Α Ε Τ. ΤΕΙ Αθήνας. Οργανική Χημεία της συντήρησης (ή Γενική Οργανική Χημεία Για Συντηρητές) Ενότητα 1 Εισαγωγή. Διδάσκων: Στ.

Transcript

1 Οργανική Χημεία της συντήρησης (ή Γενική Οργανική Χημεία Για Συντηρητές) Ενότητα 1 Εισαγωγή Διδάσκων: Στ. Μπογιατζής Επίκουρος καθηγητής

2 Προτεινόμενα βιβλία Α. Βάρβογλη. ΕΠΙΤΟΜΗ ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ Εκδόσεις Ζήτη, Εύδοξος: Βιβλίο [10998] J. McMurry, Οργανική Χημεία Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, (σε ένα τόμο), Εύδοξος: Βιβλίο [ ]

3 Γιατί Οργανική Χημεία? Υλικά συντήρησης Υλικά κατασκευής των έργων τέχνης Οργανικά υπολείμματα σε ανασκαφικά ευρήματα Οργανικοί διαλύτες Κατανόηση του «οργανικού» κόσμου που μας περιβάλλει

4 Η ιδιαιτερότητα των οργανικών χημικών ενώσεων Χημικές ενώσεις του άνθρακα Εκτός από άνθρακα (C), απαντώνται (κυρίως) τα στοιχεία:, O, N, S, P, Cl, Br, I Μεγάλο πλήθος χημικών ενώσεων (~ ), που οφείλεται στην ικανότητα των ατόμων άνθρακα να ενώνονται και μεταξύ τους σε πρακτικά απεριόριστους συνδυασμούς. Δημιουργία ανθρακικών «σκελετών»

5 Ποια στοιχεία απαντώνται συχνότερα στις οργανικές ενώσεις;

6 Οργανικές ενώσεις: συστατικά των ζωντανών οργανισμών Μέχρι τις αρχές του 19 ου αιώνα οι οργανικές ενώσεις ήταν «απρόσιτες» για μελέτη. Το κύριο ενδιαφέρον συγκέντρωναν οι ανόργανες που ήταν και πιο απλές στη μελέτη και τη σύνθεση

7 Michel Cheuvrel ( ) 1816: Συστηματική σύνθεση των σαπώνων από βάσεις αλκαλιμετάλλων και λιπαρές ύλες. 1823: Μελέτη των λιπιδίων Συμβολή στη χρωματομετρία: χρωματικά διαγράμματα (μοντέλο RYB) Χρωματικό διάγραμμα του Cheuvrel από βιβλίο του Benjamin Silliman (1859)

8 Jakob Berzelius ( ) Υπέρμαχος του «βιταλισμού» (οι οργανικές ενώσεις μπορούν να παρασκευαστούν μόνο από τους ζωντανούς οργανισμούς)

9 Το ξεκίνημα της οργανικής σύνθεσης: 1828: Σύνθεση της ουρίας (N 2 -CO-N 2 ) από ανόργανα υλικά. Το τέλος του «βιταλισμού» Friedrich Wohler

10 Σύνθεση της ουρίας από τον Wohler Τυχαία ανακάλυψη ο Wohler στην πραγματικότητα ήθελε να συνθέσει το κυανικό αμμώνιο χρησιμοποιώντας κυανικό άλας του μολύβδου. _ :Ö:C N:.. Κυανικό ιόν ουρία

11 Σύνθεση της ουρίας :Ö:C N: Κυανικό ιόν ή, πώς να μετατρέψετε ένα ανόργανο άλας σε ένα απλό οργανικό προϊόν μεταβολισμού Animation από _..

12 Η πιο απλή οργανική χημική ένωση: C 4 Μοριακός Τύπος Μεθάνιο C Συντακτικός τύπος C Στερεοχημικός τύπος Μοριακό μοντέλο ball-and-stick

13 3 C 3 C 35 C 4 3 C Ανθρακικοί σκελετοί: C 8 18 C3 3 C C 3 ισοοκτάνιο 3 Ισοοκτάνιο (ή 2,2,4-τριμεθυλο-πεντάνιο) 2 C C C 3 3 C 3 C C C 2 C 3 C C 3 Στερεοχημικός τύπος C 3 Μοριακό μοντέλο ball-and-stick

14 Οι δεσμοί των μορίων είναι άκαμπτοι; Στο μοριακό μοντέλο ball-and-stick οι δεσμοί συμβολίζονται με ένα ραβδάκι Είναι όμως άκαμπτοι, όπως ένα αληθινό ραβδί; Στην πραγματικότητα οι δεσμοί ταλαντώνονται Αποτέλεσμα: όλο το μόριο πάλλεται (=δονείται) Αυτή η ιδιότητα των δεσμών μας είναι χρήσιμη στη μελέτη των χημικών ενώσεων μέσω μεθόδων ανάλυσης (π.χ. FTIR, Raman)

