Kemia 10. - Tankonyv - Szerves Kemiai Ismeretek

KÉMIA Szerves kémiai ismeretek

Hundidac '97 Arany-díj V. Budapesti Nemzetközi Könyvfesztivál Könyvdíja Szép Magyar Könyv '97. '98 Oklevél Szép Magyar Könyv '98 Különdíj Hundidac ’99 Arany-díj Hundidac 2001 Arany-díj Szép Magyar Könyv 2001 Díj

Szerzők: Dr. Siposné Dr. Kedves Éva Horváth Balázs Péntek Lászlóné

A T E R M E S Z E T R O L T IZ E N É V E S E K N E K

A

KÉMIA S

z

e

r

v

e

i s

s

k

m

é

e

m

r

i a

e

t e

i

k

1

J

í

.

\

\

J

T IZ E N E G Y E D IK KIADAS M O ZA IK KIADÓ - SZEGED, 2012

Szerzők: D R . S IP O S N É D R . K E D V E S ÉVA Apáczai Csere János-díjas c. fkk

fény

15.1. A meti'mmolekula térben és síkban. Milyen aíakú a melánntolekuh?

é s fk la d a to k

1. Csoportosítsd az alábbi szénvegyületeket a .szénlánc alakja, telítettsége és elemi össze­ tétele alapján! a) CH3 - C H 2 - C H 2 - C H 3 CH3 f) CH2 h) CH3 - C H 2 -O H c) CH3 - N - C H 3 CH3 2.

/ ii) C H 3 - C - C H 3

CH3

H jC \

\ CH

OH

/

H2C — CH2

e) CH2 = C H -C H 2 - C H 3

írd fel a metánmolekula konstitúciós és összegképletét!

3. Rajzold le a C4H10 összegképletű szénvegyület konstitúciós képleteit! Hányféle meg­ oldást találtál? A valóságban m iéit ,»zegzugosak” a szénláncok? 4. Egy vegyület 81,81 tömeg% szenet és 18,19 tö m e g é hidrogént tartalmaz; moláris g töm ege 44 — r . Mi az összegképlete? Rajzold fel a konstitúciós képletét! mól

16

BKVKZKTKS A S Z K R V K S K K M IA B A

A SZENVEGYULETEK KÉMIAI ANALÍZISE A szénvegyületek jellem zése szükségessé teszi a vizsgált anyag elemi összetételének is­ meretét. Ezt a célt szolgálja a szénvegyüle­ tek összetételének minőségi és mennyiségi meghatái'ozása. azaz a kémiai analízis (elem­ zés). A mindscgi analí/Js során azt vizsgál­ juk. hogy milyen elemekből épül fel a kénléses vefíytUeí. A incnnyíscgí analízis során pe­ dig a vizsgált vegyiilef alkotórészeinek ará­ nyát határozzuk meg. A szerves vegyületek molekuláit alkotó ato­ mok kim utatása többnyire csak úgy valósít­ ható m eg, hogy a vizsgálat során a m oleku­ lákat ronc.soljuk, azaz a vizsgálat céljára al­ kalm as molekulákká alakítjuk. A továbbiakban a négy organogén (C, H, N, O) elem szerves vegyületekben való egyszerű kimutatásával foglalkozunk. A szerves anyagok szén- és hidrogcnlartalm ának kíniutatása: A tökéletesen elég ő szetves vegyületek széntartahna szén-dioxiádá alakul, amit meszes vízzel (Ca(OH)2 -oldaltal) mutatunk ki. A me­ szes víz zavarossá válik a szén-dioxidtol, m i­ vel az oldatban vízben rosszul oldódó kalci­ um -karbonát képződik. CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O C3(0H)2 + CO2 —CsCOg + H2O fehér cxafHuték

16.1 . A loluol konnozó lánggal ég. égése nem töké­

letes. Melyik elem jelenlétére ulal a vegyülelhen?

I

Cseppentsünk egy csepp toluoll porcelántálba. és gyújtsuk meg!

Ha az égés nem tökéletes, akkor a szerves vegyület kormozó lánggá Jég. A koromrészecs­ kék (ami elemi szén) kiválása a vizsgált vegyület széntailalm át jelzi. A hidrogént a szénvegyületekben ügy mulat­ juk ki, hogy vízzé oxidáljuk. A víz apró csep­ pecskék form ájában /ecsapóJik az edény hideg falán. A s z e n ’es anyagok o x ig é n ta rta lm á n a k k i­ m u ta tása : Az oxigén kimutatása egy .szénvegyületben általában bonyolult. V iszonylag egyszerű a folyékony szerves anyagok (szerves oldó­ szerek) oxigéntartalm ának kim utatása jó d segítségével. Oldjunk néhány jódkiistályt szén-tetrakloridban (CCI4), toluolban (CgHs—CH3 ), etil-alkohóiban (C2H5OH), éterben (C2H5 - O - C 2H5)! (A szén-tetiaklorid rákkeltő vegyület. azzal kí­ sérletezni nem szpán (izt)pntpil-klorí{I}

