ORGANISK KEMI Fö1-2012/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 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 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: 4 valens elektroner Enkel Dubbel Trippel 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.
Kolets kretslopp: Schema: Organiska kemins skelett - Indelning av kolväten KOLVÄTEN ALIFATISKA KOLVÄTEN AROMATISKA KOLVÄTEN MÄTTADE OMÄTTADE BENSEN-DERIVAT POLYAROMATER ALKANER YKLOALKANER ALKENER ALKYNER 3 3 Kol har en tetraedisk struktur Exempel: Metan, 4 4 bindande elektronpar som delas med väten Electron dot Lewis Space Structure structure structure
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 Eten 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
ALKANER: Kolväten som är mättade (bara enkelbindningar) 1. Acykliska kolväten Generell summaformel n2n+2 Metan 4 109,5 o Tetrahedrisk riktade sp 3 orbitaler Etan 2 6 3 3 Olika skrivsätt Propan 3 8 3 2 3 Butan 4 10 3 2 2 3 Pentan 5 12 exan 6 14 eptan 7 16 Oktan 8 18 Nonan 9 20 Förenklat skrivsätt - :n utelämnas Tetrahedriska bindningsvinklar Rotation sker kring enkelbindning. omolog serie (kedjan förlängs med en - 2 -) Dekan 10 22 2. Grenade kolväten: exempel: 3. ykliska kolväten: ykloalkaner Generell formel: n2n (en ring) prefix: cyklo- yklopropan yklobutan yklopentan yklohexan ar inskränkt rotation kring - bindningar Egenskaper: Smältpunkt och kokpunkt ökar med ökad kedjelängd Tab 16.1 Oreaktiva ämnen, olösliga i vatten pga opolära egenskaper Energiförbränning (oxidation) är främsta reaktion och användning Råolja är främsta källan
STRUKTURISOMERER: föreningar med samma molekylformel (summaformel) men med olika strukturformel.förutom raka kolkedjor kan även grenade kolskelett förkomma. Ex. 3 st isomerer finns av summaformelsn 5 12 : 4 10 2 st n-pentan metylbutan (isopentan) dimetylpropan (neopentan) 6 14 7 16 10 22 5 st 9 st 75 st Antalet strukturisomerer ökar snabbt T.ex. 3 0 6 2 > 4 x 10 9! Namngivning (nomenklatur) nödvändig NOMENKLTUR Systematisk namngivning Studera även på egen hand: Organisk kemisk nomenklatur med Övningsuppgifter (se hemsidan) (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. 5. Flera identiska substituenter anges med: di, tri, tetra,... Vanliga namn på ALKYL-substituenter (strukturfragment) metyl ( Me- ) 3 sek. butyl 3 2 3 etyl ( Et- ) propyl ( Pr- ) 3 2 3 2 2 tert. butyl 3 3 3 isopropyl 3 3 pentyl 3 2 2 2 2 butyl ( Bu- ) isobutyl 3 2 2 2 3 2 3 isopentyl Allmänt: alkyl 3 2 2 3 R Ex. Understruken begynnelsebokstav används vid alfabetisk ordning. 4-etyl-3-metyl-5-propylnonan 3-etyl-3,4-dimetylhexan 2,4,6-trimetylheptan 3-etyl-2,3-dimetylpentan
ykloalkaner Exempel: prefix: cyklo- 4-Isopropyl-1,1-dimetylcyklohexan i basnamnet 3-yklohexylheptan som substituent Trivialnamn är historisk vedertagna icke-systematiska namn som ofta används, Exempelvis: Ättiksyra, acetylen, Alkaner erhålls genom fraktionerad destillation av petroleum (råolja) 1. Naturgas 1-4 gasol 2. Råbensin 5-12 bensin, org. kemikalier 3. Råfotogen 12-16 jetbränsle, eldningsolja 4. Dieselolja 15-18 dieselbränsle, eldningsolja 5. Smörjolja 16-20 6. Paraffin 20-30 7. Asfalt > 25 Oktantal: ögt oktantal i bensin minskar att motorer självantänder då kolven komprimeras (knackning) Grenade kolväten har högre oktantal än raka kedjor 3 n-eptan (n=normal, dvs rak kedja) 2,2,4-Trimetylpentan (Isooktan) yklohexan 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 3 3 3 O 3 Tert-Butyl Metyl Eter (TBME) används i bensin (!5 %) som tillsats för att minska självtändning. Tidigare användes miljöfarliga blyorganiska föreningar.
