Koolstofchemie

Hoofdstuk 9
Koolstofchemie
Chemie 6 (2u)
Deze slides voor de lesbegeleiding worden ter beschikking gesteld, maar
ze zijn te beperkt om als samenvatting van de cursus te kunnen dienen.

• KWS: C, H
Koolwaterstoffen
• Alkanen (C nH 2n+2)
Alkenen (C nH 2n)
Alkynen (C nH2 n-2)
n n-2
• Cyclische alkanen (C nH 2n)
• Zijtakken: alkylgroepen (- C nH 2n+1)
• Isomeren (keten, plaats, cis/trans)
• Naamgeving
• Gebruik

Oefeningen p. 83
1. Naam + structuur 2 ketenisomeren C 4H 10
2. Naam + structuur 3 ketenisomeren C 5H 12
3. Naam + structuur 2 plaatsisomeren C 5H 10
4. Naam + structuur alle isomeren C5H10 5. C-C-C-C-C-C-C
C C C C C
C
a) 1,4,6,7-tetramethyl-5-ethylheptaan
b) 3,5-dimethym-4-ethylnonaan
c) 5,7-dimethym-6-ethylnonaan
d) 4-ehyl-3,5-dimethylnonaan

Halogeenalkanen
• Oplosmiddelen, verfafbijtmiddelen
• In alkanen H’s homolytisch substitueren door
halogenen: sterke σ-bindingen breken met UV
• Voorbeeld: C C5H 5H 12 + Br 2 C C5H 5H11Br 11Br + HBr (g)
Energie: EUV > 300 kJ/mol fotonen
C-C: 348 kJ/mol
C-H: 413 kJ/mol
Br-Br: 193 kJ/mol
UV
UV
• Plaatsisomeren: 1-broompentaan, 2-C 5H 11Br, 3-...

• Initiatie: Br-Br Br∙ + Br∙
• Propagatie: spontaan reactiemechanisme
Br∙ H ∙ ∙CH 2CH 2CH 2CH 2CH 3
Br-H ∙CH 2CH 2CH 2CH 2CH 3
Br-Br ∙CH ∙CH2CH CH2CH CH2CH CH2CH CH3
Br∙ Br-CH2CH2CH2CH2CH3 • Terminatie: C5H11∙ + Br∙ C5H11Br C 5H 11∙ + C 5H 11∙ C 10H 22
Br∙ + Br∙ Br 2

Naamgeving
• Langste keten en zijketens met -yl zoals bij
alkanen
• Nummer(s) C-atoom met halogeen, laagste
nummers, alfabetisch, eventueel di, tri,..
• Vb: 1-broom-4,4-dichloor-2-methylbutaan
Oefeningen p. 86
• 1, 2, 5 : naamgeving halogeenalkanen
• 4 : substitutiereactie CH 4 CCl 4

Elektrofiele additie bij alkenen en
alkynen met halogenen
• Dubbele binding: π makkelijk breekbaar
• C 2H 4 + Br 2 C 2H 4Br 2
• Stap 1: polarisatie van dibroom

• C 2H 4 + Br 2 C 2H 4Br + + Br -
• Br - + C 2H 4Br + CH 2Br-CH 2Br

Elektrofiele additie van Br 2 op ethyn
• C 2H 2 + Br 2 C 2H 2Br 2 (trans-1,2-dibroometheen)
• C 2H 2Br 2 + Br 2 C 2H 2Br 4
• ethyn + dibroom 1,1,2,2 tetrabroomethaan
Oefening:
• geef de reactiestappen
• Verklaar waarom in de tussenstap het transisomeer
ontstaat

Elektrofiele additie van HBr op etheen
• C 2H 4 + HBr C 2H 5Br
• Elektonegativiteit: HBr (ΔEN =2,8-2,1=0,7)
• C 2H 4 + HBr C 2H 5 + + Br - C2H 5Br

Elektrofiele additie van HBr op propeen
• C 3H 6 + HBr C 3H 7Br
• 1-broompropaan en 2-broompropaan
• Elektronegativiteit: CH-bindingen
• Inductief effect: CH CH3CHCH 3CHCH 2

Regel van Markovnikov
• Bij additie van waterstofhalogeniden (HX) op
asymmetrische alkenen zal de H zich binden
op het C-atoom met het grootste aantal H’s en
het halogeen op dat met de minste H-atomen.
Oefeningen p 94
4) 2-butyn + Cl 2
5) Synthese van 1,2,6,7-tetrajoodoctaan
6) Naam CH 3-CHCl-CH 2-C(CH 3)=CH 2
7) HI + 3-methyl-3-hexeen

