org kemi tfke52-2013 fö 1 - ifm.liu.se · kol har en tetraedisk struktur exempel: metan, ch 4 4...
Post on 02-Aug-2019
215 Views
Preview:
TRANSCRIPT
ORGANISK KEMI Fö12-2013/TFKE52 KOLFÖRENINGANRNAS KEMI Varför Organisk kemi? Alla växter och djur är uppbyggda av kemiska föreningar som innehåller grundämnet kol. För att kunna undersöka och förstå hur organismerna fungerar måste vi ha kunskaper om kolföreningarnas kemi Organiska molekyler ingår bl.a. i människan och växter bl.a. som DNA, proteiner, men även i produkter som kläder, trä, plast, papper, mediciner, mat mm I nästan alla organiska molekyler ingår även väte. Syre och kväve är ofta förekommande, medan svavel fosfor och halogener är mindre ofta förekommande. Kol har fått en egen del inom kemisk vetenskap trots att den bara utgör 0.03 % av jordskorpans materia, dock ingår kol i över 95 % av alla kända kemiska föreningar, de s.k. organiska föreningarna. Idag finns över 14 miljoner organiska föreningar och runt 10 000 nya föreningar framställs per år. Det kan vara fråga om nya material, läkemedel, kosmetika osv. Inom de närmaste åren kommer biokemin och gentekniken antagligen att bjuda på nya revolutioner. Tyvärr nog finns även organiska miljögifter som ansvarslöst och/eller ovetande har spritts i vår globala miljö. Den globala uppvärmning anses även bero på förhöjd koldioxidhalt som är resultatet av förbränning av orgaiska föreningar. Förr ansågs organiska föreningar vara sådana som endast kunde fås från växt-och djurriket. En speciell levande kraft ansågs råda s.k. vitalism, vilket gjorde det omöjligt syntetisera dessa föreningar från icke levande materia. 1828 syntetiserade dock kemisten Wöhler urinämne (urea) genom upphettning av ammoniumcyanat, vilket förändrade bilden av organisk kemi betydligt. Vid denna tid var den oorganiska kemi härskande, dvs den icke levande materien som t.ex. metaller och mineraler. Organiska och oorganiska ämnens egenskaper skiljer sig drastiskt och är ofta raka motsatser. Nedan visas ett antal jämförande egenskaper. Kol är unikt eftersom den kan binda andra kolatomer och bilda molekyler som kan bestå av långa kedjor, sk kolvätekedjor. Dessa kan vara ogrenade, grenade och cykliska. Eftersom kol har 4 valenselektroner och kan binda fyra olika atomer och/eller atomgrupper kan nära ett oändligt antal olika molekyler bildas. Bindningarna är enkel, dubbel eller trippelbindningar:
C C CC4 valens
elektronerEnkel Dubbel Trippel
En liten jämförelse mellan: Organiska ämnen Oorganiska ämnen De flesta eldfarliga De flesta icke eldfarliga Låga smält och kokpunkter Höga smält och kokpunkter De flesta vattenolösliga De flesta vattenlösliga Lösliga i opolära lösningsmedel Olösliga i opolära lösningsmedel Kovalenta bindningar Joniska bindningar främst Reaktioner mellan molekyler Reaktioner mellan joner Innehåller många atomer Innehåller få atomer Komplexa strukturer Simpla strukturer
Föreningar med bara kol och väte kallas kolväten och bildar grundstommen, skelettet, i organiska föreningar. Beroende på om kolskelettet är mättat, omättat eller har ringar kan man dela in organiska kolväten enligt schema nedan.
Kolets kretslopp:
Schema: Organiska kemins skelett - Indelning av kolväten
CH3CH3
POLYAROMATERBENSEN-DERIVAT
ALKYNERALKENERCYKLOALKANERALKANER
OMÄTTADEMÄTTADE
AROMATISKA KOLVÄTENALIFATISKA KOLVÄTEN
KOLVÄTEN
Kol har en tetraedisk struktur Exempel: Metan, CH4
4 bindande elektronpar som delas med väten
C HH
HH
C
H
H
HH
H
C
H
HH
Olika sätt att visa bindningar: Electron dot Lewis Space structure structure structure
HYBRIDISERING AV ORBITALER I KOL ALKANER, ALKENER och ALKYNER
sp3 sp2 sp
1s
2s
2p
KOL: Grundtillstånd
1s
2s
2p
Hybridisering
sp3 - sp2 - sp - orbitaler
Exciterat tillstånd
eller
sp3 hybridisering: 4 st sp3 ex Metan
sp2 hybridisering: 3 st sp2 +1st p ex Eten
sp hybridisering: 2 st sp + 2 st p ex Etyn
HC
H
HH
1s
4 sp3109,5 °
4 st tetrahedrisk orienterade sp3 orbitaler binder var sitt väte i !-bindningar
1s
3st sp21st 2p
HC
H
HC
H
"- Bindn.
