F3 organisk kemi
Transcription
F3 organisk kemi
Föreläsning 3 • Substituerade kolväten • Kapitel 5 1) 2) 3) 4) 5) 6) Introduktion Heteroatomer Nomenklatur Krafter mellan molekyler Syrastyrka Exempel på molekyler 1. Introduktion • Det afrikanska mirakelbäret har en del spännande egenskaper • Om du tuggar mirakelbär kommer allt surt att smaka sött • Hur går detta till? 2. Heteroatomer • En heteroatom är vilken atom som helst, utom kol och väte •ofta O, N eller halogen •heteroatomer ger ofta helt andra egenskaper propan, C3H8, kokpunkt -42°C O dimetyleter, C2H6O, kokpunkt -25°C OH etanol, C2H6O, kokpunkt 78°C 5.1 2. Heteroatomer O H kolväte O H aldehyd alkohol OH karboxylsyra O NH2 amin NH2 amid Cl alkylhalogenid H keton O OH 5.5 F7 3. Nomenklatur 5.2 • Olika grupper är olika viktiga •Vissa substituenter anges alltid med prefix (figur 5.1) F fluoro- Cl kloro- Br bromo- N3 fenyl- O I NO2 NO jodo- azido- S nitro- CH3 metoxi- CH3 metyltio- O nitroso- fenoxi- Br 3. Nomenklatur 5.2 • Olika grupper är olika viktiga •Huvudfunktionen i en molekyl anges med suffix (ändelse) prioritet formel suffix (utan kol) suffix (med kol) prefix (med kol) -syra -karboxylsyra karboxy- O OH CN -nitril -karbonitril cyano- butan O OH O -al -karbaldehyd formyl- H O -on oxo- OH -ol hydroxi- NH2 -amin amino- butansyra propankarboxylsyra karboxypropan 3. Nomenklatur • Föreningar med huvudgrupper •huvudfunktionen i en molekyl anges med suffix •om det finns flera huvudfunktioner i en molekyl anges bara den viktigaste med suffix •övriga grupper anges med prefix OH H OH O 5.2 3. Nomenklatur 5.2 • Föreningar med huvudgrupper Gör så här: 1) bestäm vilken funktionell grupp som är viktigast 2) välj huvudkolkedja där den funktionella gruppen ingår 3) namnge huvudkolkedjan efter antalet kolatomer 4) numrera kolatomerna så att den funktionella gruppen får så lågt nummer som möjligt 5) ordna alla prefix i alfabetisk ordning (engelska) O HO Br OH 4. Krafter mellan molekyler • Molekylära egenskaper kan förklaras med olika modeller • Alla bygger dock på förståelse för hur elektronerna fördelas •kokpunkt •syrastyrka 5.3 4. Krafter mellan molekyler • Jon-jonbindning •jon-jonbindningar är mycket starka (500 kJ/mol) •gör att salter har mycket höga smältpunkter •exempel: NaCl: 801°C KCl: 776°C Na Cl 5.3 4. Krafter mellan molekyler • Jon-dipolinteraktioner •interaktioner mellan joner och dipoler är medelstarka •dessa interaktioner är viktiga vid upplösning av salter i vatten Cl Hδ δ H O δ Na 5.3 4. Krafter mellan molekyler 5.3 • Elektronegativa atomer kan ge skev laddningsfördelning H H C F H H C δ δ H H H dipolmoment hög elektrondensitet låg elektrondensitet 4. Krafter mellan molekyler • Dipol-dipolinteraktioner •dipol-dipolinteraktioner är oftast svaga (5 kJ/mol) •dessa interaktioner är mycket viktiga i organisk kemi •kokpunkt, lösningsmedelsegenskaper, reaktivitet δ O δ 5.3 