Chemia organiczna - przekrojowa powtórka rozszerzona

1.Związki organiczne i wiązania atomu węgla

Chemia organiczna bada związki węgla, z wyłączeniem grup tradycyjnie zaliczanych do chemii nieorganicznej, np. tlenków węgla i węglanów. W typowych związkach organicznych atom węgla tworzy cztery wiązania kowalencyjne i może budować łańcuchy oraz pierścienie.

2.Hybrydyzacja i geometria atomu węgla

Hybrydyzacja $sp^3$ odpowiada geometrii tetraedrycznej, $sp^2$ - trygonalnej płaskiej, a $sp$ - liniowej. Wiązanie pojedyncze jest wiązaniem $\sigma$, podwójne zawiera jedno $\sigma$ i jedno $\pi$, a potrójne - jedno $\sigma$ i dwa $\pi$.

3.Grupa funkcyjna i szereg homologiczny

Grupa funkcyjna jest fragmentem cząsteczki decydującym o charakterystycznych reakcjach danej klasy związków. Kolejne związki w szeregu homologicznym różnią się o grupę $\ce{CH2}$, mają podobną budowę i właściwości chemiczne, lecz stopniowo zmieniające się właściwości fizyczne.

4.Izomeria konstytucyjna

Izomery konstytucyjne mają ten sam wzór sumaryczny, ale inne połączenia atomów. Izomeria szkieletowa dotyczy budowy szkieletu węglowego, położeniowa - położenia grupy lub wiązania wielokrotnego, a funkcyjna - rodzaju grupy funkcyjnej.

5.Izomeria geometryczna i optyczna

Izomeria geometryczna wymaga ograniczonej rotacji; przy wiązaniu podwójnym każdy atom węgla musi mieć dwa różne podstawniki. Enancjomery są nienakładającymi się odbiciami lustrzanymi. Atom węgla połączony z czterema różnymi podstawnikami może być centrum stereogenicznym, ale nie zawsze oznacza to chiralność całej cząsteczki.

6.Nukleofil, elektrofil i rodnik

Nukleofil przekazuje parę elektronową podczas tworzenia wiązania, a elektrofil ją przyjmuje. Rodnik zawiera niesparowany elektron. Rozerwanie homolityczne wiązania prowadzi do rodników, natomiast heterolityczne - do fragmentów, z których jeden przejmuje całą parę elektronową wiązania.

7.Wzór empiryczny i wzór sumaryczny

Wzór empiryczny określa najprostszy całkowitoliczbowy stosunek liczby atomów. Wyznacza się go z proporcji $n_i=\frac{m_i}{M_i}$. Wzór sumaryczny otrzymuje się przez pomnożenie indeksów wzoru empirycznego przez $k=\frac{M}{M_{\mathrm{emp}}}$, gdzie $M$ jest masą molową związku.

8.Alkany i substytucja rodnikowa

Alkany są nasyconymi węglowodorami acyklicznymi o wzorze ogólnym $\ce{C_{n}H_{2n+2}}$. Reagują z halogenami w mechanizmie rodnikowym, zwykle pod wpływem światła lub ogrzewania. Etapy mechanizmu to inicjacja, propagacja i terminacja; substytucja zastępuje atom wodoru atomem halogenu.

9.Alkeny i alkiny

Acykliczne węglowodory z jednym wiązaniem podwójnym mają wzór $\ce{C_{n}H_{2n}}$, a z jednym potrójnym - $\ce{C_{n}H_{2n-2}}$. Ich charakterystyczną reakcją jest addycja, w której zmniejsza się liczba wiązań $\pi$, a do atomów węgla przyłączają się nowe atomy lub grupy.

10.Reguła Markownikowa

W typowej addycji halogenowodoru do niesymetrycznego alkenu atom wodoru przyłącza się do atomu węgla mającego więcej atomów wodoru. Kierunek wynika z preferencyjnego powstawania stabilniejszego karbokationu. Reguła nie opisuje rodnikowej addycji bromowodoru w obecności nadtlenków.

11.Wykrywanie nienasycenia

Wiązania wielokrotne mogą reagować z bromem oraz z rozcieńczonym, zimnym roztworem manganianu(VII) potasu. Odbarwienie nie dowodzi samo w sobie obecności alkenu: podobny efekt mogą powodować inne reaktywne grupy, np. grupa aldehydowa, a fenole reagują z wodą bromową przez substytucję.

