2007-09-25
Stefan Svensson
Version 2
Grundläggande
ORGANISK KEMI
ORGANISK KEMI
Del A-2007
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. Se exempel i Fig 23.1
C
C
C
C
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
Låga smält och kokpunkter
De flesta vattenolösliga
Lösliga i opolära lösningsmedel
Kovalenta bindningar
Reaktioner mellan molekyler
Innehåller många atomer
Komplexa strukturer
De flesta icke eldfarliga
Höga smält och kokpunkter
De flesta vattenlösliga
Olösliga i opolära lösningsmedel
Joniska bindningar
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.
Schema: Indelning av kolväten med exempel:
KOLVÄTEN
ALIFATISKA KOLVÄTEN
MÄTTADE
ALKANER
AROMATISKA KOLVÄTEN
OMÄTTADE
CYKLOALKANER
ALKENER
BENSEN-DERIVAT
POLYAROMATER
ALKYNER
CH3
CH3
Se även Housecroft Fig. 23:2
Kol har en tetraedisk struktur
- Metan, CH4
- Electron dot structure
- VSEPR
- 4 bindande par
a) Tetraedisk
c) Space filling model
b) Ball and stick model
d) wedges and dashes
HYBRIDISERING AV ORBITALER I KOL
ALKANER, ALKENER och ALKYNER
Grundtillstånd
Exciterat tillstånd
2p
2p
2s
2s
1s
1s
C
sp3 Hybridisering
ex Metan
H
sp 3
H
1s
sp2 Hybridisering
HYBRIDISERING
109,5 o
C
H
#"bond
H
4 st tetrahedriska orienterade sp3orbitaler
ex Eten
2p
H
H
C
sp 2
C
H
H
!"bond
H
H
C
C
H
H
1s
#"bond
sp Hybridisering
ex Etyn
H
C
C H
2p
!"bond
sp
H
C
C
1s
!"bond
Binding längd minskar med ökad s-karaktär i bindningen.
C C
sp3 !1.54 Å !
H
C C
2
sp !1.34 Å
C C
sp!1.20 Å
ALKANER:
1. Acykliska
Kolväten som är mättade (bara enkelbindningar)
Generell summaformel
CnH2n+2
H
H
Metan
CH4
H C H
H
H
Etan
Propan
C2H6
C3H8
H
H
H C
C
H
H
H
H
H
H C
C
C
H
H
H
109,5o
H
H
CH3
H
Tetrahedrisk riktade sp3 orbitaler
CH3
Olika skrivsätt
CH3 CH2 CH3
H
Butan
C4H10
Pentan
C5H12
Hexan
C6H14
Heptan
C 7H16
Tetrahedriska bindningsvinklar
Oktan
C8H18
Rotation sker kring enkelbindning.
Nonan
C9H20
Homolog serie (kedjan förlängs med en -CH2 -)
Dekan
C10H22
CH3 CH2 CH2 CH3
Fysikaliska egenskaper:
Förenklat skrivsätt - H:n utelämnas
Smältpunkter och kokpunkter ökar med
ökande längd på kolkedjan
CH4 - C 4H10
gaser vid rumstemp.
C5H12 - C 15H32
vätskor
C16H34 -
fasta ämnen
STRUKTURISOMERER: föreningar med samma molekylformel (summaformel) men med
olika strukturformel.
Ex.
3 st isomerer finns av summaformelsn C5H12:
n-pentan
metylbutan
(isopentan)
C 4H10
2 st
C 6H14
5 st
Antalet strukturisomerer ökar snabbt
C 7H16
9 st
T.ex.
C 10H22
75 st
!
C3 0H 6 2
dimetylpropan
(neopentan)
> 4 x 109
Namngivning (nomenklatur) nödvändig
Isomeri
NOMENKLTUR
Systematisk namngivning
1.
2.
3.
4.
5.
(enligt IUPAC)
Längsta kolkedjan blir basnamn
Kolatomerna numreras från den ände ssom ger lägst nummer
åt första substituenten.
Substituent anges med nummer och substituentnamn, t.ex. alkyl-grupp.
