CHEMIE 2
Vedoucí autorského kolektivu:
PhDr. Martin Čapek Adamec, Ph.D.
Spoluautoři: Ing. Ondřej Šimůnek, Ph.D.
RNDr. Jiří Zahradník, Ph.D. Ing. Věra Čapková
Lektorovali:
prof. Ing. František Liška, CSc.
Mgr. Jaroslav Stránský
© Martin Čapek Adamec za kolektiv, 2025, 2026
© EDUKO nakladatelství, s. r. o., 2025, 2026
ISBN 978-80-88473-57-2
1
OBSAH
2
2.1 Konstituční
3
3.4 Stabilita
3.5 Posouzení
4
4.2 Nerostné
4.8 Alkyny
5
5.1 Historie
5.2 Struktura
5.3 Aromaticita
5.4 Reakce
6.3 Struktura
7
JAK S UČEBNICÍ PRACOVAT?
Text učebnice, kterou právě začínáte studovat, je pro větší přehlednost graficky rozčleněn do několika částí. V úvodu každé ze čtrnácti hlavních kapitol se nachází kromě úvodní fotografie také motivační text a přehled nejdůležitějších dovedností, které byste měli po prostudování dané kapitoly zvládnout.
HALOGENDERIVÁTY
Proč se vědci dlouho domnívali, že se halogenderiváty v přírodě nevyskytují?
Zaměříme se na jednu z reakcí vedoucích ke vzniku halogenderivátů a vysvětlíme si, proč k ní v přírodě obvykle nedochází.
Vysvětlíme si, jaké jsou nebezpečné vlastnosti některých halogenderivátů a jak mohou škodit lidskému zdraví či životnímu prostředí, ale i to, že některé halogenované látky jsou nezbytné pro správné fungování lidského organismu.
Ukážeme si, že kriminální příběhy je třeba brát s rezervou a jak je to tedy doopravdy s anestetickým působením chloroformu.
V TÉTO KAPITOLE SE NAUČÍTE
● Sestavit a zapsat chemickou rovnici radikálové substituce
● Odlišit podmínky vhodné pro průběh radikálových reakcí
● Sestavit a zapsat chemickou rovnici nukleofilní substituce a eliminace
● Vysvětlit vliv reakčních podmínek na mechanismus a průběh reakce
● Popsat nejčastější využití halogenovaných látek
● Posoudit možná rizika halogenderivátů vzhledem k životnímu prostředí
Výkladový text obsahuje některé zvýrazněné části: černým tučným písmem jsou vyznačeny důležité pojmy, obvykle vysvětlené přímo v textu, barevným tučným písmem jsou vyznačeny pojmy, které už byste měli znát z předchozích částí textu, z předmětů vyučovaných na střední škole či ze základní školy.
Pro lepší porozumění částí výkladu, v nichž se vyskytují výpočty nebo složitější postupy, je hlavní text proložen řešenými příklady. O vyřešení úlohy se můžete pokusit nejprve sami a až poté si projít vzorové řešení.
Příklad 1.1 TAUTOMERY
K but-2-en-2-olu CH3C(OH) CHCH3 (enolformě) vytvořte vzorec příslušné oxoformy.
Řešení
Vyjdeme z racionálního vzorce enolformy. Podle definice bude v tautomeru na druhém atomu uhlíku dvojně vázaný kyslík a vodík z hydroxylové skupiny musíme přesunout na jediné volné místo, tj. na sousední atom uhlíku, který byl původně vázán dvojnou vazbou:
CH3 C CH CH3 → CH3 C CH2 CH3
OH O
K procvičení
Jaký tautomer bude mít but-1-en-2-ol CH2 C(OH)CH2CH3?
Hlavní text je v pravé části stránky doplněn schématy či fotografiemi dokreslujícími výklad, ale také dalšími textovými rámečky. Ty jsou rozlišeny pomocí ikonek v levém horním rohu a barvou v dolní části rámečku. V místech, kde je to účelné, je v hlavním textu stejnou ikonou vyznačeno, ke které konkrétní části výkladu se rámeček vztahuje.
Názvosloví zbytků od benzenu není úplně logické a mírně se vymyká zažitým pravidlům. Zatímco z dřívějška víme, že název zbytku vytvoříme jako kořen názvu uhlovodíku + přípona -yl (např. meth + yl = methyl), u benzenu je to jinak. Benzyl, který by se nabízel jako zbytek od benzenu, je ve skutečnosti zbytek od toluenu. Zbytek od benzenu se nazývá fenyl.
PŘEHLED
IKONEK
Rozšiřující informace
Alfred Nobel díky svému vynálezu a úsilí věnovanému výrobě dynamitu nashromáždil během svého života obrovské jmění. Okolí ho však kvůli ničivým účinkům dynamitu vnímalo značně negativně. Sám se přitom zasazoval za mírové využití výbušnin, zejména při terénních úpravách a těžbě. Ve své poslední vůli odkázal téměř celý svůj majetek nadačnímu fondu a určil, že se z jeho prostředků mají každoročně vyplácet odměny za významné vědecké objevy, literární tvorbu a zásluhy o mír. První Nobelovy ceny byly uděleny v roce 1901.
Informace, které doplňují nebo rozšiřují hlavní text. Mohou být také náročnější na porozumění.
Zajímavost
Propojení tématu na reálný život, praktické aplikace, zajímavosti a kuriozity.
Úloha k zamyšlení
Otázka nebo úkol testující hlubší porozumění probíranému tématu. Řešení nemusí být jednoznačné, často vyžaduje diskuzi a dohledání informací.
Vyzkoušejte si doma, jak se šíří potravinářské barvivo ve vaječném bílku oproti čisté vodě – uvidíte, že v bílku (koloidním roztoku) probíhá difuze pomaleji. Co se stane, když do bílku přidáte kyselinu citronovou a jak se potom bude chovat barvivo?
S teflonem se běžně setkáváme i v domácnosti. Jaké předměty jsou z něj vyrobeny?
Experiment
Jednoduchý pokus k dokreslení textu nebo k hlubšímu porozumění probíraného tématu. Obvykle jde provést v domácích podmínkách, výjimečně je nutný dozor dospělého. Při provádění pokusů je třeba vždy dodržovat pravidla bezpečné práce!
Mezipředmětový vztah
Vazba na jiné předměty vyučované na střední škole. Většinou jde o další přírodovědné předměty, ale také o historii, český jazyk a cizí jazyky.
Na konci kapitoly je shrnutí učiva, které slouží pro připomenutí, čím jsme se v dané kapitole zabývali. Shrnutí může pomoci při opakování nového učiva.
SHRNUTÍ
Metabolismus živin je složitý, ale dobře koordinovaný soubor procesů, jehož hlavním cílem je získat energii a stavební látky pro buňku. Základním výchozím bodem je rozklad sacharidů, tuků a bílkovin na menší molekuly, které se přeměňují na acetyl-CoA – vstupní látku citrátového cyklu. Ten probíhá v mitochondriích a slouží k postupnému odbourávání acetylové skupiny za uvolnění oxidu uhličitého a přenosu vodíku na přenašeče NADH + H+ a FADH₂.
