Organische chemie(1).pdf

Organische verbindingen: naamgeving, stereochemie, reacties en polymeren Faculteit Industriële Ingenieurswetenschappen Campus Groep T Leuven 1) Belangrijkste (basis) organische verbindingen Koolwaterstoffen: verbindingen die enkel bestaan uit koolstof en waterstof Alifatische koolwaterstoffen: al...

Organische verbindingen: naamgeving, stereochemie, reacties en polymeren Faculteit Industriële Ingenieurswetenschappen Campus Groep T Leuven 1) Belangrijkste (basis) organische verbindingen Koolwaterstoffen: verbindingen die enkel bestaan uit koolstof en waterstof Alifatische koolwaterstoffen: alkanen / alkenen / alkynen Aromatische koolwaterstoffen: benzeen Halogeenalkanen: bevatten een halogeen (chloor, fluor …) Ketonen en aldehyden: (**) Alcoholen: bevatten een -OH groep Carbonzuurderivaten: (***) (**) R,R’ kunnen waterstof of koolstofgroep zijn (***) X kan allerhande functionele groepen zijn (zie verder) Ethers: (*) Amines: RNH2, RNHR’, RNR’R” (*) (*) R, R’, R” zijn koolstofgroepen 2 Belangrijkste (basis) organische verbindingen Carbonylverbindingen: bevatten een carbonylgroep Carbonzuren: bevatten een carboxylgroep Carbonzuurderivaten: esters amides 3 aldehyde keton RCOOH / zuurhalogeniden zuuranhydriden Naamgeving Koolwaterstoffen Verzadigde koolwaterstoffen: geen meervoudige bindingen Alkanen: CnH2n+2, weinig reactief, veel gebruikt als brandstof Onvertakte alkanen methaan CH4 ethaan C2H6 CH3CH3 propaan C3H8 CH3CH2CH3 butaan C4H10 CH3CH2CH2CH3 CH3(CH2)2CH3 pentaan C5H12 hexaan C6H14 CH3CH2CH2CH2CH3 CH3(CH2)3CH3 heptaan C7H16 4 octaan C8H18 nonaan C9H20 decaan C10H22 Naamgeving Koolwaterstoffen Verzadigde koolwaterstoffen Vertakte alkanen: CnH2n+2, Alkylgroepen als substituent: methyl -CH3 ethyl –CH2CH3 propyl: n-propyl – CH2CH2CH3 butyl:-C(CH3)3 n-butyl –C23CH2CH2CH3 5 isopropyl –CH(CH3)2 isobutyl –CH2CH(CH3)2 sec-butyl –CH(CH3)CH2CH3 tert-butyl –C(CH3)3 Naamgeving Koolwaterstoffen Verzadigde koolwaterstoffen Vertakte alkanen: CnH2n+2, 1) zoek langste keten 2) nummer koolstofketen zodat substituent op koolstof met laagst mogelijke nummer; vermeld nummer bij de naam 3) meerdere malen dezelfde substituent: gebruik di-, tri-, tetra- enz., vermeld steeds nummer van koolstof waarop alkylgroep bindt 4) meerdere substituenten, rangschik alfabetisch (behalve di-, tri-, tetra…). 3-methylpentaan 2,3-dimethylhexaan 6 3-ethyl-2-methylpentaan Naamgeving Koolwaterstoffen Verzadigde koolwaterstoffen Cyclische alkanen: CnH2n Cyclopropaan 1,3-dimethylcyclohexaan 7 cyclobutaan cyclopentaan cyclohexaan Naamgeving Koolwaterstoffen Onverzadigde koolwaterstoffen Alkenen: CnH2n, p-binding → reactiever → geen vrije draaibaarheid rond p-binding etheen C2H4 (ethyleen) propeen C3H6 (propyleen) buteen C4H8 1-buteen penteen C5H10 hexeen C6H12 hepteen C7H14 octeen C8H16 noneen C9H18 deceen C10H20 8 cis-2-buteen trans-2-buteen 1-penteen / cis en trans 2-penteen /cis en trans 3-penteen (methylpropeen) Naamgeving Koolwaterstoffen Onverzadigde koolwaterstoffen Alkynen: CnH2n-2, 2 x p-binding → reactiever dan alkanen, minder reactief dan alkenen ethyn C2H2 (acetyleen) propyn C3H4 CH3CCH butyn C4H6 1-butyn (CHCCH2CH3) 2-butyn (CH3CCCH3) 1-pentyn (CH3CH2CH2CCH) 2-pentyn (CH3CCCH2CH3) pentyn C5H10 9 Acetyleen gebruikt bij lassen Naamgeving Koolwaterstoffen Onverzadigde koolwaterstoffen Aromatische verbindingen: benzeen, C6H6 reageert anders dan alkenen omwille van stabiliteit van aromatische ring - - component aardolie geproduceerd door vulkanen / bosbranden veelvuldig gebruikt in chemische industrie. producten die ervan gemaakt worden: plastics, harsen, synthetische vezels, rubber, smeermiddelen, kleurstoffen, geneesmiddelen, cosmetica en pesticiden inademen benzeen: schadelijk ontwikkelen beenmerg resonantie 10 Naamgeving Halogeenverbindingen Nummer van koolstof waarop halogeen bindt (liefst zo laag mogelijk) - naam van halogeen gevolgd door naam