Integracja wiedzy organicznej — ciągi przemian i rozpoznawanie związków

Ten temat nie wprowadza nic nowego. Jego celem jest co innego: połączyć w całość wszystko, co przerabialiśmy osobno. Bo chemia organiczna wygląda na zbiór niepowiązanych rozdziałów tylko dopóty, dopóki nie zobaczy się, że wszystko wychodzi z jednego miejsca i wszystko da się ze sobą połączyć.

Na koniec mają Państwo umieć dwie rzeczy: przejść ciąg przemian od jednego związku do drugiego i rozpoznać nieznaną substancję po tym, jak reaguje.

Część 1. Wszystkie grupy na jednej tabeli

Zacznijmy od ściągi. Każdy związek organiczny rozpoznaje się po tym, co ma w cząsteczce.

Co widzisz we wzorze To jest Przykład
same wiązania pojedyncze C — C alkan metan CH₄, etan C₂H₆
wiązanie podwójne C = C alken eten C₂H₄
wiązanie potrójne C ≡ C alkin etyn C₂H₂
pierścień sześciowęglowy aren benzen C₆H₆
grupa — OH alkohol etanol C₂H₅OH
grupa — CHO na końcu aldehyd aldehyd octowy CH₃CHO
grupa — COOH kwas karboksylowy kwas octowy CH₃COOH
grupa — COO — w środku ester octan etylu CH₃COOC₂H₅
grupa — NH₂ amina metyloamina CH₃NH₂
— NH₂ i — COOH naraz aminokwas glicyna H₂N—CH₂—COOH
— CO — NH — wiązanie peptydowe białka

To jest najważniejsza tabela całego roku. Kto umie z niej korzystać, rozwiąże większość zadań.

Część 2. Mapa przemian

Wszystkie związki, które poznaliśmy, łączy jedna ścieżka. Zapiszmy ją jako ciąg:

eten → etanol → aldehyd octowy → kwas octowy → ester

A teraz po kolei, z równaniami.

Krok 1 — z alkenu alkohol (addycja wody)

C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH

Woda przyłącza się do wiązania podwójnego. Wiązanie podwójne znika, pojawia się grupa OH.

Krok 2 — z alkoholu aldehyd (utlenianie)

C₂H₅OH + CuO → CH₃CHO + Cu + H₂O

Alkohol traci dwa atomy wodoru. Powstaje grupa CHO. W doświadczeniu widać to pięknie: rozżarzona czarna miedź robi się z powrotem miedziana.

Krok 3 — z aldehydu kwas (dalsze utlenianie)

CH₃CHO + 2 Cu(OH)₂ → CH₃COOH + Cu₂O↓ + 2 H₂O

To jest dokładnie próba Trommera, tylko patrzymy na nią od strony produktu organicznego. Grupa CHO utleniła się do COOH.

Krok 4 — z kwasu ester (estryfikacja)

CH₃COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O

Kwas spotyka alkohol, odchodzi woda, zostaje ester.

Boczne odgałęzienia, które też trzeba znać

Przemiana Równanie
glukoza → etanol (fermentacja) C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂
kwas → sól (z metalem) 2 CH₃COOH + Mg → (CH₃COO)₂Mg + H₂↑
kwas → sól (z zasadą) CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O
ester → kwas i alkohol (hydroliza) CH₃COOC₂H₅ + H₂O ⇄ CH₃COOH + C₂H₅OH
tłuszcz → mydło (zmydlanie) (C₁₇H₃₅COO)₃C₃H₅ + 3 NaOH → 3 C₁₇H₃₅COONa + C₃H₅(OH)₃
alken → polimer (polimeryzacja) n CH₂ = CH₂ → ( — CH₂ — CH₂ — )ₙ
alkan → chloropochodna (substytucja) CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl
alken → dibromopochodna (addycja) C₂H₄ + Br₂ → C₂H₄Br₂

Jak rozwiązać ciąg przemian — cztery kroki

  1. Rozpoznaj, co masz na wejściu. Spójrz na grupę funkcyjną i nazwij rodzinę.
  2. Rozpoznaj, co masz na wyjściu. Jaka grupa ma się pojawić?
  3. Zapytaj: co trzeba dodać albo zabrać? Jeśli ma zniknąć wiązanie podwójne — addycja. Jeśli ma pojawić się OH — addycja wody. Jeśli OH ma zamienić się w CHO, a potem w COOH — utlenianie. Jeśli mają połączyć się kwas i alkohol — estryfikacja.
  4. Dopiero teraz zapisz równanie i uzgodnij.

Najczęstszy błąd polega na przeskakiwaniu kroków 1–3 i próbie zapisania równania od razu. Chemia ciągów przemian to w dziewięćdziesięciu procentach rozpoznawanie, a w dziesięciu — zapis.

Rozwiązane ciągi przemian

Ciąg 1 — z gazu do zapachu

C₂H₄ → A → B → octan etylu. Podaj wzory A i B oraz równania.

Rozumowanie: na wejściu alken, na wyjściu ester. Ester powstaje z kwasu i alkoholu — więc po drodze musimy zrobić jedno i drugie. Z alkenu najprościej zrobić alkohol.

  1. C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH — A to etanol
  2. C₂H₅OH + CuO → CH₃CHO + Cu + H₂O, a dalej CH₃CHO + 2 Cu(OH)₂ → CH₃COOH + Cu₂O + 2 H₂O — B to kwas octowy
  3. CH₃COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O

Ciąg 2 — od cukru do mydła? Nie tędy

Glukoza → A → B, gdzie B to octan etylu.

