Transcript 1.fejezet
A szerves kémia alapjai 1.félév 1.rész 1., 2. és 3. fejezet szeptember 11, 18 és 25 1. dolgozat: október 2 2. rész 4., 5., 6. és 7. fejezet október 9, 16 és 30 2. dolgozat: november 6 3.rész 8., 9., 10 és 11. fejezet november 13, 20 és 27 3. dolgozat: december 4 december 11 az utolsó dolgozat javítása jelentkezés vizsgára Évközi dolgozatok 10 kérdés 20 pont Vizsga 4 kérdés 40 pont Értékelés Évközben 3 x 20 = 60 Vizsgán 40 Jeles 80 Jó 60 Közepes 40 Elégséges 20 1.fejezet A szénvegyületek szerkezete 1.1. A szerves kémia kialakulása A XIX. században az élő szervezet által termelt anyagokat tekintették szerves anyagoknak, míg az élettelen természet anyagai voltak a szervetlen anyagok. Wöhler német kémikus 1828-ban egy szervetlen sóból olyan vegyületet (a karbamidot) állított elő, amelyet addig csak az élő szervezet által előállítható anyagnak tekintettek. Ez a felfedezés mutatott rá arra, hogy nincs alapvető különbség a szerves és a szervetlen anyagok között. A mai értelemben vett szerves kémia a szénvegyületek kémiája. A szén képes arra, hogy sok szénatom összekapcsolódása révén hosszú láncokat, és ezáltal nagyon bonyolult molekulákat hozzon létre. Ez a bonyolultság és a lehetséges szerves vegyületek nagy száma indokolja a szénvegyületek különálló tárgyalását. A fejlődés során különvált a szerves kémiától az élő szervezetekben lejátszódó folyamatokkal foglalkozó biokémia, amit elsősorban ezen folyamatok bonyolultsága indokol. Bonyolultságuk ellenére a biokémiai átalakulások szerves reakciók, így ezen folyamatok megértéséhez elengedhetetlenek a szerves kémiai alapismeretek. 1.2. Az atompályák Egy atom magjában a rendszámmal azonos számú, pozitív töltésű proton és semleges neutronok találhatók. A protonok és a neutronok együttes száma az atom tömegszámát adja meg. A protonokkal azonos számú elektron elektronhéjakon helyezkedik el. Minél távolabb van egy héj a magtól, annál nagyobb energiájú. Az egyes héjakon belül az elektronok atompályákon találhatók. Az atompályák különböző alakúak lehetnek. Az spályák gömbszimmetrikusak, a p-pályák pedig súlyzó alakúak. A három p-pálya (a px, a py és a pz) a három tengely irányában helyezkedik el. 1.3. Az atomok elektronszerkezete Az első héj csak egy s-pályából áll, a második héjon már egy s- és három p-pálya helyezkedik el. Egy pályán csak két elektron tartózkodhat, azok is ellentétes spinnel. Ennek megfelelően az első héjon csak kettő, a második héjon viszont már nyolc elektron fér el. Az elektronok először mindig az alacsonyabb energiájú pályákra lépnek be. Az azonos energiájú pályák (például a három p-pálya) esetében az elektronok úgy helyezkednek el, hogy a párosítatlan elektronok száma maximális legyen. 2pz 2py 2px 2s 1s H He Li Be B C N O F Ne 2pz 2py 2px 2s 1s H He Li Be B C N O F Ne A szénatom elektroneloszlása tehát 1s22s22p2. Mivel azonban a kémiai tulajdonságokat a vegyértékelektronok (a le nem zárt héjak elektronjai) határozzák meg, csak a második héjat kell a kémiai tulajdonságok értelmezése céljából tekintetbe venni, így a szén vegyértékhéjának elektroneloszlása s2p2. 1.4. Az ionos kötés A nemesgázok (He, Ne) a legstabilabb atomok, mivel lezárt külső héjjal rendelkeznek. Stabilitásuk miatt a nemesgázok atomos formában fordulnak elő. Mivel minden rendszer az energiaminimum elérésére törekszik, a többi atom is igyekszik elérni a nemesgázokhoz hasonló lezárt vegyértékhéjat. 2pz 2py 2px 2s 1s He Li F Ne A lítium egy elektron leadásával egy olyan pozitív töltésű ionná (kationná) alakul, amely ugyanolyan lezárt vegyérté-héjjal rendelkezik, mint a hélium. A fluor viszont egy elektron felvételével olyan anionná alakul, amely a neonhoz hasonló lezárt vegyértékhéjjal bír. A kialakuló kationok és anionok között elektrosztatikus kölcsönhatás alakul ki, és ez csökkenti a rendszer belső energiáját. Ezért az ionok ionrácsokat képeznek. Tipikus példája ennek a NaCl. Az ionrácsokat összetartó kötést ionos kötésnek nevezik. 1.5. A kovalens kötés Olyan esetekben, amikor azonos atomok (például két hidrogénatom) között alakul ki kötés, nincs lehetőség az ionos kötés kialakulására, hiszen a két atom elektronleadó vagy elektronfelvevő képessége azonos. A stabilabb állapot elérésére való törekvés miatt azonban ezek az atomok is molekulákat igyekeznek képezni. A kötés kialakulása a két hidrogénatom között úgy mehet végbe, hogy mind a két atom egy-egy elektront ad a kötéshez, és ezek elektronok egy olyan pályán helyezkednek el, amelyik mindkét atommagot körülveszi. Az ilyen pályákat molekulapályáknak, az ilyen kötéseket pedig kovalens kötéseknek nevezik. A kovalens kötések kialakulásának kvantumkémiai modellje szerint a molekulapályák az atompályák átlapolódása révén jönnek létre. Egy molekulapályára ugyanazok a szabályok vonatkoznak, mint az atompályákra, azaz egy molekulapályán is két elektron foglalhat helyet. Mivel a kötésben részt vevő mindkét elektron mind a két pozitív töltésű atommaggal kölcsönhatásba lép, a molekula kialakulása során nagy mennyiségű energia (435 kJ/mol) szabadul fel, és emiatt a rendszer alacsonyabb (azaz stabilabb) energiaállapotba kerül. Minél nagyobb mértékű az átlapolódás (azaz minél kisebb a távolság a két atommag között), annál erősebb a kötés. Az így kialakuló molekulapályák a két atommag között helyezkednek el, ezért lokalizált molekulapályákról van szó. Ha a hidrogén-hidrogén kötést elmetsszük a kötéstengelyre merőleges síkkal, egy kör alakú metszetet kapunk, azaz a HH kötés tengelyszimmetrikus. Az ilyen kötést szigma-kötésnek nevezik. A tengelyszimmetria miatt a szigma-kötéseknél az összekapcsolódó atomok a kötéstengely mentén szabadon elfordulhatnak anélkül, hogy ez a metszet méretét, és ezáltal az átlapolódást, azaz a kötés erősségét, befolyásolná. Hasonló módon csak kovalens kötések alakulhatnak ki olyan esetekben is (például a C-H kötés esetében), amikor ugyan különböző atomok között alakul ki a kémiai kötés, de az összekapcsolódó atomok elektronleadó, illetve elektronfelvevő képessége nem különbözik olyan nagy mértékben, hogy ionos kötés ki tudna alakulni. A kémiai kötés kialakításában csak a le nem zárt héjak elektronjai (a vegyértékelektronok) vesznek részt. A szerves kémia leggyakoribb elemei, a szén, az oxigén és a nitrogén esetében ez a második héj. A második héjon