Övningskompendium i organisk kemi för KEMA01

Transkript

1 Övningskompendium i organisk kemi för KEMA01 Lunds Universtet, 2013 I detta kompendium finner du lämpliga övningsuppgifter för kuresn KEAMA01. Flera av uppgifter kommer att lösas under de schemalagda övningstillfällena, men alla kommer inte att hinnas med. Det är utmärkt om du själv försöker lösa de uppgifter som inte gås igenom på övningarna, och du är varmt välkommen att diskutera dina lösningar med kursens lärare! 1

2 Övning 1: Allmänna begrepp, formelskrivning och molekylorbitaler 1. Vilken är skillnaden mellan ønsteds syra-bas-begrepp och Lewisdefinition? Ange vilka av följande föreningar som är syror respektive baser enligt den senare definitionen: aceton vatten dimetylsulfid aluminiumtriklorid 2. Markera den suraste protonen i var och en av följande föreningar och ordna dessa efter ökande aciditet. C 3 C 2 FC 2 C 2 ClC 2 C 2 3. Välj ett bensenderivat med molekylformeln C 6 6. a) Rita det som Lewisstruktur. b) Rita det som skelettstruktur. 4. Rita och namnge isomererna med summaformeln C Till vilken substansklass hör följande molekyler? a) b) c) d) e) f) g) h) Cl 6. Ange trivialbnamnet för följande föreningar: a) b) c) d) e) Me 2 7. Rita fullständiga Kekulé-strukturer (s. 7 i McMurry) för: a) 4-hydroxibutansyra b) -metylanilin c) EtCC(Me)C 2 Me d) 5-(3-nitrophenyl)-5-oxopentanoic acid 2

3 8. amge följande föreningar: a) b) c) 2 9. Vad händer, eller händer inget? Förklara hur du resonerar! 10. Den här frågan rör molekylorbitaler (M). a) Rita ett orbitalkorrelationsdiagram för e. b) Kan denna molekyl, som ju är en jon, tänkas existera i yttre rymden? Förklara! 11. Väteperoxid, 1, har elektrofila egenskaper och kan i vissa sammanhang också fungera som oxidationsmedel. (Faktum är att koncentrerad väteperoxid tillsammans med organiska föreningar innebär en stor explosionsrisk!) Dimetyleter, 2, däremot är varken en elektrofil eller ett oxidationsmedel. 3 C C a) Ange LUM i båda föreningarna. b) Rita upp korrelationsdiagram som inbegriper LUM för såväl väteperoxid som dimetyleter. Ange de atomorbitaler som huvudsakligen ingår i de linjärkombinationer som ger LUM. c) Ange varför LUM är lägre för väteperoxd än för dimetyleter. d) Visa förenklat hur LUM ser ut för väteperoxid. 3

4 Övning 2: Alkener och konformationer 1. amnge föreningarna nedan entydigt. a) b) c) d) Cl Cl 2. Vad bildas? 3. Skriv en reaktionsformel för syntes av isopropanol (2-propanol) från propen och vatten i starkt sur miljö. 4. Redogör för mekanismen för reaktionen ovan och konstruera ett reaktionsenergidiagram. Markera vad som är intermediärer, övergångstillstånd och aktiveringsenergier. Vilket är det hastighetsbestämmande steget? Vilken biprodukt skulle man gissa bildas vid denna syntes? 5. a) Rita en ewmanprojektion som visar den stabilaste konformationen av 1- propanol. b) Illustrera meb hjälp av en ewmanprojektion vad en gauche-interaktion är. 6. Rita nedanstående substituerade cyklohexan, med alla vätena utsatta, i den mest gynnsamma stolformen. 5. Ekvivalent mängd av 2-metyl-2-buten och (E)-2-buten får reagera med en ekvivalent. Vad blir huvudprodukten. 6. Vilka är huvudprodukterna i nedanstående reaktioner? Stereokemin skall tydligt framgå i svaren! a) b) (E)-2-buten (Z)-3-hexen 2? C 2 Cl 2 2? C 2 Cl 2 4