van het alkaan Als meerdere halogenen, kijken welk eerst tegengekomen wordt Als zelfde halogeen meerdere keren, gebruik di-, tri- enz. 3-broompentaan 2,2-dibroompentaan Volgorde prioriteiten Carbonzuren / esters Aldehyden / ketonen Alcoholen Amines Alkenen / Alkynen Alkanen Ethers Halogeniden 11 trichloormethaan (chloroform) Gebruik chloroform als verdovingsmiddel Naamgeving Amines Amines = aminoalkanen R-NH2 (maar ook R-NHR’ en R-NR’R”) Nummer van koolstof waarop aminogroep (-NH2) bindt zo laag mogelijk aminomethaan (methylamine) aminoethaan (ethylamine) 1-aminopropaan (n-propylamine) 2-aminoypropaan (isopropylamine) aminobenzeen (aniline) (startproduct chemische syntheses, gebruikt in productie precursors voor polyurethaan, kleurstoffen, …) 12 Naamgeving Alcoholen Alcoholen = alkanolen CnH2n+1OH Nummer van koolstof waarop hydroxylgroep (-OH) bindt zo laag mogelijk methanol CH3OH ethanol CH3CH2OH 1-propanol CH3CH2CH2OH 2-propanol CH3CHOHCH3 1-butanol CH3CH2CH2CH2OH 2-butanol CH3CHOHCH2CH3 Enz. 2-methyl-1-propanol 13 4-methyl-3-hexanol Naamgeving Ethers Ethers = alkoxyalkanen: R-O-R’ -O-R = alkoxy Kleinste alkyl groep = alkoxy methoxymethaan (dimethylether) ethoxyethaan (diethylether) 1-methoxypropaan (methyl-n-propylether) Gebruik diethylether als verdovingsmiddel 14 2-methoxypropaan (isopropylmethylether) Naamgeving Aldehyden en Ketonen Aldehyden = alkanalen Minstens één waterstof gebonden aan carbonylgroep ( H ) , nummer carbonyl koolstof is 1 (moet dus niet vermeld worden) Hersenen op formol methanal (formol) ethanal propanal butanal pentanal Ketonen = alkanonen Carbonylgroep niet eindstandig, nummer van carbonyl koolstof zo laag mogelijk Propanon (aceton) 15 butanon 2-pentanon 3-pentanon Naamgeving Carbonzuren Carbonzuren = alkaanzuren: carboxylgroep altijd eindstandig (-COOH), is koolstof nummer 1 (moet dan ook niet vermeld worden) methaanzuur (HCOOH) (mierenzuur) ethaanzuur(CH3COOH) (azijnzuur) Mierenzuur geproduceerd door mieren Azijn, een oplossing van azijnzuur in water 16 propaanzuur (CH3CH2COOH) butaanzuur (CH3(CH2)2COOH (boterzuur) 2) Stereochemie een voorwerp, een molecule, … is achiraal wanneer dit voorwerp identiek is aan zijn spiegelbeeld 17 een voorwerp, molecule,… is chiraal wanneer dit voorwerp verschillend is van zijn spiegelbeeld Stereochemie: chirale moleculen als er een koolstofatoom aanwezig is dat 4 verschillende groepen draagt wanneer een molecule chiraal is, dan zijn de twee niet-identieke spiegelbeelden enantiomeren vb: 2-chloorbutaan 18 Stereochemie: enantiomeren andere namen twee enantiomeren verschillende naam (R)-2-chloorbutaan en (S)-2-chloorbutaan Rangschik de atomen/groepen gebonden aan chiraal centrum volgens atoomnummer • • • • 19 plaats laagste prioriteit (4) weg van waarnemer kijk naar prioriteitsvolgorde van overblijvende substituenten prioriteitsvolgorde (hoog → laag) in wijzerzin: R prioriteitsvolgorde tegenwijzerzin: S Reacties met functionele groepen 20 Elektrofiele additie algemeen: A-B A B + C=C C-C additie reactie 21 Elektrofiele (polaire) additie alkenen 1  binding en 1  binding hoge elektronen densiteit  elektronen de dubbele binding de dubbele binding 22 meer vrijgesteld dan  electronen elektronenbron (nucleofiel) reageert met electrofiele agens Elektrofiele (polaire) additie Een elektrofiel deeltje E+ = deeltje met positieve lading of deellading (Lewis zuur) → neiging elektronen naar zich toe te trekken (zoals elektronen p -binding). Een nucleofiel deeltje Nu- is een deeltje met een negatieve lading of een deellading (Lewis base) → neiging elektronen af te geven. 23 Markovnikov regel • • additie in 2 stappen via een intermediair positief koolstof ion (C+). meest stabiel intermediair carbokation (positief koolstof ion C+) wordt gevormd. 24 Nucleofiele subsititutie van halogenen substitutie = vervangen nucleofiel (Nu) = elektronendonor (Lewisbase) (kan neutraal of negatief geladen zijn, beschikt altijd over een vrij elektronenpaar) leaving group (X) 25 Nucleofiele subsititutie van halogenen reactiesnelheid: v = k([Nu].