Tyto redukované přenašeče jsou zásobárnou energie v podobě „vysokoenergetických“ elektronů. V dýchacím řetězci, umístěném ve vnitřní mitochondriální membráně, elektrony postupně přecházejí mezi komplexy I–IV. Každý přenos je doprovázen uvolněním
energie, která je využita k čerpání protonů z matrix do mezimembránového prostoru, čímž vzniká elektrochemický gradient. Tento stav je energeticky nerovnovážný a protony mají tendenci vrátit se zpět do matrix.
Právě tento tok protonů skrz ATP-synthasu pohání její rotační mechanismus a umožňuje spojení ADP s anorganickým fosfátem na ATP. Tento děj – oxidační fosforylace – je klíčovým zdrojem energie pro většinu eukaryotických buněk. ATP slouží nejen jako univerzální energetické „platidlo“ pro buněčné procesy, ale spolu s meziprodukty citrátového cyklu poskytuje i základní suroviny pro syntézu bílkovin, nukleových kyselin, lipidů a dalších biomolekul.
CH2
benzyl fenyl
a dalších podmínkách může reakce probíhat buď mechanismem SN1, nebo SN2.
Typickou reakcí pro alkany je radikálová substituce. Nejběžněji se touto reakcí zavádějí do molekul uhlovodíků atomy halogenů.
KLÍČOVÉ POJMY
K nukleofilní substituci halogenderivátů může docházet i v lidském organismu. Jejich působením může docházet k alkylaci dusíkatých bází v DNA. Tyto chemické změny mohou vést i ke vzniku nádorových onemocnění. Mnoho halogenderivátů je proto klasifikováno jako karcinogeny.
násobnou vazbu alkenů i alkynů (AE, AR).
Radikálová substituce ke svému uskutečnění potřebuje uhlovodík, elementární halogen a zdroj UV záření či radikálový iniciátor.
Nenasycené alifatické uhlovodíky jsou díky své vyšší reaktivitě cennou surovinou pro další syntézy (např. pro výrobu ethanolu nebo polymerů).
Podobnou funkci mají klíčové pojmy. U každého z nich byste měli být schopni aspoň stručně vysvětlit, čeho se týká nebo co znamená. Pokud o některém z uvedených pojmů nedokážete říct nic, nezoufejte, obvykle postačí podívat se zpět do textu kapitoly, k níž pojmy patří.
Halogenderiváty našly široké uplatnění jako inhalační anestetika, čisticí prostředky a hasiva, zneužívány jsou jako bojové látky. Freony, používané v dřívější době, byly kvůli poškozování ozonové vrstvy zakázány.
uhlovodík nasycený, nenasycený ● alkany ● alkeny ● alkyny ● homologická řada ● uhlovodíkový zbytek (alkyl) ● lokant ● dvojná vazba ● trojná vazba ● ropa ● uhlí ● zemní plyn ● frakční destilace ● LPG ● benzín ● petrolej ● plynový olej ● krakování ● CNG ● odorizace ● radikálová substituce ● elektrofilní adice ● Markovnikovovo pravidlo ● hydrogenace ● ztužování tuků ● polymerace ● Kučerovova reakce ● tautomerie ● ketoforma ● enolforma ● terminální alkyn ● autogen
KLÍČOVÉ POJMY
ÚLOHY K PROCVIČENÍ
V úplném závěru kapitol se nacházejí úlohy k procvičení. Slouží k ověření, že jste danou kapitolu dostatečně zvládli. Úlohy označené hvězdičkou jsou náročnější a při jejich řešení může být nutné využít i další zdroje mimo tuto učebnici. Abyste se přesvědčili, že jste úlohu vyřešili správně, jsou jejich výsledky uvedeny v závěru učebnice souhrnně pro všechny kapitoly.
4.1 Systematicky pojmenujte následující uhlovodíky:
deriváty uhlovodíků ● charakteristická skupina ● halogenderiváty ● alkylhalogenidy ● van der Waalsovy síly ● polarizovatelnost vazby ● nukleofilní substituce ● eliminace ● Zajcevovo pravidlo ● karcinogeny ● radikálová substituce ● řetězová reakce ● iniciace, propagace a terminace ● freony ● hasiva (halotrony) ● zpomalovače hoření ● inhalační anestetika
a) H3C CH2 CH2 CH CH2 CH3 CH2CH3
b) CH3 H3C
ÚLOHY K PROCVIČENÍ
H3C
c) H3C C C C C CH3
6.1 Následující jednoduché halogenderiváty se vyskytují v různých nižších organismech, nakreslete jejich vzorce: dichlormethan, 1,1,1-trichlorethan, bromchlorjodmethan, 1,1,2-trichlorethen, dibromchlormethan.
d) H2C CH CH2 CH CH3 CH3
6.2 Pojmenujte halogenderiváty alkanů, nezapomeňte na lokanty tam, kde jsou potřeba:
48
H3C CH3 Cl H3C C I CH3 Br
CH3Cl Br Br
CH2 C CH3 Cl Cl H3C Cl Cl Br
6.3 Při vytváření názvů substitučních derivátů nenasycených uhlovodíků má při číslování hlavního řetězce nebo cyklu přednost co nejnižší umístění dvojné vazby. Určete názvy následujících halogenderivátů: CH2 Cl CH C CH2 Cl H2C Br H2C I I
Halogenderiváty
4.2 Nakreslete racionální nebo čárové vzorce následujících uhlovodíků:
a) 2,3-dimethylpentan
b) 3-ethylcyklopenten
6.4 Vyhledejte triviální název poslední sloučeniny z předchozí úlohy a použití polymeru, který se z ní vyrábí.
c) 3,5-diethyl-4-methyloktan
d) hexa-1,3,5-trien
e) pent-1-en-4-yn
f) 3-ethylhex-2-en
e) H3C C C C CH CH3 CH3 f) CH2CH2CH3
6.5 Kolik různých produktů by bylo možné získat radikálovou bromací 2-methylbutanu do prvního stupně (tj. zavedením jednoho atomu bromu)? Všechny tyto produkty jsou vzájemnými izomery. O jaký typ izomerie se jedná?
Alifatické uhlovodíky
6.6 Zopakujte si u halogenderivátů pojmy primární, sekundární a terciární. Kde jsme se s nimi již setkali?
6.7* Víte-li, že reaktivita primárních, sekundárních a terciárních atomů uhlíku je při radikálové bromaci přibližně v poměru 1 : 82 : 1 600, vypočítejte poměrné zastoupení jednotlivých produktů z úlohy 6.5 v reakční směsi (v procentech). Nezapomeňte, že zastoupení produktu není dáno jen reaktivitou atomu uhlíku, na němž dochází k substituci, ale i počtem atomů vodíku v molekule substrátu, jejichž substituce vede na požadovaný produkt.
Pro vyhledávání informací o pojmech vysvětlených v učebnici slouží rejstřík, který tvoří poslední část této učebnice. U každého pojmu je uvedena stránka, kde se daný pojem v textu objevuje poprvé nebo v nové souvislosti, případně je zde odkaz na pojem se stejným významem.
ÚVOD DO ORGANICKÉ CHEMIE
Představme si svět bez plastů, léků, paliv, funkčního oblečení nebo dokonce bez čokolády. To všechno a ještě mnoho dalšího existuje díky organické chemii a biochemii. Naučíte se, jak tyto vědy nejen zkoumají věci kolem nás, ale i jak formují náš každodenní život.
