1

Övningskompendium i organisk kemi för KEMA01

Lunds Universtet, 2013

I detta kompendium finner du lämpliga övningsuppgifter för kuresn KEAMA01. Flera

av uppgifter kommer att lösas under de schemalagda övningstillfällena, men alla

kommer inte att hinnas med. Det är utmärkt om du själv försöker lösa de uppgifter som

inte gås igenom på övningarna, och du är varmt välkommen att diskutera dina lösningar

med kursens lärare!

2

Övning 1: Allmänna begrepp, formelskrivning och molekylorbitaler

1. Vilken är skillnaden mellan Brønsteds syra-bas-begrepp och Lewisdefinition? Ange vilka av följande föreningar som är syror respektive baser enligt den senare definitionen: aceton vatten dimetylsulfid aluminiumtriklorid 2. Markera den suraste protonen i var och en av följande föreningar och ordna dessa efter ökande aciditet. CH3CH2OH FCH2CH2OH ClCH2CH2OH 3. Välj ett bensenderivat med molekylformeln C6H6O. a) Rita det som Lewisstruktur. b) Rita det som skelettstruktur. 4. Rita och namnge isomererna med summaformeln C3H6O. 5. Till vilken substansklass hör följande molekyler?

6. Ange trivialbnamnet för följande föreningar:

7. Rita fullständiga Kekulé-strukturer (s. 7 i McMurry) för: a) 4-hydroxibutansyra b) N-metylanilin c) EtCOCH(Me)CO2Me d) 5-(3-nitrophenyl)-5-oxopentanoic acid

H O

a)Br

b) c)

ON

d)O

e) f) g)Cl

h)O

OO OO O

NH

H NMe2

O

H OH

Oa) b)

HO

c)

OHHO

d)

OHO

O

e) OH

3

8. Namge följande föreningar:

9. Vad händer, eller händer inget? Förklara hur du resonerar!

10. Den här frågan rör molekylorbitaler (MO). a) Rita ett orbitalkorrelationsdiagram för He+. b) Kan denna molekyl, som ju är en jon, tänkas existera i yttre rymden? Förklara! 11. Väteperoxid, 1, har elektrofila egenskaper och kan i vissa sammanhang också fungera som oxidationsmedel. (Faktum är att koncentrerad väteperoxid tillsammans med organiska föreningar innebär en stor explosionsrisk!) Dimetyleter, 2, däremot är varken en elektrofil eller ett oxidationsmedel.

a) Ange LUMO i båda föreningarna. b) Rita upp korrelationsdiagram som inbegriper LUMO för såväl väteperoxid som dimetyleter. Ange de atomorbitaler som huvudsakligen ingår i de linjärkombinationer som ger LUMO. c) Ange varför LUMO är lägre för väteperoxd än för dimetyleter. d) Visa förenklat hur LUMO ser ut för väteperoxid.

a)b) c)

H

ONO2O

O

O OH

O

HO OH H3CO

CH31 2

4

Övning 2: Alkener och konformationer 1. Namnge föreningarna nedan entydigt.

2. Vad bildas?

3. Skriv en reaktionsformel för syntes av isopropanol (2-propanol) från propen och vatten i starkt sur miljö. 4. Redogör för mekanismen för reaktionen ovan och konstruera ett reaktionsenergi-diagram. Markera vad som är intermediärer, övergångstillstånd och aktiverings-energier. Vilket är det hastighetsbestämmande steget? Vilken biprodukt skulle man gissa bildas vid denna syntes? 5. a) Rita en Newmanprojektion som visar den stabilaste konformationen av 1-propanol. b) Illustrera meb hjälp av en Newmanprojektion vad en gauche-interaktion är. 6. Rita nedanstående substituerade cyklohexan, med alla vätena utsatta, i den mest gynnsamma stolformen.

