ORGANISK KEMI Fö

Transkript

1 KOLFÖRENINGANRNAS KEMI ORGANISK KEMI Fö 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 syntetiserade dock Wöhler urinämne (urea) genom upphettning av ammonium cyanat, 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, nedan visas ett antal jämförande egenskaper. 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 och av de miljoner olika föreningar karaktäriseras och syntetiseras årligen tiotusentals nya. 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 4 valens elektroner Enkel Dubbel Trippel 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. Idag finns över 10 miljoner organiska föreningar och 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 En liten jämförelse mellan: Organiska ämnen De flesta eldfarliga Låga smält och kokpunkter De flesta vattenolösliga Lösliga i opolära lösningsmedel Kovalenta bindningar Reaktioner mellan molekyler Innehåller många atomer Komplexa strukturer Oorganiska ämnen De flesta icke eldfarliga öga smält och kokpunkter De flesta vattenlösliga Olösliga i opolära lösningsmedel Joniska bindningar främst Reaktioner mellan joner Innehåller få atomer 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 ringar kan man dela in organiska kolväten enligt schema nedan.

2 Kolets kretslopp Schema: Indelning av kolväten med exempel: KOLVÄTEN MÄTTADE OMÄTTADE ALKANER YKLOALKANER ALKENER ALKYNER AROMATER 3 3 Kol har en tetraedisk struktur Exempel: Metan, 4 4 bindande elektronpar som delas med väten Elektron! punkt struktur Lewis! struktur Rymdstruktur

3 YBRIDISERING AV ORBITALER I KOL ALKANER, ALKENER och ALKYNER sp 3 sp 2 sp KOL: Grundtillstånd 2p 2s 2p 2s Exciterat tillstånd 1s 1s ybridisering sp 3 - sp 2 - eller sp - orbitaler sp 3 hybridisering: 4 st sp 3 ex Metan 109,5 4 sp 3 1s 4 st tetrahedrisk orienterade sp 3 orbitaler binder var sitt väte i!-bindningar sp 2 hybridisering: 3 st sp 2 +1st p ex Etan 1st 2p 3st sp 2 1s 120 "- Bindn.!- Bindn. sp hybridisering: 2 st sp + 2 st p ex Etyn 180 2st 2p "- Bindn. 2st sp 1s "- Bindn.!- Bindn. Bindningslängd minskar med ökad s-karaktär i bindningen sp 3 1,54 Å sp 2 1,34 Å sp 1,20 Å

4 ALKANER: Kolväten som är mättade (bara enkelbindningar) 1. Acykliska alkaner Generell summaformel n2n+2 Ändelse: -an a) Raka kolväten: Metan 4 Etan Propan Olika skrivsätt Butan Pentan 5 12 exan 6 14 Förenklat skrivsätt med kolbindningar i Zig-Zag Väten () utelämnas Används generellt alltid! eptan 7 16 Oktan 8 18 Enkelbindningar kan rotera: Nonan 9 20 Decan b) Grenade kolväten: exempel: 2. ykliska alkaner ykloalkaner Generell formel: n2n prefix: cyklo- yklopropan yklobutan yklopentan yklohexan ar inskränkt rotation kring - bindningar Ex. Steroidskellett (se även s. 132)

5 STRUKTURISOMERER: föreningar med samma molekylformel (summaformel) men med olika strukturformel. Förutom raka kolkedjor kan även grenade kolskelett förkomma. Ex. 3 st isomerer finns av summaformel: 5 12 : st n-pentan metylbutan (isopentan) dimetylpropan (neopentan) st 9 st 75 st Antalet strukturisomerer ökar snabbt T.ex > 4 x 10 9! Namngivning (nomenklatur) nödvändig NOMENKLATUR Studera även på egen hand: Organisk kemisk nomenklatur med Övningsuppgifter (se hemsidan) Systematisk namngivning (enligt IUPA) 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 (se gällande understruken bokstav i nedan tabell) 5. Flera identiska substituenter anges med: di, tri, tetra,... Vanliga namn på ALKYL-substituenter (strukturfragment) (tab.22.2) metyl (Me-) 3 sek.-butyl etyl (Et-) propyl (Pr-) isopropyl Ex. 3 butyl (Bu-) isobutyl tert.-butyl pentyl isopentyl Allmänt: alkyl (iso = en metyl-grp till på näst sista kolet) R 4-etyl-3-metyl-5-propylnonan 3-etyl-3,4-dimetylhexan 2,4,6-trimetylheptan 3-etyl-2,3-dimetylpentan Notera: e före m före p 2 st Me ger dimetyl 3 st Me ger trimetyl

6 ykloalkaner Exempel: två möjligheter prefix: cyklo- 4-Isopropyl-1,1-dimetylcyklohexan i basnamnet 3-yklohexylheptan som substituent Trivialnamn: historisk vedertagna icke-systematiska namn som ofta används, Exempelvis: Ättiksyra, acetylen, aceton m.fl Alkaners egenskaper: Låga smält- och kokpunkter som ökar med ökad kedjelängd Tab 22.1 (pga van der Waalskrafter / dispertiponskrafter) Oreaktiva ämnen, olösliga i vatten pga opolära egenskaper Förbränning (oxidation) är främsta reaktion och användning Råolja är främsta källan Fraktionerad destillation av petroleum (råolja) 1. Naturgas 1-4 gasol 2. Råbensin 5-12 bensin, org. kemikalier 3. Råfotogen jetbränsle, eldningsolja 4. Dieselolja dieselbränsle, eldningsolja 5. Smörjolja Paraffin Asfalt > 25 Krackning: Stora molekyler bryts ner till små molekyler och ger för petrokemisk industri viktiga baskemikalier, t.ex. propen. ög temperatur och katalysatorer + + Reformering: isomeriseringsprocess där raka kolkedjor isomeriseras till mer grenade kolväten med högre oktantal: ex n-heptan till isooktan i figuren nedan

