1. fejezet - Szerkezet és kémiai kötés

Miért alakult ki a szerves kémia?

• a szénnek egyedülálló kémiája van
  • kapcsolódni tud az összes többi elemhez
  • hosszú láncokban tud saját magához kapcsolódni
• a szerves kémia változatossága lenyûgözô
  • sok lehetséges molekulaszerkezet
  • sok lehetséges reakció

Miért tanulunk szerves kémiát?

• mit csinálnak a szerves kémikusok?
  • molekulaszerkezetek, reakciók megértése
  • a molekulaszerkezet és a tulajdonság viszonya
  • egyéni tulajdonságú vegyületek elõállítása
• kinek van még szüksége a szerves kémiára?
• az összes életfolyamat alapja
  a sok lehetséges molekulaszerkezet és reakció teszi lehetõvé az életet

Hogyan kezeljük a változatosságot?

• nevezéktan (nomenklatúra)
• világos módszerek a molekulák és a reakciók elnevezésére
• molekulák
  • funkciós csoportok szerint csoportosítva
• reakciók
  • reakciótípus szerint csoportosítva (mi történik?)
  • reakciómechanizmus szerint csoportosítva (hogyan történik?)

Mit kell a szerves kémiával megoldanunk?

• összetett nevekbõl meghatározni a molekulaszerkezetet
• összetett szerkezetekben funkciós csoportokat felismerni, jellemzõ tulajdonságokat megjósolni
• reakciómechanizmusokkal dolgozni - hogyan viselkedhet egy molekula bizonyos körülmények között
• "úgy gondolkodni, ahogy egy molekula"

Vegyünk egy reakciót!

• CH₃OH + HCl —> CH₃Cl + H₂O
• Reakciótípus?
  • sav/bázis, oxidáció/redukció, addíció/elimináció, szubsztitúció, átrendezõdés
  • szubsztitúció -- Cl-t OH-ra (határozzuk meg a felszakadó és keletkezõ kötéseket)
• Reakciómechanizmus ?
  • hogyan zajlik a reakció (lépésrõl lépésre)

Nézzünk egy reakciómechanizmust!

• Szedjük szét a molekulát atomokra!
• Rakjuk össze a termékké!
• Mi a rossz ezzel a mechanizmussal?
• Túl sok energiát igényelne (szükségtelenül).

Egy jobb mechanizmust...

• Egyensúlyozzuk a kötés felhasítását kötés kialakításával.
• Elõször egy sav-bázis reakció:
  CH₃OH + HCl —> CH₃OH₂⁺ + Cl^-
• Majd egy szubsztitúció:
  CH₃OH₂⁺ + Cl^- —> CH₃Cl + H₂O

A periódusos rendszer

• atomszám (meghatározza az elemet)
• atomtömeg (izotópok)
• elektron -- elektronhéjak (sorok)
• csoportok (hasonló tulajdonságok)
• betöltött elektronhéjak (nemesgázok)
• vegyérték-elektronok (kémiai kötéshez)

Lewis-szerkezetek

• az oktett szabály
  - az atomok arra törekszenek, hogy 8 vegyérték-elektronjuk legyen (betöltött héjl)
• ionos kötés
  - elektronfelvétel vagy -leadás
  - az elektrosztatikus vonzás stabilizálja
• kovalens kötés
  - elektronmegosztás
  - a legáltalánosabb kötés a szerves molekulákban

Atompályák

• hullámfügvények
  - leírják az elektronok helyét
• s pályák (gömbölyû)
• p pályák (három: x,y,z)
  - (súlyzó alakú - 2 lebeny)
• d pályák (4 lebeny)
  - általában nem szükséges a szerves kémiához
• hibrid pályák
  - kombinált pályák

Hibrid pályák

• sp hibridek (egy s plusz egy p)
  - két azonos pályát ad (egyenes)
• sp2 hibridek (egy s plusz két p)
  - három azonos pályát ad (háromszög alakú)
• sp3 hibridek (egy s plusz három p)
  - négy azonos pályát ad (tetraéderes)

Kötés

• vonzás a negatív elektronok és a pozitív mag között
  - taszítás az elektronok között
  - taszítás a magok között
• a kötés a vonzóerõk és a taszítóerõk egyensúlya
• jellemzõ kötéstávolság és kötéserõsség

