Zadania z zakresu chemii organicznej, jakie pojawiają się na egzaminie maturalnym nie powinny przysporzyć zbyt wielu problemów. Praktyka pokazuje jednak, że nawet najprostsze z zagadnień może sprawić, że przez nieuwagę maturzysta będzie musiał pożegnać się z cennymi punktami…. Przygotowałem dla Was dziesięć zagadnień z chemii organicznej, których opanowanie pozwoli Wam nieco spokojniej podejść do egzaminu.

1. HOMOLOGI.

Ogólnie mówiąc homologami nazywamy związki chemiczne o podobnej budowie cząsteczek. Każdy następny związek od poprzedniego różni się o grupę atomów -CH₂– (metylenową). Właściwości fizyczne homologów zmieniają się wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej, a chemiczne są podobne.

Wielokrotnie zdarzyło mi się zetknąć z sytuacją, gdy uczeń twierdził, że na przykład homologiem but-1-enu jest cyklopentan, bo przecież  każdemu z nich można przypisać ten sam wzór ogólny, czyli C_nH_2n. Tutaj należy zadać sobie kluczowe pytanie: czy cykloalkan oraz alken mają zbliżoną budowę chemiczną? Oczywiście, że nie. Alken natychmiast odbarwia roztwór bromu w czterochlorku węgla, natomiast cykloalkan potrzebuje do tego obecności światła… A zatem – alkeny oraz cykloalkany nie są względem siebie homologami, ponieważ z uwagi na różną budowę chemiczną cząsteczek, z tymi samymi odczynnikami reagują w zupełnie odmiennych warunkach z utworzeniem znacząco różnych od siebie produktów organicznych, które również nie należą do tego samego szeregu homologicznego.

2. SUBSTYTUCJA RODNIKOWA oraz ŚWIATŁO.

Jak wiemy – katalizator jest jednym z czynników przyspieszających przebieg reakcji chemicznej poprzez obniżenie jej energii aktywacji. Bierze on udział w reakcji chemicznej, jednak zostaje odtworzony zwykle w ostatnim etapie procesu. W przypadku światła mamy jednak do czynienia z INICJATOREM, ponieważ samo w sobie jest ono formą energii… Kwanty energii świetlnej mają za zadanie zapoczątkować proces poprzez homolityczne rozerwanie wiązania w cząsteczce chlorowca. W ten sposób utworzone zostają dwa identyczne rodniki. Podczas substytucji rodnikowej wykorzystane światło o określonej długości fali nie zostaje również odtworzone, dlatego nie spełnia żadnych przesłanek, żeby mogło być nazywane katalizatorem reakcji…

3. PODATNOŚĆ NA PODSTAWIENIE RODNIKOWE ATOMÓW WODORU W WĘGLOWYM ŁAŃCUCHU ALIFATYCZNYM.

Należy pamiętać, że w reakcji substytucji rodnikowej najłatwiej podstawić jest atom wodoru połączony z atomem węgla o najwyższej rzędowości w danej cząsteczce alkanu (lub cykloalkanu). Łatwość podstawienia takiego atomu maleje ze spadkiem rzędowości węgla według schematu:

III-rzędowy > II-rzędowy > I-rzędowy.

Dlatego też uprzywilejowanym produktem organicznym monochlorowania propanu wobec światła będzie 2-chloropropan, a nie 1-chloropropan.

4. CZYNNIK ELEKTROFILOWY, ELEKTROFIL.

Jest to zwykle drobina obdarzona ładunkiem dodatnim, czyli KATION. Jak wiemy ładunki dodanie „lubią się” z ujemnymi, dlatego elektrofil pełni kluczową rolę podczas reakcji ADDYCJI ELEKTROFILOWEJ w związkach chemicznych zawierających wiązanie podwójne lub potrójne pomiędzy atomami węgla w cząsteczce. Podczas addycji bromu do alkenów czy alkinów czynnikiem elektrofilowym będzie na przykład kation Br⁺.