V následujícím textu se podíváme na to, zda všechny organické sloučeniny pocházejí z organismů, kolik různých organických sloučenin bylo doposud objeveno a které prvky se v nich vyskytují.
V TÉTO KAPITOLE SE NAUČÍTE
● Vysvětlit rozdíl mezi anorganickými a organickými látkami.
● Popsat typické vlastnosti organických sloučenin.
● Posoudit vazebné možnosti uhlíku a některých dalších prvků v organických sloučeninách.
● Rozlišit jednotlivé typy vzorců používaných v organické chemii.
● Určit oxidační číslo uhlíku a ostatních atomů v organických molekulách.
1.1 UHLÍK V ORGANICKÝCH SLOUČENINÁCH
V prvním dílu této učebnice jsme se věnovali obecným chemickým zákonitostem a látkám typickým pro neživou přírodu – anorganickým látkám. Na následujících stránkách se podrobněji podíváme na obrovskou skupinu sloučenin, jejichž neustále narůstající počet se zasloužil o vznik samostatné chemické disciplíny – organické chemie.
Historie organické chemie sahá do druhé poloviny 18. století, kdy se chemikům začalo dařit izolovat a identifikovat látky pocházející z živých organismů. Mezi první objevené organické látky patří kyselina vinná a kyselina citronová, které izoloval švédský chemik C. W. Scheele. Poměrně brzy se podařilo chemikům M. V. Lomonosovovi a A.-L. Lavoisierovi prokázat, že všechny organické látky obsahují vázaný uhlík a vodík. Organické látky se dlouho nedařilo připravit v laboratoři, proto se zpočátku ujala teorie podporovaná J. J. Berzeliem, která předpokládala, že organické látky vznikají pouze v živých organismech působením „životní síly“ (vis vitalis). Prvním experimentem, který vitalistickou teorii zpochybnil, byl rozklad mýdla získaného z živočišného tuku na několik čistých organických látek – mastných kyselin a glycerolu. Podařilo se to v roce 1816 francouzskému chemikovi M. E. Chevreulovi:
živočišný tuk + alkalický louh
mýdlo
mýdlo + glycerol
mastné kyseliny
Definitivní odklon od vitalistické teorie způsobil objev, který přišel pouhých 12 let poté. Německý chemik F. Wöhler totiž zahříváním anorganického kyanatanu amonného připravil již tehdy známou organickou sloučeninu – močovinu:
S registrací nově popsaných organických látek se začalo již v 19. století. Tehdy jich bylo známo několik tisíc, v polovině 20. století to již bylo více než půl milionu. Od roku 1965 existuje celosvětová databáze chemických látek CAS Registry, která každé nově popsané látce přiděluje jedinečné pořadové číslo CAS (Registry) Number. Například močovina má číslo 57-13-6.
Registrují se pochopitelně i anorganické látky, ale ze současných téměř 300 milionů přidělených čísel jich naprostá většina připadá na organické sloučeniny.
Současná organická chemie se zabývá sloučeninami uhlíku bez ohledu na jejich původ či výskyt, s výjimkou několika skupin jednodušších sloučenin, které řadíme mezi anorganické (např. oxidy uhlíku, kyselinu uhličitou a její soli, kyanovodík a jeho deriváty). Zaměřuje se přitom na studium vlastností a možnosti syntézy těchto látek. Přírodními látkami, které také řadíme mezi organické, a jejich funkcí či působením v živých organismech se zabývá biochemie.
Uhlík se nachází ve 14. (IV.A) skupině periodické soustavy, má tedy konfiguraci valenční sféry v základním stavu 2s22p2 a v excitovaném vazebném stavu 2s12p3. V organických sloučeninách je uhlík čtyřvazný. Jednotlivé atomy uhlíku se mohou spojovat kovalentní vazbou (jednoduchou, dvojnou a trojnou) a vytvářet tak různě větvené řetězce či cykly. Prostorové uspořádání vazeb kolem atomu uhlíku závisí na počtu vazeb σ, které z něj vycházejí.
Kromě uhlíku se v organických sloučeninách objevují i atomy jiných prvků. Nejčastěji jde o jednovazný vodík, dvojvazný kyslík, trojvazný dusík, dvojvaznou síru a jednovazné halogeny. Sloučeniny, jejichž molekuly jsou složeny pouze z atomů uhlíku a vodíku, nazýváme uhlovodíky. Od nich pak odvozujeme deriváty uhlovodíků, které obsahují i atomy dalších prvků. Zvláštní skupinu derivátů tvoří organokovové sloučeniny, v nichž je na atom uhlíku kovalentně navázaný atom kovu, například lithia, hořčíku či olova
Počet chemických látek (v milionech) evidovaných v průběhu let ve službě CAS Registry od jejího založení v roce 1965
C: 2s 2p
C*: 2s 2p
Rámečkové diagramy pro konfiguraci valenčních elektronů atomu uhlíku v základním a v excitovaném vazebném stavu
Vazby kolem C Výsledný tvar, hybridizace a vazebný úhel
Tvar molekuly v okolí atomu uhlíku
PřítomnostnepolárníchvazebC–CaC–Hdáváorganickýmsloučeninámtypickévlastnosti.Jsouobvyklešpatněrozpustnévevodě,kapalnéuhlovodíkyse nemísí s vodou,sloužívšakjakovýbornározpouštědlaproostatnínepolárníorganickélátky.RelativněobtížněrozštěpitelnávazbaC–Czapříčiňuje špatnou biologickou odbouratelnost látek s delšímiuhlíkatýmiřetězci,řada z nichtak působíjakokumulativníjedynebokarcinogeny.Pokudmávorganismudojítke štěpenívazbyC–C,jezapotřebíjinejprve„aktivovat“ v přítomnostienzymůspecifickýchprodanýtyplátky.
Polarituorganickýchlátekzvyšujepřítomnostsilněelektronegativníchatomů (nejčastějikyslíkuadusíku)neboiontovévazby.Velkéorganickémolekulymohouobsahovatpolárníinepolárníčásti,cožjimumožňuje překlenout rozhraní mezi polárním a nepolárním prostředím.Některémohoutakésloužitjako „univerzální“rozpouštědla.
S výjimkousilněhalogenovanýchderivátůjsouorganickélátkyobvyklehořlavé. Přijejichdokonalémspálenívznikáoxiduhličitý,voda,případněoxidydusíku a síry,pokudjsoujejichatomypřítomny.Nedokonalýmspálenímřadyorganickýchlátek (v domácíchpodmínkáchnebopřipožárech)častovznikajívelmi toxickésloučeniny,kterépředstavujíohromnou zátěž pro životní prostředí. Organickélátkymajíobecněnižšíteplotutáníivarunežanorganickésloučeniny. U pevnýchorganickýchlátekjeteplotatánídůležitoucharakteristikou, mnohdyslouží k jejichidentifikaciapotvrzeníčistotypřivýrobě.Prokapalné látkyseobdobněpoužívájejichspecifickáteplotavaru,čehožsetakévyužívá přirozdělovánísměsíorganickýchkapalindestilací.