5. Ekvivalent mängd av 2-metyl-2-buten och (E)-2-buten får reagera med en ekvivalent HBr. Vad blir huvudprodukten.

6. Vilka är huvudprodukterna i nedanstående reaktioner? Stereokemin skall tydligt framgå i svaren!

Cl

Cla) b) c) d)

+

+HBr

HBr

(E)-2-buten

(Z)-3-hexen

Br2

CH2Cl2?

Br2

CH2Cl2?

a)

b)

5

Övning 3: Stereokemi 1. Rita strukturen för den mest stabila konformationen av cis- respektive trans-1,3-dimetylcyklohexan. Använd gärna molekylmodeller. 2. Rita de båda enantiomererna av 2-brombutan. Ange vilken som har S- respektive R-konfiguration. 3. Vilka av följande föreningar är kirala? Markera alla stereogena atomer.

4. Tamiflu är det beryktade läkemedlet mot bl. a. fågelinfluensa som såldes slut på apoteket när medierna varnade för kommande pandemier. Strukturen ser du nedan. Tamiflu framställs ur shikiminsyra som är en naturprodukt med begränsad tillgång. Markera alla stereogena atomer i tamiflu och ange hur många stereoisomerer den har.

5. Följande frågor gäller (–)-mentol, en naturligt förekommande substans som kan isoleras från pepparmintolja.

a) Rita den mest gynnade stolkonformationen för (–)-mentol. b) Fastställ absolutkonfigurationen för alla stereocentra i (–)-mentol. c) Rita enantiomeren av (–)-mentol. d) Rita en diastereomer till (–)-mentol.

OH

HO

HO

COOH

NH2

O

CH3CONH

COOEt

TamifluShikiminsyra

OH

(–)-mentol

H2N CO2H H2N CO2H

Ph

CO2H

CO2H

6

6. Molekylen nedan kan existera som fyra olika stereoisomerer. Rita upp dessa, ange absolutkonfigurationen, samt hur de förhåller sig till varandra.

7. I uppgift 7, övn. 3, analyserades produktutfallet vid addition av Br2 till (E)- och (Z)-buten. Nu skall du reda ut det stereokemiska förhållandet mellan föreningarna! a) Ange absotutkonfigurationen för alla stereocentra. b) Ange realtionen mellan de olika stereoisomererna? c) Hur många stereoisomerer har bildats i de två reaktionerna? Varför?

Cl

OHH

HO

BrH

7

Övning 4: SN2, SN1, E2 och E1 1. Vilka av substraten nedan skulle reagera enligt SN1, SN2 eller inte alls med nukleofilen Nu-? Vad kan Nu- vara för någonting?

2. Redogör för mekanismen för reaktionen mellan (S)-2-fenyl-2-brombutan och etanol i varm etanol (solvolys).

3. Välj från nedanstående lista den eller de alkylhalogenider som stämmer med respektive kriterium. a) 1-bromhexan b) 3-brom-3-metylpentan c) 1-brom-2,2-dimetylbutan d) 3-brom-2-metylpentan e) 2-brom-3-metylpentan f) bromcyklohexan

i) som är kiral ii) som finns som diastereomerer iii) som reagerar snabbast vid SN2-reaktion med natriummetoxid i metanol iv) som inte reagerar nämvärt med SN2-reaktion med natriummetoxid i metanol v) som endast ger en alken vid E2-eliminering vi) som ger E2-eliminering men inte SN2-substitution vid reaktion med natriummetoxid i metanol. vii) Som reagerar snabbast vid SN1-reaktionen. 4. Ange huvudprodukt i följande reaktioner. Mekanism krävs ej.

5. Hur kan man framställa nedanstående molekyl med hjälp av en E2-eliminering.

BrI Cl

H3C-BrBr

Br

O+ ?

Br

S+ ?

+ ?

Br

O+ ?