15 Το μόριο του νερού brational_modes

16 Το μόριο του διοξειδίου του άνθρακα brational_modes

17 Ετεροάτομα Όταν στις χημικές ενώσεις περιέχονται μόνο άνθρακας και υδρογόνο, μιλάμε για υδρογονάνθρακες Η παρουσία ετεροατόμων: O, N, S, P, Cl, Br, I Καθορίζει την ομόλογη σειρά

18 Ομοιότητες μεταξύ των οργανικών ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ: ενώσεων Τα συστατικά του καφέ, του τσαγιού και της σοκολάτας μοιάζουν μεταξύ τους. Η μελέτη των τύπων τους έγινε από τον Emil Fischer (1900)

19 Όλα είναι αλκαλοειδή Όλα περιέχουν τον δακτύλιο της πουρίνης Διαφέρουν ως προς τον αριθμό των μεθυλομάδων Καφές, τσάι, κακάο

20 Ενώσεις με δακτυλίους πουρίνης Πουρίνη Αδενίνη Γουανίνη Υποξανθίνη Ξανθίνη θεοβρωμίνη καφεΐνη Ουρικό οξύ Ισογουανίνη

21 Η δομή καθορίζει τις ιδιότητες Η δομή των οργανικών ενώσεων καθορίζει: Τις χημικές ιδιότητες (π.χ. χημικές αντιδράσεις) Τις φυσικές ιδιότητες (π.χ. το σημείο τήξης, βρασμού, κλπ.) Τη φυσική κατάσταση και την «εμφάνιση»: Στερεό/υγρό/αέριο (σε θερμοκρασία δωματίου) Κρυσταλλική/άμορφη φάση στη στερεή κατάσταση Χρώμα

22 O O Br S O O Br Το χρώμα των δεικτών Br Br «μπλε της βρωμοφαινόλης» Αλλαγή χρώματος σε p O ΟΗ - O O Br O S O - Br Br Br O - Το «μπλε της βρωμοφαινόλης»: η δομή της αλλάζει με το p

23 Indigo (ινδικό) Οργανικές χρωστικές O N Και οι δυο έχουν ως βασική δομή την ινδιγοτίνη. N O Πορφύρα

24 Η ινδιγοτίνη C C C C C C C N C O C C C C C C C N C O N O N O N O N O

25 Indigo (ινδικό) Το indigo και η πορφύρα έχουν ως βασική δομή την ινδιγοτίνη. O N ινδιγοτίνη N O αναγωγή O N N Λευκο-ινδιγοτίνη O

26 Το χρώμα στις οργανικές ενώσεις Το χρώμα στις οργανικές ενώσεις εμφανίζεται όταν υπάρχουν συγκεντρωμένοι συζυγιακοί διπλοί δεσμοί. Ινδικό (indigo) (μπλε χρωστική) «δραστική» χημική ένωση: Ινδιγοτίνη istorische_farbstoffsammlung.jpg O N Αυξόχρωμες ομάδες Χρωμοφόρες ομάδες σε συζυγία N O

27 Το έπος της πορφύρας Η πορφύρα απέκτησε συμβολικό χαρακτήρα για την ισχύ στη Ρωμαϊκή και Βυζαντινή αυτοκρατορία: το εμβληματικό χρώμα των αυτοκρατόρων Br O N N O Br

28 Br Η πορφύρα Το έγχρωμο συστατικό της πορφύρας είναι η 6,6 -διβρωμοινδιγοτίνη O N N O Br

29 ΑΠΟ ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΗΣ ΕΡΥΘΡΑΣ ΠΑΛΙΡΡΟΙΑΣ Κόκκινος «βάφτηκε» ο Θερμαϊκός Κόκκινος "βάφτηκε" για μια ακόμη φορά ο Θερμαϊκός κόλπος στη Θεσσαλονίκη. Το φαινόμενο της "ερυθράς παλίρροιας" έκανε την εμφάνισή του στο παραλιακό μέτωπο της πόλης, δημιουργώντας μια τεράστια κοκκινωπή κηλίδα

30 Χημική σύνθεση φαρμακευτικών ουσιών Σύνθεση φαρμακευτικών ουσιών Η σύνθεση της μπρεβετοξίνης Το «δραστικό συστατικό ενός φύκους που προκαλεί την «κόκκινη παλίρροια» Κόκκινη παλίρροια στη La Jolla (Καλιφόρνια)

31 Σύνθεση της μπρεβετοξίνης Η μπρεβετοξίνη (δραστικό δηλητηριώδες συστατικό στην κόκκινη παλίρροια, είναι επίσης δραστική στην καταπολέμηση του καρκίνου Συντέθηκε από τον K. C. Nicolaou το 1995 σε 123 βήματα εργαστηριακής σύνθεσης με μέση απόδοση 91% τελική απόδοση ήταν ~9x10 6!