Organickározpouštědla(ředidla),včetnětěchběžnědostupných,jsouobvykletěkavá a přivdechovánípůsobíomamně.Jejichdlouhodobýmpůsobenímna organismusmůžedojít k poškozenízdraví,případněismrti.Připrácisnimije nutnépoužívatochrannépomůcky,jakojsourukavice,brýlečirespirátor.Nesmí sesnimipracovatvuzavřenýchnebošpatněvětranýchprostorech,platípřitom zákazkouřeníamanipulacesotevřenýmohněm.Sezbytkyředidelzacházíme jakosnebezpečnýmodpadem,vžádnémpřípaděje nevyléváme do kanalizace nebo do volné přírody
FriedrichWöhler(*1800,†1882)
kyselinaoctová17 fenol41 naftalen80 kyselinacitronová153 kofein237 chloridsodný801 uhličitanvápenatý1300
Teplotytánívybranýchlátek
varu
aceton56 methanol65 ethanol78 kyselinaoctová118 kyselinasírová273
Teplotyvaruvybranýchlátekzaběžnéhotlaku
Symbolynebezpečnostinaobalutechnického benzínupoužívanéhojakorozpouštědlo
Úvod9 doorganickéchemie
Látka Teplota
(°C)
Látka Teplota tání (°C)
1.2 VZORCE V ORGANICKÉ CHEMII
U organických sloučenin nestačí k identifikaci látky popis jejího prvkového složení pomocí molekulového (sumárního) vzorce (např. C4H8 může označovat pět různých sloučenin), ale je zapotřebí zahrnout také informace o struktuře. K tomu slouží strukturní vzorce, v nichž jsou znázorněny jednotlivé vazby mezi atomy pomocí čar. Vypisování všech vazeb je však zdlouhavé a nepřehledné, takže se často používají racionální (skupinové) vzorce, které obsahují skupiny prvků zapsané zkráceným způsobem. V současnosti se nejčastěji používají čárové vzorce, v nichž nejsou přímo vyznačeny vodíkové atomy, vazby C−H ani uhlíkové atomy uvnitř řetězců nebo cyklů. Tyto vzorce mají podobu pospojovaných lomených čar, přičemž každý zlom, křížení nebo konec čáry značí uhlíkový atom, na němž je navázáno tolik atomů vodíku, aby byla dodržena čtyřvaznost uhlíku. Značkami (symboly) se vyznačují neuhlíkové atomy, mohou být vyznačeny i koncové atomy uhlíku s patřičným počtem atomů vodíku.
C C C C H H H H H H H H H H CH3 [CH2 ]2CH3 CH3 CH2 CH2 CH3 strukturní vzorec racionální skupinový vzorec nebo
C H3 CH3
C C C C H H H H H H H H CH3 CH2 CH CH2 CH2 CH2 C H2
C C C H H H H H H
C H3 CH2
čárový vzorec s vyznačenými koncovými uhlíky čárový vzorec
Uvedené vzorce poskytují informaci o tom, jak jsou atomy v molekule pospojovány, tedy její konstituci. V případě, že je potřeba vyjádřit také prostorové uspořádání atomů – konfiguraci, používáme nejčastěji vzorce prostorové V nich plné čáry představují vazby ležící v rovině nákresny (papíru, displeje), vyplněné klínky vazby směřující z nákresny do prostoru před ní (k pozorovateli) a přerušované klínky představují vazby směřující z nákresny dozadu (od pozorovatele). Při sestavování prostorových vzorců se snažíme, aby co nejvíce vazeb bylo umístěno do roviny nákresny. Na následujícím schématu můžete porovnat konstituční vzorec methanu, jeho prostorový vzorec a model molekuly.
Podobně jako u vzorců anorganických sloučenin může být při zápisu struktury organických látek vhodné zaznamenat také valenční elektrony, které se přímo nepodílejí na vazbách. K tomu i zde slouží elektronové vzorce. Výhodou je, že většina organických sloučenin se skládá z atomů, u nichž se uplatňuje oktetové pravidlo. Tvorba elektronových vzorců je pak poměrně přímočará, stačí dobře spočítat valenční elektrony jednotlivých atomů a umístit je do jejich okolí.
Modely molekul pěti různých organických sloučenin se vzorcem C4H8
Podle výše zobrazených modelů molekul zkuste vytvořit jejich racionální (skupinové i čárové) vzorce.
Dva způsoby zakreslení volných elektronových párů ve vzorci kyseliny octové C O H3C O H C O H3C O H
Jak bude vypadat elektronový vzorec ethanolu CH3CH2OH? Nezapomeňte, že v něm musí být znázorněny valenční elektrony všech atomů, včetně těch, které se nepodílejí na vazbách.
Některé organické sloučeniny mají povahu iontových látek, proto se v jejich vzorcích setkáme také se zápisem elektrického náboje. Typicky jde o soli organických kyselin (s organickým aniontem) a amoniové soli (s organickým kationtem).
OXIDAČNÍ ČÍSLO UHLÍKU A DALŠÍCH ATOMŮ
Podobně jako v molekulách a iontech anorganických sloučenin můžeme také uorganických látek pracovat s oxidačním číslem jednotlivých atomů. Nejčastěji nás budou zajímat atomy uhlíku, které dosahují poměrně velkého rozsahu oxidačních čísel od −IV v methanu až po +IV v konečném produktu oxidace uhlíkatých látek – oxidu uhličitém. Oxidační číslo atomů uhlíku je charakteristické pro různé třídy organických sloučenin a u oxidačně-redukčních dějů nám umožňuje efektivně vyčíslit příslušné chemické rovnice.
1.3 NÁZVY ORGANICKÝCH SLOUČENIN
Stejně jako v anorganické chemii existuje pro organické sloučeniny několik typů názvů. Nejstarší z nich představují názvy triviální, které vznikaly historicky, nenesou žádnou informaci o struktuře ani prvkovém složení. Zpočátku byly nově objevené nebo izolované organické látky pojmenovávány nahodile bez pravidel, často podle vlastností, výskytu nebo podle nejrůznějších osob. S narůstajícím počtem popsaných organických sloučenin (viz str. 8) nastala potřeba dát jejich pojmenovávání určitý řád. Mezinárodní unií pro čistou a aplikovanou chemii (International Union of Pure and Applied Chemistry – IUPAC) bylo navrženo a je stále rozvíjeno systematické názvosloví, které umožňuje jednoznačně převést název na vzorec a naopak. S narůstající složitostí molekul však narůstá také složitost systematického názvu a pro řadu látek by používání takových názvů bylo velmi nepraktické. Z tohoto důvodu se používají semitriviální názvy, které kombinují jednoduchost triviálního názvu s vyšší informační hodnotou systematického názvosloví, nebo názvy obchodní označující konkrétní produkt.
Úvod
organické chemie
Ve vzorcích iontových sloučenin (zde octan sodný a methylamonium-chlorid) jsou zapsány formální náboje. C O H3C O Na N H H3C H H Cl
Jak jsme se dozvěděli v prvním díle této řady učebnic, oxidační číslo atomu v molekule definujeme jako (formální) náboj, který by danému atomu příslušel, kdybychom všechny elektrony ve vazbách přidělili elektronegativnějšímu atomu.
V organických sloučeninách mají neuhlíkové atomy obvykle stálé oxidační číslo, zejména se jedná o H+I, O−II, Cl−I
Silné analgetikum morfium, které bylo izolováno ze šťávy nezralých makovic (opia), bylo pojmenováno podle starořeckého boha snů Morphea.