Br H2O

[lösningsmedel]

8

6. Vad sker när förening 1 behandlas med etoxid? De båda bromsubstituenterna på cyklohexanringen ser ut att ha lika omgivning, men en är betydligt mer reaktiv än den andra i den här reaktionen.

a) Visa med en tydlig mekanism vad som händer! b) Varför, enligt den mekanism du föreslagit, uppvisar bromsubstituenterna olika reaktivitet? c) Hur skulle man experimentellt kunna bevisa att din mekanismen är korrekt? d) Är förening 1 eller produkten kiral? 7) Förklara varför den relativa hastigheten mellan 1-brombutan azidjon ökar med en faktor 2800 när lösningsmedlet byts från metanol till DMF.

8. Vad sker? Diskutera alla tänkbara möjligheter och redogör varför bara ett av utfallen förefaller rimligt. Vilken substansklass tillhör produkten?

9. Enkla ("förenlade") orbitalresonemang gör det oftare lättare att förstå ett i övrigt så deskriptivt ämne som organisk kemi. Den härfrågan tar up orbitalperspektiv på nukleofiler, och grundregeln är att ju högre HOMO ligger för en nukleofil desto mer benägen är nukleofilen att reagera med en elektrofil. Nedan förekommer fem par (mer eller mindre goda) nukleofiler. Ange nu med beteckning (t ex sp3 C, sp2O etc) vilket orbotal som är homo i var och en av nukleofilerna och markera inom varje par den HOMO som har högst energi. En kort motivering skall ingå i denna rangodning.

BrBr

1

O+ ?

+ produktBr N3

NH2 Br OH

O

+ produkt

NH

a)O O

b)S

Nc)

Pd) OH O e)

9

Övning 5: Aromatiska föreningar 1. Definiera begreppet aromaticitet. Vilka av följande föreningar är aromatiska? Förklara.

2. Skriv upp all resonansformerna för följande joner. Vilken eller vilka bidrar mest till resonanshybriden?

3. Rita och namnge alla aromatiska föreningar med summaformeln a) C7H7Br b) C8H10 som ger tre produkter vid elektrofil aromatisk monobromering. 4. Bensylkatjonen är resonansstabiliserad. Rita dess resonansstrukturer. Är aniliniumjonen stabiliserad på samma sätt?

5. Vi har tidigare diskuterat mekanismen för addition av HBr till alkener samt olika substituenters effekt på aromatisk elektrofil substitution. Nu är det dags att kombinera dessa kunskaper! Vilken av följande föreningar reagerar snabbast med HBr? Varför? Förklara med tydliga reaktionsmekanismer!

O BCH3

OO

CH2 NH3

MeO O2N1 2

10

6. BHT (butylhydroxitoluen) är en antioxidant som används som tillsattsmedel (E 321) i bl a tuggummi och kosmetika; dess främsta uppgift är att förhindra att fetter härsknar, vilket leder till missfärgning och oönskade lukter. BHT framställs industriellt genom att reagera p-kresol med 2-metylpropen i sur miljö.

a) Vad heter reaktionen? b) Förklara med en tydlig reaktionsmekanism hur BHT bildas. [Det är ju även intressant att fundera på hur BHT fungerar som antioxidant!]

OH OH

H3PO4+

p-kresol BHT

11

Övning 6: Nukleofil addition till aldehyder och ketoner

1. Vilka olika funktionella grupper innehållande karbonyl kan du finna i följande molekyler:

2. Rita formler för följande föreningar: a) bromaceton b) 2-metylheptan-3-on c) butandial d) 6,6-dimetylcyklohexa-2,4-dienon e) 3-fenylpropenal f) 4-nitrobensenkarbaldehyd 3. För att undersöka en reaktions mekanism eller en substans metabolisering kan man märka in ovanliga isotoper i molekyler av intresse och sedan undersöka med t ex pektroskopiska metoder var isotoperna hamnar i produkterna. Föreslå en mekanism för hur vanlig aceton (i vilken syret är 16O) kan inkorporera 18O genom behandling med vatten i sur miljö.

