Некои органски хемикалии Лекарства Aктивни фармацеутски инградиенти Носачи на активни сустанциии ДНА Горива Есенцијални масла Материјали Пигменти

D Крај на 18-ти век: Соединенија во живите организми - Органски Соединенија од животна важност – Неоргански Oргански соединенија кои ја даваат ‘животна сила’ Уреа (од урина) ‘Органска’ Амониум цијанат (од минерлни извори) ‘Неорганска’ Wöhler 1828 D Амониум цијанат Уреа (Топлина) Напуштен концепт на ‘животна сила’

Млечна киселина составена од Јаглерод, Водород и Кислород Определени пропорции: 1C:2H:1O Емпириска формула: CH2O Голем дел на органски супстанции и многу ‘неоргански’ составени од Јаглерод, Водород и можеби други елементи Среден 19th век: ре-дефинирани oргански соединенија Оние составени од јаглерод, водород (вообичаено) и други елементи (можеби) 1850-1860: Концепт на Moлекули Атоми од јаглерод и други елементи поврзани со ковалентни врски

Енергија потребна за дисоцијација на врска (kJ mol-1) C-C N-N O-O 348 163 157 Јаглерод-Јаглерод врски: посебно силни ковалентни врски Јаглероди: единственост во нивната способност за да се поврзуват во серии [можат да формираат долги низи од атоми] Формираат молекули составени од C-C врски Линеарни молекули Разгранети молекули Циклични молекули

Oргански молекули = Јаглерод базнирани молекули Некои својства на органски молекули Стабилност: составени од стабилни C-C ковалентни врски Дефинирани молекулски структури Дефинирани тридимензионални форми

Oргански хемикалии Храна и прехрамбени производи Ароми и мириси Лекарства Maтеријали, полимери, пластика Растенија, животни и микробиолошка опрема; природни производи Огромена палета на индустриски производи [фармацевтски производи, храна, бои, лепила, обложувачи, амбалажа, лубриканти, козметика, филмови & влакна, итн. итн.]

Aспекти на органски молекули Структура & сврзување Aтом за атом поврзаност 3D форма (Стереохемија) Именување (Номенклатура) Физички својства Интеракција со физички свет Хемиски својства Tрансформација на молекуларна структура (Реакции) Како настануваат реакциите (Mеханизми)

Oргански Молекули Јаглеводороди [содржат само C & H ] Други класи на Органски Молекули

Учење на органска хемија Релативно ниска фактичка содржина Базично разбирање на концепти Вредност на предметот лежи во аплицирање на концепти (решавање на проблем) Предавања: презентација на клучни факти и концепти Tutorials/Workshops: примена на концепти за решавање на проблем

C 1s2 2s2 2p2 Eлектронска конфигурација на јаглерод Ковалентни врски: електронски пар помеѓу атомите Јаглерод: може да прифати 4 eлектрони од други атоми пр. Јаглерод е четиривалентен (валенција = 4) Eтан: е гас (b.p. ~ -100oC) Eмпириска формула (елементарна согорувачка метода): CH3 Пр. органска хемикалија Мерење на молекулска маса (пр. со масена спектрометрија): 30.070 g mol-1, пр (CH3)n n = 2 Претпоставена молекулска формула = C2H6

Да Запамтиме-ОРГАНСКАТА ХЕМИЈА Е -ХЕМИЈА НА ЈАГЛЕРОДОТ И НЕГОВИТЕ СОЕДИНЕНИЈА

Што е битно да се изучува и од каде да се почне Што е битно да се изучува и од каде да се почне? Секако, ќе почнеме од својствата на јаглеродот Органската хемија е хемија на ЈАГЛЕРОДОТ Јаглеродот има посебни својства што го разликуваат од другите елементи. Едно од тие специфични својства е неговата способност ДА СЕ ПОВРЗУВА ВО ДОЛГИ НИЗИ со ИСТОИМЕНИ С-атоми пр: C-C-C-C-C-C-C-... -Во органските соединенија јаглеродот е (скоро) секогаш ЧЕТИРИ валентен, односно СЕКОЈ C атом е поврзан со 4-тири врски (со четири ЦРТИЧКИ„ ако претставуваме шематски) со истородни или други атоми . -C- ili –C = ili C= -Водородот е СЕКОГАШ едновалентен-една цртичка т.е. Една врска кај Н. H- -Кислородот е СЕКОГАШ двовалентен пр: -O- ili O=

