bilder fö 1-2 org 1 inledn2010...medan svavel fosfor och halogener är mindre ofta förekommande....
Post on 22-Feb-2020
1 Views
Preview:
TRANSCRIPT
ORGANISK KEMI Fö 1-2 2010 KOLFÖRENINGANRNAS KEMI 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
C C CC
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 Oorganiska ämnen De flesta eldfarliga De flesta icke eldfarliga Låga smält och kokpunkter Höga smält och kokpunkter De flesta vattenolösliga De flesta vattenlösliga Lösliga i opolära lösningsmedel Olösliga i opolära lösningsmedel Kovalenta bindningar Joniska bindningar främst Reaktioner mellan molekyler Reaktioner mellan joner Innehåller många atomer Innehåller få atomer Komplexa strukturer 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: Indelning av kolväten med exempel:
KOLVÄTEN
MÄTTADE OMÄTTADE
ALKANER CYKLOALKANER ALKENER ALKYNER AROMATER
H3C C C CH3
Kol har en tetraedisk struktur
Exempel: Metan, CH4
4 bindande elektronpar
som delas med väten
C H
H
H
H C
H
H
HH
H
C
H
H
H
Elektron!
punkt strukturLewis !
strukturRymd-
struktur
HYBRIDISERING AV ORBITALER I KOL ALKANER, ALKENER och ALKYNER
sp3 sp2 sp
1s
2s
2p
KOL: Grundtillstånd
1s
2s
2p
Hybridisering
sp3 - sp2 - sp - orbitaler
Exciterat tillstånd
eller
sp3 hybridisering: 4 st sp3 ex Metan
sp2 hybridisering: 3 st sp2 +1st p ex Etan
sp hybridisering: 2 st sp + 2 st p ex Etyn
HC
H
HH
1s
4 sp3
109,5 °
4 st tetrahedrisk orienterade sp3 orbitaler
binder var sitt väte i !-bindningar
1s
3st sp2
1st 2p
HC
H
HC
H
"- Bindn.
!- Bindn.
C CH
H
H
H
1s
2st sp
2st 2p
HCH
"- Bindn.
!- Bindn.
C
C C HH
"- Bindn.
120 °
180 °
Bindningslängd minskar med ökad s-karaktär i bindningen
C C C CC C
sp3 1,54 Å sp2 1,34 Å sp 1,20 Å
ALKANER: Kolväten som är mättade (bara enkelbindningar) 1. Acykliska alkaner Generell summaformel CnH2n+2 Ändelse: -an
a) Raka kolväten:
Metan CH4 Etan C2H6
H
CHH
H
C HHH
H
C HH
H3C CH3
Propan C3H8H
CHH
H
CH
H
C HH
H3C CH2 CH3
Olika skrivsätt
Butan C4H10 CH3-CH2-CH2-CH3 CC
CC
Förenklat skrivsätt med kolbindningar i Zig-ZagVäten (H) utelämnas
Används generellt alltid!
Pentan C5H12
Hexan C6H14
Heptan C7H16
Oktan C8H18
Nonan C9H20
Decan C10H22
Enkelbindningar kan rotera:
b) Grenade kolväten: exempel:
2. Cykliska alkaner Cykloalkaner Generell formel: CnH2n prefix: cyklo-
Cyklopropan Cyklobutan Cyklopentan Cyklohexan
Har inskränkt rotation kring C - C bindningar
Ex. Steroidskellett(se även s. 132)
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: C5H12:
n-pentan metylbutan(isopentan)
dimetylpropan (neopentan)C
4H
10 2 st
C6
H14
5 st
C7
H16
9 st
C10
H22
75 st
T.ex. C30H62 > 4 x 109 Antalet strukturisomerer ökar snabbt
! Namngivning (nomenklatur) nödvändig NOMENKLATUR Studera även på egen hand: Organisk kemisk nomenklatur med
Övningsuppgifter (se hemsidan) Systematisk namngivning (enligt IUPAC) 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-) CH3
etyl (Et-)
propyl (Pr-)
isopropyl
CH3CH2
CH3CH2CH2
CH3CH2CH2CH2
CH3 CH
CH3
butyl (Bu-)
isobutyl CH3 CH CH2
CH3
sek.-butyl CH3 CH CH2CH3
tert.-butyl CH3 C CH3
CH3
CH3 CH CH2
CH3
CH2
CH3CH2CH2CH2CH2pentyl-
isopentyl
Allmänt: alkyl R
(iso = en metyl-grp till på näst sista kolet)
4-etyl-3-metyl-5-propylnonan 3-etyl-3,4-dimetylhexan 2,4,6-trimetylheptan 3-etyl-2,3-dimetylpentan
Ex.
Notera: e före m före p 2 st Me ger dimetyl 3 st Me ger trimetyl
Cykloalkaner prefix: cyklo-
Exempel: två möjligheter
4-Isopropyl-1,1-dimetylcyklohexan 3-Cyklohexylheptan
i basnamnet 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 C1 - C4 gasol
2. Råbensin C5 - C12 bensin, org. kemikalier 3. Råfotogen C12 - C16 jetbränsle, eldningsolja 4. Dieselolja C15 - C18 dieselbränsle, eldningsolja 5. Smörjolja C16 - C20 6. Paraffin C20 - C30 7. Asfalt > C25 Krackning: Stora molekyler bryts ner till små molekyler och ger för petrokemisk industri viktiga baskemikalier, t.ex. propen.
