ITÄ-SUOMEN YLIOPISTO, TERVEYSTIETEIDEN TIEDEKUNTA

KP2-luentomonisteKemian perusteet, osa II: orgaaninen

kemia (KP2)Tapio Nevalainen

2013

Luentoaikataulu ja sisällysluettelo1. Luento, to 24.10, klo 8-10, SL

1 Johdanto, 21.1 Atomin elektronirakenne, 31.2 Atomien elektronikonfiguraatiot, 51.3 Hiilen sidokset, 5

2. Luento, ti 29.10, klo 10-12 SL1.4 Ionisidos, 51.5 Kovalenttinen sidos, 61.6 Kovalenttisen sidoksen muodostuminen, 71.7 Hybridisaatio, sp3-orbitaali ja metaanin rakenne, 71.8 Etaanin rakenne, 81.9 sp2-Orbitaali ja eteenin (etyleenin) rakenne, 91.10 sp-Orbitaali, asetyleenin (etyynin) rakenne, 101.11 Elektronegatiivisuus ja sidoksen polaarisuus, 111.12 Hapot ja emäkset, 11

3. Luento, to 31.10, klo 10-12 SL1.13 Molekyylien väliset vuorovaikutukset, 131.14 Liukoisuus, 142. Alkaanit, 152.1 Funktionaaliset ryhmät, 152.2 Alkaanit ja alkyyli-ryhmät: isomeria, 162.3 Alkaanien nimeäminen, 18

4. Luento, pe 01.11, klo 8-10 SL2.4 Alkaanien ominaisuudet, 192.5 Etaanin konformaatiot, 202.6 Kemiallisten rakenteiden piirtäminen, 202.7 Sykloalkaanit, 202.8 Sykloalkaanien cis-trans-isomeria, 212.9 Sykloalkaanien konformaatiot, 212.10 Sykloheksaanin aksiaaliset ja ekvatoriaaliset sidokset, 212.11 Sykloheksaanin konformaatiomuutokset, 223. Alkeenit, 223.1 Nimeäminen, 223.2 Alkeenien elektronirakenne, 233.3 Cis-trans-isomeria, 23

5. Luento, ma 04.11, klo 10-12 SL3.4 Orgaaniset reaktiotyypit, 243.5 Reaktiomekanismit, 243.6 Esimerkki polaarisesta reaktiosta: HCl:n additio eteeniin, 253.7 Additioreaktion mekanismi, 263.8 Reaktionopeus ja tasapaino, 263.9 Reaktion energiadiagrammi ja siirtymätilat, 264 Alkeenit ja alkyynit, 274.1 Alkeenin hydrohalogenointi eli vedyhalidin additio alkeeniin, 274.2 Markovnikovin sääntö, 274.3 Karbokationin rakenne ja stabiilisuus, 284.4 Alkeenien hydraatio eli veden additio kaksoissidokseen, 284.5 Halogenointi eli halogeenin liittäminen alkeeniin, 294.6 Alkeenien hydraus eli vedyn additio kaksoissidokseen, 29

6. Luento, ti 05.11, klo 10-12 SL4.7 Alkeenipolymeerit, 304.8 Alkeenien valmistus, 304.9 Konjugoidut dieenit, 314.10 Alkyynit, 31

1

4.11 Alkyynien reaktiot: vedyn, vetyhalidin ja halogeenin additio, 325. Aromaattiset yhdisteet (areenit), 335.1 Bentseenin resonanssirakenne, 335.1 Aromaattisten yhdisteiden nimeäminen, 335.3 Bentseenin reaktiot: elektrofiilinen aromaattinen substituutio, 355.4 Bentseenin bromaus, 355.5 Muita elektrofiilisiä aromaattisia substituutioreaktioita, 35

7. Luento, ke 06.11, klo 10-12 SL5.6 Friedel-Craftsin alkylointi ja asylointi, 365.7 Aromaattisten yhdisteiden hapettaminen ja hydraus, 365.8 Polyaromaattiset hiilivedyt, 376. Stereokemia, 376.1 Tetraedrisen hiiliatomin avaruusisomeria, 376.2 Kiraalisuus, 376.3 Optinen aktiivisuus ja ominaiskierto, 386.4 Enantiomeerien nimeäminen, 386.5 Diastereomeerit ja mesoyhdiste, 406.6 Yhdisteet, joilla on useita kiraliakeskuksia, 416.7 Raseemiset seokset; stereoisomeerien fysikaaliset ominaisuudet, 416.8 Isomeria: yhteenveto, 42

8. Luento, to 07.11, klo 8-10 SL6.9 Biomolekyylien ja lääkeaineiden kiraalisuus, 437. Alkyylihalidit l. halogeenihiilivedyt, 447.1 Alkyylihalidien nimeäminen, 447.2 Alkyylihalidien valmistus, 457.3 Alkyylihalidien valmistus alkoholeista, 457.4 Alkyylihalidien reaktiot: Grignardin reagenssit, 457.5 Nukleofiiliset substituutioreaktiot, 468. Alkoholit, eetterit ja fenolit, 478.1 Alkoholien, fenolien ja eetterien nimeäminen, 47