Substituenter i alfabetisk ordning.
Flera identiska substituenter anges med: di, tri, tetra, .............
Vanliga namn på substituenter:
metyl
( Me- ) CH3
etyl
( Et- ) CH3CH2
propyl
( Pr- ) CH3CH2CH2
isopropyl
butyl
CH3CHCH3
( Bu- ) CH3CH2CH2CH2
isobutyl
CH3CHCH2
CH3
sek. butyl
CH3CHCH2CH3
tert. butyl
CH3 C CH3
CH3
pentyl
CH3CH2CH2CH2CH2
isopentyl
CH3CHCH2CH2
CH3
Allmänt: alkyl
R
Ex.
4-etyl-3-metyl-5-propylnonan
2. Cykliska
3-etyl-3,4-dimetylhexan
Cykloalkaner
Generell formel:
MOLEKYLFORMEL!! !!!!!!!! C3 H6!
2,4,6-trimetylheptan
CnH2n
3-etyl-2,3-dimetylpentan
prefix: cyklo-
C4 H8
C5 H10
CYKLOBUTAN
CYKLOPENTAN
C6 H12!!!!!!!!!!!!!
STRUKTURFORMEL
NAMN
CYKLOPROPAN
CYKLOHEXAN
Har inskränkt rotation kring C - C enkelbindningar
Exempel:
4-isopropyl-1,1-dimetylcyklohexan
i basnamnet
3-cyklohexylhexan
som substituent
2-cyklobutylpropan eller
isopropylcyklobutan
Trivialnamn: historisk vedertagna icke-systematiska namn (se ex H Box24-2)
Egenskaper:
Oreaktiva ämnen, olösliga i vatten
Förbränning (oxidation) är främsta reaktion och användning
Råolja är främsta källan
Fraktionerad destillation av petroleum (råolja)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Naturgas
Råbensin
Råfotogen
Dieselolja
Smörjolja
Paraffin
Asfalt
C1 - C4
C5 - C12
C12 - C 16
C15 - C 18
C16 - C 20
C20 - C 30
> C25
gasol
bensin, org. kemikalier
jetbränsle, eldningsolja
dieselbränsle, eldningsolja
Se även Housecroft sid. 782-784
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 (knockning)
Grenade kolväten har högre oktantal
CH3
2,2,4-trimetylpentan
(isooktan)
100
n-heptan
Oktantal:
0
Tillsatser
i bensin:
CH3
CH3
Pb
CH3
toluen
103
83
O
Pb
CH3
Tetrametylbly
cyklohexan
Tetraetylbly
Miljöfarliga användes förr
116
Tert.butylmetyleter (TBME)
Används numera i stället för
blyföreningar.
Stereokemi 1:
Housecroft 24.9
Fig. 24.14-15
Konformationer: strukturer som uppträder vid rotation kring en enkelbindning
Ex. n-butan
H
H
CH3
CH2
CH2
CH3
CH3
CH3
H
CH3
H
CH3
CH3
H
H
H
H
CH3
H
H3C
H
Kilformler
CH3
"eclipsed"
syn
H
H
H
H
"staggered" Den stabilaste
konformationen
anti
CH3
CH3
H
H
H
H
CH3
H
CH3
HH
H
Sågbocksformler
Konformationen
med högst energi
HH
Newman projektion
Konformationen hos cyklohexanringar
stol-form
Housecroft 25.2
Fig. 25.4-5
båt-form
stol-form
Ekvatoriell
bindning
Axiell
!!!!!!!bindning
stabilare
Exempel:
Instabil
Trans- och cis-1-Etyl-4-metylcyklohexan
Olika konfiguration
trans
cis
H
Stabilaste
konformation
för respektive
konfiguration
H
H
H
H
H
H
H
Stabilaste konformationen fås med största substituenten ekvatoriellt
pga s.k. sterisk 1,3-interaktion
Fig 24-14 resp 24-15
Stereokemi för tetrahedrala kol
•
•
Krav:
Minst ett sp3-hybridiserat kol behövs
Molekylen måste visas tredeimensionellt
H
H C Cl
2D ritade strukturer passar inte för stereokemi
Br
H
3D passar för att visa olika stereokemi
