Orgaaninen kemia - Kandidaattikustannus
Transcription
Orgaaninen kemia - Kandidaattikustannus
Orgaaninen kemia orgaaniset reaktiot ja isomeria Tunnin sisältö 1. Orgaanisten reaktioiden perusteita – Reaktiotyyppejä – Reaktiomekanismeista – Redox-reaktiot orgaanisessa kemiassa 2. Orgaanisten reaktioiden päätyypit 3. Muita reaktioita Perusteita • Reaktiot tapahtuvat yleensä funktionaalisten ryhmien välillä • Orgaanisetkin molekyylit pyrkivät alimpaan mahdolliseen energiatilaan • Lukioasiaan kuuluvissa orgaanisissa reaktioissa hiilirunko pysyy yleensä samana – Kullekin yhdisteryhmälle on sille tyypillisimmät reaktiot Reaktiomekanismeista • Reaktiomekanismi kuvaa nettoreaktioyhtälöä tarkemmin, mitä reaktiossa oikeastaan tapahtuu – Se kertoo reaktion osareaktiot ja pysymättömät välituotteet • Radikaalimekanismi • Ionimekanismi Radikaalimekanismi • Atomien välinen kovalenttinen sidos katkeaa, ja molemmille atomeille jää sidoksesta 1 elektroni, jolloin syntyy 2 radikaalia • Radikaalit voivat törmätä toisiin molekyyleihin luoden uusia radikaaleja • Radikaalien reaktio loppuu, kun ne muodostavat toisen radikaalin kanssa yhteisen elektroniparin . Cl . + Cl Cl Cl – Radikaalien synty . . CH 3 + HCl Cl CH + – Reaktion eteneminen . Cl Cl Cl . + Cl – Reaktion loppu 4 Cl . + . CH43 4 H3C Cl Ionimekanismi • Kovalenttinen sidos katkeaa siten, että toinen atomi saa molemmat sidoselektronit • Elektronegatiivisuus! • Syntyy usein esim. karbokationeja (positiivisesti varautunut hiili), jotka ovat pysymättömiä. Ne muodostavat heti uusia yhdisteitä H2C H3C + + CH2 + CH2 HCl Cl - H3C H3C + CH2 + CH2 Cl Cl - Reaktioiden päätyyppejä 1. Hapetus- ja pelkistysreaktiot 2. Protolysoituminen 3. Kondensaatioreaktio – Polykondensaatiot 4. Hydrolyysireaktio 5. Korvautuminen eli substituutioreaktio 6. Liittyminen eli additioreaktio – Polyadditiot 7. Eliminaatioreaktio 1. Hapetus-pelkistysreaktiot • Orgaanisille yhdisteille ei yleensä lasketa hapetuslukuja • Orgaanisten yhdisteiden redox-reaktioissa tarkastellaan vain tietyn molekyylin hapettumista/pelkistymistä – Reaktioyhtälöt jätetään usein tasapainottamatta • Hapettuminen: hapen määrä yhdisteessä kasvaa ja/tai vedyn vähenee • Pelkistyminen: hapen määrä yhdisteessä vähenee ja/tai vedyn määrä kasvaa 1.1 Alkoholien hapettuminen • Alkoholit voivat hapettua riippuen niiden asemasta (prim/sek) – Primääriset alkoholit voivat hapettua aldehydeiksi – Sekundääriset alkoholit voivat hapettua ketoneiksi – Tertiääriset alkoholit eivät hapetu. Miksi? OH R O R OH R R R R [ O] R OH O [ O] R R 1.2 Muut redox-reaktiot • Karbonyyliryhmät voivat reagoida myös toiseen suuntaan – Aldehydi ryhmä voi hapettua karboksyylihapoksi tai pelkistyä primaariseksi alkoholiksi – Ketoni voi pelkistyä sekundaariseksi alkoholiksi O R O R OH H R R R OH H R O R O R O OH 2. Protolysoituminen • • • • • • Protolysaatio = reaktio, jossa siirtyy vetyä Happamat ryhmät voivat luovuttaa vetyionin Emäksiset ryhmät voivat vastaanottaa vetyionin Happamia: karboksyylihapot, fenolit Emäksisiä: amiinit, mutta EI amidit. Why is that? Huomaa varauksen muuttuminen protolysaatiossa! Tästä useita pääsykoetehtäviä… R NH2 R2 + + NH R1 H2O R R2 H2O R1 R1 R2 N R3 + + NH3 H2O + + + HO NH2 R1 + R2 NH R3 O C R 2 NH + R1 HO HO - - - 3. Kondensaatioreaktiot • Kaksi molekyyliä yhdistyy ja välistä lohkeaa pieni molekyyli (usein vesi) • Reaktioita: – Esteröintireaktiot – Eetterin muodostuminen, – Peptidien muodostus • Myös esim. polymerisaatioreaktiot! O O R1 OH + HO R2 HO R3 + HO R2 O R1 OH + R1 O R3 O R2 + H2O R2 + H2O O H2N R4 R1 NH R4 + H2O 3.1 Polykondensaatio • Kondensaatiopolymeerit syntyvät useampia