!- Bindn.
C CHH
H
H
1s
2st sp2st 2p
HH
"- Bindn.
!- Bindn.
C
C C HH
"- Bindn.
120 °
180 °
C
Bindningslängd minskar med ökad s-karaktär i bindningen
C C C CC Csp3 1,54 Å sp2 1,34 Å sp 1,20 Å
ALKANER: Kolväten som är mättade (bara enkelbindningar) 1. Acykliska kolväten Generell summaformel CnH2n+2
Metan CH4 H C HH
H
H
H
HH
109,5o
Tetrahedrisk riktade sp3orbitaler
Etan C2H6
Propan C3H8
Butan C4H10
Pentan C5H12
Hexan C6H14
Heptan C7H16
Oktan C8H18
Nonan C9H20
Dekan C10H22
C HH
HH
HCH
C HH
HH C
H
H H
HC
CH3 CH3
CH3 CH2 CH2 CH3
Homolog serie (kedjan förlängs med en -CH2-)
Tetrahedriska bindningsvinklar
Rotation sker kring enkelbindning.
CH3CH2CH3
Förenklat skrivsätt - H:n utelämnas
Olika skrivsätt
2. Grenade kolväten: exempel:
3. Cykliska kolväten: Cykloalkaner Generell formel: CnH2n (en ring) prefix: cyklo-
Cyklopropan Cyklobutan Cyklopentan Cyklohexan Har inskränkt rotation kring C - C bindningar
Egenskaper: Smältpunkt och kokpunkt ökar med ökad kedjelängd Laird: Tab 16.1
Råolja är främsta källan
Energiförbränning (oxidation) är främsta reaktion och användning
”Oreaktiva” ämnen, olösliga i vatten pga opolära egenskaper
STRUKTURISOMERER: föreningar med samma molekylformel (summaformel) men med
olika strukturformel. Förutom raka kolkedjor kan även grenade kolskelett förkomma.
Ex. 3 st isomerer finns av summaformeln C5H12:
n-pentan metylbutan(isopentan)
dimetylpropan (neopentan)C4H10 2 st
C6H14 5 st
C7H16 9 st
C10H22 75 st
T.ex. C30H62 > 4 x 109 Antalet strukturisomerer ökar snabbt
! Namngivning (nomenklatur) nödvändig NOMENKLTUR Studera även på egen hand: Organisk kemisk nomenklatur med
Övningsuppgifter (se hemsidan) Systematisk namngivning (enligt IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry) 1. Längsta kolkedjan blir basnamn 2. Kolatomerna numreras från den ände som ger lägst nummer åt första substituenten. 3. Substituent anges med nummer och substituentnamn, t.ex. alkyl-grupp. 4. Substituenter i alfabetisk ordning. 5. Flera identiska substituenter anges med: di, tri, tetra, ............. Vanliga namn på strukturfragment är ALKYL-substituenter
Metyl
Etyl
Propyl
Isopropyl
(Me -)
(Et -)
(Pr -)
CH3
CH3CH2
CH3CH2CH2
CH3 - CH
CH3CH2CH2CH2
H3C
CH3 - CHCH2CH2
H3C
tert.-Butyl CH3 - CHH3C
H3C
Pentyl CH3CH2CH2CH2CH2
Isobutyl
Butyl (Bu-)Allmänt: Alkyl R
Begynnelsebokstaven används vid alfabetisk ordning av substituenter, gäller även iso- men ej tert.-.
4-etyl-3-metyl-5-propylnonan 3-etyl-3,4-dimetylhexan 2,4,6-trimetylheptan 3-etyl-2,3-dimetylpentan
Ex.
