Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie Materiały do pracy własnej z przedmiotu „CHEMIA ORGANICZNA” dla studentów Wydziału Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej AGH kierunek: Inżynieria biomedyczna Autorzy opracowania: dr Wiktor Niemiec dr inż. Anna Nyczyk-Malinowska dr Maria Owińska dr inż. Edyta Stochmal prof. dr hab. inż. Magdalena Hasik Kraków 2019 1 Spis treści SPIS TREŚCI Str. 1. Klasyfikacja związków organicznych ……………………….……….. 3 2. Strukturalne wzory szkieletowe związków organicznych ……………. 5 3. Wskazówki dotyczące nazewnictwa wybranych grup związków organicznych ........................................................................................... 6 4. Nazewnictwo związków organicznych - zadania ................................. 22 5. Reakcje związków organicznych - zadania …………..………………. 28 2 Klasyfikacja związków organicznych 1. KLASYFIKACJA ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH Związki organiczne można podzielić na węglowodory i ich pochodne. Węglowodory są najprostszymi związkami organicznymi, zawierającymi w cząsteczkach wyłącznie atomy węgla i wodoru. W zależności od rodzaju wiązań węgiel-węgiel występujących w ich cząsteczkach, węglowodory dzielą się na nasycone (zawierają tylko wiązania pojedyncze węgiel-węgiel), nienasycone (zawierają wiązania wielokrotne węgiel-węgiel) i aromatyczne (zawierają pierścienie aromatyczne). Wśród węglowodorów nasyconych i nienasyconych z kolei można wyróżnić węglowodory łańcuchowe i pierścieniowe. Jeśli w cząsteczce węglowodoru jeden albo więcej atomów wodoru zostanie zastąpionych innymi atomami lub grupami atomów, nazywanych podstawnikami, to powstanie pochodna węglowodoru. Pochodne węglowodorów najczęściej klasyfikuje się na podstawie grup funkcyjnych, tj. podstawników decydujących o właściwościach chemicznych związku organicznego, występujących w ich cząsteczkach. Najważniejsze klasy pochodnych węglowodorów, charakterystyczne dla nich grupy funkcyjne oraz przykładowe związki należące do tych klas przedstawiono w Tabeli 1. Tabela 1. Klasyfikacja pochodnych węglowodorów (podział według grup funkcyjnych). Klasa związków Charakterystyczna grupa Przykładowe związki funkcyjna Halogenopochodne Atom fluorowca, węglowodorów tj. F, Cl, Br, I Alkohole, fenole Grupa hydroksylowa, tj. OH H H C I H jodometan H H C OH H metanol Etery Ugrupowanie eterowe, tj. C-O-C Ketony, aldehydy Grupa karbonylowa, tj. C=O OH fenol H H H C O C H eter dimetylowy H H H O H H C C C H H H H H C O H metanal keton dimetylowy Kwasy karboksylowe Grupa karboksylowa, tj. COOH Estry Grupa estrowa, tj. O-C=O 3 H C O OH kwas metanowy H O H H C C O C H H H octan metylu Klasyfikacja związków organicznych Bezwodniki kwasowe Grupa O=C-O-C=O Amidy Grupa amidowa, tj. H2N-C=O Halogenki kwasowe Grupa X-C=O, gdzie X=F, Cl, Br, I Nitryle Grupa nitrylowa, CN Aminy Grupa aminowa, tj. NH2 (aminy I rzędowe), NH (aminy II rzędowe) N (aminy III rzędowe) O O CH3 C O C CH3 bezwodnik etanowy H O H C C N H H H H O H C C Cl H H H C C N H etanoamid (acetamid) chlorek etanoilu etanonitryl (acetonitryl) CH3 N H H metyloamina CH3 N H CH3 dimetyloamina CH3 N CH3 trimetyloamina CH3 Iminy Grupa iminowa, tj. C=N Związki nitrowe Grupa nitrowa, tj. NO2 4 H H C N H H H O H C N O H metyloimina nitrometan Wzory szkieletowe związków organicznych 2. WZORY SZKIELETOWE ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH Cząsteczki organiczne można przedstawiać za pomocą różnych wzorów strukturalnych. Najbardziej uproszcznymi wzorami strukturalnymi związków organicznych są tzw. wzory szkieletowe, które tworzy się (i odczytuje) zgodnie z następującymi zasadami: 1. Wiązania występujące w cząsteczce związku organicznego przedstawia się za pomocą linii: wiązanie pojedyncze to linia pojedyncza, wiązanie podwójne-linia podwójna, wiązanie potrójne-linia potrójna; 2. Atomów węgla i wodoru na ogół nie pokazuje się we wzorze. Uznaje się natomiast, że na przecięciu i na końcu każdej linii znajduje się atom węgla połączony z odpowednią liczbą atomów wodoru tak, aby jego wartościowośc wynosiła 4; 3. Atomy inne niż węgla i wodoru (tzw. heteroatomy) pokazuje się we wzorach. Przykłady tworzenia szkieletowych wzorów strukturalnych związków organicznych przedstawiono w Tabeli 2. Tabela 2. Szkieletowe wzory strukturalne związków organicznych. Związek Szkieletowy wzór strukturalny CH3 CH3-CH-CH2-CH-CH2-CH3 CH2CH3 CH3 CH3-CH-CH2-CH=CH-CH3 CH3-CH=CH-C C-CH2-CH3 CH3-CH-CH2-CH-CH3 CH3 OH OH CH3-CH-CH2-C-CH3 Cl Cl O O H CH3-CH-CH2-C-H CH3 