5 Övning 3: Stereokemi 1. Rita strukturen för den mest stabila konformationen av cis- respektive trans-1,3- dimetylcyklohexan. Använd gärna molekylmodeller. 2. Rita de båda enantiomererna av 2-brombutan. Ange vilken som har S- respektive R-konfiguration. 3. Vilka av följande föreningar är kirala? Markera alla stereogena atomer. Ph 2 C 2 2 C 2 C 2 C 2 4. Tamiflu är det beryktade läkemedlet mot bl. a. fågelinfluensa som såldes slut på apoteket när medierna varnade för kommande pandemier. Strukturen ser du nedan. Tamiflu framställs ur shikiminsyra som är en naturprodukt med begränsad tillgång. Markera alla stereogena atomer i tamiflu och ange hur många stereoisomerer den har. C CEt Shikiminsyra C 3 C Tamiflu 2 5. Följande frågor gäller ( )-mentol, en naturligt förekommande substans som kan isoleras från pepparmintolja. ( )-mentol a) Rita den mest gynnade stolkonformationen för ( )-mentol. b) Fastställ absolutkonfigurationen för alla stereocentra i ( )-mentol. c) Rita enantiomeren av ( )-mentol. d) Rita en diastereomer till ( )-mentol. 5

6 6. Molekylen nedan kan existera som fyra olika stereoisomerer. Rita upp dessa, ange absolutkonfigurationen, samt hur de förhåller sig till varandra. Cl 7. I uppgift 7, övn. 3, analyserades produktutfallet vid addition av 2 till (E)- och (Z)-buten. u skall du reda ut det stereokemiska förhållandet mellan föreningarna! a) Ange absotutkonfigurationen för alla stereocentra. b) Ange realtionen mellan de olika stereoisomererna? c) ur många stereoisomerer har bildats i de två reaktionerna? Varför? 6

7 Övning 4: S 2, S 1, E2 och E1 1. Vilka av substraten nedan skulle reagera enligt S 1, S 2 eller inte alls med nukleofilen u -? Vad kan u - vara för någonting? I Cl 3 C- 2. Redogör för mekanismen för reaktionen mellan (S)-2-fenyl-2-brombutan och etanol i varm etanol (solvolys). 3. Välj från nedanstående lista den eller de alkylhalogenider som stämmer med respektive kriterium. a) 1-bromhexan b) 3-brom-3-metylpentan c) 1-brom-2,2-dimetylbutan d) 3-brom-2-metylpentan e) 2-brom-3-metylpentan f) bromcyklohexan i) som är kiral ii) som finns som diastereomerer iii) som reagerar snabbast vid S 2-reaktion med natriummetoxid i metanol iv) som inte reagerar nämvärt med S 2-reaktion med natriummetoxid i metanol v) som endast ger en alken vid E2-eliminering vi) som ger E2-eliminering men inte S 2-substitution vid reaktion med natriummetoxid i metanol. vii) Som reagerar snabbast vid S 1-reaktionen. 4. Ange huvudprodukt i följande reaktioner. Mekanism krävs ej.? S? 2? [lösningsmedel]? 5. ur kan man framställa nedanstående molekyl med hjälp av en E2-eliminering. 7

8 6. Vad sker när förening 1 behandlas med etoxid? De båda bromsubstituenterna på cyklohexanringen ser ut att ha lika omgivning, men en är betydligt mer reaktiv än den andra i den här reaktionen.? 1 a) Visa med en tydlig mekanism vad som händer! b) Varför, enligt den mekanism du föreslagit, uppvisar bromsubstituenterna olika reaktivitet? c) ur skulle man experimentellt kunna bevisa att din mekanismen är korrekt? d) Är förening 1 eller produkten kiral? 7) Förklara varför den relativa hastigheten mellan 1-brombutan azidjon ökar med en faktor 2800 när lösningsmedlet byts från metanol till DMF. 3 produkt 8. Vad sker? Diskutera alla tänkbara möjligheter och redogör varför bara ett av utfallen förefaller rimligt. Vilken substansklass tillhör produkten? 2 produkt 9. Enkla ("förenlade") orbitalresonemang gör det oftare lättare att förstå ett i övrigt så deskriptivt ämne som organisk kemi. Den härfrågan tar up orbitalperspektiv på nukleofiler, och grundregeln är att ju högre M ligger för en nukleofil desto mer benägen är nukleofilen att reagera med en elektrofil. edan förekommer fem par (mer eller mindre goda) nukleofiler. Ange nu med beteckning (t ex sp3 C, sp2 etc) vilket orbotal som är homo i var och en av nukleofilerna och markera inom varje par den M som har högst energi. En kort motivering skall ingå i denna rangodning. a) b) S c) P d) e) 8