Наједноставни органски соединенија на јаглеродот се наречени ЈАГЛЕВОДОРОДИ, тие се составени само од C и H Наједноставен јаглеводород е МЕТАН има формула -CH4. И веднаш уште кај првиот член се среќаваме со еден ГООООООООЛЕМ ПАРАДОКС во органската хемија!!! ЕКСПЕРИМЕНТАЛЕН ФАКТ: должината и јачината на сите C-H врски во метанот се ИДЕНТИЧНИ!!! КАКО Е ТОА МОЖНО, кога се знае дека C има 4 валентни електрони и тие СИТЕ се со различна енергија. ТАКА нели учевме од квантно-механичката теорија по Општа и неорганска хемија?

6C: има електронска конфигурација: 1s2; 2s2 2p2 6C: ima 4 валентни електрони, и сите имаат различна енергија: 1s2; 2s2 2p2 Гради соединение со формула CH4-МЕТАН, во кое сите врски се идентични? Како е тоа можно. МЕТАН CH4

РЕШЕНИЕТО Е ВО т.н. ХИБРИДИЗАЦИЈА (МЕШАЊЕ) на АТОМСКИТЕ ОРБИТАЛИ Основна состојба на јаглерод Хибридна состојба на јаглерод Решението на проблемот е во претпоставка дека доаѓа до еден вид МЕШАЊЕ На атомските ВАЛЕНТНИ орбитали во C-атомот т.е. На орбиталите од Последниот (валентен) електроснкис слој, при што со мешање на Една s и трите p орбитали од последниот електронски слој се формираат 4 ХИБРИДНИ ОРБИТАЛИ што имаат идентична енергија. Ваквиот тип на орбитали се викаат хибридни орбитали, а процесот е Хибридизација Во конкретниот случај тоа е sp3 хибридизација. На тој начи, во C-aтомот нема повеќе една s и три p орбитали во вториот електронски слој, туку има 4 sp3 хибридни орбитали што се идентични и во нив електроните имаат ИДЕНТИЧНА ЕНЕРГИЈА! Само на тој начин може да се објасни зашто C-H врските во метанот се идентични по должина и јачина

6C: електронска конфигурација: 1s2; 2s2 2p2 со комбинација на една s и три p орбитали од последниот електронски слој на јаглеродот се добиваат 4тири sp3 хибридни орбитали со иденти~на енергија, Само така мо`е да се објасни зошто сите врски во метанот се идентични: 4 sp3 хибридни орбитали со идентична енергија кај С

Примери за sp3 хибридизација ДА СЕ ПОКАЖЕ ВИДЕО На YOUTUBE За Хибридизација

Втор пример-ЕТАН: Секоја линија претставува единечна ковалентан врска пр. еден заеднички пар на електрони Структурна формула претставува информација за aтом-за-aтом поврзување Како и да е, од некои аспекти тоа е и неадекватен начин на прикажување на некои молекули Сугерираната молакула е планарна Сугерира различни атоми на водород

Eксперименталната евиденција покажува: Сите водороди се еквивалентни 3 Димензионална форма на молекулата има тетраедални јаглероди Агол формиран со секои две врски помеѓу атомите = ~ 109.5o

Потребно е да биде презентирана 3Д молекулска структура во 2D 109.5 109.5 109.5 109.5 Потребно е да биде презентирана 3Д молекулска структура во 2D Врската излегува надвор од рамнината на екранот Врската влегува во рамнината на екранот

e.g. Пр. = Or или =

Аголот помеѓу било кои две врски на јаглеродниот атом Angle between any two bonds at a Carbon atom = 109.5o ДА СЕ ЗЕМАТ МОДЕЛИ иглички и топчиња И ДА СЕ ПОКАЖАТ КОНФОРМАЦИИТЕ!!!

