Charakteristika a rozdělení organických sloučenin

Úvod
Základem organických sloučenin je čtyřvazný uhlík se svou schopností spojovat se do řetězců. Do organické chemie patří všechny jeho sloučeniny kromě těch nejjednodušších, jako je CO, CO2, H2CO3 a její soli či CS2 (na pomezí organiky a anorganiky pak leží sloučeniny nazývané karbidy). Další prvky, které v organických látkách nalezneme, jsou: H, O, N, P, S a halogeny. Podle Chemical Abstracts, neocenitelného informačního zdroje, který abstrahuje a indexuje chemickou literaturu, existuje více než 10 milionů organických sloučenin.
Historie
Lidé znají některé organické látky už poměrně dlouho (alkohol, cukry, kyselina octová, …), ale neznali jejich podstatu. Jöns Jacob Berzelius (švédský chemik, 1779 – 1848), poprvé definoval organickou chemii (jako chemii látek typických pro živou přírodu) a anorganickou chemii. Berzelius se domníval, že organické látky mohou vznikat pouze v živém organismu působením živočišné síly vis vitalis. Ale hned Berzeliovu žáku, Friedrichu Wöhlerovi (1800 – 1882) se podařilo vyrobit několik organických látek uměle, což byl počátek oboru organické syntézy. V roce 1824 připravil kyselinu šťavelovou hydrolýzou dikyanu a v roce 1828 získal izomerizací kyanatanu amonného močovinu (první reakce, kdy z anorganické látky získal člověk látku organickou).
Základní charakteristiky
Organické látky mají široké využití – potraviny, pohonné hmoty, výroba plastů, textilií, zbraní a léčiv, … Získávají se buď z přírodních zdrojů – fosilních=neobnovitelných (uhlí, ropa, zemní plyn) či recentních=obnovitelných (těla rostlin a živočichů) – nebo zmíněnou organickou syntézou. Charakteristické pro ně jsou nízké teploty tání a varu (neostrá hranice indikuje příměsi), nevodivost elektrického proudu, rozpustnost především v organických rozpouštědlech, hořlavost a často toxicita…
V organických sloučeninách převládají kovalentní vazby, a to většinou nepolární a v případě většiny vazeb obsahujících O, N a halogeny také polární.
Rozdělení
Chemici po mnoha letech získávání zkušeností pochopili, že organické sloučeniny je možné rozdělit na základě jejich strukturních rysů do určitých kategorií a že chemickou reaktivitu členů dané kategorie lze často předpovědět. Místo 10 milionů sloučenin s náhodnou reaktivitou existuje několik tuctů obecných kategorií organických sloučenin, jejichž chemii můžeme, alespoň v hrubých rysech, předpovídat. Nejhrubší síto představuje rozdělení na uhlovodíky a deriváty uhlovodíků.
Uhlovodíky dále dělíme na acyklické (alifatické) a cyklické. Podle násobnosti vazeb pak
rozlišujeme (cyklo)alkany, (cyklo)alkeny, (cyklo)dieny, (cyklo)alkiny… Speciální postavení
pak díky svým odlišným vlastnostem zaujímají areny (aromatické sloučeniny). Deriváty
uhlovodíků se rozdělují podle funkčních skupin.
Izomerie
Vlastnosti všech látek a tedy i organických sloučenin závisí na jejich struktuře. V organické
chemii se často místo pojmu struktura používají pojmy konstituce a konfigurace. Konstituce
je způsob, jakým jsou atomy v molekulách spolu vázány. Konstituce je dána druhy a počty
chemických vazeb. Konfigurace je konkrétní prostorové uspořádání atomů v molekule při
daných druzích a počtech chemických vazeb (= při dané konstituci). Struktura je pojem
nadřazený pojmům konfigurace a konstituce: Struktura = konstituce + konfigurace.
Izomerie je jev, kdy jednomu souhrnnému (molekulovému, sumárnímu) vzorci odpovídá
několik různých konstitucí (= několik různých způsobů uspořádání atomů v molekule) nebo
několik různých konfigurací (několik konkrétních uspořádání atomů v prostoru). V důsledku
izomerie jeden souhrnný vzorec přísluší několika různým sloučeninám lišícím se od sebe
strukturou (=konstitucí nebo konfigurací) a tedy i vlastnostmi. Sloučeniny, které sice mají
stejný souhrnný vzorec, ale liší se strukturou a vlastnostmi svých molekul, se nazývají
izomery. Protože izomery se mohou lišit buď konstitucí, nebo konfigurací svých molekul,
existují dva základní typy izomerie: izomerie konstituční (příčinou vzniku izomerů jsou rozdíly
v konstituci molekul) a izomerie konfigurační (příčinou vzniku izomerů jsou rozdíly v
konfiguraci jejich molekul). Jsou tři konkrétní příčiny v rozdílné konstituci molekul a tedy tři
konkrétní druhy konstituční izomerie. Jsou dvě konkrétní příčiny v rozdílné konfiguraci
molekul a tedy dva konkrétní druhy konfigurační izomerie.