9. Luento pe 08.11, klo 10-12 SL8.2 Alkoholien fenolien ja eetterien ominaisuudet, 488.3 Alkoholien ja fenolien happamuus, 498.4 Alkoholien synteesi alkeeneista, 508.5 Alkoholien valmistus karbonyyli-yhdisteistä, 508.6 Alkoholien reaktiot, 518.7 Fenolien synteesi ja reaktiot, 518.8 Sykliset eetterit ja epoksidit, 528.9 Tiolit, sulfidit, sulfoksidit ja sulfonit, 529 Aldehydit ja ketonit: nukleofiiliset additioreaktiot, 53

10. Luento ti 13.11, klo 13-15 SL9.1 Karbonyyliyhdisteet, 539.2 Karbonyyliryhmän rakenne ja ominaisuudet, 549.3 Aldehydien ja ketonien nimeäminen, 549.4 Aldehydien ja ketonien synteesi, 559.5 Aldehydien hapettaminen, 559.6 Aldehydien ja ketonien reaktiot: nukleofiiliset additiot, 569.7 Veden nukleofiilinen additio, 569.8 Alkoholin nukleofiilinen additio, 569.9 Amiinin nukleofiilinen additio, 579.10 Alkoholien valmistaminen Grignard-reagenssin avulla, 579.11 Keto-enolitautomeria ja aldolikondensaatio, 5810 Karboksyylihapot ja niiden johdokset, 5910.1 Karboksyylihappojen ja niiden johdosten nimeäminen, 59

11. Luento, ke 13.11, klo 8-10 SL10.2 Karboksyylihappojen rakenne ja ominaisuudet, 6110.3 Karboksyylihappojen happamuus, 6110.4 Karboksyylihappojen valmistus, 6210.5 Nukleofiiliset asyylisubstituutioreaktiot, 6310.6 Karboksyylihappojen reaktiot, 6310.7 Happokloridien kemiaa, 6410.8 Happoanhydridien kemiaa, 6510.9 Esterien kemiaa, 65

12. Luento, ma 18.11, klo 10-12 SL10.10 Amidien kemiaa, 6610.11 Nitriilien kemiaa, 6710.12 Nylon ja polyesterit, 6711. Amiinit, 6811.1 Amiinien nimeäminen, 6811.2 Amiinien rakenne ja ominaisuudet, 6911.3 Amiinien emäksisyys, 6911.4 Amiinien valmistus, 7111.5 Amiinien reaktiot, 71

13. Luento, ti 19.11, klo 8-9 SL11.6 Heterosykliset yhdisteet, 7211.7 Aminohappojen ionittuminen, 73Kertausta

2

OpiskeluohjeitaOrgaaninen kemia poikkeaa muista oppiaineista siinä, että se perustuu kemiallisen”merkkikielen” ja kemiallisten käsitteiden ymmärtämiseen. Lisäksi kemiallinen tietoon kumulatiivista, ts. uusien asioiden oppiminen perustuu aiemmin opitun osaamiseen.Siksi orgaanisen kemian omaksuminen edellyttää kontaktiopetukseen osallistumisenlisäksi säännöllistä itseopiskelua. Seuraavassa on esitetty muutamia ohjeita KP2-kurssin menestykselliseen suorittamiseen.

1. Kertaa lukion kemian keskeiset asiat, jos et niitä vielä hallitse. Puutteetperusasioiden osaamisessa voivat muodostua esteeksi uuden oppimiselle. Selvitäitsellesi kemian peruskäsitteet kuten elektronegatiivisuus, happo/emäs-käsitteet,pH, pKa, jaksollinen järjestelmä ym. Kertaa erityisesti lukion kemian orgaanisenkemian osuus (mm. funktionaaliset ryhmät). Lukion orgaanisen kemian perusteitavoi kerrata www-sivulta:

http://www.oph.fi/etalukio/opiskelumodulit/kemia/kemia5/index.html

2. Hanki orgaanisen kemian oppikirja. Kirja on hyvä lähdeteos myöhempiä opintojavarten ja siitä löytyy hyödyllisiä harjoitustehtäviä ja esimerkkejä, joiden avullapystyt paremmin ymmärtämään orgaanisen kemian käsitteitä ja asioiden välisiäyhteyksiä. McMurry: Fundamentals of Organic Chemistry on oppikirjoistasuositeltavin, koska kurssin luennot perustuvat kyseiseen kirjaan. Muitasuositeltavia kirjoja ovat: Hart: Organic Chemistry: A Short Course ja Clayden:Organic Chemstry. Myös muut orgaanisen kemian kirjat ja lukuisat www-sivut ovatsuositeltavia. Kuopion yliopiston kirjastosta lainattavia orgaanisen kemian kirjojalöydät täältä. Suomenkielisistä kirjoista suosittelen Pirjo Naparin Orgaaninenkemia -kirjaa. Kurssin Moodle-sivuilta löytyy osoitteita orgaanisen kemian www-sivuille.

