Organisk kemi föreläsning 12 - IFM

KOLFÖRENINGANRNAS KEMI
ORGANISK KEMI Fö12-2013/TFKE52
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 runt 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 kemisten 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 C C C
4 valens
elektroner
Enkel Dubbel Trippel
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 har ringar kan man dela in organiska
kolväten enligt schema nedan.

Kolets kretslopp:
Schema: Organiska kemins skelett - Indelning av kolväten
ALKANER
MÄTTADE
ALIFATISKA KOLVÄTEN
CYKLOALKANER
OMÄTTADE
ALKENER
Kol har en tetraedisk struktur
Exempel: Metan, CH4
4 bindande elektronpar
som delas med väten
KOLVÄTEN
ALKYNER
CH 3
H
AROMATISKA KOLVÄTEN
BENSEN-DERIVAT
H
CH 3
C H
H
H
C
H
POLYAROMATER
Olika sätt att visa bindningar: Electron dot Lewis Space
structure structure structure
H
H
H
H
H
C
H

2p
2s
1s
HYBRIDISERING AV ORBITALER I KOL
ALKANER, ALKENER och ALKYNER
sp 3 sp 2 sp
KOL: Grundtillstånd
2p
2s
1s
sp 3 hybridisering: 4 st sp 3 ex Metan
4 sp 3
1s
sp 2 hybridisering: 3 st sp 2 +1st p ex Eten
1st 2p
3st sp 2
1s
sp hybridisering: 2 st sp + 2 st p ex Etyn
2st 2p
2st sp
1s
Exciterat tillstånd
Hybridisering
sp3 - sp2 - eller sp - orbitaler
H
H
H
C
H
109,5 °
4 st tetrahedrisk orienterade sp 3 orbitaler
binder var sitt väte i !-bindningar
H
H
H
H
H
H
C C
C
C
"- Bindn.
Bindningslängd minskar med ökad s-karaktär i bindningen
C C C C
C C
sp 3 1,54 Å sp 2 1,34 Å sp 1,20 Å
H
H
C C H
120 °
"- Bindn.
H
C
H
!- Bindn.
180 °
"- Bindn.
C
H
!- Bindn.

ALKANER: Kolväten som är mättade (bara enkelbindningar)
1. Acykliska kolväten Generell summaformel CnH2n+2
Metan CH4 H C H
Etan C 2 H 6
Propan C 3 H 8
Butan C 4 H 10
Pentan C 5 H 12
Hexan C 6 H 14
Heptan C 7 H 16
Oktan C 8 H 18
Nonan C 9 H 20
Dekan C 10 H 22
H
H
H
H
C
H
H
H C
H
C H
H
H
C
H H
H
C H
H
CH 3 CH 2 CH 2 CH 3
2. Grenade kolväten: exempel:
H
H
H
109,5 o
H
CH 3 CH 3
CH 3
CH 2
CH 3
Tetrahedriska bindningsvinklar
Tetrahedrisk riktade sp 3 orbitaler
Olika skrivsätt
Förenklat skrivsätt - H:n utelämnas
Rotation sker kring enkelbindning.
Homolog serie (kedjan förlängs med en -CH 2 -)
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 Laird: Tab 16.1
Råolja är främsta källan
Energiförbränning (oxidation) är främsta reaktion och användning
”Oreaktiva” ämnen, olösliga i vatten pga opolära egenskaper

STRUKTURISOMERER: föreningar med samma molekylformel (summaformel) men med
olika strukturformel. Förutom raka kolkedjor kan även grenade kolskelett förkomma.
Ex. 3 st isomerer finns av summaformeln C5H12:
C 4 H 10 2 st
C 6 H 14 5 st
C 7 H 16 9 st
C 10 H 22 75 st
n-pentan
metylbutan
(isopentan)
Antalet strukturisomerer ökar snabbt
T.ex. C 30 H 62 > 4 x 10 9
dimetylpropan
(neopentan)
! Namngivning (nomenklatur) nödvändig
NOMENKLTUR Studera även på egen hand: Organisk kemisk nomenklatur med
Övningsuppgifter (se hemsidan)
Systematisk namngivning (enligt IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry)
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.
5. Flera identiska substituenter anges med: di, tri, tetra, .............
Vanliga namn på strukturfragment är ALKYL-substituenter
Allmänt: Alkyl R
Metyl
Etyl
Propyl
Isopropyl
(Me -)
(Et -)
(Pr -)
CH 3
CH 3CH 2
CH 3CH 2CH 2
CH 3 - CH
H 3C
Butyl (Bu-)
Isobutyl
tert.-Butyl
Pentyl
CH 3CH 2CH 2CH 2
CH 3 - CHCH 2CH 2
H 3C
H 3C
CH 3 - CH
H 3C
CH 3CH 2CH 2CH 2CH 2
Begynnelsebokstaven används vid alfabetisk ordning av substituenter, gäller även iso- men ej tert.-.
Ex.
4-etyl-3-metyl-5-propylnonan 3-etyl-3,4-dimetylhexan 2,4,6-trimetylheptan 3-etyl-2,3-dimetylpentan

