ΦΥΛΛΟ ΤΑΥΤΟΤΗΤΑΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Τίτλος Μαθήματος: Διδάσκοντες: ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ Ι Αναστασία Δέτση, Επίκουρος Καθηγήτρια Στυλιανός Χαμηλάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Εξάμηνο: Συγγράμματα: 3ο John Mc Murry «Οργανική Χημεία» David Klein «Οργανική Χημεία» K. Σάνδρης «Οργανική Χημεία», Τόμος Ι 1. Μαθησιακοί στόχοι Βασική επιδίωξη του μαθήματος είναι η εξοικείωση των σπουδαστών με τις κυριότερες έννοιες της Οργανικής Χημείας. Πιο συγκεκριμένα, η διδασκόμενη ύλη περιλαμβάνει τη μελέτη του τρόπου σχηματισμού ομοιοπολικού χημικού δεσμού στις οργανικές ενώσεις (απλός, διπλός, τριπλός, συζυγιακό σύστημα, αρωματικό σύστημα και πολωμένος ομοιοπολικός δεσμός) καθώς και τη διερεύνηση της χημικής συμπεριφοράς των ως άνω συστημάτων δηλαδή των τρόπο ρήξης (σχάσης) των δεσμών αυτών σε διάφορες συνθήκες. Η εκμάθηση των αντιδράσεων σύνθεσης αλλά και των μηχανισμών αντίδρασης ορισμένων κατηγοριών ενώσεων προς άλλες χημικές ενώσεις (πρώτες ύλες, ενδιάμεσα, προϊόντα) πραγματοποιείται ανά λειτουργική ομάδα. Με τον τρόπο αυτό, η εξέλιξη του μαθήματος δίνει τη δυνατότητα διερεύνησης και σύνδεσης της δομής των οργανικών μορίων με τη χημική τους συμπεριφορά. Επίσης, σε κάθε ενότητα γίνεται αναφορά στις εφαρμογές που έχουν οι οργανικές ενώσεις που μελετώνται (π.χ. στην παραγωγή προϊόντων καθημερινής χρήσης, φαρμάκων, τροφίμων, υλικών κλπ). 2. Ύλη του μαθήματος-πρόγραμμα διαλέξεων Η ύλη του μαθήματος εντάσσεται στην περιοχή της Βασικής Οργανικής Χημείας (Basic Organic Chemistry) και έχει ως κύριο στόχο τη μελέτη της δομής και των αντιδράσεων των οργανικών μορίων.
Το μάθημα περιλαμβάνει τρεις (3) ώρες διδασκαλίας ανά εβδομάδα, για τις δεκατρείς εβδομάδες που διαρκεί το εξάμηνο σπουδών. Η διδασκαλία πραγματοποιείται σε δύο (2) παράλληλα τμήματα. Σειρά διεξαγωγής των διαλέξεων του μαθήματος: Εβδομάδα Αντικείμενο Αναλυτική περιγραφή 1 η Το Οργανικό Μόριο Τρόπος σχηματισμού δεσμών στις ενώσεις του άνθρακα, θεωρία των υβριδικών τροχιακών. 2 η Οι Οργανικές Αντιδράσεις Τρόποι σχάσης των δεσμών στις οργανικές ενώσεις. Κατηγορίες οργανικών αντιδράσεων. 3 η Στερεοχημεία Απεικόνιση των οργανικών μορίων στο χώρο και συσχετισμός με τη χημική συμπεριφορά τους 4 η Αλκάνια Δομή, δραστικότητα και χαρακτηριστική αντίδραση των αλκανίων (υποκατάσταση μέσω ελευθέρων ριζών). 5 η Αλκένια Δομή αλκενίων, αντιδράσεις σύνθεσης/παρασκευής αλκενίων, αντιδράσεις απόσπασης (αφυδάτωση αλκοολών, αφυδραλογόνωση αλκυλαλογονιδίων, μηχανισμοί Ε1, Ε2) 6 η Αλκένια Αντιδράσεις αλκενίων/δραστικότητα αλκενίων), μηχανισμός της αντίδρασης ηλεκτρονιόφιλης προσθήκης 7 η Αλκίνια Δομή και δραστικότητα των αλκινίων. Κετοενολική ταυτομέρεια, οξύτητα των αλκινίων. 8 η Συζυγή διένια Δομή, δραστικότητα και αντιδράσεις των συζυγών διενίων (1,2- και 1,4- προσθήκη). 9 η Κυκλικές ενώσεις Κατηγορίες και τρόπος σχηματισμού των κυκλικών ενώσεων. Ανάλυση διαμορφώσεων των κυκλικών αλκανίων. 10 η Αρωματικές ενώσεις Αρωματικός χαρακτήρας. Δομή βενζολίου και χαρακτηριστική αντίδραση (ηλεκτρονιόφιλη αρωματική υποκατάσταση) 11 η Αλκυλαλογονίδια Δομή και δραστικότητα των αλκυλαλογονιδίων. Αντιδράσεις πυρηνόφιλης υποκατάστασης (μηχανισμοί S N 1 & S N 2). 12 η Αρυλαλογονίδια Δομή και δραστικότητα αρυλαλογονιδίων. Αντιδράσεις και μηχανισμοί πυρηνόφιλης αρωματικής υποκατάστασης.
