2. Lífræn efnasambönd: Alkanar Based on McMurry’s Organic Chemistry, 6 th edition, Chapter 2 ©2003 Ronald Kluger Department of Chemistry University of Toronto

2 Hópar lífrænna efnasambanda Lífræn efnasambönd er hægt að flokka í nokkra hópa út frá byggingu þeirra We shall survey the nature of the compounds in a tour of the families in this course Þessi kafli fjallar um alkana, efnasambönd sem innihalda aðeins kolefni og vetni, öll tengd saman með einföldum tengjum

3 2.1 Virkir hópar Virkir hópar - safn atóma á ákveðnu mólikúli með algengu tengjamynstri Hópurinn hvarfast á dæmigerðan hátt, yfirleitt þannig að afgangur sameindarinnar verður ekki fyrir áhrifum Til dæmis hvarfast tvítengið í einföldum og flóknum alkenum við brómíð á sama hátt

4 Virkir hópar - yfirlit Tafla 2.1 útlistar fjölmarga virka hópa sem þú ættir að kynna þér Hóparnir verða teknir í hverjum kafla fyrir sig og því verður auðveldara að þekkja þá Virkir hópar hafa áhrif á efnahvörf, bygginguna og eðliseiginleika hvers efnis fyrir sig þar sem þeir koma fyrir

5 Gerðir virkra hópa: Fjöltengi C-C Alkenar hafa C-C tvítengi Alkýnar hafa C-C þrítengi Arenar hafa sérstök tengi sem eru táknuð með eintengjum og tvítengjum C-C sem skiptast á í sex kolefnahring

6 Virkir hópar með C tengt með einföldu tengi á rafneikvætt atóm Alkýl halíð: C tengd halógeni (C-X) Alkóhól: C tengt O á hýdroxýl hóp (C-OH) Eter: Tvö C tengt sama O (C-O-C) Amín: C tengt á N (C-N) Þíól: C tengt SH hóp (C-SH) Súlfíð: Tvö C tengt sama S (C-S-C) Tengin eru skautuð með jákvæða hluthleðslu á C (  +) og neikvæða hluthleðslu (  ) á rafneikvæða atómið

7 Hópar með C-O tvítengi (Karbónýl hópar) Aldehýð: eitt vetni tengt á C=O Ketón: tvö C tengd á C=O Karboxýlsýra: -OH tengt á C=O Ester: C-O- tengt á C=O Amíð: C-N tengt á C=O Sýruklóríð: Cl tengt á C=O Karbónýl C hefur jákvæða hluthleðslu (  +) Karbónýl O hefur neikvæða hluthleðslu (  -).

8 2.2 Alkanar og alkýlhópar: ísómerur Alkanar: Efnasambönd með aðeins C-C einföld tengi og C-H tengi (engir virkir hópar) Kolefni tengd saman geta myndað stórar og litlar sameindir Formúla alkana með engan hring er C n H 2n+2 þar sem fjöldi C er n Alkanar eru mettaðir með vetni (ekki hægt að bæta við fleirum vetnum) Einnig kallaðir alifatísk (fita) efnasambönd

9 Alkan ísómerur CH 4 = metan, C 2 H 6 = etan, C 3 H 8 = própan Sameindarformúla alkana með fleiri en þrjú kolefni geta gefið fleiri en eina byggingu C 4 (bútan) = bútan og ísóbútan C 5 (pentan) = pentan, 2-metýlbútan og 2,2- dímetýlprópan Alkanar með C tengt á ekki fleiri en tvö önnur C eru beinkeðju eða normal alkanar Alkanar með eitt eða fleiri C tengt á þrjú eða fjögur önnur C eru greinóttir alkanar

10 Samsettar ísómerur Ísómerur sem eru mismunandi eftir því hvernig atómunum í keðjunni er raðað eru kallaðar samsettar ísómerur (constitutional isomers) Efnasambönd önnur en alkanar geta verið samsettar ísómerur of one another Þær verða að hafa sömu sameindaformúlu til að vera ísómerur

11 Þétt bygging alkana Hægt er að tákna alkana á stuttu formi eða í mörgum gerðum af löngu formi Þétt bygging sýnir ekki tengin en skráir atómin, t.d. CH 3 CH 2 CH 3 (própan) CH 3 (CH 2 ) 2 CH 3 (2,2-dímetýlprópan)

12 Nafngiftir stuttra kolvetna KolefnafjöldiNafn formúlu(C n H 2n+2 ) 1MetanCH 4 2EtanC2H6C2H6 3PrópanC3H8C3H8 4BútanC 4 H 10 5PentanC 5 H 12 6HexanC 6 H 14 7HeptanC 7 H 16 8OktanC 8 H 18 9NónanC 9 H 20 10DekanC 10 H 22