CH₃COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O — B to octan etylu

  1. Fermentacja: C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂ — A to etanol
  2. Utlenianie etanolu daje kwas octowy; kwas octowy z pozostałym etanolem daje ester:

To nie jest teoria oderwana od życia: tak właśnie psuje się wino. Alkohol utlenia się do kwasu octowego i wino zamienia się w ocet. Z tego samego powodu otwarta butelka nie stoi w nieskończoność.

Ciąg 3 — tłuszcz na warsztacie

Tłuszcz (C₁₇H₃₅COO)₃C₃H₅ → A + B. Nazwij produkty i zapisz równanie.

Tłuszcz to ester. Potraktowany zasadą rozpada się na sól kwasu tłuszczowego i alkohol:

(C₁₇H₃₅COO)₃C₃H₅ + 3 NaOH → 3 C₁₇H₃₅COONa + C₃H₅(OH)₃

A to stearynian sodu, czyli mydło. B to glicerol.

Ciąg 4 — w drugą stronę

Octan etylu → A → B, gdzie B to octan sodu.

  1. Hydroliza estru: CH₃COOC₂H₅ + H₂O ⇄ CH₃COOH + C₂H₅OH — A to kwas octowy
  2. Zobojętnianie: CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O — B to octan sodu

Część 3. Rozpoznawanie związków

Druga umiejętność: dostajemy nieopisane probówki i mamy powiedzieć, co w nich jest. Służy do tego zestaw odczynników, z których każdy wykrywa coś innego.

Odczynnik Co wykrywa Co widać
woda bromowa Br₂ wiązanie wielokrotne (alken, alkin) pomarańczowa barwa znika
papierek wskaźnikowy kwas barwa czerwona
NaOH + CuSO₄, ogrzewanie cukier redukujący (próba Trommera) ceglastoczerwony osad Cu₂O
NaOH + CuSO₄, na zimno wiązania peptydowe — białko (próba biuretowa) barwa fioletowa
stężony HNO₃ pierścień aromatyczny w białku (ksantoproteinowa) barwa żółta
płyn Lugola (jod) skrobia barwa granatowa
odczynnik Tollensa grupa aldehydowa lustro srebrowe

Schemat postępowania z nieznaną próbką

  1. Powąchaj i popatrz (ostrożnie, machnięciem dłoni) — ester pachnie owocowo, kwas octowy ostro, amina rybą.
  2. Papierek wskaźnikowy — czerwony oznacza kwas, niebieski aminę lub zasadę, brak zmiany resztę.
  3. Woda bromowa — odbarwienie oznacza wiązanie wielokrotne.
  4. Jodyna — granat oznacza skrobię.
  5. NaOH + CuSO₄ — fiolet na zimno oznacza białko, ceglasty osad po ogrzaniu oznacza cukier redukujący.

Kolejność nie jest przypadkowa: zaczynamy od prób, które niczego nie niszczą, a kończymy na tych, które zużywają próbkę.

Rozwiązane zadania na rozpoznawanie

Zadanie A. W trzech probówkach są: woda, etanol i kwas octowy. Jak je rozróżnić?

Papierkiem wskaźnikowym: zabarwi się na czerwono tylko w probówce z kwasem octowym. Zostają woda i etanol — tu wystarczy zapach: etanol pachnie spirytusem, woda nie pachnie niczym. Można też podpalić próbkę na łyżeczce: etanol pali się niebieskim płomieniem, woda nie.

Zadanie B. W dwóch probówkach są roztwory glukozy i białka jaja. Jak je rozróżnić, mając tylko NaOH i CuSO₄?

Dodajemy oba odczynniki do każdej próbki.

  • Tam, gdzie od razu, na zimno pojawi się barwa fioletowa, jest białko (próba biuretowa).
  • Tam, gdzie dopiero po ogrzaniu wypadnie ceglastoczerwony osad, jest glukoza (próba Trommera).

Jeden zestaw odczynników, dwa różne wyniki — zależnie od tego, czy ogrzewamy.

Zadanie C. Ciecz nie miesza się z wodą, ma owocowy zapach i nie barwi papierka wskaźnikowego. Co to może być?

Ester. Kwas zabarwiłby papierek na czerwono, alkohol mieszałby się z wodą, a węglowodór nie pachniałby owocowo.

Sprawdź się

  1. Uzupełnij ciąg: C₂H₄ → C₂H₅OH → A, gdzie A reaguje z sodem i barwi papierek na czerwono. Co to za związek?
  2. Zapisz równanie reakcji, w której z kwasu octowego i etanolu powstaje ester.
  3. Jak jednym odczynnikiem odróżnić heksan od heksenu?
  4. Do probówki z nieznanym roztworem dodano NaOH i CuSO₄ — od razu pojawił się fiolet. Co było w probówce?

Rozwiązania. (1) Kwas octowy CH₃COOH — powstaje przez utlenienie etanolu (przez stopień pośredni, aldehyd octowy). (2) CH₃COOH + C₂H₅OH ⇄ CH₃COOC₂H₅ + H₂O. (3) Wodą bromową: heksen ją odbarwi, heksan nie. (4) Białko — fiolet bez ogrzewania to próba biuretowa, która wykrywa wiązania peptydowe.

Do zapamiętania

  • Rodzinę związku rozpoznajemy po grupie funkcyjnej: OH alkohol, CHO aldehyd, COOH kwas, COO ester, NH₂ amina.
  • Główna ścieżka przemian: alken → alkohol → aldehyd → kwas → ester, a każdy krok to jedna konkretna reakcja.
  • Ciąg przemian rozwiązuje się od rozpoznania, nie od zapisu równania.
  • Przy rozpoznawaniu substancji każdy odczynnik odpowiada na jedno pytanie — i wystarczy wiedzieć, na które.
  • Ten sam zestaw NaOH + CuSO₄ daje fiolet na zimno (białko) albo ceglasty osad po ogrzaniu (cukier redukujący).