Οργανική Χημεία Αναρωτηθήκατε ποτέ τι προκαλεί την αστραπή ή τον κεραυνό;

Transcript

1 Οργανική Χημεία Πέτρος Ταραντίλης Αναπληρωτής Καθηγητής Εργαστήριο Χημείας, Τμήμα Επιστήμης Τροφίμων και Διατροφής του Ανθρώπου Ιερά Οδός 75, Αθήνα, Τηλ.: , Fax:

2 Οργανική Χημεία Αναρωτηθήκατε ποτέ τι προκαλεί την αστραπή ή τον κεραυνό; Η αστραπή είναι ηλεκτρική εκκένωση μεταξύ δυο νεφών, που προκαλεί επιμήκη σπινθήρα Ο κεραυνός είναι ηλεκτρική εκκένωση μεταξύ σύννεφου και εδάφους σε ώρα καταιγίδας Οι Φυσικοί μελετώντας τη φύση και τη ροή των ηλεκτρονίων ελέγχουν το πλήγμα από τον κεραυνό με το αλεξικέραυνο που έλκει τον κεραυνό και εμποδίζει το απευθείας πλήγμα στο κτήριο. Άρα καθοδηγούν τα ηλεκτρόνια σε έναν κεραυνό. Οι Χημικοί αντίστοιχα ανακάλυψαν πώς να κατευθύνουν τα ηλεκτρόνια στις χημικές αντιδράσεις. Οργανική Χημεία: μελέτη των ενώσεων που περιέχουν άτομα άνθρακα, στην πραγματικότητα είναι η μελέτη των ηλεκτρονίων, όχι των ατόμων. 2

3 Οργανική Χημεία Bergman το 1770 είναι ο πρώτος που έθεσε τα όρια ανάμεσα στις οργανικές και ανόργανες χημικές ουσίες και ο όρος «Οργανική» κατάληξε να σημαίνει τη χημεία των ενώσεων που προέρχονται από ζωντανούς οργανισμούς Στις αρχές του 19 ου αιώνα Οργανικές ενώσεις: προέρχονται από ζωντανούς οργανικούς (φυτά και ζώα) Ανόργανες ενώσεις: προέρχονται από μη έμβιες πηγές (ορυκτά και αέρια) Βιταλιστική θεωρία 3

4 Οργανική Χημεία Chevreul το 1816 ανακάλυψε την παρασκευή του σαπουνιού από την αντίδραση αλκαλίων με ζωικό λίπος. Wöhler το 1828 απέδειξε ότι η ουρία, μια οργανική ένωση, ήταν δυνατόν να παρασκευαστεί από μια μη ζωντανή πηγή, το «ανόργανο άλας» κυανικό αμμώνιο: Θερμότητα Κυανικό αμμώνιο Ανόργανη ένωση Ουρία Οργανική ένωση 4

5 Οργανική Χημεία Οργανικές ενώσεις: Ορίζονται εκείνες που περιέχουν άτομα άνθρακα Ανόργανες ενώσεις: Ορίζονται γενικά εκείνες που στερούνται ατόμων άνθρακα Σήμερα η χημεία είναι ενοποιημένη Η διάκριση μεταξύ οργανικής και ανόργανης διατηρείται για λόγους πρακτικούς λόγους 5

6 Οργανική Χημεία Οργανικές ενώσεις είναι οι ενώσεις του άνθρακα και η οργανική χημεία μελετά τη δομή τους και τις αντιδράσεις τους Οργανικές ενώσεις: βιολογικά μόρια, φάρμακα, διαλύτες, χρώματα, πρόσθετα τροφίμων, φυτοφάρμακα κ.ά. Δεν συμπεριλαμβάνονται: το μονοξείδιο CO, και το διοξείδιο CO 2 του άνθρακα, το ανθρακικό οξύ H 2 CO 3, τα ανθρακικά άλατα (CO 3-2 ), τα καρβίδια ενώσεις των μετάλλων με άνθρακα π.χ. καρβίδιο του λιθίου (Li 2 C 2 ) ανθρακασβέστιο (CaC 2 ), ο διθειάνθρακας (CS 2 ) και τα κυανιούχα άλατα (CN - ) (ανόργανα) 6

7 Οργανικές Ενώσεις Πως σχηματίζονται οι οργανικές ενώσεις; Τα άτομα συνδέονται μεταξύ τους με δεσμούς. Δηλαδή, οι δεσμοί είναι η «κόλλα» που τα συγκρατεί συνδεδεμένα προς σχηματισμό ενώσεων. Όμως ποια είναι αυτή η μυστήρια «κόλλα» και πώς ενεργεί; Για να απαντήσουμε στην παραπάνω ερώτηση, πρέπει να εστιάσουμε την προσοχή μας στα ηλεκτρόνια. 7

