Upload
others
View
6
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
FUNKTIONELLA GRUPPER (Ämnesklasser) Fö13-14-2013/EMM
Vanliga funktionella grupper i organisk kemi
Ämnesklass Funktionell grupp Namn på funk.grp Exempel 1. Alkener Dubbelbindning Alkenylgrupp eten 2. Alkyn Trippelbindning Alkynylgrupp acetylen 3. Aromater Aromatring Aromatgrupp bensen 4. Alkylhalid R-X Halogen kloroform 5. Alkohol R-OH Hydroxigrupp etanol 6. Eter R-O-R Etergrupp eter 7. Nitroförening R-NO2 Nitrogrupp nitroglycerin 8. Aminer -NH2 Aminogrupp metylamin 9. Fenol Ar-OH Fenolgrupp fenol 10. Aldehyd R-CHO Aldehydgrupp acetaldehyd 11. Keton R1-(C=O)-R2 Ketongrupp aceton 12. Karboxylsyra R-COOH Karboxylgrupp etansyra (ättiksyra) 13. Estrar R-CO-OR Ester grupp etylacetat 14. Amid R-CO-NH-R(H) Amid grupp bensamid 15. Nitril R-CN Cyanogrupp acetonitril 16. Syraklorid R-COCl Klorformylgrupp acetylklorid 17 Karboxylsyra- anhydrid R-CO-O-CO-R Anhydridgrupp ättiksyraanhydrid
Kursiv text för de något mindre vanliga funktionella grupper
Exempelstrukturer på ämnesklasserna 1-17:
C C
H
H
H
H
H C C H
CH2
CH
CH2
ONO2
ONO2
ONO2
CHCl3
CH3 CH2 OH
CH3CH
2O CH
2CH
3
H
H
H
H
H
H
C
O
HCH3C
O
CH3CH3 CH3 C
O
OH CH3 C
O
OCH2CH3
OH
CNH2
O
CH3C N CH3 C
O
Cl CH3C
O
O
O
CCH3
CH3NH
2
1. 2. 3. 4.
5.
6. 7.
8.
9.
10. 11. 12. 13.
14. 15. 16. 17.
Funktionella grupper och egenskaper Ex. CH3CH2-Cl + H2O !" CH3CH2-OH + HCl
Kloretan Etanol Generellt: R-Cl R-OH = R - Z R= generell kolvätekedja (alkyl) eller Ar = aromat
Z= Funktionell grupp, Ex. -Cl, -OH, -COOH, -NH2 m.fl.
1. Föreningars egenskaper bestäms av Z-gruppen och i mindre grad av R-gruppen (smältpunkt, kokpunkt, löslighet, reaktivitet m.m.). 2. Olika R-grupp med samma funktionell grupp (Z) bildar föreningar med liknande
kemiska egenskaper. Ex. metanol, etanol, propanol ......