7 Oktantal: ögt oktantal minskar att motorer självantänder då kolven komprimeras (s.k. knackning). Grenade kolväten har högre oktantal 3 n-eptan 2,2,4-Trimetylpentan (isooktan) yklohexan Toluen Oktantal: O Tert.butylmetyleter (TBME) Vanlig tillsats ibensin till 5-10%. öjer oktantal och ökar förbränningen. Konformationer: strukturer som uppträder vid rotation kring en enkelbindning Vid rumstemperatur sker denna rotation mycket snabbt. Ex. n-butan Vanligen visas detta med tredimensionella projektioner: "Staggered" 60 mellan bindn. Anti "Eclipsed" 0 mellan bindn. Syn Mest stabila konformationen Minst stabila konformationen Kilprojektion Sågbock Newmanprojektion = Olika projektioner Vid rotation kring en enkelbindning (2 3) ändras den steriska energin pga att bindningar och elektronmoln kommer nära varandra Staggered konformation lägre energi Bindningar långt ifrån varandra Eclipsed konformation högre energi Bindningar nära varandra

8 Rotation 360 kring kolen i etan ger följande energiförändring För ringar är rotationen inskränkt till att veckas i olika konformationer Konformationen hos cyklohexanringar: Olika stolformer Alla bindningar i en sex-ring är staggered, och antingen ekvatoriella eller iala: Ekvatoriell bindning Axial Bindning ring flipp Ringen till vänster kan vrida sig kring enkelbindningarna så att den vänstra ringen bildas istället (ring flipp) Ring med en Metyl-substituent: Stabilare

9 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. Exempel: Trans- och is-1-etyl-4-metylcyklohexan 3 2 Olika Konfigrationer trans 3 cis Stabilaste konformationen för respetive konfiguration med största substituenten (Et-) ekvatoriellt Olika Konforma -tioner 3 Axialt läge 1 3 mindre gynnsamt pga 3 sterisk1,3-interaktion Olika Konforma -tioner I naturen förekommer t.ex. glukos i stärkelse och cellulosa som en sex-ringa

10 ALKENER ETEN (etylen) Plan struktur med 120 vinkel Omättade kolväten med dubbelbindning Generell formel: n2n Ändelsen -an ändras till en "#bindning 3 st. sp 2 -orbitaler (s-bindningar) Resterande 2p ger!-bindningen Fri rotation omöjlig utan att bryta dubbelbindningen!#bindning Vanliga exempel: propen 1-buten 2-buten isopren Eten, propen m.fl. används för plasttillverkning Dubbelbindningen styr alkeners reaktivitet alkandelar är oreaktiva Nomenklatur: a) Basnamnet skall innehålla den viktigaste funktionella gruppen (alken) och den längsta kolkedjan b) Numrering så att alkengruppen får lägst nummer. 2-etyl-5-metyl-1-hexen 6,7-dimetyl-1-okten Alltid numrering genom dubbelbindningen Olika typer av dubbelbindningar yklohexen 1,5-hexadien Isolerade dubbelbindningar 1,3-Butadien 1,3,5-hexatrien Konjugerade dubbelbindningar

11 Geometriska isomerer = en typ av stereoisomerer : atomer och atomgrp binds till kol på lika sätt, men är arrangerade i rymden på olika sätt. Grupperna på resp. kol måste vara olika is- och Trans-isomeri: (samma resp. motsatt sida av liknande grupp) is-but-2-en Trans-But-2-en is-1,2-dimetylcyklopropan Trans--1,2-Dimetylcyklopropan Grupperna på resp. kol måste vara olika l 3 l Ej is/trans (två etyl på samma kol) is - längsta kolkedjan på samma sida ALKYNER Omättade kolväten med trippelbindning n2n-2 -an ändras till -yn! Etyn (acetylen)! " 2 st. sp-orbitaler bilda σ-bindningar och 2 fria p-orbitaler bildar 2 st -bindningar Butyn butyn För alkener och alkyner är inte rotation kring dubbel och trippelbindning möjlig. Uppgift: ur många icke-cykliska isomerer finns det för strukturformeln 5 10? ur många cykliska isomerer finns det för strukturformeln 5 10? (räkna även in eventuella cis-och transisomer)

12 Aromatiska kolväten Bensen - den enklaste aromaten Plan sp 2 -hybridiserad ring elektronerna är delokaliserade runt i ringen vilket kan beskrivas med resonansstrukturer Resonansstrukturer (enskilda strukturer) Resonanshybrid (sammanfattad struktur) Substituerade aromater Toluen (metylbensen) 1,2-Dimetylbensen orto-xylen 1,3-Dimetylbensen meta-xylen 3 1,4-Dimetylbensen para-xylen Styren Som substituent betecknas bensenringen (65-) fenyl och förkortas Ph- Styren heter då fenyleten med ett systematiskt namn Polycykliska aromatiska kolväten Z:Tab.22.3 Naftalen Antracen Fenantren Benspyren Några namnexempel: Ph Br brommetylbensen (p-bromtoluen) 5-fenyl-2-hepten etylnaftalen