdy n je počet chirálních center. Standardem pro určování D/L izomerie sacharidů je Glyceraldehyd. O optické aktivitě rozhoduje směr vazby k hydroxid skupině na posledním chorálním uhlíku. Pro AMK je určující látkou D/L izomerie Alanin. K tomu je nutno doplnit, že u Fischerovy projekce jdou svislé vazby za rovinu nákresny a horizontální jsou před ní. Tato projekce se ale u více uhlíkatých sloučenin strukturně nekreslí. S R/S izomerií je to trochu složitější. Opět i zde se určuje důležitost substituenta. Tentokráte se nejdříve určí ten nejméně důležitý (má nejmenší Z, většinou H) a ten si musím na prostorovém zobrazení postavit od sebe a zároveň si v ideálním případě postavím před sebe. Následně určíme stejným způsobem důležitost ostatních substituentů pak naznačíme šipkou jakým směrem klesá. Klesá li doleva, jde o S formu, klesá li doprava, mluvíme o R formě. Máme li vodík, nebo jiný substituent v jiné poloze, než v té nejdále od těla, musíme ho tam dostat. Prostě prohodíme 2 substituenty tak, aby se vodík dostal dozadu a zbylé dva prohodíme taky, abychom nevytvořili jiný substituent.