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:
C
4 valens
elektroner
C
Enkel
C
C
Dubbel
Trippel
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 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
MÄTTADE
ALKANER
CYKLOALKANER
AROMATISKA KOLVÄTEN
OMÄTTADE
ALKENER
BENSEN-DERIVAT
POLYAROMATER
ALKYNER
CH3
CH3
Kol har en tetraedisk struktur
Exempel: Metan, CH4
4 bindande elektronpar
som delas med väten
H
C
H
Electron dot
Structure
H
H
H
H H
C
H
H
Lewis
structure
C
H
H
H
Space
structure
HYBRIDISERING AV ORBITALER I KOL
ALKANER, ALKENER och ALKYNER
sp3
sp2
KOL: Grundtillstånd
sp
Exciterat tillstånd
2p
2p
2s
2s
1s
1s
Hybridisering
sp3 -
sp2 - eller sp - orbitaler
sp3 hybridisering: 4 st sp3 ex Metan
4
H
sp3
109,5 °
C
H
H
H
4 st tetrahedrisk orienterade sp3 orbitaler
1s
binder var sitt väte i
sp2 hybridisering: 3 st sp2 +1st p ex Eten
H
H
C
H
1st 2p
!-bindningar
C
120 °
H
"- Bindn.
3st sp2
H
sp hybridisering: 2 st sp + 2 st p ex Etyn
H
H
H
1s
C
C
!- Bindn.
H C
180 °
C H
"- Bindn.
2st 2p
2st sp
H
C
"- Bindn.
1s
Bindningslängd minskar med ökad s-karaktär i bindningen
C C
sp3 1,54 Å
C C
sp2 1,34 Å
C C
sp 1,20 Å
C
H
!- Bindn.
ALKANER:
Kolväten som är mättade (bara enkelbindningar)
1. Acykliska kolväten
Generell summaformel
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
Tetrahedrisk riktade sp3 orbitaler
H
CH3
H
CnH2n+2
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
Förenklat skrivsätt - H:n utelämnas
2. Grenade kolväten: exempel:
3. Cykliska kolväten: Cykloalkaner Generell formel: CnH2n (en ring) prefix: cyklo-
Cyklopropan Cyklobutan
Cyklopentan Cyklohexan
Har inskränkt rotation kring C - C 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 C5H12:
metylbutan
(isopentan)
n-pentan
C 4H10
2 st
C 6H14
5 st
C 7H16
9 st
C 10H22
75 st
Antalet strukturisomerer ökar snabbt
T.ex. C3 0H 6 2
> 4 x 109
Studera även på egen hand: Organisk kemisk nomenklatur med
Övningsuppgifter (se hemsidan)
Systematisk namngivning
3.
4.
5.
Namngivning (nomenklatur) nödvändig
!
NOMENKLTUR
1.
2.
dimetylpropan
(neopentan)
(enligt IUPAC)
Längsta kolkedjan blir basnamn
Kolatomerna numreras från den ände som 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 ALKYL-substituenter (strukturfragment)
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
Understruken begynnelsebokstav används vid alfabetisk ordning.
Ex.
4-etyl-3-metyl-5-propylnonan
3-etyl-3,4-dimetylhexan
2,4,6-trimetylheptan
3-etyl-2,3-dimetylpentan
Cykloalkaner
Exempel:
prefix: cyklo-
4-Isopropyl-1,1-dimetylcyklohexan
i basnamnet
3-Cyklohexylheptan
som substituent
Trivialnamn är historisk vedertagna icke-systematiska namn som ofta används,
Exempelvis: Ättiksyra, acetylen,
Alkaner erhålls genom fraktionerad destillation av petroleum (råolja)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Naturgas
Råbensin
Råfotogen
Dieselolja
Smörjolja
Paraffin
Asfalt
Oktantal:
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
Högt oktantal i bensin minskar att motorer självantänder då kolven
komprimeras (knackning)
Grenade kolväten har högre oktantal än raka kedjor
CH3
n-Heptan
(n=normal, dvs rak kedja)
Oktantal:
0
2,2,4-Trimetylpentan
(Isooktan)
Cyklohexan
Toluen
100
83
103
T.ex 95 oktanig bensin består av blandning som motsvaras av referensföreningarna
n-heptan och isooktan i 5% respektive 95% blandning
H3C
H3C
CH3
O
CH3
Tert-Butyl Metyl Eter (TBME) används i bensin (!5 %)
som tillsats för att minska självtändning.
Tidigare användes miljöfarliga blyorganiska föreningar.
ALKENER
ETEN
Omättade kolväten med dubbelbindning
Generell formel: CnH2n
Ändelsen -an ändras till –en
(etylen)
H
H
C
Plan struktur
med 120o vinkel
C
H
H
π-bindning
3 st. sp2-orbitaler (σ-bindningar)
Resterande 2pz ger π-bindningen
Fri rotation omöjlig utan att bryta
dubbelbindningen
σ-bindning
Vanliga exempel
Propen
1-Buten
(But-1-en)
2-Buten
(But-2-en)
Isopren
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.
