Chemia organiczna. Ćwiczenia dla licealistów 2b - Zdzisław Głowacki by TUTOR

Zdzis³aw G³owacki

Chemia 2b. Æwiczenia z chemii dla licealistów. Chemia organiczna. Zakres podstawowy i rozszerzony Konsultacje i korekta merytoryczna:

dr Aleksander Kazubski Pracownia Dydaktyki Chemii, Wydzia³ Chemii, Uniwersytet Miko³aja Kopernika w Toruniu Redakcja techniczna, opracowanie graficzne, ³amanie i przygotowanie do druku:

Robert Ciechanowski, RC PRO

rcpro@to.onet.pl

Ilustracja na ok³adce:

Katarzyna Danielewska Projekt ok³adki:

Miros³aw G³odkowski, Zdzis³aw G³owacki Korekta:

Iwona Cieœlak Zeszyty Chemia. Æwiczenia dla licealistów zosta³y opracowane zgodnie z podstaw¹ kszta³cenia ogólnego dla liceów ogólnokszta³c¹cych i liceów profilowanych w oparciu o standardy wymagañ egzaminacyjnych. Zeszyty æwiczeñ mog¹ byæ pomocne podczas realizacji dowolnego programu nauczania chemii dopuszczonego przez MENiS do u¿ytku szkolnego. Forma i zró¿nicowanie zadañ dostosowane s¹ do wymogów nowej matury z chemii. Treœci zadañ tak zosta³y opracowane, ¿eby jednoczeœnie rozszerzyæ i uzupe³niæ zakres wiedzy, który zawarty jest w podrêcznikach. Stopieñ trudnoœci æwiczeñ jest zró¿nicowany — nauczyciel bêdzie móg³ je wykorzystywaæ zarówno w pracy z uczniami œrednimi, jak i uzdolnionymi. Do ka¿dego zeszytu æwiczeñ zosta³y opracowane poradniki metodyczne dla nauczycieli i uczniów — zawieraj¹ uwagi metodyczne dotycz¹ce rozwi¹zywania zadañ, bibliografiê wskazan¹ do pog³êbienia danego zagadnienia, Ÿród³a informacji wykorzystywanych w zadaniach. Dla uczniów samodzielnie przygotowuj¹cych siê do egzaminów poradniki bêd¹ nieocenion¹ pomoc¹. Seria tych æwiczeñ dedykowana jest zw³aszcza uczniom ambitnym — zamierzaj¹cym zdawaæ egzamin maturalny na poziomie rozszerzonym oraz przygotowuj¹cym siê do studiów na wydzia³ach medycznych, farmaceutycznych i przyrodniczych.

ISBN 83-86007-82-6 www.szkolna.pl

Spis treœci

Wstêp

Dzia³ I

Wêglowodory

Rozdzia³ Alkany

Rozdzia³ Wêglowodory nienasycone (alkeny, alkiny, dieny i cykloalkeny)

Rozdzia³ Wêglowodory aromatyczne i zwi¹zki heterocykliczne

Dzia³ II

Jednofunkcyjne i wielofunkcyjne pochodne wêglowodorów

Rozdzia³ Fluorowcopochodne (halogenopochodne) wêglowodorów

Rozdzia³ Alkohole i fenole

Rozdzia³ Aldehydy i ketony

Rozdzia³ Kwasy karboksylowe, estry i t³uszcze

Rozdzia³ Zwi¹zki organiczne zawieraj¹ce azot

Rozdzia³ Cukry

106

144

163

218

247

Dzia³ III

Chemia na co dzieñ

Rozdzia³ Chemia na co dzieñ

273

www.szkolna.pl

Treœci poszczególnych zeszytów Chemia. Æwiczenia dla licealistów Zeszyt 1a — zakres podstawowy i rozszerzony

1. Budowa atomu 2. Uk³ad okresowy pierwiastków chemicznych 3. Mol, masa molowa i objêtoœæ molowa gazów Zeszyt 1b — zakres podstawowy i rozszerzony

4. Wi¹zania chemiczne 5. W³aœciwoœci wybranych metali i niemetali 6. Systematyka zwi¹zków nieorganicznych Zeszyt 2a — zakres podstawowy i rozszerzony

1. 2. 3. 4.

Reakcje chemiczne Podstawy obliczeñ chemicznych Roztwory i mieszaniny Reakcje w roztworach wodnych elektrolitów

Zeszyt 2b — zakres podstawowy i rozszerzony

5. Wêglowodory 6. Jednofunkcyjne i wielofunkcyjne pochodne wêglowodorów 7. Chemia na co dzieñ Zeszyt 3a — zakres rozszerzony

1. 2. 3. 4.

Energetyka chemiczna Kinetyka i równowaga chemiczna Kwasy, zasady i zwi¹zki kompleksowe Elektrochemia

Zeszyt 3b — zakres rozszerzony

5. 6. 7. 8.

Mechanizmy reakcji chemicznych Chemia zwi¹zków naturalnych Elementy biochemii Metody badania struktury materii

Chemia. Zestawy zadañ egzaminacyjnych przygotowuj¹cych do nowej matury

Ksi¹¿ka zawiera propozycje próbnych arkuszy egzaminacyjnych do egzaminu maturalnego z chemii wraz z rozwi¹zaniami i modelami oceniania.

www.szkolna.pl

Wstêp

Reforma systemu edukacji stworzy³a nauczycielom i szko³om mo¿liwoœci realizowania ró¿norodnych programów nauczania. Wspólnym punktem odniesienia dla wszystkich programów nauczania, na bazie których powstaj¹ zestawy podrêczników szkolnych, s¹ centralnie opracowywane podstawy programowe kszta³cenia ogólnego dla liceów ogólnokszta³c¹cych, liceów profilowanych i techników oraz standardy wymagañ egzaminacyjnych. Na tej wspólnej bazie programowej opracowany zosta³ zestaw zeszytów æwiczeñ Chemia. Æwiczenia dla licealistów. Zeszyt 2b poœwiêcony jest tematyce zwi¹zanej z szeroko pojêt¹ chemi¹ organiczn¹. Treœci te s¹ szczególnie wa¿ne dla uczniów zamierzaj¹cych podj¹æ studia przyrodnicze, a w szczególnoœci studia medyczne, farmaceutyczne, rolnicze lub kierunki z zakresu biologii, biotechnologii albo biochemii. Wiedza z zakresu chemii organicznej — chemii zwi¹zków naturalnych jest baz¹ tych dyscyplin. Celem autora by³o przygotowanie takiej pomocy dydaktycznej, która u³atwi³aby uczniowi przyswojenie i utrwalenie wiedzy oraz problematyki chemicznej w trakcie wykonywania zró¿nicowanych zadañ i æwiczeñ oraz mog³aby zast¹piæ tradycyjny zeszyt do chemii. Wielokrotnie ju¿ wskazywano na fakt, ¿e uczeñ najwiêcej wiadomoœci przyswaja sobie w trakcie wykonywania konkretnych zadañ. Wa¿n¹ zalet¹ korzystania z zeszytów æwiczeñ jest oszczêdnoœæ czasu, zarówno tego, który by³by potrzebny nauczycielowi na lekcjach do przedstawienia treœci æwiczeñ, jak i tego poœwiêconego na ich opracowanie w domu. Zeszyt æwiczeñ mo¿e byæ tak¿e wykorzystywany jako zeszyt do przedmiotu chemia. W tym celu czêœæ miejsca poœwiêcono na Notatki z lekcji. Miejsca tego nie jest za wiele, ale w obecnych czasach, kiedy podrêczniki s¹ zape³nione aktualn¹ wiedz¹, dostêp do informacji poprzez Internet i œrodki masowego przekazu jest nieograniczony — tworzenie d³ugich notatek lekcyjnych jest trwonieniem cennego czasu. Prezentowane zeszyty æwiczeñ mog¹ byæ pomocne podczas realizacji dowolnego programu nauczania chemii dopuszczonego przez MENiS do u¿ytku szkolnego. Zadania form¹ i treœci¹ dostosowane s¹ do wymogów nowej matury z chemii. Zamieszczone ró¿norodne æwiczenia maj¹ uczyæ rozwi¹zywania problemów chemiczwww.szkolna.pl

Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów

nych, krótkiego definiowania stosowanych pojêæ, wyszukiwania informacji, opracowywania i graficznego przedstawiania danych, wyci¹gania wniosków z opisów przemian chemicznych, analizowania tekstów popularnonaukowych itp. Stopieñ trudnoœci æwiczeñ jest zró¿nicowany — nauczyciel bêdzie móg³ je wykorzystywaæ tak¿e w pracy z uczniami uzdolnionymi. Niektóre zadania wymagaj¹ce szerszej wiedzy oznaczono symbolem J. Zestaw sk³ada siê z czterech modu³ów. Dwa pierwsze przeznaczone s¹ dla uczniów realizuj¹cych program kszta³cenia podstawowego. Trzeci zawiera tematykê programu rozszerzonego, niemniej niektóre tematy powinny byæ, zdaniem autora, omawiane tak¿e w trakcie realizacji zakresu podstawowego. Czwarty modu³ to Zestawy zadañ egzaminacyjnych przygotowuj¹cych do nowej matury. Do ka¿dego zeszytu æwiczeñ zosta³y opracowane poradniki metodyczne dla nauczycieli i uczniów — zawieraj¹ one odpowiedzi oraz uwagi dotycz¹ce rozwi¹zywania zadañ, bibliografiê wskazan¹ do pog³êbienia danego zagadnienia oraz Ÿród³a informacji wykorzystywanych w zadaniach. Dla uczniów samodzielnie przygotowuj¹cych siê do egzaminu maturalnego na poziomie podstawowym lub rozszerzonym bêdzie to nieoceniona pomoc.

Informacja o autorze Zdzis³aw G³owacki — jest doktorem nauk chemicznych, absolwentem Politechniki Gdañskiej. Studiowa³ fizykê i chemiê, w latach 1982–1993 pracowa³ w Katedrze Chemii Organicznej PG. By³ nauczycielem i wyk³adowc¹ w Medycznym Studium Zawodowym oraz adiunktem na Wydziale Chemii UMK w Toruniu. Jest autorem kilkunastu prac naukowych z zakresu zastosowañ NMR do oznaczania sk³adu enancjomerycznego zwi¹zków organicznych. Wyda³ dwie ksi¹¿ki Po naszej stronie lustra. Z³amana symetria wszechœwiata oraz Chemiczna dialektyka. Testy egzaminacyjne z chemii dla gimnazjalistów. Od 1991 roku jest dyrektorem, nauczycielem i wydawc¹ w Studium Oœwiatowym „Tutor” w Toruniu — m.in. prowadzi zajêcia dla licealistów przygotowuj¹cych siê do egzaminów na studia medyczne.

www.szkolna.pl

Alkany

Dzia³ I

Rozdzia³

Zadanie 1.1.

W drugiej po³owie XIX wieku chemicy poznali sk³ad metanu (CH4). Wiedzieli, ¿e istnieje zawsze tylko jedna pochodna o wzorze CH3X oraz tylko jedna pochodna o wzorze CH2X2. Na podstawie tych informacji Jakub Henryk van’t Hoff (przysz³y pierwszy laureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii) opisa³ przestrzenn¹ budowê tych zwi¹zków. Wska¿ na podstawie tych informacji, która z ni¿ej przedstawionych figur opisuje budowê pochodnych metanu oraz wyka¿, ¿e w przypadku dwóch innych struktur musia³oby istnieæ wiêcej pochodnych (narysuj je).

www.szkolna.pl

Wêglowodory aromatyczne i zwi¹zki heterocykliczne

Dzia³ I

Rozdzia³

Struktura benzenu, charakter aromatyczny i teoria rezonansu Benzen jest znany ju¿ od 1825 roku. Zosta³ odkryty przez Faradaya w cylindrach, w których przechowywa³ on acetylen, lub jak twierdz¹ inni, w przewodach londyñskiej gazowej sieci oœwietleniowej. Od tego czasu jego w³aœciwoœci chemiczne i fizyczne by³y przedmiotem bardzo wielu badañ. Dopiero jednak w latach trzydziestych XX wieku ugruntowa³a siê teoria opisuj¹ca strukturê tego zwi¹zku. Benzen ma wzór sumaryczny C6H6, w wyniku podstawienia jednego z atomów wêgla mo¿na otrzymaæ zawsze tylko jeden produkt C6H5Y. Oznacza to, ¿e wszystkie atomy wodoru musz¹ byæ równocenne. Za odkrywcê, wspó³czeœnie znanej i akceptowanej, pierœcieniowej struktury benzenu uwa¿any jest niemiecki chemik August Kekulé. Istotnym i nowatorskim podejœciem Kekulégo by³o zaproponowanie struktury dynamicznej, w której nastêpowa³o ci¹g³e przemieszczanie siê podwójnych wi¹zañ. Pozwoli³o to wyjaœniæ m.in., dlaczego nie istniej¹ dwa izomeryczne 1,2-dibromobenzeny (por. rys. 3.1.). Zak³adaj¹c równocenoœæ wszystkich wi¹zañ i wszystkich atomów wêgla w benzenie, Kekulé, w podrêczniku wydanym w roku 1867, przewidywa³ istnienie trzech izomerów benzenu podstawionych w pozycjach 1,2; 1,3 oraz 1,4. Potwierdzi³ to przypuszczenie, w latach 1869–1874, Wilhelm Körner, jego uczeñ, który nazwa³ te izomery odpowiednio orto, meta i para. Friedrich August Kekulé von Stradonitz w roku 1858 wysun¹³ hipotezê ³añcuchowej budowy zwi¹zków organicznych oraz czterowi¹zalnoœci atomów wêgla. Teoria ta równolegle zosta³a przedstawiona przez A.S. Coupera. W roku 1865 Kekulé zaproponowa³ pierœcieniow¹ strukturê benzenu, która to mia³a mu siê przyœniæ. Drzemi¹c w omnibusie lub — w innej wersji — w fotelu nad podrêcznikiem, mia³ widzieæ www.szkolna.pl

