De naamgeving van organische verbindingen PDF

Preview

Summary

extra oefeningen en uitleg...

Description

1

De naamgeving van organische verbindingen ........................................................................................ 2 Het zelfstandig studeren van de naamgeving van organische verbindingen .......................................... 3 1. De alkanen .......................................................................................................................................... 4 1.1. De lineaire alkanen ....................................................................................................................... 4 1.2. De vertakte alkanen ...................................................................................................................... 5 2. De cycloalkanen ................................................................................................................................ 12 3. De alkenen, cycloalkenen en alkadiënen .......................................................................................... 14 4. De alkynen ......................................................................................................................................... 17 5. Benzeen en derivaten........................................................................................................................ 18 6. Algemene benadering van de naamgeving van organische verbindingen ....................................... 22 6.1. Een verbinding met gekende structuur benoemen ..................................................................... 22 6.2. Van de naam naar de chemische structuur ................................................................................ 25 6.3. Enkele belangrijke conventies .................................................................................................... 27 7. Alcoholen (ROH) en fenolen (ArOH) ................................................................................................. 28 8. Ethers (ROR') .................................................................................................................................... 29 9. Aldehyden (RCH=O) ......................................................................................................................... 30 10. Ketonen (RCOR') ............................................................................................................................ 31 11. Carbonzuren (RCOOH) ................................................................................................................... 32 12. Acylgroepen (RCO-) ........................................................................................................................ 35 13. Carbonzuuresters (RCOOR') .......................................................................................................... 36 14. Carbonzuuranhydriden (RCOOCOR') ............................................................................................. 37 15. Carbonzuurhalogeniden (RCOX) .................................................................................................... 37 16. Amiden (RCONH2) .......................................................................................................................... 38 17. Aminen (RNH2) ............................................................................................................................... 39 18. Nitrillen (RCN) ................................................................................................................................. 42 19. Het gebruik van Griekse letters ....................................................................................................... 43 20. Samenvatting IUPAC-naamgeving.................................................................................................. 44 IUPAC-regels voor de naamgeving van de koolstofverbindingen ......................................................... 46 IUPAC-regels voor de naamgeving van moleculen met functionele groepen....................................... 46

2

DE NAAMGEVING VAN ORGANISCHE VERBINDINGEN

Lange tijd benoemde men organische verbindingen met niet-systematische namen; deze namen hadden meestal betrekking op de bereiding, het voorkomen of de eigenschappen van de verbindingen en werden vaak afgeleid van het Latijn. Zo werd de naam azijnzuur afgeleid van het latijn "acetum" wat zure wijn of azijn betekent. Azijnzuur is naast water de hoofdcomponent in azijn en wordt door de mens als zuur ervaren. Naarmate het aantal gekende organische verbindingen toenam, werd deze vorm van naamgeving (nomenclatuur) onhoudbaar en zocht men een meer systematische benadering. Internationaal aanvaardt men de IUPAC-nomenclatuur. (Ook voor de benoeming van anorganische verbindingen zijn IUPAC-regels uitgewerkt). Een aantal niet-systematische namen (triviaalnamen) blijven echter in voege. Het is onontbeerlijk dat zij die regelmatig omgaan met chemicaliën, zich vertrouwd maken met deze beide vormen van naamgeving. IUPAC erkent trouwens een zeer groot aantal triviaalnamen. De organische moleculen met de eenvoudigste structuur zijn de "koolwaterstoffen": verbindingen enkel bestaande uit koolstof- en waterstofatomen. Wanneer in een koolwaterstof een waterstofatoom vervangen wordt door een ander atoom of door een andere atoomgroep (een substituent), dan gaat men uit van de naam van het koolwaterstof om de naam van de nieuwe verbinding af te leiden. Sommige auteurs gebruiken de term "radicaal" als synoniem voor "substituent". Omwille van mogelijke verwarring met een andere betekenis van "radicaal" spreken wij in deze tekst steeds van een substituent. IUPAC stelt verschillende types van naamvorming voor. In deze handleiding worden de substitutieve benamingen aangebracht. Voor klassen van verbindingen die in de praktijk ook dikwijls benoemd worden met een ander type van naamgeving, worden ook die namen vermeld. Voor de klasse van de ethers bijvoorbeeld maken we ook melding van de radicofunctionele benaming. Ten gepasten tijde zal met voorbeelden duidelijk gemaakt worden wat de juiste betekenis van deze terminologie is. Al bij al zit de systematische IUPAC-nomenclatuur heel logisch in elkaar. De studie ervan is beslist niet onoverkomelijk, maar vergt wel een systematische aanpak.

