KOLFÖRENINGANRNAS KEMI ORGANISK KEMI Del A-2009 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 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 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 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: Fig 5.1 (p.121) 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
ALKANER: Kolväten som är mättade (bara enkelbindningar) 1. Acykliska alkaner Generell summaformel n2n+2 Ändelse: -an a) Raka kolväten: Metan 4 Etan 2 6 3 3 Propan 3 8 3 2 3 Olika skrivsätt Butan 4 10 3-2 - 2-3 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 10 22 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) Egenskaper: (Tab.5.2) Smältpunkt och kokpunkt ökar med ökad kedjelängd (dispertiponskrafter) (Fig.5.9) Oreaktiva ämnen, olösliga i vatten pga opolära egenskaper. Förbränning (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 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. 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-) isopropyl 3 2 3 2 2 3 Ex. 3 butyl (Bu-) 3 2 2 2 isobutyl 3 2 3 tert.-butyl 3 3 3 pentyl- 3 2 2 2 2 isopentyl Allmänt: alkyl 3 2 3 2 (iso = en metyl-grp till på näst sista kolet) R 9 1 5 1 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
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 Alkaner erhålls genom fraktionerad destillation av petroleum (råolja) vid raffinaderier 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 ögre kolväten kan transformeras om till kortare och mer användbara kolväten Oktantal: ögt oktantal i bensin minskar att motorer självantänder då kolven komprimeras (knackning) Grenade kolväten har högre oktantal än raka kedjor 3 n-eptan 2,2,4-Trimetylpentan (isooktan) yklohexan Toluen Oktantal: 0 100 83 103 O Tert.butylmetyleter (TBME) Vanlig tillsats ibensin till 5-10%. öjer oktantal och ökar förbränningen.
ALKENER Omättade kolväten med dubbelbindning Generell formel: n2n Ändelsen -an ändras till en ETEN (etylen) Plan struktur med 120 o vinkel!"bindning 3 st. sp 2 -orbitaler (s-bindningar) Resterande 2p ger π-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 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 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 3- -3 2-butyn Reaktioner med alkener och alkyner : ADDITION sker generellt ydrogenering: addition av vätgas 3 2 + 2 Pt 3 2 3 alogenering: addition av halogen 3 2 Propen + Br 2 3 2 Br Br 1,2-dibrompropan 3 + 2 l 2 Propyn ydratisering: addition av vatten 3 2 l l 3 1,1,2,2-tetraklorpropan l l O 2 SO + 4 2 O 3 3 ydrohalogenering: addition av l, Br katalysator Br 3 2 + -Br 3 3 > 90 %
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 3 2 3 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 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