C
H
Cl
Br
H
C
H
Cl
Cl
C
H
IDENTISKA = Samma förening
H
C
F
Br
H
Br
Br
! Samma molekylformel (CH2 BrCl)
! Samma bindningar av atomerna
! Överförbara i varandra
F
Cl
C
H
Br
Cl
! Samma molekylformel (CHFBrCl)
! Samma bindningar av atomerna
! Inte överförbara i varandra
Stereoisomerer = Olika föreningar
Stereoisomerer skiljer sig endast genom att atomer är bundna olika i
rymden i förhållande till varandra, och kan inte överföras i varandra
genom rotation av enkelbindningar
Stereocenter: en kolatom som har FYRA olika atomer eller atomgrupper
bundna till sig
Stereokemi 2: Stereoisomerer
ISOMERER
STEREOISOMERER
STRUKTUR ISOMERER
ENANTIOMERER
(Spegelbilder)
DIASTEREOMERER
(Icke Spegelbilder)
Enantiomerer
1-Butanol
CH3 CH2 CH2 CH2 OH
2-Butanol
strukturisomerer
CH3 CH2 CH CH3
OH
2-Butanol är två föreningar som har alla fysikaliska egenskaper lika utom en.
De två föreningarna vrider planpolariserat ljus åt olika håll. Föreningarna är
varandras spegelbilder s.k. enantiomerer.
CH3
H3 C
C
H
OH
HO
C
H
CH2 CH3
CH2 CH3
Asymmetrisk kolatom: kolatom som binder fyra olika atomer eller grupper. Kallas även
stereogent eller kiralt center.
Enantiomerer har olika konfiguration, dvs kan ej överföras i varandra genom rotation
kring enkelbindningar
Jämförelse A- D respektive E - H
H 3C
H 3C
OH
H
OH
H
CH2CH3
Br
H
CH2CH3
B
C
D
F
H
OH
Br
F
HO
OH
OH
H
CH2CH3
H
CH3
A
CH3
H3C
OH
F
H
H
Br
OH
Br
F
F
E
G
H
A är spegelbild till D. D är identisk med C. B är akiral, binder bara 3 olika grp.
E, F och G är identiska och spegelbilder till H.
(R)- och (S)-systemet eller Cahn-Ingold-Prelog systemet
Varje stereocenter kan definieras som R eller S, och beskriver den tredimensionella orienteringen av varje bunden atom eller grupp till detta
stereocenter.
Exempel
1) Prioritet efter högsta atomnummer av varje atom bunden direkt
till stereocentret. Om samma atom är direkt bunden till samma
stereocenter, går man vidare till på nästa atom för att hitta en
skillnad i prioritet (a-b-c-d).
c
H3 C
a
OH
H
d
!
CH2 CH3
-OH > - CH2CH3 > - CH3 > -H
2) Lägst prioriterade atomen (d) ( lägst atomnummer) placeras
bakåt i den tredimensionella strukturen.a
b
Medurs = R (rectus)
(R)-2-butanol
c
R
b
a
Moturs = S (sinister)
Ex. Ett stereocenter
A
F
HO
H
CH2CH3
H
a
F
Br
c
OH
a
Br
c
E
b
CH3
S
b
=
H d
d
OH
OH
H
Flytta d
bakåt
(S)
H
c
Br
F b
F
(S)
(R)
Ex. Två stereocenter: Behandla varje stereocenter för sig
c
C H3
CH3
H
Ph
d
H
OH
H
OH a
(R)
CHMePh
b
CH3
CH3 CH CH CH3
a
Ph OH
b
Ph
CHMeOH
Hd
CH3 c
H
Ph b
a
HOCH
Me
(R)
CH3
c
⇒
(2R,3R)-3-Fenyl-2-Butanol
Föreningar med två asynmmetriska kol
3-fenyl-2-butanol
Ex. 1
CH3 CH CH CH3
Ph OH
CH3
H
Ph
HO
OH
HO
Ph
H CH3
Ph
H
CH3
H
CH3
H
H
CH3
CH3
Fischerprojektion
Samma konfiguration
Olika konformation
CH3
CH3
CH3
CH3
HO
H
H
OH
HO
H
H
OH
Ph
H
H
Ph
H
Ph
Ph
H
CH3
smp.