Eliminatie halogenen uit
halogeenalkanen
• Debromering van 1,2-dibroomethaan met Zn :
Br-CH 2-CH 2-Br + Zn CH 2=CH 2 + Zn 2+ + 2 Br -
• Eliminatie HBr uit 2-broompropaan met KOH :
CH3CHBr-CH3 + K + + OH- CH3CHBr-CH3 + K + OH
CH3-CH=CH2 + K + + Br- + H2O

Oefeningen p. 96
1. 1,2-dibroomethaan + Zn: Zn Zn 2+ (oxidatie)
reductie ?
2. Synthese 1-penteen door eliminatiereactie ?
4. Oxidatietrappen C-atomen 2-broompropaan
voor en na eliminatiereactie met KOH

Nucleofiele substitutie van
halogeenalkanen
• C 2H 5Br + Na + + OH - C 2H 5OH + Na + + Br -
• Heterolytische substitutiereactie
met nucleofiel reagens OH - (negatieve lading)

Klassficatie organische stoffen
• R-OH alcoholen
• R-CHO aldehyden
• R-CO-R’ ketonen
• C-COOH carbonzuren
• R-COO-R’ esters
• R-O-R’ ethers
• R-NH 2
• R-CO-NH 2
aminen
amiden

Alcoholen
• Brandstof, oplosmiddel,...
• Ethanol: goed oplosbaar in water ⇒ polair
• Na + CH CH OH Na + + C H O- • Na + CH3CH2OH Na + ½ H
+ + C2H5O- + ½ H2 Na + HOH Na + + HO- + ½ H2 Ethanolreactie minder hevig ⇒ minder polair
• Ethanol + zwavelzuur C 2H 5OH 2 + + HSO4 -
⇒ ethanol Brønstedbase (protonacceptor)

Nucleofiele substitutie van alcohol
• C 2H 5OH + H 2SO 4 + KBr C 2H 5Br + KHSO 4 + H 2O

Eliminatie bij alcoholen
• C 2H 5OH + H 2SO 4 C 2H 4 + H + + HSO 4 - + H2O
• Zelfde reactie zonder KBr

• methanol
• ethanol
• 1-propanol
Primaire alcoholen

• 2-propanol
• 2-butanol
• 3-pentanol
Secundaire alcoholen

• 2-methyl-2-propanol
• ethaandiol
• propaantriol
Tertiaire alcoholen
Meervoudige alcoholen

1. 1-pentanol
3-hexanol
3-ethyl-3-pentanol
3-ethyl-2-butanol
3-ethyl-1-butanol
1,3-butaandiol
2.
Oefeningen p. 113

Oxidatie van alcoholen tot
aldehyden en ketonen
• R-CHO aldehyden
• R-CO-R’ ketonen
• Welke wijziging in oxidatietrappen is er bij de
oxidatie van ethanol tot ethanal?

• Ethanol oxideert tot ethanal (aldehyde)
met kaliumdichromaat in zuur milieu
• Redoxreactie , ladingbalans , atoombalans ⇒
• K2Cr2O7 + 3 C2H5OH + 4 H2SO4
Cr2(SO4) 3 + 3 CH3CHO + 7 H2O + K2SO4 • Reductie: K K2Cr 2Cr2O 2O 7 (+VI) Cr Cr2(SO 2(SO4) 4) 3 (+III)
• Reactie: alcoholtest
• Verslag proef: doel , materiaal, werkwijze ,
waarneming , besluit
• Oxidatie secundaire alcoholen ketonen
• Tertiaire alcoholen niet oxideerbaar

Oxidatie van aldehyden
tot carbonzuren
• R-COOH carbonzuren
• Welke wijziging in oxidatietrappen is er bij de
oxidatie van ethanal tot azijnzuur?