Cykloalkaner prefix: cyklo-
Exempel:
4-Isopropyl-1,1-dimetylcyklohexan 3-Cyklohexylheptan
i basnamnet som substituent
Trivialnamn är historisk vedertagna icke-systematiska namn som ofta används,
Exempelvis: Ättiksyra, acetylen, aceton
Alkaner erhålls genom 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
Oktantal: Högt oktantal i bensin minskar att motorer självantänder då kolven
komprimeras (knackning)
Grenade kolväten har högre oktantal än raka kedjor
n-Heptan
(n=normal, dvs rak kedja)
2,2,4-Trimetylpentan
(Isooktan)
CH 3
Cyklohexan Toluen
Oktantal: 0 100 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 CH 3
O CH 3
Tert-Butyl Metyl Eter (TBME) används i bensin (≈5 %)
som tillsats för att minska självtändning.
Tidigare användes miljöfarliga blyorganiska föreningar.

ALKENER Omättade kolväten med en eller flera dubbelbindningar
ETEN (etylen)
Plan struktur
med 120 o vinkel
3 st. sp 2 -orbitaler (σ-bindningar)
Resterande 2pz ger π-bindningen
Fri rotation kring dubbelbindning
omöjlig utan att bryta bindningen
Vanliga exempel
Generell formel: CnH2n Ändelsen -an ändras till –en
H
H
C C
H
H
"-bindning
Propen 1-Buten 2-Buten Isopren
(But-1-en) (But-2-en) (2-Metylbuta-1,3-dien)
Eten, propen m.fl. används istora mängder för polymertillverkning - plaster
!-bindning
Nomenklatur: Alkener
a) Basnamnet skall innehålla den viktigaste funktionella gruppen och den längsta kolkedjan
b) Numrering väljs så att alkengruppen får lägst nummer
1
6
Alltid numrering genom
dubbelbindningen
2-Etyl-5-metyl-1-hexen 6,7-Dimetyl-1-okten (äldre regler: 1-okten)
(2-Etyl-5-metylhex-1-en) (6,7-Dimetylokt-1-en) (nya regler: okt-1-en
Olika typer av dubbelbindningar
1,3-Butadien
(Buta-1,3-dien)
Cyklohexen
1,3,5-Hexatrien
(Hexa-1,3,5-trien)
1,5-Hexadien
(Hexa-1,5-dien)
Konjugerade dubbelbindningar är
växelvis enkel och dubbelbindningar
Ex.vis. Karoten och Vitamin A har
11 resp. 6 konj. dubbelbindningar,
vilket ger färgade föreningar
Isolerade dubbebindningar
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
H
H 3C
H
CH 3
H
H 3C
Cis-2-buten Trans-2-buten
CH 3
Cis =samma sida T rans =olika sidor
H
lika sätt, men är arrangerade i rymden på olika sätt
H H
H 3C CH 3
Cis-1,2-dimetylcyklopropan
H CH3
H 3C H
Trans-1,2-dimetylcyklopropan
ALKYNER Omättade kolväten med trippelbindning CnH2n-2 -an ändras till -yn
Etyn (Acetylen)
H
C C H
2 st sp-orbitaler bildar 2 σ-bindningar och de fria p-orbitalerna 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
CH3 CH CH2 + H2 Pt
Halogenering: addition av halogen
CH 3 CH CH 2
Propen
CH 3 C CH
Propyn
+ Br 2
+ 2 Cl 2
Hydratisering: addition av vatten
CH 3 CH CH 2
+ H 2 O
CH 3 CH CH 2
Br Br
Cl Cl
CH3 C CH
Cl Cl
katalysator
Hydrohalogenering: addition av HCl eller HBr
CH 3 CH 2 CH 3
1,2-dibrompropan
1,1,2,2-tetraklorpropan
OH
H 2 SO 4 CH 3 CH CH 3
CH3 CH CH2 + H-Br
CH3 CH CH3 > 90 %
Br