3. Tee harjoitustehtäviä. Orgaanisen kemian oppiminen edellyttää opettavan asianmuistamisen lisäksi ymmärtämistä ja soveltamista. Harjoitustehtävien tekeminenon ainoa tehokas tapa oppia ymmärtämään ja soveltamaan orgaanista kemiaa. Teeharjoitustehtäviä niin paljon kuin pystyt. Harjoitustehtävät ovat myös tehokastaharjoitusta tenttiä varten. Kurssin Moodle-sivuilta löydät harjoitustehtäviä javanhoja tenttikysymyksiä vastauksineen.

4. Tutustu uuteen asiaan ennen luentoa. Käy ennakolta läpi seuraavan luentokerranasiat luentomonisteesta ja/tai oppikirjasta; tutustu luentomonisteen

harjoitustehtäviin ja pyri ratkaisemaan ne ennen luentoa; merkitse asiat joita etymmärtänyt, jotta voit kysyä niitä luennolla. Palaa luentoaiheeseen luennonjälkeen; lue asiakokonaisuus usean kertaan luentomonisteesta ja kirjasta, niin ettäasia tulee ymmärretyksi. Tee aihepiiriin liittyviä harjoitustehtäviä. Näin varmistat,että ymmärrät asian ja osaat soveltaa oppimaasi.

5. Piirrä rakennekaavoja ja reaktioita. Käytä kynää ja paperia ja piirrä kaikkiluennoilla ja harjoitustehtävissä esiintyvät rakennekaavat ja reaktiot. Orgaanistakemiaa ei voi oppia pelkästään lukemalla.

6. Kysy aina kun et ymmärrä. Tyhmiä kysymyksiä ei ole. Jos et jotakin asiaaymmärrä luennolla, kysy luennon aikana tai sen jälkeen. Myös sähköposti(Tapio.Nevalainen@uef.fi) on käytettävissäsi.

1. Johdanto

Orgaaninen kemia määritellään yksinkertaisimmin hiiliyhdisteiden kemiaksi. Hiili onvälttämätön alkuaine elämälle. Elävät organismit koostuvat orgaanisista yhdisteistä janämä taas ovat muodostuneet hiilen lisäksi vedystä, typestä ja hapesta. Myös muitaelämälle välttämättömiä alkuaineita (mm. rikkiä, fosforia, natriumia, kaliumia jarautaa) esiintyy orgaanisissa yhdisteissä. 1800-luvun alussa oli vallalla käsitys, ettäelämää ylläpiti ns. elämän voima (vitalismi) ja uskottiin, että orgaaniset yhdisteetsyntyvät vain elävissä organismeissa. Vuonna 1828 Friedrich Wöhler valmistivahingossa ureaa lyijysyanaatista ja osoitti, että orgaanisia yhdisteitä voidaan valmistaaepäorgaanisista kemikaaleista.

Kemiallisia yhdisteitä tunnetaan jo yli 70 miljoonaa, ja orgaanisten yhdisteiden osuusnäistä on yli 95%. Hiiliyhdisteiden monilukuisuus johtuu hiilen ainutlaatuisestakyvystä muodostaa isomeerejä eli orgaanisella aineella saattaa olla samamolekyylikaava, mutta erilainen rakenne. Esimerkiksi 20 hiilen ketju voidaan järjestääyli 300 000 eri tavalla, jolloin saadaan eri tavoin haarautuneita hiilivetyjäja rengasrakenteita. Hiilen ainutlaatuiset ominaisuudet mahdollistavat monimutkaistenorgaanisten yhdisteiden olemassaolon, joiden välillä tapahtuvat reaktiot ylläpitävätelämää. Orgaanisia yhdisteitä ovat esimerkiksi yksinkertaiset yhden hiiliatomin

3

sisältävät hiiliyhdisteet kuten metaani ja hiilidioksidi, monimutkaiset useitahiiliatomeja sisältävät yhdisteet kuten lääkeaineet, vitamiinit, hormonit ja tuhansiajopa miljoonia hiiliatomeja sisältävät makromolekyylit kuten proteiinit ja DNA. Allaolevassa kuvassa on esimerkkejä orgaanisista yhdisteistä.

Kemia, erityisesti orgaaninen kemia on keskeinen terveystieteiden, ympäristötieteiden,ravitsemustieteiden ja farmasian perusluonnontiede. Orgaanisen kemian tietoja jataitoja tarvitaan tutkimustehtävissä, tuotekehityksessä, laadunvalvonnassa jaympäristön-suojelussa. Orgaanisen kemian osaamista tarvitaan myösviranomaistehtävissä valvottaessa kemikaalien ja lääkkeiden turvallisuutta. Euroopankemikaalivirasto (ECHA) hoitaa kemikaalien rekisteröintiin, arviointiin,lupamenettelyihin ja rajoituksiin (REACH) liittyviä asioita. Lääkeviranomaisia ovatLääkealan turvallisuus- ja kehittämiskeskus FiMeA (Finnish Medicines Agency, ent.Lääkelaitos) ja EMEA (European Medicines Evaluation Agency).