Zdzisław Głowacki

CHEMIA. Ćwiczenia dla licealistów Zdzisław Głowacki

Chemia. Ćwiczenia dla licealistów Ćwiczenia i zadania z chemii zawarte w kolejnych częściach tej serii wydawniczej zostały opracowane zgodnie z podstawą kształcenia ogólnego dla szkół ponadgimnazjalnych. Mogą być one pomocne podczas realizacji dowolnego programu nauczania chemii dopuszczonego do użytku szkolnego. Niektóre zadania zawierają treści interdyscyplinarne – problemy typowo chemiczne połączone są z fizyką, biologią czy z matematyką. Ma to na celu rozszerzenie i uzupełnienie wiedzy, która jest przedstawiana w podręcznikach szkolnych. Zróżnicowane, w formie i w treści, ćwiczenia uczą rozwią

zywania problemów chemicznych, krótkiego definiowania stosowanych pojęć, wyszukiwania informacji, opracowywania i graficznego przedstawiania danych, wyciągania wniosków z opisów przemian chemicznych, analizowania tekstów popularnonaukowych itp. Stopień trudności ćwiczeń jest zróżnicowany – nauczyciel będzie mógł je wykorzystywać w pracy z uczniami liceum a także przygotowując gimnazjalistów do udziału w konkursach chemicznych. Do każdej części ćwiczeń został opracowany poradnik dla nauczyciela, który zawiera rozwiązania zadań i problemów oraz komentarze do zagadnień będących treścią pytań.

Wszystkie części ćwiczeń wraz z poradnikami są doskonałą pomocą dla uczniów samodzielnie przygotowujących się do zmagań konkursowych w gimnazjum i dla licealistów powtarzających zagadnienia z chemii przed sprawdzianami i do egzaminu maturalnego.

Część 1

! uczniów ambitnych ! kandydatów na studia medyczne ! uczestników konkursów chemicznych

Ćwiczenia z chemii rekomendowane dla:

Treści zestawów ćwiczeń

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Budowa atomu Układ okresowy pierwiastków chemicznych Mol, masa molowa i objętość molowa gazów Wiązania chemiczne Właściwości wybranych metali i niemetali Systematyka związków nieorganicznych Chemia w Internecie

Część 2b – Chemia organiczna 1. Alkany 2. Węglowodory nienasycone (alkeny, alkiny, dieny i cykloalkeny) 3. Węglowodory aromatyczne i związki heterocykliczne 4. Fluorowcopochodne (halogenopochodne) węglowodorów 5. Alkohole i fenole

Część 2a – zakres podstawowy i rozszerzony 1. 2. 3. 4.

Reakcje chemiczne Podstawy obliczeń chemicznych Roztwory i mieszaniny Reakcje w roztworach wodnych elektrolitów

6. Aldehydy i ketony 7. Kwasy karboksylowe, estry i tłuszcze 8. Związki organiczne zawierające azot 9. Cukry 10. Chemia na co dzień

Pełną ofertę znajdziesz na www.tutor.edu.pl

Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów

skacz¹ce atomy, wyobra¿a³ je sobie jako ruchliwe ma³pki, które w pewnym momencie chwyci³y siê za rêce i nogi, tworz¹c zamkniêty pierœcieñ. Inni znawcy snów twierdz¹, ¿e Kekulé mia³ œniæ wê¿a zjadaj¹cego swój ogon. Uroboros, w¹¿ po¿eraj¹cy w³asny ogon, by³ znany ju¿ w pismach sumeryjskich, œredniowieczni alchemicy traktowali go jako symbol rtêci; uwa¿ano go tak¿e za symbol wszystkich proced e

b a

A. Kekulé, 1865

J. Dewar, 1867

e d

f a

H c

H H

A. Kekulé, 1866

A. Claus, 1867

A. Landenburg, 1869

A. Kekulé, 1872

Rys. 3.1. Proponowane struktury cz¹steczki benzenu

sów cyklicznych. Skrupulatni historycy stwierdzili jednak, ¿e rzeczywistoœæ by³a bardziej prozaiczna. Cztery lata wczeœniej, w roku 1861, ma³o znany chemik wiedeñski, Johann Loschmidt, zaproponowa³ szeœcioatomowy pierœcieñ wêglowy jako strukturê benzenu. Zosta³o to opublikowane w ma³o dostêpnym prywatnym wydawnictwie i niektórzy historycy twierdz¹, ¿e Kekulé wiedzia³ o strukturze proponowanej przez Loschmidta. Ka¿de prze³omowe odkrycie ma wielu ojców, do b³êdnych teorii nikt siê nie przyznaje. Powa¿n¹ wad¹ struktury zaproponowanej przez Kekulégo by³o to, ¿e nie potrafi³a wyjaœniæ chemicznego zachowania benzenu. Benzen, mimo niew¹tpliwie nienasyconego charakteru, nie ulega typowym dla zwi¹zków nienasyconych reakcjom addycji do podwójnego wi¹zania. Zamiast tego ³atwo ulega licznym reakcjom substytucji elektrofilowej: nitrowaniu, sulfonowaniu, halogenowaniu w obecnoœci ¿elaza. Pomys³ Kekulégo, zapisywania zmiennego po³o¿enia podwójnych wi¹zañ w strukturze benzenu, zosta³ rozwiniêty na pocz¹tku lat trzydziestych XX wieku przez angielskiego chemika Christophera Ingolda. Wprowadzi³ on pojêcie mezomerii (z greckiego mesos — miêdzy i meros — czêœæ), jako okreœlenie zjawiska wystêpowania www.szkolna.pl

Wêglowodory aromatyczne i zwi¹zki heterocykliczne

cz¹steczki w formie poœredniej pomiêdzy wzorami granicznymi. Równowagê pomiêdzy strukturami granicznymi zwyk³o siê zapisywaæ z wykorzystaniem pojedynczej strza³ki z dwoma grotami (symbol ten wprowadzi³ do zapisu chemicznego Eistert w 1936 roku).