Molekulapályák

• az atompályák átfedése
• az elektronok két mag közelében vannak
• kötõ és nem kötõ kombinációk

Szigma-kötések

• hengerszimmetria
• az atompályák végeinek átfedésével keletkezik

Pi-kötések

• a kötéstengelyen keresztül csomósík
• az atompályák oldalának átfedésével keletkezik

Szerves molekulák ábrázolása

• Lewis-képlet
  - minden elektront ábrázolunk
• Kekulé-képlet
  - a kötéseket vonalak jelölik
  - a magános elektronpárokat néha elhagyjuk
• vonalas képlet
  - elhagyjuk a magános elektronpárokat
  - elhagyjuk a hidrogént a szénatomokon
  - elhagyjuk a szénatomokat
  (feltételezzük, hogy minden kötés végén szén van)

3 dimenziós szerkezetek

• pontozott vonal / ék
• golyó és pálcika
• térkitöltés

A kémiai szerkezet megjelenítése

• Név (triviális vagy szisztematikus)
• Tömör képlet (ahogy általában nyomtatva van)
• Lewis-képlet (az összes atom és kötés fel van tüntetve)
• Vonalas képlet (elhagyja a hidrogéneket; a szénatomokat a csúcsok jelentik)
• 3-D szerkezet (jelzi a kötések térbeli elhelyezkedését)
• Golyó és pálcika képlet (mit egy molekulamodell)
• Térkitöltéses modell (az elektroneloszlás teljes méretét közelíti)

metán: CH₄

benzol: C₆H₆

penicillin:

Próbáljunk ki egy 3-D-s képet:

1) Kattints a "Próbáld ki!"-ra ha elolvastad az instrukciókat.
2) Keresztezd a szemeid (bandzsíts) úgy, hogy két dupla képet láss.
3) Nézz úgy, hogy a középsõ képek átfedjék egymást.

Próbáld ki!

Jellemzõ vegyérték

• H: 1 vegyérték-elektron, 1 kötés
• C: 4 vegyérték-elektron, 4 kötés
• N: 5 vegyérték-elektron, 3 kötés + 1 magános elektronpár
• O: 6 vegyérték-elektron, 2 kötés + 2 magános elektronpár
• F: 7 vegyérték-elektron, 1 kötés + 3 magános elektronpár

Molekulapályák

• H + H —> H-H
• s + s —> szigma-kötés
• H-H kötéshossz: 0,74 A
• H-H kötéserõsség: 104 kcal/mol

Metán

• C + 4 H —> CH₄
• sp³ + s —> négy szigma-kötés
• C-H kötéshossz: 1,10 A
• C-H kötéserõsség: 104 kcal/mol
• elhelyezkedés - tetraéderes
• kötésszögek: 109,5^o

Miért hibrid pályák?

• jó alak (irány)
• a kötésnél nagyfokú átfedés lehetséges
• maximális az elektronok sûrûsége az atomok között
• jó irányítottság
• minimális taszítás a pályák között

Etán

• CH₃CH₃
• egy C-C szigma-kötést tartalmaz
• sp³ - sp³ pályák átfedése
• C-C kötéshossz: 1,54 A
• C-C kötéserõsség: 88 kcal/mol
• C-H kötéshossz: 1,10 A
• C-H kötéserõsség: 98 kcal/mol
• irányítottság - két tetraéder

Etilén

• CH₂=CH₂
• egy C=C kettõs kötést tartalmaz (alkén család)
• sp² - sp² pályák átfedése (szigma-kötés)
• p - p pályák átfedése (pi-kötés)
• C-C kötéshossz : 1,33 A
• C-C kötéserõsség: 152 kcal/mol
• C-H kötéshossz: 1,08 A
• C-H kötéserõsség: 103 kcal/mol
• irányítottság - sík
• kötésszög 120^o

Acetilén

• HC⁼CH
• egy C⁼C hármas kötést tartalmaz (alkin család)
• sp - sp pályák átfedése (szigma-kötés)
• p - p pályák átfedése (két pi-kötés)
• C-C kötéshossz: 1,20 A
• C-C kötéserõsség: 200 kcal/mol
• C-H kötéshossz: 1,06 A
• C-H kötéserõsség: 125 kcal/mol
• irányítottság - egyenes