Funktionella grp med bara kolAlkan! R - HAlken! R-C=C-RAlkyn!Aromat! Ar - H
R-C C-R
= KOLSKELETTET
Funktionella grp med syre Alkohol R-OH Fenol Ar-OH Eter R-O-R Aldehyd R-CHO Keton R1-(C=O)-R2 Karboxylsyra R-COOH Estrar R-CO-OR Funktionella grp med kväve Amin R-NH2
Anilin Ar-NH2 Amid R-CO-NH-R(H) Övriga: Alkylhalid R-X Nitroförening R-NO2
Funktionella grp med syre
ALKOHOLER
R-OH Funktionell grupp -OH (alifatisk bunden)
Derivat av kolväte där - H byts ut mot - OH
Namnges genom att -ol läggs till motsvarande kolväte (-an " -anol)
CH3 OH
CH2 OHCH3
CH CH3CH3
OH
Metanol träspr it
Etanol etylalkohol
2-Propanol isopropanol
CH2 OHCH2
CH CH3CH2
OH
CH3
CH3
C CH3CH3
OH
CH3
1-Butanol en primär alkohol
2-Butanol en sekundär alkohol
2-Metyl-2-propanol en tertiär alkohol
Namngivning:
OH
4-Isopropyl-2-heptanol
OH Alkoholgruppen som substituent: hydroxi-
3-Hydroxi-4-metyl-1-cyklohexen
1
2
Flervärda alkoholer
1,2-Etandiol
Etylenglykol(= glykol)
Giftig (kylarvätska)
1,2,3-Propantriol
Glycrerol
OfarligIngår i fett
CH2
CH2
OH
OH
CH2
CH
OH
CH2 OH
OH
Fysikaliska egenskaper R-OH Vätebindningar medför att smältpunkt och kokpunkt är högre för alkoholer än för vanliga alkaner
Vätebindning
R
O H
R
O H
R
O H
R
O H
Lägre alkoholer är lösliga i vatten
R
O H
R
O HO H
H
O H
H
O H
H
R= kolvätekedja < 4 kolatomer är vattenlöslig
HydrofilLipofil
H OH
CH3 CH2 CH2 CH2 OH
CH3 CH2 OH
CH3 OH
CH3 CH2 CH2 OH
OH
opolära del
starkt polär
avtagandepolära egenskaper
H
O
H
HO
H
H
OR
H
O
H
Vätebindning
polär del
Högre alkoholer (> C10) har liknande egenskaper som alkaner
ETRAR R-O-R Namnges: Alkyl alkyl eter alt. alkoxi-alkan
H3C O CH3
CH3CH2 O CH2CH3
Dimetyl eter
Dietyl eter (vanlig eter) alt. Etoxietan
Kan bilda s.k. peroxider: R-O-O-R explosiva föreningar
Fysikaliska egenskaper: Kokpunkt lägre än motsvarande alkohol. Kan inte vätebinda till sig själv (lägre kokpunkt än alkoholer) Etrar är generellt rel. oreaktiva, vattenolösliga, eldfarliga lösningsmedel.
FENOLER Ar-OH
• föreningar med en hydroxylgrupp bunden direkt till en aromatisk ring • reagerar olika jämfört med alkoholer R-OH.
bensylalkohol Obs! ingen fenol
OH
Ar-OHPh-OH
2-naftol1-naftolfenol
OH
OHOH
= R-OH
• Fenoler är svaga syror:
OH
+ Base
O
+ H - Base
+ Base + H - BaseCH3CH2 OH CH3CH2 O
pKa ! 10
pKa ! 16
Alkoholer är i jämförelse med fenoler mycket svaga syror (! som vatten i pKa )
RESONANSFORMLER.
Enskilt ritade strukturer av en molekyl eller molekyljon som visar hur fria elektronpar och #-bindningar kan/får flyttas inom molekylen. De olika strukturerna ger en bild av var elektropositiva och elektronegativa laddningar är fördelade i molekylen
Ex. Karboxylsyror, Nitrometan. (se även bensen tidigare, och fenol nästa sida))
CH3 C
O
O
CH3 C
O
O
Pilens riktning utgår alltid från fria e-par eller !-bindning till !-bindning resp. e-par De olika strukturerna sätts generellt inom en klammer.
CH3 N
O
O
CH3 N
O
O
Nitrometan
Resonansstrukturerna visar att den negativa laddningen är spridd på de ekvivalenta syrena
Varför är fenol en starkare syra relativt alkoholer?
O O OO
O
Fenoxidjonen är resonansstabiliserad: Olika resonansstrukturer förklarar elektronfördelningen där den negativa laddningen är delokaliserad över tre kol och ett syre. Elektroner polariseras från syret in i ringen, vilket gör att syret inte binder upp vätet lika starkt i fenol: Ph-O-H, detta i jämförelse med alkoholer R-O-H
O- !
- !
- !
- !
Resonanshybrid av fenolatanjonen
- ! = positioner med något högre elektrontäthet
Ju mer utspridd jon - Ju stabilare
Regler för resonansstrukturformler 1) Valensreglerna måste gälla (oktettregeln: 8 elektroner i yttre skalet, C,N,O) 2) Resonansstrukturformlerna får bara skilja sig åt i omfördelningen av elektroner.