Rys. 3.2. Mezomeryczne struktury benzenu

Pojêcie mezomerii zosta³o rozszerzone przez Linusa C. Paulinga w teoriê rezonansu chemicznego. By³o to konsekwencj¹ wprowadzenia do opisu wi¹zañ chemicznych funkcji falowych. W rezultacie struktury mezomeryczne mo¿na zast¹piæ ich superpozycj¹, czyli hybryd¹, która powstanie w przypadku na³o¿enia na siebie form granicznych. Ukoronowaniem teoretycznych opisów benzenu by³a regu³a Ericha Hückela z Instytutu Fizyki Teoretycznej w Stuttgarcie, opublikowana w 1931 roku. W myœl tej regu³y, wywiedzionej z obliczeñ kwantowomechanicznych, w uk³adach cyklicznych zawieraj¹cych 4n+2 zdelokalizowanych elektronów ð nastêpuje podwy¿szenie trwa³oœci cz¹steczki. Benzen posiadaj¹cy szeœæ takich elektronów (n = 1) nale¿y do najwa¿niejszych przedstawicieli tych zwi¹zków, okreœlanych mianem zwi¹zków aromatycznych. Trwa³oœæ pierœcienia benzenowego Wyj¹tkowej trwa³oœci pierœcienia benzenowego mo¿emy dowieœæ na podstawie porównania energii hydrogenacji w szeregu cykloheksen, cykloheksadien i „cykloheksatrien” oraz benzen. Mo¿na by³oby oczekiwaæ, dodaj¹c œrednie energie hydrogenacji przypadaj¹ce na jedno wi¹zanie podwójne w cykloheksenie i cykloheksadienie, ¿e w wyniku uwodornienia 1 mola cykloheksatrienu wydzieli siê ok. 360 kJ na sposób ciep³a. Wartoœæ eksperymentalnie wyznaczona jest znacznie ni¿sza i wynosi ok. 208 kJ. Oznacza to, ¿e benzen jest o 152 kJ/mol trwalszy od hipotetycznego cykloheksatrienu. Energia nazywana jest energi¹ rezonansu, jest ona przyczyn¹ szczególnych w³aœciwoœci cz¹steczek benzenu, charakteryzuj¹cych cz¹steczki aromatyczne. Przede wszystkim wszystkie przemiany, które niszczy³yby sekstet elektronowy, prowadzi³yby do powstania mniej trwa³ego, niearomatycznego produktu. St¹d wynika biernoœæ benzenu www.szkolna.pl

Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów

benzen

naftalen Rys. 3.3. Formy mezomeryczne i struktury rezonansowe

w reakcjach addycji, które prowadzi³yby do utraty aromatycznego charakteru produktu. W reakcjach substytucji sekstet elektronowy pozostaje nienaruszony. Pojêcie „aromatycznoœci” zosta³o wprowadzone przez Kekulégo i mia³o okreœlaæ pochodne benzenu. Erlenmeyer okreœla³ jako aromatyczne te zwi¹zki, które w³aœciwoœciami by³y podobne do pochodnych benzenu. Niezwyk³e w³aœciwoœci zwi¹zków

energia [kJ/mol]

cykloheksatrien

cykloheksadien

cykloheksen

cykloheksan

energia ca³kowita energia na jedno wi¹zanie

120 120

240 120

360 120

208 kJ/mol 69 kJ/mol

Rys. 3.4. Zmiany ca³kowitej energii hydrogenacji w szeregu cykloheksen, cykloheksadien, „cykloheksatrien” i benzen oraz w przeliczeniu na jedno podwójne wi¹zanie

www.szkolna.pl

Wêglowodory aromatyczne i zwi¹zki heterocykliczne

aromatycznych by³y bodŸcem do szerokich badañ. Stwierdzono, ¿e nie wszystkie cykliczne, nienasycone zwi¹zki wykazuj¹ w³aœciwoœci aromatyczne.

cyklooktatetraen Rys. 3.5. Ju¿ w 1911 roku Willstätter wykaza³ silnie nienasycony charakter cyklooktatetraenu

Regu³a przedstawiona przez Hückela by³a dalszym stymulatorem do poszukiwañ zwi¹zków o charakterze aromatycznym. Zgodnie z t¹ regu³¹ p³askie, cykliczne uk³ady zawieraj¹ce 2, 6, 10, 14, 18, 22, ... (4n+2) ð elektronów s¹ aromatyczne. Do zwi¹zków aromatycznych mo¿na wiêc zaliczyæ uk³ady wielopierœcieniowe: naftalen i antracen, aniony i kationy (anion cyklopentadienylowy i kation cykloheptatrienylowy) oraz cykliczne zwi¹zki zawieraj¹ce heteroatomy: piran, furan, pirymidynê i purynê. Najwiêkszym uk³adem aromatycznym (22 zdelokalizowane w pierœcieniu elektrony ð) wystêpuj¹cym w przyrodzie jest ugrupowanie porfirynowe, bêd¹ce zasadnicz¹ czêœci¹ chlorofilu i hemu. „Dziura” w œrodku pierœcienia jest na tyle du¿a, ¿e mo¿e pomieœciæ kation magnezu w przypadku chlorofilu lub kation ¿elaza w przypadku hemu. To s¹ tylko nieliczne przyk³ady z olbrzymiej rzeszy znanych zwi¹zków aromatycznych. Zadanie 3.1.

a) Uzupe³nij tekst. Co w takim razie odró¿nia benzen i zwi¹zki aromatyczne od zwi¹zków niearomatycznych? Cz¹steczka benzenu jest wi¹zañ C-C s¹

, p³askim szeœciok¹tem. D³ugoœci i wynosz¹ 0,139 nm. Dla porównania typowe

wi¹zanie podwójne ma d³ugoœæ 0,134 nm, a pojedyncze 0,153 nm. Jest to wiêc d³ugoœæ poœrednia pomiêdzy wi¹zaniem pojedynczym a podwójnym. Poniewa¿ na jedno wi¹zanie przypada œrednio 1,5

, mo¿na w tym www.szkolna.pl

Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów

przypadku mówiæ o wi¹zaniu pó³torakrotnym. Wszystkie atomy wêgla w pierœcieniu maj¹ jednakow¹ hybrydyzacjê sp2.

eletronowy znajduje siê na

nak³adaj¹cych siê wzajemnie orbitalach atomowych typu p. Delokalizacja elektronów ð nad i pod p³aszczyzn¹ pierœcienia powoduje zwiêkszenie cz¹steczki. Jednoczeœnie du¿a gêstoœæ elektronowa w tych miejscach zwiêksza podatnoœæ cz¹steczki na przy³¹czenie

reagenta,

st¹d zwi¹zki ³atwo ulegaj¹ substytucji elektrofilowej. Natomiast nie tworz¹ produktów

z uwagi na koniecznoœæ zniszczenia struktury sekstetu.