13 η Οργανομεταλλικές ενώσεις. Ταυτοποίηση της δομής των οργανικών ενώσεων με φασματοσκοπικές μεθόδους. Σχηματισμός,δραστικότητα και αντιδράσεις των οργανομεταλλικών ενώσεων. Εφαρμογή των φασματοσκοπικών μεθόδων ανάλυσης (φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, ορατούυπεριώδους, υπερύθρου, φασματοσκοπία μάζας) στην ταυτοποίηση και μελέτη της δομής οργανικών ενώσεων. 3. Διαδικασίες εξέτασης-βαθμολόγησης Ο τελικός βαθμός στο μάθημα «Οργανική Χημεία Ι» προκύπτει από το βαθμό της γραπτής εξέτασης (συνεισφορά 60%) και το βαθμό που λαμβάνει ο σπουδαστής στο υποχρεωτικό Εργαστήριο Οργανικής Χημείας (συνεισφορά 40%).
ΦΥΛΛΟ ΤΑΥΤΟΤΗΤΑΣ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Τίτλος Μαθήματος: Διδάσκοντες: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΟΡΓΑΝΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ Αναστασία Δέτση, Επίκουρος Καθηγήτρια Στυλιανός Χαμηλάκης, Αναπληρωτής Καθηγητής Εξάμηνο: Συγγράμματα: 3ο Εργαστηριακός οδηγός (συγγραφική ομάδα των μελών του Εργαστηρίου Οργανικής Χημείας) 1. Μαθησιακοί στόχοι Οι εργαστηριακές ασκήσεις που πραγματοποιούνται στο υποχρεωτικό «Εργαστήριο Οργανικής Χημείας» έχουν τους παρακάτω μαθησιακούς στόχους: Ενημέρωση των σπουδαστών σε θέματα ασφαλείας σχετιζόμενα με οργανικές ενώσεις και το περιβάλλον οργανικής σύνθεσης (εκμάθηση μεθόδων προφύλαξης και προστασίας έναντι κινδύνων, ενημέρωση περί τοξικότητας των αντιδραστηρίων και η εφαρμογή κατάλληλων χειρισμών τεχνικών και αντιδότων). Εκμάθηση και εξοικείωση των σπουδαστών με τις κυριότερες εργαστηριακές τεχνικές, όπως απόσταξη, ανακρυστάλλωση, εκχύλιση, διήθηση κτλ. Εκμάθηση τεχνικών απομόνωσης φυσικών προϊόντων. Εκμάθηση αντιδράσεων υποκατάστασης, απόσπασης, οξείδωσης, προσθήκης στο καρβονύλιο, σύνθεσης οργανομεταλλικής ένωσης. Εφαρμογή μεθόδων ανίχνευσης χαρακτηριστικών δεσμών ή ομάδων. Εφαρμογή και παρακολούθηση πειραματικής διαδικασίας και δυνατότητα συγγραφής εργαστηριακού ημερολογίου. 2. Διεξαγωγή εργαστηριακών ασκήσεων Το Εργαστήριο Οργανικής Χημείας διαθέτει 64 θέσεις άσκησης. Για το λόγο αυτό οι σπουδαστές χωρίζονται σε ομάδες ανάλογα με τη σειρά ηλεκτρονικής εγγραφής τους στο εργαστήριο. Η δεύτερη ομάδα ξεκινά τα
εργαστήρια όταν ολοκληρωθεί ο κύκλος ασκήσεων για την πρώτη ομάδα και εξεταστούν επιτυχώς τα μέλη της κλπ. Σε κάθε εργαστηριακή θέση υπάρχουν δύο σπουδαστές οι οποίοι πραγματοποιούν σε συνεργασία την αντίδραση απομόνωσης φυσικού προϊόντος και τις αντιδράσεις οργανικής σύνθεσης αφού έχουν ενημερωθεί γενικά αλλά και ειδικά για κάθε συγκεκριμένη άσκηση. Πιο συγκεκριμένα, η ενημέρωση για την πειραματική διαδικασία που πρόκειται να