Inga $ –bindningar får brytas, bara #–bindningar och fria e—par får flyttas.
Avgörande för stabiliteten hos olika resonansstrukturer a) De strukturer som har flest kovalenta bindningar är stabilast b) Endast en extra laddningsuppdelning räknas med (= ritas, se II och III nedan) c) Det mest elektronegativa atomslaget får den negativa laddningen
O O O!"
+"
Ex. Pent-3-en-2-on
Polarisering C=Odrar elektronerna
mot syret
I II III
Laddningsfördelningen ger indikation på dipol riktningen, och på vilka positioner reaktioner företrädesvis sker på.
O
-!
+!
OSyret är mest elektronegativt
vill ej ha positiv laddning
Ej bra! instabilt
Punkt c)
ALDEHYDER och KETONER
H C H
O
Aldehyd
Karbonylgrupp
C
O - !
+ !Dipol, sp2 kol, 120° vinkel
ändelse: -alR-CHO
H3C C H
O
CH3CH2 C H
O
Metanal Formaldehyd
Etanal Acetaldehyd
Propanal Propionaldehyd
CHO
Bensaldehyd
"bittermandelolja"
Cl H
O
1 3-klorpropanal
Numrering från aldehydkolet
(ger baksmälla av etanol)
(formalin som vattenlösning)
- !
+ !
Bindningstyp som ingår i många funktionella grupper
H3C C CH3
O
Keton ändelse: -on
CH3CH2 C CH3
O
Propanon Aceton kp 56°C
Butanon
R C R
O O
2-Pentanon 3-Pentanon
Isomera pentanoner
Metyletylketon
Aldehyder och ketoner är halvpolära, med lägre kokpunkt än alkoholer, men högre än etrar.
Några vanliga reaktioner för Aldehyder och Ketoner
Reduktion till alkoholer
R C H
O
Primära alkohol
Sekundär alkoholR R
O
Keton
Aldehyd
CH2 OHRNaBH4
NaBH4R CH R
OH
Natruim Borhydrid
Oxidation av alkoholer:
H3C C OH
O
H3C C H
O
Oxideras lätt vidare
Primära alkoholer: ! Aldehyd ! Karboxylsyra
Sekundär alkohol: ! Keton
OH OAceton
- en Keton
Acetaldehyd Ättiksyra
H3C CH2 OH
Etanol
Na2Cr2O7
H2SO4
Na2Cr2O7
H2SO4
Na2Cr2O7
H2SO4
Tertiära alkoholer oxideras ej
KARBOXYLSYROR R-COOH
R C OH
O
ändelse: -syra
R C O
O
-oat
Motsvarande salt Strukturformel Systemat. Namn Trivialnamn Systemnamn Trivialnamn
HCOOH Metansyra Myrsyra metanoat formiat
CH3COOH Etansyra Ättiksyra etanoat acetat
CH3CH2COOH Propansyra Propionsyra propanoat propionat
CH3CH2CH2COOH Butansyra Smörsyra butanoat butyrat
CH3CH2CH2CH2COOH Pentansyra Valeriansyra pentanoat valeriat
Dessa kortare karboxylsyror har alla stickande, frän och illaluktande lukt.
Längre kolkedjor (>12 C) ger luktlösa och fasta karboxylsyror som kallas fettsyror
Ph-COOH Bensoesyra är en aromatisk karboxylsyra. Användning: konserveringsmedel
!"