Zgodnie z regu³¹ Hückla sekstet elektronowy jest wyró¿nionym uk³adem, nadaj¹cym zwi¹zkowi charakter aromatyczny. Dla „magicznych” liczb elektronów 2, 6, 10, ... (4n+2), zysk energetyczny wynikaj¹cy z ich

jest

najwiêkszy. Benzen jest dodatkowo uprzywilejowan¹ cz¹steczk¹ — k¹ty w szeœciok¹cie s¹ równe 120°; jest to wiêc k¹t, jaki wystêpuje pomiêdzy wi¹zaniami atomów o hybrydyzacji

. W innych uk³adach cyklicznych: czworok¹tach, piê-

ciok¹tach, siedmiok¹tach i dalszych k¹ty pomiêdzy wi¹zaniami musz¹ byæ inne, co dodatkowo zmniejsza trwa³oœæ tych zwi¹zków. Jak zatem mo¿na najproœciej i najw³aœciwiej opisaæ zwi¹zki aromatyczne? Zwi¹zki aromatyczne, pomimo ¿e maj¹ charakter zwi¹zków nienasyconych, nie ulegaj¹ reakcjom

, natomiast ³atwo ulegaj¹ reakcjom substytu-

cji elektrofilowej. S¹ to zwi¹zki o

i cyklicznej strukturze posiadaj¹ce 4n+2 ð

elektronów na zdelokalizowanych orbitalach. Cz¹steczkê tak¹ mó¿na zapisaæ za www.szkolna.pl

Oficyna Wydawnicza ul. Warszawska 14/2, 87-100 Toruń, tel./fax 56 65-999-55, tel. kom. 603-929-227

Magiczna chemia. Zagadnienia z chemii nie tylko dla olimpijczyków – gimnazjalistów i licealistów – to obszerny wybór zagadnień i zadań dla uczniów zamierzających szerzej poznać chemię. Intencją autora było wypełnienie luki występującej pomiędzy chemią szkolną a wiedzą chemiczną niezbędną do udziału w konkursach i w olimpiadzie chemicznej oraz do podjęcia studiów obejmujących przedmioty przyrodnicze, takie jak: chemia, biochemia, farmacja czy medycyna. W kolejnych rozdziałach można znaleźć zagadnienia i zadania obejmujące takie tematy, jak: powstawanie pierwiastków we Wszechświecie, izomeria i analiza konformacyjna, aktywność optyczna związków chemicznych i ich biomolekularna homochiralność czy aromatyczność węglowodorów. W odrębnym rozdziale przedstawiono osiągnięcia chemików uhonorowane nagrodami Nobla. Są tu też zadania, których treść jest oparta na historycznie ważnych odkryciach chemicznych. Uczeń znajdzie tu różne teorie budowy i działania kwasów i zasad oraz soli i roztworów buforowych. Całość książki zamyka kilka anegdot o chemikach. Do większości pytań, zadań i problemów dołączono odpowiedzi i komentarze. Na końcu autor zamieścił zestawienie książek, po które powinien sięgnąć każdy ciekawy otaczającego go świata uczeń, nie tylko ten interesujący się chemią.

Autor książek – Zdzisław Głowacki – jest doktorem nauk chemicznych, absolwentem Politechniki Gdańskiej. Studiował fizykę i chemię. W latach 1982-93 pracował w Katedrze Chemii Organicznej PG. Był nauczycielem i wykładowcą w Medycznym Studium Zawodowym w Toruniu oraz adiunktem na Wydziale Chemii UMK. Od 1991 roku jest dyrektorem Studium Oświatowego „Tutor” w Toruniu – m.in. prowadzi zajęcia dla licealistów przygotowujących się do egzaminów na studia medyczne. W 1993 roku założył Oficynę Wydawniczą „Tutor” – wydawnictwo o profilu edukacyjnym, nakładem którego ukazało się kilkadziesiąt tytułów.

Jest autorem kilkunastu prac naukowych z zakresu zastosowań NMR do oznaczania składu enancjomerycznego związków organicznych oraz książek, m.in. Po naszej stronie lustra. Złamana symetria Wszechświata oraz Chemiczna dialektyka. Testy egzaminacyjne z chemii dla gimnazjalistów i cyklu zbiorów zadań Chemia. Ćwiczenia dla licealistów. Jest współautorem książek: Odlotowa matematyka. Zadania dla najmłodszych olimpijczyków – uczniów szkół podstawowych i gimnazjów i Pewniaki. Próbne egzaminy gimnazjalne. Interesuje się szeroko pojętymi dyscyplinami matematyczno-przyrodniczymi. Wypoczywa w wiejskim domku – pracując w ogrodzie. Jego hobby to geograficzne i historyczne wędrówki śladami przodków.

www.szkolna.pl www.tutor.torun.pl

Wêglowodory aromatyczne i zwi¹zki heterocykliczne

pomoc¹ struktur

. D³ugoœci wi¹zañ w uk³adzie aroma-

tycznym s¹ uœrednione. Energie tworzenia, spalania czy hydrogenacji cz¹steczki w porównaniu do wartoœci przewidy-

aromatycznej s¹ znacznie

wanych dla jej klasycznego odpowiednika. Jeszcze jedna w³aœciwoœæ jest charakterystyczna dla uk³adu aromatycznego. Otó¿ w pierœcieniu ð-elektronowym zewnêtrzne pole mo¿e wzbudzaæ ruch elektronów (pr¹d ko³owy). Chemicy widz¹ ten efekt na widmach magnetycznego rezonansu j¹drowego. b) W tekœcie wymieniono zwi¹zki aromatyczne, które mo¿na zakwalifikowaæ do ró¿nych grup, np. do zwi¹zków pierœcieniowych, jonów, zwi¹zków heterocyklicznych. Wybierz z ka¿dej z tych grup po dwóch przedstawicieli i opisz ich w tabeli wg wzoru: Zwi¹zek

Nazwa

aromatyczny wielopierœcieniowy

naftalen

Wzór

www.szkolna.pl

Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów

Zadanie 3.2.