Z elektrofilem spotykamy się również w reakcji SUBSTYTUCJI ELEKTROFILOWEJ w pierścieniu aromatycznym (benzenu etc.) zawierającym dużą gęstość elektronową w postaci zdelokalizowanych elektronów π. Na przykład w procesie nitrowania toluenu elektrofilem będzie kation nitroniowy o wzorze NO₂⁺.

UWAGA: na poziomie maturalnym nie musisz wiedzieć, że również cząsteczki niektórych związków chemicznych mogą pełnić rolę elektrofila.

5. CO Z TYM ŻELAZEM W REAKCJI BROMOWANIA oraz CHLOROWANIA BENZENU?

Skoro już jesteśmy przy substytucji elektrofilowej, warto zadać sobie pytanie: dlaczego wiele osób twierdzi, że to żelazo jest katalizatorem w reakcji bromowania pierścienia aromatycznego? Jest to oczywiście nieprawdą. KATALIZATOREM tej reakcji jest BROMEK ŻELAZA(III). Związek ten można otrzymać bezpośrednio przed przeprowadzeniem opisanego procesu, w myśl reakcji chemicznej opisanej równaniem:

2Fe + 3Br₂ → 2FeBr₃

Katalityczne działanie bromku żelaza(III) sprowadza się do utworzenia czynnika elektrofilowego jakim jest kation Br⁺:

FeBr₃ + Br₂ → FeBr₄^– + Br⁺

Jon Br⁺ ten reaguje z cząsteczką benzenu tworząc kation zawierający atom bromu. Następnie w ostatnim etapie procesu substytucji elektrofilowej przebiega reakcja chemiczna podczas której dochodzi do odszczepienia od opisanego kationu drobiny H⁺ i ostatecznie:

FeBr₄^– + H⁺ → FeBr₃ + HBr

Jak widzimy to bromek żelaza(III) zostaje odtworzony, a nie żelazo, stąd to właśnie ten związek chemiczny jest katalizatorem procesu bromowania benzenu.

Przy okazji warto jest również wspomnieć, że nieorganicznym produktem opisanej przemiany jest bromowodór, a nie kwas bromowodorowy, ponieważ bromowanie benzenu (oraz innych jego homologów) wobec katalizatora prowadzi się w środowisku bezwodnym… Ponadto w środowisku wodnym opisany katalizator ulega dezaktywacji i proces bromowania nie przebiegnie.

6. REGUŁA MARKOWNIKOWA.

Jest bardzo ważnym narzędziem pozwalającym określić, który z izomerów konstytucyjnych stanowiących organiczne produkty addycji elektrofilowej będzie powstawał w przeważającej ilości. Reguła ta ma zastosowanie w przypadku addycji cząsteczek typu HX (np. HCl, H₂O) do alkenów (lub alkinów, czy cykloalkenów) w cząsteczkach których atomy węgla połączone wiązaniem wielokrotnym łączą się z różną liczbą atomów wodoru. Sama reguła brzmi następująco:

Atom wodoru przyłącza się do tego atomu węgla przy wiązaniu wielokrotnym, który połączony jest bezpośrednio z większą liczbą atomów wodoru.

Na przykład podczas addycji bromowodoru do propenu uprzywilejowanym produktem organicznym będzie 2-bromopropan, a ubocznym 1-bromopropan.

 7. EFEKT KIERUJĄCY PODSTAWNIKÓW.

Jak wiemy podstawniki przyłączone do pierścienia aromatycznego benzenu klasyfikuje się jako pierwszego oraz drugiego rodzaju. Istnieje jeszcze jeden podział – na podstawniki aktywujące oraz dezaktywujące pierścień aromatyczny, jednak wykracza to już nieco poza program chemii w szkole średniej.

