9789144099910 by Smakprov Media AB

Ulf Ellervik Nina Kann Olov Sterner

Ulf Ellervik är professor i bioorganisk kemi vid Lunds universitet och undervisar i organisk kemi från grundkursnivå till doktorandnivå. Han är också författare till flera populärvetenskapliga böcker och en lärobok för gymnasiet. Hans forskning är inriktad på att använda organisk kemi för att förstå biologiska system. Nina Kann är biträdande professor i organisk kemi vid Chalmers tekniska högskola och undervisar i grundläggande kemi och organisk kemi på olika nivåer. Hennes forskning är inriktad mot asymmetrisk syntes och grön kemi, samt att använda metallorganiska reaktioner för att framställa organiska molekyler. Olov Sterner är professor i organisk kemi vid Lunds universitet, och engagerad i både grund- och forskarutbildningen. Hans forskningsfält är biologiskt aktiva naturprodukter, isolerade till exempel från medicinalväxter som används i den traditionella medicinen, och som kan utvecklas till nya läkemedel.

ORGANISK KEMI

| ORGANISK KEMI

Boken beskriver och förklarar organiska molekylers otroliga mångfald, deras strukturer och egenskaper, och hur de kan delta i kemiska reaktioner och därmed användas i samhället. Den organiska kemin är fundamental för många vetenskapliga områden, den lägger till exempel grunden för livsprocesserna, och kunskaper i ämnet öppnar många dörrar. I denna tredje upplaga av boken har materialet till stor del omarbetats. Dels delas materialet tydligare in i en deskriptiv del som beskriver fysikalisk-organiska begrepp och olika föreningsklasser, och en mer mekanistisk del som beskriver organiska föreningars reaktioner och hur man kan utnyttja dem. Mellan de två blocken ges en introduktion till modeller för elektronfördelning och till slut ytterligare två deskriptiva kapitel om organisk analys och biologiska makromolekyler. Ett helt nyskrivet kapitel beskriver den metallorganiska kemin som har utvecklats snabbt under de senaste åren, och den tredje upplagan har även utökats med ett avsnitt om grön kemi. Boken avslutas som tidigare med en grafisk sammanfattning och en epilog. Läroboken riktar sig i första hand till studerande på högskola/universitet som har för avsikt att tillägna sig grundläggande kunskaper i organisk kemi, samt till den som vill fräscha upp gamla kunskaper i ämnet.

Tredje upplagan

Art.nr 31436 ISBN 978-91-44-09991-0

www.studentlitteratur.se

978-91-44-09991-0_01_cover.indd 1

9 789144 099910

3.e uppl.

Ulf Ellervik Nina Kann Olov Sterner

2014-06-10 11:04

Bilder: © Ulf Lundkvist/BUS 2003 (figur 1.1) Lena Lyons (figur 20.1, 20.2, 20.3, 20.4, 20.5, 20.6, 20.7, 20.13, 20.18, 21.6, epilog figur 1) Författarna (övriga teckningar)

Kopieringsförbud Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och studenters begränsade rätt att kopiera för undervisningsändamål enligt Bonus Copyright Access kopieringsavtal är förbjuden. För information om avtalet hänvisas till utbildningsanordnarens huvudman eller Bonus Copyright Access. Vid utgivning av detta verk som e-bok, är e-boken kopieringsskyddad. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till upphovsman eller rättsinnehavare. Studentlitteratur har både digital och traditionell bokutgivning. Studentlitteraturs trycksaker är miljöanpassade, både när det gäller papper och tryckprocess.

Art.nr 31436 ISBN 978-91-44-09991-0 Upplaga 3:1 © Författarna och Studentlitteratur 2014 www.studentlitteratur.se Studentlitteratur AB, Lund Omslagslayout: Adam Dahlstedt Omslagsbild: Ulf Ellervik Printed by Mediapool Print Syd AB, Estonia 2014

978-91-44-09991-0_01_book.indd 2

2014-07-08 16:11

INNEHÅLL

Kompletterande material på webben 9 Förord 11 Prolog – Organisk kemi, vad är det bra för? 15 1 Kemisk bindning 19

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

Atomer 20 Energier i molekylära system 24 Orbitaler 28 Kemisk bindning, jonbindning 31 Kemisk bindning, kovalent bindning 32 Från atomorbital till molekylorbital 34 Mol, molekylvikt och molaritet 35 Sammanfattning 37

2 Kovalent bindning 39

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

Elektronegativitet 40 Polär och opolär kovalent bindning 42 Hybridisering av orbitaler 42 Från atomorbital till molekylorbital, återigen 48 Karbokatjoner, radikaler och karbanjoner 50 Sammanfattning 54

3 Kolväten 55

3.1 3.2 3.3 3.4

Mättade kolväten 56 Omättade kolväten 59 Aromatiska kolväten 62 Sammanfattning 64

978-91-44-09991-0_01_book.indd 3

2014-07-08 16:11

Innehåll

4 Kolvätens egenskaper 65

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

Isomeri 66 Krafter mellan kolväten 67 Kolvätens fysikaliska egenskaper 68 Konformation 69 Sura kolväten 77 Kolvätens reaktioner 84 Sammanfattning 89

5 Substituerade kolväten 91

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

Heteroatomer 92 Nomenklatur för organiska ämnen 93 Krafter mellan substituerade kolväten 97 Kemiska och fysikaliska egenskaper 99 Alkoholers och liknande föreningars struktur och egenskaper 104 5.6 Reaktioner med alkoholer 108 5.7 Aminers och liknande föreningars struktur och egenskaper 113 5.8 Reaktioner med aminer 117 5.9 Alkylhalogeniders struktur och egenskaper 118 5.10 Kombinationer med karbonylgruppen 120 5.11 Sammanfattning 122 6 Stereokemi 123