• Aldehyden kunnen geoxideerd worden tot
carbonzuren, ketonen niet
• CH 3-CHO + 2 CuO CH 3-COOH + Cu 2O
• Reactiemechanisme: 2 CuO Cu Cu2O O + O

Naamgeving aldehyden en ketonen
• H-CHO methanal (formaldehyd)
• CH 3-CHO ethanal (aceetaldehyd)
• CH 3CH 2-CHO propanal
• CH3-CO-CH3 propanon (dimethylketon, aceton)
• C2H5-CO-CH3 butanon
• C 3H 7-CO-CH 3 2-pentanon
• C 2H 5-CO-C 2H 5 3-pentanon

Oefeningen p. 124
1. Synthese butaanzuur door oxidatie
3. Structuurformules: 2-methylpentanal
5-methyl-3-hexanon
3-ethylhexaanzuur
2,2-dichloorbutaanzuur
4. Alle onvertakte ketonen C 7H 14O
5. Naam van de stoffen (zie p. 124)

Reductie van aldehyden en ketonen
• Gringardreagentia
• (p. 125 – 132)
Aldolreacties

Carbonzuren
• Organische zuren in bv. fruit (citroenzuur),
zuurkool, yoghurt (melkzuur), rabarber
(oxaalzuur), azijn (waterstofacetaat),
mierenzuur...
• Zeep = Na- of K-zouten van vetzuren
• Azijnzuur:
CH 3-COOH + H 2O H 3O + + CH 3-COO -

Ionisatie van carbonzuren
• CH 3-COOH + H 2O H 3O + + CH 3-COO -
» + H 3O +

Sterkte van carbonzuren
• Verslag proef :
Mg + HCl
+ HCOOH
+ CH 3COOH
• HCl : sterk zuur
• K z (HCOOH)= 1,78.10 -4
• K z (CH 3COOH)= 1,78.10 -5
• Propionzuur nog zwakker
• Gehalogeneerden: sterker

Namen monocarbonzuren
• Methaanzuur = mierenzuur (ontkalker)
• Ethaanzuur = azijnzuur
• Propaanzuur = propionzuur (anti-schimmel)
• Butaanzuur = boterzuur
• Pentaanzuur = valeriaanzuur

Speciale carbonzuren
• Vetzuren: C > 10 (zeep)
• Melkzuur: CH 3-CHOH-COOH (D en L)
• Acrylzuur: CH 2=CH-COOH (plastics)
• Oliezuur: C C8HH 17-CH=CH-C -CH=CH-C7HH 14-COOH -COOH
(voeding, verf)
• Oxaalzuur: HOOC-COOH (rabarber)
• Citroenzuur: CH 2-COOH
HO-C-COOH
CH 2-COOH

Aminozuren en amiden
• Aminozuren: biologisch
(proteïnen zijn aaneenschakelingen
van amino-
zuren: peptidebinding)
• Amiden: plastics
(basis voor polyamidekunststoffen)
of biologisch
(ureum is een di-amide)

Verestering van carbonzuren
H 2SO 4
• C 2H 5OH + CH 3COOH CH 3COOC 2H 5 + H 2O
• Condensatiereactie grote molecule + water

Esters
• Aroma’s in dranken en parfums
• Vetten en olies
• methylformiaat = methylmethanoaat
• ethylformiaat = ethylmethanoaat
• methylacetaat = methylethanoaat
• ethylacetaat = ethylethanoaat
• methylpropionaat = methylpropanoaat

Vetten en olies: vetzure esters
• Vetten: esters uit verzadigde vetzuren + glycerol
Condensatiereacties met afsplitsing van 3 H 2O’s
• Olies: esters uit onverzadigde vetzuren + glycerol

Verzeping van (vetzure) esters
• Zeep = Na of K-zout van verzadigd vetzuur met
16 of 18 C-atomen: RCOO - + Na +
• Bereiding: (3-voudige) olie- of vetester + NaOH
• Hydrolysereactie in basisch milieu:

Ethers
• Vluchtige geurstoffen in kruiden en parfums
• R-O-R’
• Bereiding diethylether
Na + C H OH C H O- + Na + Na + C2H5OH C2H5O + ½ H
- + Na + + ½ H2 C2H5Br + C2H5O- C2H5-O-C2H5 + Br- • CH3-O-CH3 dimethylether (methoxymethaan)
CH3-O-C2H5 ethylmethylether (methoxyethaan)
C2H5-O-C2H5 diethylether (ethoxyethaan)

Aminen
• Rotte vis, nicotine, heroïne, cocaïne, morfine,...
• Synthese van ethylamine:
C 2H 5Br + 2 NH 3 C 2H 5-NH 2 + NH 4Br
• Secundair diethylamine: (C 2H 5) 2NH
• Tertiair triethylamine: (C 2H 5) 3N
• Quartaire ammoniumzouten: R 4N +

Benzeen
• Kankerverwekkende stof
• Belangrijke chemische verbinding
• Aromatische verbinding
• Mesomeren:

Oefeningen p. 174
2. Verschil benzeen en cyclohexeen ?
4. Bifenyl: 2 benzeenringen gebonden via σ
• Structuurformule
• Waarom reactiever dan benzeen bij elektrofiele
substitutie?