Alltid numrering genom
dubbelbindningen
6
1
2-Etyl-5-metyl-1-hexen
6,7-Dimetyl-1-okten
(2-Etyl-5-metylhex-1-en)
(6,7-Dimetylokt-1-en)
Olika typer av dubbelbindningar
Konjugerade dubbelbindningar
1,3-Butadien
(Buta-1,3-dien)
1,3,5-Hexatrien
(Heaxa-1,3,5-trien)
växelvis : enkel- och dubbelbindn.
Ex.vis: Kar oten, Vitamin A
Isolerade dubbelbindningar
Cyklohexen
1,5-Hexadien
(Heaxa-1,5-dien)
Uppgift: Ge strukturformler för alla icke-cykliska isomerer med molekylformeln C5H10. (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
H
H
H
CH 3
H 3C
H
H 3C
Cis-2-buten
Trans-2-buten
Cis =samma sida
ALKYNER
CH3
T rans =olika sidor
H
H
H
H 3C
CH 3
H 3C
H
Trans-1,2-dimetylcyklopropan
Cis-1,2-dimetylcyklopropan
Omättade kolväten med trippelbindning
CH3
CnH2n-2
-an ändras till -yn
Etyn (Acetylen)
H
C H
C
2 st. sp-orbitaler bilda σ-bindningar och 2 fria p-orbitaler bildar 2 st π-bindningar
H-C≡C-CH2-CH3 1-Butyn (But-1-yn)
CH3-C≡C-CH3
2-butyn (but-2-yn)
Reaktioner med alkener och alkyner : ADDITION
Hydrogenering: addition av vätgas med katalysator
Pt
CH3 CH CH2 + H2
Halogenering:
CH3
CH2
CH3
CH2
Br
1,2-dibrompropan
addition av halogen
CH
CH2
+
Br 2
CH3
Propen
CH3
CH3
C
CH
+
2 Cl 2
CH
Br
Cl
C
Cl
CH3
Propyn
Hydratisering:
Cl
CH
Cl
1,1,2,2-tetraklorpropan
addition av vatten
CH3
CH
CH2
+
H2O
H2SO4
CH3
OH
CH
CH3
katalysator
Hydrohalogenering: addition av HCl eller HBr
Br
CH3
CH
CH2
+
H-Br
CH3
CH
CH3
> 90 %
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
CH3
CH3
CH3
CH3
CH=CH2
CH3
CH3
CH3
Metylbensen 1,2-Dimetylbensen 1,3-Dimetylbensen 1,4-Dimetylbensen Fenyleten
Toluen
orto-Xylen
meta-Xylen
para-Xylen
Styren
Som substituent betecknas en bensenring (C6H5-) 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:
Ph
Br
8
1
5
4
7
CH3
3
6
4-brommetylbensen
(p-bromtoluen)
5-fenyl-2-hepten
2
2-etylnaftalen
Stereokemi 1:
Konformationer
Konformationer är strukturer som uppträder vid rotation kring en enkelbindning
Ex. n-Butan
H
H
CH3-CH2-CH2-CH3
CH3
CH3
H
H
H
H3C
H3C
H
H
HH
CH3
H
H
Kilprojektion
H
CH3
H3C H
"Staggered"
60° mellan bindn.
H
H
CH3
H
CH3
H
CH3
H3CCH
H
"Eclipsed"
0° mellan bindn.
3
H
H
Sågbock
HH
Anti
HH
Newmanprojektion
Syn
Mest stabila
konformationen
Minst stabila
konformationen
= Olika projektioner
Vid rotation kring en enkelbindning (C2 –C3) 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:
ax
ax
ax
eq
Ekvatoriell
bindning
Axial
Bindning
eq
eq
C
ax
ax
eq
eq
eq
eq
ax
Stolformer stabilast
ax
eq
C
eq
ring
flipp
ax
eq
eq
ax
eq
ax
ax
Vardagsexempel: Glukos
OH
H
H
HO
O
OH
H
HO
Ring med en Metyl-substituent:
ax
HO H
H
Stabilare
Att rita och flippa cyklohexanringar:
Tänk en streckad linje
som sammanbinder
de paralella linjerna,
fyll i de röda streckade
Rita två paralella linjer
Rita in ekvatoriella
bindningar i paralellt
med näst nästa bindning
i ringen (se motsv. färg)
Rita in lodräta axiala
bindningar i vinkelspetsens
förlängning
Ringflipp
Sammanfoga ringen
enligt de blå streckade
linjerna
Färdigt slutresultat !
Genom att flytta ringkolen enligt
pilarana fås dena andra formen ekvatoriella bindningar blir i nya
strukturen axiala 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:
H3C
Trans- och Cis-1-Etyl-4-metylcyklohexan
CH2
H 3C
H
H
trans
Olika
Konfigrationer
CH2
H
CH3
CH3
H
cis
Stabilaste
konformationen
för respetive
konfiguration
med största
substituenten
ekvatoriellt
CH3
Olika
Konforma
-tioner
H
H
1
Axialt läge
mindre gynnsamt pga
sterisk1,3-interaktion
3
3
Olika
Konforma
-tioner
