Föreläsning 4. Substituerade kolväten Kapitel 5

Transkript

1 Föreläsning 4 Substituerade kolväten Kapitel 5 1) Introduktion 2) eteroatomer 3) Nomenklatur 4) Krafter mellan molekyler 5) Elektroniska modeller 6) Egenskaper hos molekyler

2 1. Introduktion Det afrikanska mirakelbäret har en del spännande egenskaper m du tuggar mirakelbär kommer allt surt att smaka sött ur går detta till?

3 2. eteroatomer En heteroatom är vilken atom som helst, utom kol och väte ofta, N eller halogen heteroatomer ger ofta helt andra egenskaper propan, C38, kokpunkt -42 C dimetyleter, C26, kokpunkt -25 C etanol, C26, kokpunkt 78 C

4 3. Nomenklatur lika grupper är olika viktiga Vissa substituenter anges alltid med prefix (figur 5.1) F fluor- N 2 nitro- R alkoxi- Cl klor- N S R nitroso- alkyltio- Br I brom- jod- N 3 azido- fenyl- fenoxi-

5 3. Nomenklatur lika grupper är olika viktiga uvudfunktionen i en molekyl anges med suffix (ändelse) prioritet formel suffix (utan kol) suffix (med kol) prefix (med kol) -syra -karboxylsyra karboxy- butan CN -nitril -karbonitril cyano- -al -on -karbaldehyd formyl- oxo- butansyra propankarboxylsyra -ol hydroxi- karboxypropan N 2 -amin amino-

6 3. Nomenklatur Föreningar med huvudgrupper huvudfunktionen i en molekyl anges med suffix om det finns flera huvudfunktioner i en molekyl anges bara den viktigaste med suffix övriga grupper anges med prefix

7 3. Nomenklatur Föreningar med huvudgrupper Gör så här: 1) bestäm vilken funktionell grupp som är viktigast 2) välj huvudkolkedja där den funktionella gruppen ingår 3) namnge huvudkolkedjan efter antalet kolatomer 4) numrera kolatomerna så att den funktionella gruppen får så lågt nummer som möjligt 5) ordna alla prefix i alfabetisk ordning (engelska)

8 4. Krafter mellan molekyler Jon-jonbindning jon-jonbindningar är mycket starka (500 kj/mol) gör att salter har mycket höga smältpunkter exempel: NaCl: 801 C KCl: 776 C Na Cl

9 4. Krafter mellan molekyler Jon-dipolinteraktioner interaktioner mellan joner och dipoler är medelstarka dessa interaktioner är viktiga vid upplösning av salter i vatten Cl δ δ δ Na

10 4. Krafter mellan molekyler Dipol-dipolinteraktioner dipol-dipolinteraktioner är oftast svaga (5 kj/mol) dessa interaktioner är mycket viktiga i organisk kemi kokpunkt, lösningsmedelsegenskaper, reaktivitet δ δ

11 4. Krafter mellan molekyler Dipol-dipolinteraktioner ε polariteten beskrivs med dielektricitetskonstanten, ε vatten dimetylsulfoxid (DMS) 2 S dimetylformamid (DMF) NMe 2 37 acetonitril C 3 CN 36 metanol C 3 33 etanol C 3 C 2 25 aceton 21 metylenklorid C 2 Cl 2 9 ättiksyra 6 dietyleter 4 bensen 2 heptan 2

12 4. Krafter mellan molekyler Vätebindningar vätebindningar är ett specialfall av dipol-dipolinteraktioner krävs väteatom som är bunden till, N eller F svag till medelstark interaktion (5-40 kj/mol) dimetyleter, C26, kokpunkt -25 C etanol, C26, kokpunkt 78 C

13 4. Krafter mellan molekyler Vätebindningar vätebindningar är extremt viktiga i biologi och fysiologi