8 Οργανικές Ενώσεις Μονάδες Συγγένειας - Δεσμοί 1. Το άτομο του άνθρακα έχει τέσσερα μονήρη ηλεκτρόνια, δηλαδή τέσσερις μονάδες συγγένειας. Μονάδα συγγένειας Μονήρες ηλεκτρόνιο 2. Αντίστοιχα το άτομο του υδρογόνου έχει ένα μονήρες ηλεκτρόνιο, δηλαδή μια μονάδα συγγένειας. H 8

9 Οργανικές Ενώσεις Μονάδες Συγγένειας - Δεσμοί 3. Το άτομο του οξυγόνου έχει δύο μονήρη ηλεκτρόνια, δηλαδή δύο μονάδες συγγένειας. O 4. Το άτομο του αζώτου έχει τρία μονήρη ηλεκτρόνια, δηλαδή τρεις μονάδες συγγένειας. 9

10 Οργανικές Ενώσεις Τι είναι ο χημικός δεσμός; Πότε και γιατί δημιουργείται; Χημικός δεσμός, είναι η «κόλλα» που δένει τα άτομα προς σχηματισμό ενώσεων Χημικός δεσμός δημιουργείται, όταν οι δομικές μονάδες της ύλης (άτομα, μόρια ή ιόντα) πλησιάσουν αρκετά, ώστε οι ελκτικές δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ τους (π.χ. μεταξύ του πυρήνα του ενός ατόμου και των ηλεκτρονίων του άλλου) να υπερβούν τις απωστικές δυνάμεις που αναπτύσσονται (π.χ. μεταξύ των πυρήνων ή μεταξύ των ηλεκτρονίων τους). Οι διασυνδέσεις αυτές των ατόμων γίνονται μέσω των ηλεκτρονίων σθένους, δηλαδή των ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας. H δημιουργία του χημικού δεσμού οδηγεί το σύστημα σε χαμηλότερη ενέργεια, δηλαδή σταθερότερο. 10

11 Οργανικές Ενώσεις Τι είναι ο χημικός δεσμός; Πότε και γιατί δημιουργείται; ΔΗ=-436 KJ/mol 11

12 Οργανικές Ενώσεις Παράγοντες που καθορίζουν τη χημική συμπεριφορά των ατόμων Η χημική συμπεριφορά των στοιχείων καθορίζεται κατά κύριο λόγο από δύο παραμέτρους. Αυτές είναι: 1. τα ηλεκτρόνια σθένους 2. το μέγεθος του ατόμου (ατομική ακτίνα) 12

13 Οργανικές Ενώσεις Ηλεκτρόνια σθένους Η ηλεκτρονιακή δομή και κυρίως τα εξωτερικά ηλεκτρόνια (ηλεκτρόνια σθένους) ευθύνονται για τη χημική συμπεριφορά του ατόμου. Στοιχεία που έχουν συμπληρωμένη την εξωτερική στιβάδα του ατόμου τους με οκτώ ηλεκτρόνια (εκτός από τη στιβάδα Κ που συμπληρώνεται με δύο), δεν έχουν την τάση να σχηματίζουν χημικές ενώσεις. Άτομα άλλων στοιχείων, που δεν έχουν συμπληρωμένη την εξωτερική στιβάδα, τείνουν να αποκτήσουν αυτή τη δομή, δηλαδή να «μοιάσουν» με τα ευγενή αέρια. Συνδέονται χημικά μεταξύ τους, αποβάλλοντας ή προσλαμβάνοντας ή συνεισφέροντας ηλεκτρόνια, ώστε να αποκτήσουν τη σταθερή ηλεκτρονική δομή των ευγενών αερίων (κανόνας της οκτάδας). 13

14 Οργανικές Ενώσεις Ατομική ακτίνα (το μέγεθος του ατόμου) Το μέγεθος ενός ατόμου καθορίζει τη δύναμη με την οποία τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας συγκρατούνται από τον πυρήνα, αφού μεταξύ του θετικά φορτισμένου πυρήνα και των αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων ασκούνται δυνάμεις ηλεκτροστατικής φύσης (Coulomb). Συνεπώς, όσο πιο μικρό είναι ένα άτομο, τόσο πιο δύσκολα χάνει ηλεκτρόνια ή τόσο πιο εύκολα παίρνει ηλεκτρόνια (μεγάλη έλξη από τον πυρήνα). Αντίθετα, όσο πιο μεγάλο είναι ένα άτομο, τόσο πιο εύκολα χάνει ηλεκτρόνια ή τόσο πιο δύσκολα παίρνει ηλεκτρόνια, (μικρή έλξη από τον πυρήνα). 14