ακολουθήσουν οι σπουδαστές πραγματοποιείται στο χώρο του εργαστηρίου, από τον αντίστοιχο υπεύθυνο της ομάδας. Γίνεται αναλυτική παρουσίαση της άσκησης και τονίζονται τα σημεία στα οποία πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή όσον αφορά στην ασφάλεια των σπουδαστών αλλά και την ομαλή διεξαγωγή του πειράματος. Στο τέλος κάθε εργαστηριακής άσκησης οι σπουδαστές παραδίδουν το «Φύλλο Εργαστηριακού Ημερολογίου» σύμφωνα με το παρακάτω υπόδειγμα: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΟΡΓΑΝΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ:... ΟΜΑΔΑ:... ΤΙΤΛΟΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ:...... 1) Χημική Αντίδραση 2) Ποσότητες αντιδραστηρίων
3) Απόδοση της αντίδρασης 4) Παρατηρήσεις 3. Περιγραφή των εργαστηριακών ασκήσεων Άσκηση Περιγραφή Τεχνικές Απομόνωση καφεΐνης από φύλλα τσαγιού Παρασκευή αιθυλοβρωμιδίου από αιθανόλη Παρασκευή κυκλοεξενίου κυκλοεξανόλη από Διεργασία απομόνωσης φυσικού προϊόντος (καφεϊνη) από φυτική πρώτη ύλη Σύνθεση αλκυλαλογονιδίου από αλκοόλη (αντίδραση υποκατάστασης). Το προϊόν παρασκευάζεται, απομονώνεται και χαρακτηρίζεται μέσω δοκιμαστικών αντιδράσεων. Σύνθεση αλκενίου από αλκοόλη (αντίδραση απόσπασης-αφυδάτωση αλκοολών). Το προϊόν παρασκευάζεται, απομονώνεται και χαρακτηρίζεται μέσω δοκιμαστικών αντιδράσεων. Εκχύλιση Διήθηση υπό ελαττωμένη πίεση Απόσταξη Ανακρυστάλλωση Απόσταξη Εκχύλιση Ξήρανση Απόσταξη Εκχύλιση Ξήρανση Ανίχνευση του διπλού δεσμού με την δοκιμασία Baeyer και αποχρωματισμό διαλύματος βρωμίου
Παρασκευή Κυκλοεξανόνης από την κυκλοεξανόλη Σύνθεση τριφαινυλοκαρβινόλης από βενζοφαινόνη και βρωμοβενζόλιο, μέσω οργανομαγνησιακής ένωσης. Αντίδραση οξείδωσης δευτεροταγούς αλκοόλης προς κετόνη. Το προϊόν παρασκευάζεται, διαχωρίζεται από την ποσότητα αντιδρώντος μέσω εκλεκτικής καταβύθισης και χαρακτηρίζεται μέσω της αντίδρασης σχηματισμού οξίμης Αντίδραση πυρηνόφιλης προσθήκης στο καρβονύλιο. Σύνθεση τριτοταγούς αλκοόλης από κετόνη και αντιδραστήριο Grignard. Διεξαγωγή αντίδρασης σε άνυδρες συνθήκες Απόσταξη Εκχύλιση Ξήρανση Διήθηση ελαττωμένη πίεση υπό Θέρμανση με ψύξη κατ αντιρροή Εκχύλιση Ξήρανση Εξάτμιση διαλύτη υπό ελαττωμένη πίεση Ανακρυστάλλωση 4. Διαδικασίες εξέτασης-βαθμολόγησης O βαθμός του σπουδαστή στο Εργαστήριο Οργανικής Χημείας διαμορφώνεται α) από τη συνολική εικόνα του σπουδαστή κατά τη διεξαγωγή των πειραμάτων, β) από το «Φύλλο Εργαστηριακού Ημερολογίου» και γ) από την γραπτή εξέταση στο τέλος των εργαστηριακών ασκήσεων. Ο βαθμός του σπουδαστή στο Εργαστήριο συμμετέχει κατά 40% στη διαμόρφωση του τελικού (προαγώγιμου) βαθμού στο υποχρεωτικό μάθημα «Οργανική Χημεία Ι».