O O 5 Zasady nazewnictwa związków organicznych 3. WSKAZÓWKI DOTYCZĄCE NAZEWNICTWA WYBRANYCH GRUP ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH 1. Alkany (węglowodory nasycone łańcuchowe, zawierają jedynie wiązania pojedyncze C-C) Nazwy alkanów mają końcówkę –an. Ich ogólny wzór to CnH2n+2 (n-dowolna liczba całkowita). Nazwy pierwszych dziesięciu alkanów normalnych (o strukturze prostołańcuchowej): Liczba atomów węgla (n) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Nazwa Wzór CnH2n+2 metan etan propan butan pentan heksan heptan oktan nonan dekan CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 C7H16 C8H18 C9H20 C10H22 CH4 CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 Nazwy niektórych grup alkilowych (podstawników powstających z alkanów): metyl (Me) CH3CHCH3 –CH2CH3 etyl (Et) izopropyl (i-Pr) –CH2CH2CH3 propyl (Pr) –CH2 CH2CH2CH3 butyl (n-Bu) –CH3 CH3 CH3 C CH3 tert-butyl (t-Bu) 6 Zasady nazewnictwa związków organicznych Alkany rozgałęzione CH3 CH3 CH2CH3 CH3CH2CHCHCH2CHCH2CH3 CH3CH2CCH2CHCH3 CH3CH2 CH3 CH3CH2 4-etylo-2,4-dimetyloheksan 3,6-dietylo-4-metylooktan Ogólne zasady nazewnictwa alkanów rozgałęzionych: 1. Należy znaleźć najdłuższy łańcuch węglowy – łańcuch główny, który będzie stanowił podstawę nazwy. W przypadku, gdy w cząsteczce można wyróżnić kilka łańcuchów o tej samej długości, podstawę nazwy powinien stanowić ten, który związany jest z większą liczbą podstawników. 2. Ponumerować atomy węgla w łańcuchu głównym, rozpoczynając od końca najbliższego rozgałęzienia. W przypadku usytuowania pierwszych rozgałęzień w równych odległościach od obydwu końców kierować się pozycją kolejnego rozgałęzienia. 3. Podać położenie i nazwę podstawników, wymieniając je w kolejności alfabetycznej. 4. Dla identycznych podstawników podać krotność ich występowania za pomocą odpowiednich przedrostków: di-, tri-, tetra- itd. 5. Podstawnikom alkilowym etylo-, metylo- itp. nadać odpowiednie nazwy reszt węglowodorowych: 6. Podstawnik złożony nazywany jest zgodnie z powyższymi regułami, rozpoczynając numerowanie od punktu dołączenia do łańcucha głównego (por. podane przykłady). Nazwę tego podstawnika umieszcza się w nawiasie poprzedzonym zapisem numeru określającego jego położenie w łańcuchu głównym (por. podane przykłady). CH3 CH3 C CH2 CH3 CH2 CH3 CH3 CH2 CH CH 2,2-dimetylopropyl CH3 2-etylo-1-metylobutyl CH3 CH CH3 1-metyloetyl CH3 CH2 CH2 CH CH2 CH CH 2 3 CH3 CH CH3 CH2 CH3 CH3 CH3 CH2 CH CH2 CH CH2 CH CH CH3 CH2 CH3 CH3 C CH 4-(1-metyloetylo)heptan CH3 3 5-(2,2-dimetylopropylo)-7-etylo-2,3-dimetylononan 7 Zasady nazewnictwa związków organicznych 2. Cykloalkany (węglowodory nasycone pierścieniowe, zawierają wyłącznie wiązania pojedyncze C-C) Do nazwy macierzystego węglowodoru o budowie łańcuchowej dodaje się przedrostek cyklo-. Podstawniki wymienia się w kolejności alfabetycznej ze wskazaniem ich położenia podając numer węgla, przy którym są położone. CH3 CH2CH3 1-etylo-3-metylocykloheksan 3. Alkeny, alkadieny, alkatrieny (węglowodory łańcuchowe nienasycone, zawierają wiązania podwójne C=C) (Reguły podobne jak dla alkanów, ale łańcuch główny musi zawierać wiązanie podwójne) Nazwy alkenów mają przyrostek –en poprzedzony numerem atomu węgla wskazującego położenie wiązania podwójnego i są pochodnymi nazw alkanów. Ich ogólny wzór to CnH2n. CH3 CHCH2CH2CH3 CH3CH CH2 heks-2-en CHCHCH3 3-metylobut-1-en Przy numerowaniu łańcucha głównego pierwszeństwo ma położenie wiązania podwójnego. Atomy węgla przy podwójnym wiązaniu otrzymują możliwie najniższe numery, a pozycję wiązania podwójnego wskazuje się umieszczając w nazwie numer atomu węgla o niższym indeksie. Nazwy związków z dwoma podwójnymi wiązaniami (alkadienów) mają końcówkę –dien, z trzema (alkatrienów) –trien z określeniem położenia, przy czym do podstawy nazwy pochodzącej od nazwy węglowodoru dodaje się łączącą literę „a”. CH2=CH-CH2-CH2-CH=CH-CH3 CH2=C-CH2-C=CH-CH3 CH3 hepta-1,5-dien CH2CH3 CH2 =C=C=CH2 buta-1,2,3-trien 4-etylo-2-metyloheksa-1,4-dien 4. Cykloalkeny (węglowodory nienasycone pierścieniowe, zawierają wiązanie podwójne C=C) (Reguły podobne jak dla cykloalkanów) Numerowanie rozpoczyna się tak, by wiązanie podwójne było miedzy węglem C1 i C2 i aby pierwszy podstawnik miał jak najniższy numer. CH 3 1-metylocyklopenten 8 Zasady nazewnictwa związków organicznych 5. Alkiny (węglowodory łańcuchowe nienasycone, zawierają wiązanie potrójne CC) i enyny (węglowodory łańcuchowe nienasycone, zawierają wiązanie podwójne C=C i potrójne CC) (Reguły podobne jak dla alkanów i