9 Övning 5: Aromatiska föreningar 1. Definiera begreppet aromaticitet. Vilka av följande föreningar är aromatiska? Förklara. B C 3 2. Skriv upp all resonansformerna för följande joner. Vilken eller vilka bidrar mest till resonanshybriden? 3. Rita och namnge alla aromatiska föreningar med summaformeln a) C 7 7 b) C 8 10 som ger tre produkter vid elektrofil aromatisk monobromering. 4. Bensylkatjonen är resonansstabiliserad. Rita dess resonansstrukturer. Är aniliniumjonen stabiliserad på samma sätt? C Vi har tidigare diskuterat mekanismen för addition av till alkener samt olika substituenters effekt på aromatisk elektrofil substitution. u är det dags att kombinera dessa kunskaper! Vilken av följande föreningar reagerar snabbast med? Varför? Förklara med tydliga reaktionsmekanismer! Me

10 6. BT (butylhydroxitoluen) är en antioxidant som används som tillsattsmedel (E 321) i bl a tuggummi och kosmetika; dess främsta uppgift är att förhindra att fetter härsknar, vilket leder till missfärgning och oönskade lukter. BT framställs industriellt genom att reagera p-kresol med 2-metylpropen i sur miljö. 3 P 4 p-kresol BT a) Vad heter reaktionen? b) Förklara med en tydlig reaktionsmekanism hur BT bildas. [Det är ju även intressant att fundera på hur BT fungerar som antioxidant!] 10

11 Övning 6: ukleofil addition till aldehyder och ketoner 1. Vilka olika funktionella grupper innehållande karbonyl kan du finna i följande molekyler: C C vanillin C 3 C 3 C( 2 )CC 2 C alanylglycin retinal 2. Rita formler för följande föreningar: a) bromaceton b) 2-metylheptan-3-on c) butandial d) 6,6-dimetylcyklohexa-2,4-dienon e) 3-fenylpropenal f) 4-nitrobensenkarbaldehyd 3. För att undersöka en reaktions mekanism eller en substans metabolisering kan man märka in ovanliga isotoper i molekyler av intresse och sedan undersöka med t ex pektroskopiska metoder var isotoperna hamnar i produkterna. Föreslå en mekanism för hur vanlig aceton (i vilken syret är 16 ) kan inkorporera 18 genom behandling med vatten i sur miljö. SCC 3 ett kaliumsparande diuretikum Avgör om nedanstående föreningar är halvacetal, acetal eller imin. Ur vilka ämnen kan den första framställas? C 3 C 3 5. a) Vilka två isomera, cykliska acetaler kan bildas i den syrakatalyserade reaktionen mellan aceton och glycerol (1,2,3-propantriol)? b) Endast en bildas. Vilken är det om det visar sig att den kan spaltas i enantiomerer? 6 Kemisten Proton arbetade som utvecklingsansvarig på det förnämliga företaget Vallfart AB, och ville absolut framställa nedanstående substans F, för att utröna om densamma kunde vara lämplig som komponent i en ny komposition för den popolära "Kallas Guldvalla". ur han än försökte kunde Proton inte komma fram till rätt substans utan fick istället en närastående substans C som inte gick att använda till någonting. u är det din uppgift att förklara för Proton varför den syntesvägen inte fungerade och hur han skall lösa problemet. [Ledning: förklara vad som händer i de olika 11

12 reaktionsvägarna A B C och A D E F. Till din hjälp har du summaformlerna i respektive mellansteg. ab 4 C , 2 erhållen produkt A B C C 2 6 2, C ab 4 C7 14 3, 2 önskad produkt D E F 7. Ibland möter vi problem som i förstone förefaller nya och svåra, men som efter närmare analys kan brytas ner i enklare komponenter. Ett exempel är reaktionen mellan cyklopentanon och dimethylsulfoniummetylid (1) till epoxid 2. Vi har tidigare under kursen visat att epoxider är värdefulla intermediärer i organisk kemi. Det är nu din uppgift att ange en rimlig mekanism för reaktionen nedan! [Tips: börja med att identifiera vilketav startmaterialen som är nukleofil resp. elektrofil.] C 2 S DMS