Cykloalkaner prefix: cyklo- Exempel:
4-Isopropyl-1,1-dimetylcyklohexan 3-Cyklohexylheptani basnamnet som substituent
Trivialnamn är historisk vedertagna icke-systematiska namn som ofta används, Exempelvis: Ättiksyra, acetylen, aceton
Alkaner erhålls genom fraktionerad destillation av petroleum (råolja) 1. Naturgas C1 - C4 gasol 2. Råbensin C5 - C12 bensin, org. kemikalier 3. Råfotogen C12 - C16 jetbränsle, eldningsolja 4. Dieselolja C15 - C18 dieselbränsle, eldningsolja 5. Smörjolja C16 - C20 6. Paraffin C20 - C30 7. Asfalt > C25 Oktantal: Högt oktantal i bensin minskar att motorer självantänder då kolven
komprimeras (knackning) Grenade kolväten har högre oktantal än raka kedjor
CH3
n-Heptan(n=normal, dvs rak kedja)
2,2,4-Trimetylpentan(Isooktan)
Cyklohexan Toluen
Oktantal: 0 100 83 103
T.ex 95 oktanig bensin består av blandning som motsvaras av referensföreningarna n-heptan och isooktan i 5% respektive 95% blandning
H3CH3C CH3
OCH3
Tert-Butyl Metyl Eter (TBME) används i bensin (≈5 %) som tillsats för att minska självtändning. Tidigare användes miljöfarliga blyorganiska föreningar.
ALKENER Omättade kolväten med en eller flera dubbelbindningar
Generell formel: CnH2n Ändelsen -an ändras till –en ETEN (etylen) Plan struktur med 120o vinkel 3 st. sp2-orbitaler (σ-bindningar) Resterande 2pz ger π-bindningen Fri rotation kring dubbelbindning omöjlig utan att bryta bindningen
C CH
H
H
H
!-bindning
"-bindning
Vanliga exempel
Propen 1-Buten 2-Buten Isopren
(But-1-en) (But-2-en) (2-Metylbuta-1,3-dien) Eten, propen m.fl. används istora mängder för polymertillverkning - plaster Nomenklatur: Alkener a) Basnamnet skall innehålla den viktigaste funktionella gruppen och den längsta kolkedjan b) Numrering väljs så att alkengruppen får lägst nummer
Alltid numrering genom dubbelbindningen
1
6
2-Etyl-5-metyl-1-hexen 6,7-Dimetyl-1-okten (äldre regler: 1-okten)
(2-Etyl-5-metylhex-1-en) (6,7-Dimetylokt-1-en) (nya regler: okt-1-en Olika typer av dubbelbindningar
1,3-Butadien(Buta-1,3-dien)
1,3,5-Hexatrien(Hexa-1,3,5-trien)
Cyklohexen1,5-Hexadien(Hexa-1,5-dien)
Konjugerade dubbelbindningar ärväxelvis enkel och dubbelbindningar
Ex.vis. Karoten och Vitamin A har 11 resp. 6 konj. dubbelbindningar, vilket ger färgade föreningar
Isolerade dubbebindningar
Uppgift: Ge strukturformler för alla icke-cykliska isomerer med molekylformeln C5H10 (=6 st)
Geometriska isomerer = en typ av stereoisomerer : atomer och atomgrp binds till kol på lika sätt, men är arrangerade i rymden på olika sätt
H
CH3
H
H3C
CH3
H
H
H3C
Cis-2-buten Trans-2-buten
H3C CH3
H H
H3C H
H CH3
Cis-1,2-dimetyl-cyklopropan
Trans-1,2-dimetyl-cyklopropanCis =samma sida Trans =olika sidor
ALKYNER Omättade kolväten med trippelbindning CnH2n-2 -an ändras till -yn
C C HH
Etyn (Acetylen)
2 st sp-orbitaler bildar 2 σ-bindningar och de fria p-orbitalerna bildar 2 st π-bindningar H-C≡C-CH2-CH3 1-Butyn (But-1-yn) CH3-C≡C-CH3 2-butyn (but-2-yn) Reaktioner med alkener och alkyner: ADDITION Hydrogenering: addition av vätgas med katalysator
Pt CH3 CH2 CH3+ H2CH3 CH CH2 Halogenering: addition av halogen
1,1,2,2-tetraklorpropanCH3 C CHCl
Cl Cl
Cl+ 2 Cl2CH3 C CH
1,2-dibrompropanCH3 CH CH2
Br Br+ Br2CH3 CH CH2
Propen
Propyn Hydratisering: addition av vatten