alkenów, łańcuch główny musi zawierać wiązanie potrójne w przypadku alkinów i obydwa wiązania wielokrotne w przypadku enynów) Nazwy alkinów mają przyrostek –in lub –yn poprzedzony numerem atomu węgla wskazującego położenie wiązania potrójnego i są pochodnymi nazw alkanów. Ich ogólny wzór to CnH2n-2. CH3C CH3CHCH2CH2C CCH3 CH CH3 but-2-yn 5-metyloheks-1-yn W przypadku związków zawierających wiązanie podwójne i potrójne (tzw. enynów) numerowanie łańcucha rozpoczyna się od końca bliższego pierwszego wiązania wielokrotnego, bez różnicy, czy jest to wiązanie podwójne, czy potrójne. Gdy jednak obydwa wiązania znajdują się w tej samej odległości od każdego z końców cząsteczki, numerację atomów węgla w łańcuchu należy zacząć od tego końca, bliżej którego znajduje się wiązanie podwójne. CH3CH CHCH2CHCH2C CH3-CH=CH-CH2-C CH CH3 C-CH3 hepta-2-en-5-yn 4-metylookt-6-en-1-yn 6. Halogenki alkilowe, R-X (X = F, Cl, Br, I) (halogenopochodne alkanów) (Reguły podobne jak dla węglowodorów alifatycznych) CH3 CH3 Br CH2CH2Cl ClCH2CH2CHCHCH2CHCH2CH3 CH3CHCH2CH2CHCH3 CH3CH2 2-bromo-5-metyloheksan 1,8-dichloro-3,6-dietylo-4-metylooktan Fluorowiec traktowany jest jako podstawnik. Numerowanie łańcucha głównego rozpoczyna się od końca bliższego pierwszego podstawnika, obojętne czy jest to alkil, czy fluorowiec. Jeżeli w cząsteczce obecne jest wiązanie podwójne lub potrójne, to musi ono znaleźć się w łańcuchy głównym. Halogenki alkilowe można również nazywać traktując atom fluorowca jako grupę funkcyjną; wówczas zamiast np. chlorometanu będzie chlorek metylu, chloroetanu – chlorek etylu, 2-bromobutanu – bromek izopropylu, itp. 9 Zasady nazewnictwa związków organicznych 7. Związki aromatyczne (węglowodory aromatyczne, halogenki arylowe, pochodne benzenu i związków aromatycznych o skondensowanych pierścieniach benzenowych) Najważniejszym jednopierścieniowym węglowodorem aromatycznym jest benzen: benzen Nazwy pochodnych benzenu tworzy się w zależności od rodzaju i liczby podstawników w pierścieniu; wiele z nich ma też nazwy zwyczajowe. Jednopodstawione pochodne benzenu Do podstawowej nazwy - benzen dodaje się nazwę podstawnika. CH3 aminobenzen (anilina) hydroksybenzen (fenol) bromobenzen metylobenzen (toluen) NH 2 OH Br Nazwy zwyczajowe stosowane w przypadku takich grup, jak: CH3, OH, COOH, NH2 to odpowiednio: toluen, fenol, kwas benzoesowy, anilina (wzory niektórych z tych związków zostały pokazane). Dipodstawione pochodne benzenu Położenia podstawników oznacza się dwojako: za pomocą liczb lub przedrostków: orto (o), meta (m), para (p). I CH3 Cl Cl Cl 1,2-dichlorobenzen o-dichlorobenzen 1-chloro-3-metylobenzen m-chlorometylobenzen lub 3-chlorotoluen m-chlorotoluen 10 Br 1-bromo-4-jodobenzen p-bromojodobenzen Zasady nazewnictwa związków organicznych Pochodne benzenu podstawione więcej niż dwoma podstawnikami NO2 O2N Cl 2-chloro-1,4-dinitrobenzen Podstawniki wymienia się w porządku alfabetycznym, poprzedzając ich nazwy liczbami wskazującymi pozycje podstawienia. Ważne jest, aby indeksy liczbowe węgli, przy których są podstawniki, były jak najniższe. W niektórych przypadkach jednopodstawiona pochodna benzenu może służyć jako nazwa podstawowa (por. przykład 3-chlorotoluenu przedstawiony wcześniej). W wielopodstawionych pochodnych benzenu, gdzie istnieje konieczność podawania położenia podstawników, atom węgla, przy którym znajduje się charakterystyczna grupa związku stanowiącego podstawę nazwy, oznacza się numerem 1, np.: NH2 Br Br Br 2,4,6-tribromoanilina Nazwy podstawników zawierających pierścienie benzenowe Podstawniki powstające z benzenu to fenyl i fenyleny. Njważniejszym podstawnikiem powstającym z metylobenzenu (toluenu) jest benzyl. CH2 fenyl o-fenylen m-fenylen benzyl p-fenylen Węglowodory zawierające w cząsteczkach skondensowane pierścienie benzenowe – naftalen, antracen i ich pochodne: 8 1 8 7 2 7 6 3 6 5 5 4 naftalen 9 10 1 4 antracen 11 2 3 Zasady nazewnictwa związków organicznych CH3 CH3 CH3 Br OH 1,2-dimetylonaftalen 10-hydroksyantracen 6-bromo-2-metylonaftalen Numeracja atomów węgla w cząsteczkach zawierających skondensowane pierścienie benzenowe, takich jak naftalen i antracen, jest ściśle określona i stała. Numerację tę należy stosować tworząc nazwy pochodnych tych węglowodorów. 