4. Avgör om nedanstående föreningar är halvacetal, acetal eller imin. Ur vilka ämnen kan den första framställas?

5. a) Vilka två isomera, cykliska acetaler kan bildas i den syrakatalyserade reaktionen mellan aceton och glycerol (1,2,3-propantriol)? b) Endast en bildas. Vilken är det om det visar sig att den kan spaltas i enantiomerer? 6 Kemisten Proton arbetade som utvecklingsansvarig på det förnämliga företaget Vallfart AB, och ville absolut framställa nedanstående substans F, för att utröna om densamma kunde vara lämplig som komponent i en ny komposition för den popolära "Kallas Guldvalla". Hur han än försökte kunde Proton inte komma fram till rätt substans utan fick istället en närastående substans C som inte gick att använda till någonting. Nu är det din uppgift att förklara för Proton varför den syntesvägen inte fungerade och hur han skall lösa problemet. [Ledning: förklara vad som händer i de olika

16OH218O

H+ 18OH216O

OOH

O

OOCH3

OCH3

N

CH3CH(NH2)CONHCH2COOH

CHO

OCH3OH

CHO

O

O

H

SCOCH3

H

H

O

H

vanillin

alanylglycin

retinal

ett kaliumsparande diuretikum

12

reaktionsvägarna A→B→C och A→D→E→F. Till din hjälp har du summaformlerna i respektive mellansteg.

7. Ibland möter vi problem som i förstone förefaller nya och svåra, men som efter närmare analys kan brytas ner i enklare komponenter. Ett exempel är reaktionen mellan cyklopentanon och dimethylsulfoniummetylid (1) till epoxid 2. Vi har tidigare under kursen visat att epoxider är värdefulla intermediärer i organisk kemi. Det är nu din uppgift att ange en rimlig mekanism för reaktionen nedan! [Tips: börja med att identifiera vilketav startmaterialen som är nukleofil resp. elektrofil.]

O

O

H NaBH4

A

C5H10O2

B

H+, H2OO

C

erhållen produkt

C2H6O2, H+

C7H12O3

D

NaBH4 C7H14O3

E

H+, H2OO

F

önskad produktOH

OSCH2+

DMSOO

1 2

13

Övning 7: Karboxylsyror och deras derivat 1. Enligt ett tabellverk gäller följande pKa-värden för några aromatiska syror: bensoesyra 4.20, p-metoxibensoesyra 4.47, p-cyanobensoesyra 3.55. Hur kan man föklara syrornas olika styrka? 2. Rangordna alkoholer, karboxylsyror och fenoler efter stigande aciditet (surhet). Förklara skillnaderna. 3. a) Vilka är karboxylderivaten, RCOY? Ordna dessa enligt ökande hydrolyshastighet. b) försök nu förklara varför du kom fram till rangordningen i uppgift a). En förenklad orbital/resonansargumentering är inte helt fel! 4. a) Redgör i detalj för mekanismen för framställning av estern mellan propionsyra och metanol i närvaro av lämplig katalysator. b) Denna reaktion är reversibel med K ≈ 4. Hur kan man påverka jämviktsläget av ovanstående reaktion så att den önskade produkten erhålls i högt utbyte? 5. Redogör för mekanismen för den basinducerade hydrolysen av nedanstående ester.

Asterisken anger att atomen är isotopmärkt. I svaret skall anges i vilken komponent i produkten isotopmärkningen återfinns. 6. En blandning av fenylacetat (estern mellan ättiksyra och fenol) och acetanilid (MeCONHPh) hydrolyseras med kokande natriumhydroxidlösning. Hur kan man isolera de komponenter som finns i lösningen? 7. Det är möjligt att framställa antingen monoster 2 eller diester 3 från succinsyraanhydrid (1) enligt nedanstående schema. Varför ger ena metoden monoestern och den andra diestern? En tydlig reaktionsmekanism bör ingå i svaret.

O

O

*

O

O

O

MeO

MeOH OMeOH

O

O

H

MeOHOMeOMe

O

O

1 23

14

Övning 8: Kondensationsreaktioner 1. Formulera mekanismer för följande isomeriseringar. Hur ligger respektive jämvikt förskjuten?

