Examen Samenvatting biomedische chemie (examen juni) (biomedische wetenschappen 2011-2012) PDF

Preview

Summary

Samenvatting biomedische chemie (examen juni) (biomedische wetenschappen 2011-2012)...

Description

Scheikunde samenvatting Organische chemie (examen juni)

H1: basiskoolstofskelet Heteroatomen: Atomen ≠ C & H Methylgroep: –CH3 Homologe reeks v normale alkanen (normaal = zonder vertakkingen) : CH4 , C2H6 , C3H8 , C4H10 , … Formule lineaire alkanen: CnH2n+2 Formule cyclische alkanen: CnH2n  = lineaire formule – 2 H’s Formule alkylgroepen/ zijketens: CnH2n+1 1 binding: alkAAN  Verzadigde KWS Dubbele binding: alkEEN Onverzadigde KWS 3dubbele binding: alkYN

Fysische eign alkanen Eerder apolair (zeer weinig polair) - ΔEN tss C & H = klein - enkel London-dispersiekrachten - laag kookpunt (kookpunt ↑ naarmate mol.massa ↑) - dichtheid ↑ naarmate molmassa ↑  oplosbaar in weinig polaire stoffen

Conformaties & stabiliteit Conformaties = versch atoomopstellingen bekomen door draaiing rond σ-binding  Staggered: CH bindingen v.d 2 C atomen in elkaars verlengde (laagste E)  Eclipsed: CH bindingen v.d 2 C atomen 2 aan 2 evenwijdig (hoogste E)  Skew: alle intermediaire vormen kJ ΔEeclipsed-staggered = 12 mol (is niet veel!!)  vrije draaibaarheid  staggered conformatie & eclipsed gaan makkelijk over in elkaar ??  Torsie spanning = het meer aan E dat een eclipsed conformeer heeft (want de H’s v.d verschillende C’s staan dicht bij elkaar) Conformereren van langere ketens  methylgroepen in projecties  Anti: methylgroepen verst v elkaar (180°)  laagste E  Gauche: methylgroepen maken 60° hoek  hoogste E kJ ΔEanti-gauche3,3 mol als 2 methylgroepen dicht bij elkaar (bij gauche conf)  sterische hindering  repulsieve vdWaalskrachten Cyclische stoffen = gespannen KWS (KoolWaterStof) (ringen ≠ vlak) - hoeken < tetraëdrische hoek (tetraëdr. Hoek = meest E-gunstige)  hoekspanning! * Stoelconformatie Rond alle C’s = tetraëdrische structuur  Geen hoekspanning Compleet staggered  geen torsiespanning Gemm ringvlak C-atomen  equatoriale H’s liggen in verlengde (erboven / eronder)  axiale H’s liggen er ⊥ op

Hoek v 60° tussen beide conformaties

Ring-flip = van éénzelfde stof de axiale H’s equatoriaal maken en andersom * Bootconformatie Isomeren: stoffen met zelfde bruto-formule MAAR versch chem + fys eign - Constitutie-isomerie: verschil zit in bindingspatroon (versch volgorde van binding v atomen/moleculen) - Cis-trans-isomerie bij cycloalkanen: (∈ stereo-isomerie) verschil zit in ruimtelijke opstelling v.d atoomgroepen cis: beide methylgroepen aan zelfde kant v.d ring trans: beide methylgroepen aan tegengestelde kant v.d ring  kunnen niet in elkaar omgezet worden (zonder bindingen te breken) Conformeren: eenzelfde stof maar met versch atoomopstellingen bekomen door draaiing rond σbinding

Reactiviteit v alkanen: Goed met vrije radicalen = vrije radicaalreactie → bijv Halogenering (=Radicaalsubstitutiereactie) Welke C-atomen meest reactief? hangt af van omringing van het C-atoom: hoeveelh gebonden C-atomen Reactiviteitsvolgorde: Tertiaire C > secundaire C > primaire C > CH4 Radicaalsubstitutie: = kettingreactie Alkaan + dihalogeen (X2)