Uzupe³nij tabelê: Cz¹steczka/wi¹zanie wêgiel–wêgiel

Krotnoœæ wi¹zania

etan

pojedyncze

benzen

pó³torakrotne

Energia dysocjacji

D³ugoœæ wi¹zania [nm]

eten etyn Zadanie 3.3.

a) Pierœcieñ benzenu ma nastêpuj¹c¹ strukturê przestrzenn¹: A. strukturê krzes³a z wi¹zaniami na przemian pojedynczymi i podwójnymi B. strukturê koperty z uœrednionymi pó³torakrotnymi wi¹zaniami C. p³aski pierœcieñ szeœciok¹tny, w którym wystêpuj¹ zdelokalizowane wi¹za-

nia ð D. p³aski pierœcieñ szeœciok¹tny tylko z pojedynczymi wi¹zaniami miêdzy ato-

mami wêgla b) Budowê dwóch struktur granicznych benzenu wed³ug Kekulégo mo¿na wyjaœniæ za pomoc¹: A. mezomerii

B. metamerii

C. izomerii optycznej

D. tautomerii

c) Homologiem benzenu jest: A. naftalen

B. fenantren

C. etylobenzen

D. antracen

www.szkolna.pl

Wêglowodory aromatyczne i zwi¹zki heterocykliczne

d) Moment dipolowy cz¹steczki benzenu jest równy zeru, poniewa¿: A. wszystkie wi¹zania w cz¹steczce benzenu s¹ atomowe, a ich moment dipolo-

wy jest równy zeru B. wszystkie wi¹zania w cz¹steczce benzenu s¹ równej d³ugoœci C. wszystkie wi¹zania w cz¹steczce benzenu s¹ wi¹zaniami ó, a elektrony ð ule-

gaj¹ delokalizacji D. dziêki symetrii cz¹steczki benzenu suma momentów dipolowych bardzo

s³abo spolaryzowanych wi¹zañ wêgiel–wodór wynosi zero Zadanie 3.4.

a) Otocz pojedynczym ko³em wêglowodory aromatyczne. Natomiast podwójnym ko³em wêglowodory aromatyczne posiadaj¹ce moment dipolowy ró¿ny od zera. Cl Cl

b) Spoœród przedstawionych poni¿ej wzorów strukturalnych cz¹steczek, zwi¹zkami aromatycznymi s¹:

CH3 I

H2N

NH2 III

CH2CH3

A. IV, V i VI

B. II i IV

C. III, V i VI

D. III, IV i V

www.szkolna.pl

Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów

c) Narysuj wzory strukturalne czterech homologów benzenu o wzorze sumarycznym C8H10.

d) Podaj 5 kolejnych liczb wynikaj¹cych z regu³y Hückela. Narysuj wzory przyk³adowych zwi¹zków aromatycznych, które posiadaj¹ takie liczby sprzê¿onych z sob¹ elektronów.

Zadanie 3.5.

a) Podaj, jakie w³aœciwoœci fizyczne posiada benzen. Porównaj je z w³aœciwoœciami wody i heksanu.

www.szkolna.pl

Wêglowodory aromatyczne i zwi¹zki heterocykliczne

b) Jakie reakcje chemiczne pozwol¹ odró¿niæ benzen od cykloheksanu i cykloheksenu?

c) Zapisz równania reakcji spalania cykloheksanu i benzenu. J Odszukaj w tablicach chemicznych entalpie tworzenia substratów i produktów i na tej podstawie oblicz, jaki jest efekt energetyczny obu tych procesów.

Substytucja elektrofilowa w pierœcieniu aromatycznym Chemiczn¹ w³aœciwoœci¹ wyró¿niaj¹c¹ zwi¹zki aromatyczne z grupy zwi¹zków nienasyconych jest ³atwoœæ, z jak¹ te zwi¹zki ulegaj¹ reakcjom substytucji elektrofilowej. P³aszczyzna pierœcienia benzenowego otoczona z obu stron chmur¹ elektronów ð stanowi dobr¹ tarczê dla odczynników elektrofilowych, tzn. takich, które maj¹ za ma³o elektronów.

C H

Rys. 3.1. Chmura elektronów ð nad i pod p³aszczyzn¹ jest dogodnym celem dla czynników elektrofilowych

www.szkolna.pl

Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów

Do typowych reakcji substytucji elektrofilowej nale¿¹ reakcje zachodz¹ce w uk³adach aromatycznych i nale¿y tu przede wszystkim wymieniæ: a) nitrowanie elektrofilowym czynnikiem w tej reakcji jest kation nitroniowy powstaj¹cy w reakcji kwasu azotowego(V) z siarkowym(VI) H O

+ H2SO4

+ HSO-4 + H2O

NO2 +

+ NO2

b) sulfonowanie czynnikiem elektrofilowym w reakcji sulfonowania jest trójtlenek siarki SO3, posiadaj¹cy deficyt elektronów — a wiêc mimo braku ³adunku jest elektrofilem

SO3 deficyt elektronów (brak oktetu wokól siarki)

O S O O

SO3H + SO3

c) halogenowanie zachodzi w obecnoœci ¿elaza lub trójchlorku ¿elaza (kwasu Lewisa), czynnikiem elektrofilowym jest dodatni jon halogenkowy Cl Cl2 + deficyt elektronów

+ Cl

www.szkolna.pl

Fe Cl Cl

FeCl4 +

Cl + H + (FeCl4 + H +

Cl +

FeCl3 + HCl)

Wêglowodory aromatyczne i zwi¹zki heterocykliczne

d) alkilowanie i acylowanie metod¹ Friedla-Craftsa czynnikiem elektrofilowym jest karbokation powstaj¹cy w wyniku reakcji kwasu Lewisa — np. AlCl3 z halogenkiem alkilu RCl + AlCl3

AlCl4 + R+

R + H+ (AlCl4 + H + -

R+ +

AlCl3 + HCl)

W reakcjach substytucji elektrofilowej zachodz¹cych dla benzenu i jego pochodnych interesuj¹ chemika zawsze dwa aspekty. Po pierwsze, jaka jest wzglêdna reaktywnoœæ pierœcienia w danej reakcji w odniesieniu do innych pochodnych lub do benzenu. Po drugie, w którym miejscu nast¹pi substytucja w przypadku ju¿ podstawionego pierœcienia: w pozycji orto, meta czy para do obecnego ju¿ podstawnika. Tabela 3.1. Klasyfikacja podstawników ze wzglêdu na reaktywnoœæ i efekt kieruj¹cy w reakcjach substytucji elektrofilowej w uk³adach aromatycznych Podstawniki aktywuj¹ce kieruj¹ce w pozycje orto, para Silnie aktywuj¹ce -NH2 (-NHR,

Podstawniki dezaktywuj¹ce kieruj¹ce w pozycje meta -NO2

-NHR2)

-COOH

(-COOR)

-SO3H

-OH

-CHO,

-COR

Œrednio aktywuj¹ce -OCH3

(-OC2H5 itd.)

S³abo aktywuj¹ce Podstawniki dezaktywuj¹ce kieruj¹ce w pozycje orto, para

-C6H5 -CH3

(-C2H5 itd.)