8. Alkohole (R-OH), diole, triole (charakterystyczna grupa –OH -jedna lub więcejprzyłączona jest do nasyconego atomu węgla w łańcuchu alkilowym) CH 3 CH3CHCH2CH3 CH3-CH-CH2-CH-CH2-CH3 CH3 OH CH3CH2CHCH2OH OH butan-2-ol 5-metylopentan-3-ol 2-metylobutan-1-ol Tworząc nazwę alkoholu za podstawową strukturę wybiera się najdłuższy łańcuch węglowy z grupą hydroksylową. Do nazwy macierzystej dodaje się przyrostek –ol poprzedzony numerem atomu węgla, do którego przyłączona jest grupa –OH. Określając położenie tej grupy istotne jest, aby indeks atomu węgla był jak najniższy. W przypadku niektórych prostych alkoholi stosuje się nazwy zwyczajowe. Do słowa alkohol dodaje się nazwę grupy alkilowej lub arylowej połączonej z grupą hydroksylową, np.: alkohol metylowy, alkohol etylowy, alkohol izopropylowy, alkohol benzylowy. CH2OH CH3CHCH3 OH alkohol izopropylowy alkohol benzylowy Nazwy związków z dwiema grupami hydroksylowymi (dioli) mają końcówkę –diol, z trzema (trioli) –triol z określeniem położenia, przy czym do podstawy nazwy pochodzącej od nazwy węglowodoru dodaje się łączącą literę „o”. CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 OH OH pentano-1,3-diol CH3 OH CH2-CH-CH2 CH2-CH-CH2 OH OH OH 2-metylopropano-1,3-diol 12 OH propano-1,2,3-triol Zasady nazewnictwa związków organicznych 9. Fenole, ArOH (charakterystyczna grupa –OH przyłączona jest do pierścienia aromatycznego) OH OH Cl NH2 o-chlorohydroksybenzen (o-chlorofenol) p-aminohydroksybenzen (p-aminofenol) Nazwy systematyczne fenoli tworzy się dodając przedrostek hydroksy- do nazwy węglowodoru. Często używane są, w przypadku tej grupy związków, nazwy zwyczajowe. 10. Etery (charakterystyczne wiązanie –C–O–C– w cząsteczce) CH3-O-CH2-CH2-CH3 CH3-CH2 -O-CH2-CH2-CH2 -CH3 CH3-O-CH3 eter metylowo-propylowy lub metoksypropan eter butylowo-etylowy lub etoksybutan eter dimetylowy lub metoksymetan Etery proste, nie zawierające żadnych innych grup funkcyjnych – po słowie eter wymienia się w kolejności alfabetycznej nazwy grup węglowodorowych połączonych z atomem tlenu. Można też etery proste nazywać podstawnikowo, w sposób opisany dla eterów złożonych (por. podane przykłady). Etery symetryczne, w których z atomem tlenu połączone są takie same grupy węglowodorowe, nazywa się podając po słowie eter nazwę grupy węglowodorowej z przedrostkiem –di. Etery o bardziej złożonej budowie – nazwę tworzy się jako pochodną macierzystego węglowodoru i dodaje nazwę grupy węglowodorowej przyłączonej do atomu tlenu z końcówką –oksy. Grupę węglowodorową związaną z atomem tlenu traktuje się więc w tym przypadku jak podstawnik w cząsteczce węglowodoru stanowiącego podstawę nazwy. CH3 O CH2CH2Cl 1-chloro-2-metoksyetan CH3 OCH2CH3 CH3-CH-CH2-CH2-CH-CH2-CH3 OCH2CH2CH3 CH3 2-metylo-5-propoksyheptan 1-etoksy-2-metylobenzen Grupy alkilowe połączone z atomem tlenu nazywa się grupami alkoksylowymi. Przykłady podstawników alkoksylowych oraz ich nazwy podano w Tabeli 3. 13 Zasady nazewnictwa związków organicznych Tabela 3. Przykładowe podstawniki alkoksylowe i ich nazwy. Podstawnik Nazwa CH3O- metoksy CH3CH2O- etoksy CH3CH2CH2CH2O- butoksy CH3CH2CH2CH2CH2O- pentoksy CH3 2-metylopropoksy CH3-CH-CH2O 11. Aldehydy (charakterystyczna grupa aldehydowa, tj. –CHO w cząsteczce) O O CH3CH2CHCH2CH CH3CH2CH CH3 propanal 3-metylopentanal Nazwę aldehydu tworzy się dodając do nazwy macierzystego alkanu przyrostek –al. Najdłuższy łańcuch z grupą –CHO stanowi strukturę podstawową, a atom węgla tej grupy (gdy aldehyd zawiera podstawniki w cząsteczce) oznacza się jako C1. W przypoadku niepodstawionych aldehydów numeracja atomów węgla w cząsteczce nie jest konieczna. Niektóre proste aldehydy mają nazwy zwyczajowe, np.: formaldehyd, benzaldehyd. CHO O HCH formaldehyd benzaldehyd 14 Zasady nazewnictwa związków organicznych 12. Ketony (charakterystyczna grupa karbonylowa, tj. >C=O w cząsteczce) O O CH3CHCCH3 CH3CH2CH2CCH3 CH3 pentan-2-on 3-metylobutan-2-on Nazwę ketonu tworzy się od nazwy macierzystego alkanu dodając przyrostek –on, poprzedzony numerem atomu węgla z grupą karbonylową. Najdłuższy łańcuch z grupą ketonową uznaje się za strukturę podstawową, a numerowanie atomów węgla rozpoczyna się od końca bliższego karbonylowego atomu węgla. W przypadku niektórych prostszych związków z tej grupy nazwy tworzy się wymieniając w kolejności alfabetycznej nazwy grup połączonych z grupą karbonylową, poprzedzając je słowem „keton”. O O CH3CCH3 propanon (keton dimetylowy, aceton) CH3CH2CCH3 butan-2-on (keton etylowo-metylowy) 13. Kwasy karboksylowe (charakterystyczna grupa karboksylowa, tj. –COOH w cząsteczce) CH3 CH3-CH2-COOH CH3CHCH2COOH kwas propanowy lub kwas etanokarboksylowy kwas 3-metylobutanowy kwas 2-metylopropanokarboksylowy Nazwy systematyczne kwasów karboksylowych tworzy się dwojako: 1o sposób Do nazwy macierzystego alkanu z końcówką –owy dodaje się słowo kwas, a atom węgla w grupie karboksylowej jest oznaczany jako C1. 