6.1 6.2 6.3 6.4

Stereoisomeri 124 Kiralitet 128 Stereokemi i verkligheten 131 Sammanfattning 134

7 Kemiska reaktioner och mekanismer 135

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5

Kemisk reaktivitet 136 Grundreaktioner 138 Modeller för elektroniska effekter 140 Reaktionsmekanismer 145 Sammanfattning 150

978-91-44-09991-0_01_book.indd 4

2014-07-08 16:11

I nnehåll 5

8 Substitutionsreaktioner 151

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6

Nukleofil attack på elektrofila ämnen 152 Bimolekylär nukleofil substitution – SN2 154 Nukleofil attack på elektrofiler med spända ringar 162 Monomolekylär nukleofil substitution – SN1 163 Exempel på nukleofila substitutioner 168 Sammanfattning 170

9 Alkener och alkyner I – bildning av multipelbindningar 171

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5

Andra öden för karbokatjoner – E1-mekanismen 172 Bimolekylär elimination – E2 175 Alkyner 180 Summering av joniska reaktioner 182 Sammanfattning 184

10 Alkener och alkyner II – reaktioner 185

10.1 Egenskaper hos dubbelbindningar 186 10.2 Reaktioner med alkener och alkyner 186 10.3 Sammanfattning 203 11 Alkener och alkyner III – system av multipelbindningar 205

11.1 11.2 11.3 11.4

Allyliska system 206 Fleromättade system 209 Reaktioner hos konjugerade system 213 Sammanfattning 216

12 Aromatiska system 217

12.1 12.2 12.3 12.4 12.5

Kort historik – en oväntad upptäckt 218 Bensens struktur och egenskaper 218 Aromaticitet 219 Aromatiska föreningar 225 Sammanfattning 230

13 Aromaters reaktioner – elektrofil aromatisk substitution 231

13.1 Generell mekanism 232 13.2 Framställning av elektrofiler 232 13.3 Substituenternas påverkan 237

978-91-44-09991-0_01_book.indd 5

2014-07-08 16:11

Innehåll

13.4 Praktiska exempel 244 13.5 Sammanfattning 247 14 Andra reaktioner med aromater 249

14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 14.7

Aromatiska alkoholer – fenoler 250 Aromatiska aminer 255 Aromatiska halogenider 258 Sidokedjereaktioner 261 Reduktion av aromater 262 Praktiska exempel 263 Sammanfattning 264

15 Karbonylgruppens kemi I – direkt addition av nukleofiler 265

15.1 Introduktion till karbonylgruppens kemi 266 15.2 Addition av nukleofiler 268 15.3 Sammanfattning 281 16 Karbonylgruppens kemi II – karbonylföreningar med lämnande grupper 283

16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7

Nukleofil addition-elimination 284 Addition av starka nukleofiler 286 Estrar 289 Amider 293 Nitriler 297 Speciella trick 299 Sammanfattning 301

17 Karbonylgruppens kemi III – keto-enoljämvikten 303

17.1 Keto-enoljämvikten 304 17.2 Addition av enolat till karbonylkol 309 17.3 Sammanfattning 319 18 En introduktion till metallorganisk kemi 321

18.1 Homogen katalys och metallorganiska komplex 322 18.2 Grundläggande metallorganiska reaktionsmekanismer 329 18.3 Homogen katalytisk hydrogenering 332 18.4 Hydroformylering 334 © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

978-91-44-09991-0_01_book.indd 6

2014-07-08 16:11

I nnehåll 7

18.5 Korskoppling 336 18.6 Metates 339 18.7 Sammanfattning 341 19 Organisk syntes 343

19.1 19.2 19.3 19.4

Flerstegssynteser 344 Vad går egentligen att syntetisera? 351 Grön kemi 353 Sammanfattning 355

20 Organikerns sinnen 357

20.1 20.2 20.3 20.4 20.5

Kromatografi 358 MS, masspektrometri 364 IR-, UV- och NMR-spektroskopi 372 Beräkningskemi 380 Sammanfattning 384

21 Biologiska makromolekyler 385

21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 21.6

Den molekylärbiologiska grundbulten 386 Aminosyror, peptider och proteiner 386 Kolhydrater 391 Lipider 398 Nukleinsyror 403 Sammanfattning 408

22 Grafisk sammanfattning 409

22.1 22.2 22.3 22.4 22.5 22.6 22.7 22.8 22.9 22.10 22.11 22.12

Organisk-kemisk ritteknik 411 Stereokemiska termer 413 Isomeri 414 Namngivning av enklare organiska föreningar 415 Syror och baser 416 Viktiga pKa-värden 417 Nukleofiler 418 Substitutioner och eliminationer 419 Alkeners reaktioner 420 Alkyners reaktioner 421 Alkoholers reaktioner 422 Aminers reaktioner 423

978-91-44-09991-0_01_book.indd 7

2014-07-08 16:11

Innehåll

22.13 Alkylhalogeniders reaktioner 424 22.14 Aldehyders och ketoners reaktioner 425 22.15 Omvandling av karboxylsyraderivat 426 22.16 Reaktioner via enolat 427 22.17 Elektrofil aromatisk substitution 428 22.18 Aromaters reaktioner 429 22.19 Redoxreaktioner 430 22.20 Krafter inom och mellan molekyler 431 22.21 Karbokatjoner 432 22.22 Radikaler 433 22.23 Karbanjoner 434 22.24 Metallorganisk kemi 435 Epilog 437 Sakregister 447

978-91-44-09991-0_01_book.indd 8

2014-07-08 16:11

KOMPLETTERANDE MATERIAL PÅ WEBBEN

Denna bok har en egen webbsida med adressen: www.studentlitteratur.se/31436 På webbsidan hittar du, förutom en beskrivning av boken och författarna samt provkapitel, även: ÖVNINGSUPPGIFTER

Ett rikt antal övningsuppgifter vilka kan laddas ner från webben i form av en pdf-fil. Till varje uppgift finns även svarshänvisning. KORRIGERINGAR

Eventuella felaktigheter som påträffats i boken finns noterade här.