maximálisan 8 elektron helyezkedhet el (neon). Ezért a fenti atomok olyan molekulapályák kialakítására törekszenek, amelyeken nyolc elektron található (oktett-elv). A fluor hét, az oxigén hat, a nitrogén pedig öt elekronnal rendelkezik a második héjon. Ennek megfelelően a fluor egy, az oxigén kettő, a nitrogén viszont három kovalens kötés kialakulása után éri el a elektronoktettet. A kötésben részt nem vevő elektronpárokat nemkötő elektronpároknak nevezzük. H H N H H O H H F A szénatom vegyértékhéján négy elektron található, ezért négy kovalens kötésre van szükség ahhoz, hogy nyolc elektron helyezkedjen el a molekulapályán. Ez megfelel annak a tapasztalatnak, hogy a szénvegyületekben a szén négy vegyértékű. Alapállapotban azonban a szén csak két párosítatlan elektronnal rendelkezik. Mintegy 400 kJ/mol energia befektetése révén azonban egy elektron a 2s pályáról átmegy a magasabb energiájú 2pz pályára, így a gerjesztett állapotban sp3 elektroneloszlás alakul ki. 2pz 2py 2px 2s 1s alapállapot gerjesztett állapot A négy párosítatlan elektron négy kovalens kötés kialakítására képes. Négy kötés kialakulása a kettő helyett hozzávetőlegesen 800 kJ/mol energiacsökkenést jelent. Ez bőségesen fedezi a gerjesztéshez szükséges energiát, és összességében mintegy 400 kJ/mol értékkel kisebb energiaállapotba kerül a rendszer (azaz lényegesen stabilabb lesz), mintha csak két kötés alakulna ki. 1.6. A molekulák térszerkezete A szigma-kötéseket tartalmazó molekulákban a kötésekben részt vevő elektronpárok taszítják egymás, ezért a molekula olyan térbeli alakzatot igyekszik felvenni, amelyben ezek az elektronpárok a lehető legtávolabb helyezkednek el egymástól. Ebben az esetben lesz ugyanis a taszítás a legkisebb, és ezáltal a molekula a legstabilabb. Két egyes kötést tartalmazó molekula ( BeH2 ) esetében a lineáris molekula jelenti a legstabilabb elrendeződést. H Be H Három kovalens kötés ( BF3 ) esetében az a legstabilabb elrendeződés, amikor a kötéseket létrehozó három elektronpár azonos síkban helyezkedik el, és a kötések 120o-os szöget zárnak be. F B F F Négy kovalens kötés (CH4) esetében az elektronpárok akkor vannak a legtávolabb egymástól, ha a négy kötés egy tetraéder négy csúcsának irányában helyezkedik el. H o C H H H Ha a tetraéderes szénatomot síkban ábrázolják, a szokásos vastagságú vonalak a papír síkjában lévő kötéseket jelölik, míg a vastag vonal a sík feletti, a szaggatott pedig a sík alatti kötést jelenti. Nemkötő elektronpárokat tartalmazó molekulák esetében a nemkötő elektronpárok ugyanúgy a tetraéder csúcsainak irányában helyezkednek el, mint a kötésben lévő elektronpárok. H O H 1.7. A metán és az etán kvantumkémiai modelljei A metán esetében a kötések a szén és a hidrogén atompályáinak átlapolódása révén jönnek létre. A szén elektroneloszlása a gerjesztett állapotban sp3, ami azt jelenti, hogy a szén 1db s-, és 3db p-elektronjával képes részt venni a négy kovalens kötés kialakításában. Mivel ezek az elektronpályák nem azonos energiájúak, az lenne várható, hogy kétféle erősségű kötés alakul ki. Mivel az s- és p-pályák alakja is különböző, az is várható lenne, hogy a kétfajta kötés alakja sem lesz azonos. Ezzel szemben minden kísérleti tapasztalat azt mutatta, hogy a metánban négy, teljesen azonos kötés található. Azért, hogy a matematikai modell megfeleljen a fenti kísérleti tapasztalatnak, azt kellett feltételezni, hogy a szén s- és p-pályái teljesen azonos pályákká alakulnak át (pályakeveredés). Ezt az átalakulást nevezik hibridizációnak. Mivel ennek során az egy s- és a három p-atompálya négy sp3-pályává alakul át, sp3-hibridizációról szokás beszélni. Mivel egy sp3-molekulapálya az s- és a p-atompályák keveredéséből alakul ki, az sp3-kifejezés arra utal, hogy a molekulapálya 25% s- és 75% p-jelleggel rendelkezik. A metánban található kötéseket tehát a szén egy sp3elektronja és a hidrogén s-elektronja hozza létre. A hibridizáció eredményeként négy, azonos energiájú kötés tud kialakulni, és ezek a kötések a tetraéder négy csúcsának irányában helyezkednek el. A kovalens kötéseket a kötéserősséggel (bond strenght), a kötéstávolsággal (bond lenght) és a kötésszöggel (bond angle) szokták jellemezni. A metán esetében a kötéserősség 434 kJ/mol (104 kcal/mol), a kötéstávolság 109,4 pm, a vegyértékszög pedig 109,5o. Az etánban a hat szén-hidrogén szigma-kötés mellett egy szén-szén szigma-kötés is található. H H H C C H H H A szén-szén kötést a szénatom egy-egy sp3-elektronja hozza létre. Az összekapcsolódó szénatomok a szén-szén szigma-kötés körül is szabadon elfordulhatnak. A szabad elfordulás lehetősége miatt az etán olyan térhelyzetet igyekszik felvenni, ahol a hidrogénatomok a lehető legtávolabb vannak egymástól. 1.8. A kettős kötés A szerves kémiában gyakori, hogy a szénatom kettős kötéssel kapcsolódik egy másik atomhoz. Például szén-szén kettős kötés található az eténben. H H C C H H A kettős kötés kialakulását úgy képzelik el, hogy a hibridzációban a szénatomnak csak három atompályája vesz részt, egy s- és két p-pálya, míg egy p-pálya változatlan marad. Mivel ebben a hibridizációban csak egy s- és két p-pálya vesz részt, az sp2-hibridizáció elnevezést alkalmazzák. Az sp2-szénatom három szigma-kötést alakít ki két hidrogénnel és a másik szénatommal. Ez a három kötés akkor van maximális távolságban egymástól, ha egy síkban helyezkednek, olyan módon, hogy a H-C-H atomok által alkotott vegyértékszög közel 120o. H H C H C H Az sp2-hibridizációból kimaradó p-pályák egy újabb szénszén kötést alakítanak ki a sík alatt és felett. Ezt a kötést nevezik pi-kötésnek (vagy -kötésnek). A kettős kötés tehát egy szigma- és egy pi-kötésből áll. A kettős kötés hossza az eténben 133 pm, azaz lényege-sen rövidebb, mint a szén-szén szigma-kötés az etánban (153,6 pm). C C 1.9. A hármas kötés A szénatomok hármas kötéssel is kapcsolódhatnak egymáshoz. Szén-szén hármas kötés található például az acetilénben. H C C H Ez úgy jön létre, hogy a szén a szén egy s- és egy p-pályája vesz rész a hibridizációban. Az sp-molekulapálya két szigma-kötést hoz létre a másik szénnel és egy hidrogénnel. A négy kimaradó p-pálya egymással lapolódik át és két, egymásra merőleges pi-pályát hoz létre (sp-hibridizáció).A két kialakuló szigma-kötés akkor lesz maximális távolságban egymástól, ha a szigma-kötések egy egyenes mentén helyezkednek el. Ezért az acetilén lineáris molekula. A fentiek szerint az etánban sp3, az eténben sp2, míg az acetilénben sp-hibridállapotú szénatomok találhatók. A hibridpályák s-jellege az sp3 sp2 sp sorrendben nő. Minél nagyobb az s-jelleg, annál rövidebb és erősebb kötésekről van szó. hibridizáció sp3 C-H sp2 C-H sp C-H kötéstávolság, pm 109,4 107,9 105,7 kötéserősség, kJ/mol 410 443 502 Ez azzal értelmezhető, hogy az s-pályák közelebb vannak az atommaghoz és ezáltal erősebben kötött elektronokat jelentenek. A fentiekhez hasonló módon alakul ki a kettős kötés a szén és az oxigén, illetve a kettős és a hármas kötés a szén és a nitrogén között is. Az eltérés az, hogy az oxigén esetében két, a nitrogénnél pedig egy nemkötő elektronpár vesz részt a molekula kialakításában a szigma-kötések helyett. R R C R .. R C C R R R N H C R O .. .. 