+"H3CC
OH
O
RCO
O
+ BasH3C
CO
O
+ Bas-H
pKa ! 5
RC
O
OKarbonylens dipol och resonansstabiliserad anjon bidrar till lågt pKa
Karboxylsyror är relativt starka syror
RC
O
O
H
RC
O
O
H Dimerer och vätebindning ger höga kp och smp
för karboxylsyror
Ättiksyra:
Vanliga dikarboxylsyror HOOC-COOH Etandisyra Oxalsyra oxalat Finns i naturligt i t.ex rabarber och harsyra HOOC-CH2-COOH Propandisyra Malonsyra malonat Finns naturligt i kroppens metabolism
Induktiv effekt: Polarisering av elektroner från elektronegativa atomslag ger dipoler, vars styrka och riktning påverkar övriga
molekylen. Induktiv effekt påverkar reaktiviteten i olika föreningar och syrastyrkor i bl.a. karboxylsyror
H3CC
OH
O
CH2
COH
O
Cl är en starkare syra än
pKa =4.8
CH2
COH
O
Cl
CH2
COH
O
CH2Cl
CH2
COH
O
CH2CH2Cl
pKa
2,8
4,1
4,5
Induktiva effekten avelektronegativa kloratomenavtar med avståndet
Minskad syrastyrka nedåt
Dipol
!" !"
+"
!" +"
+"
Kloratomen "drar" elektroner från-OH , vars syre binder vätet sämre
Reaktioner som ger karboxylsyror:
Oxidation av primär alkohol:
CH3CH2 OHNa2Cr2O7
H2SO4
H3C C OH
O
H3C C H
O
Kp 78°C 20°C 118°C
Oxideras lätt vidare
Oxidation av aromatisk sidkedja:
CH3KMnO4
H2SO4
C OH
O
Bensoesyra
ESTER - ett karboxylsyraderivat som fås genom kondensation av en karboxylsyra och en alkohol
Syra
ättiksyra etanol etylacetat
+ H2OC
O
CH3 OCH2CH3C
O
OHCH3
Framställning
Funktionell grupp -COORR C
O
OR'
+ H-O-CH2CH3
Änderlse: -yl -oat
O
OH
OH
+ HO CH3
O
O
OH
O
O
CH3
H
Salicylsyra Acetylsalicylsyra- ett av världen äldsta läkemedel
+ H2O
Namngivning Alkoholens alkylgrupp följt av syrasaltets namn
Alkyl alkanoat
H3C C OCH2CH3
O
etyletanoat etylacetat
O
O
etylbutanoat (persika smak/doft)
O
O
pentylacetat (banansmak/doft)
Många enkla estrar med rel. korta kolkedjor har angenäm doft Basisk hydrolys: Saponifiering (förtvålning av fetter)
natrium stearat
Saponifiering
Hydrolys:
CH2
CH
CH2
O
O
O
C
O
C17H35
C C17H35
C C17H35
O
O
+ 3 NaOH
CH2
CH
CH2
OH
OH
OH
C17H35 COO Na+ 3
glycerylstearat glycerol "tvål"
+ R'OHR C
O
O + OHR C
O
OR'
Funktionella grp med kväven:
AMINER R-NH2 Namnges med alkyl följt av ordet amin.
CH3 N
H
H CH3 N
CH3
H CH3 N
CH3
CH3CH3 N
CH3
CH3
CH3
metylamin dimetylamin trimetylamin tetrametylammonium jon
primär sekundär!!!!!!!!!!!!! tertiär!!!!!!!!! !!kvartenär
Sekundära och tertiära aminer namnges genom att den mest komplexa (flest kol)
alkylgruppen bildar basnamn och övriga alkylgrupper bundna till kvävet
behandlas som substituenter med prefixet N-
N-etyl-N-metylpropylamin
N-etylpropylaminpropylamin
N
NHNH2
Aminogruppen kan även behandlas som substituent och betecknas då amino-
CH3 CH CH3
NH2 2-AminopropanEx.
Aminer är en organisk motsvarighet till ammoniak
+ H-ClCH3CH2 NH2Aminer är baser: CH3CH2 NH3 Cl (aq)
Ammoniumsalt Ammoniumjoner med stora R-grupper är även vattenlösliga
Aminer bildar vätebindningar, på samma sätt som alkoholer, med t ex annan amin eller vatten, genom aminogruppens väten och kvävets fria elektronpar.