15 Οργανικές Ενώσεις Πώς σχηματίζονται οι οργανικές ενώσεις; + Επικάλυψη υβριδικών τροχιακών του άνθρακα και ατομικών τροχιακών των υπολοίπων ατόμων Σχεδίαση Δομής Lewis Μικρού Μορίου 15

16 Οργανικές Ενώσεις Είδη χημικών δεσμών (Μη Πολικοί) Ομοιοπολικοί: τα άτομα που σχηματίζουν δεσμό μοιράζονται τα ηλεκτρόνια ισότιμα Πολικοί Ομοιοπολικοί: Ένα από τα άτομα έλκει τα ηλεκτρόνια του δεσμού περισσότερο από το άλλο Ιοντικοί: το άτομο με υψηλή τιμή ηλεκτραρνητικότητας έλκει ισχυρά τα συζευγμένα ηλεκτρόνια 16

17 Οργανικές Ενώσεις Είδη χημικών δεσμών Τα ηλεκτρόνια τείνουν να απομακρύνονται από τα άτομα χαμηλότερης ηλεκτραρνητικότητας και να βρίσκονται πλησιέστερα προς τα άτομα υψηλότερης ηλεκτραρνητικότητας. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά στην ηλεκτραρνητικότητα, τόσο πιο πολικός είναι ο δεσμός. 17

18 Μοριακές Αναπαραστάσεις: Σχεδίαση Χημικών Δομών Πώς γράφουμε τις οργανικές ενώσεις; Μοριακός Τύπος: C 5 H 12 Δομή Kekulé και Δομή Lewis Συμπυκνωμένη δομή και Μερικώς συμπυκνωμένη δομή Σκελετική δομή Δομή Kekulé Συμπυκνωμένες δομές Σκελετική δομή 18

19 Μοριακές Αναπαραστάσεις: Σχεδίαση Χημικών Δομών Πώς γράφουμε τις οργανικές ενώσεις; Δοθέντος ότι υπάρχουν τρία ισομερή της προπανόλης (κάτω), ποιες από τις παραπάνω δομές επαρκούν για να αναπαραστήσουν μόνο τη ισοπροπανόλη και όχι τα ισομερή της; 19

20 Μοριακές Αναπαραστάσεις: Σχεδίαση Χημικών Δομών Συμπυκνωμένη δομή Καταγράφονται όλα τα άτομα Δεν καταγράφονται οι δεσμοί C - C και C - H Σκελετική δομή 2-Μεθυλοβουτάνιο Δεν αναγράφονται οι C Δεν αναγράφονται τα H που ενώνονται με C Αναγράφονται όλα τα άλλα άτομα πλην του C 2-Μεθυλοβουτάνιο Βουτανόλη 20

21 Μοριακές Αναπαραστάσεις: Σχεδίαση Χημικών Δομών Θεωρήστε το αντιβιοτικό αμοξυκιλίνη. Η δομή Lewis του μορίου φαίνεται ακατάστατη, και η σχεδίασή της θα ήταν αρκετά χρονοβόρα Η σκελετική δομή διαβάζεται και σχεδιάζεται ευκολότερα 21

22 Μοριακές Αναπαραστάσεις: Σχεδίαση Χημικών Δομών Σκελετικές Δομές. Τα ετεροάτομα (άτομα εκτός του C και του H) θα πρέπει να αναγράφονται με όλα τα άτομα υδρογόνου που συνδέονται με αυτά καθώς και τα μονήρη ζεύγη ηλεκτρονίων Μη σχεδιάσετε ΠΟΤΕ ένα άτομο άνθρακα με περισσότερους από 4 δεσμούς!! 22

23 Μοριακές Αναπαραστάσεις: Σχεδίαση Χημικών Δομών Σκελετικές Δομές. Όπως και στις δομές Lewis, οι γραμμές σχεδιάζονται μεταξύ των ατόμων για να δείξουν ομοιοπολικούς δεσμούς Τα άτομα συνδέονται υπό γωνίες (ζιγκ ζαγκ) αναπαριστώντας την πραγματική γεωμετρία των γωνιών των δεσμών Τα άτομα άνθρακα δεν αναγράφονται, αλλά ένα άτομο άνθρακα υποτίθεται ότι βρίσκεται σε κάθε γωνία ή άκρο της γραμμής στο ζιγκ ζαγκ. 23

