Chapter 19 rganic Chemistry II: Polymers and Biological Compound 19-1 Common Functional Groups
19-1 學習重點 清楚辨識常見的官能基 : 鹵烷類 醇類 醚類 醛類 酮類 羧酸類 酯類 胺類 醯胺類 明瞭醛類與酮類有何不同的氧化反應從酯類的化學式或分子結構, 可以預測反應前是由何種羧酸與何種醇類進行縮合反應 ; 同理, 從醯胺類的化學式或分子結構, 可以預測反應前是由何種羧酸與何種胺類進行縮合反應 清楚辨識哪些官能基能在同一分子中, 形成分子間的氫鍵而影響其沸點或熔點 同時, 確定哪些官能基能水分子形成分子間的氫鍵而影響其溶解度 命名常見官能基的有機化合物
常見的官能基 鹵烷類 醇類 醚類 醛類 酮類 羧酸類 酯 類 胺類 醯胺
常見的官能基 1 鹵烷類 醇類醚類醛類酮類
常見的官能基 2 羧酸類酯類胺類 醯胺
鹵烷類 aloalkanes 官能基 ( 視為取代基 ) F Cl Br I ~ine ~o 極性不大的碳氫化合物 不溶於水溶於脂肪對人體有毒對環境破壞臭氧層 Cl Cl Cl Cl Cl Dichlorodiphenyltrichloroethane DDT
常見的有毒鹵烷 Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Polychlorinated biphenyls (PCBs) 多氯連苯 polychlorinated dibenzodioxins (Dixon) 戴奧辛
常見的鹵烷反應 : 親核取代反應 親核取代反應 nucleophilic substitution 親核劑 nucleophile, 喜歡攻擊正電集中處, 為 Lewis Base, 如 - : 2 : - δ+ δ- : Br Br - Br
醇類 Alcohols 官能基 ~: hydroxyl group 不接在苯環或 >C= carbonyl group 上 極性大的碳氫化合物 溶於水 分子間有氫鍵, 沸點高 1-Butanol Primary Alcohol 2-Butanol Secondary Alcohol 2-Methyl-2-Propanol Tertiary Alcohol
乙醇與乙二醇 乙醇 Ethanol 熔點 :-115 沸點 :79 乙二醇 1,2-Ethanediol (Ethylene glycol ) 熔點 :-13 沸點 :198
醚類 Ethers 官能基 R--R 極性不大的碳氫化合物 不溶於水適合當無極性有機化合物的溶劑, 如乙醚 Diethyl ether 分子間無氫鍵, 沸點低 易燃
Crown Ether 高錳酸鉀 KMn 4 是很好的氧化劑, 卻無法溶於非極性的有機溶劑 但是 Crown Ether 中有足夠極性不強的氧原子, 可以穩定 K + 離子, 使得 KMn 4 可以被綁在 Crown Ether 中 ( 如右下圖 ), 而溶在非極性的有機溶劑進行氧化還原反應
酚 Phenols 官能基 ~: hydroxyl group ~C 6 5 :phenyl group 極性不大的碳氫化合物 不溶於水, 但溶於鹼性溶液, 為弱酸 同為弱酸的乙醇與酚 由於 C 6 5 - 比 C 2 5 - 穩定, 因此 C 2 5 - 是比 C 6 5 - 還強的鹼 從另一個角度而言, 酚是比乙醇還強的酸 ::.. :: -. -... :: - -.. ::
何者為酚類衍生物? 2-Isopropyl-5-methyl-phenol Phenyl-methanol 4-Allyl-2-methyl-phenol
醛類 Aldehydes 與酮類 Ketones 官能基 >C=: carbonyl group 極性的碳氫化合物 溶於水 R Aldehyde 命名字尾去 e 加上 al R R Ketone 命名字尾去 e 加上 one Methanal Formaldehyde Ethanal Acetaldehyde Propanone Acetone 2-Butanone Ethyl methyl Ketone
有香氣的醛類 4-ydroxy-3-methoxy-benzaldehyde
醛類與酮類的不同反應 Ag + + Tollens reagent + Ag No Reaction