T↑ of goeie λ (hν)

alkaan met één/meerdere H’s vervangen door X + HX

1. initiatiestap Homolytisch breken van X2 door licht → radicalen 2 X• 2. propagatiestappen snelheidsbep. stap: homolytisch afsplitsen v.e H v.e alkaan → vorming v.e C-radicaal: R• H• + R• + X• → R• + HX R• + 2 X• → X• + RX enz.. 3. terminatiestappen X• + X• → X2 R• + R• → R2 R• + X• → RX Homolytisch breken v.e binding (=lichtreacties): elke bindingspartner krijgt 1 v.d 2 bindingse- → radicalen Heterolytisch breken v.e binding (=donkere/ polaire reacties): één v.d bindingspartners krijgt beide bindingse- → ionen kinetisch gecontroleerde reactie: meest gevormde product = die met laagste Eact (snelst gevormd) thermodynamisch gecontroleerde reactie: meest gevormde product = die met kleinste ΔRG = product waarvoor evenwichtsligging (beginprod  eindprod) gunstigst is Etransitietoestand bepaalt verloop v.d reactie Maar het is onmogelijk om die E-inhoud te bepalen want heeft GEEN eindige bestaansduur Hammondpostulaat: E-inhoud v.e transitietoestand benaderen door dichtstbijzijnde eindig bestaande structuur Bij endoth reactie: benaderen door E v.h eindproduct

Bij exoth reactie: benaderen door E v.h beginproduct Stabiliteitsvolgorde v alkylradicalen: Tert > sec > prim Hyperconjugatie: Mesomeer effect → delokalisatie v eenzaam eIn een reeks gelijkaardige reacties:

grotere selectiviteit ⇔ reagens reactiviteit ↓

H12 onverzadigde KWS (alifatisch Vs aromatisch) Alifatisch= Aromatisch= onverzadigde KWS hebben dubbele of driedubbele bindingen → π-bindingen (=e-rijke plaats = plaats van reactie) → onverzadigde KWS (alkenen + alkynen) reactiever dan alkanen alkeen + H2 → alkaan (gebeurt niet bij onverzadigde cyclische stoffen) Fysische eign alkenen + alkynen: Zelfde als alkenen - Weinig polair → opl in apolaire + zwak polaire middens - Lage kookpt vglbaar met alkaan met zelfde # C-atomen Stereo-isomerie alkenen: cis-trans isomerie Geen vrije draaibaarh door dubbele binding Assymetrisch gesubstitueerde alkenen → cis-trans ! trans-alkenen stabieler dan cis (sterische hinder bij cis (substituenten te dicht bij elkaar) Cahn-Ingold-Prelogregels: * Adhv atoomnr prioriteiten vaststellen * meervoudig gebonden atomen C=A hetzelfde als C A A Geometrische isomerie: cis-trans isomerie veroorzaakt dr dubbele binding → Z- of E-isomeer → kijk links v.d dubbele binding en kies hoogste prioriteit → kijk rechts … → hoge prioriteiten a.d zelfde kant = Z-isomerie → hoge prioriteiten a.d tegeng kant = E-isomerie

Reacties alkenen (& alkynen) Π-binding → hoge conc e- (neg lading) → polaire reacties Elektrofiele additie Van bijv HX op een alkeen: 1e snelheidsbep stap: - Één v.d 2 dubbele bindingsparen → vormt σ-binding met H (van HX) = aanval van e-fiel deeltje = Lewiszuur - Als H bindt aan C1 (de C met de meeste H’s erop → MARKONIKOW-regel!!) - X- blijft achter (nucleofiel) - C2 = carbokation = zeer reactief 2e stap - C2 reageert met nucleofiel anion XInductieve effecten stabiliseren een geladen entiteit Bij (-) lading → aanwezigh e- aantrekkende substituenten Atomen met hoge ENW, bijv halogenen

Bij (+) lading → aanwezigh e- gevende substituenten Bijv alkylgroep → stabiliseert (+)ladingen → carbokationen → hoe meer alkylgroepen op een carbokation, hoe stabieler → stabiliteitsvolgorde: tert C+ > sec C+ > prim C+ > methyl 2 manieren voor bereiding v halogeenalkaan: - halogenering alkaan + UVlicht - e-fiele addit van HX op alkeen Wateradditie alkeen = additie van H2O op π-binding = gekatalyseerd door sterk zuur (proton H+ → komt weer vrij globaal gezien) Dubbele binding wordt enkele vorming v alcohol (aan ene C1 H gebonden & aan C2 OH) Reacties alkynen * meestal trans-additie * wateradditie → gaat makkelijker op ≡ binding dan = → lijdt tot carbonylverbindingen (aldehyde of keton) → tautomerisatie (shift v H-atoom) leidt tot keto-enol evenwicht