24 Μοριακές Αναπαραστάσεις: Σχεδίαση Χημικών Δομών Σκελετικές Δομές. Θα πρέπει να είστε σε θέση να χρησιμοποιήσετε τη γλώσσα των σκελετικών δομών για να ερμηνεύετε τη θέση και τον αριθμό των ατόμων H σε ένα μόριο Τα άτομα H δεν απεικονίζονται, ωστόσο μπορούμε να υποθέσουμε ότι υπάρχουν αρκετά για να συμπληρώσουν την οκτάδα των ηλεκτρονίων (4 δεσμοί) κάθε ατόμου άνθρακα 24

25 Μοριακές Αναπαραστάσεις: Σχεδίαση Χημικών Δομών Σκελετικές Δομές. Εάν σας δοθεί μία δομή Lewis ή μία συμπυκνωμένη δομή, θα πρέπει επίσης να είστε σε θέση να σχεδιάσετε την αντίστοιχη σκελετική δομή Αναπαραστήστε τις γωνίες δεσμών με ζιγκ-ζαγκ 25

26 Μοριακές Αναπαραστάσεις: Σχεδίαση Χημικών Δομών Σκελετικές Δομές. Μας επιτρέπουν να εξετάσουμε γρήγορα πως μία χημική αντίδραση έχει αλλάξει ένα μόριο Συγκρίνετε τις παρακάτω συμπυκνωμένες δομές με τις σκελετικές δομές της ίδιας αντίδρασης Ποια αναπαράσταση καθιστά πιο εμφανές ότι το H 2 αντιδρά για να μετατρέψει τον διπλό δεσμό σε απλό; 26

27 Μοριακές Αναπαραστάσεις: Σχεδίαση Χημικών Δομών Κορεσμένες: Όλοι οι δεσμοί μεταξύ των ανθράκων είναι απλοί Ακόρεστες: Όταν μεταξύ ατόμων άνθρακα υπάρχει ένας τουλάχιστον διπλός ή τριπλός δεσμός. Κυκλικές: Κορεσμένες Ακόρεστες. 27

28 Μοριακές Αναπαραστάσεις: Σχεδίαση Χημικών Δομών Πόσα είναι τα H που ενώνονται σε κάθε C; (-)-Καρβόνη (στο εκχύλισμα του διόσμου) (+)-Καρβόνη (στους σπόρους του αγριοκύμινου) Καρβόνη C 10 H 14 Ο 28

29 Μοριακές Αναπαραστάσεις: Σχεδίαση Χημικών Δομών Πόσα είναι τα H που ενώνονται σε κάθε C; Κοκαΐνη Erythroxylum coca Ατροπίνη Atropa belladona 29

30 Μοριακά μοντέλα Η Οργανική Χημεία είναι η επιστήμη των τριών διαστάσεων και η μοριακή διάταξη μιας ένωσης στο χώρο έχει συνήθως καίρια σημασία για τον καθορισμό της χημικής συμπεριφοράς 30

31 Σχεδίαση Χημικών Δομών - Μοριακά μοντέλα Σχεδιασμός συντακτικών και στερεοχημικών τύπων Υπολογισμός σχετικής ενέργειας διαμορφωμερών Με τη βοήθεια κατάλληλου λογισμικού Chemistry Freeware ACD/ChemSketch 12 Freeware Accelrys Draw free chem software ChemBioOffice Desktop for Life Science Managers and Educators ChemBioOffice Ultra 2010 Trial Download Two Week English This free demo is a fully functional version of ChemBioOffice Ultra 2010

32 CS ChemDraw

33 CS ChemDraw CS ChemDraw: One tool, many uses Drawing pictures Entering structural data Analyzing chemical structures

34 CS ChemDraw Drawing pictures ChemDraw allows you to draw pictures: Quickly Accurately Following specific drawing conventions With high-quality output Most common use of ChemDraw

35 CS ChemDraw Chemical name from structure Find the systematic name for most organic structures Can generate names for about 80% of structures O H H (3R,3aS,5aS,9bS)-3a,4,5,5a-tetrahydro-3,5a,9- trimethylnaphtho[1,2-b]furan-2,8(3h,9bh)-dione O O

36 CS ChemDraw Structure from chemical name Enter a systematic name, have structure drawn for you Can generate structures for 70-90% of names Can generate structures even for non-systematic names O S O O S O S O O ethyl isopropyl 2,2'- thiodibenzenesulfonic acid

37 Οργανική Χημεία Σχετική Βιβλιογραφία Οργανική Χημεία για τις Επιστήμες της Ζωής David Klein Κεφάλαια: 1 (1.)1 και 2 (2.1, 2.2, 2.6) «Οργανική Χημεία», Wade JR. 6η έκδοση, Κεφάλαια: 1.1, 1.11 «Οργανική Χημεία», John McMurry, 6η έκδοση, Κεφάλαια: 1 εισαγωγή, 2.9,