funktionaalisia ryhmiä sisältävien molekyylien liittyessä yhteen; diamiinit, diolit, dikarboksyylihapot • Ryhmät voivat olla myös erilaiset, kuten aminohapoilla • Esim. PET-muovi, NYLON 3.2 Polymerisoituminen • Useampi kuin kaksi molekyyliä kondensoituu ketjuksi/haaroittuneeksi polymeeriksi • Polymeerin rakenneyksikkö on monomeeri • Molekyyli voidaan nimetä monomeerien lukumäärän mukaan (esim. trimeeri, pentameeri, dekameeri jne.) • Yksikköä merkataan sulkeilla: • Luonnon polymeerejä: – Tärkkelys, selluloosa, proteiinit… 4. Hydrolyysireaktio • Periaatteessa kondensaatioreaktion käänteisreaktio, jossa molekyyliin tuodaan vettä (tai veden johdannainen) • Vesi katkaisee yhteen liittyneiden molekyylien välisen liitoksen ja ne hajoavat erillisiksi molekyyleiksi • Tyypillisiä reagoivia yhdisteitä: esterit, amidit, anhydridit, mutta EI eetterit (sidos erittäin vahva ja energeettisesti epäedullista rikkoa ja muita syitä, jotka ovat monimutkaisempia…) • Elimistössä moniin hydrolyyseihin (esim. peptidisidosten) tarvitaan entsyymejä O O O + H2O O OH O O + KOH O - + + O O NH + H2O OH OH OH + + NH2 + K Esimerkki • Millaisia molekyylejä syntyy kuvan molekyylin hydrolyysissä? Piirrä monomeerit. NH NH NH O O O O NH n • Piirrä näistä monomeereistä koostuva polymeeri. n O HO OH O O + n HO OH Esimerkki HO O O O OH O H2N NH2 O O O n 5. Substituutioreaktio • Eli korvautumisreaktio; – Funktionaalinen ryhmä vaihtuu toiseksi – Atomi vaihtuu toiseksi • Usein vedyt korvataan esimerkiksi halogeeneilla • Tyypillinen reagoiva yhdiste on bentseeni, sen johdannainen tai tyydyttynyt hiilivety (radikaalimekanismi) Cl + + Cl Cl Cl Cl + Cl + HCl HCl 6. Additioreaktio • Molekyyliin liittyy jokin toinen (pienempi) molekyyli • Esim. kaksoissidokselliseen hiiliketjuun liitetään vetyä additiolla (hydraus), jolloin kaksoissidoksen piisidos aukeaa hiilen hybridisaatio muuttuu sp2 à sp3 • Markovnikovin säännön mukaan vety liittyy siihen hiileen, jossa sitä on eniten • HUOM! Bentseeni ei reagoi additiolla delokalisoituneen elektronirakenteen vuoksi 6.1 Konjugoituneen systeemin additio • Konjugoituneeseen systeemiin voidaan kuitenkin lisätä vetyä, • Konjugoituneessa systeemissä joka toinen sidos on kaksoissidos • Esim. 1,3-butadieeni • Kyseinen yhdiste reagoi yleensä siten, että keskelle muodostuu uusi sidos ja reunat avautuvat + Cl Cl Cl Cl 6.2 Polyadditio • Esim PE-muovit syntyvät polyadditiolla • Useampi kaksoisidoksellinen hiiliketju (monomeeri) liitetään yhteen additiolla R C H H H R H R H R C C H C C C H C H H H H C H n 7. Eliminaatioreaktio • Yhdisteestä poistuu jokin stabiili pieni molekyyli, jolloin sidokset järjestäytyvät uudelleen à kaksois- ja kolmoissidoksia • ”Addition vastakohta” • Eivät yleensä tapahdu merkittävällä nopeudella ilman katalysointia, (kuten eivät muutkaan biokemialliset/orgaaniset reaktiot) H H H C C H HO H H H C C H H + H2O 7.1 Rasvahappojen desaturaatio • • • • Eli rasvahappojen kaksoissidosten muodostaminen Elimistö voi muodostaa tyydyttyneitä rasvahappoja Osa muutetaan tyydyttymättömäksi Vetyä ei kuitenkaan vapaudu, vaan vapautuneet elektronit ja ionit sidotaan muihin yhdisteisiin OH O OH O + H2 Esimerkki • Kirjoita rakennekaavoin propeenin ja vetykloridin reaktio. • Piirrä polymeeri, joka syntyy propeenista. • Mistä monomeereistä kyseinen yhdiste koostuu? n Esimerkki + Cl HCl n Muita orgaanisia reaktioita/ termistöä • Palaminen: reaktio hapen kanssa • Hydraus: vedyn liittäminen tyydyttymättömään NO yhdisteeseen 2 • Nitraus: + HO + HNO3 • SO3H • Sulfonointi: + H2O + H2SO4 2 • Halogenointi • Saippuointi: rasvan (triglyseridin) hydrolyysi lipeän (NaOH) kanssa Saippuointi