3

Het zelfstandig studeren van de naamgeving van organische verbindingen

De systematische naamgevingsregels van IUPAC zijn heel logisch en consequent opgebouwd en vragen weinig bijkomende verklaringen. Het is een deel van de cursus bio-organische chemie dat ieder zelfstandig en op zijn eigen tempo kan verwerven. Deze handleiding werd opgesteld met dit doel voor ogen. Je zal ondervinden dat de leerstof heel vanzelfsprekend lijkt wanneer je de handleiding doorneemt. Daar schuilt echter een gevaar in. Vrij snel zal je de indruk krijgen dat je de inhoud van de handleiding herkent. Uit ondervinding weten we nochtans dat je slechts voldoende kennis betreffende deze materie kan opbouwen door het maken van veel oefeningen, waar je dan ook nog de gepaste respons moet op krijgen. Om dit mogelijk te maken werd het computerprogramma Organom ontwikkeld, geschreven op maat van deze handleiding. In Organom vind je dezelfde indeling in modules als in de handleiding. Na het ernstig doornemen van een module in de handleiding kan je in Organom de overeenkomstige oefeningen maken. Bij foute antwoorden geeft het programma je niet de oplossing; wél een gerichte respons die je moet toelaten om verder te zoeken naar de correcte oplossing. Tenslotte voorziet Organom drie zelftesten: een over de koolwaterstoffen, een over alle klassen van verbindingen en een over de triviaalnamen. Het uitvoeren van die zelftesten heeft maar zin na grondige studie van de betreffende delen in de handleiding én het oplossen van de respectievelijke oefeningen met respons in Organom. Natuurlijk staat, naast deze hulpmiddelen, je docent nog steeds klaar voor het verstrekken van bijkomende hulp tijdens je leerproces. Veel succes met je studie. Maar besef dat je dat zelf moet afdwingen!!

4

1. De alkanen Alkanen zijn die koolwaterstoffen (verbindingen enkel opgebouwd uit koolstof en waterstof) die geen dubbele of drievoudige bindingen en geen ringstructuur bevatten. Het zijn de verzadigde koolwaterstoffen (KWS). Hun brutoformule is CnH2n+2. Hun namen eindigen allemaal op –aan (alkaan). (De brutoformule van een verbinding zegt welke atomen erin voorkomen en hoeveel van elk. Wat je niet kan afleiden is de manier waarop die atomen met elkaar verbonden zijn). Men onderscheidt lineaire en vertakte alkanen: - lineaire: geen enkel koolstofatoom is gebonden aan meer dan 2 andere koolstofatomen. - vertakte: minstens één koolstofatoom is gebonden aan meer dan 2 andere koolstofatomen.

CH3 CH2 CH 2 CH 3 lineai r alkaan

CH3 CH3 CH 3

CH3

CH CH CH3

CH 3

C

CH2 CH3

CH3 vertakte alkanen

1.1. De lineaire alkanen De lineaire alkanen worden ook normale alkanen genoemd. De laagste vier normale alkanen krijgen ook volgens de IUPAC-regels niet-systematische namen:

CH4

CH3 - CH3

CH3 - CH2 - CH3

CH3 - CH2 - CH2 - CH3

methaan

ethaan

propaan

butaan

De hogere lineaire alkanen, vanaf 5 koolstofatomen, krijgen een naam beginnend met een numeriek voorvoegsel (prefix) afgeleid van het Grieks: pent-, hex-, hept-, oct-, non-, dec-, .... en eindigen op aan.

5

Tabel 5.1. De normale alkanen

n

naam

formule

n

naam

formule

1

methaan

CH4

9

nonaan

...............................

2

ethaan

CH3CH3

10

decaan

...............................

3

propaan

CH3CH2CH3

11

undecaan

...............................

4

butaan

CH3(CH2)2CH3

12

dodecaan

...............................

5

pentaan

CH3(CH2)3CH3

13

tridecaan

...............................

6

hexaan

CH3(CH2)4CH3

14

tetradecaan

...............................

7

heptaan

.............................

16

........................

CH3(CH2)14CH3

8

octaan

.............................

18

........................

CH3(CH2)16CH3

Vul zelf de ontbrekende gegevens aan, in de bovenstaande tabel. Om aan te duiden dat men met een lineaire verbinding te maken heeft, voegt men soms het prefix ntoe (afkorting van normaal). Wanneer geen supplementair voorvoegsel wordt toegevoegd, wordt het alkaan verondersteld het niet vertakte of normale alkaan te zijn.