Jeho systematický název, z nějž je možné odvodit strukturu a který odpovídá vzorci, je poněkud komplikovaný: O HO H H N CH3 HO
(4R,4aR,7S,7aR,12bS)-3-methyl-2,3,4,4a,7,7a-hexahydro-1H-4,12-methano[1]benzofuro[3,2-e]isochinolin-7,9-diol.
Z toho důvodu se dnes používá název morfin vycházející z původního triviálního názvu. Zakončení -in vyjadřuje příslušnost ke skupině alkaloidů (porovnejte s názvy: nikotin, kofein, kapsaicin, chinin).
Historie organické chemie sahá do 18. století, kdy byly izolovány první organické látky jako kyselina vinná a kyselina citronová. Významný zlom v chápání původu organických látek nastal, když F. Wöhler připravil močovinu z anorganických sloučenin, což vyvrátilo teorii „životní síly“ potřebné pro tvorbu organických látek.
Organická chemie se zabývá sloučeninami uhlíku, které mohou obsahovat i jiné prvky, jako jsou vodík, kyslík, dusík a síra. Patří sem i přírodní látky, kterými se specificky zabývá biochemie.
Organické sloučeniny mají specifické vlastnosti, mezi něž obecně patří nízká rozpustnost ve vodě, hořlavost a nízká teplota tání
KLÍČOVÉ POJMY
a varu. Často se používají jako rozpouštědla a práce s nimi vyžaduje bezpečnostní opatření kvůli jejich těkavosti, potenciální toxicitě a škodlivosti pro životní prostředí.
Struktura organických sloučenin je znázorňována pomocí různých vzorců: strukturních, skupinových, čárových a prostorových. Tyto vzorce slouží k popisu konstituce (složení) a konfigurace (uspořádání) molekul. U organických sloučenin se také využívá zápis valenčních elektronů a oxidačních čísel atomů, zejména při studiu chemických reakcí.
Názvosloví organických sloučenin je systematizováno podle pravidel IUPAC, ale stále se používají triviální a semitriviální názvy, které jsou kratší a jednodušší.
uhlík v organických sloučeninách ● „životní síla“ vis vitalis ● anorganická, organická chemie a biochemie. ● neuhlíkové atomy: vodík, kyslík, dusík, síra a halogeny ● uhlovodíky ● deriváty uhlovodíků ● organokovové sloučeniny ● biologická odbouratelnost ● polární a nepolární prostředí ● zátěž pro životní prostředí ● molekulové, strukturní, racionální (skupinové) vzorce a čárové vzorce ● konstituce ● konfigurace ● prostorové vzorce ● elektronové vzorce ● oktetové pravidlo ● oxidační číslo uhlíku a dalších atomů ● triviální, semitriviální a obchodní názvy ● systematické názvosloví
ÚLOHY K PROCVIČENÍ
1.1 Jak byste vysvětlili rozdíl mezi anorganickými a organickými látkami?
1.2 Vyberte z následujících sloučenin ty organické: voda, polyethylen, sacharosa, kyselina chlorovodíková, fosforečnan vápenatý, octan hlinitý, líh (ethanol).
1.3 Prohlédněte si dobře úvodní fotografii. Diskutujte, které objekty na ní jsou tvořeny organickými látkami.
1.4 Kolikavazný je uhlík v organických sloučeninách? Popište všechny jeho vazebné možnosti.
1.5 Doplňte atomy vodíku k uhlíkatým skeletům: C C C, C C C C, C C C, C C C.
1.6 Rozdělte následující sloučeniny na uhlovodíky a deriváty uhlovodíků: methan, C6H6, CH3CH2OH, kyselina mravenčí, octan sodný, propan.
1.7 I když jsou většinou organické sloučeniny ve vodě nerozpustné, existují i takové, které se ve vodě
rozpouštějí velmi dobře. Zkuste najít jejich příklady ve svém okolí.
1.8* Ropné látky při úniku do přírody představují značnou ekologickou zátěž. Z jakého důvodu?
1.9 Racionální skupinový vzorec ethanolu CH3CH2OH převeďte do podoby elektronového strukturního vzorce a na molekulový vzorec.
1.10* Stejný molekulový vzorec jako ethanol má i jiná organická sloučenina. Jaká je její struktura? Nezapomeňte, že uhlík, vodík i kyslík mají v organických sloučeninách svou charakteristickou vaznost.
1.11 Jaké oxidační číslo mají atomy uhlíku a kyslíku v molekule ethanolu?
1.12 Při hoření ethanolu vzniká oxid uhličitý a voda. Dochází přitom k oxidaci, nebo redukci uhlíku?
IZOMERIE ORGANICKÝCH
SLOUČENIN
Izomerie je fascinující oblast chemie, která ukazuje, jak i drobné změny ve struktuře molekul mohou vést k výrazným rozdílům ve vlastnostech látek.
Ačkoli některé sloučeniny mají stejný
molekulový vzorec, jejich atomy mohou být uspořádány tak, že získají zcela odlišné chemické i fyzikální vlastnosti.
Pochopení izomerie je klíčové nejen pro syntézu nových materiálů, ale také pro porozumění biologickým procesům.
Vstupte do světa izomerie a objevte, jak struktura ovlivňuje chování molekul v chemii i v přírodě.
V TÉTO KAPITOLE SE NAUČÍTE
● Rozlišit, zda jde o různě nakreslené vzorce jedné sloučeniny, nebo o izomery.
● Rozpoznat různé typy izomerie.
● Nakreslit vzorce konstitučních i prostorových izomerů.
● Určit konfiguraci cis/trans nebo E/Z u jednoduchých sloučenin.
● Podle vzorce rozpoznat, zda jde o chirální látku.
● Zakreslit různé konformace alkanů a cykloalkanů.
● Na základě pnutí molekuly posoudit stabilitu jejích konformerů.
2.1 KONSTITUČNÍ IZOMERIE
Jakužjsmezmínili v předchozíkapitole,unaprostévětšinyorganickýchsloučeninneposkytují molekulové vzorce dostatekinformací k jednoznačnému určenídanélátky.NapříkladvzorciC4H8odpovídápětrůznýchsloučenin(viz str10).Protožestrukturamolekulmávlivnachemickévlastnostidané sloučeniny,zajímánás,kteréatomyjsou v molekulepospojovány,jejichpořadí i prostorovéuspořádání.Vzájemnývztahdvounebovícesloučenin,kterémají stejnýmolekulovývzorec,alelišíseuspořádánímatomů v molekule,senazývá izomerie Látkyvtakovémvztahupakoznačujemejako izomery
Rozlišujemedvazákladnítypyizomerie:konstitučníaprostorovou(stereoizomerii). Konstituční izomery selišízpůsobem,kterýmjsoujednotlivéatomy v molekulepropojeny,např.větvenímřetězce,umístěnímsubstituentůčinásobnýchvazeb.Zatímcoizomerylišícísepouzevětvenímřetězcenebopolohou substituentůmohoumítchemické i fyzikálnívlastnostivelmiblízké,izomery s odlišnou charakteristickou skupinou (funkční skupinou) majívlastnostiradikálnějiné.Charakteristickouskupinoupřitomrozumímespecifickéuspořádáníněkolikaatomů(uhlíkuiostatníchprvků),kteréjeurčujícíprocharakterdané sloučeniny.Přehledvybranýchcharakteristickýchskupinderivátůuhlovodíků naleznete v tabulceníže:
Pojemizomeriepoprvézavedl J. J. Berzeliusvroce1830poté,coFWöhlerobjevil,žemočovinaakyanatanamonnýmají stejnéprvkovésložení,alejinéchemické vlastnosti.Slovoizomeriejesloženina z řeckého isos (stejný)a meros (část),tj. „skládajícísezestejnýchčástí“.