ΠΡΟΦΥΛΑΞΕΙΣ ΑΠΟ ΠΙΘΑΝΑ ΑΤΥΧΗΜΑΤΑ Η επιλογή των μεθόδων σύνθεσης και απομόνωσης φυσικού προϊόντος, έγινε από το Εργαστήριο Οργανικής Χημείας ΕΜΠ με βάση την ασφαλέστερη προτεινόμενη (από τη βιβλιογραφία) μέθοδο. Οι οδηγίες που αναφέρονται εδώ εντάσσονται σε γενικότερο πνεύμα ασφαλείας. Οι σπουδαστές καλούνται να ανατρέξουν στον Εργαστηριακό οδηγό ο οποίος έχει αναρτηθεί στην ιστοσελίδα του μαθήματος (αλλά και παρέχεται, υπό μορφή σημειώσεων, σε κάθε σπουδαστή) για λεπτομερέστερη και πληρέστερη ενημέρωση. Για να αποφεύγονται τα πιθανά ατυχήματα στο εργαστήριο κατά τη διάρκεια της εργαστηριακής εξάσκησης θα πρέπει να συνειδητοποιηθούν οι κίνδυνοι που μπορεί εύκολα να δημιουργηθούν και να γίνει μέλημα όλων να τηρούνται πιστά οι στοιχειώδεις κανονισμοί ασφαλείας. Είναι απαραίτητο να φορούν όλοι τα προστατευτικά γυαλιά και την εργαστηριακή μπλούζα, καθ όλη τη διάρκεια της εργαστηριακής εξάσκησης. Σε ορισμένες περιπτώσεις που χρησιμοποιούνται τοξικές ή αλλεργιογόνες ουσίες είναι χρήσιμα τα προστατευτικά γάντια. Πειράματα με τοξικές ουσίες προϋποθέτουν την κατάλληλη προφύλαξη και πρέπει να γίνονται απαραιτήτως στον απαγωγό. Πτητικά και εύφλεκτα υγρά, όπως ο διαιθυλαιθέρας (diethylether), o πετρελαϊκόςαιθέρας (petroleumether), η ακετόνη (acetone), η αιθανόλη (ethanol), το εξάνιο (hexane), κλπ. δεν πρέπει να βρίσκονται πάνω στον πάγκο εργασίας όταν γίνεται χρήση του λύχνου Bunsen. Ποτέ δεν θερμαίνονται εύφλεκτα υγρά, όπως αλκοόλες, αιθέρες, ακετόνη κλπ., με γυμνή φλόγα. Για τη θέρμανσή τους χρησιμοποιείται υδρόλουτρο ή ελαιόλουτρο, ανάλογα με την περίπτωση. Επίσης μπορεί να γίνει χρήση θερμαντικού μανδύα ή άλλων ηλεκτρικών συσκευών. Ποτέ δεν πωματίζονται συσκευές ή δοχεία που πρόκειται να θερμανθούν, ή συσκευές όπου γίνεται αντίδραση με έκλυση αερίου. Όταν χρησιμοποιούνται πυκνά οξέα ή αλκάλια γίνεται χρήση του απαγωγού. Σε περίπτωση που πέσει στο δέρμα οξύ ή άλκαλι ξεπλένεται με άφθονο νερό και στη συνέχεια με αραιό διάλυμα όξινου ανθρακικού νατρίου (NaHCO3) για τα οξέα και αραιό διάλυμα βορικού οξέος (H3BO3) ή οξικού οξέος (CH3COOH) για τα αλκάλια. Με το πέρας του εργαστηριακού πειράματος - για την αποφυγή εγκαυμάτων - αναμένεται να περάσει εύλογο χρονικό διάστημα μετά τη χρήση της φλόγας για να αποσυνδεθούν τα μεταλλικά μέρη στήριξης των συσκευών. Σε περίπτωση εγκαύματος το πλύσιμο με άφθονο νερό ή πάγο βοηθάει και συνήθως εμποδίζει τη δημιουργία οιδήματος. Στη συνέχεια τοποθετείται η ειδική αλοιφή επάλειψης εγκαυμάτων και γίνεται επίδεση. Σε κάθε περίπτωση ατυχήματος ενημερώνεται το προσωπικό του εργαστηρίου και μετά την παροχή των πρώτων βοηθειών, ζητείται η συμβουλή του γιατρού.
