Zadanie 23
Matura z chemii, maj 2025, poziom rozszerzony
Wymaganie: X.7 — redukcja związków karbonylowych.
I.4 — hybrydyzacja atomów C.
Treść zadania
Wzory szkieletowe związków organicznych odzwierciedlają kształt cząsteczek. W tych wzorach pomija się symbole atomów węgla i połączonych z nimi atomów wodoru, a szkielet węglowy rysuje się jako linię łamaną oraz zaznacza — występujące w cząsteczce — wiązania wielokrotne. Zapisuje się symbole podstawników innych niż wodór oraz wzory grup funkcyjnych.
Borowodorek sodu jest stosowany w przemyśle farmaceutycznym do syntezy feksofenadyny — leku przeciwhistaminowego. Na schemacie przedstawiono za pomocą wzorów szkieletowych końcowy etap syntezy tego związku: substrat (zawierający grupę karbonylową C=O w łańcuchu bocznym) przechodzi pod wpływem NaBH₄ w feksofenadynę, w której w tym samym miejscu pojawia się grupa CH−OH.
Zadanie 23. (0–1–2)
Uzupełnij zdania. Zaznacz jedną odpowiedź spośród podanych w każdym nawiasie.
W reakcji otrzymywania feksofenadyny redukcja jednego mola substratu wymaga udziału (dwóch / trzech) moli elektronów.
Orbitalom walencyjnym atomu węgla ulegającego redukcji przypisuje się w cząsteczce substratu hybrydyzację (sp / sp² / sp³), a w cząsteczce produktu — hybrydyzację (sp / sp² / sp³).
Źródło: arkusz CKE MCHP-R0-100-2505. Otwórz oryginalny PDF
Rozwiązanie
Liczba moli elektronów:
Zmiana stopnia utlenienia C:
- W ketonie C=O (substrat): C ma stopień utlenienia +2 (połączony z 2 C i 1 O podwójnie).
- W alkoholu CH-OH (produkt): C ma stopień utlenienia 0 (połączony z 2 C, 1 H, 1 OH).
- Zmiana: +2 → 0 = redukcja, przyjęcie 2 e⁻.
→ Redukcja 1 mola substratu wymaga DWÓCH moli elektronów.
Hybrydyzacja w substracie (C w C=O):
- C tworzy: 1 wiązanie σ z C (po jednej stronie) + 1 wiązanie σ z C (po drugiej stronie) + 1 wiązanie σ z O + 1 wiązanie π z O = łącznie 3 wiązania σ + 1 π.
- 3 hybrydy = sp².
- Płaska geometria wokół tego C (kąty 120°).
Hybrydyzacja w produkcie (C w CH-OH):
- C tworzy: 1 wiązanie σ z C + 1 σ z C + 1 σ z H + 1 σ z O = łącznie 4 wiązania σ + 0 π.
- 4 hybrydy = sp³.
- Tetraedryczna geometria (kąty 109,5°).
Odpowiedzi:
- DWÓCH moli elektronów.
- Substrat: sp².
- Produkt: sp³.
Pułapka — pomylenie liczby elektronów. Redukcja C=O → CH-OH = przyjęcie 2 e⁻ + 2 H⁺. To 2 e per cząsteczka.
Pułapka — hybrydyzacja w substracie. Karbonyl C=O to sp² (3 σ + 1 π). NIE sp³ (to byłby C bez wiązania π).
Pułapka — hybrydyzacja w produkcie. Alkohol C-OH to sp³ (4 wiązania σ, tetraedryczna geometria). NIE sp² (nie ma już wiązania π).
Pułapka — pomylenie kierunku zmiany. Z sp² → sp³ przy redukcji C=O (dodanie 2 H = wzrost koordynacji C z 3 do 4).
Strona arkusza CKE z trescia zadania
Klucz pojęciowy — hybrydyzacja atomów węgla
| Hybrydyzacja | Liczba wiązań σ | Geometria | Kąty | Przykład |
|---|---|---|---|---|
| sp | 2 (+ 2 π) | Liniowa | 180° | C≡C (alkin), C=C=C (kumulen) |
| sp² | 3 (+ 1 π) | Trygonalna płaska | 120° | C=C (alken), C=O (keton/aldehyd), areny |
| sp³ | 4 (+ 0 π) | Tetraedryczna | 109,5° | C-C (alkan), C-OH (alkohol) |
Reguła: liczba hybryd = liczba wiązań σ + liczba wolnych par.