Izomerymůžemepřipodobnitnapř.krůznýmvariantámnáramků,kterésimohou zákaznícisložit z jednotlivýchkomponent. Naobrázkunížejeukázkanáramku,ke kterémubylokoupeno6přívěsků.Jenom změnoujejichpořadípřinavlékánímůžemevytvořit720jedinečnýchnáramků, pokudvždypoužijemevšechnypřívěsky.
Přizpůsobitelnýnáramek
Sezvyšujícímsepočtematomůuhlíku v řetězciprudcenarůstápočetmožných konstitučníchizomerůdanéhouhlovodíku.NapříkladC4H10mádvaizomery,C5H12 mátři,C7H16jichmádevět,C10H22jižsedmdesátpět,C20H42má366319izomerů, u C40H82jetopřibližně62bilionů.Každou z těchtolátekjepřitompotřebamítmožnostpřesněpojmenovatapopsatvzorcem.
AlexandrMichajlovičButlerov(*1828,†1886),
14Izomerieorganickýchsloučenin
Chemické vlastnosti organických sloučenin ovlivňuje také přítomnost násobných vazeb mezi atomy uhlíku. Uhlovodíky, které obsahují pouze jednoduché vazby, pak souhrnně nazýváme alkany, uhlovodíky s jednou nebo více dvojnými vazbami alkeny a uhlovodíky s minimálně jednou trojnou vazbou alkyny.
Různé typy konstituční izomerie si můžeme ukázat na příkladu čtyřuhlíkatých organických sloučenin:
Řetězcová izomerie – různé větvení řetězce
Polohová izomerie – různá poloha násobné vazby
Polohová izomerie – různá poloha substituentu (charakteristické skupiny)
Skupinová izomerie – různá charakteristická skupina
Jedna dvojná vazba / cyklus v řetězci
CH3 CH2 CH2 CH3 butan
CH2 CH CH2 CH3 but-1-en
CH2 CH2 CH2 CH3
Cl 1-chlorbutan
CH3 CH2 O CH2 CH3 ethoxyethan
CH2 CH CH2 CH3 but-1-en
CH3 CH CH3 CH3 2-methylpropan (isobutan)
CH3 CH CH CH3 but-2-en
CH3 CH CH2 CH3
Cl 2-chlorbutan
CH3 CH CH2 CH3 OH butan-2-ol
CH2 CH2
CH2 CH2 cyklobutan
Vzorec jedné látky může mít různou podobu. Otočením vzorce nebo posunutím atomů bez porušení jejich spojení nezískáme vzorec jiné látky. Například u1-chlorbutanu bychom mohli vzorec nakreslit s atomem chloru navázaným na poslední atom uhlíku v řetězci a šlo by stále o stejnou sloučeninu.
Před zavedením systematického názvosloví se některá větvení uhlíkatých řetězců označovala speciálními předponami. Například iso- znamená větvení „do vidličky“ na konci jinak nevětveného řetězce, neo- zase větvení „do kříže“. V současnosti jsou přípustné takové názvy pouze u tří sloučenin, a to isobutanu (2-methylpropanu), isopentanu (2-methylbutanu) a neopentanu (2,2-dimethylpropanu):
Také je možné pojmenovat uhlovodíkový zbytek isopropyl (propan-2-yl, 1-methylethyl) či isobutyl (2-methylpropyl)
a použít jej v názvu složitější sloučeniny, například isopropylalkoholu:
Všimněte si, že u čárových vzorců bez vyznačených koncových atomů uhlíku jsou použity vlnovky k označení volné vazby. Jinak by totiž mohlo dojít k záměně této vazby s methylovou skupinou.
Zkuste vytvořit další dva konstituční izomery ke dvojicím izomerů but-1-en a cyklobutan, ethoxyethan a butan-2-ol.
Obchodní název „isopropanol“ není chemicky správný, isopropan totiž neexistuje.
TAUTOMERIE
Zvláštním případem konstituční izomerie je existence dvojic látek. Takzvaná enolforma obsahuje hydroxylovou skupinu (–OH) navázanou na atom uhlíku, ze kterého vychází dvojná vazba na sousední atom uhlíku. Tato forma je u alkoholů s alifatickým řetězcem nestabilní a snadno přesmykem přechází na izomerní oxoformu (dříve ketoformu) U tohoto izomeru je pak na stejném místě molekuly přítomna karbonylová skupina. Například vinylalkohol (ethenol) se při pokojové teplotě rychle přeměňuje na acetaldehyd (ethanal):
2.2 STEREOIZOMERIE
Látky, jejichž molekuly mají stejnou konstituci, ale liší se vzájemnou polohou atomů v prostoru, tj. konfigurací, nazýváme stereoizomery. Mají stejný molekulový i strukturní vzorec, proto k vyjádření jejich odlišnosti potřebujeme další nástroje, jako jsou prostorové nebo projekční vzorce. V názvech vyjadřujeme prostorové uspořádání atomů pomocí deskriptorů
CIS-TRANS IZOMERIE
Pokud se v molekule nachází dvojná vazba nebo cyklus, můžeme posuzovat polohu atomů nebo skupin navázaných na atomy uhlíku ležící v rovině určené dvojnou vazbou, resp. cyklem. Jsou-li stejné substituenty na stejné straně roviny, označujeme toto uspořádání (konfiguraci) jako cis. Pokud se nacházejí na opačné straně roviny, jde o konfiguraci trans Například but-2-en a 1,3-dimethylcyklobutan mají tyto dvě konfigurace:
V případě, kdy je hydroxylová skupina vázaná na aromatické jádro, např. u fenolu, nedochází k přesmyku na oxoformu, protože by muselo dojít k porušení stabilního aromatického kruhu.
Překryv orbitalů p–p (červeně) a sp2–sp2 ve vazbě C C
Dvojná vazba mezi atomy uhlíku je orientována ve směru p-orbitalů kolmých na rovinu, v níž leží hybridní orbitaly sp2, a tedy také kolmá k nákresně (papíru).
V souvislosti se zdravou výživou se často zmiňuje negativní vliv „transmastných kyselin“ (TFA – trans-fatty acids). Toto označení vychází z přítomnosti konfigurace trans na dvojné vazbě v jejich uhlíkatém řetězci. Většina přírodních nenasycených mastných kyselin má konfiguraci cis. Důležité pro správné fungování lidského organismu jsou ty s více dvojnými vazbami, tj. polynenasycené mastné kyseliny (PUFA –polyunsaturated fatty acids), např. kyseliny linolová a linolenová. Řada z nich patří mezi esenciální mastné kyseliny – lidské tělo je nedokáže samo vyrobit a musí je přijímat v potravě.