2o sposób Nazwa łańcucha głównego nie obejmuje grupy karboksylowej, a atom węgla, do którego przyczepiona jest grupa karboksylowa, jest oznaczany jako C1. Do nazwy macierzystego alkanu dodaje się wówczas słowo kwas i końcówkę -karboksylowy. 15 Zasady nazewnictwa związków organicznych W przypadku tej grupy związków stosowane są często nazwy zwyczajowe, np.: kwas mrówkowy, octowy, propionowy, benzoesowy. COOH HCOOH kwas mrówkowy CH3COOH kwas octowy kwas benzoesowy 14. Pochodne kwasów karboksylowych (halogenki kwasowe, bezwodniki kwasowe, estry, amidy) O O R C X Halogenek kwasowy O R C O C R Bezwodnik kwasowy O R C OH Kwas O O R C O R' R C NH2 Ester Amid O Pochodne kwasów karboksylowych zawierają charakterystyczną grupę acylową R C Nazwę tej grupy tworzy się od nazwy macierzystego alkanu dodając końcówkę –oil lub stosując nazwy zwyczajowe. Przykłady grup acylowych: O O O O O H C CH3 C CH3CH2 C CH3CH2CH2 C C Etanoil Acetyl Propanoil Propionyl Metanoil Formyl Butanoil Butyryl Benzoil Halogenki kwasowe Nazwy halogenków kwasowych tworzy się podając nazwę odpowiedniego halogenku i grupy acylowej (systematyczną lub zwyczajową). Gdy halogenek kwasu łańcuchowego zawiera w cząsteczce podstawniki, podaje się ich położenie, oznaczając atom węgla grupy acylowej numerem 1. O CH 3 C Cl Chlorek etanoilu Chlorek acetylu O C Br Bromek benzoilu 16 CH3-CH-CH2-C-Cl CH3 O Chlorek 3-metylobutanoilu Zasady nazewnictwa związków organicznych Związki te można również nazywać w oparciu o nazwę kwasu macierzystego poprzedzając ją nazwą odpowiedniego halogenku. O O CH3 C Cl CH3CH2 C Br CH3-C-CH2-CH2-CH2--C-Br CH3 Bromek kwasu propanowego O Bromek kwasu 5,5-dimetyloheksanowego Chlorek kwasu benzoesowego Bezwodniki kwasowe W przypadku bezwodników symetrycznych (otrzymywanych z takiego samego kwasu karboksylowego) nazwy tworzy się, zastępując słowo kwas słowem bezwodnik lub dodając słowo bezwodnik do nazwy macierzystego kwasu. O O O O CH3 C O C CH3 CH3CH2 C O C CH2CH3 Bezwodnik octowy Bezwodnik kwasu propanowego Bezwodniki niesymetryczne (otrzymywane z różnych kwasów karboksylowych) nazywa się podobnie, przy czym nazwy kwasów podaje się w porządku alfabetycznym. O O C O C CH3 Bezwodnik benzoesowo-octowy Estry W nazwie estru określa się część kwasową i węglowodorową, najczęściej alkilową (wprowadzoną w miejsce atomu wodoru w grupie karboksylowej). Część kwasowa ma końcówkę –an lub –ian zamiast końcówki –owy występującej w nazwie kwasu macierzystego, część alkilowa (lub inna węgllowodorowa) natomiast podawana jest w dopełniaczu. O CH3C O Octan fenylu O O CH3CH2C O CH2CH3 Propanian etylu 17 C O CH3 Benzoesan metylu Zasady nazewnictwa związków organicznych W przypadku estrów kwasów łańcuchowych zawierających podstawniki w części kwasowej podaje się ich położenie w nazwie, oznaczając atom węgla grupy acylowej numerem 1. Gdy podstawniki znajdują się w części alkilowej (lub ogólnie: węglowodorowej) numeruje się atomy węgla tej części tak, że atom węgla łączący się z atomem tlenu ma numer 1. CH3 CH3 CH3-C-CH2-CH2--C-OCH3 CH3 CH3-CH-CH2--C-OCH2-CH-CH3 O O CH3 3-metylobutanian 2-metylopropylu 4,4-dimetylopentanian metylu Amidy Nazwy amidów tworzy się, dodając do nazwy macierzystego alkanu końcówkę –oamid lub zamieniając końcówkę –yl (-oil) w nazwie grupy acylowej na przyrostek –amid. O CH3 C NH2 Acetamid O O C NH2 CH3CH2CH2 C NH2 Butanoamid Benzamid Związki te można także określać, poprzedzając nazwę macierzystego kwasu karboksylowego słowem amid. O CH3CH2 C NH2 Amid kwasu propanowego W przypadku amidów podstawionych przy atomie azotu najpierw określa się podstawniki, a następnie podaje nazwę amidu macierzystego. Nazwę podstawników poprzedza się lokantem „N”, co oznacza bezpośrednie podstawienie przy atomie azotu. Nazwy amidów kwasów łańcuchowych zawierających podstawniki w części kwasowej tworzy się oznaczając atom węgla grupy acylowej numerem 1. O H CH3 C N O O H CH3 -CH-CH2 -C N CH3 Br H C N(CH3)2 N,N-dimetyloformamid (DMF) N-fenyloacetamid N-metylo-3-bromobutanoamid 14. Nitrozwiązki (charakterystyczna grupa –NO2 w cząsteczce) CH3CH2CH2NO2 1-nitropropan 18 Zasady nazewnictwa związków organicznych Do nazwy macierzystego węglowodoru dodaje się przedrostek nitro-. Grupę nitrową traktuje się jako podstawnik, a jej pozycję podaje się wymieniając numer atomu węgla, z którym jest ona związana. 