H2SO4 CH3 CH CH3
OH+ H2OCH3 CH CH2
katalysator Hydrohalogenering: addition av HCl eller HBr
CH3 CH CH3
Br+ H-BrCH3 CH CH2 > 90 %
Aromatiska kolväten Bensen - den enklaste aromaten
Plan sp2-hybridiserad ring elektronerna är delokaliserade runt i ringen med ett väte på varje kol vilket kan beskrivas med resonansstrukturer
Resonanshybrid(sammanfattad struktur)
Resonansstrukturer(enskilda strukturer)
Substituerade aromater
CH3 CH3 CH3 CH3CH=CH2CH3
CH3CH3
MetylbensenToluen
1,2-Dimetylbensenorto-Xylen
FenyletenStyren
1,3-Dimetylbensenmeta-Xylen
1,4-Dimetylbensenpara-Xylen
Som substituent betecknas en bensenring (C6H5-) som fenyl och förkortas Ph- (engl. Phenyl) Styren heter därför fenyleten med ett systematiskt namn Polycykliska aromatiska kolväten (sammankopplade bensenringar)
Naftalen Antracen Fenantren Benspyren Några exempel:
4-brommetylbensen (p-bromtoluen)
CH3Br
5-fenyl-2-hepten
Ph
2-etylnaftalen
12
345
6
78
Stereokemi 1: Konformationer
Konformationer är strukturer som uppträder vid rotation kring en enkelbindning
Ex. n-Butan CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
CH3
H H
H
CH3
H
H HH
CH3
HH
CH3
H H
CH3
H
H3C
H
H H
CH3
H
H H
HH3C
CH3
HHH H
H3C
H
"Staggered"60° mellan bindn.
Anti
"Eclipsed"0° mellan bindn.
Syn
Mest stabilakonformationen
Minst stabilakonformationen
Kilprojektion Sågbock Newmanprojektion = Olika projektioner
H3C
Vid rotation kring en enkelbindning (C2 – C3) ändras den steriska energin pga att bindningar och elektronmoln kommer alternativt nära varandra Staggered konformation – lägre energi Eclipsed konformation – högre energi Bindningar långt ifrån varandra Bindningar nära varandra
Konformationen hos cyklohexanringar: Stolformer
eq
ax
ax
ax
eq
eqeq
ax
C
ax
eqax
eqC
axeq
ax
eq
ax
ax
eq
eq
ax
eq
ax
eqEkvatoriellbindning
AxialBindning
ringflipp
Vid ringflipp byter ax- till eq-bindn. och tvärtom
O
HO
HO OHHO
H
OHH
H
HH
Vardagsexempel: Glukos
Ring med en Metyl-substituent: två konformationer av stolform möjliga
H
H
H
H
H
HH
H
C
C
H
HH
MeC
C
HH
H
H
H
Me
H
H
H
H
H
H
Ekvatoriell substitution av Me-grpär stabilare
Axial substitution av Me-grp
ringflipp
Att rita och flippa cyklohexanringar:
Rita två paralella linjer Tänk en streckad linjesom sammanbinder de paralella linjerna, fyll i de röda streckade
Sammanfoga ringen enligt de blå streckadelinjerna
Rita in lodräta axialabindningar i vinkelspetsens
förlängning
Rita in ekvatoriellabindningar i paralellt
med näst nästa bindning i ringen (se motsv. färg)
Färdigt slutresultat !
Ringflipp Genom att flytta ringkolen enligt pilarana fås dena andra formen -ekvatoriella bindningar blir i nya strukturen axiala och tvärtom
Ring med två Metyl-substituenter:
För cis är den högra stolformen stabilare med de två substituenterna ekvatoriellt. För trans får båda ring-flippade formerna samma energi (en stolform visas bara)
Generellt är stolform med största gruppen ekvatoriellt stabilast.
Trans- och Cis-1-Etyl-4-metylcyklohexan
CH3
CH2H3C
CH3OlikaKonfigrationer
CH2H3C
trans cis
Stabilaste konformationen
för respetivekonfigurationmed största
substituenten ekvatoriellt
CH3H
H
Axialt lägemindre gynnsamt pga sterisk1,3-interaktion
1 3
3
Exempel:
OlikaKonforma
-tioner
OlikaKonforma
-tioner
H
H
H H
top related