Naproti tomu TFA se v přírodních tucích prakticky nevyskytují, jsou nejčastěji přítomné v levných ztužených tucích vyrobených hydrogenací. V lidském těle mají negativní vliv na metabolismus tuků a způsobují zvýšení hladiny cholesterolu v krvi. Jejich větší konzumace významně zvyšuje riziko kornatění tepen.
Deskriptory cis a trans můžeme použít jen v případě, že na dvojné vazbě nebo na kruhu je navázána dvojice stejných substituentů nebo atomů vodíku. Obecnější systém pro označení konfigurace na dvojné vazbě používá deskriptory E/Z a dá se použít i pro případy, kdy jsou všechny čtyři substituenty různé. Konfigurace Z znamená, že „významnější“ substituenty na obou atomech dvojné vazby leží na stejné straně roviny (u sebe, německy „zusammen“). Při konfiguraci E jsou na opačné straně roviny (proti sobě, německy „entgegen“). Za významnější se přitom považuje ten substituent, který má vyšší prioritu podle pravidla posloupnosti CIP (Cahn–Ingold–Prelog). Jednoatomové substituenty jsou seřazeny podle protonového čísla od nejvyššího po nejnižší, například:
Izomerie cis-trans se může vyskytovat pouze u sloučenin, v nichž jsou na jednotlivých atomech dvojné vazby vázány různé substituenty. Například prop-1-en nemá konfiguraci cis ani trans. Jeho čárové vzorce, které na první pohled vypadají odlišně, ve skutečnosti popisují stejnou sloučeninu:
U víceatomových substituentů se při porovnávání postupuje od atomu, který je přímo připojen na atom dvojné vazby. Pokud jsou v obou substituentech tyto atomy stejné, pokračuje se dále navázanými atomy, dokud se nenajde rozdíl. U několika nejběžnějších skupin je pořadí následující:
Například u but-2-enu tak konfigurace Z odpovídá konfiguraci cis a konfigurace E odpovídá konfiguraci trans:
(Z)-but-2-en (E)-but-2-en
Podle současných doporučení IUPAC je u sloučenin obsahujících dvojnou vazbu preferováno použití deskriptorů E a Z oproti cis a trans. Cl > S > F > O > N > H
Konfigurace cis často odpovídá konfiguraci Z, a naopak, jako to je v případě but-2-enu. Zkuste navrhnout strukturu sloučeniny, která bude mít konfiguraci cis, ale v systému E/Z bude označena jako E
Vladimir Prelog (*1906, †1998), chorvatský chemik, absolvent pražské Vysoké školy chemicko-technologického inženýrství (dnes VŠCHT Praha), nositel Nobelovy ceny za chemii
Podobně jako konstituční izomery se také cis-trans izomery navzájem liší svými fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Například cis-but-2-en má za běžných podmínek teplotu tání téměř o 34 °C nižší než trans-but-2-en. Souvisí to s faktem, že molekula trans izomeru je symetričtější, takže se lépe uspořádá do pravidelné krystalové mřížky a jeho pevná forma je tak stabilnější do vyšší teploty.
Dvojná vazba mezi atomy uhlíku není na rozdíl od jednoduché vazby volně otáčivá, neznamená to však, že by přechod mezi cis a trans izomery nebyl vůbec možný. Jen je k tomu potřeba dodat dostatečnou energii, případně použít vhodný katalyzátor, aby došlo k zániku vazby π a po přetočení kolem vazby σ opět k jejímu obnovení.
OPTICKÁ IZOMERIE
Již v první polovině 19. století byly známé látky, které v krystalické podobě nebo v roztocích stáčejí rovinu polarizovaného světla, jež jimi prochází. Krystaly a mo lekuly takových látek existují ve dvou zrcadlových, navzájem neztotožnitelných variantách, mají tedy stejný vztah jako pravá a levá ruka. Pro tento vztah se postupně vžilo označení
zdroj světla
chirální krystal
polarizátor
Chirální látky mají dvě izomerní formy (pravotočivou a levotočivou), které se nazývají
ných laboratorních podmínkách stejné fyzikální i chemické vlastnosti, liší se pouze směrem, kterým stáčejí rovinu polarizovaného světla. Velikost úhlu, o který se rovina polarizovaného světla při průchodu krystalem nebo roztokem opticky aktivní látky stočí, je přímo úměrná koncentraci měřené látky a tloušťce její vrstvy. V tabulkách nalezneme hodnoty specifické otáčivosti udávající úhel stočení roviny polarizovaného světla při průchodu látkou o jednotkové koncentraci (např. 1 g cm−3) a jednotkové tloušťce vrstvy (např. 1 dm) za dané teploty (nejčastěji 20 °C) pro konkrétní vlnovou délku světla (např. 589,3 nm).
Optická otáčivost se měří pomocí polarimetru, do kterého se nejčastěji vkládá kapalný vzorek umístěný ve skleněné nádobce (kyvetě) s definovanými rozměry. Změřením vodného roztoku přírodní, pravotočivé (+)-glukosy o koncentraci 1 g cm−3 zjistíme, že stočí rovinu polarizovaného světla o přibližně 53° na každý decimetr tloušťky vrstvy. Uměle připravená levotočivá (−)-glukosa stáčí rovinu polarizovaného světla o stejný úhel, ale doleva:
S chiralitou jsme se setkali už v předchozím dílu této učebnice. Poprvé byla totiž pozorována v roce 1811 u anorganické látky – na krystalech oxidu křemičitého.
s kyvetami 2 dm a 1 dm
(+)-glukosa ( )-glukosa
Směs enantiomerů v molárním poměru 1 : 1 není opticky aktivní a nazývá se racemát.
Podmínkou optické aktivity (chirality) je, že molekula nemá rovinu ani střed symetrie. Když takový prvek v molekule existuje, pak jsou její zrcadlové obrazy ztotožnitelné, což odporuje definici chirality. Pro řadu chirálních organických molekul je typická přítomnost asymetrického (chiralitního) uhlíku, tj. atomu uhlíku, který má hybridizaci sp3 a čtyři různé substituenty. Asymetrický uhlík se někdy ve vzorcích označuje hvězdičkou. Jednou z nejjednodušších přírodních látek, která jej ve své molekule má, je kyselina mléčná:
Přestože mohou být enantiomery v laboratoři nebo při chemické výrobě nerozlišitelné, jejich záměna může mít fatální důsledky, pokud se dostanou do živých organismů. Dokladem toho je tzv. Conterganová aféra:
mléčná kyselina (−)-mléčná kyselina (+)-mléčná kyselina
V molekule se může nacházet více než jeden asymetrický uhlík. V takových případech je užitečné umět popsat, jak jsou v prostoru uspořádány substituenty na
Na začátku 60. let 20. století se v Německu a USA hojně používal lék proti bolesti obsahující účinnou látku thalidomid (s komerčním názvem Contergan). V té době výrazně stoupl počet dětí narozených s poškozenými nebo chybějícími končetinami. Zjistilo se, že thalidomid se v těchto lécích vyskytoval ve dvou stereoizomerních formách, přičemž jedna z nich měla analgetický (protibolestivý) účinek, ale druhá byla teratogenní (způsobovala poškození plodu). Celosvětově se narodilo přes 10 tisíc dětí poškozených užíváním thalidomidu. Aféra vedla ke změně technologie výroby tohoto léku, aby byla vyloučena přítomnost škodlivého izomeru, a celkově přísnějším regulacím pro výrobu a testování léčiv.