Mitä orgaaninen kemia tutkii?Orgaaninen kemia tutkii ja vertailee yhdisteiden rakenteita ja ominaisuuksia ja sentutkimus voidaan jakaa karkeasti orgaanisten yhdisteiden valmistuksen tutkimukseen

eli syntetiikkaan ja orgaanisten yhdisteiden ominaisuuksien ja pitoisuuksientutkimukseen eli analytiikkaan. Synteettinen orgaaninen kemia tuottaa uusiaorgaanisia yhdisteitä, esimerkiksi lääkeaineita. Uusien synteesimenetelmienkehittäminen on tärkeä orgaanisen kemian tutkimusalue. Analytiikka keskittyysynteettisten tai luonnossa esiintyvien aineiden rakenteiden ja ominaisuuksien japitoisuuksien tutkimiseen. Orgaanisten yhdisteiden rakenteita määritetäänspektrometrisillä menetelmillä (UV, IR, NMR ja massaspektrit). Orgaanisia yhdisteitävoidaan erottaa toisistaan ja niiden pitoisuuksia voidaan määrittää kromatografisillamenetelmillä.

1.1 Atomin elektronirakenne

Atomi koostuu positiivisesti varautuneiden protonien ja varauksettomien neutronienmuodostamasta ytimestä ja negatiivisesti varautuneiden elektronien muodostamastaelektroniverhosta.

suhteellinenmassa

suhteellinenvaraus

Protoni (p) 1,0073 +1Neutroni (n) 1,0087 0Elektroni (e) 0,000549 -1

atomin massa on keskittynyt ytimeen (> 99,9%)halkaisija 1/10 000 osa atomin halkaisijasta (10-10 m)muodostunut protoneista ja neutroneista = nukleonitytimen varaus = protonien lukumäärä = järjestysluku Zprotonien lukumäärä määrittää alkuaineenatomi on ulkoisesti varaukseton ( lukumäärät p+ = e– )

Määritelmiä:

Atomiluku (Z) = järjestysluku = protonien määrä ytimessä.Massaluku (A) = neutronien ja protonien lukumäärä ytimessä.Isotoopit = saman alkuaineen erimassaisia atomeja. Isotoopeilla on sama atomiluku,mutta eri massaluvut (samalla alkuaineella voi olla eri määrä neutroneja).

Helium

ydin (protonit ja neutronit)

elektroniverho (elektronit)

4He

4

Isotooppimerkintä: XAZ

, esim. C126

, C136

, C146

X = alkuaine (kemiallinen merkki)Z = järjestyslukuA = N + Z = massalukuN = neutronien lukumäärä ytimessä

Atomipaino = alkuaineen (luonnossa esiintyvien isotooppien) keskimääräinen massa.Esim. Hiilen atomipaino on 12.011, koska sen prosenttinen koostumus on: 12C98,89%; 13C 1,11%; 14C alle 0,01%.

Elektronikuoret ja atomiorbitaalit

Jaksollisen järjestelmän alkuaineet on järjestetty atominumeroiden eli protonienlukumäärän perusteella ja neutraali alkuaine sisältää saman määrän elektroneja.Elektronit täyttävät elektronikuoret, joilla on tietty kapasiteetti. Ensimmäiselle kuorellemahtuu kaksi elektronia, toiselle kahdeksan, ja kolmannelle 18. Jalokaasuilla onulkokuorellaan kahdeksan elektronia (oktetti), paitsi heliumilla, jolla on vain kaksiulkokuoren elektronia. Alla on esitetty osittainen alkuaineiden jaksollinen järjestelmä,jossa on esitetty tavallisimpien orgaanisissa yhdisteissä esiintyvien alkuaineidenelektronirakenteet (opettele piirtämään taulukko ulkomuistista).

Osittainen alkuaineiden jaksollinen järjestelmäH1

He2

Li2,1

Be2,2

B2,3

C2,4

N2,5

O2,6

F2,7

Ne2,8

Na2,8,1

Mg2,8,2

Al2,8,3

Si2,8,4

P2,8,5

S2,8,6

Cl2,8,7

Ar2,8,8

K2,8,8,1

Br2,8,18,7

Kr2,8,18,8

I2,8,18,18,7

Xe2,8,18,18,8

Elektronit käsitetään aaltoliikkeeksi, jota voidaan kuvata matemaattisella funktiolla,aaltoyhtälöllä, joka määrittelee elektronien energian ja sen alueen, missä elektroni ontavattavissa. Näin saadaan elektronin tilaa kuvaava matemaattinen funktio, jotasanotaan orbitaaliksi.

Orbitaali = alue atomiytimen ympärillä, jossa tietyn energian omaava elektroni taielektronipari sijaitsee 90-95% ajastaan.