Kötéstendenciák

A kötéshosszak Angströmben (a kötéserõsségek kcal/mol-ban)

Vegyület	Hibridizáció	C-C kötés	C-H kötés
Etán	sp3	1.54 (88)	1.10 (98)
Etilén	sp2	1.33 (152)	1.08 (103)
Acetilén	sp	1.20 (200)	1.06 (125)

• a többszörös kötések erõsebbek
• a rövidebb kötések erõsebbek

Elektronegativitás

• egy atom elektronvonzó hajlama
• a periódusos rendszerben az elektronegativitás jobbra és felfelé növekszik
• F > O > Cl ~ N > Br > C > H > fémek

Poláris kovalens kötés

• a kovalens kötésben résztvevõ elektronok nem mindig egyformán megosztottak
  a H-Cl ténylegesen d⁺ H-Cl d^-
  ahol a d⁺ és a d^- a parciális töltést jelöli

A szén kötéseinek polárossága

• a C-C kötés nem poláros
• a C-H kötés általában apolárosnak tekinthetõ
• a C-X kötés polarizált (d⁺)
  X = F, Cl, Br, I, O, S, N
• a C-M kötés polarizált (d^-)
  M = fém

Bronsted-Lowry sav-bázis elmélet

• sav - H⁺ donor
• bázis - H⁺ akceptor
  NH₃ + H₂O <==> NH₄⁺ + OH^-
  bázis + sav <==> sav + bázis
• figyeljük meg a konjugált sav-bázis párt
  (H⁺-nal különböznek)

A sav disszociációs állandója (K_a)

• HA + H₂O <==> H₃O⁺ + A^-

általában leegyszerûsítve

HA <==> H⁺ + A^-

• K_a = [H⁺] [A^-] / [HA]

Saverõsség (pK_a)

• erõsebb savaknak nagyobb a K_a-értékük
  HCl esetén K_a = 10⁷
  CH₃COOH (ecetsav) esetén K_a = 10^-5
  
• pK_a = - log K_a
• erõsebb savaknak kisebb a pK_a -értékük
  HCl: pK_a = -7
  CH₃COOH: pK_a = 5

pH és pK_a

• K_a = [H⁺][A^-]/[HA]
• pK_a = pH - log([A^-]/[HA])
• pH = pK_a, [A^- ] = [HA]
• pH < pK_a, HA van túlsúlyban
• pH > pK_a, A^- van túlsúlyban
  például az ecetsav esetében pH = 7 mellett
  [CH₃COO^-] > [CH₃COOH]

Sav-bázis reakciók

CH3COOH + OH- <==> CH3COO- + H2O
sav	bázis	bázis	sav

pK_a = 5;  pK_a = 15.7
erõsebb sav
a reakció a jobb oldal felé tolódik el

CH3COOH + H2O <==> CH3COO- + H3O+
sav	bázis	bázis	sav

pK_a = 5;   pK_a = 1.7
a reakció a bal oldal felé tolódik el

HC=CH + Na+NH2- <==> HC=C-Na+ + NH3
sav	bázis	bázis	sav

pK_a = 25;   pK_a = 35
a reakció a jobb oldal felé tolódik el

CH3OH + CN- <==> CH3O- + HCN
sav	bázis	bázis	sav

pK_a = 16;   pK_a = 9
a reakció a bal oldal felé tolódik el

Lewis-savak

• sav - felvesz egy elektronpárt
• bázis - lead egy elektronpárt
• (kialakul egy új kovalens kötés)

H⁺ + H₂O <==> H₃O⁺
L-sav L-bázis új O-H kötés

BF₃ + NH₃ <==> F₃B-NH₃
L-sav L-bázis új B-N kötés

Formális töltés

• vegyérték-elektronok száma - (kötések száma + magános elektronok száma)
• (Hány e^- van "szabály szerint" ebben az atomban?)
  - (Hány e^- van ebben a vegyületben?)

Rezonancia

• egynél több lehetséges Lewis-struktúra egy vegyülethez
• Melyik a legjobb Lewis-struktúra?
• Kövesd az oktett szabályt!
• Az elektronegativitás határozza meg a töltés helyét
  szén-monoxid
  nitro-metán

Vissza