4. Krafter mellan molekyler • Dipol-dipolinteraktioner •polariteten beskrivs med dielektricitetskonstanten, ε 5.5 ε H2O vatten 78 O dimetylsulfoxid (DMSO) 47 S O dimetylformamid (DMF) 37 H NMe2 acetonitril CH3CN 36 metanol CH3OH 33 CH3CH2OH 25 etanol aceton metylenklorid O 21 CH2Cl2 9 O 6 ättiksyra OH dietyleter O 4 bensen 2 heptan 2 4. Krafter mellan molekyler 5.3 • Vätebindningar •vätebindningar är ett specialfall av dipol-dipolinteraktioner •krävs väteatom som är bunden till O, N eller F •svag till medelstark interaktion (5-40 kJ/mol) O H H O O dimetyleter, C2H6O, kokpunkt -25°C OH etanol, C2H6O, kokpunkt 78°C 4. Krafter mellan molekyler • Kokpunkt •kokpunkten är beroende av intermolekylära krafter CH4 NH3 H2O HF Kp = –161 °C inga vätebindningar Kp = –33 °C svaga vätebindningar Kp = +100 °C starka vätebindningar i nätverk Kp = +20 °C starka vätebindningar SiH4 PH3 H2S HCl Kp = –112 °C Kp = –88 °C Kp = –60 °C Kp = –85 °C 5.4 4. Krafter mellan molekyler • Vätebindningar •vätebindningar är extremt viktiga i biologi och fysiologi 5.3 5. Syrastyrka 4.5 • Vad är en syra? Brønsteds definition (1923) •En syra är en protondonator •En bas är en protonacceptor O O OH + NMe3 Johannes Brønsted (1879-1947) O + HNMe3 5. Syrastyrka 4.5 • Vad är en syra? Syrastyrka HA + H2O Ka = Ke [H2O] = pKa = - 10lg Ka H 3O + [H3O ] [A ] [HA] A Ke = [H3O ] [A ] [HA][H2O] 5. Syrastyrka 4.5 • Vad är en syra? Syrastyrka pKa = - 10lg Ka ju lägre pKa, desto starkare syra •syrastyrka är definierad i vatten •det går att extrapolera utanför 0 till 16 •praktiskt sett -30 till 50 George Olah (1927-), Nobelpris 1994 5. Syrastyrka • Är kolväten syror? H H H H H H H H pKa = 48-50 H H •extremt svag syra •den konjugerade basen blir mycket stark 4.5 5. Syrastyrka 4.5 • Är kolväten syror? H H pKa = 48-50 sp3 pKa = 44 sp2 H pKa = 25 sp 5. Syrastyrka 5.4 • Syrastyrka •syrastyrkan beror på vilket grundämne väte är bundet till •syrastyrkan ökar åt höger i periodiska systemet •H-X-bindningen polariseras beroende på elektronegativiteten hos X X CH4 pKa NH3 H 2O HF 50 38 16 3 2,5 3,0 3,5 4,0 H 5. Syrastyrka 5.4 • Syrastyrka •syrastyrkan beror på vilket grundämne väte är bundet till •syrastyrkan ökar nedåt i periodiska systemet •H-X-bindningen polariseras beroende på att atomen X blir större pKa HF 3 4,0 HCl -7 3,0 HBr -9 2,8 HI -10 2,5 5. Syrastyrka • Syrastyrka •syrastyrkan beror på vilket grundämne väte är bundet till CH4 NH3 H2O 50 38 16 HF 3 H2S HCl 7 -7 H2Se HBr 4 -9 HI -10 5.4 5. Syrastyrka • Vad ska detta vara bra för? •organisk syntes: vilket väte är surast? •används för att förutsäga reaktivitet O O O H H H pKa = 20 H H pKa = 9 •biologi/medicin: hur ser ett läkemedel ut i kroppen? •pH i blodet är 7,4, pH i urinen är 6,5 •proteiner innehåller grupper som kan vara laddade 5.4 F4 5. Syrastyrka • Vad ska detta vara bra för? •biologi/medicin •pH i blodet är 7,4, pH i urinen är 