Tautomeren: isomeren die bij kamertemp in elkaar kunnen overgaan door verplaatsing v.e H-atoom en -binding Structuur bepalen v alkenen Aantonen v meerv bindingen (onverzadigingen) en ringstructuren Kwalitatief: * ontkleuring bruine BR2-opl = e- additie * ontkleuring paarse, aangezuurde KMNO4-opl = oxidatie → vicinaal cis-diol Diol: KWS met 2 OH-groepen vicinaal: op atomen die naast elkaar staan Geminaal: op hetzelfde atoom:

Kwantitatief: * Hydrogeneringsreactie: hoev verbruikte H2 bepalen → hoev π-bindingen → aromatische structuren regeren NIET!! Ozonolyse / oxidatieve splitsing * Grotere moleculen afbreken voor identificatie → gesplitst op plaats van dubbele binding

Nu weet je wat voor een soort penteen het is (1-penteen, 2-penteen,…) omdat het op de plaats v.d dubbele binding is gesplitst → op plaats waar O gekomen is * Ringen openen Geconjugeerde dubbele bindingen: Afwisselling tss dubbele bindingen & enkele Diënen: stof met 2 dubbele bindingen Geconjugeerde diënen: de 2 dubbele bindingen w gescheiden door een enkele binding Geïsoleerde dubbele bindingen: de dubbele bindingen worden afgescheiden door meerdere enkele bindingen Gecumuleerde dubbele bindingen: dubbele bindingen naast elkaar

Geconjugeerde dienen zijn stabieler dan overeenkomstige producten met geïsoleerde dubbele bind. → lagere hydrogeneringswarmte hydrogenering = het toevoegen v H2 aan onverzadigde stoffen om er een + 𝐻2

verzadigd product van te maken = →

–

Geconjugeerde polyenen absorberen zichtbare licht → vandaar de kleuren van bijv bloemen, fruit (stof met veel dubbele-enkele (afwisselend!) bindingen)

Aromaticiteit * vlakke, cyclische producten * volledige delokalisering v π-elektronen → hoge resonantie-E * op elk atoom zit niet gehybridiseerd 2p-orbitaal * Regel van Hückel: # elektronen = 4n+2

2 aromatische ringen die aan elkaar vastzitten (2 naburige C’s delen) zijn gecondenseerd → PAK (polyaromatische KWS) Dus organische chemie: - aromatische verb.: zie hierboven - alifatische verb.: open-keten verb + cyclische verb. Met gedrag van open-keten verb Elektrofiele (aromatische) substitutie Aromatische systemen = weinig reactief door hoge resonantieE Toch elektrofiele subst mogelijk Stap1 snelheidsbep stap  E-fiel deeltje bindt op een ‘hoek’ → verbreekt aromaticiteit (de dubbele binding dus)  De naastgelegen C-atoom (hoek) die de dubbele binding oorspronkelijk deelde is nu (+) geladen → (allylisch) carbokation Stap2 herstelling aromaticiteit  Een proton wordt weggetrokken (door lewisbase die NGEP heeft = e-donor) van de Catoom waar de E-fiel op is gebonden (Die C is sp3-gehybridiseerd (heeft een H, E-fiel, en 2 bindingen met naastgelegen C’s)  Herstelling dubbele binding → herstelling aromaticiteit

5 types elektrofiele atrom. subst.: 1. Halogenering e-fiel = Br+ / Cl+ met katalysator FeBr3 / FeCl3 2. Nitrering e-fiel = 𝑁𝑂2+ 3. Sulfonering e-fiel = SO3 4. Alkylering e-fiel = carbokation v.e halogeenalkaan (niet v.e arylhalogeniden!) 5. Acylering e-fiel = acylgroep RCO+ want oorspronkelijk byv RCOCl → RCO+ +