13 Övning 7: Karboxylsyror och deras derivat 1. Enligt ett tabellverk gäller följande pk a -värden för några aromatiska syror: bensoesyra 4.20, p-metoxibensoesyra 4.47, p-cyanobensoesyra ur kan man föklara syrornas olika styrka? 2. Rangordna alkoholer, karboxylsyror och fenoler efter stigande aciditet (surhet). Förklara skillnaderna. 3. a) Vilka är karboxylderivaten, RCY? rdna dessa enligt ökande hydrolyshastighet. b) försök nu förklara varför du kom fram till rangordningen i uppgift a). En förenklad orbital/resonansargumentering är inte helt fel! 4. a) Redgör i detalj för mekanismen för framställning av estern mellan propionsyra och metanol i närvaro av lämplig katalysator. b) Denna reaktion är reversibel med K 4. ur kan man påverka jämviktsläget av ovanstående reaktion så att den önskade produkten erhålls i högt utbyte? 5. Redogör för mekanismen för den basinducerade hydrolysen av nedanstående ester. Asterisken anger att atomen är isotopmärkt. I svaret skall anges i vilken komponent i produkten isotopmärkningen återfinns. 6. En blandning av fenylacetat (estern mellan ättiksyra och fenol) och acetanilid (MeCPh) hydrolyseras med kokande natriumhydroxidlösning. ur kan man isolera de komponenter som finns i lösningen? 7. Det är möjligt att framställa antingen monoster 2 eller diester 3 från succinsyraanhydrid (1) enligt nedanstående schema. Varför ger ena metoden monoestern och den andra diestern? En tydlig reaktionsmekanism bör ingå i svaret. * Me Me Me Me Me Me

14 Övning 8: Kondensationsreaktioner 1. Formulera mekanismer för följande isomeriseringar. ur ligger respektive jämvikt förskjuten? 2. ur förklarar man, att aceton föreligger företrädesvis i ketoformen, medan 2,4- pentandion föreligger som enolform. 3. Skriv reaktionsformel för aldolkondensationen av propanal. 4. edanstående triketon kan undergå aldolkondensation i vilken anjonen av acetylgruppen i sidokedjan är nukleofil. Skriv strukturformler för produkterna som erhålles vid reaktion med var och en av de två karbonylgrupperna i ringen. Är produkterna identiska? m inte vilket är deras förhållande till varandra. 5. Claisenkondensationen är en effektiv metod för att framställa sexlediga heterocykler, och ett exempel visas nedan. I just detta fallet, där vi har ett symmetriskt startmaterial, spelar det ingen roll vilken estergrupp som enoliseras eftersom utfallet blir detsamma. Et 2 C C 2 Et 1. Et 2. värme -metyl-4- piperidon Men även i följande fall, där startmaterialet inte är symmetrisk, spelar det ingen roll vilken estergrupp som enoliseras. Produktutfallet blir detsamma! Förklara med en tydlig reaktionsmekanism hur detta är möjligt. Et 2 C C 2 Et 1. Et 2. värme -metyl-3- pyrrolidinon 7. a) Substrat 1 kan omvandlas till den niolediga strukturen 2 genom behandling med natriumetoxid. Visa med en tydlig mekanism hur detta sker. 14

15 b) Reaktionen startar med en enolisering. Substrat 1 innehåller tre sura metylenprotoner (i, ii ich iii) men bara en av dessa positioner reagerar vidare till produkt. Varför och hur avgörs selektiviteten? C 2 Et C 2 Et aet Et

16 Övning 10. Aminer och kolhydrater Dust, dirt and sand. The remains of greatness in history's hand. (Dartwill Aquila) 1. a) Ange strukturen för den öppna formen av D-ribos. b) m man löser 1 g α-d-glukopyranos i vatten och genast mäter vridningen av planpolariserat ljus erhålles värdet [α] = 113. Då man mäter på samma lösning efter endag erhålles [α] = 55. Förklara varför och ange mekanismen bakom detta fenomen. 2. Sätt rätt text i rätt ruta! anomer enantiomer diastereomer α-d-glukopyranos β-d-glukopyranos α-l-glukopyranos β-l-glukopyranos 3. rdna följande föreningar efter ökande basstyrka C C 3 4. Vilken av följande föreningar är mest basisk. Varför? 16

17 5. ur varierar C--bindningens längd i serien =C 2 C 3-2 C 2 =C- 2 17

18 Övning 6. Alkoholer, etrar, fenoler, tioler och sulfider. When they get you to believe their lies they think they've created a truth. (Dartwill Aquila) 1. Vad skiljer en fenol från en alkohol? ur kan följande föreningar separeras från varandra på ett enkelt sätt? 2. Bensyltiol får reagera med jod. Vad bildas? 3. En kemist skulle framställa t-butyl-metyleter och försökte då genomföra följande reaktion. C 3 a I Till sin förvåning fann kemisten dock en annan produkt, vilken? ur skulle du framställa t-butyl -metyleter? 4. ΔG o för nedanstående jämvikt är 3.4 kj/mol vid 25 o C. Vilken konformer är stabilast? Beräkna den procentuella fördelningen mellan konformererna vid denna temperaturen. 5. Etenoxid får reagera med metanol i sur miljö. Vad bildas? 18