1.10. Poláros és apoláros kötések Ha egy kovalens kötésben különböző elektronegativitású (azaz különböző elektronvonzó képességű) atomok kapcsolódnak egymáshoz, az elektronok eltolódnak a nagyobb elektronegativitású atom (a jelen esetben a Y) irányába, és ezáltal az Y atom negatív töltést kap, míg a kisebb elektronegativitású atom pozitív töltésű lesz. Ad+ YdAz ilyen kötéseket poláros kötéseknek nevezzük. Közel azonos elektronegativitású atomok esetén apoláros kötések alakulnak ki. A—B Néhány elem elektronegativitása elem elektronegativitás elem elektronegativitás C 2,5 N 3,0 H 2,1 O 3,5 Li 1,0 F 4,0 Mg 1,2 Cl 3.0 B 2,0 Br 2,8 A szerves vegyületekben a szénhez a leggyakrabban a halogének, továbbá az oxigén és a nitrogén kapcsolódik. Ezek a szénnél elektronegatívabb elemek, emiatt ezekben a kötésekben a szén pozitív töltést kap. C d+ Y dHa azonban a szénhez kisebb elektronegativitású atomok kapcsolódnak, a szén negatív töltésűvé válik. C d- Mg d+ Ilyen kötés akkor alakulhat ki, ha a szénhez fématomok kapcsolódnak, ezért az ilyen molekulákat fémorganikus vegyületeknek nevezik. A hidrogén is kisebb elektronegativitású, mint a szén, ezért a C-H kötésben a szén negatív, a hidrogén pedig pozitív töltést kap. C d- H d+ A különbség azonban olyan kicsi, hogy a csak C-C és C-H kötéseket tartalmazó molekulák apoláros vegyületeknek tekinthetők. A szigma-kötésekhez hasonlóan a kettős és a hármas kötések esetében is az elektronegatívabb atom negatív töltésre tesz szert. d C + d O - A nagyobb polarizáltság általában nagyobb reakciókészséget is jelent. 1.11. Poláros és apoláros molekulák Egyes molekulák az elektromos tér hatására elrendeződnek (ezek a poláros molekulák), míg a molekulák másik csoportjára nem hat az elektromos tér (ezek az apoláros molekulák). - + + + - + - + + - Kétatomos molekulák esetében poláros a molekula, ha a kötés poláros, és apoláros a molekula, ha a kötés apoláros. Ad+ Y d- AB Többatomos molekulák esetében a helyzet már nem ilyen egyértelmű. Poláros lesz a molekula, ha tartalmaz egy erősen poláros kötést, miközben a többi kötés csaknem apoláros. H H d+ dC Cl H Szimmetrikus molekulák esetében azonban apoláros kötések kioltják egymás hatását, ezért az ilyen vegyületek apoláros molekulák. Cl C Cl Cl Cl 1.12. A molekulák kölcsönhatásai A molekulák között vonzó kölcsönhatások alakulhatnak ki. Minél erősebbek ezek a kölcsönhatások, annál nehezebb a molekulákat szétválasztani, azaz annál magasabb a forráspont. A poláros molekulák között úgy alakul ki a vonzó kölcsönhatás, hogy a molekulák ellentétes töltésű felükkel fordulnak egymás felé. - + - + Hasonló kölcsönhatás alakul ki a poláros molekulák és a poláros oldószermolekulák között is, ezért poláros molekulák poláros oldószerekben oldódnak. Hasonló jellegű vonzó kölcsönhatások miatt a poláros oldószerek az ionokat is stabilizálni tudják. Anionok a víz pozitív töltésű hidrogénjeivel létesítenek kapcsolatot. d H d H d O Cl O d d H d H A kationok viszont a víz a negatív töltésű oxigénjei felé fordulnak, ezért a víz anionok és kationok szolvatálására is alkalmas. d H Na d O d H Az oxigén és a nitrogén sokkal elektronegatívabb, mint a hidrogén, ezért az O-H és az N-H kötésekben a hidrogén pozitív töltést kap. A pozitív hidrogénatom és egy másik oxigén vagy nitrogén nemkötő elektronpárja között hasonló kölcsönhatás alakulhat ki, mint a poláros molekulák között. d+ d O N d d O N A kölcsönhatás erősebb annál, mint ami poláros molekulák között ki szokott alakulni, de sokkal gyengébb a kémiai kötéseknél (25 kJ/mol, míg egy kémiai kötés legalább 100 kJ/mol). Az is különbség, hogy ez a kötés specifikusan a hidrogén és az oxigén vagy a nitrogén nemkötő elektronpárja között alakul ki, míg a poláros molekulák közötti kölcsönhatások a két molekula között (és nem a molekulák meghatározott atomjai között) jönnek létre. Specifikus jellege miatt ezt a kölcsönhatást hidrogénkötésnek nevezik. Az apoláros molekulákban nem válik szét a pozitív és a negatív töltés centruma. Azonban az elektronok ezekben a molekulákban sem mozdulatlanok, ezért időlegesen előfordulhat, hogy a molekula bizonyos részein a pozitív és a negatív töltés kis mértékben szétválik. Ez a szomszédos molekulában ellentétes irányú szétválást indukál és az időlegesen kialakuló poláros molekulák között gyenge vonzó kölcsönhatások alakulhatnak ki. Az apoláros molekulák közötti gyenge kölcsönhatást erősítheti, ha hosszú apoláros láncok tudnak egymás mellett elhelyezkedni. Mivel a fenti kölcsönhatások apoláros molekulák között jönnek létre, az apoláros molekulák apoláros oldószerekben oldódnak. A polihalogénezett szénhidrogének is apoláros molekulák, ezért jó zsíroldószerek. 