!
CH3
144-145 oC
+ 0,7 o
CH3
CH3
144-145 oC
- 0,7 o
150-151 oC
- 31 o
150-151 oC
+ 31 o
B
C
A
D
A och B respektive C och D är enatiomerer
A och C, A och D, B och C samt B och D är diastereomerer (dvs paren har olika fysikaliska egenskaper)
Diastereomerer är definitionsmässigt stereoisomerer som inte är enantiomerer
Ex. 2
Vinsyra
HOOC CH CH COOH
OH OH
COOH
H
OH
HO
H
COOH
HO
H
H
H
OH
HO
H
OH
H
OH
HO
H
COOH
COOH
Smp.
170 oC
170 oC
! =
+ 13 o
- 13 o
D
A
Racemat :
B
COOH
COOH
COOH
COOH
140 oC
0o
0o
mesoform
samma förening
lika mycket av vardera enatiomererna (A och B).
! =
D
0o
smp 206 oC
n antal asymmetriska kol kan maximalt ge 2n antal stereoisomerer
Br
Ex.
n= 3
OH
!
8 st olika stereoisomerer
cis- och trans-isomerer är diastereomerer
dvs stereoisomerer som inte är enantiomerer
Geometriska isomerer: Cis-Trans isomeri och E- och Z-systemet
H
H
H
CH3
CH3
CH3
H
CH3
H
H
CH3
Cis-2-butene
Trans-2-butene
(Z)-2-butene
(E)-2-butene
Zusammen
Entgegen
CH3
Cis-1,2-dimethyl
cyclopropane
H
CH3
CH3
H
Trans-1,2-dimethyl
cyclopropane
(Här används R- S-systemet
om man vill ange exakt stereokemi)
E och Z benämns efter atomprioritering (pss som för R- och S-systemet).
Geometriska isomerer kan bara excistera om varje alkenkol binder i
molekylen binder två olika grupper eller atomer.
a
F
Br a
a
CH3CH2
b
H
Cl
b
b
CH3
(Z)
Cl
a
CH2CH3 b
(Z), Trots en trans-isomer !
F
H
Cl
Cl
Ingen (Z) eller (E) benämning möjlig
då ett alkenkol har lika atomer
Definitioner
Konfiguration
Olika tredimensionella strukturer som är oberoende av rotation kring
enkelbindningar
Konformation
Olika tredimensionella strukturer som uppstår vid rotation kring enkelbindningar.
Stereocenter
Den tetrahedrala atom som binder fyra olika atomer eller grupper.
Kiral molekyl
En molekyl som inte är identisk med sin spegelbild.
Symmetriplan
Ett plan som delar molekylen i två spegelbilder inom molekylen.
Molecules with a symmetry plane are sad to be achiral, as meso forms
[α]o = 0o (±)-2-butanol
Racemat
Identiskt lika delar av varje enantiomer
Mesoform
Akiral molekyler med tetrahedriska stereocenter, som är optiskt inaktiva.
Optiskt aktiv förening
Molekyler som kan vrida plan-polariserat ljus.
Egenskaper hos olika stereoisomer
Karvon existerar som ett enantiomerpar:
Kummin
[!]D = +62.5
O
O
(S)-(+)-Karvon
H
H
(R)-(-)-Karvon
Mynta
[!]D = -62.5
Biologisk betydelse av kiralitet
Naturen och biologin omkring oss består av en massa enantiomera molekyler
(aminosyror, nukleosider, kolhydrater, och fosfolipider är enantiomerer).
De enskilda enantiomerna verka på olika sätt vid interaktioner i biologiska system.
Ex.
Efedrin: (astmamedicin)
Dålig passning- mindre aktiv
Bra passning – mer aktiv