15. Aminy Aminy alifatyczne Aminy pierwszorzędowe (charakterystyczna grupa —NH2 w cząsteczce) CH2CH2NH2 etyloamina Nazwy tworzy się przez dodanie przyrostka –amina do nazwy podstawnika alkilowego. Aminę można potraktować również jako pochodną węglowodoru, zwłaszcza w przypadku amin zawierających inne grupy funkcyjne. Wówczas grupę -NH2 można wymienić jako podstawnik aminowy oraz określić jego pozycję w związku macierzystym. NH2 CH3CH2CH2CHCH3 CH3CH2CHCOOH NH2 2-aminopentan kwas 2-aminobutanowy Aminy drugorzędowe i trzeciorzędowe (charakterystyczne grupy w cząsteczce, odpowiednio: —NH— lub —N— ) │ W przypadku symetrycznych amin do nazwy dodaje się przedrostek di- lub tri-, np.: difenyloamina, trietyloamina. CH2CH3 N CH3CH2 CH2CH3 trietyloamina trietyloamin Aminy niesymetryczne drugorzędowe i trzeciorzędowe nazywa się jako N-podstawione aminy pierwszorzędowe. Nazwę największej grupy alkilowej wybiera się za nazwę macierzystą, a pozostałe grupy traktuje jako N-podstawniki (dołączone do atomu azotu), wymieniając je w kolejności alfabetycznej. CH3CH CH3CH2CH2NHCH3 N CHCH2CH2CH3 N-metylopropyloamina CH 3 N-etylo-N-metylobutyloamina 19 Zasady nazewnictwa związków organicznych Aminy aromatyczne CH3 CHCH3 NHCH3 NH2 N Br N-metyloanilina anilina 2-bromo-N-etylo-N-metyloanilina Aminy aromatyczne traktuje się jako pochodne aniliny (aminobenzenu), a pozostałe grupy jako N-podstawniki. 16. Związki zawierające w cząsteczkach różne grupy funkcyjne Jeżeli w cząsteczce związku organicznego znajduje się kilka różnych grup funkcyjnych, to nazwę systematyczną tworzy się w oparciu o zasady obowiązujące dla grupy związków o grupie funkcyjnej mającej pierwszeństwo, a inne grupy funkcyjne traktuje się jak podstawniki. Wybrane grupy funkcyjne, występujące w cząsteczkach związków organicznych ułożone według pierwszeństwa przedstawiono w Tabeli 4. Tabela zawiera również nazwy tych grup, traktowanych jako podstawniki. Przykłady: OH NH2 CH3CHCOOH CH3CH2CHCOOH kwas 2-aminobutanowy kwas 2-hydroksypropanowy (nazwa zwyczajowa: kwas mlekowy) NH2 OH CH2CHCOOH OH CH3CHCH2CHCOOH kwas 2,4-dihydroksypentanowy OH kwas 2-amino-3-hydroksypropanowy 20 Zasady nazewnictwa związków organicznych Tabela 4. Wybrane grupy funkcyjne występujące w związkach organicznych uszeregowane według ich pierwszeństwa oraz nazwy tych grup traktowanych jako podstawniki. Grupa funkcyjna Klasa związku Nazwa podstawnika -COOH kwasy karboksylowe karboksy -COOR estry R-oksykarbonylo np. metoksykarbonylo (R=CH3), etoksykarbonylo (R=C2H5) itd. -CONH2 amidy karbamoilo -CHO aldehydy formylo >C=O ketony okso -OH alkohole, fenole hydroksy -NH2 aminy amino -OR etery R-oksy, np. metoksy (R=CH3), etoksy (R=C2H5) itd. 21 Nazewnictwo - zadania 4. NAZEWNICTWO ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH Zadania 1. Węglowodory 1. Narysuj wzory podstawników węglowodorowych o podanych nazwach. W przypadku nazw zwyczajowych podaj nazwy systematyczne. a) metyl k) metylen b) etyl l) benzyliden c) 1-metyloetyl m) 1-izopropylo-2-etylopentyl d) 2,2-dimetylopropyl n) 2-metylocyklopentyl e) butyl o) izobutyl f) fenyl p) m-fenylen g) 2,3,3-trimetylobutyl q) 1,1-dimetyloetyl h) benzyl r) 3-etylofenyl i) o-fenylen s) winyl j) cykloheksyl t) t-butyl 2. Do jakich grup węglowodorów należą te, których wzory pokazano poniżej? Podaj nazwy systematyczne przedstawionych związków. a) b) CH3 CH3 CH3-C C-C-C CH d) CH3-CH=CH-CH3 CH3-C-CH3 c) CH CH3 f) g) CH3 CH3-C-CH3 CH2-CH2-CH3 i) C-CH2-CH2-CH2-CH3 CH3 CH2-CH3 l) CH3 CH3 CH2 =C-C=CH2 CH2-CH3 CH3-C=C-CH3 CH3 CH2-CH3 CH3 CH3 j) CH3-CH2-CH2-C CH2-CH2-CH3 k) C-CH2-C-CH3 CH3 CH3 CH m) CH -CH -C-CH -CH 3 2 2 3 CH2 CH3 CH3-CH2 -CH-CH2-CH2 -C-CH3 CH3-CH2-CH-CH2-CH2-CH3 CH3-CH-CH-CH-CH2-C-CH3 CH3 CH2CH3 CH3 h) CH3 CH3-C-CH3 e) n) CH -CH=CH-C 3 CH o) CH =CH-CH=CH-CH=CH 2 2 22 p) Nazewnictwo - zadania r) H2 H2 C C H2C CH2 C H2 s) t) CH3 CH3 y) C CH2CH3 CH3 CH3 cc) CH3 ff) jj) ii) nn) kk) oo) ss) ww) CH2CH3 ee) mm) rr) bb) CH2 hh) ll) CH(CH3)2 aa) dd) gg) CH C C H H z) CH-CH2-CH-CH3 CH3 C HC CH 3 CH 3 w) u) H2 H2 CH3 pp) tt) yy) uu) zz) 3. Poniższe nazwy nie są prawidłowe. Narysuj wzory odpowiadające każdej z tych nazw i podaj nazwy właściwe. strukturalne a) 2,2-dimetylo-6-etyloheptan, d) 5,5,6-trimetylooktan, b) 3-etylo-4,4-dimetyloheksan, e) 2-metylopent-3-en, c) 2-izopropylo-4-metyloheptan, f) 2-etyloheks-4-en. związków 4. Określ rzędowość atomów węgla w następujących związkach: a) (CH3)3CCH2C(CH3)3 d) (CH3)3CCH2CH2CH(CH3)2, b) (CH3)2CHCH2CH2CH3, e) CH3CH2CH2CH(CH3)CH2C(CH3)2CH2CH3, c) (CH3)2CHCH(CH2CH3)2, f) CH3CH2CH(CH3)CH2C(CH3)(CH2CH3)CH2CH2CH3, 23 Nazewnictwo - zadania g) (CH3)2CHC(CH3)2CH2CH3, i) h) CH3CH2CH2C(CH3)(CH(CH3)2)CH(CH3)CH2CH3 j) k) l) m) 5. Podaj przykład alkanu, który: a) ma tylko pierwszorzędowe atomy węgla, b) ma tylko pierwszorzędowe i trzeciorzędowe atomy węgla, c) ma jeden czwartorzędowy i jeden drugorzędowy atom węgla, d) ma dwa trzeciorzędowe atomy węgla, a nie ma w ogóle drugorzędowych. 