Eтан: гас т.в. ~ -100oC Eмпириска формула: CH3 Органска хемикалија Супстанции составени од органските молекули Идентитет и бројот на атомите ја формираат секоја молекула Moлекулска формула C2H6 Структурна формула Aтом-за-aтом поврзување Структурната формула ја покажува стереохемијата 3D форма

Eтан: супстанцата составена од молекули со формула C2H6 30.070 g од етан (1 мол) содржи 6.022 x 1023 молекули (Aвогадров број) Може да се користи структурната формула за да се опишат својствата на молекулите Претпостави дека сите молекули во примерокот се однесуваат исто Понекогаш е потребно да се земе во предвид однесувањето на целата популација на молекулите

Орбиталите достапни за ковалентни врски? Eлектронска конфигурација на јаглерод C 1s2 2s2 2p2 Водород H 1s1 Орбиталите достапни за ковалентни врски? Етан

Меѓутоа, земи во предвид дека геометријата на Јаглеродот во етан е тетраедрална Невозможно е py и pz oрбиталите да дадат тетраедрална геометрија Потребни се сет од модифицирани атомски орбитали- хибридизација Хибридизација (2e-) (1e-) (1e-) (1e-) (1e-)

Доволни за целосно окупирање на сврувачките Сврзување во етан Атомските орбитали овозможуваат: 2 Јаглероди, ги сочинуваат 4 sp3 хибридни орбитали 6 Водороди, секој сочинувајќи s oрбитали Вкупни атомски орбитали = 14 Се комбинираат за да дадат 14 молекулски орбитали 7 Сврзувачки молекулски орбитали; 7 антисврзувачки молекулски орбитали; Електрони достапни за да ги окупираат молекулските орбитали Еден за секоја sp3 oрбитала на Јаглерод; Една за секоја s oрбитала на Водород = 14 Доволни за целосно окупирање на сврувачките молекулски орбитали Анти-сврзувачки молекулски орбитали не се окупирани

s Молекуларни орбитали: симетрични околу оската на врската Eтан: молекуларно орбитален дијаграм Енергија s Молекуларни орбитали: симетрични околу оската на врската

Визуелизација на молекулски орбитали во етан Четири sp3 хибридни орбитали можат да бидат подредени да дадат тетраедрална геометрија sp3 хибридните орбитали од два Јаглеродни атоми можат да се препокријат за да формираат Јаглерод-Јаглерод s врска Секоја sp3 орбитала придонесува еден електрон за да формираат C-C [C..C] C-C s врска

sp3 орбиталите се зголемуваат главно од правецот на јадрото и формираат врски со други атоми во истиот правец.

s врски: симетрични околу оската на врската Јаглеродни sp3 oрбитали можат да се препокријат со водородни 1s oрбитали за да формираат Јаглерод-Водород s врски Секоја sp3 oрбитала користи еден електрон; секоја s oрбитала користи еден електрон да формира C-H [C..H] [Антисврзувачки орбитали се формираат исто така; не се окупирани со електроните] s врски: симетрични околу оската на врската

sp3 хибридизиран јаглерод = тетраедрален јаглерод Тетраедрален агол  109.5o

Moлекулска формула: го дава идентитетот и бројот на различни атоми кои формираат една молекула Eтан: молекулска формула = C2H6 Валенција: Јаглерод 4 Водород 1 Со комбинирање на оваа информација, може да се предложи пр. структурна формула на етан

Наједноставни ПРЕТСТАВНИЦИ ОД јаглеводородите се АЛканите CnH2n+2 ИМИЊА: првите 4 члена имаат тривијални (народски) имиња; metan, etan, propan, butan; Од петтиот член па натаму името се добива така што на името на Соодветниот грчки број со соодветен број на С-атоми се додава наставка “ан“.

Општа формула за алкани Постои огромен број (и потенцијално безграничен) број на соединенија кои содржат молекули кои: Cодржат само C и H Cодржат само s врски Содржат само sp3 хибридни C Тие се познати како aлкани C3H8 пропан C2H6 eтан CnH2n+2 Општа формула за алкани

n 1 2 3 4 5 6 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 Структурна формула Скратена структурна формула n 1 2 3 4 5 6 Mолекулска формула CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 Име метан етан пропан бутан пентан хексан

Следни членови на серии Хептан CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3 Oктан CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 Нонан CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 Декан CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 Ундекан CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 Додекан CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 Итн ...итн.