Mechanizm: redukcja C=O → CH-OH
Substrat — keton (R-CO-R₁):
- C centralny: sp² (3 wiązania σ z R, R₁, O + 1 π z O).
- Płaska geometria (R, R₁, O w jednej płaszczyźnie z C).
- Stopień utlenienia C = +2 (jeśli R, R₁ to obojętne grupy organiczne).
Redukcja: NaBH₄ dostarcza 2 e⁻ + 2 H⁺ (jeden H z hydrydku BH₄⁻, drugi z protonowego rozpuszczalnika).
- C=O + 2 e⁻ + 2 H⁺ → C-H + O-H (czyli CH-OH).
Produkt — alkohol (R-CHOH-R₁):
- C centralny: sp³ (4 wiązania σ z R, R₁, H, OH; brak π).
- Tetraedryczna geometria.
- Stopień utlenienia C = 0 (jeśli R, R₁ obojętne).
Zmiana:
- Stopień utlenienia: +2 → 0 (redukcja o 2 e).
- Hybrydyzacja: sp² → sp³.
- Geometria: płaska (120°) → tetraedr (109,5°).
Klucz pojęciowy — feksofenadyna
Feksofenadyna (handlowa: Allegra, Telfast) = lek antyhistaminowy II generacji:
- Blokuje receptor H1 histaminy.
- Stosowana w alergiach (katar sienny, pokrzywka, atopowe zapalenie skóry).
- Nieprzekraczająca bariery krew-mózg → brak senności (zaleta nad antyhistaminami I gen. = difenhydramina, klemastyna).
Synteza farmaceutyczna feksofenadyny = wieloetapowa, z ostatnim krokiem redukcji C=O → C-OH za pomocą NaBH₄ (jak w zadaniu).
Mechanizm: dlaczego sp² → sp³?
W substracie (keton C=O):
- C ma 3 sąsiadów (R, R₁, O = 2 σ + 1 π).
- “3 grupy” wokół C → 3 hybrydy = sp².
- Wiązanie π zostaje z 4-tego orbitalu p.
W produkcie (alkohol C-OH):
- C ma 4 sąsiadów (R, R₁, H, OH = 4 σ).
- “4 grupy” → 4 hybrydy = sp³.
Po redukcji:
- Dodanie 2 atomów (H i H, jeden na C, jeden na O) zmienia C z 3-rzędowego (sp²) na 4-rzędowy (sp³).
Punktacja CKE
- 23. 2 pkt — wszystkie 3 wybory (2 e, sp², sp³).
Po co to umieć
Hybrydyzacja w farmacji:
- Cykl gemini = enzymy często rozpoznają kąty wiązań → ważne, czy keton (sp²) czy alkohol (sp³).
- Stereoselektywność redukcji = klucz w syntezie chiralnych leków (jeden enancjomer aktywny).
Antyhistaminy historia:
- I generacja (50-70. lata): difenhydramina (Benadryl), klemastyna (Tavegyl). Przechodzą barierę krew-mózg → senność.
- II generacja (80-90. lata): loratadyna (Claritin), feksofenadyna (Allegra), cetirizyna (Zyrtec). Nie powodują senności.
- III generacja: desloratadyna (active metabolite), lewocetirizyna (R-enancjomer). Bardziej selektywne.
Reakcje redoks w syntezie:
- Redukcja = dodanie e⁻ i H (lub usunięcie O). Reduktor: NaBH₄, LiAlH₄, H₂/kat.
- Utlenianie = usunięcie e⁻ i H (lub dodanie O). Utleniacz: KMnO₄, K₂Cr₂O₇, PCC.
Wzory szkieletowe (skeletal formula) — standardowy zapis w chemii organicznej:
- Atomy C ukryte (są w wierzchołkach linii).
- Wodory na C ukryte.
- Tylko heteroatomy (N, O, S, halogeny) + ich H są zaznaczone.
- Wiązania wielokrotne (=, ≡) zaznaczone podwójną/potrójną kreską.
To szybsza forma rysowania złożonych cząsteczek (jak feksofenadyna).
Rozumiesz, jak to rozwiązać?
Przećwicz podobne typy zadań w aplikacji
matury-online.pl ma tysiące zadań pogrupowanych po dziedzinach. Sprawdź, czy temat „chemia organiczna, feksofenadyna, NaBH4, hybrydyzacja, redukcja, elektrony" zrobisz samodzielnie.
Otwórz matury-online.pl