978-91-44-09991-0_01_book.indd 9

2014-07-08 16:11

978-91-44-09991-0_01_book.indd 10

2014-07-08 16:11

FÖRORD

Denna lärobok i organisk kemi riktar sig i första hand till studerande på högskola/universitet som har för avsikt att tillägna sig grundläggande kunskaper i ämnet. De förväntas ha kommit i kontakt med kemi och andra naturvetenskaper under gymnasiala studier, men alla viktiga begrepp i organisk kemi repeteras noggrant och det är egentligen inte nödvändigt att ha gymnasiekunskaperna aktuella. Studier i organisk kemi motiveras av allt från ett genuint intresse för ämnet till ett ”måste” för att lägga grunden för studier i till exempel biologi eller medicin. Som författare vill vi poängtera att vi har ansträngt oss för att boken ska fungera för alla och stimulera även de som är tveksamma till att börja med. Den fungerar dessutom utmärkt för den som vill fräscha upp gamla kunskaper i grundläggande organisk kemi, eller helt enkelt vill ha en uppslagsbok i ämnet. Som en hjälp för den lärare som vill utnyttja boken i undervisning finns figurer tillgängliga för nedladdning på bokens webbplats (www.studentlitteratur.se/31436). Syftet med boken är: att beskriva organiska ämnens uppbyggnad och egenskaper att kartlägga deras reaktioner och ge exempel på reaktions mekanismer att demonstrera den organiska kemins centrala roll för alla molekylära vetenskaper att t ydliggöra vilken betydelse organisk kemi har i vardagen att v isa att kunskaper i organisk kemi faktiskt är praktiskt användbara. Medlen för att uppnå detta är bokens 21 kapitel. De första utgör den egentliga verktygslådan och bygger upp en förståelse för vad en organisk molekyl är, hur den är uppbyggd och hur närvaron av olika funktionella grupper bestämmer de kemiska egenskaperna. Därefter behandlas organiska ämnens reaktioner, dels som substitutioner, eli-

978-91-44-09991-0_01_book.indd 11

2014-07-08 16:11

Förord

minationer och additioner, dels utifrån omvandlingar av funktionella grupper, men framför allt med fokus på alkener/alkyner, på aromater och på karbonylföreningar. Det sista kapitlet utgör en unik grafisk sammanfattning av hela materialet, som dels kan utnyttjas för att snabbt hitta en eftersökt detalj eller som ett effektivt inlärningsredskap, men som framför allt är en lättillgänglig översikt över hela materialet. Boken ramas in av en inledande prolog som fångar in läsaren och en avslutande epilog som ger exempel på den organiska kemins påtagliga närvaro i verkligheten. Ett varmt tack till professor Torbjörn Frejd och doktor Johan Broddefalk som har faktagranskat materialet; era kommentarer och synpunkter har verkligen medfört att boken växt ett nummer. Ansvaret för eventuella kvarvarande felaktigheter vilar enbart på författarna. Lund, oktober 2003 Ulf Ellervik Olov Sterner

Förord till andra upplagan I andra upplagan har dels en rad oklarheter och småfel rättats till, men framför allt har texten kompletterats med ett nytt kapitel om biologiska makromolekyler. Med detta vill vi tydligare visa kopplingen mellan organisk kemi, via biokemi, till molekylärbiologi, som har som mål att kunna beskriva livet helt och hållet i molekylära termer. Vi visar hur proteiner, kolhydrater, lipider och nukleinsyror är uppbyggda och fungerar, och vad de har för funktioner, samt hur fiffigt den molekylära basen i livets kemi, den så kallade molekylärbiologiska grundbulten, fungerar. Med detta tillägg vill vi lägga den kemiska grund som vi anser vara nödvändig för att fortsatta studier inom områdena biokemi och molekylärbiologi, och egentligen även inom biologi och medicin, ska vara framgångsrika. Lund, april 2007 Ulf Ellervik Olov Sterner

978-91-44-09991-0_01_book.indd 12

2014-07-08 16:11

F ör ord 13

Förord till tredje upplagan Den tredje upplagan av läroboken Organisk kemi har förändrats på en rad sätt, och författarduon har utvidgats till en trio. Dels har materialet tydligare delats in i en deskriptiv del (kapitel 1–6) som beskriver fysikalisk-organiska begrepp och olika föreningsklasser, och en mer mekanistisk del (kapitel 8–19) som beskriver organiska föreningars reaktioner och hur man kan utnyttja dem för att skapa just den unika molekyl man av någon anledning vill ha. Det helt nyskrivna kapitel 18 beskriver den oerhört viktiga metallorganiska kemin som har utvecklats snabbt under de senaste åren. Dessutom har kapitel 19 kompletterats med ett avsnitt om grön kemi. Mellan de två blocken ges i kapitel 7 en introduktion till modeller för elektronfördelning (delvis i färg), och till slut ytterligare två deskriptiva kapitel om organisk analys och biologiska makromolekyler. Boken avslutas som tidigare med en epilog och en grafisk sammanfattning. Vi tackar professor Per-Ola Norrby och professor Jerker Mårtensson för värdefulla kommentarer till kapitel 18. Lund och Göteborg, februari 2014 Ulf Ellervik Nina Kann Olov Sterner

978-91-44-09991-0_01_book.indd 13

2014-07-08 16:11

978-91-44-09991-0_01_book.indd 14

2014-07-08 16:11

PROLOG – ORGANISK KEMI, VAD ÄR DET BRA FÖR?

Kemofober, personer som ogillar kemi, associerar vanligtvis organisk kemi med förgiftningar och miljöhot, men det är naturligtvis mycket mer än så. Organisk kemi definieras egentligen som all kemi med ämnen som innehåller grundämnet kol. Ursprungligen baserades denna definition på att vi skiljde mellan det levandes kemi, den organiska, och den resterande kemin, den oorganiska, och vi ska återkomma till denna definition i kapitel 19. Alla livsprocesser är i grund och botten organisk kemi, och i princip alla reaktioner som vi ska lära oss i denna bok sker stundligen i din egen kropp. Dessutom har den organiska kemin en enorm betydelse för det moderna samhället och vi lever, vare sig vi vill det eller inte, i en värld som inte skulle fungera utan kemikalier. En viktig orsak till organiska kemikaliers betydelse är deras närmast ofattbara mångfald. Det finns, åtminstone i teorin, fler organiska ämnen än vad det finns elementarpartiklar i universum! Denna mångfald, eller diversitet, beror på att kolatomen har förmåga att binda fyra andra atomer, och antalet möjliga kombinationer växer lavinartat för varje extra kolatom en molekyl har. Organisk kemi kan därmed sägas utgöra en molekylär grund för en del andra naturvetenskaper, till exempel biologi och medicin, och den som vill lära sig mer om hur livsprocesserna fungerar på den molekylära nivån och hur de kan påverkas av kemiska ämnen måste ha goda kunskaper i organisk kemi. Den är grunden för processkemi i den kemiska industrin och läkemedelskemi i forskningslaboratorier, och kunskaper i organisk kemi är viktiga för de som försöker utveckla produkter och processer baserade på naturvetenskapliga principer. I bokens epilog kommer vi att exemplifiera detta genom att använda våra nyförvärvade kunskaper i organisk kemi för att beskriva till exempel hur läkemedlet magnecyl utvecklades, varför jeans är blå, och varför socker smakar sött. Många förknippar organisk kemi med kemiska reaktioner som sker i provrör och kolvar med intensiva färgväxlingar och rökutveckling. Organiska reaktioner kan vara spektakulära men det är inte vardagsmat för en organiker. Hon eller han arbetar ofta som syntetiker, © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

978-91-44-09991-0_01_book.indd 15

2014-07-08 16:11

P r o lo g – O r ganis k k emi, vad är d e t b r a för?

någon som planerar, utför och utvärderar resultatet av reaktioner mellan organiska ämnen. En kedja av reaktioner med organiska ämnen sägs utgöra en organisk syntes, och syftet med synteser är oftast att framställa en förening som har intressanta och potentiellt användbara egenskaper. Det kan till exempel vara ett cytostatikum (ett läkemedel mot tumörsjukdomar), ett antibiotikum (mot infektionssjukdomar), en insekticid (för att bekämpa skadeinsekter), ett aromämne, ett pigment eller varför inte ett konserveringsmedel. Utmaningen för en organiker ligger då i att planera en syntes som ger den önskade produkten i så få och så effektiva steg som möjligt, och att utforma reaktionsbetingelserna på ett sätt som ger maximalt utbyte av den önskade produkten. Syntesen ska vara kostnadseffektiv och den ska givetvis medföra så liten belastning på miljön som möjligt. Förutom som syntetiker kan en organisk kemist även uppfinna nya substanser som till exempel kan användas som läkemedel. Idén till en ny läkemedelssubstans kan komma från naturen; en växt som traditionellt använts för att behandla en viss sjukdom kan innehålla en intressant substans som den organiske kemisten, tillsammans med biologer och medicinare, kan utveckla till ett läkemedel. Den grenen av organisk kemi kallas för naturproduktkemi, och vi ska återvända till den senare i boken. En naturproduktkemist använder sig av kromatografiska tekniker för att isolera föreningar, och spektroskopiska metoder som NMR-spektroskopi och masspektrometri för att strukturbestämma dem, och dessa tekniker behandlas i kapitel 20. Allt viktigare blir också det som brukar kallas grön kemi, som delvis syftar på att förbereda samhället på tiden efter råolja. Den gröna kemin utnyttjar den enorma produktion av organiska kemikalier som sker i framför allt växter, som till skillnad från olja är en förnybar naturresurs. Ett stort träd består av många ton kemikalier, och kan vi utvinna dem på ett effektivt och miljövänligt sätt blir vi oberoende av olja. Framtidens gröna kemi är dock full av spännande utmaningar för kemisterna, och vi återkommer till detta i kapitel 19. Beräkningskemin är en annan, och snabbt växande, gren på den organiska kemins träd. Beräkningskemister utnyttjar datorer för att simulera hur molekyler uppför sig och reagerar. Efter hand som datorerna blir mer kraftfulla blir beräkningarna mer exakta, och vi får mer detaljerad information om allt mer komplicerade molekylära system. Idag utnyttjas datorer i till exempel läkemedelsindustrin för att undersöka hur en liten molekyl kan ”docka” med ett protein och därmed påverka den biologiska funktion som proteinet är inblandad i. Utvecklingen från att testa läkemedelskandidater i försöksdjur (in © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

978-91-44-09991-0_01_book.indd 16

2014-07-08 16:11

Pr olog – Or ganisk kemi, vad är de t bra för? 17

vivo) eller på odlade celler i laboratoriet (in vitro) till att göra datorsimuleringar (in silico) går rasande snabbt, och vi ska återvända till beräkningskemin i kapitel 20. Innan du kan börja roa dig med organisk kemi måste du dock lära dig grunderna, och som universitetslärare är vi författare väl medvetna om att många studenter upplever organisk kemi som något relativt svårt och abstrakt. Utan grund är det svårt att se den helhet som finns i den organiska kemin, och för att bygga grunden krävs en rad verktyg som från början kan tyckas svårgripbara och till och med ologiska. Men kom ihåg att du inte är den första som misströstar i början, och att du är inte den sista som kommer att känna stor tillfredställelse när polletten slutligen trillar ner. Boken du läser just nu kommer att hjälpa dig igenom de svåra passagerna och sakta men säkert lotsa dig fram till det kemiska paradis som väntar den som inte ger upp! Bokens inledande kapitel kommer att ge dig tillgång till den kemiska parlör och den verktygslåda som du behöver för att förstå hur organiska ämnen uppför sig och reagerar. Du är mycket hjälpt av att bygga modeller av de molekyler som du arbetar med. Alla organiker, även nobelpristagare, använder sig av molekylmodeller som hjälpmedel. Allteftersom kommer vi mer och mer in på olika substanstyper, deras egenskaper och reaktioner, och mot slutet är vi redo att diskutera organisk syntes i mer generella termer. Dessutom presenteras biologiska makromolekyler och deras uppbyggnad och kemi i kapitel 21, för att visa hur den organiska kemin lägger grunden för det som kallas molekylärbiologi. Bokens sista kapitel sammanfattar hela den grundläggande organiska kemin på ett grafiskt och lättillgängligt sätt, och vi rekommenderar starkt att du drar nytta av det. Det är dessutom praktiskt för dig som letar efter en speciell uppgift eller som repeterar inför en tentamen. Vi välkomnar dig varmt i de organiska kemisternas skara, oberoende av om du känner dig uppfylld av ljuset eller om du enbart förväntar dig att se några glimtar. Oavsett ditt intresse av att använda dig av organisk kemi i din framtida yrkesutövning så får du aldrig glömma att dina livsprocesser och därmed hela du är organisk kemi. Lär känna dig själv – läs organisk kemi!

978-91-44-09991-0_01_book.indd 17

2014-07-08 16:11

978-91-44-09991-0_01_book.indd 18

2014-07-08 16:11

Kolväten

3.1 Mättade kolväten 3.2 Omättade kolväten 3.3 Aromatiska kolväten 3.4 Sammanfattning Kolvätena, vilka som namnet antyder är en klass av kemikalier som enbart består av kol och väte, kan sägas utgöra basen för den organiska kemin. De förekommer i olika former i naturgas och olja, vilket gör dem lättillgängliga och billiga, och massor av metoder för att omvandla dem till andra kolväten och till andra organiska ämnen har utvecklats. Vi träffar dessutom på kolväten i form av vanliga lösningsmedel och som drivmedel. I kapitel 3 delar vi in kolvätena i mättade, omättade och aromatiska, även om de aromatiska egentligen är en undergrupp till de omättade. Namngivningen av organiska ämnen, den organiska nomenklaturen, går i princip ut på att identifiera det viktigaste kolväteskelettet och sedan ange substituenter med prefix och suffix. Här kommer följaktligen kolvätenas nomenklatur att gås igenom, medan en mer övergripande genomgång av organisk nomenklatur sker i kapitel 5.

978-91-44-09991-0_01_book.indd 55

2014-07-08 16:12

3 Ko lvät e n

3.1 Mättade kolväten Jordens stora tillgångar på olja gör att mättade kolväten är tillgängliga i oerhört stora kvantiteter. De är därmed billiga och används ofta i sammanhang där enorma mängder förbrukas. Deras höga kemiska stabilitet gör dem praktiska att hantera och lagra, och de är relativt ofarliga att exponeras för. Samtidigt kan vi omvandla dem till andra organiska ämnen via en rad viktiga kemiska processer, och vi ska återkomma till några av dessa. Samtidigt får vi inte glömma att råolja är en begränsad resurs som kommer att ta slut, och en av de största utmaningarna för kemisterna är att hitta nya och gröna källor till morgondagens kemikalier (grön kemi diskuteras i avsnitt 19.3). Mättade kolväten, eller alkaner, innehåller enbart sp3-hybridiserade kol som binder till varandra eller till väteatomer. Vi kan rita ett kolvätes struktur på flera olika sätt varav de vanligaste visas i figur 3.1. Kalottmodellen (figur 3.1a), som ger en uppfattning om atomernas storlek, är den som antagligen är närmast verkligheten men den är samtidigt svår att rita. Betydligt vanligare är att använda antingen en streckformel (som även kan kallas Kekuléformel, figur 3.1b) eller en formel (figur 3.1c) där atomerna är utritade med bokstavsbeteckningar. I större strukturer blir även detta otydligt och vi bör snabbt vänja oss vid ett ritsätt som är enkelt, platsbesparande och internationellt accepterat, som bara visar kolatomerna som knyckar och som helt utelämnar väteatomerna (figur 3.1d). Varje knyck eller ände representerar en kolatom, och det sitter så många väteatomer som får plats på varje kol. Detta förenklade skrivsätt kan även kallas för skelettformel. När en alkankedja är en substituent i en större molekyl kallas den för en alkylgrupp. Så kallat öppna, eller alifatiska, mättade kolväten kan vara raka (som hexan, figur 3.2) eller grenade (till exempel metylhexan), medan cykliska mättade kolväten (som cyklohexan) alltid innehåller en eller flera ringar. I mättade kolväten kallar vi kolatomer som bara binder till en annan kolatom för primära (1°), sådana som Figur 3.1 Principen för att rita organiska strukturer: a) Kalottmodell b) streckformel eller Kekuléformel c) formel d) förenklat skrivsätt eller skelettformel.

H H H C

H C C H H H c)

CH3CH2CH2CH3

H H

978-91-44-09991-0_01_book.indd 56

2014-07-08 16:12

3.1 Mät tade kolväten 57

hexan

2-metylhexan

Figur 3.2 Mättade kolväten. Beroende på hur många kolatomer som binder till en viss kolatom benämns denna primär (1°), sekundär (2°), tertiär (3°) eller kvarternär.

cyklohexan

sekundärt kol (2°) kvarternärt kol primärt kol (1°)

tertiärt kol (3°)

binder till två andra kol för sekundära (2°), tre andra kol tertiära (3°) och sådana som binder till fyra andra kolatomer för kvarternära (figur 3.2). I ett mättat kolväte binder alltså ett primärt kol tre väten, ett sekundärt två väten, ett tertiärt ett väte och ett kvarternärt inget. Mättade kolväten namnges utgående från den längsta kolkedjan (öppna mättade kolväten) eller det största ringsystemet (cykliska mättade kolväten). I tabell 3.1 ser vi principen för namngivningen av raka alkaner med mellan en och hundra kolatomer. Två föreningar där det bara skiljer en CH2-grupp kallas för homologer och alkanerna kallas följaktligen för en homolog serie. För alkylgrupper gäller att ändelsen -an byts mot -yl, och om ämnet är cykliskt sätter vi helt enkelt prefixet cyklo- framför alkan- eller alkylnamnet. Grenade mättade kolväten har alkylsubstituenter, och namnges genom att substituenterna (i bokstavsordning om det är mer än en) läggs till namnet som prefix. I normala fall räcker det inte med att bara ange vilka substituenter vi har, utan vi måste även markera i Tabell 3.1 Raka alkaners nomenklatur. C = antalet kol i kedjan. C

Alkan

metan

undekan

heneikosan

etan

dodekan

dokosan

propan

tridekan

triakontan

butan

tetradekan

hentriakontan

pentan

pentadekan

dotriakontan

hexan

hexadekan

tetrakontan

heptan

heptadekan

pentakontan

oktan

oktadekan

hexakontan

nonan

nonadekan

heptakontan

dekan

eikosan

100

hektan

978-91-44-09991-0_01_book.indd 57

2014-07-08 16:12

3 Ko lvät e n

vilken position de sitter. Metylhexan i figur 3.2 kan ju faktiskt se ut på mer än ett sätt beroende på var i hexankedjan metylgruppen sitter, och de olika positionerna numreras från ena ändan av kedjan till den andra (figur 3.3). Vi kan snabbt konstatera att om metylgruppen i metylhexan sitter i position 1 så är det inte längre en hexan utan en heptan. Sitter den i position 2 eller 3 kallas molekylerna 2-metylhexan respektive 3-metylhexan, och om den sitter i position 4 eller 5 så blir det återigen 3-metylhexan respektive 2-metylhexan eftersom vi alltid väljer den numrering som ger de lägsta siffrorna. Om vi har flera alkylsubstituenter på olika platser numrerar vi huvudkedjan så att den första substituenten får lägst nummer, eller, om två alternativ får samma nummer, så att den substituent som står först i namnet får lägst nummer. Är flera substituenter identiska så anger vi antalet med ett multiplicerande prefix, di- tri- tetra-, penta- och så vidare, och positionerna med siffror som kallas lokanter, som till exempel 2,3,5-trimetylhexan i figur 3.3.

2-metylhexan

hexan

3-metylhexan

"5"

"1" 1-metylhexan = heptan

Figur 3.3 Alkylsubstituerade öppna mättade kolväten. Substituenterna numreras så att de får så lågt nummer som möjligt.

5-metylhexan = 2-metylhexan

"4" 4-metylhexan = 3-metylhexan

2,3,5-trimetylhexan

För metylcyklohexan (figur 3.4) behöver vi inte ange någon position eftersom alla positioner är identiska, men om vi har mer än en alkylsubstituent i ett monocykliskt (med en ring) mättat kolväte måste vi ange hur de sitter i förhållande till varandra. Den alkylgrupp som står först i namnet blir position 1, och de andra numreras så att de får så låga nummer som möjligt.

Figur 3.4 Alkylsubstituerade cykliska mättade kolväten.

2 1 metylcyklohexan

3 6

4 5

1-etyl-3-metylcyklohexan

432 5 1 6 1,2,4-trimetylcyklohexan

978-91-44-09991-0_01_book.indd 58

2014-07-08 16:12

3.2 Omät tade kolväten 59

Situationen kompliceras något om föreningen utgörs av ett ringsystem med flera ringar. I princip namnges den fortfarande utifrån antalet kolatomer i ringsystemet, men vi lägger till bicyklo-, tricyklo-, och så vidare, beroende på hur många ringar det är frågan om. I bicykliska föreningar anges i en hakparentes mellan prefixet och alkannamnet längderna (i antal kolatomer) på de tre broar som binder ihop brohuvudkolatomerna (figur 3.5). Numreringen är också annorlunda. Den utgår från någon förgreningspunkt, kallas brohuvudatom, och går den längsta bron till den andra brohuvudatomen, och sedan tillbaka via den näst längsta bron. Kan numreringen göras på olika sätt väljer vi som vanligt det som ger substituenterna de lägsta numren. Bicykliska kolväten i vilka två ringar delar en gemensam kolatom kallas spirokolväten, eller spiroföreningar, och namnges som ovan. Numreringen skiljer dock, den utgår från den första kolatomen i den minsta ringen och går via centralkolet runt de två ringarna på så vis att substituenterna får så låga nummer som möjligt. Nomenklaturen för polycykliska kolväten, med mer än två ringar, är mer komplicerad och vi går inte igenom den här. 9

2 3

10 2

4 3

2,2-dimetylbicyklo[4.3.1]dekan 6

spiro[3.4]oktan

bicyklo[4.3.0]nonan 1

2 3

5 10

9 1,7-dimetylspiro[4.5]dekan

Figur 3.5 Bicykliska och spirocykliska mättade kolväten.