14 4. Krafter mellan molekyler Sammanfattning (avsnitt 21.5) 21.5 Krafter inom och mellan molekyler Interaktion Styrka Typ Exempel Övrigt Jon-jonbindning Mycket stark (mer än 500 kj/mol, NaCl, NaAc, K2C3 De starka bindningarna inom kristaller gör att smältpunkten för joniska föreningar blir mycket beroende av Cl Na hög ( C). (1.4) kristallstrukturen) Kovalent bindning Stark (~ kj/mol) C 3 C 3 C 3 I - (435kJ/mol) C3-C3 (368 kj/mol) C3-I (234 kj/mol) Finns i alla molekyler. Två atomer delar elektronpar för att uppnå full oktett. Styrkan hos bindningen beror på hur bra överlappet är mellan orbitalerna. (1.5) Jon-dipolinteraktion Medelstark Na Salter upplösta i vatten Viktig vid upplösning av joner i polära lösningsmedel (opolära lösningsmedel löser oftast joner dåligt). (5.3.1) Dipol-dipolinteraktion Vätebindning Dispersionskrafter (Londonkrafter eller van der Waalsinteraktioner) Svag (ofta mindre än 5 kj/mol, vätebindningar undantagna) Svag till medelstark (5 40 kj/mol) Varierande (beror på molvikt och utseende) Aceton, metylklorid, dimetylformamid 2, Et, F, N3 Metan, heptan Styrkan av dipol-dipolinteraktionen är beroende av polariteten hos föreningen. Polariteteten mäts som dipolmoment. ög polaritet ger höga kokpunkter (t.ex. DMF, DMS). (5.3.2) Vätebindning är en form av stark dipoldipolinteraktion som bildas mellan väteatomer bundna till kraftigt elektronegativa atomer (,N,F) och fria elektronpar på dessa atomer. Ger höga kokpunkter (t.ex. Et 78 C, MeMe- 25 C). Mycket viktig i biologiska system. (5.3.3) Inducerade dipoler ger svaga interaktioner som gör att även opolära ämnen kan kondenseras. Storleken på interaktionerna beror på föreningens polariserbarhet och utseende. Långa molekyler har högre kokpunkt än kompakta (t.ex. n-butan, 138 C och t-butan, 160 C). (4.2)

15 5. Elektroniska modeller Resonans resonans är en modell för att förstå p- och π-orbitaler används sällan för σ-orbitaler exempel 1: bensen

16 5. Elektroniska modeller Resonans resonans är en modell för att förstå p- och π-orbitaler används sällan för σ-orbitaler exempel 2: dimetylformamid N 2 N 2 rotationsbarriär: 18 kj/mol rotationsbarriär: 90 kj/mol

17 5. Elektroniska modeller Induktiva effekter induktiva effekter används för att förstå σ-orbitaler ger polarisering av bindningar F

18 Kokpunkt 6. Egenskaper kokpunkten är beroende av intermolekylära krafter Vätesulfid Smältpunkt -82 C Kokpunkt -60 C Vatten Smältpunkt 0 C Kokpunkt 100 C Metan Smältpunkt -182 C Kokpunkt -161 C

19 Kokpunkt 6. Egenskaper kokpunkten är beroende av intermolekylära krafter exempel: vatten

20 Kokpunkt 6. Egenskaper kokpunkten är beroende av intermolekylära krafter C 4 N 3 2 F Kp = 161 C Kp = 33 C Kp = +100 C Kp = +20 C inga vätebindningabindningabindningabindningar svaga väte- starka väte- starka väte- i nätverk Si 4 P 3 2 S Cl Kp = 112 C Kp = 88 C Kp = 60 C Kp = 85 C

21 Vad är en syra? 6. Egenskaper Brønsteds definition (1923) En syra är en protondonator En bas är en protonacceptor + NMe 3 + NMe 3 Johannes Brønsted ( )

22 6. Egenskaper Syrastyrka A A K e = [ 3 ] [A ] [A][ 2 ] K a = K e [ 2 ] = [ 3 ] [A ] [A] pk a = - 10 lg K a ju lägre pka, desto starkare syra

23 6. Egenskaper Syrastyrka syrastyrkan beror på vilket grundämne väte är bundet till syrastyrkan ökar åt höger i periodiska systemet pka C4 N3 2 F ,5 3,0 3,5 4,0

24 6. Egenskaper Syrastyrka syrastyrkan beror på vilket grundämne väte är bundet till syrastyrkan ökar nedåt i periodiska systemet F 3 pka 4,0 Cl Br I ,0 2,8 2,5

25 6. Egenskaper Syrastyrka syrastyrkan beror på vilket grundämne väte är bundet till C 4 50 N F 3 2 S Cl Se Br 4-9 I -10

26 Syrastyrka 6. Egenskaper syrastyrkan påverkas av induktiva effekter elektrondragande grupper stabiliserar anjoner pka = 5 F 3 C + 2 F 3 C + 3

27 6. Egenskaper Syrastyrka syrastyrkan påverkas av induktiva effekter elektrondonerande grupper stabiliserar katjoner N N pka = 9,2 3 C N C N 2 + 3

28 6. Egenskaper Syrastyrka vilket pka har myrsyra?