12.Aromatyczność benzenu

Benzen jest płaską cząsteczką z układem zdelokalizowanych elektronów $\pi$. Wszystkie wiązania między atomami węgla w pierścieniu są równocenne. Preferuje substytucję elektrofilową zachowującą układ aromatyczny zamiast addycji, która ten układ niszczy.

13.Wpływ podstawnika na substytucję w pierścieniu benzenowym

Grupy hydroksylowa, aminowa i alkilowe kierują kolejną substytucję głównie w pozycje orto i para. Grupy nitrowa i karboksylowa kierują głównie w pozycję meta. Halogeny dezaktywują pierścień, lecz kierują substytucję w pozycje orto i para.

14.Polimeryzacja addycyjna

W polimeryzacji addycyjnej wiele cząsteczek monomeru łączy się w makrocząsteczkę bez wydzielania małych cząsteczek produktu ubocznego. Dla monomerów alkenowych wiązanie podwójne przekształca się w wiązania pojedyncze tworzące łańcuch polimeru.

15.Halogenoalkany: substytucja i eliminacja

W halogenoalkanach atom halogenu może zostać zastąpiony przez grupę hydroksylową w reakcji z wodnym roztworem zasady. Alkoholowy roztwór zasady i ogrzewanie zwykle sprzyjają eliminacji halogenowodoru oraz powstawaniu alkenu. Wynik zależy również od budowy substratu.

16.Alkohole i ich rzędowość

W alkoholach grupa hydroksylowa jest połączona z nasyconym atomem węgla. Rzędowość alkoholu określa liczba atomów węgla bezpośrednio połączonych z atomem węgla niosącym tę grupę. Nie jest ona liczbą grup hydroksylowych w cząsteczce.

17.Utlenianie i odwodnienie alkoholi

Alkohole pierwszorzędowe utleniają się do aldehydów, a następnie kwasów karboksylowych; drugorzędowe - do ketonów. Trzeciorzędowe nie utleniają się analogicznie bez rozrywania szkieletu węglowego. Odwodnienie alkoholu może prowadzić do alkenu lub eteru, zależnie od warunków.

18.Alkohole polihydroksylowe i wiązania wodorowe

Grupy hydroksylowe umożliwiają tworzenie wiązań wodorowych, co wpływa na temperaturę wrzenia i rozpuszczalność. Alkohole z odpowiednio położonymi grupami hydroksylowymi, np. przy sąsiednich atomach węgla, tworzą z wodorotlenkiem miedzi(II) intensywnie niebieski roztwór kompleksu.

19.Fenole

Fenole mają grupę hydroksylową bezpośrednio połączoną z pierścieniem aromatycznym. Są bardziej kwasowe od alkoholi, ponieważ anion fenolanowy jest stabilizowany przez delokalizację elektronów. Reagują z wodorotlenkiem sodu, lecz w typowej próbie nie wydzielają tlenku węgla(IV) z wodorowęglanu sodu.

20.Aldehydy i ketony

Obie klasy zawierają grupę karbonylową. W aldehydzie atom węgla tej grupy jest połączony z co najmniej jednym atomem wodoru, a w ketonie - z dwoma atomami węgla. Polaryzacja wiązania karbonylowego ułatwia atak nukleofila na atom węgla.

21.Próby Tollensa i Trommera

Aldehydy redukują odczynnik Tollensa do srebra, a ogrzewany zasadowy odczynnik z miedzią(II) - do tlenku miedzi(I). Same utleniają się w środowisku zasadowym do anionów karboksylanowych. Typowe proste ketony dają wynik ujemny, ale niektóre cukry ketonowe reagują dodatnio wskutek przemian w środowisku zasadowym.

22.Kwasy karboksylowe i ich dysocjacja

Grupa karboksylowa zawiera grupę karbonylową i hydroksylową przy tym samym atomie węgla. Kwasy karboksylowe są zwykle słabymi kwasami: $\ce{RCOOH + H2O <--> RCOO- + H3O+}$. Reagują m.in. z zasadami oraz węglanami i wodorowęglanami.

23.Wpływ podstawników na kwasowość

Podstawniki przyciągające elektrony stabilizują anion karboksylanowy i zwykle zwiększają kwasowość. Efekt indukcyjny słabnie ze wzrostem odległości podstawnika od grupy karboksylowej. Większej wartości $K_a$ odpowiada mocniejszy kwas, a większej wartości $pK_a$ - słabszy.