Orbitaalit määräytyvät kvanttilukujen perusteella ts. elektronin energia ja sitävastaavan orbitaalin muoto määräytyvät neljän kvanttiluvun n, l, ml ja ms avulla, jotkanimetään pää-, sivu-, magneettiseksi ja spin-kvanttiluvuksi.

Nimi Tunnus Kuvaus Mahdolliset arvot Esimerkkiarvo

Pääkvanttiluku n orbitaalin koko jaenergia

1 n n = 1,2,3…

Sivukvanttiluku l orbitaalin muoto 0 l n-1 kun n =3l = 0,1,2 (s, p, d)

Magneettinenkvanttiluku

ml elektronien energiamagneettikentässä

l m -l kun l = 2m = -2,-1, 0, 1, 2

Spinkvanttiluku ms elektronin pyöriminenakselinsa ympäri eli spin

+½, -½ ainoat arvot: +½, -½

Sivukv.luku l

orbitaali orbitaali s p d f

0 s l 0 1 2 31 p ml 0 -1, 0, 1 -2, -1, 0, 1, 2 -3,-2,-1,0,1, 2, 32 d orbitaalien

lukumäärä1 3 5 7

3 f

Elektronikonfiguraatio: alkuaineen elektronirakenne kuvataan atomiorbitaalienavulla.Elektronikuori(pääkvanttiluku, n)

Orbitaalit(sivukvanttiluku, l )

elektronienlukumäärä

4 4s2 ,4p6, 4d10, 4f 14 323 3s2, 3p6, 3d10 182 2s2, 2p6 81 1s2 2

Atomiorbitaaleja on neljä erilaista:- s-orbitaali: muodoltaan pallomainen, 1 kpl elektronikuorellaan, sis. enintään 2

elektronia.

5

- p-orbitaali: käsittää kaksi lohkoa, joita erottaa ytimen kautta kulkeva solmutaso,muodostavat kohtisuorassa toisiaan vastaan olevia kolmiulotteisia"kahdeksikkoja", 3 kpl elektronikuorellaan (px, py ja pz ), sis. enintään 6elektronia.

- d-orbitaali: muodoltaan "apilamainen" (paitsi dz2), 5 kpl elektronikuorellaan (dxy,

dxz, dyz, dx2-y2 ja dz2,), sis. enintään 10 elektronia.- f-orbitaali: 7 kpl elektronikuorellaan, sis. enintään 14 elektronia.

s- ja p-orbitaalit.

1.2 Atomien elektronikonfiguraatiot

Atomiorbitaaleja voidaan karakterisoida kolmella kvanttiluvulla (n, l, ml). Elektronillaon vielä neljäs kvanttiluku, spin-kvantti-luku (ms), joka on seuraus elektroninmagneettisesta momentista ja sillä on kaksi erilaista tilaa, joita merkitään ( ) ja ( ).

Elektroni sijoitetaan yksi kerrallaan atomiorbitaaleille, kunnes elektronienkokonaismäärä vastaa ytimen positiivista varausta (Aufbau-principle). Sijoittamisessaotetaan huomioon seuraavat säännöt:

1. Elektroni sijoittuu aina alimmalle mahdolliselleenergiatasolle1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d

2. Jos kaksi tai useampia samanenergisiä orbitaalejaon vapaina, elektronit asettuvat ensin tyhjiinorbitaaleihin samansuuntaisin spinein niin pitkällekuin mahdollista (Hundin sääntö).

3. Jokaisella atomin elektronilla on erilainen 4.

kvanttiluvun yhdistelmä. Yhden orbitaalin voi täyttää vain kaksi elektronia(elektronipari), joiden spinit ovat vastakkaiset ( ) (Paulin kieltosääntö)

Esim. hiilen järjestysluku Z = 6, joten sillä on 6 elektronia eli sen elektronirakenne on1s22s22p2:

Hapen järjestysluku Z = 8, joten sen elektronirakenne on 1s22s22p4.

Tavallisesti merkitään näkyviin vain atomin uloin elektronikuoriEsim. Klooriatomi Cl (Z=17) 1s22s22p63s23p5, merkitään [Ne]3s23p5.

1.3 Hiilen sidokset

Orgaaninen kemian perustuu hiiliatomin ainutlaatuiseen kykyyn muodostaa sidoksiatoisten hiiliatomien kanssa, jolloin syntyy hiiliketjuja ja rengasrakenteita. Hiiliatomitmuodostavat kestäviä kovalenttisia sidoksia epämetallien kanssa (H, O, Cl, N). Pii jagermanium kuuluvat jaksollisessa järjestelmässä samaan pääryhmään kuin hiili, muttaniiden väliset sidokset ovat heikkoja.

Hiilen uloimmalla kuorella on neljä elektronia ja hiili voi muodostaa neljäyksinkertaista sidosta, kaksi yksinkertaista sidosta ja yhden kaksoissidoksen tai yhdenkolmoissidoksen ja yhden yksinkertaisen sidoksen.