29 6. Egenskaper Syrastyrka varför är karboxylsyror sura? förklaringsmodell 1: induktiva effekter förklaringsmodell 2: resonans

30 Avsnitt Egenskaper 20.7 Viktiga pk a -värden syra pka kommentarer I I jodvätesyra 2 S 4 S svavelsyra Br Br + -9 bromvätesyra Cl Cl + -7 saltsyra S S + -6 p-toluensulfonsyra, ptsa, viktig syra, löslig i många organiska lösningsmedel oxoniumjon N 3 N salpetersyra F 3 C F F + R F 3 C + N 3 N 2 + R 2 C 3 C trifluorättiksyra 3 fluorvätesyra varning, djupa frätskador! 3 5 aromatiska ammoniumjoner 4 5 karboxylsyror 6 natriumvätekarbonat vanlig vid extraktion N 4 N ammoniumjon fenol 9 mycket sur på grund av två elektrondragande grupper syra pka kommentarer C 3 N 2 C 2 N nitrometan, relativt sur på grund av induktiv effekt från nitrogruppen RN 3 RN alifatiska ammoniumjoner cyklopentadien blir aromatisk vid deprotonering 16 natriumhydroxid är en viktig bas R R natriummetoxid är en vanlig bas ketoner + C 3 CN C 2 CN + Et Et N 3 N 2 + C 4 C nitriler är relativt sura på grund av cyanogruppen 25 estrar är mindre sura + är ketoner + 25 alkyner är relativt sura på grund av sp-hybridisering 35 natriumhydrid är en vanlig bas 38 litiumamid är en vanlig bas 44 alkener är surare än alkaner på grund av sp 2 -hybridisering 48 många metallorganiska reagens är kraftiga baser och nukleofiler, exempelvis MeMgBr och MeLi

31 6. Egenskaper Syra-basjämvikter hur kan man förutsäga utfallet av en syra-basreaktion? Gör så här: 1) rensa bort alla åskådarjoner, t.ex. Na 2) rita upp jämvikten 3) ta reda på pka-värdena för båda syrorna 4) det bildas alltid en svagare syra och en svagare bas

32 Syra-basjämvikter exempel 1: natriumhydroxid och ättiksyra blandas 6. Egenskaper Gör så här: 1) rensa bort alla åskådarjoner, t.ex. Na 2) rita upp jämvikten 3) ta reda på pka-värdena för båda syrorna 4) det bildas alltid en svagare syra och en svagare bas + Na

33 Syra-basjämvikter exempel 2: aceton och natriumamid blandas 6. Egenskaper Gör så här: 1) rensa bort alla åskådarjoner, t.ex. Na 2) rita upp jämvikten 3) ta reda på pka-värdena för båda syrorna 4) det bildas alltid en svagare syra och en svagare bas + NaN2

34 Syra-basjämvikter exempel 3: heptan och natriummetoxid blandas 6. Egenskaper Gör så här: 1) rensa bort alla åskådarjoner, t.ex. Na 2) rita upp jämvikten 3) ta reda på pka-värdena för båda syrorna 4) det bildas alltid en svagare syra och en svagare bas + NaMe

35 Syra-basjämvikter exempel 4: fenol och natriumfluorid blandas 6. Egenskaper Gör så här: 1) rensa bort alla åskådarjoner, t.ex. Na 2) rita upp jämvikten 3) ta reda på pka-värdena för båda syrorna 4) det bildas alltid en svagare syra och en svagare bas + NaF

36 Syra-basjämvikter exempel 5: acetylen och butyllitium blandas 6. Egenskaper Gör så här: 1) rensa bort alla åskådarjoner, t.ex. Na 2) rita upp jämvikten 3) ta reda på pka-värdena för båda syrorna 4) det bildas alltid en svagare syra och en svagare bas Li

37 6. Egenskaper Vad ska detta vara bra för? organisk syntes: vilket väte är surast? används för att förutsäga reaktivitet pka = 20 pka = 9 biologi/medicin: hur ser ett läkemedel ut i kroppen? p i blodet är 7,4, p i urinen är 6,5 proteiner innehåller grupper som kan vara laddade