Anilin – Ar-NH2 en svag aromatisk bas
NH3 NH3
pKa 4.58 10.64
Anilinium
ionCyclohexyl-
aminium ion
NH2 NH2 NH2NH2NH2
NH2 NH2
Den minskade basstyrkan hos anilin beror på delokalisering av kvävets fria elektronpar in i bensenringen, vilket minskar kvävets elektrontäthet:
jämför
Kväveinnehållande aromater
Nikotin
N
NCH3
H
N
Pyridin
N
N
N
N
CH3
CH3
O
O
H3C
Koffein
N
NCOOHH
NH2
H
Histidinen aminosyra
Amniner ingår i många läkemedel och droger. Att kvävet kan protoniseras spelar en viktig roll för transport mellan olika membranväggar. Exempel:
SN
O
O
N
N
HNN
N
CH3O
EtO
CH3
N
HN
S
O
N
CH3
O
CH3
CH3
OH3C
Losec (Omeprazol) Viagra
N
N N
N
H
NH2
N
NO
H
NH2
Adenin- en purin bas Cytosin - en pyrimidin bas
I DNA och RNA ingår bl.a.
DNA ( eller RNA) strängarna hålls ihop med vätebindningar mellan en purinbas och en annan pyrimidinbas
AMID - ett karboxylsyraderivat
Ändelse: -amid
propanamid propionamid
etanamid acetamid
metanamid formamid
C
O
NH2CH3CH2
C
O
NH2CH3
C
O
NH2H
R C
O
N
R'
R''R C
O
NH R'R C
O
NH2
Sekundära och tertiära amider namnges som N-alkyl substituerade primära amider
C
O
NHCH3 CH3
N
OBr
N-metyletanamid
N,N-dietyl-3-brombutanamid
C
O
NH
CH3
CH3
N,N-dimetylmetanamid N,N-dimetylformamid
(DMF)
Framställning av amid: Aminers reaktion med karboxylsyra via aktiverad syraklorid
H3C C OH
O
H3C C Cl
O
SOCl2
TionylkloridSyraklorid
R' NH2 H3C C
O
R'NH
Karboxylsyra T.ex Peptidbindning i proteiner
Karboxylsyran överförs till den reaktiva syrakloriden som reagerar med en amin till amid.
Not: I organisk kemilaborationen på kursen görs en amidsyntes där en reaktiv karboxylsyra anhydrid används istället
Halogenföreningar R-X
R-F R-Cl R-Br R-I = R-X Halogen betraktas alltid substituent
Cl
Br
I
1-Klorbutan 2-Brombutan 2-Jod-2-metyl propan
X bundet till primärt kol sekundärt kol tertiärt kol Vanliga halogenföreningar: CFCl3 Freon 11 CF2Cl2 Freon 12 CF3-CHClBr Halotan CH2Cl2 Diklormetan Metylenklorid Vanligt lösningsmedel
CHCl3 Triklormetan Kloroform Cancerogent lösningsmedel
CCl4 Tetraklormetan Koltetraklorid Cancerogent lösningsmedel
CH2=CH-Cl Vinylklorid PVC-plast tillverkning
Miljögifter: pga sin opolära natur och svårighet att brytas ned ackumuleras många i näringskedjan. Några exempel:
CH
CCl3
ClCl
DDT
O
O
Cl
Cl
Cl
ClCl1-5
Cl1-5
PCBs
> 200 isomerer
Dioxin
Alla halogenföreningar är icke-brandfarliga, och har en densitet högre än vatten. Opolära. Användning: lösningsmedel, brandsläckare, dock även miljöbovar som kylmedel och miljögifter
Nitroföreningar R-NO2 Nitrogruppen betraktas alltid som substituent
CH2
CH
CH2
ONO2
ONO2
ONO2
CH3 NO2 NO2
CH3
NO2
NO2
O2N
Nitrometan 3-Nitrocyklohexen nitroglycerin 2,4,6-trinitrotoluen
Trotyl (TNT) Nitroföreningar brinner generellt exotermt och explosivt