1.13. A delokalizált elektronok A szigma-kötésekben az elektronpár a kötésben részt vevő két atom között található (lokalizált elektronok). Hasonló módon lokalizáltak a pi-elektronok is az alkénekben. CH3 CH3 CH2 CH2 Egyes esetekben azonban az elektronok a molekulán belül elmozdulhatnak. Ha például egy pozitív töltésű szénatomot 1 szigma-kötés választ el egy pi-kötéstől (ezt nevezik allil-helyzetnek, illetve allil-kationnak), a pielektronok a pozitív töltés felé áramlanak. CH2 CH + CH2 Az elektronáramlás azt eredményezi, hogy a pozitív töltés eloszlik a molekulában, ezáltal az stabilabbá válik. d CH2 CH + CH2 Az elektronáramlás következtében a korábban két szénatom között elhelyezkedő (lokalizált) elektronok három szénatom körül fognak elhelyezkedni. Az ilyen elektronokat nevezik delokalizált elektronoknak. Delokalizációra a könnyen elmozduló elektronok (a pi-elektronok és a nemkötő elektronpárok) képesek, olyan esetekben, amikor ezeket az elektronokat 1 szigma-kötés választja el egymástól vagy töltéssel rendelkező atomoktól. Az allilkationban három sp2-szénatom vesz részt a szigmaváz kialakításában. A váz kialakulása után három p-atompálya marad, amelyek közül az egyik üres. A három p-pálya átlapolódásával olyan molekulapálya jön létre, amelyik mind a három szénatomot magába foglalja. CH CH2 CH2 1.14. A határszerkezeti formák A szaggatott vonalakat használó képletek alkalmasak az elektronok delokalizációjának jelölésére, de nem adják meg a molekulában szereplő elektronok számát. Ezért a szerves kémikusok szívesebben alkalmazzák a vegyértékszabályoknak eleget tevő kémiai képleteket. Ezek a képletek azonban lokalizált kötéseket ábrázolnak, így önmagukban nem alkalmasak a delokalizált kötések leírására. A delokalizált elektronokat tartalmazó vegyületek szerkezetének leírására szolgálnak a határszerkezeti formák. Ezek olyan, a vegyértékszabályoknak eleget tevő képletek, amelyek csak a könnyen mozgó elektronok (a pi-elektronok és a nemkötő elektronpárok) helyzetében különböznek egymástól. CH2 CH + CH2 + CH2 CH CH2 Az egyes határszerkezeti formák önmagukban nem léteznek, csak a valóságos szerkezet leírására szolgálnak, azaz nem kémiai egyensúlyról van szó. Ezt fejezi ki az egyensúly jelölésére használt helyett alkalmazott kétvégű nyíl. kettős nyíl A molekula valóságos szerkezete a két határszerkezeti forma között található, azaz azonos nagyságú töltés helyezkedik el mindkét szélső szénatomon és a két szénszén kötés se nem egyes, se nem kettős kötés, ehelyett a kettő közötti szerkezettel rendelkezik. CH2 CH + CH2 + CH2 CH CH2 1.15. A szerves vegyületek ábrázolása A szerves vegyületek szokásos képleteiben a vonal felel meg a kötést létrehozó elektronpárnak. ........ H H C H H H H C H H A képletek rövidítése céljából sok esetben egyszerüsítéseket alkalmaznak. Így például nem írják ki az összes szénatomot, ehelyett sokszorozó utótagot használnak, vagy összegképletet írnak. CH3CH2CH2CH2CH3 CH3(CH2)3CH3 C5H12 Bonyolultabb vegyületek esetében az alkilcsoportokat sokszor csak rövidítéssel jelölik. Me = metil Et = etil Pr = propil iPr = izoporopil Bu = butil Me CH3 H3C C CH3 C 2H 5 Me C Me Et További lehetőség a képletek egyszerüsítésére a vonalábrák alkalmazása. Ezeknél a vonalábráknál: a vonalak végei és a metszéspontok jelentik a szénatomokat a szénatomhoz kapcsolódó hidrogéneket nem tüntetik fel CH3CH2CH2CH3 bután CH3CHCH3 izobután CH3 - feltüntetik viszont a pi-kötéseket H2C C CH CH2 CH3 - végül feltüntetnek minden atomot, a szénen és a hozzá kapcsolódó hidrogéneken kívül. CH3CH2CH2OH OH 2. fejezet A szerves kémia rendszere A vegyületek nagy száma miatt a szerves vegyületeket valamilyen módon csoportosítani kell. Ennek leggyakoribb módja a szerkezet alapján történő csoportosítás. A csoportosítás során alapvegyületeknek választják azokat a molekulákat, amelyekben csak hidrogének kapcsolódnak egy el nem ágazó alapvázhoz, és a többi vegyületet az így definiált alapvegyületek származékainak tekintik. 2.1. Az alapvegyületek (i) az el nem ágazó alkánok Az alkánok a legegyszerűbb összetételű szerves alapvegyületek, mivel csak szén-hidrogén és szénszén szigma-kötéseket tartalmaznak. Általános összegképletük CnH2n+2, azaz maximális mennyiségű hidrogént található bennük, ezért az alkánokat telített szénhidrogéneknek is nevezik. Ezekben a vegyületekben szénatomok kapcsolódnak egymáshoz. A propánban kétféle szénatomot lehet megkülönböztetni. CH3 CH2 CH3 szekunder primer Azokat az alkánokat, amelyek csak primer és szekunder szénatomokat tartalmaznak, el nem ágazó alkánoknak nevezzük. Az el nem ágazó alkánok a szerves kémia legegyszerűbb szerkezetű alapvegyületei. (ii) az alkánok vázban helyettesített származékai Ha egy el nem ágazó alkán két vagy több szekunder szénatomját más atomokkal helyettesítjük, olyan alapvegyületekhez jutunk, amelyek az alkánok vázban helyettesített származékainak tekinthetők. A helyettesítő atomokat nevezzük heteroatomoknak. Az oxigén, a nitrogén és a kén a leggyakoribb heteroatomok. CH3 CH2 O CH2 CH2 O CH2 CH3 A primer szénatomok vagy csak egy szekunder szénatom heteroatomokkal történő helyettesítésével képződő molekulákat nem tekintjük alapvegyületeknek. (iii) a gyűrűs alkánok A nyílt láncú alkánokból két hidrogént elvonva CnH2n összegképletű gyűrűs alkánok állíthatók elő. CH3CH2CH2CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 A gyűrűs alkánok szerkezetének leírására többnyire az egyszerűsített vonalábrákat szokták alkalmazni. (iv) a gyűrűs alkánok vázban helyettesített származékai Az el nem ágazó alkánokhoz hasonlóan a gyűrűs alkánok szénatomjai is helyettesíthetők heteroatomokkal (heterociklusos vegyületek). O (v) szenet nem tartalmazó alapvegyületek A szén mellett más atomok (elsősorban a szilícium) is képes arra, hogy egymáshoz kapcsolódva láncokat képezzen. Ezeket a molekulákat is alapvegyületeknek szokás tekinteni. H3Si SiH2 SiH2 SiH2 SiH3 H2N NH2 2.2. Az alapvegyületek alkilszármazékai Ha egy el nem ágazó alkánból eltávolítunk egy hidrogénatomot, egy olyan csoport jön létre, amely egy szabad vegyértékkel rendelkezik. Ezt a csoportot alkilcsoportnak nevezzük. CH3 CH2 alkán CH3 CH3 CH2 CH2 alkilcsoport Egy ilyen alkilcsoporttal helyettesítve az alapvegyületek hidrogénjeit, az alapvegyületek alkilszármazékai jönnek létre. Ha egy el nem ágazó alkán hidrogénjeit helyettesítjük alkilcsoportokkal, olyan vegyületek jönnek létre, amelyekben három vagy négy másik szénatom is kapcsolódhat egy szénatomhoz. CH3 CH3 CH CH3 CH3 tercier CH3 C CH3 CH3 kvaterner Ezeket a szénatomokat tercier vagy kvaterner szénatomoknak, az ilyen szénatomokat tartalmazó vegyületeket pedig elágazó alkánoknak nevezzük. Ehhez hasonló módon a többi alapvegyület hidrogénjeinek alkilcsoportokkal való helyettesítésével lehet eljutni az adott alapvegyület alkilszármazékaihoz. CH3 2.3. A funkciós csoportok Az ismert szerves vegyületek száma már a 10 milliót is meghaladja. Ennyi vegyület kémiai viselkedésének egyenkénti leírása megoldhatatlan feladat lenne. A tapasztalat azonban azt mutatja, hogy