1s

2s 2p

3s 3p 3d

4s 4p 4d 4f

5s 5p 5d 5f

6

Hiiliatomin neljällä sidoksella on tietty avaruudellinen orientaatio: hiiliatomi sijaitseetetraedrin keskellä ja atomit, joihin hiiliatomi on sitoutunut, sijaitsevat tetraedrinkulmissa.

1.4 Ionisidos

Alkuaineilla pyrkimys saada valenssikuorelle eli uloimmalle elektronikuorellekahdeksan elektronia (oktetti).

Elektropositiiviset alkuaineet pyrkivät luovuttamaan elektroneja. Esim. 1, pääryhmänalkalimetallit (Li, Na, K) pyrkivät luovuttamaan ainoan uloimmalla s-kuorella olevanelektroninsa.Elektronegatiiviset alkuaineet pyrkivät vastaanottamaan elektroneja. Esim. 7.pääryhmän halogeenit (F, Cl, Br) pyrkivät täyttämään vajaan 7 elektronin ulkokuorenoktetiksi.

Kun natriummetalli (elektropositiivinen) reagoi kloorikaasun (elektronegatiivinen)kanssa muodostuu ruokasuolaa (NaCl), jossa natrium (Na) on luovuttanut uloimmanelektronin kloorille (Cl). Ruokasuola on ioniyhdiste, jonka kidehila purkautuu Na+ jaCl– ioneiksi suolan liuetessa veteen.

Ionisidos = sidos, joka perustuu erimerkkisten ionien väliseen elektrostaattiseenvetovoimaan ja voi tapahtua vain elektropositiivisen ja elektronegatiivisen alkuaineenvälillä

1.5 Kovalenttinen sidos

Kovalenttisen sidoksen muodostumisen edellytyksenä on, että kummallakin atomillaon vähintään yksi pariton elektroni orbitaaleissaan. Hiiliatomilla on uloimmallakuorella neljä elektronia. Se ei helposti luovuta eikä vastaanota elektroneja vaan pyrkiijakamaan niitä muiden alkuaineiden kanssa, jolloin muodostuu kovalenttisia sidoksia.Hiiliatomi pyrkii saamaan elektronirakenteensa jalokaasurakenteiseksi (kahdeksanelektronia ulkokuorelle) ja näin muodostuneet yhdisteet ovat molekyylejä.

Kovalenttinen sidos = kahden atomin sidos jossa sidoselektronit ovat jakautuneetkahden atomin kesken.

Molekyyli = kovalenttisesti sitoutuneiden atomien ryhmä.

Lewisin rakennekaavatMolekyylien elektronikaavioita voidaan kuvata Lewisin rakenteilla, jossavalenssielektronit merkitään pisteillä. Valenssielektronit määräävät kuinka montasidosta atomi voi muodostaa (Molekyyleissä alkuaineilla on pyrkimys muodostaaoktetti eli kahdeksan valenssielektronin systeemi).

Esim. Hiili, C (2s22p2), muodostaa neljä sidosta, Typpi, N (2s22p3), muodostaa kolmesidosta ja Happi, O (2s22p4), muodostaa kaksi sidosta

Niitä valenssielektroneja, jotka eivät muodosta sidosta, sanotaan vapaiksielektronipareiksi (lone-pair-elektronit). Esim. ammoniakin typpiatomilla on yksivapaa elektronipari. Vesimolekyylissä hapella on vastaavasti kaksi vapaataelektroniparia.

Orgaanisilla yhdisteillä voi olla myös kaksois- ja kolmoissidoksia (esimhiilidioksidissa ja eteenissä 4 elektronin muodostama kaksoissidos ja vetysyanidissa jaasetyleenissa 6 elektronin muodostama kolmoissidos).

7

Yksinkertaisempi tapa kuvata molekyylin rakennetta on Kekulén rakennekaava,jossa viiva kuvaa sitovaa elektroniparia. Vapaita elektronipareja ei yleensä merkitä.

Rakenteita piirrettäessä on huomioitava oktettisääntö ts. kaikki kovalenttiset sidoksetmuodostuvat jaetusta elektroniparista, niin että atomit saavat ulkokuorelleen oktetin(paitsi vety, joka saa kaksi elektronia). Jaksollisessa järjestelmässä oikealla olevatalkuaineet (N, O, halogeenit) voivat sisältää elektronipareja, joilla ne eivät muodostasidoksia. Huomioi myös molekyylin varaus, jolloin varausta vastaavat elektronit onlisättävä tai vähennettävä.

Atomin varaus molekyylissä (muodollinen varaus) voidaan laskea seuraavasti:

Molekyylillä voi olla muodollisestivarautuneita atomeja vaikka molekyyli itseon neutraali. Esimerkiksi typpihaponrakenne voidaan kirjoittaa seuraavasti:

Tehtävä. Täydennä nuolella osoitettujenatomien vapaat elektroniparit ja muodollisetvaraukset

1.6 Kovalenttisen sidoksen muodostuminen

Kovalenttinen sidos syntyy kun parittomat elektronit muodostavat elektroniparin jaatomiorbitaalit sulautuvat yhteen molekyyliorbitaaliksi ja atomien välille muodostuutällöin kovalenttinen sidos ns. sigma( )-sidos. Esim. vetymolekyyli muodostuukahden vetyatomin s-orbitaalien yhteen sulautuessa.