32 Πώς σχηματίζονται οι ομοιοπολικοί δεσμοί C Μεθάνιο (C 4 ) C Επικάλυψη ηλεκτρονιακών νεφών

33 Χημικοί τύποι (δομές) Lewis Είναι εξαιρετικά χρήσιμοι στην πρόβλεψη της δομής των μορίων Είναι το «απόλυτο» εργαλείο στην πρόβλεψη των χημικών αντιδράσεων Λαμβάνεται υπόψη η ηλεκτρονιακή δομή των ατόμων στα μόρια όπου ανήκουν

34

35 Περιοδικός Πίνακας

36 Σχηματισμός χημικού δεσμού Η.. Η Άτομο υδρογόνου (κατά Lewis) Άτομο υδρογόνου Η. Η Μόριο υδρογόνου

37 Δομές (χημικοί τύποι) κατά Lewis Gilbert N. Lewis: πρότεινε την απεικόνιση των ηλεκτρονίων με τελείες. Επειδή οι χημικοί δεσμοί σχηματίζονται από 2 ηλεκτρόνια, αυτοί θα απεικονίζονται ως ζεύγος άνω και κάτω τελειών..

38 Δομές (χημικοί τύποι) κατά Lewis

39 Δομές (χημικοί τύποι) κατά Lewis «κυβικά» άτομα κατά Lewis 2 μεμονωμένα άτομα 2 άτομα σχηματίζουν δεσμό Ένα κοινό σημείο: ασταθές χημικό ενδιάμεσο

40 Δομές (χημικοί τύποι) κατά Lewis μεθάνιο

41 Δομές (χημικοί τύποι) κατά Lewis

42 Δομές (χημικοί τύποι) κατά Lewis Προπανόλη-2, ισοπροπυλική αλκοόλη, ή ισοπροπανόλη Κάθε δεσμός αναπαριστάται ως ζεύγος ηλεκτρονίων (.. ) που μοιράζεται μεταξύ 2 ατόμων Ηλεκτρόνια εξωτερικών στιβάδων που δεν συμμετέχουν σε δεσμούς αναπαριστώνται ως ασύζευκτο ζεύγος ηλεκτρονίων (.. ), εντοπισμένο σε ένα άτομο.

43 Η. υδρογόνο Ηλεκτρονιακή δομή (Lewis) άνθρακας άζωτο φθόριο : : C : : Κανόνες για τη γραφή των δομών Lewis 1. Αθροίζουμε τα ηλεκτρόνια σθένους όλων των ατόμων του μορίου 2. Συνδέουμε τα άτομα με γραμμές (=δεσμούς) 3. Σε κάθε δεσμό καταλογίζουμε 2 ηλεκτρόνια. 4. Αφαιρούμε τον αριθμό των δεσμικών ηλεκτρονίων από τον συνολικό αριθμό των ηλεκτρονίων (στο C 4 η διαφορά είναι 0)

44 Δομή Lewis του κυανικού ιόντος Δομή Lewis της ουρίας Ηλεκτρονιακοί τύποι Lewis (ή δομές Lewis) :Ö C N: Κυανικό ιόν.. :Ö : C:::N:.. O 2 N.. N.. 2

45 Ηλεκτρονιακή δομή (Lewis) Χημικές ενώσεις με ετεροάτομα (Ο, Ν, Cl) Δεσμικά ηλεκτρόνια Μη δεσμικά ηλεκτρόνια Εάν η διαφορά από την προηγούμενη αφαίρεση είναι διάφορη του μηδενός, τοποθετούμε τα επί πλέον ηλεκτρόνια στα άτομα της δεύτερη σειράς του Περιοδικού Πίνακα (Ο, N, Cl).

46 Να γραφούν οι τύποι Lewis των ενώσεων C O F C C O O

47 Ενέργεια δεσμού Δεσμός Μήκος, (pm) Ενέργεια, (kj/mol) Υδρογόνο O F Cl C Άνθρακας C C C C C= 151 =C C 147 =C C= 148 C=C C C C N C O C F C Cl N Άζωτο N N N N N O Οξυγόνο O O O=O F, Cl, Br, I Αλογόντα F F Cl Cl Br Br Br I I I