a kémiai reakciók során a molekulának csak egy viszonylag jól körülhatárolható része szenved változást, míg a többi része változatlan marad. A molekulának azt a részét, amelyik egy adott reakció során átalakul, funkciós csoportnak nevezzük. Egy adott funkciós csoport kémiai viselkedése általában független attól, milyen vegyületben fordul elő. Ennek megfelelően néhány tucat funkciós csoport kémiai viselkedésének ismeretében több millió szerves vegyület kémiai tulajdonságait vagyunk képesek viszonylag nagy biztonsággal megjósolni. A szénhidrogének a legegyszerűbb összetételű szerves vegyületek, mivel ezekben csak szénhidrogén és szén-szén kötések fordulnak elő. Mivel a szén és a hidrogén elektronegativitása közel azonos, ezekben a vegyületekben csak apoláros kötések találhatók. Az apoláros kötések kis reaktivitása miatt lehet az alkánokat és a cikloalkánokat olyan alapvegyületeknek tekinteni, amelyek nem tartalmaznak funkciós csoportokat. Nagyon gyakoriak azok a funkciós csoportok, amelyekben a szénhez nálánál elektronegatívabb atom kapcsolódik. Mivel a kettős és a hármas kötésekben jelenlévő píkötések sokkal reaktívabbak a szigma-kötéseknél, ezeket a kötéseket is funkciós csoportoknak szokás tekinteni. Különösen nagy reaktivitású funkciós csoportok alakulnak ki akkor, amikor a két előbbi eset kombinációjaként a szénatomhoz egy elektronegatív atom kapcsolódik többszörös kötéssel. (i) szén-szén többszörös kötéseket tartalmazó funkciós csoportok A telítetlen szénhidrogének pi-kötéseket tartalmaznak. A pikötések jóval reaktívabbak, mint a szigma-kötések, ezért a szén-szén többszörös kötéseket funkciós csoportoknak szokás tekinteni. C C alkén C C alkin aromás vegyület A telítetlen szénhidrogének szénatomjait is helyettesíthetik heteroatomok. Ezek közül az aromás vegyületek heteroatomot tartalmazó származékai, a heteroaromás vegyületek a legfontosabbak. N (ii) A szénhez szigma-kötéssel kapcsolódó elektronegatív atomok ( R-Y ) Ezek a szerves kémia leggyakoribb funkciós csoportjai. d C + - d Y A halogének az oxigén, a kén és a nitrogén a leggyakoribb elem ezekben a funkciós csoportokban. halogének oxigén kén nitrogén alkil-halogenidek alkoholok, éterek tiolok, tioéterek aminok C X alkil-halogenid C OH C alkohol C C O éter C SH S C tioéter tiol C N amin (iii) a szénhez kettős kötéssel kapcsolódó elektronegatív atomok Azok a funkciós csoportok, amelyekben a szénhez elektronegatív atom kapcsolódik többszörös kötéssel, a píkötésekre és a poláros kötésekre jellemző reaktivitással is rendelkeznek. Az ilyen típusú vegyületek közül a C=O kettős kötést tartalmazó molekulák a legfontosabbak. O C A C=O kötést tartalmazó vegyületeket karbonilvegyületeknek nevezzük. O CH3 CH2 O C H CH3 C aldehid keton S CH3 CH2 CH3 C S H CH3 tioaldehid C tioketon NH CH3 C imin CH3 CH3 (i) a karbonsavak és származékaik Ezekben a vegyületekben a kettős kötésű oxigén mellett még egy elektronegatív atom (oxigén, nitrogén vagy halogén) kapcsolódik a karbonilcsoporthoz. O C R Y H3C O O O O C C C C Cl savklorid H3C H3C OH karbonsav észter S H3C C OR tioészter OR H3C amid NH2 (v) a szénsavszármazékok Ezekben a vegyületekben a kettős kötéssel kapcsolódó oxigén mellett két másik elektronegatív atom (halogén, oxigén vagy nitrogén) kapcsolódik a szénhez egyes kötéssel. Y O O C C Y szénsavszármazék H2N karbamid NH2 Ezek a molekulák a szénsav OH-csoportjainak módosításával származtathatók, ezért ezeket a vegyületeket szénsavszármazékoknak nevezik. O O C C HO szénsav OH , Y Y szénsavszármazék (vi) a szénhez hármas kötéssel kapcsolódó elektronegatív atom (CY) Azokat a vegyületeket, amelyekben egy primer szénatom három hidrogénjét egy nitrogénatom helyettesíti, nitrileknek nevezzük. CH3 C N (vii) összetett funkciós csoportok Ezekben a funkciós csoportokban a szénatomhoz kapcsolódó heteroatomhoz további heteroatomok is kapcsolódnak. Ilyen funkciós csoportok találhatók például a szulfonsavakban, illetve a nitrovegyületekben. O S OH NO2 O szulfonsav nitrovegyület 2.4. Szén-fém kötést tartalmazó vegyületek Ha a szénatomhoz kisebb elektronegativitású atomok kapcsolódnak, a szén negatív töltésűvé válik. d C d M A fématomok a szénnél kisebb elektronegativitásúak, ezért a fém-szén kötést tartalmazó vegyületek (fémorganikus vegyületek) más jellegű átalakulásokra képesek, mint azok a funkciós csoportok, amelyekben a szénhez elektronegatív atom kapcsolódik. 2.5. A funkciós csoportok és a kémiai reakciók A szokásos feltételezés az, hogy egy kémiai reakció során csak a funkciós csoport változik, a molekula váza azonban változatlan marad. A közvetlenül a funkciós csoporthoz kapcsolódó szénatomokat (alfa-szénatom) célszerű megkülönböztetni a váz többi részétől. O CH3CH2CH2CH2CH2CH2CCH3 alfa-szénatomok Az elektronegatív atomok nemcsak az alkánok, hanem a telítetlen szénhidrogének hidrogénjeit is helyettesíthetik. Cl aromás halogénvegyület OH fenol NH2 aromás amin Ekkor a telítetlen szénhidrogén az alapváz és a poláros csoport a funkciós csoport. Ezekben a molekulákban azonban a telítetlen szénhidrogén pi-kötései is reagálni tudnak, ezért az ilyen molekulák a mindkét funkciós csoportra jellemző átalakulásokra képesek. Ráadásul a két funkciós csoport kölcsönhatása változtatásokat okozhat mindkét csoport viselkedésében. 2.6. A szerves vegyületek elnevezésének alapelvei Abból a célból, hogy egy szerves vegyületet azonosítani lehessen, valamilyen nevet kell neki adni. Az a célszerű, ha a név egyértelmű kapcsolatban van a vegyület szerkezetével, mert ebben az esetben a névből viszonylag könnyen levezethető a vegyület szerkezete. Ez akkor lehetséges, ha a névalkotás megfelelő szabályok alapján történik. A szabályosan képzett neveket szisztematikus neveknek hívjuk. A szisztematikus nevek mellett azonban a szerves vegyületek elnevezésére gyakran alkalmazzák a triviális neveket is. Ezek régi elnevezések és sok esetben már a köznapi nyelvben is használatosak, így a tudományos nyelvből sem zárhatók ki. További előnyük az, hogy általában rövidek, viszont nagy hátrányuk, hogy nincsenek kapcsolatban a vegyület szerkezetével. Ezért ma már a nevezéktan csak korlátozott mértékben engedélyezi a triviális nevek használatát. (i) az alapvegyületek nevei Az el nem ágazó alkánok a legegyszerűbb szerkezetű alapvegyületek. A négy, legkisebb szénatomszámú alkán nagyon közismert vegyület, ezért elnevezésükre a triviális neveiket használjuk. CH4 CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3CH2CH2CH3 metán etán propán bután Öt szénatomtól kezdődően az el nem ágazó alkánok elnevezésére már a szisztematikus neveket használják, azaz a megfelelő görög számnevet az -án végződéssel látják el. C5H12 pentán C6H14 C10H22 C12H26 hexán dekán dodekán Az alkánok szénvázban helyettesített származékait alkánszármazékként nevezhetjük el. A heteroatomok jelölésére az "a" végű előtagokat használjuk. 