6. Narysuj wzory strukturalne cykloalkanów o podanym wzorze sumarycznym spełniających poniższe kryteria: a) węglowodór C6H12, który ma jeden pierwszorzędowy i jeden trzeciorzędowy atom węgla, b) węglowodór C6H12, który ma dwa pierwszorzędowe i jeden czwartorzędowy atom węgla, c) węglowodór C6H12, który ma dwa pierwszorzędowe i dwa drugorzędowe atomy węgla. 2. Inne grupy związków organicznych 7. Do jakich grup związków organicznych należą te, których wzory pokazano poniżej? Zaznacz i nazwij grupy funkcyjne występujące w przedstawionych związkach oraz podaj nazwy systematyczne tych związków. a) CH -CH -COOH 3 2 e) CH C 3 b) d) c) Cl CH2OH O CH3-CH2-CH2-C N f) CH -O-C H 3 2 5 j) g) CH -CH -NO h) CH2 CH-CH2-CH-CH 3 2 2 CH2Cl k) Cl N CH3 n) CH -CH-CH 3 3 NH2 CHO CH3 o) OH CH3 O O C C H5 C 2 p) CH3 r) O CH3-CH2-C-C CH3 Cl 24 H CH3-C O m) l) CH3 i) CH2 NH2 O CH3 CH3-C-CH3 NH2 C 2 H5 s) O H C H Nazewnictwo - zadania O t) u) N C CH3 z) aa) O y) OCH2CH2CH3 CH 3 OCH3 H 3C w) CH3 bb) O CH3 cc) O CH3-CH-CH-CH2-C-OH CH3-C-CH2-C-CH3 SO3H CH3-CH-CH-CH2-CH-CH3 CH2Br CH2CH3 CH3 dd) Br ee) CH3 ff) CH3 OH O CH3-CH-CH2-CH-CH3 CH3(CH2)3 C N(CH3)2 ii) Br CH3 CH3 jj) O gg) CH3 CH3 C O2N CH2 CH3 O H H C N kk) hh) CH CH CH CHNH 3 2 2 2 SO3H CH3 CH2CH3 mm) ll) O C O CH2CCH3 CH3CH2 C O C CH2CH2CH3 oo) O CH3CH2 C Br CH3 pp) rr) CH3 N H nn) CH3 O O O CH2 SO3H CH3 C ss) H CH2 COOH Br NO2 tt) NO 2 O2N ww) uu) yy) O2N Cl COOH OH C O OH NO 2 zz) CH 3 q) O v) H Cl x) Cl COOH NO2 CH3 CH3-CH2-CH-C O OCH2CH2OH 8. Podaj nazwy przedstawionych związków i określ ich rzędowość: a) CH3CH2CH2OH, f) C6H5NHCH3, b) CH3CH(OH)CH2CH3, g) CH3CH2CH2N(CH3)2, c) (CH3)2C(OH)CH3, h) CH3CH2CH2CH(CH2CH3)NO2, d) CH3CH2CH(NO2)CH(CH3)2, i) (CH3)3CNH2, e) CH3CH2CH(CH3)C(CH3)2CH2OH j) C6H5CH2NHCH3 25 k) (CH3)3CNO2 Nazewnictwo - zadania 9. Narysuj wzory związków o podanych nazwach: a) 5-chloro-4,7-dietylo-3,3,8-trimetylodek-1-en b) 2-metylobutanal c) eter fenylowo-metylowy (metoksybenzen) d) 2-chloroheks-3-yn e) 2,2-dimetylocyklopentanon f) bromek formylu g) 1-fenylopropan-2-on (keton benzylowo-metylowy) h) 5-(1-chloroetylo)-5-chloro-3,4-dimetylooktan i) p-metoksyfenol j) eter butylowo-propylowy (propoksybutan) k) fenyloetanal l) kwas o-aminobenzoesowy m) N-etylo-N-metylopropanoamid n) 3,5-dibromotoluen o) kwas 3-chloro-2,2-dimetylopropanowy p) 2-hydroksybenzenokarboaldehyd (aldehyd o-hydroksybenzoesowy) q) N-metylo-3-chlorobutanoamid r) bezwodnik benzoesowy s) 2,2-dimetylopropan-1-ol t) 3,5-dibromotoluen u) 2-metylopropyloamina (izobutyloamina) v) 1-bromo-2-metylocyklobutan w) 1,6–dichloro–3,4,4,5,6–pentametylookt-1-yn x) chlorek butanoilu y) 2-metoksypropanonitryl z) 1–bromo–2,2–dimetylo–3–nitrobutan aa) bezwodnik propanowy bb) mrówczan butylu cc) kwas 2–amino–5–bromo–3–nitrobenzoesowy dd) N,N-dimetylopropyloamina ee) 2-chloro-1-nitropropan ff) 3-chloropentan-2-ol gg) benzoesan fenylu hh) kwas 3,5–dinitrobenzenosulfonowy 26 Nazewnictwo - zadania ii) eter dimetylowy (metoksymetan) jj) m–jodofenol (1-hydroksy-3-jodobenzen) kk) heksanoamid ll) kwas o–etoksybenzoesowy mm) 2-(N-metylo-N-propyloamino)butan nn) bezwodnik mrówkowo-pentanowy oo) 2,4,6–trinitrofenol (1-hydroksy-2,4,6-trinitrobenzen) pp) difenyloamina qq) m–nitrotoluen (1-metylo-3-nitrobenzen) rr) 3-bromo-2-metylo-2-nitropentan ss) pentan-3-on (keton dietylowy) tt) propano-1,2,3-triol uu) prop-2-en-1-ol vv) butanian etylu ww) bromek acetylu xx) kwas 2-aminopropanowy yy) 3,4-dimetylopentanian-2-metylopropylu zz) 4-etylo-2-metyloheptan-2-on aaa) cykloheksanon bbb) 3-(2-metylopropylo)penta-1,4-dien ccc) 2,3,3,4–tetrachloroheks-1-en 10. Narysuj wzory szkieletowe oraz podaj nazwy systematyczne poniższych związków: a) CH3CHBrCH2CH2CCl2CH3 b) CH3CH=CHCH2NO2 c) CHI2CH2CCCH2CH3 d) CH3CCCH(CH2CH2Cl)CH2CH3 e) (CH3)2CHCH2CH2CH2CHO f) CH2BrCH=CHCH2COOH g) (C2H5)COCH(CH3)2 h) CH3CH(NH2)CH2CH2CH(COOH)CH3 27 5. REAKCJE ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH Zadania REAKCJE ALKANÓW 1. Proszę podać wszystkie etapy reakcji: a) chlorowania etanu; b) bromowania 2metylopropanu. Proszę zwrócić uwagę, że w każdej z tych reakcji może powstać produkt nie zawierający w cząsteczce atomu fluorowca. 