ALKENER Omättade kolväten med dubbelbindning Generell formel: n2n Ändelsen -an ändras till en ETEN (etylen) Plan struktur med 120 o vinkel π-bindning 3 st. sp 2 -orbitaler (σ-bindningar) Resterande 2pz ger π-bindningen Fri rotation omöjlig utan att bryta dubbelbindningen σ-bindning Vanliga exempel Propen 1-Buten 2-Buten Isopren (But-1-en) (But-2-en) Eten, propen m.fl. används för polymertillverkning - plaster Nomenklatur: Alkener a) Basnamnet skall innehålla den viktigaste funktionella gruppen och den längsta kolkedjan b) Numrering så att alkengruppen får lägst nummer. 6 1 2-Etyl-5-metyl-1-hexen (2-Etyl-5-metylhex-1-en) 6,7-Dimetyl-1-okten (6,7-Dimetylokt-1-en) Alltid numrering genom dubbelbindningen Olika typer av dubbelbindningar Konjugerade dubbelbindningar 1,3-Butadien (Buta-1,3-dien) 1,3,5-exatrien (ea-1,3,5-trien) växelvis : enkel- och dubbelbindn. Ex.vis: Kar oten, Vitamin A yklohexen 1,5-exadien (ea-1,5-dien) Isolerade dubbelbindningar Uppgift: Ge strukturformler för alla icke-cykliska isomerer med molekylformeln 510. (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 3 3 3 3 3 is-2-buten Trans-2-buten is =samma sida T rans =olika sidor 3 3 3 is-1,2-dimetylcyklopropan Trans-1,2-dimetylcyklopropan 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 π-bindningar - -2-3 1-Butyn (But-1-yn) 3- -3 2-butyn (but-2-yn) Reaktioner med alkener och alkyner : ADDITION ydrogenering: addition av vätgas med katalysator Pt 3 2 + 2 alogenering: addition av halogen 3 2 3 3 2 Propen + Br 2 3 2 Br Br 1,2-dibrompropan 3 + 2 l 2 Propyn ydratisering: addition av vatten 3 2 + 2 O l l 3 1,1,2,2-tetraklorpropan l l 2 SO 4 O 3 3 katalysator ydrohalogenering: addition av l eller Br 3 2 + -Br 3 3 > 90 % Br
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 3 3 3 3 = 2 3 Metylbensen Toluen 1,2-Dimetylbensen orto-xylen 1,3-Dimetylbensen meta-xylen 3 3 1,4-Dimetylbensen para-xylen Fenyleten Styren Som substituent betecknas en bensenring (65-) som fenyl och förkortas Ph- (Phenyl) Styren heter då fenyleten med ett systematiskt namn Polycykliska aromatiska kolväten (sammankopplade bensenringar) Naftalen Antracen Fenantren Benspyren Några exempel: Br 3 Ph 7 8 1 2 4-brommetylbensen (p-bromtoluen) 5-fenyl-2-hepten 6 3 5 4 2-etylnaftalen
Stereokemi 1: Konformationer Konformationer är strukturer som uppträder vid rotation kring en enkelbindning Ex. n-butan 3-2 - 2-3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 "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
Konformationen hos cyklohexanringar: Stolformer stabilast Ekvatoriell bindning Axial Bindning ring flipp Vardagsexempel: Glukos O O O O O Ring med en Metyl-substituent: O Stabilare Att rita och flippa cyklohexanringar: Rita två paralella linjer Tänk en streckad linje som sammanbinder de paralella linjerna, fyll i de röda streckade Sammanfoga ringen enligt de blå streckade linjerna Rita in lodräta iala bindningar i vinkelspetsens förlängning Rita in ekvatoriella bindningar 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 iala 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. Exempel: Trans- och is-1-etyl-4-metylcyklohexan 3 2 trans 3 Olika Konfigrationer 3 2 cis 3 Stabilaste konformationen för respetive konfiguration med största substituenten ekvatoriellt Olika Konforma -tioner 3 Axialt läge 1 3 mindre gynnsamt pga 3 sterisk1,3-interaktion Olika Konforma -tioner