羧酸類 Carboxylic Acids 官能基 -C: carboxyl group 極性的碳氫化合物 溶於水 弱酸 命名字尾去 e 加上 ~oic acid Methanoic Acid Formic Acid Ethanoic Acid Acetic Acid
羧酸類的合成反應 KMn 4 Acid Solution Co(III) + 3 2 + 2 2
官能基 R-C-R 極性的碳氫化合物 短鏈可溶於水, 長鏈不溶於水 酯類分子之間不形成氫鍵 ( 沸點比較低 ), 但與水分子形成氫鍵 酯類 Esters
酯類合成反應 縮合反應 Condensation Reaction: 兩個分子通常在催化劑作用下互相化合一個大分子, 並脫除水或其他簡單分子的一類反應的總稱
酯類合成反應與命名關係 命名原則 : 醇類當成取代基, 字尾去除 anol, 加上 yl 羧酸類當成化合物本體, 字尾去除 oic acid, 加上 onate
酯類合成反應與命名的練習題 (a) Write the condensed structural formula of the ester formed from the reaction between propanoic acid and methanol. (b) Write the condensed structural formulas of the acid and alcohol that react to form pentyl ethanoate, C 3 CC 5 11, a contributor to the flavor of bananas.
自然界的酯類 Glycerol 甘油 + 3 Stearic acid 硬脂酸 Tristearin, C 57 110 6
脂肪或油類? 同分異購物?
胺類 Amines 官能基 sp 3 混成軌域, 通常帶有一孤電子對及 3 個 σ 鍵 極性的碳氫化合物 一級胺與二級胺會形成分子間氫鍵, 也會與水分子形成氫鍵, 溶於水 三級胺不會形成分子間氫鍵, 不與水分子形成氫鍵, 不溶於水 若胺類為氣態多半聞起來像 N 3, 若為液態聞起來像死魚臭臭地! N C 3 N C 3 3 C N C 3 C 3 C 3 Methylamine Dimethyl-amine Trimethyl-amine
胺類與四級胺鹽離子 Amines vs. Quaternary Ammonium Ion 胺類就如同 N 3 為鹼性 但在酸性溶液中就會形成四級胺鹽離子, 如右上圖 在鹼性的溶液中, 四級胺鹽離子的正電荷的氫離子容易被鹼性溶液搶走, 還原成胺類 此時, 四級胺鹽離子表現就如同 N 4 + 為酸性 N + 3 C C 3 3 C N C C 3 3 C 3 + + - 2
自然界四級胺鹽離的例子 : 氨基酸 氨基酸 Amino Acid 是蛋白質的基本單元, 由於同時包含胺基及羧酸基, 因此在不同的酸鹼溶液, N 2 C C 氨基酸分子就會形成不同電荷的離子 R 在溶液 p 接近 7 時, 氨基酸分子 的胺基 胺基會帶正電荷, 同時羧酸 羧酸 基會帶負電荷, 如同右下圖, 此時氨基酸分子的特殊電荷分佈情形特稱為兩性離子 (zwitterion) R =,C 3, C 2... 3 N + C C - R
在不同 p 值氨基酸的胺基及羧酸基
醯胺 Amides 如同醇類與胺羧類基進行去水的縮合反應, 胺類及羧酸類也會進行去水的縮合反應, 如右下圖 官能基 R 1 R 1 R 1 + R 2 R 1 + 2 R 2 + + N R 2 R 1 200 + + N R 2 R 1 - N + N R 2 R 2 2 R 1 + R 2 R 1 + N N R 2 2 R 3 R 3
胺類的練習題 Predict whether an ester or a primary amine of the same molar mass is likely to have the higher boiling point and explain why. Name the compounds C 3 C(C 3 )C()C 3 C 3 CClC 2 CC 3 (C 3 C 2 )NC 2 C 2 C 3 (C 3 C 2 ) 4 N +
作業補充練習題 Which of the following molecules or ions may function as nucleophile in a nucleophilic substitution reaction C 3 - CN - N 4 + P 3