2. Proszę narysować wzory szkieletowe wszystkich możliwych produktów reakcji monochlorowania następujących alkanów i cykloalkanów (reakcje halogenowania cykloalkanów zachodzą analogicznie jak w alkanach): 3. Proszę uzupełnić schematy reakcji bromowania na świetle poniższych alkanów uwzględniając powstawanie jedynie głównych produktów reakcji. Proszę wyjaśnć pojęcie: szereg trwałości wolnych rodników. 28 REAKCJE ALKENÓW I ALKINÓW 1. Na podstawie schematu proszę: a) b) c) d) narysować wzór półstrukturalny produktu reakcji, podać typ reakcji, której ulega przedstawiony związek (pełna nazwa i symbol), rozpisać mechanizm reakcji z uwzględnieniem powstawania produktu pośredniego, wyjaśnić pojęcia: reguła Markownikowa, karbokation, szereg trwałości karbokationów. 2. Proszę napisać równanie sumaryczne reakcji but-1-enu z HBr w środowisku nadtlenków (ROOR) i rozpisać szczegółowo mechanizm tej reakcji. Proszę podać typ reakcji (pełna nazwa i symbol). 3. W wyniku reakcji 4-metylopent-2-enu z HBr powstaje produkt główny, którym jest 2bromo-2-metylopentan. Proszę wyjaśnić powstawanie tego produktu, rozpisując szczegółowo mechanizm reakcji. 4. Proszę narysować wzory produktów reakcji: but-1-ynu z HBr (1 mol); but-1-ynu z HBr (2 mole) but-2-ynu z HBr (1 mol); but-2-ynu z HBr (2 mole) Jaki to jest typ reakcji? – proszę podać pełną nazwę i symbol. 5. Proszę uzupełnić schematy rysując wzory pośrednich karbokationów oraz produktów końcowych następujących reakcji: 29 6. Proszę uzupełnić schematy rysując wzory substratów lub produktów reakcji ozonolizy alkenów: 7. Proszę uzupełnić schematy, rysując wzory poszczególnych związków organicznych: 30 WĘGLOWODORY AROMATYCZNE 1. Proszę narysować i nazwać produkty podanych reakcji. Na wybranym przykładzie proszę przedstawić wszystkie struktury rezonansowe produktu pośredniego. Jaki to jest typ reakcji? – proszę podać pełną nazwę i symbol. 2. Proszę narysować i nazwać produkty podanych reakcji, Jaki to jest typ reakcji? – proszę podać pełną nazwę i symbol. 31 3. a) b) c) d) 4. Proszę uporządkować podane związki w szeregu ich reaktywności w reakcji substytucji elektrofilowej i uzasadnić swoją odpowiedź. benzen, nitrobenzen, anilina, fenol, chlorobenzen, kwas benzoesowy, benzaldehyd, benzen, bromobenzen, toluen, p-ksylen, benzen. Proszę uzupełnić chemografy. 32 REAKCJE HALOGENKÓW ALKILOWYCH I ALKOHOLI 1. Na przykładzie poniższej reakcji proszę przedstawić mechanizm substytucji nukleofilowej dwucząsteczkowej (SN2). a) b) c) Proszę wyjaśnić, dlaczego reakcja przebiega według mechanizmu SN2. Czy chloropochodna (substrat) i tiol (produkt) są związkami optycznie czynnymi? Jaki wpływ na szybkość reakcji miałoby zmniejszenie o połowę stężenia wodorosiarczku sodu i dwukrotne zwiększenie stężenia chlorku alkilowego? d) Jak na szybkość reakcji wpłynęłoby trzykrotne zwiększenie stężenia obu reagentów? 2. Proszę przedstawić, w sposób stereochemiczny, mechanizm SN2, reakcji 2-jodobutanu z NaOH. Czy jodek alkilowy (substrat) i alkohol (produkt) są związkami optycznie czynnymi? 3. Proszę rozpisać, w sposób stereochemiczny, mechanizm reakcji SN1 na przykładzie reakcji 3-jodo-3-metyloheksanu z etanolem. a) Proszę wyjaśnić, dlaczego reakcja przebiega według mechanizmu SN1. b) Proszę wyjaśnić, dlaczego produkt reakcji optycznie czynnego jodku alkilowego jest nieczynny optycznie. c) Jaki wpływ na szybkość reakcji będzie miało trzykrotne zwiększenie stężenia halogenku alkilowego? 4. W reakcji 1-chlorobutanu z rozcieńczonym roztworem NaOH otrzymano butan-1-ol. Jaki jest mechanizm tej reakcji? Proszę uzasadnić odpowiedź. Proszę napisać równanie kinetyczne tej reakcji. 5. Na przykładzie metanolu, który poddano działaniu HBr proszę przedstawić mechanizm reakcji substytucji nukleofilowej. Proszę napisać równanie kinetyczne tej reakcji oraz 33 określić, jaki wpływ na jej szybkość miałoby dwukrotne zwiększenie stężenia anionów bromkowych. 6. Proszę zaproponować mechanizm reakcji 2-metylobutan-2-olu z HCl. Proszę rozpisać poszczególne etapy tej reakcji i wskazać etap najwolniejszy. Czy substrat i produkt główny są optycznie czynne? 7. Działając chlorowodorem na 3-metylobutan-2-ol otrzymano mieszaninę produktów: 2chloro-3-metylobutan i 2-chloro-2-metylobutan. Proszę przedstawić mechanizm reakcji oraz wytłumaczyć powstawanie mieszaniny produktów, wskazując produkt główny. 8. Jakie produkty tworzą się w wyniku reakcji eliminacji następujących halogenków alkilowych? Które z produktów będą produktami głównymi? 34 9. Proszę podać główne produkty eliminacji oraz określić mechanizm reakcji (E1 lub E2). 35