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 n-pentaan of pentaan

1.2. De vertakte alkanen Vanaf 4 koolstofatomen kunnen we naast een lineair ook één of meerdere vertakte alkanen terugvinden. Deze verbindingen zijn structuurisomeren: ze bezitten dezelfde brutoformule (zelfde soort atomen en zelfde aantal van elk), doch de atomen zijn onderling anders verbonden. Van de brutoformule C4H10 bestaan er twee structuurisomeren:

CH3 CH2 CH 2 CH3

en

CH 3 CH CH 3 CH 3

6

De IUPAC-voorschriften voor de naamvorming bij vertakte alkanen zijn de volgende: 1.2.1. De langste lineaire koolstofketen wordt als hoofdketen beschouwd, waarop de andere groepen (substituenten) gebonden zijn.Het onderstaande koolwaterstof is dus een gesubstitueerd pentaan, en geen gesubstitueerd butaan.

CH 3 CH3 CH 2 CH3 CH CH CH 3

1.2.2. De substituenten worden benoemd door de uitgang -aan van het overeenkomstig alkaan te vervangen door -yl. We spreken van alkylsubstituenten. Deze alkylsubstituenten worden algemeen voorgesteld door het symbool R-. De eenvoudigste zijn de methyl- (CH3-) en ethyl- (CH3CH2-) substituenten. Methyl wordt soms afgekort als Me; ethyl als Et; propyl als Pr en butyl als Bu. 1.2.3. De hoofdketen wordt genummerd beginnende bij een van de uiteinden van de hoofdketen. Aan de substituenten worden nummers toegekend. Men moet in die richting nummeren zodanig dat bij de eerste afwijking in de nummering, het getal zo laag mogelijk is. Het onderstaande koolwaterstof is dus 2,3-dimethylpentaan en niet 3,4-dimethylpentaan.

5 4

1

CH3

2

CH3

CH3 CH2

CH 3 CH2

CH 3 CH CH CH3 1 2 3

CH3 CH CH CH 3 5 4 3

2,3-dimethylpentaan

3,4-dimethylpentaan

Wanneer het laagste substituentnummer hetzelfde is in beide richtingen, dan wordt die nummering verkozen waarbij de eerste afwijking tussen de 2 series het kleinst is.

CH3 CH CH CH 2 CH CH 3 CH3 CH3

CH 3

2,3,5-trimethylhexaan en niet 2,4,5-trimethylhexaan Getallen en woorden worden onderling gescheiden door een koppelteken, getallen onderling door een komma. Pas dit consequent correct toe. Ook Organom verwacht correcte toepassing.

7

De prefixen die gebruikt worden om het aantal van elke alkylsubstituent weer te geven volgen hieronder tot 10; het prefix mono- wordt normaal niet vermeld:

1

mono-

6

hexa-

2

di-

7

hepta-

3

tri-

8

octa-

4

tetra-

9

nona-

5

penta-

10

deca-

1.2.4. Wanneer een substituent zelf ook vertakt is, zoekt men de langste lineaire koolstofketen beginnende bij de gebonden koolstof, dit is het koolstofatoom waarmee de substituent gebonden is op de hoofdketen. Die langste koolstofketen noemt men de primaire substituent. De gebonden koolstof krijgt steeds nummer 1. De substituenten die gebonden zijn op de primaire substituent noemt men secundaire substituenten. Om de nummering in de primaire substituent te onderscheiden van deze in de hoofdketen, gebruikt men haakjes. Tussen de haakjes staan de volledige substituentnaam én de plaatsnummers van de secundaire substituenten op de primaire substituent. Vóór de haakjes komt het plaatsnummer van de primaire substituent op de hoofdketen. Het volgende voorbeeld illustreert dat:

2 CH3 1 CH CH 3 CH 3 CH2 CH2 CH CH 2 CH 2 CH2 CH3 1 2 3 4 5 6 7 8 4-(1-methylethyl)octaan Octaan is de hoofdketen, de ethylgroep is de primaire substituent. Koolstofatoom 1 in de ethylgroep is de gebonden koolstof. De methylgroep, gebonden op de primaire substituent is een secundaire substituent. De primaire en zijn secundaire substituent(en) worden samen tussen haakjes geplaatst; vóór iedere secundaire substituent staat zijn plaatsnummer op de primaire substituent. In ons voorbeeld staat de secundaire substituent methyl op de 1-plaats van de primaire substituent ethyl: dit geeft dus (1-methylethyl). Vóór de haakjes staat dan het plaatsnummer van de primaire substituent op de hoofdketen: in ons geval 4. Merk op dat de belangrijkste onderdelen in een naam achteraan geplaatst worden: laatst de naam van de hoofdketen, daarvoor de naam van de primaire substituent, daarvoor de naam van de secundaire substituent, …

8

Oefening: Welke keten vormt in volgende molecule de hoofdketen, welke de primaire en welke de secundaire substituent? Omlijn die onderdelen met een verschillende kleur en plaats de nummering bij de koolstofatomen. Vorm nu ook de naam van die molecule.