H14: Stereochemie Verschillen in ruimtelijke oriëntatie + manier van aanelkaar koppelen v moleculen Chiraal = assymetrisch Structuur & spiegelbeeld = NIET hetzelfde

 vormen enantiomerenkoppel  elkaars stereo-isomeer  verschil in ruimtelijke 3D opstelling Assymetrisch gesubstitueerd C-atoom is chiraal centrum: C* Optisch inactief Een mengsel met enatiomerenkoppel is optisch inactief! Draaiingsoek v ene enantiomeer is tegengesteld aan draaiingshoek ander enantiomeer → men ziet uiteindelijk GEEN draaingshoek → optisch inactief Achiraal = symmetrisch (symm vlak/as) Structuur & spiegelbeeld = WEL hetzelfde CA4 ; CA3B ; CA2B2 ;

CA2BD

Niet-gepolariseerd licht: =gewoon licht 󰇍 -trillingsvlakken zijn vertegenwoordigd Alle 𝐸󰇍 en 𝐵 Gepolariseerd licht 󰇍 -trillingsvlak = niet-gepolariseerd licht dat doorheen polarisator is gegaan slechts 1 𝐸󰇍 en 𝐵 * ontstaat als licht door stof met chirale moleculen gaat 󰇍 (=polarisatievlak) wijzigt met hoek α (=draaiingshoek) * richting van 𝐸󰇍 en 𝐵 * α ~ concentratie chirale moleculen * α ~ llichtdoorheen midden * α = c . l . [α] [α] = spec draaiingsvermogen = evenredigh Cte = hoek als gepolariseerd licht 1 dm 𝑔 aflegt doorheen stof met c = 1 𝑚𝑙 * α afhank van gebruikte stof gebruikt oplosmiddel Temp λ gebruikt licht Racemische modificatie (±) Enantiomerenkoppels Mengsel van  50% positieve bijdrage draaiingsvermogen  50 % negatieve  geen optische activiteit Fisherprojectie = manier om 3D voorstellingen in 2D voor te stellen → 2 horizontale substituenten komen nr je toe → 2 verticale buigen nr achter Substituenten rond chiraal centrum wijzigen zonder configuratie te wijzigen: - 1 subst vasthouden, rest ronddraaien - boven en onder verwisselen + links en rechts verwisselen

D = draaiingszin v.h vlak gepolariseerd licht nr rechts L = draaiingszin v.h vlak gepolariseerd licht nr links Az in proteinen zijn altijd L-Az → NH2-groep links Bijna alle monosach D → OH-groep rechts op laatste chirale C-atoom R,S-nomenclatuur Om de relatieve configuratie aan te geven v.e molecule  Volgorde qua prioriteit v.d substituenten = zelfde als Z,E-nomenclatuur  Substituent met laagste prioriteit nr achter & kijk vanuit de C naar dat atoom  Dan ziet men nog 3 subst: 1e, 2e, 3e prioriteit  R = wijzerzin S = tegenwijzerzin

H15: Reactiemechanismen: Nucleofiele substitutie + Eliminering Nucleofiele substitutie Substitutie= vervangen v.d éne groep door een andere C meestal gebonden op atoom die grotere ENW heeft → C δ+ → leavinggroup neemt bindingse-paar mee Nucleofiel Nu = aanvallend deeltje = (neg geladen / hft NGEP) → Nu- maakt cov binding op C (die net leaving group heeft verloren) met één van zijn NGEP Substituties in levende organismen → methylering 2 soorten nucleofiele substitutiereacties Waldeninversie = (enkel bij SN2) omklappen v configuratie (assym gesubstitueerde) C-atoom Enkel indien beginproduct bevat slechts 1 v.d enantiomeren (= inversie v.d configuratie ) Nucleofiliciteit reagens = neiging v.e nucleofiel om NGEP te delen met aangevallen C-atoom Staat in verband met snelheid aanval op C Basiciteit = neiging om NGEP te delen met een p+ (w bepaald door evenw.ligging reactie) → hoe basischer, hoe vaster het zit aan een (+) atoom → Hoe slechter het als leaving group fungeert (-NH2 , -OCH3 , -OH) → zwakke basen = beste leaving groups Bijv. OH-groep protoneren door H+ (aanwezig zuur) → w goede leaving group (H2O)