6,5 •proteiner innehåller grupper som kan vara laddade •distributionen av läkemedel kan påverkas av deras pKa mirakulin (surt blir sött) 6. Exempel på molekyler O H kolväte O H aldehyd keton O OH OH alkohol karboxylsyra O NH2 amin NH2 amid Cl alkylhalogenid H 5.5 F7 6. Exempel på molekyler • En alkohol har en hydroxi-grupp bunden till ett sp3-hybridiserat kol •exempel butanoler n-butanol, en 1° alkohol OH sek-butanol, en 2° alkohol OH OH tert-butanol, en 3° alkohol •hydroxigrupper bundna till sp2-hybridiserade kol är inte alkoholer OH fenol OH enol 5.5 F7 6. Exempel på molekyler • Exempel på alkoholer •metanol, CH3OH •träsprit •världsproduktion: 40 000 000 ton 400°C CO + 2 H2 300 atm catalyst CH3OH 5.5 F7 6. Exempel på molekyler • Exempel på alkoholer •glykol •kylarvätska HO OH •glycerol •fuktighetsbevarande •söt smak, finns i många söta viner OH HO OH 5.5 F7 6. Exempel på molekyler • Alkoholers egenskaper •vätebindningar ger höga kokpunkter •och gör att alkoholer löser sig lätt i vatten H O H O •metanol, etanol och propanol är lösliga i alla proportioner OH 73 g/L OH 70 g/L OH 290 g / L OH miscible blandbar 5.5 F7 6. Exempel på molekyler • Alkoholers egenskaper •alkoholer kan oxideras och reduceras Oxidation -ökning av bindningar till syre och/ eller minskning av bindningar till väte (elektroner avges) Reduktion -minskning av bindningar till syre och/eller ökning av bindningar till väte (elektroner tas upp) 5.6 F7 6. Exempel på molekyler • Alkoholers egenskaper •alkoholer kan oxideras och reduceras •om vi förgiftas av alkoholer kommer kroppen oxidera alkoholerna •alkoholdehydrogenas och aldehyddehydrogenas H OH OH O etanol acetaldehyd O ättiksyra OH O N H OH NH2 coprin Bläcksvamp, Coprinopsis atramentaria O 5.6 F7 6. Exempel på molekyler • Alkoholers egenskaper •alkoholer kan oxideras och reduceras •om vi förgiftas av alkoholer kommer kroppen oxidera alkoholerna •alkoholdehydrogenas och aldehyddehydrogenas H OH OH H metanol O formaldehyd H O myrsyra 5.6 F7 6. Exempel på molekyler • Liknande föreningar O epoxid O O peroxid SH SH etantiol O S S dietylsulfid O tiofenol O S O O S OH dimetylsulfoxid dimetylsulfon metansulfonsyra O HO O S OH svavelsyra 5.5 F7 6. Exempel på molekyler • svavel ger ofta illaluktande föreningar SH 3-metylbutan-1-tiol (luktämne hos skunken) 5.5 F7 6. Exempel på molekyler • aminer är kväveinnehållande föreningar NH2 metylamin (primär) H N dimetylamin (sekundär) N trimetylamin (tertiär) tetrametylammoniumjon (kvarternär) N H N pyridin pyrrol NH2 H N aziridin anilin N 5.7 F7 6. Exempel på molekyler • aminers egenskaper •aminer är ganska starka baser •En syra är en protondonator •En bas är en protonacceptor O O OH + NMe3 O + HNMe3 5.7 5.8 F7 6. Exempel på molekyler • aminers egenskaper •aminer är ganska starka baser •inläggning av sill O H N OH N O O 5.7 5.8 F7 6. Exempel på molekyler 5.8 F7 • Liknande föreningar