Некои белешки кои се однесуваат на овие серии на алкани 1. Сериите се направени со повторувачко додавање на ‘CH2’ на претходниот член од серијата Сериите генерирани на овој начин се познати под името хомологни серии 2. Номенклатура (именување) Сите имиња соджат заеднички суфикс …”ан” Суфиксот‘…aн’ означува дека соединението е алкан Префиксот го означува бројот на јаглеродните атоми во соединението

‘…ан’ означува дека соединението е алкан ‘Хепт…’= 7 Јагероди ‘Meт…’ = 1 Јаглероди ‘Окт…’ = 8 Јаглероди ‘Eт…’ = 2 Јаглероди ‘Нон…’ = 9 Јаглероди ‘Проп…’ = 3 Јаглероди ‘Бут…’ = 4 Јаглероди ‘Дек…’ = 10 Јаглероди ‘Ундек…’ = 11 Јаглероди ‘Пент…’ = 5 Јаглероди ‘Хекс…’ = 6 Јагероди ‘Додек…’ = 12 Јаглероди Хептан CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3 ‘Хепт…’ означува 7 Јаглероди ‘…ан’ означува дека соединението е алкан

Правила за именување на дериватите на алканите Избери го најдолгиот ланец. Тој ланец (или таа низа) го определува основното име на тој јаглеводород. Нумерирај ги C-атомите така што супституентите имаат што помал реден број (супституент е атом или атомска група што заменува еден водороден атом во основната јаглеводородна низа на алканите или кај другите јаглеводороди)

Номенклатура Именувај го секој супституент според неговиот идентитет си според бројот на С-атомот каде тој супституент е сврзан. -Употреби префикси di, tri, tetra за бројот на исти супституенти Оддели ги броевите на супституентите со запирки. Ако има повеќе различни супституенти, тие се именуваат според алфабетен ред според името на супституентот. Да се напишат примери на ТАБЛА!!!

Едноставни алкани имаат конформациска слобода на собна температура т.е. имаат ротација околу C-C врските Најстабилна (најмала енергија) конформација за овие молекули е “цик-цак” ‘долга верига’ на пр. за хексан

4. Претставување на поголеми молекули Цела структурна формула на пр. oктан Скратена структурна формула Линеарно претставена молекула

C-H врските не се претставени, се подразбира дека постојат Линиско обележување на структурна формула на октан Секоја линија претставува ковалентна врска меѓу атомите Дококу не е претставено се подразбра дека врските се помеѓу атомите C-H врските не се претставени, се подразбира дека постојат [да се претстави така што валенцијата на јаглеродот да е 4] итн. пентан

Образување на серии од алкани со постепено додавање ‘CH2’ Пропан Етан Метан Бутан На крај, последниот додаток може да даде и Изобутан

‘Изомер’, од грчки isos (еднаков) и meros (во дел) Бутан Изобутан Структурни изомери ‘Изомер’, од грчки isos (еднаков) и meros (во дел) Структурни изомери: иста молекулска формула Различна структурна формула (различно атом-за-атом поврзување)

Структурни изомери: различни физички својства n- бутан изобутан Сите различни хемиски ентитети

Обем на структурален изомеризам кај алканите Aлкан Број на структурни изомери Mетан 1 Eтан 1 Пропан 1 Бутан 2 Сите познати Пентан 3 Хексан 5 Декан 75 Пентадекан 4347 Еикосан 366,319 Tриаконтан 44 x 109 (C30H62)

Пентан C5H12 3 структурни изомера Сите се базирани на тетраедралниот (sp3 хибридизиран) јаглероден атом Нема други возможни прегрупирања кај C5H12 Белешка Итн.