Konstituční izomerie
První konstituční izomerie je
izomerie řetězová. Její
příčinou je rozdílné
uspořádání uhlíkových atomů
v řetězci. Izomery se liší
tvarem (vzhledem)
uhlíkového řetězce – např.
pentan a 2-methylbutan.
Další je izomerie polohová.
Její příčinou je rozdílná
poloha násobné vazby v
řetězci nebo rozdílné
umístění některé funkční
skupiny nebo jednotlivého atomu v molekule – např. chlorpentan, 2-chlorpentan a 3-
chlorpentan.
Poslední je izomerie skupinová. Příčinou je přítomnost rozdílných charakteristických skupin
atomů v molekulách se stejným souhrnným vzorcem – např. ethanol a dimethylether.
O CH3
H3C
dimethyl ether
OH
H3C
H3C
CH3
H3C
CH3
CH3
Cl
CH3
Cl
CH3
H3C
Cl
H3C
CH3
ethanol
1-chloropentane
pentane
2-methylbutane
2-chloropentane
3-chloropentane
Konfigurační izomerie (stereoizomerie)
Konfigurační izomerie geometrická – příčinou tohoto
typu izomerie je přítomnost dvojné vazby v
molekule, kolem které neexistuje volná otáčivost
atomů. Tím je dána možnost rozdílného
prostorového rozmístění některých skupin atomů.
Jedná se o cis a trans, nověji o E a Z izomery.
Druhá je izomerie optická. Příčinou je přítomnost
uhlíkového atomu v hybridním stavu sp3,který k sobě váže čtyři různé atomy nebo skupiny
atomů (chirální centrum). Tím je dána možnost rozdílného prostorového uspořádání těchto
atomů nebo skupin atomů. Enantiomery (optické izomery) se k sobě mají jako vzor a jeho
obraz v zrcadle (nejsou navzájem ztotožnitelné). Např. kyselina mléčná se může vyskytovat
ve formě dvou enantiomerů. Jeden z nich je obsažen v kyselém mléce a druhý ve svalové
tkáni. Enantiomery mají shodné fyzikální a chemické vlastnosti a jsou opticky aktivní, každý
z nich stáčí rovinu polarizovaného světla o stejný úhel ale do opačných směrů. Směs dvou
enantiomerů o stejné koncentraci v poměru 1:1 se nazývá racemická směs a je vůči
polarizovanému světlu netečná.
Analýza organických látek
Analýza organických látek má dvě složky – kvalitativní a kvantitativní.
KVALITATIVNÍ ZKOUŠKY zjišťují, z jakých prvků se látka skládá. Předpokladem dalších
postupů je mineralizace organického vzorku (oxidační nebo redukční rozklad), následuje
stanovení metodami anorganické analýzy (dokazovaný prvek se převádí na nějakou svou
anorganickou sloučeninu). Mineralizace organického vzorku se provádí: spalováním při
vysoké teplotě nebo varem v minerálních kyselinách.
důkaz uhlíku a vodíku (spalovací trubice)
zčernání stěn žíhačky (uhlík)
žíhání s oxidem měďnatým → uhlík se oxiduje na oxid uhličitý, zavedením do roztoku
hydroxidu barnatého vzniká nerozpustný uhličitan barnatý
chladná místa žíhačky se orosí vodou vznikající jako oxidační produkt vodíku
důkaz kyslíku
jodová zkouška → roztoky jodu jsou v bezkyslíkatých rozpouštědlech růžové, v
kyslíkatých hnědé
termický rozklad → zahříváním v inertní atmosféře vznikají z uhlíku a kyslíku oxid
uhličitý a uhelnatý, které se dokazují dalšími zkouškami
důkaz dusíku
mineralizace s kovovým hořčíkem a uhličitanem draselným → vznikající kyanid se
dokáže se železnatými ionty jako berlínská modř
Cl
CH3
H3C
H3C CH3
H3C
CH3
Cl
CH3
H3C
(2Z)-2-chlorobut-2-ene
(2E)-2-chlorobut-2-ene
(2Z)-but-2-ene
(2E)-but-2-ene
žíhání s natronovým vápnem (činidlo se připraví působením roztoku hydroxidu
sodného na oxid vápenatý) → uvolní se amoniak, který se dokazuje metodami
anorganické analýzy
důkaz síry
provede se zároveň s důkazem dusíku žíháním s hořčíkem a uhličitanem draselným
→ vzniká sulfid, který se dokáže jako černá sraženina sulfidů železa
důkaz halogenů
iontově vázaný halogen (halogenid organické baze) se dokáže přímo v roztoku, bez
předchozí mineralizace
důkaz s mědí: Beilsteinova orientační plamenová zkouška → měděný drátek se
vzorkem obsahujícím halogen zreaguje na halogenid měďnatý, ten barví plamen
zeleně (viz zkoušky na suché cestě, plamenové reakce)
žíhání s oxidem vápenatým → mineralizací vzniklý halogenid se dokáže roztokem
dusičnanu stříbrného
KVANTITATIVNÍ ZKOUŠKY pak slouží ke stanovení procentuálního množství prvku ve
sloučenině, z procent se pak odvodí empirický vzorec.