1. oxigén oxa 2. kén tia 3. nitrogén aza 4. szilicium szila 11 10 H3C CH2 9 8 7 6 5 4 CH2 O CH2 CH2 CH2 O 3 CH2 2 1 O CH3 2,4,8-trioxaundekán A lánc számozását arról az oldalról kezdjük, amelyikhez közelebb van az első heteroatom. A legegyszerűbb alapvegyületek azok a molekulák, amelyekben a hidrogén mellett egy elem egyetlen atomja található (például a metán). Ezek szabályos elnevezése úgy történik, hogy a megfelelő elem „a” végződésű nevében a végződést „án” végződére cseréljük "a" végű név "án" végű név ajánlott név SiH4 szila szilán szilán PH3 foszfa foszfán foszfán BH3 bora borán borán NH3 aza azán ammónia CH4 karba karbán metán Az el nem ágazó alkánok elnevezésére a tradicionális neveket használjuk CH4 metán C5H12 pentán CH3CH3 CH3CH2CH3 etán propán C6H14 hexán C10H22 dekán CH3CH2CH2CH3 bután C12H26 dodekán H2N NH2 diazán hidrazin H3Si SiH2 SiH2 SiH2 SiH3 pentaszilán (ii) a funkciós csoportokat tartalmazó vegyületek nevei A bonyolultabb vegyületek úgy származtathatók, hogy az alapvegyület egy vagy több hidrogénjét más csoportokkal helyettesítjük. Az ilyen, funkciós csoportokat is tartalmazó szerves vegyületek szisztematikus neve általában három részből, az előtagból, az alapnévből és az utótagból áll. előtag - alapnév - utótag előtag - alapnév - utótag A középen elhelyezkedő alapnév az alapvegyületnek tekintett molekula neve. A helyettesítő csoportok neveit és helyzetüket az alapnév előtt álló előtagokkal, vagy az utána álló utótaggal fejezzük ki. Ezért hívják az így képzett neveket szubsztitúciós (helyettesítéses) neveknek. A szokásos eljárás az, hogy a molekula jellemző funkciós csoportjának nevét és helyét adjuk meg az utótagban, míg az összes többi szubsztituenst előtagként soroljuk fel. 2.7. A szerves reakciók alaptípusai. A szerves vegyületeket a bennük szereplő funkciós csoportok alapján szokás csoportosítani. A kémiai reaktivitás kapcsolódik. is a funkciós csoportokhoz Egy adott funkciós csoport azonban többféle átalakulásra is képes lehet, illetve egy adott típusú szerves reakció több funkciós csoport esetében is végbemehet. Ezért a szerves reakciókat olyan módon célszerű csoportosítani, hogy a hasonló jellegű átalakulások egy csoportba kerüljenek. 2.7.1. Csoportosítás az összegképletek alapján Ez a fajta csoportosítás azt adja meg, milyen viszonyban vannak egymással a kiindulási molekulák és a termékek összegképletei. Ennek alapján addíciós, eliminációs, szubsztitúciós és átrendeződési reakciókat szokás megkülönböztetni. (i) Addíciós reakciók. Az addíciós reakcióknál két reaktáns egyesülésével alakul ki a termék. A+BC CH2 CH2 + HBr CH2 CH2 H Br (ii) Eliminációs reakciók. Az elimináció az addíció fordítottja. A B+C CH2 CH3 H3C C CH3 Cl H3C C CH3 HCl (iii) Szubsztitúciós reakciók. A szubsztitúciós reakció során a reagens (C) helyet cserél a kiindulási molekula egyik csoportjával. AB + C AC + B R CH2 Br -OH R CH2 OH -Br (iv) Átrendeződési reakciók. Az átrendeződési reakciók során a kötések helyeződnek át egy molekulán belül (intramolekulás reakció). AB CH3 CH3 CH2 CH2 CH3 CH3 CH CH3 2.7.2. Csoportosítás az oxidációs szám változása alapján Az egyszerű ionok töltésszáma megegyezik oxidációs számukkal. Az alábbi reakcióban például a Cu(I) oxidációs száma nő (oxidálódik), míg az Fe(III) oxidációs száma csökken (redukálódik). + Cu 3+ + Fe 2+ 2+ Cu + Fe A szerves reakciókban azonban poláros kötések szoktak reagálni. Egy kötésben lévő atom oxidációs száma úgy kapható meg, hogy a kötő elektronokat az elektronegatívabb atomhoz rendeljük. +1 H H3C C 0 -1 OH CH3 Ha egy kémiai reakció során a szénatom oxidációs száma nő, oxidációról, ha csökken, redukcióról beszélünk. -1 CH2 OH H2 Pd/C redukció -3 CH2 H + H2O Ha egy kémiai reakcióban több szénatom is részt vesz, az oxidációs számok összegét vesszük tekintetbe. H3C H H C -1 C -1 H CH3 H3C C H -2 H -2 C -2 H -4 CH3 H3C CH CH CH3 -2 H3C CH CH CH3 H2 Pd Br2 -2 H3C CH H CH CH CH3 redukció CH3 oxidáció -4 CH3 Br Br CH CH 0 CH -2 CH3 H CH3 HBr CH3 H Br CH CH -2 CH3 nem redoxireakció 2.7.3. Csoportosítás a mechanizmusok alapján Ahhoz, hogy a hasonló reakciók ugyanabba a csoportba kerüljenek, azt is tekintetbe kell venni, milyen módon megy végbe a régi kötések hasadása és az új kötések kialakulása. Ezt szokás a reakció mechanizmusának nevezni. Kovalens kémiai kötések kétféle módon hasadhatnak fel. A homolitikus kötéshasadásnál az elektronpárból mindkét fragmensnek jut egy-egy elektron, míg a heterolitikus bomlásnál az egyik fragmens tartalmazza mindkét elektront. . . A:B A +B A : B A+ + :B- A homolitikus hasadás fordítottja a gyökös, a heterolitikus hasadásé pedig az ionos kötésképződés. A gyökös reakciónál mindkét reakciópartner egy-egy elektront ad a kötés kialakulásához, míg az ionos reakcióknál a kötést kialakító elektronpárt az egyik reagáló molekula szolgáltatja. A. + B . A : B A+ + :B- A : B Azaz a kötések hasadása, illetve az új kötések kialakulása alapvetően kétféle módon, gyökös vagy ionos mechanizmussal mehet végbe. Az apoláros vegyületekre a gyökös, a poláros molekulákra pedig az ionos mechanizmus a jellemző. A szerves vegyületek körében kétfajta poláros kötés fordul elő. - d+ d C Y elektrofil szénatom d d C M nukleofil szénatom A szerves kémiában azok a legfontosabb átalakulások, amelyekben legalább az egyik reagáló centrum szénatom. A szénatomot tartalmazó molekulát szokás kiindulási vegyületnek, míg a másik molekulát reagensnek tekinteni. Elektrofil szénatom nukleofil reagenssel Nukleofil szénatom elektrofil reagenssel C Y + X - C X + H + Y - nukleofil szubsztitúció C M + + H C elektrofil szubsztitúció +- M Addíciós reakciók Elektrofil reagens (H+) elektrofil addíció Nukleofil reagens (-OH) nukleofil addíció 3. fejezet Alkánok és cikloalkánok Gyökös