FUNKTIONELLA GRUPPER (Ämnesklasser) Fö2-2011/EMM

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

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 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

Högre alkoholer har liknande egenskaper som alkaner

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

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: - i jämförelse med alkoholer

OH

+ Base

O

+ H - Base

+ Base + H - BaseCH3CH2 OH CH3CH2 O

pKa ! 10

pKa ! 16

RESONANSFORMLER. Enskilt ritade strukturer av en molekyl eller molekyljon som visar hur fria elektronpar och π-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 π-bindning till π-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 som fenol: Ph-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 σ –bindningar får brytas, bara π–bindningar och fria e—par får flyttas. Avgörande för stabiliteten hos olika resonansstrukturer a) De strukturer som har flest kovalenta bindningar är stabilast b) Så lite laddningsseparation som möjligt c) Det mest elektronegativa atomslaget får den negativa laddningen d) Endast en extra laddningsuppdelning räknas med (= ritas, se II och III nedan)

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)

(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 O

2-Pentanon 3-Pentanon

Isomera pentanoner

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

OHPCC

CH2Cl2C

H

O

Primära alkoholer: ! Aldehyd ! Karboxylsyra

Sekundär alkohol: ! Keton

OH

Na2Cr2O7

H2SO4

Na2Cr2O7

H2SO4

OAceton

- en Keton

Acetaldehyd Ättiksyra

PCC = Pyridinum Chloro Chromate

H3C CH2 OHNa2Cr2O7

H2SO4

Special reagens för aldehyder: PCC

Etanol

Tertiära alkoholer oxideras ej Addition till karbonylgrupp

RC

H

O

Aldehydeller Keton

R C H

OHH-CN

CN

Cyanohydrin

ny kol-kol bindning

!"

+"H+ + - CN

Det positivt polariserade karbonylkolet reagerar med elektronrik nukleofil, ex.vis en cyanidjon, varefter det negativa syret tar upp en vätejon

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

Några vanliga aromatiska aminer

NH2 NH2NH2 NH2

anilin 2-metylanilin o-toluidin

3-metylanilin m-toluidin

4-metylanilin p-toluidin

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.

RC

NH2

Amid resonans: O

RC

NH2

O

RC

NH2

O

Amidkvävet mindre basiskt jämfört med aminer R-CH2-NH2, då resonans i amiden drar elektrontäthet från kvävet mot karbonylsyret.

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