O O P P P trimetylfosfin trimetylfosfinoxid HO OH OH fosforsyra O O P sarin F 6. Exempel på molekyler 5.9 F7 • Alkylhalogenider är föreningar med en halogen (F, Cl, Br, I) bundet till kol fluorometan klorometan bromometan jodometan 6. Exempel på molekyler • alkylhalogeniders egenskaper •hög densitet •lägger sig under en vattenfas •alkylhalogenider är inte brandfarliga •de är dock miljöfarliga CF2Cl2 2 O3 UV-ljus Cl CF2Cl 3 O2 + Cl 5.9 F7 6. Exempel på molekyler Aldehyder och ketoner O R O H aldehyde aldehyd R R är en alkylkedja R ketone keton Karboxylsyraderivat O R O O OH carboxylic acid karboxylsyra R N H amide amid R R OR ester ester 5.10 F7 6. Exempel på molekyler Aldehyder •vanliga i naturen O O O O OMe OMe OH OH OMe O O 5.10 F7 6. Exempel på molekyler Aldehyder •industrikemikalier O H H 5.10 F7 6. Exempel på molekyler Ketoner •vanliga lösningsmedel O aceton 5.10 F7 6. Exempel på molekyler Karboxylsyror •mycket vanliga i naturen •korta kedjor luktar ofta skarpt O O O O OH H OH myrsyra (myror) OH ättiksyra (ättika) OH smörsyra (härsket smör) bensoesyra (lingon) 5.10 F7 6. Exempel på molekyler Estrar •mycket vanliga i naturen •alifatiska estrar luktar ofta fruktigt O O O O O O O O 5.10 F7 6. Exempel på molekyler Estrar •mycket vanliga i naturen •aromatiska estrar kan ha andra lukter O O O OH O O O OH bensylacetat (jasmin) metyl salicylat (root beer) O acetylsalicylsyra (huvudvärkstablett) 5.10 F7 6. Exempel på molekyler Amider aminosyror med alifatiska neutrala sidokedjor H H R H R' COOH H H2N R" H2N COOH H COOH H CO2 H 3N H2N 5.10 F7 glycin, Gly, G pI = 6.0 H CO2 H 3N H3N alanin, Ala, A pI = 6.0 H 3N R' H R H NH H CO2 H 3N isoleucin, Ile, I pI = 6.1 essentiell OH H H CO2 H 3N fenylalanin, Phe, F tryptofan, Trp, W pI = 5.5 pI = 5.9 essentiell essentiell OH H CO2 H 3N CO2 serin, Ser, S pI = 5.7 tyrosin, Tyr, Y pI = 5.7 H 3N CO2 treonin, Thr, T pI = 6.5 essentiell COOH O O leucin, Leu, L pI = 6.0 essentiell OH aminosyror med svavelinnehållande sidokedjor NH H2N H CO2 H 3N aminosyror med hydroxylgrupper H N R" H CO2 H 3N valin, Val, V pI = 6.0 essentiell aminosyror med aromatiska neutrala sidokedjor H H CO2 aminosyror med basiska sidokedjor NH2 H 2N HN NH SH H tripeptide H 3N H CO2 cystein, Cys, C pI = 5.0 H 3N N HN S H CO2 metionin, Met, M pI = 5.8 essentiell H CO2 H 3N CO2 H 3N lysin, Lys, K pI = 9.8 essentiell arginin, Arg, R pI = 10.8 H H 3N CO2 histidin, His, H pI = 7.6 andra aminosyror aminosyror med sura sidokedjor O O HO2C NH2 CO2H H H 3N CO2 H H H 3N CO2 asparaginsyra, Asp, D glutaminsyra, Glu, E pI = 3.0 pI = 3.2 H 2N H3N CO2 H H 3N CO2 asparagin, Asn, N glutamin, Gln, Q pI = 5.4 pI = 5.7 H CO2 N H2 prolin, Pro, P pI = 6.3 6. Exempel på molekyler Amider O O HO OH O HN kevlar OH HO H2N O O O NH2 O NH O 5.10 F7 6. Exempel på molekyler 5.10 F7 Amider O O H N H N HO paracetamol O N O HN S N O COOH lidokain penicillin V