++
Hög temperatur och katalysatorer
Reformering: isomeriseringsprocess där raka kolkedjor isomeriseras till mer grenade
kolväten med högre oktantal: ex n-heptan till isooktan i figuren nedan
Oktantal: Högt oktantal minskar att motorer självantänder då kolven komprimeras
(s.k. knackning). Grenade kolväten har högre oktantal CH3
n-Heptan 2,2,4-Trimetylpentan (isooktan)
Cyklohexan Toluen
Oktantal: 0 100 83 103
O Tert.butylmetyleter (TBME)Vanlig tillsats ibensin till 5-10%.
Höjer oktantal och ökar förbränningen.
Konformationer: strukturer som uppträder vid rotation kring en
enkelbindning
Vid rumstemperatur sker denna rotation mycket snabbt.
Ex. n-Butan CH3-CH2-CH2-CH3
Vanligen visas detta med tredimensionella projektioner:
CH3
CH3
H H
H
CH3
H
HHH
CH3
HH
CH3
H H
CH3
H
H3C
H
H H
CH3
H
HH
HH3C
CH3
HHH H
H3C
H
"Staggered"60° mellan bindn.
Anti
"Eclipsed"0° mellan bindn.
Syn
Mest stabilakonformationen
Minst stabilakonformationen
Kilprojektion Sågbock Newmanprojektion = Olika projektioner
H3C
Vid rotation kring en enkelbindning (C2 –C3) ändras den steriska energin pga att bindningar och elektronmoln kommer nära varandra Staggered konformation – lägre energi Eclipsed konformation – högre energi
Bindningar långt ifrån varandra Bindningar nära varandra
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 axiala:
eq
ax
ax
ax
eq
eq
eq
ax
C
ax
eq
ax
eqC
axeq
ax
eq
ax
ax
eq
eq
ax
eq
ax
eq
Ekvatoriellbindning
AxialBindning
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
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.
Trans- och Cis-1-Etyl-4-metylcyklohexan
CH3
CH2H3C
CH3OlikaKonfigrationer
CH2H3C
trans cis
Stabilaste konformationen
för respetivekonfigurationmed största
substituenten (Et-) ekvatoriellt
CH3H
H
Axialt lägemindre gynnsamt pga sterisk1,3-interaktion
1 3
3
Exempel:
OlikaKonforma
-tioner
OlikaKonforma
-tioner
I naturen förekommer t.ex. glukos i stärkelse och cellulosa som en sex-ringa
ALKENER Omättade kolväten med dubbelbindning Generell formel: CnH2n Ändelsen -an ändras till –en
ETEN (etylen)
Plan struktur
med 120° vinkel
3 st. sp2-orbitaler (s-bindningar)
Resterande 2p ger !-bindningen
Fri rotation omöjlig utan att bryta
dubbelbindningen
C C
H
H
H
H
C C
H
H
H
H
"#bindning
!#bindning
Vanliga exempel:
isopren2-buten1-butenpropen 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
Isolerade dubbelbindningar
Konjugerade dubbelbindningar
Cyklohexen 1,5-hexadien
1,3-Butadien 1,3,5-hexatrien
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
Cis- och Trans-isomeri: (samma resp. motsatt sida av liknande grupp)
CH3
HH
H3C H
CH3H
H3C CH3
HH
H3C H
CH3H
H3C
Cis-But-2-en Trans-But-2-en Cis-1,2-Dimetyl-cyklopropan
Trans--1,2-Dimetyl-cyklopropan
Grupperna på resp. kol måste vara olika CH3
Cl
CH3CH2
CH3CH2
CH2CH3
Cl
CH3CH2
CH3
Cis - längsta kolkedjan på samma sidaEj Cis/trans (två etyl på samma kol)
ALKYNER Omättade kolväten med trippelbindning CnH2n-2 -an ändras till -yn
Etyn (acetylen) H C C H C C HH
!
! " 2 st. sp-orbitaler bilda σ-bindningar och 2 fria p-orbitaler bildar 2 st � -bindningar
CH≡C-CH2-CH3 1-Butyn CH3-C≡C-CH3 2-butyn
För alkener och alkyner är inte rotation kring dubbel och trippelbindning möjlig. Uppgift: Hur många icke-cykliska isomerer finns det för strukturformeln C5H10? Hur många cykliska isomerer finns det för strukturformeln C5H10? (räkna även in eventuella cis-och transisomer)
Aromatiska kolväten
Bensen - den enklaste aromaten
Plan sp2-hybridiserad ring elektronerna är delokaliserade runt i ringen vilket kan beskrivas med resonansstrukturer
Resonanshybrid(sammanfattad struktur)
Resonansstrukturer(enskilda strukturer)
Substituerade aromater
CH3CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH CH2
Toluen(metylbensen)
1,2-Dimetylbensen orto-xylen
1,3-Dimetylbensen meta-xylen
1,4-Dimetylbensen para-xylen
Styren
Som substituent betecknas bensenringen (C6H5-) 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:
4-brommetylbensen (p-bromtoluen)
CH3Br
5-fenyl-2-hepten
Ph
2-etylnaftalen
12
3
45
6
7
8
top related