CH3 CH2 CH CH 3 CH3

CH 2 CH 2 CH2 CH CH2 CH2 CH2 CH2 CH3

Opgepast: De termen primair en secundair werden hierboven omschreven om substituenten die zelf vertakt zijn gemakkelijk te kunnen benoemen. In de organische chemie worden die begrippen meestal in een totaal andere betekenis gebruikt. Verwar die 2 omschrijvingen niet!! De alkylsubstituenten worden ingedeeld in primaire, secundaire en tertiaire substituenten naargelang het aantal bindingen dat de gebonden koolstof heeft met andere koolstofatomen. Een alkylgroep is primair wanneer de gebonden koolstof slechts één binding heeft met een ander koolstofatoom. Een primaire alkylsubstituent kan dus algemeen weergegeven worden als RCH2-. Secundair is de alkylgroep wanneer de gebonden koolstof gebonden is met 2 andere koolstofatomen en tertiair wanneer gebonden met 3 andere koolstofatomen. Wanneer R- een willekeurige alkylgroep is, dan zijn de verschillende substituenten: RCH2 -

R2CH -

R3C-

primair (prim)

secundair (sec)

tertiair (tert)

9

Tabel 8.1. Typische alkylgroepen (CnH2n+1) Primaire

CH3

CH3 CH2

CH 3 CH 2 CH2

methyl

ethyl

propyl

CH 3

CH3 CH2 CH 2 CH 2 butyl

CH3 CH CH2

CH 3 C CH 2

CH3 2-methylpropyl = isobutyl

CH 3 2,2-dimethylpropyl = neopentyl

Secundaire

CH3 CH

CH3 CH2 CH

CH3 1-methylethyl = isopropyl

CH3 1-methylpropyl = sec-butyl

Tertiaire

CH3 CH3 C CH3 1,1-dimethylethyl = tert-butyl

CH 3 CH3 CH2 C CH 3 1,1-dimethylpropyl

IUPAC laat ook het gebruik toe van triviaalnamen voor sommige alkylgroepen: sec-butyl i.p.v. 1-methylpropyl tert-butyl i.p.v. 1,1-dimethylethyl. Vaak worden de prefixen iso- en neo- nog gebruikt: iso- wanneer 2 methylgroepen op het einde van een voor de rest lineaire keten staan; neo- wanneer 3 methylgroepen op het einde (terminaal) van een voor de rest lineaire keten staan. De nog dikwijls gebruikte triviaalnaam iso-octaan is in dat opzicht dus fout en dient vermeden te worden.

10

1.2.5.

Wanneer meerdere verschillende substituenten op de hoofdketen gesubstitueerd zijn, worden deze gerangschikt in alfabetische volgorde (de numerische prefixen di-, tri-, … worden hierbij buiten beschouwing gelaten). De prefixen sec-, tert- en iso- wordt wel in aanmerking genomen bij de alfabetische rangschikking.

7

6

CH 2 CH 3

5

4

3

2

1

CH 3 CH2 CH2 CH CH CH 2 CH 3 CH 3 4-ethyl-3-methylheptaan (ethyl dus vóór methyl)

2

1

CH 2 CH3

3

H3C C CH3 4

5

6

7

8

9

10

11

CH 3 CH2 CH 2 C CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 CH 2 CH3 4-ethyl-3,3-dimethyl-4-propylundecaan (ethyl dus vóór dimethyl) Wanneer zoals in het laatste geval, 2 ketens van gelijke lengte in aanmerking komen als hoofdketen, dan krijgt deze met het grootste aantal substituenten de voorkeur. Dit brengt mee dat de substituenten zelf kleiner en eenvoudiger zijn. Dus wél zoals hieronder met 4 substituenten op de hoofdketen 2

1

CH 2 CH 3

3

H 3C C CH3 4

5

6

7

8

9

10

11

CH 3 CH 2 CH2 C CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH 2 CH 3 CH 2 CH 3 en niet zoals hieronder met slechts 2 substituenten op de hoofdketen.

CH2 CH 3 1

2

H 3C C CH3 3

4

5

6

7

8

9

10

11

CH 3 CH2 CH 2 C CH 2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH 2 CH3 CH2 CH 3

11

1.2.6. Wanneer de nummering van een verbinding langs beide uiteinden dezelfde substituentnummers oplevert, dan krijgt de alfabetisch eerste su...