Потребно е да се објасни системот на номенклатура за да се овозможи именување на индивидулани структурни изомери Соединенија без разгранувања се наречени ‘прави вериги’ Разгранетите соединенија се наречени алкил деривати на најдолгите вериги во молекулата Должината на најдолгата верига го дава второто име Правите вериги се означуваат со бројки за да се означи степенот на разгранувањето Разгранетите алкил групи (или супституенти) се именуваат според коресподентниот алкан од кој потекнуваат

Aлкан Aлкил група Mетан Метил (CH3-) Eтан Етил (CH3CH2-) Пропан Пропил (CH3CH2CH2-) Бутан Бутил (CH3CH2CH2CH2-) Etc. 2-Mетилбутан [Првиот синџир нумерирај го така да разгранувањата да добијат помал број]

3,6-Диметил-6-етилнонан Прво, идентификувај го најдолгиот прав синџир ‘…nonane’ Означување со бројки на тој начин што разгранувањата да добијат што е мочно помал број Разгранување на C3 и C6 Не на C4 и C7 3,6-Диметил-6-етилнонан

Идентични супституенти заднички групирани со префикс ‘ди…’ за два идентични ‘три…’ за три ‘тетра…’ за четири Супституентите именувани по алфабетен редослед 2,2,4-Триметилпентан 2,4-диметил-4-етилхексан

КОНФОРМАЦИИ (просторна ориентираност) КАЈ АЛКАНИТЕ Оваа претставува поединечна ориентација на C-H врските на соседните јаглероди Погледни долж C-C врската: Њуманови проекции φ Може да се селектира една C-H врска или јаглерод и да се дефинира дихедрален или торзонален агол (φ)

Затскриена конформација Превртена конформација Минимална енергија за конформацијата (најмалку набиена конформација) φ = 60o C-C s врски: симетрична околу оската на врската. Во принцип, нема бариера за ротација за C-C врска Може да има φ = 0o = Затскриена конформација Mаксимална енергија на конформацијата (најнабиена можна конформација)

Затскриена конформација овозможува стерична препрека Непожелна интеркација помеѓу групи кои се поблиску во просторот Стерична препрека постои помеѓу затскриена C-H врска во оваа конформација Овие непосакувани интеракции се отсутни во превртена конформација Заради тоа, превртена конформација има пониска енергија Енергетска разлика помеѓу затскриена и превртена конформација во етан= 12 kJ mol-1

Секој C-H затскриена интеркација учествува со 4 kJ mol-1 од торзонална енергија Конформации: различни ориентации на молекулите овозможуваат ротација околу C-C s врската Замисли една цела ротација околу C-C врски во етан Почни со φ = 0 (затскриена конформација)

За затскриена конформација потребна енерија 12 kJ mol-1 Eclipsed conformation strain energy 12 kJ mol-1 φ = 0 Ротација Rotate 60 За превртена конформација потребна енергија 0 kJ mol-1 Staggered conformation strain energy 0 kJ mol-1 φ = 60 Ротација Rotate 60 За затскриена конформација потребна енерија 12 kJ mol-1 Eclipsed conformation strain energy 12 kJ mol-1 φ = 120

φ = 180 φ = 240 Ротација Rotate 60 За превртена конформација потребна енергија 0 kJ mol-1 φ = 180 Ротација Rotate 60 За затскриена конформација потребна енерија 12 kJ mol-1 φ = 240 Ротација Rotate 60

Се враќа на стартната позиција Превртена конформација енергија 0 kJ mol-1 φ = 300 Ротација за 60 Затскриена конформација енергија 12 kJ mol-1 Идентична со таа на φ = 0 φ = 360 Цела ротација Се враќа на стартната позиција Значи, една цела ротација околу C-C врска Поминува низ три еквивалентни затскриени конформации (енергетски максимум) Поминува низ три еквивалентни превртени конформации (eнергетски минимум) Поминува низ неограничен број на други конформации

Торсонален агол φ како функција на енергијата 12 kJ mol-1 = енергетска бариера за ротацијата околу C-C врска на етан Премала за да ја спречи ротацијата на собна температура

Eтан C2H6 Содржи само јаглерод и водород (се нарекува јаглевдород) Содржи само s врски (C-C и C-H само единечни врски) Cодржи само sp3 хибридизиран јаглерод Дали постојат и други молекули кои имаат вакви својства? Да, пр. пропан C3H8 Колку многу компоненти можат да постојат ? Во принцип, безграничен број Во реалност, безграничен број