Podstawnik pierwszego rodzaju połączony z pierścieniem aromatycznym benzenu będzie kierował nowy podstawnik w reakcji substytucji elektrofilowej głównie w położenia orto- oraz para-. Przykładami takich podstawników są:

– grupy alifatyczne, –CH₃, –CH₂CH₃ itd.,

– cykliczne ugrupowania alifatyczne,

– fluorowce: –F, –Cl, –Br,  –I,

– grupa –OH (hydroksylowa),

– grupa –NH₂ (aminowa),

Podstawnik drugiego rodzaju połączony z pierścieniem aromatycznym benzenu będzie kierował nowy podstawnik w reakcji substytucji elektrofilowej głównie w położenie meta-. Przykładami takich podstawników są grupy:

–COOH (karboksylowa),

–CHO (aldehydowa),

–COR (ketonowa),

–NO₂ (nitrowa),

–SO₃H (sulfonowa),

–CN (cyjankowa).

8. CZYNNIK NUKLEOFILOWY, NUKLEOFIL.

W przeciwieństwie do elektrofila, NUKLEOFIL jest zwykle ANIONEM, na przykład jon OH^– w biegnących w środowisku wodnym reakcjach substytucji nukleofilowej z chloroalkanami. Warto jest jednak zapamiętać, że NUKLEOFILEM nie zawsze musi być anion. Może to być również elektrycznie obojętna CZĄSTECZKA – wystarczy, że jeden z budujących ją pierwiastków ma WOLNĄ PARĘ ELEKTRONOWĄ. Przykładem takiego nukleofila jest amoniak w reakcji substytucji nukleofilowej z chloroalkanem, której produktem jest odpowiednia sól amoniowa.

9. PAMIĘTAJ O ZAPISIE WARUNKÓW PROWADZENIA REAKCJI CHEMICZNEJ.

Jak zapewne wiesz, w chemii organicznej te same substraty reagując ze sobą mogą prowadzić do powstania zupełnie innych produktów, należących do różnych szeregów homologicznych. Na przykład, gdy przeprowadzimy reakcję chlorocykloheksanu z wodnym roztworem wodorotlenku sodu, wówczas głównym organicznym jej produktem będzie cykloheksanol. Jeśli jednak środowisko reakcji będzie alkoholowe, wówczas przebiegnie proces eliminacji i uzyskamy cykloheksen…

10. PRÓBA TROMMERA oraz TOLLENSA PROWADZONE SĄ W ŚRODOWISKU ZASADOWYM.

Wielu uczniów zapomina (nawet jeśli jest to podane w treści zadania), że próby te prowadzone są w środowisku zasadowym. Dlatego produktem reakcji nie będzie kwas karboksylowy, lecz jego sól. Na przykład, jeśli próbie Trommera poddamy aldehyd octowy, wówczas zapisane w formie jonowej skróconej równanie opisanego procesu przyjmie postać:

CH₃CHO + 2Cu(OH)₂ + OH^–→ CH₃COO^– + Cu₂O + 3H₂O.

Z kolei próba Tollensa mogłaby zostać zobrazowana następującym równaniem chemicznym:

CH₃CHO + 2[Ag(NH₃)₂]⁺ + 3OH^– → CH₃COO^– + 2Ag + 4NH₃ + 2H₂O

Wymienionych dziesięć zagadnień to oczywiście przysłowiowy „wierzchołek góry lodowej”, jednak są one stosunkowo często spotykane w zadaniach z arkuszy maturalnych.

Więcej na temat wymienionych zagadnień dowiesz się z tych wykładów:

Wstęp do chemii związków organicznych, Alkany oraz cykloalkany, węglowodory nasycone, Alkeny oraz alkiny, alifatyczne węglowodory nienasycone, Węglowodory aromatyczne.

Spodobał Ci się ten artykuł? Polub mój fanpage na Facebooku oraz na Instagramie, aby nie ominęły Cię żadne nowości.

© dr inż. Rafał Szczypiński, wszelkie prawa zastrzeżone