2-kfór-2-meülpropón

CH3 I Cl - CH2 - CH2 - CH - CH3 i-Uór-i-metilbuUm

Cl - CH = CH - CH3 1-klórpmp‘l ‘én

Cl CH2 = C - C H

2'klórprop’l'én

3

67

C H a -^ ^ ^ C I

hklón4'men{cikl'cnftc sav, hiszen a gyen­ ge szénsav is „kiszorítja” a sójából. („Az erő­ sebb sav a gyengébbet kiszorítja a sójából.” ) O" '1 ^

OH + Na% H2CO3 ^

|- ^

+ Na% HCOj

szénsav

I( J ) J + H3 0 * fenitUUiim (Jenoxi/}-2-^ns(n'

H OOC-COOH

elóiHlisav

Savmaradék:

O R -C

\

R -C OH alkanoátion

01

01

\ \0-H

metánsav (hangyasav)

H -C metanoátion (formiátion) 01

01

CHa-C

C H ,- C

\ 0 -H A három- vaf>y töhhértékú, illetve a ^yiln ts karbonsavak nevéf a •karbonsav ufórafífial képezzük. Ebben az esetben a karboxHcsoportok szénatomjait nem számítjuk az a/apszénhuiroffén nevébe.

01

alkánsav

H -C

105

elánsav (ecetsav)

\

etanoátion (acetátion)

105.1. Telílell. nomiális láncú, egyértékű karbonsavak és savmaradékaik. Mi az alkáii.un-ak áhaUUios összegképlete?

COOH ciklohexánkarbonsav propán‘I,2,3‘trikarbonsav HOOC - C H a - CH - C H j- COOH I COOH

Az alkánokból levezethető karbonsavak tí­ pusneve alkánsav. Régie.sen zsírsavaknak szokás őket nevezni, m eit a nagyobb szén­ atom szám ú karbonsavakat zsírokból állítot­ ták elő először. Nagyon sok karbonsavnak régi eredetű neve van, és a gyakorlatban ezek a használatosak. Ezek (I nevek általában annak a növénynek vagy állatnak a nevével kapcsolatosaké amelyekbfJl először kinyerték őket (pl. almasav, sóska.sav, citmmsav, hangyasav). Az egyes kaibonsavak savm aradékának kö­ zönséges nevét a sav latin nevéből képez­ zük. A z alkánsavak savm aradékának* sza­ bályos neve alkanoát,**

c s o p o r t o s ít á s

A karboxilcsopoithoz a legkülönfélébb szénhidrogéncsopoiiok (telített, telítetlen, nyílt láncú, gyűrűs, arom ás) kapcsolódhatnak. Ezenkívül molekuláikban két vagy több karboxilcsoport is előfordulhat. A karbonsava­ kat csoportosíthatjuk a karboxilcsoporthoz kapcsolódó szénhidrof^éncsoportok, illetve értékűségük (mono-, di-, ti*i-, polikarbonsavak) alapján. F IZ IK A I T U L A JD O N S Á G O K A karbonsavak forrás- cs olvadáspcmtja a m olekulák között kialakuló hídrogcnkötcsek m iatt viszcmylag m agas. Forráspontjuk a közel azonos m olekulatömegű, egyértékű alkoholokénál is magasabb. A karbonsavak forráspontja kb. kétszerese a hasonló m oláris töm egű alkánok forrás­ pontjának. Ez azzal m agyarázható, hogy

106

K (;Y F U N K C IÓ S (•S ()l»()R 'r()T T A R T A L M A y X )S Z K N V K < ;Y i;L K T K K

a korhonsavok ha/nwzaihan a mofekulák kétrésévéJ Összekopisolódnok ((Hmeríz(ü('xUwk}. A karbonsavak molekulái dimerizálódnak:

R-C

'í'

01

\

— H -Q \ \

C -R

\0-H ---l0

A norm ális láncú karbonsavak kb. C^o-ig cseppfolyósak, a nagyobb szénatomszamúak és az arom ásak szUónlak. Az olvadáspontjuk (az alkánokhoz hasonlóan) nemcsak a m o­ lekula méretétől, hanem kristályrácsuk szer­ kezetétől is függ. A kisebb szénatomszámú karbonsavak víz­ ben jó l oldódnak, mivel a karboxilcsoport polárissága érvényesül. A nagyobb szénatom szám ű karbonsavakban inkább a karboxilcsoportokhoz kapcsolódó szénhidro­ génláncok apoiáris jellege érvényesül. így C5 -IŐI kezdve a kaibonsavak csak kism ér­ tékben oldódnak vízben. A Cg-től kezdve a monokarbonsavak f*yakoHarUaf* vízokfhatatIonok. A zsíroldószerekben (apoiáris oldó­ szerekben) való oldhatóságuk éppen fordítot­ tan változik.