SN1: Nucl subst v.d 1e orde 2 stappen: 1) snelheidsbepaldende stap = heterolyt splitsing C-R = vorming carbokation 2) aanval Nu- op carbokation Reactiviteitsvolgorde: tertiair > sec > primair > CH3-X Reactiesnelheid ~ csubstraat Reactiesnelheid bepaald door stabiliteit v carbokation (nucleofiliciteit speelt geen rol!) stabiliteit↑ ⇔ aanwezigh e- gevende groepen↑ (=alkylgroepen, deze zwakken de (+) lading v.h carbokat. af)

Carbokation = sp2 gehybridiseerd

→ vlak → alle kanten geschikt voor Nu- aanval

Omlegging: herschikking bindingspatroon om stabieler carbokat te vormen → enkel bij SN1 → ofwel 1,2-hydrideshifts ofwel alkylshifts Vertrekkend v.e chiraal (assym) halogenide en SN1-reactie → racemisatie = mengsel v 2 enantiomeren als eindproduct → 50% behoud configuratie - 50% inversie

   

Nucl subst v.d 2e orde 1stap → geconcerteerde reactie reactiesnelheid ~ csubstraat & cnucleofiel snelheidsbepalende stap = botsing tss substraat & nucleofiel reactiviteit: methylhalogenide > prim alkylhalogenide >

  

hoe meer substituenten, hoe groter de sterische hinder, hoe moeilijker de nucl aanval nucleofiliciteit van Nu- is van belang! Walden-inversie (configuratie klapt als het ware om (RS of andersom)

SN2:

secundair

Besluit Tertiaire substraten → SN1 Methyl / primaire → SN2 Secundaire → hangt af van omstandigheden  Nu met hoge nucleofiliciteit & in hoge concentratie ⇒ SN2  protische solventen → solvatatie → EA v carbokat ↓ ⇒ SN1 Allylgroep:

-X

Allylhalogenide:

Resonantie → reactiesnelheid ↑ → snelheid = secundair (bij SN1) neigbouring group effect Elimineringsreacties = elimineren v.e groep v vormen v.e π-binding 2 soorten elimineringsreacties: E1 & E2 Reactievolgorde E1 & E2: tert halogeenalkaan > sec > prim

>

tertiair

E2: 1 stap → geconcerteerde reactie → alles gebeurt gelijkertijd

- breken binding C1-X - breken binding C2-H - vorming π-binding

Reactiesnelh ~ Chalogenide & Cst.base Aanwezigheid sterke base → trekt proton (H+) weg van C2 bevordert eliminering α-C: bevat halogeenatoom X β-C: ligt naast α-C Regel v Saytzeff: het β-H-atoom wordt afgesplitst waarbij het meest gesubstitueerde/vertakte alkeen (stabielst) ontstaat antiperiplanaire geometrie → planair: alles in 1 vlak (C1-X C2-H) → H & X in anti opstelling omstandigheden voor SN2 & E2 zijn gelijkaardig → competitie → E2 ⟹ aanw st basen, warm, alcoholisch solvent → SN2 ⟹ lage temp, polaire solvent E1 Reactiesnelheid ~ Csubstraat (Cbase is NIET van belang!) 2 stappen: 1) trage v-bepalende stap: heteolyt splitsing C-X ⇒ vorming carbokation 2) snel: vorming (π-)dubbele binding door een H+ af te splitsen v.e C naast carbokat Sec & tert halogeen alkanen → competitie tss SN1 & E1

H16: Alcoholen, ethers, thiolen Alcoholen R—OH Naamgeving: 1. Radiofunctionele naam = nadruk op alkylgroep + functionele klasse vb: methylalcohol, isopropylalcohol 2. Substitutieve naam vb: methanol, 2-propanol -H-atoom = H-atoom die op de C zit met OH-groep Fys eign - OHgroep - Zeer polair - H-bruggen - hoog kookpt - water opl (tot 6 C’s) -

licht zuur karakter → H kan afsplitsen licht basisch karakter → OH als leaving group

Reacties: Reactiviteitsvolgorde: tert > sec > prim Welke soorten reacties allemaal? - nucl additie Alcohol optreden als nucleofiel deeltje - nucl acyl substitutie - Eliminatie van H2O - Oxidatie