2. Hur förklarar man, att aceton föreligger företrädesvis i ketoformen, medan 2,4-pentandion föreligger som enolform. 3. Skriv reaktionsformel för aldolkondensationen av propanal. 4. Nedanstående triketon kan undergå aldolkondensation i vilken anjonen av acetylgruppen i sidokedjan är nukleofil. Skriv strukturformler för produkterna som erhålles vid reaktion med var och en av de två karbonylgrupperna i ringen. Är produkterna identiska? Om inte vilket är deras förhållande till varandra.

5. Claisenkondensationen är en effektiv metod för att framställa sexlediga heterocykler, och ett exempel visas nedan. I just detta fallet, där vi har ett symmetriskt startmaterial, spelar det ingen roll vilken estergrupp som enoliseras eftersom utfallet blir detsamma.

Men även i följande fall, där startmaterialet inte är symmetrisk, spelar det ingen roll vilken estergrupp som enoliseras. Produktutfallet blir detsamma! Förklara med en tydlig reaktionsmekanism hur detta är möjligt.

7. a) Substrat 1 kan omvandlas till den niolediga strukturen 2 genom behandling med natriumetoxid. Visa med en tydlig mekanism hur detta sker.

O

O

O

NN

CO2EtEtO2CO

1. EtO

2. Hvärme

N-metyl-4-piperidon

NN

CO2EtEtO2C

1. EtO

2. Hvärme

O

N-metyl-3-pyrrolidinon

O OHH+ H+

15

b) Reaktionen startar med en enolisering. Substrat 1 innehåller tre sura metylenprotoner (i, ii ich iii) men bara en av dessa positioner reagerar vidare till produkt. Varför och hur avgörs selektiviteten?

OO

CO2Et CO2Et

OO

NaOEt

EtOH

1 2

16

Övning 10. Aminer och kolhydrater

Dust, dirt and sand. The remains of greatness in history's hand. (Dartwill Aquila)

1. a) Ange strukturen för den öppna formen av D-ribos.

b) Om man löser 1 g α-D-glukopyranos i vatten och genast mäter vridningen av planpolariserat ljus erhålles värdet [α] = +113°. Då man mäter på samma lösning efter endag erhålles [α] = +55°. Förklara varför och ange mekanismen bakom detta fenomen.

2. Sätt rätt text i rätt ruta! anomer α-D-glukopyranos enantiomer β-D-glukopyranos diastereomer α-L-glukopyranos β-L-glukopyranos

3. Ordna följande föreningar efter ökande basstyrka

4. Vilken av följande föreningar är mest basisk. Varför?

O

OH

HOHO OH

OH

O

OH

OHOHHO

OH

O OHHOHO OH

OH

OHO OHOHHO

OH

N N

H

NH2 NH2

NO2

NH2

OCH3

CH3NH2

17

5. Hur varierar C-N-bindningens längd i serien

CH2=CH-NH2HN=CH2 CH3-NH2

18

Övning 6. Alkoholer, etrar, fenoler, tioler och sulfider.

When they get you to believe their lies they think they've created a truth. (Dartwill Aquila)

1. Vad skiljer en fenol från en alkohol? Hur kan följande föreningar separeras från varandra på ett enkelt sätt?

2. Bensyltiol får reagera med jod. Vad bildas? 3. En kemist skulle framställa t-butyl-metyleter och försökte då genomföra följande reaktion.

Till sin förvåning fann kemisten dock en annan produkt, vilken? Hur skulle du framställa t-butyl -metyleter? 4. ΔGo för nedanstående jämvikt är – 3.4 kJ/mol vid 25 oC. Vilken konformer är

stabilast? Beräkna den procentuella fördelningen mellan konformererna vid denna temperaturen.

5. Etenoxid får reagera med metanol i sur miljö. Vad bildas?

OHOH

ICH3ONa +

OH

OH