Chiralita molekul
LED Polarimetr
každém z nich. V grafickém vyjádření tuto informaci poskytují prostorové vzorce, případně některé z projekčních vzorců. V názvech sloučenin se konfigurace asymetrických uhlíků vyznačuje pomocí deskriptorů R a S
K určení konfigurace R/S se opět používá pravidlo posloupnosti (priorit) substituentů podle systému CIP, jako tomu je v případě deskriptorů E/Z (viz str. 17). Nejprve uspořádáme substituenty na asymetrickém uhlíku podle klesající priority, pořadí můžeme označit čísly 1 až 4. Když pak molekulu otočíme tak, aby substituent s nejnižší prioritou (4. v pořadí) směřoval od nás, ostatní substituenty budou tvořit vrcholy trojúhelníku. Jde-li jejich pořadí (1, 2, 3) ve směru chodu hodinových ručiček, jako bychom otáčeli volantem doprava, přiřadíme deskriptor R (z lat. rectus, pravý). Když jde pořadí v opačném směru, jako kdybychom otáčeli volantem doleva, přiřadíme deskriptor S (z lat. sinister, levý).
Například u (−)-mléčné kyseliny očíslujeme substituenty v pořadí: 1. –OH, 2. –COOH, 3. –CH3 a 4. –H. Po pomyslném otočení molekuly tak, aby atom vodíku směřoval dozadu, jsou zbylé substituenty uspořádány ve směru chodu hodinových ručiček (doprava), přiřadíme tedy deskriptor R a kompletní název kyseliny tak bude (R)-(−)-mléčná kyselina.
Určení konfigurace R/S nebo E/Z u větších molekul může být dosti složité. Práci nám v tomto případě mohou usnadnit aplikace pro kreslení chemických vzorců, které obvykle umí deskriptory určit automaticky. Řada z nich je k dispozici zdarma pro studijní nebo nekomerční účely.
Pokud konstituční vzorec obsahuje několik asymetrických uhlíků (obecně n), může každý z nich mít jinou konfiguraci a počet teoreticky možných stereoizomerů exponenciálně narůstá (2n). Skutečný počet stereoizomerů může být menší, pokud některé z konfigurací popisují molekulu s rovinou nebo se středem symetrie. Na následujícím příkladu jednoduchého cukru jsou znázorněny čtyři stereoizomery, z nichž první dva (č. 1 a 2) a druhé dva (č. 3 a 4) jsou navzájem enantiomery. Izomery ve zbývajících dvojicích (např. 1 a 3) se označují jako diastereoizomery nebo diastereomery.
CHO (R)
CHO (S)
CHO (S)
HO HO CH2OH (S)
Louis Pasteur (*1822, †1895), francouzský mikrobiolog a chemik
HO HO CH2OH (R) enantiomery enantiomery
HO HO CH2OH (S) 1 l-threosa 2 d-threosa 3 4 l-erythrosa d-erythrosa
CHO (R)
HO HO CH2OH (R)
Naproti tomu kyselina vinná, v jejíž molekule se také nacházejí dva asymetrické uhlíky, tvoří pouze tři stereoizomery. Jeden z nich (s konfigurací R, S) je totiž symetrický, a tak nemá enantiomer a nazývá se mesoforma:
COOH (R)
Příprava čistého enantiomeru v laboratoři není vůbec snadná záležitost, zato přírodě to jde docela snadno. Řadu biologicky aktivních látek v přírodě nalezneme pouze ve formě jednoho enantiomeru. Například kyselina vinná, která je obsažena v různých druzích ovoce, se přirozeně vyskytuje jen v L-formě. Naproti tomu synteticky vyrobená kyselina vinná je racemát.
Jako prvnímu se podařilo z racemátu kyseliny vinné izolovat čistou D-formu kyseliny francouzskému chemikovi L. Pasteurovi v polovině 19. století. Provedl to poměrně pracným způsobem, při němž ručně přebíral „levé“ a „pravé“ krystaly vinanu sodno-amonného. Rozpuštěním a okyselením jedné skupiny krystalů pak získal roztok čistého enantiomeru – tehdy nazvaného „kyselina levovinná“.
HO HO COOH (S)
COOH (S)
HO HO COOH (R) l-vinná kyselina d-vinná kyselina meso-vinná kyselina
COOH (R)
HO HO COOH (S)
rovina symetrie
Pro rozlišení enantiomerů některých skupin látek (zejména aminokyselin, cukrů a jejich derivátů) se používají deskriptory D a L, jak je vidět na názvech uvedených ve schématech výše. Více se o nich dozvíme v kapitolách věnovaných chemii přírodních látek.
Krystalky vinanu draselného na zátce od bílého vína
KONFORMACE
Volná otáčivost kolem jednoduché vazby umožňuje nepřeberné množství tvarů, které mohou molekuly organických látek nabývat. Například v molekule ethanu mohou být methylové skupiny –CH3 vůči sobě pootočeny o libovolný úhel. Jejich různou polohu dobře vystihuje Newmanova projekce, při níž pozorujeme molekulu ve směru vybrané jednoduché vazby v řetězci (nejčastěji C–C):
Model molekuly ethanu v zákrytové konformaci
Model molekuly ethanu ve střídavé konformaci
prostorové vzorce Newmanova projekce
Velikost úhlu, o který jsou vůči sobě vazby C–H pootočeny, může nabývat jakékoli hodnoty od 0° do 360°, ethan tak vytváří nekonečně mnoho konformací. Různé konformace mají různou (potenciální) energii a její velikost se mění s měnícím se úhlem pootočení (torzním úhlem). Zákrytová konformace, při níž je torzní úhel nulový a atomy vodíku jsou při pohledu na vazbu C–C v zákrytu (v prvním řádku na schématu výše), má nejvyšší energii – atomy vodíku i elektrony vazeb mají nejmenší vzdálenost. Střídavá (nezákrytová) konformace (v druhém řádku na schématu výše) má naopak nejnižší energii – atomy vodíku i elektrony vazeb mají největší vzdálenost.
Prodlužováním uhlíkatého řetězce přibývá v molekule jednoduchých vazeb C–C, a tedy i možností, jak mohou být jednotlivé atomy vůči sobě v prostoru uspořádány. Ethan má jen jednu stabilnější konformaci (střídavou), ale už u butanu existují tři relativně stabilní konformace – konformery, které odpovídají lokálnímu
Molekuly ethanu mají za pokojové teploty dostatečně vysokou kinetickou energii, aby při vzájemných srážkách překonaly energetickou bariéru rotace kolem vazby C–C, takže jejich konformace se neustále mění. Existují však molekuly, u nichž je rotace kolem jednoduché vazby C–C silně omezena. Nejčastěji je to způsobeno přítomností objemných substituentů v blízkosti této vazby, které by si při rotaci „překážely“.
Příkladem sloučeniny, jejíž molekuly mají omezenou rotaci kolem vazby C–C, je 2,2′-dijodbifenyl. Kvůli velmi velkým atomům jodu navázaným v blízkosti atomů uhlíku spojených jednoduchou vazbou se tato vazba nemůže zcela volně otáčet a molekula zůstává v pozici, při níž jsou roviny aromatických kruhů na sebe téměř kolmé: