64H06D3Reacties Koolstofchemieingevuld-1 PDF

Preview

Summary

srs...

Description

3 BELANGRIJKE REACTIESOORTEN IN DE KOOLSTOFCHEMIE 3.1 MONOFUNCTIONELE KOOLSTOFVERBINDINGEN: HERHALING De algemene regel voor naamgeving bij monofunctionele organische verbindingsklassen luidt: Positiecijfer

Grieks telwoord

Vertakking(en) (voorvoegsel)

Stam

Positiecijfer

Functionele groep (achtervoegsel)

Functionele groep R-X

halogeenalkaan

CH3-CH2-CH2-Cl

1-chloorpropaan

B. amine

R-NH2

alkaanamine

CH3-CH2-CH2-NH2

propaan-1-amine

C. alcohol

R-O-H

alkanol

CH3-CH2-CH2-CH2OH

butaan-1-ol

D. ether

R-O-R'

alk-oxy-alkaan*

CH3-CH2-CH2-O-CH3

methoxypropaan

E. aldehyde

R-C-H ║ O

alkanal (R+1)

CH3-CH2-CHO

propanal

F. keton

R-C-R' ║ O

alkanon (R+R'+1)

CH3-CH2-CH2-CO-CH3

pentaan-2-on

G. carbonzuur

R-C-OH ║ O

alkaan(R+1)zuur

CH3-COOH

ethaanzuur

H. ester

R-C-OR' ║ O

alkyl'- alkan - oaat (R') (R+1)

CH3-COOCH3

methylethanoaat

I. amide

R-C-NH2 ║ O

alkaan(R+1)amide

CH3-CO-NH2

ethaanamide

Stofklasse A. halogeenalkaan

Algemene naam

Voorbeeld

Systematische naam

Opmerkingen: * alk=kortste keten; alkaan = langste keten Indien een positiecijfer nodig is om verwarring te vermijden, gebeurt de nummering steeds zodanig dat de functionele groep het laagste nummer draagt.

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

131

3.2 REACTIESOORTEN OVERZICHT

TUSSEN 3.2.1

ORGANISCHE

STOFFEN:

Inleiding

Algemeen zijn organische stoffen opgebouwd uit een koolstofketen waaraan waterstofatomen gebonden zijn. Naast waterstofatomen kunnen eveneens andere atomen of atoomgroepen aan de koolstofketen gehecht zijn. Deze atomen of atoomgroepen worden substituenten of functionele groepen genoemd en zijn het reactieve deel van de molecule. In een chemische reactie tussen organische stoffen wordt de functionele groep van een molecule omgezet tot een andere functionele groep. De molecule waarvan de functionele groep verandert, wordt substraat genoemd, meestal het belangrijkste en ook het grootste deeltje in de reactie. Het andere, meestal kleinere deeltje dat het substraat aanvalt om de verandering te verwezenlijken, noemt men reagens. Het is zeer dikwijls een heel eenvoudige koolstofverbinding, maar kan ook een anorganische molecule zijn.

3.2.2

Indeling van de reactiesoorten in de organische chemie

Overzicht Chemische reacties tussen koolstofverbindingen kunnen ingedeeld worden op basis van: A De aard van de splitsing:  heterolytisch of ionair (splitsing in ionen)  homolytisch of radicalair (splitsing in radicalen) B De aard van het aanvallend deeltje:  radicalair (aanvallend deeltje heeft geen voorkeur voor positief of negatief gedeelte van het substraat)  nucleofiel (aanvallend deeltje heeft een voorkeur voor een positief gedeelte van het substraat)  elektrofiel (aanvallend deeltje heeft een voorkeur voor een negatief gedeelte van het substraat) C De aard van de skeletverandering van het substraat:  degradatie (drastische wijziging van het substraat)  partiële wijziging van het substraat (substitutie, additie en eliminatie)  polymeervorming (aaneenschakeling van substraatdeeltjes tot lange ketens) A

Indeling op basis van de aard van de splitsing

De wijze waarop de covalente binding wordt verbroken kan zijn:  heterolytisch of ionair: in een reactie waarbij ionen ontstaan

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

132

Voorbeeld:

De meeste reacties in de organische chemie zijn heterolytische of ionaire reacties. 

homolytisch of radicalair: in een reactie waarbij radicalen ontstaan. Radicalen zijn deeltjes (atomen of atoomgroepen) die een ongepaard elektron bezitten. Ze zijn erg onstabiel en dus reactief.

Voorbeeld:

Een homolytische of radicalaire reactie vereist een grote hoeveelheid energie. UV-lampen of temperatuursverhogingen worden daarom vaak gebruikt voor het maken van radicalen.

Zonlicht of UV-licht kan reeds bindingen verbreken in verbindingen zoals Cl 2, Br2. Vandaar dat stoffen als deze lichtgevoelig zijn of gemakkelijk radicaalreacties kunnen ondergaan. Meestal worden ze dan ook bewaard in donkerbruine glazen flessen. De bruine kleur laat slechts een gedeelte van het licht door, zodanig dat er geen of veel minder radicaalreacties in de fles ontstaan.

B

Indeling op basis van de aard van het aanvallend deeltje

Naar de aard van het aanvallend deeltje onderscheidt men:  de radicalaire reactie: het aanvallend reagens bezit een ongepaard elektron (*).

R* 

+

Substraat

de nucleofiele (ionaire) reactie: een nucleofiel (vriend van de nucleus = vriend van het positieve) of elektronenrijk reagens valt een elektronenarm substraat aan. Het nucleofiel deeltje (Nu) stelt elektronen ter beschikking. Het is een elektronenpaardonor (EPD). De aanwezigheid van elektronenzuigers in het substraat zal de reactie bevorderen.

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

133



de elektrofiele (ionaire) reactie: een elektrofiel (vriend van het elektron = vriend van het negatieve) of elektronenarm reagens valt een elektronenrijk substraat aan. Het elektrofiel deeltje (El) neemt elektronen op. Het is een elektronenpaaracceptor (EPA). De aanwezigheid van elektronengevers in het substraat zal de reactie bevorderen.

Opmerking: Nucleofiele deeltjes reageren enkel met elektrofiele en omgekeerd. Indeling op basis van de aard van skeletverandering van het substraat

C C.1

Partiële wijziging van het substraat

Bij partiële wijzigingen van het substraat blijft de basisstructuur van de substraatmolecule ongewijzigd. Slechts kleine stukken van de molecule worden vervangen (substitutie), toegevoegd (additie) of weggehaald (eliminatie). Tenslotte kunnen typische oxidatoren of reductoren nog een andere skeletwijziging veroorzaken (zachte oxidatie of reductie). Sommige organische verbindingen ondergaan ook zuur-basereacties. - bij de substitutiereactie wordt in het substraat een atoom of atoomgroep, gebonden aan een verzadigd koolstofatoom, vervangen door een ander atoom of atoomgroep. De verzadigingsgraad van het reagerend koolstofatoom verandert hierbij niet. 

+

+

Voorbeeld: Vorming van monochloormethaan

Een speciaal geval van substitutie is de condensatiereactie waarbij twee substraatmoleculen gecombineerd worden door afsplitsing van een kleine molecule, heel vaak water, waterstofchloride of ammoniak. 

+

+

Vo

- bij de additiereactie neemt het aantal atomen in het substraat toe doordat een aantal atomen of atoomgroepen aan onverzadigde koolstofatomen toegevoegd worden. Dit gaat gepaard met een verhoging van de verzadigingsgraad. =

+



Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

134

Voorbeeld: Vorming van 1,2-dichloorethaan door de chlorering van etheen

TOXICITEIT VAN GECHLOREERDE POLLUENTEN Wereldwijd behoren gechloreerde koolwaterstoffen tot de meest voorkomende grondwaterpolluenten. Bij contact met de huid, inhalatie of orale inname komen deze contaminanten in het lichaam terecht en worden ze omgezet tot kankerverwekkende metabolieten. Zo wordt 1,2-dichloorethaan inwendig geoxideerd tot chlooraceetaldehyde, een gekend menselijk carcinogeen. Bovendien heeft 1,2-dichloorethaan een aantal zeer nefaste gevolgen voor de gezondheid, ook bij lage concentraties:  Duizeligheid en misselijkheid  Aantasting van het centraal zenuwstelsel  Nier- en leverschade  Tumoren in lever, longen en hersenen  Leukemie

- bij de eliminatiereactie neemt het aantal atomen in het substraat af doordat een aantal atomen of atoomgroepen aan (on)verzadigde koolstofatomen onttrokken worden. Dit gaat gepaard met een verhoging van de onverzadigingsgraad. 

+

=

Voorbeeld: Vorming van etheen door de eliminatie van water uit ethanol

- bij zachte oxidatie of reductie de verhoogt of verlaagt het oxidatiegetal van één koolstof uit het substraat door inwerking van een oxidator (voorbeeld: O2) of reductor (voorbeeld: H2). Sommige van deze reacties zijn eveneens addities of eliminaties.

- Sommige organische stoffen ondergaan zuur-basereacties. Zo zijn carbonzuren zwakke zuren en zijn aminen (net zoals ammoniak) zwakke basen. C.2

Drastische wijziging van het substraat

Bij een degradatiereactie wordt de structuur van de substraatmolecule onherkenbaar gewijzigd, meestal door het breken van koolstof-koolstofbindingen. Dit gebeurt over het algemeen bij hoge temperatuur. 

+

+

Voorbeelden van degradatiereacties zijn: - een verbrandingsreactie: Voorbeeld: CH3-CH2-OH + 3 O2  2 CO2 + 3 H2O - een krakingsreactie: Voorbeeld:

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

135

C20H42



C8H18 + C12H24

- bij een pyrolysereactie: Voorbeeld: de thermolyse van suiker C12H22O11



12 C + 11 H2O

Pyrolyse-ovens Een pyrolyse-oven reinigt nog grondiger en gemakkelijker: de oven wordt dan tot zeer hoge temperaturen opgestookt, zo'n 500 °C, waardoor alle resten worden omgezet in as dat na afloop kan worden opgeveegd. Sommige ovens hebben een filter en katalysator om te voorkomen dat er rookwolken uit de oven komen. Door één druk op de knop reinigt de oven zichzelf en worden alle vuil- en vetresten volledig verkoold. U hoeft enkel nog de asresten te verwijderen met een vochtige doek. Een pyrolysebeurt kost erg veel energie. Energieprijs voor ‘Groene Olie’ (Noorderlicht.vpro.nl) Een voorbeeld van energie-innovatie is de zogenaamde ‘houtpyrolyse’, letterlijk: ontleding van hout door vuur. Houtsnippers worden samen met gloeiend heet zand (500 °C) in een snel draaiende oven gestort in een zuurstofloze omgeving. De snippers verbranden dan niet, maar vergassen. De mix aan ontsnappende gassen wordt afgekoeld en vormt bij kamertemperatuur een schenkbare bruine olie. De olie kan als directe brandstof gebruikt worden of na chemische behandeling verder verwerkt tot lichtere transportbrandstof (diesel of benzine). Duizend kilo hout (met 10% vocht) levert op die manier 680 kg ‘groene olie’, 90 kg mineralen (as) en 230 kg gas.

C.3

Aaneenschakeling van een groot aantal substraatdeeltjes = polymeervorming

Tijdens deze reacties worden veel substraatdeeltjes (monomeren) aan elkaar geregen tot de vorming van macromoleculen (polymeren). De reactie verloopt ofwel als een additie of als een condensatie. Men onderscheidt: - de polyadditie = herhaalde additiereactie tussen twee verschillende, bifunctionele monomeren +

+

+ ...



...

...

Voorbeeld: Productie van polyurethaan

Polyurethaan wordt veel gebruikt als isolatiemateriaal, maar ook als kunstleder, lijm en zwemkleding.

- de radicalaire polymerisatie = herhaalde additiereactie waarbij een aaneenschakeling plaatsvindt van monomeren die een dubbele binding bevatten. Het wordt ingeleid door een radicaal.

Voorbeeld: Productie van polyetheen (plastic)

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

136

Geschat wordt dat 1 % van de ontgonnen aardolie gebruikt wordt om polyetheen te produceren. Typische toepassingen zijn plastic flessen, plastic zakjes, verpakkingsfilm.

- de polycondensatie = aaneenschakeling van monomeren onder afsplitsing van een kleine molecule, vaak water. +

+



+ ...

...

+ 2

Voorbeeld: productie van polyethyleentereftalaat (PET) = polycondensatie van tereftaalzuur (1,4-benzeendicarbonzuur) en glycol (1,2-ethaandiol)

Polyethyleentereftalaat (PET) is een polyesterkunststof die onder andere wordt toegepast voor het maken van flessen en andere verpakkingen van voedingsmiddelen, voor industriële vezels en textielvezels, en voor keukengerei. Het grote voordeel van PET is dat het volledig recycleerbaar is.

C.4

Oefeningen

Onderstreep de toepasselijke reactiesoort: 

C4H10 + Br2



C4H9Br + HBr

degradatie / substitutie / additie / eliminatie / polyadditie / polymerisatie / polycondensatie 

CH3–CH2–CH2–CH2OH



CH3–CH2–CH=CH2

+

H2O

degradatie / substitutie / additie / eliminatie / polyadditie / polymerisatie / polycondensatie 

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

137

H

H

H C

C

H C

H C

C

H

+

CH3



CH2=CH2 + H–H

Cl

C

H C

C

CH3

+

H Cl

C C C C H H H H degradatie / substitutie / additie / eliminatie / polyadditie / polymerisatie / polycondensatie 

CHCH + 2 H–H



CH3–CH3

degradatie / substitutie / additie / eliminatie / polyadditie / polymerisatie / polycondensatie 

C2H5Cl + HCN



C2H5CN + HCl

degradatie / substitutie / additie / eliminatie / polyadditie / polymerisatie / polycondensatie 

CH3–CH2–OH + CH3–CH2–OH



CH3–CH2–O–CH2–CH3 + H2O

degradatie / substitutie / additie / eliminatie / polyadditie / polymerisatie / polycondensatie 

degradatie / substitutie / additie / eliminatie / polyadditie / polymerisatie / polycondensatie 

CH3–CH2–CH2–CH2OH  CH3–CH2–CH2–CHO (+ 2 H) degradatie / substitutie / additie / eliminatie / polyadditie / polymerisatie / polycondensatie



CH3-O-CH3

+

3 O2



2 CO2

+

3 H2O

degradatie / substitutie / additie / eliminatie / polyadditie / polymerisatie / polycondensatie 

Vorming van benzeen uit ethyn:

3 H–CC–H 

degradatie / substitutie / additie / eliminatie / polyadditie / polymerisatie / polycondensatie 

Reductie van ethanal met waterstofgas: CH3–CH=O + H2



CH3–CH2–OH

degradatie / substitutie / additie / eliminatie / polyadditie / polymerisatie / polycondensatie 

degradatie / substitutie / additie / eliminatie / polyadditie / polymerisatie / polycondensatie

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

138



C2H5OH + 3 O2



2 CO2

+

3 H2O

degradatie / substitutie / additie / eliminatie / polyadditie / polymerisatie / polycondensatie 

C30H62



C17H36

+

C13H26

degradatie / substitutie / additie / eliminatie / polyadditie / polymerisatie / polycondensatie 

degradatie / substitutie / additie / eliminatie / polyadditie / polymerisatie / polycondensatie 

De productie van teflon voor tape, verbindingsstukken en TEFAL-pannen (=TEFlon + ALuminium): … + CF2=CF2 + CF2=CF2 + CF2=CF2 + …  …–CF2–CF2–CF2–CF2–CF2–CF2–… degradatie / substitutie / additie / eliminatie / polyadditie / polymerisatie / polycondensatie



degradatie / substitutie / additie / eliminatie / polyadditie / polymerisatie / polycondensatie 

De productie van polyester voor textiel, vlaggen, boten, zwembaden en veiligheidsgordels:

+ n H2O

degradatie / substitutie / additie / eliminatie / polyadditie / polymerisatie / polycondensatie

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

139

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

140

3.3 REACTIESOORTEN BESPREKING

TUSSEN

ORGANISCHE

Substitutie

heterolytisch/ionair

Additie

heterolytisch/ionair

Eliminatie

altijd nucleofiel E

Degradatie

kraken verbranding

STOFFEN:

nucleofiel SN elektrofiel SE homolytisch/radicalair nucleofiel AN elektrofiel AE homolytisch/radicalair

Zachte oxidaties en reducties Zuur-basereacties Synthesewegen in de koolstofchemie: elementair syntheseschema

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel en Hasselt–SLO Chemie KU Leuven

141

3.3.1 A

Nucleofiele substituties



Voorwaarden

Substitutiereacties

Het reagens is een elektronenrijk deeltje = nucleofiel deeltje = elektronendonor. Het substraat is een elektronenarm (δ+) koolstofatoom d.w.z. op het koolstofatoom is een elektronenzuiger (= sterk elektronegatief deeltje) aanwezig. Hierdoor wordt het koolstofatoom partieel positief geladen. Voorbeelden: halogeenalkanen

alcoholen carbonzuren

Het nucleofiele reagens valt een elektronenarm (δ+) koolstofatoom op het substraat aan en vervangt aldus een ander elektronegatief deeltje (δ-). 

Bij halogeenalkanen

Vermits de halogenen sterk elektronegatief zijn verschuift het bindend elektronenpaar tussen het koolstof- en halogeenatoom naar het halogeenatoom met polarisatie van de binding tot gevolg. Op het koolstofatoom ontstaat een elektronenarme plaats waarop gemakkelijk een nucleofiel deeltje kan aanvallen. Door nucleofiele substitutie wordt het X-atoom vervangen door een nucleofiel deeltje.

A Vorming van een alcohol met H-OH CH3-Br

Demonstratieproef

+

H-OH



CH3-OH

+

H-Br

Vorming van een alkanol uit een halogeenalkaan door reactie met OHBreng in een erlenmeyer of kolfje van 50 mL 20 druppels broomethaan (C 2H5Br) en 6 mL KOH-oplossing (KOH, opgelost in ethanol). Breng het mengsel op kooktemperatuur in een warmwaterbad. Decanteer de bovenstaande vloeistof af van de witte neerslag die ontstaan is. Los de neerslag op in water. Voeg enkele druppels van een 0,01 mol/L AgNO3-oplossing toe.

Vaststelling: Er ontstaat een lichtgele neerslag. Verklaring: Een lichtgele neerslag duidt hier op de vorming van de AgBr. Dit AgBr-neerslag toont aan dat Br--ionen aanwezig waren in de oplossing van de oorspronkelijke witte neerslag. Die kunnen enkel vrijgekomen zijn uit het broomethaan, dat met de OH --ionen van KOH een nucleofiele substitutiereactie heeft ondergaan.

Wij en chemie 64-Werkgroep 3degraad–Bisdommen Mechelen-Brussel...