Halogeenderivaten van benzeen
• Broombenzeen, chloorbenzeen
H Br
+ Br 2
FeBr 3
σ-complex
• Ortho-dichloorbenzeen
(1,2 dichloorbenzeen = o-dichloorbenzeen)
• Meta-dichloorbenzeen
(1,3 dichloorbenzeen = m-dichloorbenzeen)
• Para-dichloorbenzeen
(1,4 dichloorbenzeen = p-dichloorbenzeen)
• p 178 oef 2: isomeren tri- en tetrachloorbenzeen
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl

Andere substitutieproducten
van benzeen
• Nitrobenzeen: trinitrotolueen (TNT)
1-methyl-2,4,6-trinitrobenzeen
• Fenol:
OH
• p 185 oef 1: formule 2,4,6-tribroomfenol
• p 185 oef 2: isomeren 1,2 difenyletheen
NO 2
NO 2 CH3
NO 2

Synthese van tolueen
• Methylbenzeen: minder gevaarlijk
Oplosmiddel, uitgangsstof voor reacties,...
• E- van π-systeem niet voor reacties (stabiel)
• Elektrofiele substitutiereactie (via σ-complex):
C C6HH 6 + CH CH3Cl Cl
AlBr C 3
6H5CH3 + HCl (g)
CH 3

Oriëntatieregels
• Subst. reactie: fenol + salpeterzuur nitrofenol
? % o-, m- en p-nitrofenol
⇒ OH-groep is ortho-para-richter
• CH CH3, 3, NH 2 en halogenen zijn ook ortho-para- ortho-pararichters
(maar Cl en Br desactiveren ipv activeren)
• Oriënterend vermogen nitrogroep:
nitrobenzeen + HNO 3 90% m-dinitrobenzeen
⇒ NO 2-groep is meta-richter (desactiverend)

Ortho- en para-richters
• OH-groep kan e-paar ter beschikking stellen
van fenylring die makkelijker een elektrofiele
substitutie kan ondergaan.
Het gedelocaliseerde elektronenpaar zit
statistisch meer op de o- en p-C-atomen

Ortho- en para-richters
• Een methylgroep kan ook elektronen bieden
• Halogenen stellen elektronen ter beschikking
maar desactiveren door hun elektronegativiteit

Meta-richters
• NO 2-groep trekt e-paar weg van fenylring die
moeilijker een elektrofiele substitutie kan
ondergaan. De positieve lading zit statistisch
meer op de m-C-atomen.

Oefeningen p. 194
1. c) mono-ethylering van fenol
d) nitrering van ethyl-benzeen
2. Volgorde substitutie voor bereiding
p-broom-nitro-benzeen en p-broom-fenol
4. Bromeren tot 2,4,6-tribroom-fenol. Waarom is
OH-oriëntatie sterker dan Br in p-broom-fenol

Azo-kleurstoffen
• Pigmenten in verf: ionen (Cu,Co,Mn,Cr,Fe,…)
• Kleurstoffen: met textiel verbonden
organische moleculen (natuurlijk of chemisch)
• Azo-kleurstoffen: N-groepen op benzeen
Nitrobenzeen reduceren tot aniline:
Aniline + HNO2 + HCl
benzeen-diazonium-chloride
Diazonium + fenol(aat)
4-hydroxy-azobenzeen
(oranje azo-kleurstof)
NH 2
N≡N| + Cl -
O -
N=N OH

Kleuren
• Terugkaatsing onvolledig spectrum: absorptie
⇒ oog neemt complementaire kleur waar
• Menging van RGB:
• Azo-kleurstoffen slorpen kleuren op door aanslag
e - uit het π-systeem (getrapte terugval in IR)
Andere substitutiegroepen ⇒ andere energie (λ)

Aromatische carbonzuren
• Oxidatie van aromatische aldehyden tot
aromatische carbonzuren
• Benzaldehyd benzoëzuur
COOH
• Tereftaalzuur = p-benzeendicarbonzuur
⇒ PET-ester: polyetheentereftalaat
• Salicilzuur = o-hydroxybenzoëzuur
⇒ aspirine (acetylsalicylzuur)
COOH
OH
COOH
COOH

Kunststoffen
• Marcromoleculen en polymeren
• Polyetheen
• Polystyreen
• Polycondensaties: polyesters en polyamiden
• Polyadditie: polyurethaan