H H H H+

436 kJ/mol vapautuu

436 kJ/mol sitoutuu

. .

H-H sidoksen sidoslujuus eli energia, mikä tarvitaan sidoksen katkaisemiseen, on 104kcal/mol (436 kJ/mol). Lisäksi molekyylisidoksella on tietty sidospituus, missä energiaon alhaisin. H-H sidospituus on 0.74 Å.

1.7 Hybridisaatio, sp3-orbitaali ja metaanin rakenne

Kun hiiliatomi (1s22s22p2) sitoutuu neljään muuhun atomiin, muodostuu neljäsamanlaista ja samanenergistä molekyyli-orbitaalia, joissa kussakin on vain yksielektroni.

Tätä muutosta sanotaan hybridisaatioksi. Hybridisoituneen hiiliatomin 2s2- ja 2p2-orbitaalit ovat järjestäytyneet uudelleen neljäksi samanlaiseksi sp3-hybridiorbitaaliksi.

2p 2p 2p

2s

2p 2p 2p

2ssp3 sp3sp3 sp3

N+

O-

O

O

H

....

..

..

..

..

..typpihappo

muodollinen varaus = 5 - 4 - 0 = +1

muodollinen varaus = 6 - 1- 6 = -1

muodollinen varaus = 6 - 2 - 4 = 0

8

2py2pz

2px2s

4 sp3-hybridiorbitaalia 4:n sp3-orbitaalintetraedrirakenne

Hybridisaatio

Hybridisaatio = atomiorbitaalien uudelleenjärjestyminen, jolloin muodostuu uusiaavaruudellisesti eritavoin suuntautuneita orbitaaleja.

sp3-Hybridiorbitaalit muodostuvat yhden s-orbitaalin ja kolmen p-orbitaalinuudelleenjärjestyessä. sp3-Orbitaalit pyrkivät suuntautumaan mahdollisimman kauastoisistaan muodostaen tetraedrirakenteen, jossa sidosten väliset kulmat ovat 109,5°.

Metaanin rakenne

Metaani on rakenteeltaan tetraedrinen, koska sen neljä elektroniparia sijaitsevat sp3-orbitaaleilla ja pyrkivät minimoimaan elektronien välisen vuorovaikutuksensijoittumalla mahdollisimman kauas toisistaan. Molekyylin muoto on selitettävissävalenssikuoren elektroniparien repulsion avulla (valence shell electron pair repulsion,VSEPR).

Metaanilla (CH4) on neljä identtistä sp3-hybridiorbitaalia, joilla se muodostaa C-Hsigma-sidoksen vetyatomien s-orbitaalien kanssa (sp3-s -sidos). Metaanin C-Hsidokset ovat yhtä pitkiä (1,10 Å) ja jokainen H-C-H sidoskulma on 109,5°.

Myös ammoniakilla, NH3 ja vedellä H2O on tetraedrinen rakenne, joissa vapaatelektronipari miehittävät ei sidoksia muodostavat sp3-orbitaalit

Tehtävä. Millainen on ammoniumionin, NH4+, rakenne ja mikä hybridisaatio sen

typpiatomilla on?

1.8 Etaanin rakenne

Etaanissa (C2H6) kumpikin hiiliatomi käyttää yhden sp3 orbitaalin C-C -sidoksenmuodostamiseen. Kummallakin hiiliytimellä on tämä jälkeen jäljellä kolme kappalettakäyttämättömiä sp3-orbitaaleja, joilla se muodostaa C-H sidokset vetyatomien s-orbitaalien kanssa (sp3-s -sidos). Etaanin molemmat hiiliatomit ovat tetraedrisiä elisidoskulmat ovat 109,5 . C-C sidoslujuus on 88 kcal/mol (368 kJ/mol).

9

Tehtävä. Piirrä propaanin CH3CH2CH3, rakenne. Ennusta sidoskulmat ja molekyylinmuoto.

1.9 sp2-Orbitaali ja eteenin (etyleenin) rakenne

Eteenissä hiiliatomit voivat olla neliarvoisia vain, jos C-C sidosta on muodostamassaneljä sidoselektronia. Tällöin kysymyksessä on kaksoissidos C=C.

Kaksoissidoksen syntyessä yksi s-orbitaali ja kaksi p-orbitaalia hybridisoituu kolmeksisp2-hybridiorbitaaliksi. Yksi p-orbitaali jää muuntumatta.

2p 2p 2p

2s

2p 2p 2p

2ssp2 sp2

2p

sp2

120o 90osp2

sp2 sp2

sp2

sp2

sp2

p

p

a bsp3- ja p-orbitaalit (a) ylhäältä ja (b) sivulta kuvattuna.