[R-X]) → tweede orde SN2 (2=bimoleculair) v = k([R-X]) → eerste orde SN1 (1=unimoleculair) https://www.youtube.com/watch?v=TnY1S5IdVqI 26 Nucleofiele subsititutie van halogenen SN2 • • • • • • • • relatieve snelheid voor SN2: CH3X > 1° > 2° >> 3° tertiaire halogenides reageren niet via SN2, omwille van sterische hinder 27 reactie gebeurt in1 stap gelijktijdige aanval en afsplitsen inversie: Nu valt aan langs achterzijde bimoleculaire nucleofiele substitutie snelheid = k[alkyl halogenide][nucleofiel] tweede orde reactie Nucleofiele subsititutie van halogenen SN2 1. Snelheid reactie is afhankelijk van zowel de concentratie van RX (substraat) als van het nucleofiel 2. Snelste reactie als de alkylgroep van substraat methyl of primair is en traagst indien tertiair 3.Stereochemie: inversie van de configuratie van het gesubstitueerd product tov de configuratie van het chiraal alkyl halogenide in het begin 28 Nucleofiele subsititutie van halogenen SN1 relatieve snelheid voor SN1 volgt uit de stabiliteit van carboniumionen: 3° > 2° > 1° >> CH3X stap 1 ---------------------------------------------------------------------------------------------stap 2 29 Nucleofiele subsititutie van halogenen SN1 • • • • • • 30 relatieve snelheid voor SN1 volgt uit de stabiliteit van carboniumionen: 3° > 2° > 1° >> CH3X reactie in twee stappen vorming van een intermediair carbonium-ion (C+) racemisatie unimoleculaire substitutie snelheid = k[alkyl halogenide] eerste orde reactie Nucleofiele subsititutie van halogenen SN1 1.Snelheid reactie enkel afhankelijk van concentratie RX 2. Snelste reactie als de alkylgroep van substraat tertiair is en traagst bij primaire 3.Stereochemie: bij de substitutie van een chiraal alkyl halogenide, wordt een racemisch mengsel gevormd 31 VANAF DEZE SLIDE TOT HET EINDE VAN HET HOOFDSTUK IS GEEN EXAMENLEERSTOF MEER Nucleofiele additie aan carbonylverbindingen waarom additie ipv substitutie? dit zijn geen leaving groepen -H en –R’ in aldehyden en ketonen zijn geen leaving groepen en kunnen dus geen nucleofiele substitutie ondergaan 32 Nucleofiele additie aan carbonylverbindingen globale reactie: met zwakke Nu-: zuur-gekatalyseerde reactie 33 Nucleofiele additie aan carbonylverbindingen Ketonen zijn minder reactief dan aldehyden tov Nu• sterische reden: de carbonyl C van een aldehyde is beter bereikbaar voor het Nu• elektronische reden: de carbonyl C van een aldehyde heeft een grotere partiële positieve lading dan die van een keton (alkylgroep → inductief e- - donor) 34 Elektrofiele subsititutie van aromaten algemene reactie H E E H + + - E -A + + A- Reagentia 1. 2. 3. 4. 5. 35 Halogenering Nitrering Sulfonering Alkylering Acylering Cl2/FeCl3 HNO3/H2SO4 H2SO4/SO3 RCl/AlCl3 of alkeen/H2SO4 RCOCl/AlCl3 + H-A Elektrofiele subsititutie van aromaten 1. Halogenering 2. Nitrering 3. Sulfonering 36 Elektrofiele subsititutie van aromaten 4. Alkylering 5. Acylering 37 Elektrofiele subsititutie van aromaten Reagens(E+) Katalysator Product X2 (X+) FeX3 Halogeenbenzeen HNO3 (NO2+) H2SO4 Nitrobenzeen H2SO4 (SO3H+) SO3 Benzeensulfonzuur Alkylering R-X (R+) AlX3 Alkylbenzeen Acylering R- CO - X (R - CO+) AlX3 Acylbenzeen Type reactie Halogenering Nitrering Sulfonering 38 Allerhande polymeren: radicalaire additie polymerisatie vb: 39 Allerhande polymeren: radicalaire additie polymerisatie 1.Initiatie = vorming van vrij radicaal 2.propagatie 3.Terminatie = elke reactie waarbij radicalen verdwijnen 40 Allerhande polymeren: aromatische polymeren Bakeliet Epoxyharsen 41 Allerhande polymeren: aromatische polymeren Polystyreen (PS): amorf, thermoplast n=10000-30000 42 Allerhande polymeren: polymeren met halogenen Poly(vinyl chloride) (PVC) 43 Allerhande polymeren: polymeren met alcoholen PVA= Poly Vinyl Alcohol zetmeel cellulose 44