3.2 Omättade kolväten Omättade kolväten som alkener, innehållande kol-koldubbelbindningar, och alkyner, med kol-koltrippelbindningar, kan utvinnas från råolja men framställs även ur större mättade kolväten. Flera små alkener som eten, propen, butadien och isopren är viktiga monomerer vid plast- och gummitillverkning, och etyn (acetylen), den minsta alkynen, känner vi som svetsgas. Omättade kolväten bildas även i naturen i stora mängder och utgör bland annat växters luktämnen, och vi ska återkomma till naturliga kolväten i epilogen. © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

978-91-44-09991-0_01_book.indd 59

2014-07-08 16:12

3 Ko lvät e n

Figur 3.6 Några vanliga omättade kolväten.

eten

propen

butadien

isopren

acetylen

Även alkener och alkyner kan vara öppna eller cykliska, och i princip följer deras nomenklatur samma regler som de vi nyss diskuterat för alkanerna. Viktiga skillnader är att ändelsen -an i alkaner byts mot -en i alkener och -yn i alkyner. Föreningar med två dubbelbindningar är -diener, -triener, etc, och finns det både en dubbel- och en trippelbindning i molekylen får den ändelsen -enyn. På så sätt anges vilken typ och hur många omättnader molekylen innehåller. En annan skillnad är att positionen av omättnaden/omättnaderna är det som definierar numreringen av systemet. Grundstrukturen är inte längre den längsta kedjan, som fallet var med alkanerna, utan den kedja som innehåller flest omättnader. Numreringen sker åt det håll som ger den lägsta siffran åt den första omättnaden. Är det lika för den första tittar vi på den andra, och så vidare. Dubbelbindningar har därvid högre prioritet än trippelbindningar, både då det gäller att definiera kolskelettet och numreringen (se exemplen i figur 3.7). Trots att det kan tyckas rörigt så är principerna för den organiska nomenklaturen faktiskt väldigt logiska, och vi kan alltid namnge en förening på ett unikt och entydigt sätt. Alkener i vilka dubbelbindningen har mer än en substituent kan ofta förekomma i olika former, beroende på om grupperna som sitter direkt på dubbelbindningen sitter på samma sida eller på olika sidor. Detta är ett exempel på isomeri, som vi ska diskutera utförligare i avsnitt 4.1. Ta till exempel 2-penten, med en metylgrupp och en etylgrupp på vardera ändan av en dubbelbindning. Den kan ritas på två

4,4-dimetyl-2-penten

Figur 3.7 Namngivning av omättade kolväten. Positionen av omättnaderna definierar numreringen.

2,5-heptadiyn

4-hepten-2-yn

1,3-cyklohexadien

2-hepten-5-yn

3-oktyl-1,4-pentadien

978-91-44-09991-0_01_book.indd 60

2014-07-08 16:12

3.2 Omät tade kolväten 61

olika sätt. Vi måste kunna beskriva vilken av de två formerna vi har, och det finns flera parallella system för detta. Det mest korrekta, och det som vi ska använda i denna text, är beteckningarna E och Z, som står för Entgegen (motsatt på tyska) och Zusammen (tillsammans på tyska). (E)-2-penten har alltså metyl- och etylgrupperna på olika sidor om dubbelbindningen medan (Z)-2-penten har dem på samma sida. Ett annat och ofta använt sätt att ange dubbelbindningars konfiguration, som dock inte är lika otvetydigt, är med begreppen trans och cis. (E)-2-penten är alltså samma sak som trans-2-penten medan (Z)2-penten är samma som cis-2-penten (figur 3.8).

(E)-2-penten eller trans-2-penten

(Z)-2-penten eller cis-2-penten

Svagheten med cis- och trans- för att beskriva alkener framkommer dock om vi har en tri- eller tetrasubstituerad alken. Ta till exempel den form av 3-metyl-2-penten som är ritad i figur 3.9, är den cis- eller trans-? Det kan vi inte säga eftersom vi inte vet vilken av substituenterna på dubbelbindningen som är viktigast. I E/Z-systemet finns detta med, och vi kontrollerar helt enkelt vilken av substituenterna på dubbelbindningens båda sidor som först har en atom med högre atomnummer. I fallet 3-metyl-2-penten är det enkelt att fastställa att konfigurationen är E, eftersom kol har högre atomnummer än väte på den vänstra sidan och etyl är ”tyngre” än metyl på den högra sidan. Egentligen är det inte gruppernas tyngd som bestämmer utan deras prioritet, och prioriteten bestäms på följande sätt: När vi jämför två substituenter tittar vi först på atomnumret för de atomer som är bundna direkt till dubbelbindningens ena sida. Om dessa är lika för bägge substituenterna så fortsätter vi till nästa atom (den största om det finns mer än en att välja på) och jämför dem, och så vidare tills vi kommer till en skillnad. För 3-metyl-2-pentens vänstra sida skiljer sig den första atomen direkt, kol (i metylgruppen) mot väte. På den högra sidan har bägge grupperna en kolatom bunden direkt till dubbelbindningen, så vi får gå ett steg till. Nästa (största) atom är en kolatom i etylgruppen men en väteatom i metylgruppen, alltså har etylgruppen högre prioritet än metylgruppen. Låt oss ta ett något mer komplicerat exempel, strukturen i figur 3.10a. Om vi börjar med att ge den ett systematiskt namn så kan vi konstatera att den har två dubbelbindningar, det är alltså en dien, och

Figur 3.8 Namngivning av 2-pentens isomerer.

Figur 3.9 Strukturen för (E)-3-metyl-2-penten.

978-91-44-09991-0_01_book.indd 61

2014-07-08 16:12

3 Ko lvät e n

den längsta kedjan vi kan identifiera i vilken bägge dubbelbindningarna ingår är sju kolatomer lång. Basnamnet är därför 1,3-heptadien (numreringen görs så att den första dubbelbindningen får så lågt nummer som möjligt). Vi har en substituent i position 3, en hexylgrupp, och två metylgrupper i position 6, vilket ger namnet 3-hexyl6,6-dimetyl-1,3-heptadien. För att namnet ska bli fullständigt klart måste vi dock kontrollera om dubbelbindningarnas konfiguration måste definieras. Det behövs inte för den första dubbelbindningen som bara kan se ut på ett sätt eftersom den är monosubstituerad, men för den andra måste vi bestämma om vi har E- eller Z-konfiguration. En viktig regel i E/Z-systemet är att vi ersätter en dubbelbindning med enkelbindningar till samma atomer när vi beräknar prioritet (figur 3.10b), och denna regel kommer att avgöra konfigurationen av dubbelbindningen i position 3 till Z, trots att hexylgruppen uppenbarligen är tyngre än etenylgruppen (en CH2=CH- kan som substituent kallas en vinyl eller etenyl). Första atomen i bägge grupperna är kol, men på grund av att detta kol är ett dubbelbindningskol i vinylgruppen räknas det som att det binder till två andra kolatomer. Den första kolatomen i hexylgruppen binder bara till en kolatom, förutom två väteatomer, och vinylgruppen har alltså högre prioritet. Figur 3.10 a) Strukturen av (3Z)-3-hexyl6,6-dimetyl-1,3-heptadien. b) En dubbelbindning ”ersätts” av två enkelbindningar till samma atomer för att reda ut E/Z-prioriteten.

(2Z,6E)-3-etynyl2,6-oktadien

Figur 3.11 Exempel på förening med både dubbel- och trippelbindningar. Dubbelbindningar har högre prioritet än trippelbindningar och utgör basen för namnet.

b) C

Alkyner (kallas även acetylener) är mer sällsynta i den organiska kemin, men de kan vara väldigt användbara i kemiska synteser. Vi kommer snart (avsnitt 4.5) att diskutera den unika surhet som väten som sitter direkt på en kol-koltrippelbindning har, och som vi kan utnyttja. En dubbelbindning har som ovan nämnts prioritet över en trippelbindning, och bestämmer vilken del av ett omättat kolväte som ska utgöra basen för namnet (se exempel i figur 3.11). Som vi tidigare konstaterat är en trippelbindning linjär, och vi har alltså inte något behov av att ange någon konfiguration för den. 3.3 Aromatiska kolväten De aromatiska kolvätena kan tyckas vara en del av de omättade, de ser ju ut att ha kol-koldubbelbindningar, men de är som vi ska se så © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

978-91-44-09991-0_01_book.indd 62

2014-07-08 16:12

3.3 Ar omatisk a kolväten 63

annorlunda att de bildar en egen grupp av kolväten. Även de aromatiska kolvätena är ekonomiskt viktiga men det enklaste och billigaste, som kallas för bensen (figur 3.12), är cancerframkallande och används bara i undantagsfall. Alkylsubstituerade aromatiska kolväten som toluen och xylen är mindre hälsofarliga och viktiga lösningsmedel, medan andra substituerade bensener, varav vi ska stöta på en hel del senare i boken, används flitigt av organiska synteskemister. Det finns även så kallade polyaromater eller polycykliska aromatiska kolväten (anges ofta med den engelska förkortningen PAH, Polycyclic Aromatic Hydrocarbons), som är uppbyggda av två eller fler bensenringar. Den minsta, naftalen, är en viktig finkemikalie och användes dessutom förr i malkulor mot klädesmalen. Ofta luktar dessa kolväten starkt, vilket givit dem beteckningen aromatiska.

bensen

toluen

xylen

naftalen

Figur 3.12 Viktiga aromatiska kolväten.

Namngivningen av aromatiska kolväten är baserad på ett antal grundskelett (som bensen, naftalen, antracen och fenantren) på vilka det sitter substituenter. Är det mer än en substituent måste det aromatiska systemet numreras, och det sker efter de regler som visas i figur 3.13. Om det är exakt två substituenter i en bensenring, en väldigt vanlig situation i organisk kemi, brukar vi ange om substituenterna sitter orto- (o-), meta- (m-) eller para- (p-) i förhållande till varandra. Två substituenter som är orto sitter invid varandra, meta innebär att de sitter 1,3 och har en kolatom emellan varandra medan para medför att de sitter mitt emot varandra (figur 3.13). Om det aromatiska systemet är att betrakta som en substituent själv så kallas en bensenring en fenylgrupp, naftalen blir naftyl-, och så vidare. Eftersom kolatomerna i en naftylgrupp är olika måste positionen som naftalenringen binder med anges (figur 3.13). Aromatiska föreningar innehåller normalt en eller flera bensenringar, en sexledig ring av kolatomer med tre dubbelbindningar (figur 3.12). Dubbelbindningarna i bensenringen är dock inte fastlåsta mellan två specifika kolatomer, utan alla sex kol-kolbindningar är identiska. Det inser vi om vi bestämmer avstånden mellan kolatomerna i bensen, normalt är avståndet mellan mättade kolatomer större än mellan omättade men i bensen är de identiskt långa. Detta ger bensen © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

978-91-44-09991-0_01_book.indd 63

2014-07-08 16:12

Ulf Ellervik Nina Kann Olov Sterner

ORGANISK KEMI

| ORGANISK KEMI

Tredje upplagan

Art.nr 31436 ISBN 978-91-44-09991-0

www.studentlitteratur.se

978-91-44-09991-0_01_cover.indd 1

9 789144 099910

3.e uppl.

Ulf Ellervik Nina Kann Olov Sterner

2014-06-10 11:04