-F,

-Cl, -Br,

-I

www.szkolna.pl

Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów

W ponad stuletniej historii badañ uk³adów aromatycznych dok³adnie poznano mechanizmy rz¹dz¹ce substytucj¹ elektrofilow¹. W przypadku monopodstawionych pochodnych benzenu efekty podstawnika mo¿na sklasyfikowaæ w dwóch wymienionych kategoriach. Poprzez okreœlenie ich wp³ywu na reaktywnoœæ uk³adu aromatycznego i okreœlenie wp³ywu na pozycje i selektywnoœæ podstawienia. W tych kategoriach podstawniki mo¿na zaliczyæ do podstawników aktywuj¹cych i dezaktywuj¹cych oraz do kieruj¹cych w pozycjê orto i para lub w pozycjê meta. Klasyfikacjê niektórych podstawników przedstawiono w tabeli 3.1. Efekt kieruj¹cy podstawnika oznacza, ¿e w wyniku reakcji powstaj¹ produkty o wiêkszej zawartoœci preferowanych izomerów. Rzadko kiedy jest to ca³kowicie selektywne podstawienie. Przyk³adowe dane doœwiadczalne dla reakcji substytucji w toluenie przedstawia tabela 3.2. Tabela 3.2. Orientacja reakcji substytucji w toluenie

Reakcja

Wydajnoœæ produktu [%] orto

meta

para

Nitrowanie

Sulfonowanie

Bromowanie

—

Zadanie 3.6.

a) Podkreœl te reakcje, które s¹ charakterystyczne dla zwi¹zków aromatycznych. nitrowanie

bromowanie wobec FeBr3

reakcja z wod¹ bromow¹

reakcja z wod¹ wapienn¹

alkilowanie

sulfonowanie

odbarwianie KMnO4

reakcja z FeCl3

b) Produktami chlorowania chlorobenzenu w obecnoœci opi³ków ¿elaza g³ównie s¹ nastêpuj¹ce izomery dichlorobenzenu: A. tylko izomery meta

B. mieszanina izomerów orto i para

C. mieszanina izomerów orto i meta

D. mieszanina izomerów meta i para

www.szkolna.pl

Wêglowodory aromatyczne i zwi¹zki heterocykliczne

c) Otocz kó³kiem g³ówne produkty mononitrowania bromobenzenu. NO2

O2N

d) W wyniku chlorowania jednego z izomerów C8H10 (homologu benzenu) wobec soli ¿elaza powsta³ tylko jeden izomer o wzorze C8H9Cl. Który to by³ izomer? Narysuj jego wzór oraz podaj nazwê.

e) Podaj wzór strukturalny i nazwê izomeru o wzorze C8H10 (homologu benzenu), dla którego istnieje najwiêcej monochloropochodnych o wzorze C8H9Cl.

Zadanie 3.7.

a) Obecnoœæ wi¹zañ zdelokalizowanych w cz¹steczce benzenu, zawieraj¹cych sekstet elektronowy, sprzyja reakcjom przebiegaj¹cym wed³ug mechanizmu: A. substytucji elektrofilowej

B. substytucji nukleofilowej

C. addycji elektrofilowej

D. addycji nukleofilowej www.szkolna.pl

Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów

b) Mechanizm nitrowania benzenu najlepiej przedstawia równanie: H SO

2 4 A. C6H6 + HNO3 ¾ ¾¾ ® C6H5NO2 + H2O

B. C6H6 + NO +2 ¾ ¾® C6H5NO2 + H+ C. C6H6 + H+ + NO -3 ¾ ¾® C6H5NO2 + H2O D. C6H6 + HNO3 + H2SO4 ¾ ¾® C6H5NO2 + H2O + H+ + HSO -4

c) Wska¿ równanie reakcji, która nie przebiega wed³ug mechanizmu substytucji elektrofilowej: FeBr

A. C6H6 + Br2 ¾ ¾¾3 ® C6H5Br + HBr AlCl

B. C6H6 + CH3Cl ¾ ¾¾3 ® C6H5CH3 + HCl UV

C. C6H6 + 3Cl2 ¾¾® C6H6Cl6 H SO

2 4 D. C6H6 + HNO3 ¾ ¾¾ ® C6H5NO2 + H2O

Zadanie 3.8.

Uzupe³nij tabelê, wpisuj¹c odpowiednio g³ówne produkty reakcji substytucji elektrofilowej zachodz¹cej w pierœcieniu aromatycznym substratu. Substrat

Reakcja

toluen

nitrowanie

nitrobenzen

chlorowanie

kwas benzoesowy

nitrowanie

www.szkolna.pl

Produkty

Kwasy karboksylowe, estry i t³uszcze

203

Zadanie 7.40.

a) Narysuj fragment ³añcucha, jaki mo¿na otrzymaæ w wyniku polikondensacji cz¹steczek kwasu mlekowego.

b) Jak¹ nazw¹ okreœla siê polimery, które tworz¹ produkty polikondensacji hydroksykwasów (lub kwasów dikarboksylowych z alkoholami dihydroksylowymi)?

c) Narysuj wzory pó³strukturalne laktonów, które mog¹ powstaæ w wyniku wewn¹trzcz¹steczkowej estryfikacji w przypadku kwasu 4-hydroksybutanowego i kwasu 5-hydroksypentanowego.

Zadanie 7.41. J

a) Wpisz do tabeli wzory pó³strukturalne oraz wartoœci sta³ych kwasowoœci dla podanych kwasów. Napisz, w jaki sposób budowa tych kwasów wp³ywa na ich moc.

www.szkolna.pl

204

Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów

Kwas

Wzory pó³strukturalne

Wartoœæ Ka

octowy mlekowy benzoesowy para-hydroksybenzoesowy meta-hydroksybenzoesowy orto-hydroksybenzoesowy Wnioski:

b) Zaznacz (:) zdania prawdziwe, dotycz¹ce wp³ywu grupy hydroksylowej na moc hydroksykwasu aromatycznego:

9 grupa -OH w po³o¿eniu meta „wyci¹ga” elektrony z pierœcienia i na skutek efektu indukcyjnego powoduje zwiêkszenie kwasowoœci

9 grupa -OH w po³o¿eniu para uwalnia elektrony i na skutek efektu rezonansowego powoduje zmniejszenie kwasowoœci

www.szkolna.pl

205

Kwasy karboksylowe, estry i t³uszcze

9 grupa -OH w po³o¿eniu orto wp³ywa na zwiêkszenie kwasowoœci hydroksykwasu, niezale¿nie od sk³onnoœci do przyci¹gania lub uwalniania elektronów

9 grupa -OH w po³o¿eniu para „wyci¹ga” elektrony i na skutek efektu indukcyjnego powoduje zwiêkszenie kwasowoœci c) Najwiêksz¹ moc wykazuje kwas: A. para-hydroksybenzoesowy B. meta-hydroksybenzoesowy C. orto-hydroksybenzoesowy D. kwasy orto- i para-hydroksybenzoesowe, poniewa¿ maj¹ zbli¿on¹ wartoœæ

sta³ej dysocjacji E. kwasy meta- i para-hydroksybenzoesowe, poniewa¿ maj¹ zbli¿on¹ wartoœæ

sta³ej dysocjacji

Chiralnoœæ Zadanie 7.42.