Aromatiska kolväten
Bensen - den enklaste aromaten
Plan sp 2 -hybridiserad ring elektronerna är delokaliserade runt i ringen
med ett väte på varje kol vilket kan beskrivas med resonansstrukturer
Substituerade aromater
CH 3
Metylbensen
Toluen
Resonansstrukturer
(enskilda strukturer)
CH 3
CH 3
1,2-Dimetylbensen
orto-Xylen
CH 3
CH 3
1,3-Dimetylbensen
meta-Xylen
Resonanshybrid
(sammanfattad struktur)
CH 3
CH 3
1,4-Dimetylbensen
para-Xylen
CH=CH 2
Fenyleten
Styren
Som substituent betecknas en bensenring (C6H5-) som fenyl och förkortas Ph- (engl. Phenyl)
Styren heter därför fenyleten med ett systematiskt namn
Polycykliska aromatiska kolväten (sammankopplade bensenringar)
Några exempel:
Br
Naftalen Antracen Fenantren Benspyren
CH 3
4-brommetylbensen
(p-bromtoluen)
Ph
5-fenyl-2-hepten
7
6
8
5
1
4
2
3
2-etylnaftalen

Stereokemi 1: Konformationer
Konformationer är strukturer som uppträder vid rotation kring en enkelbindning
Ex. n-Butan CH 3-CH 2-CH 2-CH 3
H H
H 3C
H 3C
CH 3
H
H
CH 3
H H
H H
H
CH 3
H 3C
H
CH 3
H H
H
H
H
CH 3
H
H
CH 3
H
H H
H
CH 3
CH 3
H
"Staggered"
60° mellan bindn.
Anti
"Eclipsed"
0° mellan bindn.
Syn
Mest stabila
konformationen
Minst stabila
konformationen
Kilprojektion Sågbock Newmanprojektion = Olika projektioner
Vid rotation kring en enkelbindning (C2 – C3) ändras den steriska energin pga att
bindningar och elektronmoln kommer alternativt nära varandra
Staggered konformation – lägre energi Eclipsed konformation – högre energi
Bindningar långt ifrån varandra Bindningar nära varandra
H 3C

Konformationen hos cyklohexanringar: Stolformer
eq
Ekvatoriell
bindning
Axial
Bindning
eq
C
ax
ax eq
ax
Vardagsexempel: Glukos
ax
eq
ax
ax
eq
eq
ring
flipp
eq
eq
ax
eq
Vid ringflipp byter ax- till eq-bindn. och tvärtom
HO
HO
Ring med en Metyl-substituent: två konformationer av stolform möjliga
H
H
C
H
H H
H
H
H
H
Me
C
H
H
Axial substitution av Me-grp
Att rita och flippa cyklohexanringar:
Rita två paralella linjer
Rita in lodräta axiala
bindningar i vinkelspetsens
förlängning
Ringflipp
ring
flipp
H
H
Tänk en streckad linje
som sammanbinder
de paralella linjerna,
fyll i de röda streckade
H
H
Rita in ekvatoriella
bindningar i paralellt
med näst nästa bindning
i ringen (se motsv. färg)
OH
O
H
HO
H
C
H
H
H
H
C
H
ax
OH
H
ax
H
H
C
ax
H
ax
eq
H
Me
eq
ax
Ekvatoriell substitution av Me-grp
är stabilare
Sammanfoga ringen
enligt de blå streckade
linjerna
eq
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.
H 3C
Exempel:
CH 2
H
Trans- och Cis-1-Etyl-4-metylcyklohexan
CH 3
Olika
Konfigrationer
H 3C
CH 2
trans cis
Olika
Konforma
-tioner
H
Stabilaste
konformationen
för respetive
konfiguration
med största
substituenten
ekvatoriellt
CH 3
Axialt läge
1 3
mindre gynnsamt pga
sterisk1,3-interaktion
3
H
H
H
Olika
Konforma
-tioner
CH 3
H