Nucleofiele subst -𝑂 -H → bevat NGEP dus kan opttreden als nucleofiel → alcohol = nucleofiel Vb Nucleofiele additie op carbonylgroep → acetaal Nucleofiele acylsubstt → Ester Dehydratatie / eliminering H2O −𝐻2 𝑂 +𝑧𝑢𝑢𝑟 𝑚𝑖𝑑𝑑𝑒𝑛 +𝑇 ↑

alkeen → alcohol E1-mechanisme = met vorming carbokation (2staps) * OH = slechte leavinggroup * zuur AH protoneert –OH zodat het goede leavinggroup wordt + AH + OH → A- + 𝐻 + + 𝑂𝐻 → A- + 𝐻𝑂 2 + * H2O splitst zich af en laat C achter * carbokation * A- (=base) bindt aan H en splitst zich samen af * laat de bindende GEP achter * vorming dubbele binding & neutralisatie van carbokation * ALKEEN Indien meerdere uitkomsten v alkenen mogelijk: Saeytzefforiëntatie Meest gesubstitueerde alkeen is stabielst + komt het meest voor (hoofdproduct) (dus met minst # H’s op de C’s vd dubbele binding) Oxidatie = verliezen v H’s Primair alcohol heeft 2 H’s → om er slechts 1 te verliezen (aldehyd vormen)→ aan VW voldoen ⇒ Kleine coxidator , T controleren, direct de gevormde aldehyden verwijderen door distillatie    

−1 𝛼H

primair alcohol →

−2 𝛼H

primair alcohol →

Aldehyd Carbonzuur

−1 𝛼H

Keton secund. alcohol → Tertiar alcohol heeft GEEN H’s → geen oxidaties enige reactie die kan bij tert alc = eliminatie v H2O

Waarmee oxideren? Sterke anorganische oxidatoren - K2Cr2O7 - KMnO4 In lichaam: metabolisme → oxidatie v alcohol adhv enzym ‘dehydrogenase’ met als co-enzym een e--acceptor (vb: NAD+) (dehydrogenasen∈ enzymklasse der oxidoreductasen)

Ethers R’—O—R Naamgeving: Radicofunctionele naamgeving: RR’-ether Substitutieve naamgeving: R’-oxy-R-aan

(met alfabetische volgorde van RR’)

Fysische eign: * Zwak polair * laag kookpt (vglbaar met alkanen met zelfde molmassa) * goed wateropl Reactiviteit: (Uitgezonderd de epoxiden) Amper reactief slechts 1 reactietype!  INERT voor meeste stoffen

Ethersplitsing ≈ nucl substitutie Oiv sterk zuur en hoge temp splitst ether Epoxiden = Driering ethers

𝑜𝑥𝑖𝑑𝑎𝑠𝑒 (𝑒𝑛𝑧𝑦𝑚)

Epoxide * Alkeen → *  → grote ringspanning → grote reactiviteit 𝑧𝑢𝑟𝑒 𝑘𝑎𝑡𝑎𝑙𝑦𝑠𝑒, 𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑔 𝑚𝑖𝑑𝑑𝑒𝑛

* nucleofiele subst: Epoxide →

1,2-diol

(de zure katalyse = eigenlijk aanval v nucleofiel deeltje)

DUS: alcohol R—OH

Thiol R—SH

Ether R—O—R’

Sulfiden R—S—R’

Thiolen R—SH H kan weg → RS- →thiol word nucleofiel deeltje → Nucleofiele eign Reacties:  Nucleofiele aanval op verzadigde C (zonder = of ≡) → Sulfide RS- + R → R-S-R  Nucl additie van thiol op carbonylgroep → thio-acetalen  Nucl acylsubstitutie → thio-esters  Disulfidebinding (tss 2 thiolen) R-S-H + R-S-H → H2 + R-S-S-R bijv cysteine + cysteine → cystine ! disulfidebruggen in polypeptiden - Intramoleculair = in éénzelfde polypeptideketen - Intermolecular = tss S’en van verschillende polypeptideketens

H17: carbonylverbindingen: Aldehyden & ketonen Carbonylgroep

Aldehyden (-al)

Ketonen (naamgeving: uitgang –on)

Carbonylgroep: dubbele binding, polariteit → dipool-dipool wisse...