reakciók 3.1. Az elágazó alkánok elnevezése A primer és a szekunder szénatomok mellett olyan szénatomok is léteznek, amelyekhez három (tercier) vagy négy (kvaterner) szénatom kapcsolódik. CH3 CH3 CH CH3 CH3 tercier CH3 C kvaterner CH3 CH3 A tercier és kvaterner szénatomot is tartalmazó alkánokat elágazó alkánoknak hívják. A nevezéktan megengedi egyes elágazó láncú alkánok esetében a triviális név használatát: CH3 H3C CH CH3 CH3 CH3 H3C CH CH2CH3 H3C C CH3 CH3 izobután izopentán neopentán A többi elágazó alkán elnevezésére a szisztematikus neveket kell használni. A szisztematikus névhez a következő szabályok alapján lehet eljutni: 1. Kijelöljük a molekulában a leghosszabb szénláncot. Ez a jelen esetben hat (és nem öt) szénatomból áll, azaz az alapváz hexán. CH2CH3 CH3CH2CH2CH CH3 2. Két, azonos hosszúságú lánc közül azt választjuk ki, amelyiknél több az elágazás. Jelen esetben azt, ahol két elágazás található. CH3 CH3CHCHCH2CH2CH3 CH2CH3 két elágazás CH3 CH3CHCHCH2CH2CH3 CH2CH3 egy elágazás 3. Megszámozzuk a szénlánc szénatomjait, arról az oldalról kezdve, amelyikhez közelebb van elágazás. Az egyik számozás szerint a 4., a másik szerint viszont a 3. szénatomon van az első elágazás. 2 1 6 CH2CH3 CH3 4 CHCH CH2CH3 3 CH2CH2CH3 5 6 7 és nem CH3 7 CH2CH3 4 CHCH CH2CH3 5 CH2CH2CH3 3 2 1 4. Minden elágazáshoz azt a számot rendeljük, amelyik szénatomhoz kapcsolódik. A fenti molekulánál ez a 3-as és a 4-es szénatom. 5. Az elágazásokat alkilcsoportoknak tekintjük. Egy alkilcsoport úgy származtatható, hogy az alkánból egy láncvégi hidrogénatomot távolítunk el és az -án végződést -il végződésre változtatjuk. CH3 CH3CH2CH2CH2 metil CH3CH2CH2CH2CH2 pentil butil Az alkilcsoportokat szubsztituenseknek tekintjük, amelyek az alapvegyület egy-egy hidrogénjét helyettesítik. Az ilyen módon képzett szisztematikus neveket szubsztitúciós neveknek hívják. A nevezéktan a szubsztitúciós nevek használatát részesíti előnyben. 6. A szubsztituenseket betűrendben soroljuk fel. Ha egy csoport többször is előfordul, ezt a csoport neve elé írt sokszorozó előtaggal (di, tri, tetra, penta, hexa, stb.) fejezzük ki. A sokszorozó előtagokat az alfabetikus sorrend megállapításánál nem vesszük figyelembe. CH3CH2 CH3 CH3CH2CH2CHCH2CCH3 CH3 4-etil-2,2-dimetilheptán 7. Ha az elágazások azonos távolságra vannak a szénlánc végeitől, azt a számozást választjuk, amelyik kisebb számokhoz vezet a további alkilcsoportok esetében. CH3 CH3 CH3CCH2CHCH3 CH3 2,2,4-trimetilpentán (és nem 2,4,4-trimetilpentán) Ezek a szabályok annak az általános elvnek felelnek meg, hogy a szubsztituensek jelölésére mindig a lehető a legkisebb helyzetszám-készletet kell használni. Ez azt a készletet jelenti, amelyikben, ha a helyzetszámokat növekvő sorrendbe rakjuk és más helyzetszám-készletekkel hasonlítjuk össze, az első különbség elérésekor a legkisebb számhoz jutunk. 2,2,4-trimetilpentán 2,4,4-trimetilpentán 9. Két, azonos távolságban lévő alkilcsoport esetén a felsorolásban előrébb álló kapja a kisebb számot. CH3 CH2CH3 CH3CH2CHCH2CHCH2CH3 3-etil-5-metilheptán 9. Elágazó alkilláncok esetében az elágazás elnevezésére ugyanazokat a szabályokat alkalmazzuk, mint a főlánc esetében. Az elágazáson belüli számozásnál a főlánchoz kapcsolódó szénatom kapja az 1-es számot. Az így kapott nevet zárójelbe tesszük. A sorrend megállapításánál a zárójelben lévő teljes név első betűjét vesszük figyelembe. CH3 1 2 4 5 CH3CHCH2CHCH2CH3 3 8 7 6 5 4 3 2 1 CH3CH2CH2CH2CH2CH2CHCH2CH2CH2CH2CHCH2CH2CH3 15 14 13 12 11 10 9 CH2CH3 9-(1,3-dimetilpentil)-4-etilpentadekán 10. Ha ugyanabból az összetett alkilcsoportból több fordul elő a molekulában, ezt a bisz, trisz, stb. előtagokkal fejezzük ki. CH3 CH3CH2CCH2CH3 CH3CH2CH2CH2CH2CCH2CH2CH2CH3 CH3CH2CCH2CH3 CH3 5,5-bisz(1-etil-1-metilpropil)dekán 11. Amennyiben a molekula bonyolultsága azt megköveteli, egy zárójelen belül újabb zárójeleket alkalmazhatunk. Belülről kifelé haladva a gömbölyű zárójelet a szögletes, majd azt a kapcsos zárójel követi. Ha szükséges, ezután ismét a gömbölyű zárójellel folytatjuk. 3.2. Az alkánokból levezethető csoportok nevei Az elágazó alkánok szisztematikus neveinek képzésénél az elágazásokat alkilcsoportoknak tekintettük. Az alkilcsoportokat az alkánokból úgy képeztük, hogy egy hidrogént vontunk el az egyik primer szénatomról. Jelölésükre az R szimbólumot szokás használni. Ha az egyértékű csoport úgy jön létre, hogy az el nem ágazó alkán egyik láncvégi hidrogénjét távolítjuk el, akkor a csoport nevét úgy képezzük, hogy az alkán án végződését il végződésre változtatjuk. Mivel az ilyen nevek esetében a szabad vegyértékű csoport mindig a lánc végén található és az 1-es helyzetszámot kapná, a névben ezt nem kell külön jelezni. CH3CH2CH2CH2 butil Az elágazó alkilcsoportok neveit ugyanúgy képezzük az el nem ágazó alkilcsoportok nevéből, ahogy az elágazó alkánok neveit képeztük az el nem ágazó alkánok neveiből. CH3 CH3 CH2 CH2 CH CH 2 2-metilpentil A kisebb molekulájú elágazó alkilláncok esetében a triviális nevekből képzett neveket is alkalmazni lehet. szisztematikus név szokásos név CH3 CH3CH 1-metiletil izopropil CH3 CH3CH2CH 1-metilpropil szek-butil 2-metilpropil izobutil 1,1-dimetiletil terc-butil CH3 CH3CHCH2 CH3 CH3C CH3 CH3 CH3CCH2 CH3 2,2-dimetilpropil neopentil 3.3. A sztereoizomerek Az azonos összegképletű, de eltérő szerkezetű vegyületeket izomereknek nevezzük. A bután és az izobután összegképlete (C4H10) azonos, de az atomok kapcsolódási sorrendje a két molekula esetében eltérő (szerkezeti izomerek). CH3 CH3 CH2 CH2 bután CH3 CH3 CH izobután CH3 Vannak azonban olyan izomerek is, amelyekben az atomok kapcsolódási sorrendje is azonos és csak térbeli elrendeződésükben különböznek egymástól. Az ilyen molekulákat sztereoizomereknek nevezzük. 