K krdksick

Név

Moláris tömeg 46 44

hangyasav propán heptán

100

ecetsav bután oktán

60 58 114

Forráspont CC) 1 01

-4 2 98 118 0

126

1 0 6 .]. Alkánsavak forráspontja az alkánokhoz viszonyítva

Sz^tom&zám 106.2. Az alkiinsaviik és az alkil-alkoholok forrás­ pontja a szénatomszám függvényében

ks f k l a d a t o k

1. Hol helyezkedhet el a karboxilcsoport a szénláncban? ✓ 2 . írd le az alábbi neveknek m egfelelő képleteket! a) 2 -metilhexánsav c) 2 -metilbutándisav h) 2,3"dimetilpentánsav tban m egtalálható szinte minden édes gyfimölrshen, pl. a sző­ lőben is. Innen ered a neve, mivel a must bepárlásával kristályosították ki először. Sok­ kal nagyobb mennyiségben fordul elő kötött állapotban, SZACIIAKIIK)K

F on

T O S A B B

M

165

O N O S Z A C H A R I D O K

PEN TO ZO K

HEXOZOK

A R I B Ó Z * (CsHioOs)

AGYÜMÖLCSCUKOR=" (fioiktóz) (CgHiaOe)

A ribóz aldopentó/. A sejtpla/m ában talál­ ható ribonukleinsavak (RNvS) egyik építőkö­ ve. A glükózhoz hasonlóan a ribóznak is a gyűioís formája a stabilisabb.

Az egyszeiíí szénhidrátok közül a Icgcdc.scbb ízű a gyüm ölcscukor, tudom ányos nevén fruktóz. (A név a latin fructus = gyümölcs szóból származik.) Szabad állapotban nagy mennyiségben található meg egyes gyümöl­ csök nedvében (almában, szilvában) és a méz­ ben, de leggyakrabban a szőlocukoiral alko­ tott diszacharid, a közönséges répacukor alakjában fordul elő.

Színtelen, vízben jól oldódó, kristályos anyag. 5

4

3

2

1 -^

C H o -C H -C H -C H -C I I I I OH OH OH OH

\

O H

6

2,3,4,5-Mrahidroxipentanal Ü lt glikozidos hidfojülcsoport

.0

^OH

OH

"H H

: HO

: H OH

HO

OH

fi'D’ribóz A2-DEZOXI-RIBOZ* (C5H,o04) M olekulája mindössze egy oxigénatommal tartalm az kevesebbet a ribóznál. Szintén aldopcntó/., molekulájában azonban a 2 . szén­ atom hoz hidroxilcsoport helyett hidrogénatom kapcsolódik. így szerkezete nem tipi­ kusan „szénhidrátszeru”. Erre utal a névben a 2-dezoxi előtag. Szintén a gyűiiúís formája a stabilisabb. A 2-dezoxi-/?-D-ribóz a sejt­ m ag b an található dezoxiribonukleinsavak (DN S) építőköve.

2-dezoxi-fi~D-ribóz

S

4

3

2

1

CH2 - C H - C H - C H - C - C H 2 I I I I II I OH OH OH OH O OH l,3,4,S,6-pentahUimxihexán-2-on

Összegképlete a szólőcukoréval m egegye­ ző, de a szerkezete eltérő. A fm któz moleku­ lájában nincs forrni lesöpört. A fiuktóz kclohcxóz. (Az oxocsoport a 2. szénatomhoz kap­ csolódik.) A fioiklózmolekula hat- és öttagú gyűnűvé is záródhat. A legfontosabb származékaiban öt­ tagú gyűrűs alakjában fordul elő. A gyűrűs fruktóz molekulában a 2 . szénatomhoz kap­ csolódó hidroxilcsopoit a glikozidos hidro­ xilcsoport.

166

I

A LKCKONTOSABB TKRMKS/KI KS SZKNVK(;YUI.KI KK

Vizsgáljuk meg a gyümölcscukor színét, szik m onos/acharid a glíko/ídos hídro.xilcsoporljával vesz rés/l. A m ásik vagy szintén glikozidos, vagy vala­ m elyik alkoholos hldroxilcsopoitjával vesz részt a glíkozidkötés kialakításában. CH2OH HOHO

A MALTÓZ* (malátacukor) CC12 H22O 11 )

Ezt röviden úgy mondjuk, hogy a két glükóz­ molekula (a képletben balról jobbra olvasva) 1,4-kötéssel kapcsolódik. Emiatt a moleku­ lajellegzetesen m egtört alakú lesz (105®-os a kötésszög). N evét onnan kapta» hogy a sörgyártásnál használt csíráztatott árpa, a m aláta nagy mennyiségben tartalmazza.

o'^

>...... O - - - ^ OH

HO

OH

glikozidkötés

A z élő szervezetekben a diszacharidok képző­ dését enzimek katalizálják és ininyítji'ik. Az en­ zimek «iktív részei meghatiíinzott téralkattal lendetkeznek, és ez szigorúan megszabja, hogy a két monosz^ichiU'id hogyan, mely hldroxilcsoportjaival kapcsolódjék egymáshoz.

A diszacharidok is igen gyakori, illetve bio­ lógiai szempontból igen jelentős vegyületei az élővilágnak.

167.1. A maltózmolekula képződése kél a-D-glükózmolekulából pálcikamodellekkel szemléltetve. Mely szénoiomok köz/fH diákul ki a gUkovdkötéx?

168

A LKCKONTOSABB TKRMKS/KI KS SZKNVK(;YUI.KI KK

CH2OH CH 2 OH

HO"