a) Chiralnoœæ to zjawisko polegaj¹ce na: A. identycznoœci przedmiotu z jego odbiciem lustrzanym B. tworzeniu zwi¹zków bêd¹cych odbiciem lustrzanym innych zwi¹zków C. nieidentycznoœci przedmiotu z jego odbiciem lustrzanym D. wystêpowaniu osi i p³aszczyzny symetrii w badanym przedmiocie

b) Izomeria optyczna polega na: A. wystêpowaniu cz¹steczek zwi¹zków chemicznych w dwóch nieidentycz-

nych odmianach bêd¹cych odbiciami lustrzanymi www.szkolna.pl

206

Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów

B. wystêpowaniu cz¹steczek zwi¹zków w dwóch identycznych odmianach

bêd¹cych odbiciami lustrzanymi C. wystêpowaniu cz¹steczek zwi¹zków w dwóch lub wiêcej nieidentycznych

odmianach niebêd¹cych odbiciami lustrzanymi D. wystêpowaniu cz¹steczek zwi¹zków w czterech odmianach posiadaj¹cych

oœ symetrii c) Cz¹steczka jest optycznie czynna, je¿eli: A. posiada co najmniej jeden atom wêgla o hybrydyzacji sp3 B. atom wêgla tworzy cztery pojedyncze wi¹zania C. atom wêgla tworzy cztery wi¹zania ó z czterema ró¿nymi podstawnikami D. w cz¹steczce nie wystêpuje centrum symetrii i p³aszczyzna symetrii

d) Parê zwi¹zków optycznie czynnych, bêd¹cych wzglêdem siebie odbiciem lustrzanym, nazywamy: A. epimerami B. racematami C. enancjomerami D. diastereoizomerami

e) Czynnoœæ optyczna zwi¹zków chiralnych polega na: A. skrêcaniu p³aszczyzny polaryzacji œwiat³a liniowo spolaryzowanego B. przemianie œwiat³a bia³ego w œwiat³o monochromatyczne C. rozszczepieniu œwiat³a bia³ego na promieniowanie o ró¿nej d³ugoœci fali i

ró¿nej barwie D. polaryzacji œwiat³a monochromatycznego www.szkolna.pl

207

Kwasy karboksylowe, estry i t³uszcze

Zadanie 7.43.

Otocz kó³kiem te obiekty, które s¹ chiralne.

NAPIS but

kula

zegarek

piramida

korkoci¹g

szeœcian

kieliszek

Zadanie 7.44.

Narysuj z prawej strony „cz¹steczki” model jej izomeru optycznego.

Zadanie 7.45.

a) Przestrzenne rozmieszczenie podstawników wokó³ tetraedrycznego atomu wêgla nazywamy: A. koordynacj¹

B. konfiguracj¹

C. konstytucj¹

D. konformacj¹ www.szkolna.pl

208

Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów

b) Atom wêgla po³¹czony z czterema ró¿nymi podstawnikami, decyduj¹cy o czynnoœci optycznej zwi¹zku, nazywamy: A. asymetrycznym atomem wêgla

B. centrum chiralnoœci

C. tetraedrycznym atomem wêgla

D. stereochemicznym atomem wêgla

c) Na podanych ni¿ej wzorach pó³strukturalnych zaznacz na czerwono asymetryczne atomy wêgla. CH3 CH3

CH3 H

C2H5

Br CH3

C2H5 C2H5 H

C2H5 C2H5

H CH3

CH3

C OH

CH3 CH3

C2H5

CH3

COOH

H2C C H2C

CH3

Zadanie 7.46.

a) Podaj zasady, zgodnie z jakimi nale¿y narysowaæ wzór rzutowy Fischera cz¹steczki chiralnej.

www.szkolna.pl

209

Kwasy karboksylowe, estry i t³uszcze

b) Dla podanych przestrzennych wzorów cz¹steczek narysuj obok ich p³askie wzory rzutowe Fischera. CH3 C HOOC

H CH2CH3

COOH C HO

H CH3

c) Na podstawie wzorów rzutowych Fischera narysuj wzory przestrzenne podanych cz¹steczek. COOH CH3

CH2CH3 CHO H

CH3

CH2CH3 d) Czy otrzymamy wzór zwi¹zku o takiej samej konfiguracji, je¿eli jednokrotnie dokonamy zamiany miejscami podstawników we wzorze rzutowym Fischera — tak jak to zrobiono na rysunku? OH

COOH HO

H CH3

HOOC

H CH3

www.szkolna.pl

210

Chemia 2b. Æwiczenia dla licealistów

e) Czy otrzymamy wzór zwi¹zku o takiej samej konfiguracji, je¿eli dwukrotnie dokonamy zamiany miejscami dowolnych podstawników we wzorze rzutowym Fischera — tak jak np. to zrobiono na rysunku? COOH HO

CH3

HOOC

CH3

H CH3

HOOC

H OH

f) Czy wzór otrzymany w wyniku obrotu wzoru rzutowego Fischera danej cz¹steczki chiralnej o k¹t 90° nadal bêdzie przedstawia³ tê sam¹ cz¹steczkê?

Zadanie 7.47.

Kwas winowy, C4O6H6, nale¿y do grupy hydroksykwasów dikarboksylowych. Ze wzoru cz¹steczki przedstawionej poni¿ej wynika, ¿e ma ona dwa asymetryczne atomy wêgla. S¹ to atomy wêgla o hybrydyzacji sp3, zwi¹zane z czterema ró¿nymi podstawnikami. HO CH COOH HO

COOH

Rys. 7.1. Kwas winowy

Obecnoœæ dwóch asymetrycznych atomów wêgla powoduje, ¿e kwas winowy mo¿e posiadaæ maksymalnie cztery ró¿ne stereoizomery, czyli dwie pary enancjomerów. Przedstawione s¹ one na rysunku 7.2. W przypadku kwasu winowego, z uwagi na powtarzaj¹ce siê podstawniki na obu atomach wêgla, mo¿emy powróciæ do analogii z d³oñmi. Stereoizomer I to dwie d³onie lewe, jego lustrzane odbicie II to dwie d³onie prawe. Stereoizomer III to d³onie: prawa i lewa — jego lustrzany obraz IV to tak¿e d³oñ lewa i prawa, tyle tylko, ¿e odwró-

www.szkolna.pl

211

Kwasy karboksylowe, estry i t³uszcze

S HOOC

HOOC

H C C

H OH

COOH

HOOC

COOH

HOOC

H OH

H HO

C C

R–R

S–R

R–S

III

COOH

lewa

lewa I

COOH

S–S

COOH

prawa

lewa

prawa

III

COOH

prawa

lewa IV

forma mezo

Rys. 7.2. Kwasy winowe. Stereoizomery optycznie aktywne (S, S) i (R, R) oraz forma mezo i ich dwurêczne odpowiedniki. S i R s¹ symbolami oznaczaj¹cymi w sposób systematyczny konfiguracjê danego atomu wêgla.