3.4. A rotációs izomerek Egy szén-szén szigma-kötés mentén szabad a rotáció. Az etán emiatt két térhelyzet vehet fel, amelyek 60o-os elforgatással alakulhatnak egymásba. Az egyikben a hidrogének közel vannak egymáshoz (ez a fedő állás), a másikban pedig távol (nyitott állás). nyitott állás fedő állás A sztereoizoméria ezen fajtáját konformációs izomériának, a két térhelyzetet pedig konformereknek nevezzük. A Newman-féle ábrázolás. A konformerek térbeli elrendeződésükben (konformációjukban) különböznek egymástól. A nyitott állás a stabilabb, mivel itt a legkisebb a taszítás a hidrogének között, ezért az etánmolekulák legnagyobb része ebben a konformációban található. Hasonló a helyzet a többi alkán esetében is. 3.5. Az alkánok kémiai tulajdonságai Az alkánok nem tartalmaznak poláros kötéseket, azért nem reaktív vegyületek és csak erélyes körülmények között reagálnak és reakcióik gyökös mechanizmussal mennek végbe. Így például a szénhidrogének csak kellően magas hőmérsékleten reagálnak az oxigénnel (égés). CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O Hasonló módon a metán és a klór elegyében csak akkor megy végbe reakció, ha az elegyet UV fénnyel sugározzuk be. Ilyen körülmények között a metán már reagál a klórral metil-klorid keletkezik. CH4 Cl2 uv CH3Cl + HCl A metán klórozása gyökös szubsztitúciós reakció. Az UV fény hatására a viszonylag gyenge klórklór kötés elbomlik és klóratomok képződnek. Cl Cl uv 2 Cl Cl + CH4 CH3 + HCl CH3 + Cl2 Cl CH3 + Cl + CH3Cl CH3Cl Cl Cl CH3 H H Cl uv Cl CH3 CH3Cl Cl CH3 Cl Cl CH4 Cl2 CH3Cl Cl2 CH2Cl2 Cl2 CCl4 Cl2 CHCl3 3.6. A gyűrűs alkánok A gyűrűs alkánok elnevezése úgy történik, hogy a gyűrű szénatomszámát kifejező elnevezés elé a ciklo-előtagot tesszük. Ezért általánosságban ezeket a vegyületeket cikloalkánoknak nevezik. ciklopropán ciklobután ciklopentán ciklohexán A telített biciklusos gyűrűrendszereknél a számozást az egyik hídfőatomon kezdjük, a leghosszabb hídon át a másik hídfőatomig folytatjuk, majd továbbhaladunk a második leghosszabb hídon az első hídfőatomig. Ezután az első hídfőatomtól indulva a legrövidebb hidat számozzuk meg. 1 7 6 2 8 3 9 5 4 A vegyületet szénhidrogénként nevezzük el és a biciklo előtagot írjuk elé, a hidakat alkotó vázatomok számát pedig szögletes zárójelben soroljuk fel, csökkenő sorrendben, pontokkal elválasztva. 1 7 6 2 8 3 9 5 4 biciklo[3.2.2]nonán A szubsztituált származékoknál a gyűrűs vegyületet tekintjük alapvegyületnek. Két szubsztituens esetén a betűrendben előrébb álló kapja at 1-es számot. A számozást úgy folytatjuk, hogy a második szubsztituens a lehető legkisebb számot kapja. 2 3 metilciklopentán 1 1-izopropil-3-metilciklopentán Kettőnél több szubsztituens esetén a számozást úgy kell végezni, hogy az első különbség elérésénél a kisebb számot kapjuk. Az egyes szubsztituensek felsorolása betűrendben történik. 3 2 4 1 4-etil-2-izopropil-1-metilciklohexán A cikloalkánokból képezhető csoportok hasonló módon nevezhetők el, mint azt az alkánok esetében láttuk, azaz az án végződés il végződésre történő cseréjével. ciklohexil 3.7. A csoportnevek képzésének általános módszere Az alkilcsoportok neveit az án végződés il végződésre történő cseréjével képeztük. Ez a módszer azonban csak az alkánok és az egy gyűrűs cikloalkánok esetében használható. Egy másik, minden alapvegyület esetében (így természetesen az alkánoknál is) alkalmazható módszer szerint az egy hidrogén elvonásával kialakult csoport nevét úgy képezzük, hogy az il végződést nem az án végződés helyett, hanem a végződés után írjuk. Ilyen esetekben azonban mindig meg kell adni a helyzetszámot is. CH3 CH3 CH2 CH2 propán-1-il CH3 CH CH3 propán-2-il CH3 C CH3 2-metilpropán-2-il A módszer könnyen alkalmazható a több hidrogén elvonásával képezhető csoportok elnevezésére is (-diil, -triil stb). CH2 CH2 CH2 propán-1,3-diil CH3 CH2 CH propán-1,1-diil Kettős kötéssel kapcsolódó csoportoknál az ilidén, hármas kötéssel kapcsolódóknál az ilidin utótagot írjuk az án végződés után. Az ilidin helyzetszáma csak 1-es lehet, ezért ezt külön nem kell kiírni. CH3 C CH3 propán-2-ilidén CH3 CH2 propilidin C 3.8. A ciklohexán konformációs izomerjei A ciklohexán esetében két sztereoizomert lehet megkülönböztetni, a székformát és a kádformát. szék kád A székformából a kötésszögek megváltoztatásával lehet a kádformába eljutni. Ez analóg a rotációs izomériával, ezért ezek a formák is konformerek. Általános megfogalmazás szerint a konformerek olyan sztereoizomerek, amelyek kötéshasadás nélkül tudnak egymásba alakulni. Mivel ez az átalakulás nagyon könnyen végbemegy és a konformerek könnyen egymásba alakulhatnak, szétválasztásuk általában nem valósítható meg. A kádformában a hidrogének közel kerülnek egymáshoz és a köztük fellépő taszítás megnöveli a molekula belső energiáját. Emiatt a ciklohexán legnagyobb része szék-konformációban található. H H H H A ciklohexánban kétféle C-H kötést lehet megkülönböztetni. Az axiális kötések párhuzamosak a tengellyel (axis). Az ekvatoriális kötések viszont az egyenlítő (equator) síkjában helyezkednek el A gyűrű átfordulásakor az axiális szubsztituensekből ekvatoriálisak, az ekvatoriálisakból axiálisak lesznek. axiális ekvatoriális ekvatoriális axiális A nagyobb térkitöltésű csoportok ekvatoriális helyzetet igyekeznek elfoglalni, mert axiális helyzetben közel kerülnek a hidrogénekhez. H H H H C H H H H H H C H H A metilciklohexánban például a metilcsoport 95%-ban ekvatoriális helyzetben található. 3.9. A diszubsztituált cikloalkánok sztereokémiája Ha két szubsztituens kapcsolódik egy cikloalkánhoz, akkor ezek kétféle módon helyezkedhetnek el. Az egyik lehetőség az, hogy mind a két szubsztituens a gyűrű ugyanazon oldalán helyezkedik el, a másik pedig, hogy a két szubsztituens a gyűrű ellentétes oldalain található. CH3 H H3C CH3 H H CH3 transz-1,2-dimetilciklopentán H cisz-1,2-dimetilciklopentán Az ilyen sztereoizomerek két dimenziós ábrázolásánál a vastag vonalak a sík feletti, míg a szaggatottak a sík alatti kötéseket jelölik. H3C CH3 transz H3C CH3 cisz A cisz-transz izomerek olyan sztereoizomerek, amelyek csak kötéshasadással tudnak egymásba alakulni. Az ilyen szereoizomereket konfigurációs izomereknek nevezzük. Mivel a kötéshasadás nagy energiabefektetést igényel, a konfigurációs izomerek szétválaszthatók. 3.10. A cikloalkánok kémiai tulajdonságai. A ciklohexánban a vegyértékszög megegyezik a tetraéderes vegyértékszöggel, a ciklopentánban pedig csak kis mértékben tér el tőle. Ennek megfelelően a fenti két cikloalkán kémiai viselkedése is hasonló az alkánokhoz. A ciklobutánban és a ciklopropánban azonban jóval kisebb a vegyértékszög, mint a tetraéderes, ezért ezek a molekulák feszült gyűrűket tartalmaznak. A feszülés következtében ezek a gyűrűk könnyen felhasadnak, ezért a három- és a négytagú cikloalkánok reaktívabbak, mint az alkánok.