13 Alkýlhópar Alkýlhópar – fjarlægið eitt H frá alkan Skammstöfunin “R” (stendur fyrir “restinni” á sameindinni, ónákvæmur alkýlhópur) Nafn: í staðinn fyrir –an endingu hjá alkönum á að breyta því í –ýl endingu CH 3 er “metýl” (frá metan) CH 2 CH 3 er “etýl” (frá etan) Sjá töflu 2.3

14 Gerðir alkýl hópa Flokkun út frá tengistað kolefni á endakeðju (eingreindur (primary) alkýl hópur) kolefni á miðri keðju (tvígreindur (secondary) alkýl hópur) Kolefni með þrjú kolefni tengd á sér (þrígreindur (tertiary) alkýl hópur)

Nafngiftir greinóttra alkana Efnasambönd eru gefin kerfisbundin nöfn með ferli sem notar: Forskeyti-Rót-Viðskeyti Eftirfarandi reglum er beytt: Lengstu mögulegu keðju er gefið nafn Kolefnin í þeirri keðju eru númerið í röð Hliðarhópar eru númeraðir eftir því hvar þeir eru staðsettir á aðalkeðju Nafn efnisins er skrifað í einu orði Sjá dæmi í bók

Eiginleikar alkana Kallaðir paraffins (low affinity compounds) vegna þess að þeir hvarfast ekki eins og flest efni Alkanar brenna í loga og mynda koldíoxíð, vatn og hita, C n H 2n+2 + O 2 → CO 2 + H2O + hiti Þeir hvarfast við Cl 2 í návist ljóss og skipta á H við Cl (ekki hægt að stoppa)

17 Eðliseiginleikar Suðumark og bræðslumark hækka eftir því sem stærð alkananna eykst Kraftar milli mólikúlanna (temporary dipoles, dispersion) eru veikir

Stellingar etans Conformers interconvert rapidly and a structure is an average of conformers Módel eru þrívíddarform sem auðvelda okkur að sjá út stellingar Representing three dimensional conformers in two dimensions is done with standard types of drawings

19 Representing Conformations Sawhorse representations sýnir atómin frá hornumshow molecules at an angle, showing a molecular model C-C bonds are at an angle to the edge of the page and all C-H bonds are shown Newman myndir sýna hvernig C-C tengið liti út enda á milli á pappír Bonds to front carbon are lines going to the center Bonds to rear carbon are lines going to the edge of the circle

Sýklóalkanar Sýklóalkanar eru alkanar sem hafa kolefnisatómin tengd í hring Einfaldir sýklóalkanahringir hafa -CH 2 - einingar, (CH 2 ) n, eða C n H 2n Byggingin er sýnd sem reglulegur fjölflötungur með eitt kolefni á hverju horni sýklóprópan Sýklóhexansýklópentan sýklóbútan

21 Flóknir sýklóalkanar Náttúruleg efni innihalda sýklóalkana byggingu Dæmi: chrysanthemic sýra (sýklóprópan), prostaglandín (sýklópentan), steróíð (sýklóhexan og sýklópentan)

22 Nafngiftir sýklóalkana Teljið fjölda kolefnisatóma í hringnum og fjölda lengstu hliðarkeðjunnar. Ef fjöldi kolefnisatóma í hringnum er jafn eða meiri en fjöldi hliðarkeðjunnar skal efnasambandið nefnt sem alkýl-sýklóalkan Fyrir alkýl- eða halógen-tengd sýklóalkana, byrjið þá á því að númera kolefnið á hringnum tengt hliðarhópnum sem C1 þannig að annar hliðarhópur keðjunnar fái sem lægst númer. Númerið hliðarhópana og skrifið nafnið

Cis-Trans ísómerur í sýklóalkönum Snúningur um C-C tengin í sýklóalkönum er heftur af hringbyggingunni Hringir hafa tvö “faces” og substituents are labeled as to their relative facial positions Það eru til tvær mismunandi 1,2-dímetýl-sýklóprópan ísómerur, ein með metýlhópanna á sömu hlið (cis) á hringnum og ein með metýlhópanna á sitt hvorri hlið (trans)

24 Rúmísómerur (stereoisomers) Efnasambönd með atóm tengt í sömu röð en með mismunandi þrívíddarbyggingu eru rúmísómerur Hugtakið “cis” og “trans” þarf að nota til að ákvarða rúmísómerur hringbygginga Recall that constitutional isomers have atoms connected in different order