48 Τυπικό φορτίο στα άτομα: νερό Το τυπικό φορτίο ενός ατόμου σε μια ένωση εξαρτάται από τη φύση του στοιχείου και το είδος των δεσμών που συμμετέχει Τυπικό φορτίο ατόμου = [ηλεκτρόνια σθένους] Τυπικό φορτίο στο Τυπικό φορτίο στο _ [αριθμός ασύζευκτων ηλεκτρονίων] + ½ [ηλεκτρονίων που συμμετέχουν σε κάθε δεσμό]

49 Τυπικό φορτίο στα άτομα: φορμαλδεϋδη Τυπικό φορτίο ατόμου [αριθμός = [ηλεκτρόνια _ ασύζευκτων + σθένους] ηλεκτρονίων] Τυπικό φορτίο στο Τυπικό φορτίο στο Τυπικό φορτίο στο ½ [ηλεκτρονίων που συμμετέχουν σε κάθε δεσμό] O C

50 Τυπικό φορτίο ατόμου Τυπικό φορτίο στα άτομα: [αριθμός = [ηλεκτρόνια _ ασύζευκτων + σθένους] ηλεκτρονίων] να βρεθούν τα τυπικά φορτία της δομής: Τυπικό φορτίο στο Τυπικό φορτίο στο Τυπικό φορτίο στο ½ [ηλεκτρονίων που συμμετέχουν σε κάθε δεσμό]

51 - Ασύζευκτα ηλεκτρόνια Τα άτομα του οξυγόνου πρέπει να υπακούουν στον κανόνα της οκτάδας + +

52 Περιοδικός Πίνακας

53 Ατομικά Τροχιακά

54 Σχετική ενέργεια των ατομικών τροχιακών 2p 2s 1s 2p x 2p y 2p z

55 Ο άνθρακας

56 διαμάντι Άνθρακας γραφίτης

57 Άνθρακας: αλλοτροπικές μορφές Διαμάντι φουλλερένια (C60, C540, C70) γραφίτης γραφίτης Άμορφος άνθρακας Νανοσωλήνες άνθρακα

58 Δεσμοί μεταξύ ατόμων άνθρακα Στις μορφές του στοιχειακού άνθρακα που είδαμε υπάρχουν μοριακοί δεσμοί μεταξύ ατόμων άνθρακα (C-C) Οι δεσμοί αυτοί, ανάλογα με το είδος τους καθορίζουν τις μορφές του άνθρακα Στο διαμάντι κάθε άτομο C έχει τετραεδρική γεωμετρία Στον γραφίτη κάθε άτομο C αποκτά επίπεδη τριγωνική γεωμετρία Διαμάντι Γραφίτης

59 Πώς ερμηνεύονται οι δομές και η δραστικότητα των μορίων; Πώς ερμηνεύεται η δομή του γραφίτη και του διαμαντιού; Πώς ερμηνεύεται η δομή των μορίων κάθε οργανικής χημικής ένωσης;

60 Ατομικά τροχιακά του άνθρακα Δύο ηλεκτρόνια σε δύο τροχιακά: έχουν περισσότερο χώρο η άπωση είναι μικρότερη Σωστή περιγραφή ποια είναι η σωστή περιγραφή; Δύο ηλεκτρόνια σε ένα τροχιακό είναι στριμωγμένα και απωθούνται Λανθασμένη περιγραφή

61 2p ατομικά τροχιακά του άνθρακα 2p x 2p y 2p z z Σύνθετη εικόνα x y

62 Σε ένα μόριο, όλα τα τροχιακά είναι μοριακά; Τα ηλεκτρόνια που δεν συμμετέχουν σε δεσμούς κατοικούν σε ατομικά τροχιακά

63 Δυναμική ενέργεια Πώς σχηματίζονται οι δεσμοί; Το μόριο του υδρογόνου Απόσταση μεταξύ των ατόμων (Α) Επικάλυψη μεταξύ των δυο s ατομικών τροχιακών Τα 2 άτομα αρχικά απομονωμένα Προσέγγιση των 2 ατόμων Σημείο ελάχιστης ενέργειας Μήκος του δεσμού στο σημείο ελάχιστης ενέργειας Σχηματισμός ενός σ μοριακού δεσμού

64 Βιβλιογραφία Α. Βάρβογλη. ΕΠΙΤΟΜΗ ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ Εκδόσεις Ζήτη, Εύδοξος: Βιβλίο [10998] J. McMurry, Οργανική Χημεία Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, (σε ένα τόμο), Εύδοξος: Βιβλίο [ ]

65 Βιβλιογραφία Σπηλιόπουλος Ιωακείμ, Βασική οργανική χημεία, Εύδοξος: Βιβλίο [22660] Α. Βάρβογλη, ΕΠΙΤΟΜΗ ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ, εκδόσεις Ζήτη, Εύδοξος: Βιβλίο [10998] McMurry, John, Οργανική Χημεία, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, (2 τόμοι), 1998.