24.Estryfikacja

Kwas karboksylowy reaguje z alkoholem, tworząc ester i wodę. Reakcja jest odwracalna i zwykle katalizowana kwasem. Usuwanie wody lub zwiększenie ilości jednego substratu przesuwa równowagę w stronę estru; katalizator przyspiesza osiągnięcie równowagi, ale nie zmienia jej położenia.

25.Hydroliza estrów

Hydroliza kwasowa estru jest odwracalna i prowadzi do kwasu karboksylowego oraz alkoholu. Hydroliza zasadowa prowadzi do soli kwasu i alkoholu, a w typowych warunkach przebiega praktycznie do końca. Jeden mol estru z jedną grupą estrową zużywa jeden mol jonów wodorotlenkowych.

26.Tłuszcze i zmydlanie

Tłuszcze są triestrowymi pochodnymi propan-1,2,3-triolu i wyższych kwasów karboksylowych. Zmydlanie daje propan-1,2,3-triol oraz sole tych kwasów. Jeden mol triacyloglicerolu zużywa trzy mole jonów wodorotlenkowych.

27.Mydła i micele

Mydła to sole sodowe lub potasowe wyższych kwasów karboksylowych. Mają hydrofilowy fragment jonowy i hydrofobowy łańcuch węglowodorowy, dzięki czemu tworzą micele. Jony wapnia i magnezu mogą wytrącać trudno rozpuszczalne sole tych kwasów, zmniejszając skuteczność mycia.

28.Polikondensacja

Polikondensacja łączy monomery posiadające co najmniej dwie odpowiednie grupy funkcyjne z wydzielaniem małych cząsteczek, np. wody. Z dioli i kwasów dikarboksylowych można otrzymywać poliestry, a z diamin i kwasów dikarboksylowych - poliamidy.

29.Aminy i amidy

Aminy wykazują właściwości zasadowe dzięki wolnej parze elektronowej atomu azotu i tworzą sole z kwasami. W amidach grupa karbonylowa jest bezpośrednio połączona z atomem azotu. Delokalizacja jego pary elektronowej sprawia, że amidy są znacznie słabszymi zasadami od amin.

30.Aminokwasy i jon obojnaczy

Aminokwasy zawierają grupę aminową i karboksylową. Mogą występować jako jony obojnacze, zawierające jednocześnie grupę amoniową i karboksylanową. W środowisku silnie kwaśnym dominują formy o ładunku dodatnim, a w silnie zasadowym - ujemnym.

31.Wiązanie peptydowe i białka

Wiązanie peptydowe jest wiązaniem amidowym między fragmentem karboksylowym jednego aminokwasu a atomem azotu drugiego. Hydroliza rozrywa te wiązania. Denaturacja zmienia wyższe poziomy struktury białka, zasadniczo bez rozrywania wiązań peptydowych.

32.Próby charakterystyczne białek

Próba biuretowa daje fioletowe zabarwienie w obecności co najmniej dwóch wiązań peptydowych w odpowiednim układzie. Próba ksantoproteinowa polega na nitrowaniu podatnych pierścieni aromatycznych w resztach aminokwasowych i prowadzi do żółtego zabarwienia.

33.Monosacharydy i cyklizacja

Monosacharydy są wielohydroksylowymi aldehydami lub ketonami. Reakcja wewnątrzcząsteczkowa grupy karbonylowej z hydroksylową tworzy formę pierścieniową oraz anomery. Przemiany między anomerami przez formę łańcuchową powodują mutarotację, czyli zmianę skręcalności optycznej roztworu.

34.Cukry redukujące i wiązanie glikozydowe

Cukier jest redukujący, gdy może wytworzyć odpowiednią formę łańcuchową, zwykle dzięki wolnej grupie przy atomie anomerycznym. Zablokowanie wszystkich centrów anomerycznych wiązaniem glikozydowym uniemożliwia tę przemianę. Niektóre ketozy również dają dodatnie próby redukcyjne w środowisku zasadowym.

35.Skrobia i celuloza

Oba polisacharydy są zbudowane z reszt glukozy, ale różnią się konfiguracją wiązań glikozydowych. W skrobi występują wiązania typu $\alpha$, a w celulozie typu $\beta$. Człowiek trawi skrobię, lecz nie ma enzymów hydrolizujących wiązania glikozydowe celulozy.