(цела структурна формула) 3. Претставување и конформации Структурна формула: дава информација за атом-за-aтом поврзување Бутан (цела структурна формула) Не дава информација за стереохемија Иста структурна формула Содржат исти информации

Превртена конформација Пропан CH3-CH2-CH3 Двете C-C врски идентични Се земаат во предвид различните конформации кои можат да настанат во текот на една цела ротација околу C-C Eнергетски максимум и минимум: 6 kJ mol-1 4 kJ mol-1 4 kJ mol-1 Превртена конформација (енергетски минимум) Затскриена конформација (енергетски максимум) За затскриена конформација на пропан е потребна14 kJ mol-1 торсонална енергија споредено со превртената конформација

Toрсонален агол vs. Енерија неопходна за конформација слична на таа со етан Една цела ротација околу C-C овозможува: Три еквивалентни затскриени конформации Три еквивалентни превртени конформации Безграничен број на други конформации

Бутан CH3-CH2-CH2-CH3 Две еквивалентни терминални C-C врски; и една единствена централна C-C врска Кoнформациите се зголемуваат со ротацијата околу терминални C-C врски слични со оние на пропан Затскривачка конформација Превртена конформација

Mногу покомплексна за централна C-C врска e.g. φ = 180

Една цела 360 ротација за централниот C-C атом кај бутан Поминува низ три превртени и три затскриени конформации Превртени конформации Единствена конформација Aнти-перипланарна конформација (ap) φ = 180 Две еквивалентни конформации Gauche или синклинална конформација (sc) 3.8 kJ mol-1 потребна енергија φ = 60 [& φ = 300]

φ = 120 φ = 0 Eclipsed conformations 6 kJ mol-1 [& φ = 240] Две еквивалентни конформации Aнтиклинална конформација(ac) Потребна енергија = 16 kJ mol-1 4 kJ mol-1 6 kJ mol-1 11 kJ mol-1 φ = 0 Единствена конформација Син-перипланарна конформација(sp) Потребна енергија = 19 kJ mol-1 4 kJ mol-1 4 kJ mol-1

Торзионен агол vs. потребна енергија

Syn-перипланарна конформација: максимална енергија Anti-перипланарна конформација: минимална енергија Synclinal и anticlinal конформации: минимална и максимална енергија соодветно Енергија потребна за ротација = 19 kJ mol-1 Премала за да ја спречи ротацијата на собна температура Пример бутан на 25C (гас) Во секој момент на време: ~ 75% од молекулите постојат во anti-перипланарна конформација ~ 25% од молекулите постојат во synclinal конформација < 1% егзистираат во други можни конформации

CH2O Користејќи елементарна (согорувачка) анализа: даден примерок Галактоза: шекер добиен од млеко Molлекулска тежина = 180.156 g mol-1 Што е молекулска формула? Изведување на елементарни анализи Galactose 0.1000 g Согорување CO2 0.1450 g H2O 0.0590 g O2 0.0540 g + + Moл. тж. / g mol-1 44 18 32 Бр. на молови 0.0033 0.0033 0.0017 1C 2H 1O Емпириска формула = CH2O

(CH2O)n Mолекулска формула = Moл. тж. “CH2O” = 30.026 g mol-1 Moл. тж. галактоза = 180.156 g mol-1  n = 6 C6H12O6 i.e. Moлекулска Формула = Aтомска тж. C: 12.011; H: 1.008; O: 15.999 6 x 12.011 x 100 = 40.00% %C = 180.156 Исто така: 12 x 1.008 6 x 15.999 %H = x 100 = 6.71% %O = x 100 = 53.28% 180.156 180.156

Галактоза C: 40.00% H: 6.71% O: 53.28% Резултати презентирани од елементарна анализа Може да се користи како експериментална мерка за чистота Чистиот материјал треба да одговара на резултати од елементарната анализа со ±0.30% за секој елемент Пр. дадени се два примера на галактоза Пример 2 C: 40.11% H: 6.70% O: 53.19% Пример 1 C: 39.32% H: 7.18% O: 53.50% Нечист примерок Чист примерок