Για τους επιμέρους χειρισμούς των αντιδραστηρίων που απαιτούνται σε κάθε άσκηση, παρατίθεται κατάλογος από το Merck Index με τα αντίστοιχα δεδομένα για κάθε ουσία. Πριν από κάθε χρήση ενός αντιδραστηρίου ή διαλύτη παρατηρείται πάντα η επισήμανση στη συσκευασία για την ασφαλή χρήση και απόρριψή του. Σε περίπτωση που κάποιο χημικό αντιδραστήριο έρθει σε επαφή με τα μάτια, συνήθως είναι απαραίτητο να τοποθετηθεί το μάτι που μολύνθηκε κάτω από τη βρύση και να ξεπλυθεί με άφθονο νερό για αρκετή ώρα. Το μάτι τοποθετείται κατά τέτοιο τρόπο σε σχέση με τη ροή του νερού, ώστε να μην μολυνθεί το καθαρό μάτι με τα ξεπλύματα από το μολυσμένο. Στατιστικά αν ο πάσχων αντιδράσει σωστά τα πρώτα 10 δευτερόλεπτα περιορίζει στο ελάχιστο τη ζημιά στο μάτι του. Ταυτόχρονα ζητείται η βοήθεια από το προσωπικό του εργαστηρίου, για περαιτέρω πρώτες βοήθειες, εκπλύσεις με το κατάλληλο αντίδοτο κλπ. Για τους φοιτητές που φορούν φακούς επαφής συνιστάται η χρήση απλών γυαλιών οράσεως κατά την ώρα του εργαστηρίου και τα προστατευτικά γυαλιά του εργαστηρίου. Η απόρριψη των οργανικών αποβλήτων απαγορεύεται συνήθως να γίνεται στο αποχετευτικό δίκτυο. Σε κάθε άσκηση υπάρχουν τα κατάλληλα δοχεία συλλογής αποβλήτων στους απαγωγούς. Για λόγους ασφάλειας κανείς δεν κινείται τρέχοντας μέσα στο εργαστήριο και δεν γίνονται βεβιασμένες ενέργειες και κινήσεις. Μεριμνείτε ώστε να μην υπάρχουν διαρροές νερού από τις συσκευές απόσταξης γιατί υπάρχει κίνδυνος ολισθηρότητας του πατώματος. Πριν γίνει χρήση του λύχνου εξασφαλίζεται ότι ο αέρας που εργαστηρίου δεν μυρίζει πετρελαϊκό αιθέρα, διαιθυλαιθέρα, υγραέριο ή άλλο εύφλεκτο αέριο, διότι είναι δυνατόν οι ατμοί των ουσιών αυτών να έχουν δημιουργήσει εκρηκτικά μίγματα με τον αέρα. Οι ηλεκτρικές συσκευές μεριμνάτε να διατηρούνται στεγνές και με άφθαρτα καλώδια ρεύματος για την αποφυγή βραχυκυκλώματος. Η χρήση των γυάλινων συσκευών πρέπει να γίνεται με προσοχή. Όταν απαιτείται η άσκηση πίεσης στο στήσιμο κάποιας γυάλινης διάταξης να χρησιμοποιείται ύφασμα για την προφύλαξη των χεριών. Για όσους έχουν μακριά μαλλιά: λόγω της χρήσης φλόγας κατά τη διάρκεια της εργαστηριακής άσκησης συνιστάται να έχουν τα μαλλιά τους μαζεμένα. Επίσης αποφεύγονται τα κοσμήματα στα χέρια την ώρα του εργαστηρίου. Σε περίπτωση κινδύνου το εργαστήριο εκκενώνεται χωρίς πανικό από συγκεκριμένη έξοδο για κάθε ομάδα εργασίας. Εντοπίζονται οι θέσεις των πυροσβεστήρων μέσα στο εργαστήριο και μελετώνται οι οδηγίες χρήσεως. Επισημαίνονται οι καταιονιστήρες νερού έξω από το εργαστήριο σε περίπτωση χημικής μόλυνσης ή φωτιάς στα ενδύματα. Η φωτιά στα ενδύματα αντιμετωπίζεται άμεσα με την απλή κύλιση στο έδαφος και την περιτύλιξη του ατόμου με κάποια κουβέρτα ή άλλο ρούχο που θα εμποδίζει πλήρως την παροχή οξυγόνου στη φλόγα.
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ: 1. Εργαστηριακός Οδηγός. Τεχνική Οργανικές Συνθέσεις, Ν.Ε. Αλεξάνδρου Α.Γ.Βάρβογλη Φ.Μ. Χατζημιχαλάκη. Εκδόσεις ΖΗΤΗ, 1995. Θεσσαλονίκη. 2. Εργαστηριακές ασκήσεις Οργανικής Χημείας I, Αγ. Π. Καταχανάκης. Πανεπιστήμιο Κρήτης, Τμήμα Χημείας, Ηράκλειο, 2007. 3. Εργαστηριακές Ασκήσεις Οργανικής Χημείας. Β.Παπαγεωργίου Σ. Ζλατάνος Α.Μελλίδης, Εκδόσεις Παρατηρητής. 4. Safety Manual. (The University of Manchester Institute of Science and Technology), Manchester, 1973.