Kaksoissidoksen muodostuessa hiiliatomit sitoutuvat toisiinsa ensin hybridiorbitaalienmuodostamalla -sidoksella. Hiiliatomi muodostaa kaksi -sidosta muiden atomienkanssa siten, että sidosten välinen kulma on 120° ja sidokset ovat samassa tasossa,joten kaksoissidoksen kohdalta molekyyli on tasomainen. Muuntumattomat 2p-elektronit muodostavat -sidoksen rinnalle pii( )-sidoksen. -Sidoksen elektronitiheyson pienempi kuin -sidoksen, jolloin se on -sidosta heikompi ja reagoi helposti.

10

Kaksoissidosta sanotaan tyydyttymättömäksi sidokseksi. -Sidos estää molekyylinkiertymisen akselinsa ympäri ja aiheuttaa sidokselle jäykän rakenteen.

Eteenin C=C sidoksen pituus, 1,33 Å, on lyhempi kuin etaanilla (1.54 Å) jasidoslujuus, 152 kcal/mol, suurempi kuin etaanilla (88 kcal/mol).

Tehtävä. Formaldehydi, CH2O, sisältää C=O kaksoissidoksen. Piirrä sen Lewis- javiivasidosrakenne ja osoita hiili- ja happiatomien hybridisaatio sekä sidoskulmat.

1.10 sp-Orbitaali, asetyleenin (etyynin) rakenneHiiliatomi voi muodostaa myös kolmoissidoksen, jolloin sidosta on muodostamassakuusi sidoselektronia. Kolmoissidoksen kuvaamiseen tarvitaan sp-hybridiorbitaali.

2p 2p 2p

2s

2p 2p 2p

2sspsp

2p 2p

Asetyleenin kolmoissidosta muodostavalla hiiliatomilla on kaksi sp-hybridiorbitaalia.Kaksi p-orbitaaleista jää hybridisaation ulkopuolelle. Hiiliatomit liittyvät toisiinsaensin yhdellä sp-orbitaalien muodostamalla -sidoksella. p-Orbitaalien muodostamia

-sidoksia syntyy kaksi. Sidosten välinen kulma on 180°, joten molekyyli onlineaarinen. Asetyleenin C C-sidospituus on 1,20 Å ja sidoslujuus on 200 kcal/mol.

11

+. .. .

.....

p-orbitaalit

sp-orbitaalithiiliatomien välinen kolmoissidos

pii-sidokset sigma-sidokset

.....

C C

..

Tehtävä: Piirrä propyynin, CH3C CH, viivasidoskaava ja osoita jokaisen hiiliatominhybridisaatio ja ennusta sidoskulmat.

1.11 Elektronegatiivisuus ja sidoksen polaarisuus

Kemiallinen sidos on harvoin täysin kovalenttinen tai ioninen vaan se on usein näidenvälimuoto. Suurimmassa osassa kemiallisia sidoksia sidoselektronit ovat siirtyneetenemmän toisen atomin puolelle, jolloin on kysymyksessä polaarinen kovalenttinensidos.

Polaarinen sidos syntyy kun hiileen liittyy elektronegatiivinen, sidoselektronejapuoleensa vetävä alkuaine. Halogeenit (F, Cl, Br, I), happi (O) ja typpi (N) ovat

vahvasti elektronegatiivisia alkuaineita, ja ne antavat molekyylille tai sen osallepolaarisen luonteen.

Eräiden alkuaineiden elektrogegatiivisuuksiaH2.2Li1.0

Be1.6

B2.0

C2.6

N3.0

O3.4

F4.0

Na0.9

Mg1.3

Al1.6

Si1.9

P2.2

S2.6

Cl3.2

K0.8

Br3.0I2.7

Sääntönä voidaan sanoa, että sidos sellaisten atomien välillä, joilla on samaelektronegatiivisuus, on kovalenttinen, mutta jos sidosta muodostavien atomienelektronegatiivisuus ero on suurempi kuin 2, sidos on ionisidos. Esimerkiksi C-H -sidos on kovalenttinen, koska hiilen ja vedyn elektronegatiivisuudet (2,6 ja 2.2) ovatlähellä toisiaan. Sitä vastoin hiilen sidokset elektronegatiivisten atomien, kuten hapen,fluorin ja kloorin kanssa, ovat polaarisia kovalenttisia sidoksia. Esimerkiksi metanolinC-O –sidos on polaarinen.

Tehtävä. Ennusta vesimolekyylin rakenne ja polaarisuus?

1.12 Hapot ja emäkset

Hapoille ja emäksille on olemassa kaksi erilaista määritelmää: Brønstedin happo-emästeoria (Brønsted-Lowry) ja Lewisin happo-emästeoria.

Brønstedin happo-emästeoria (Brønsted-Lowry)Happo on aine, joka voi luovuttaa protonin (vety-ionin, H+) ja emäs joka vastaanottaasen.

Yleisesti:

12

Esim.

Reaktion

tasapainovakio (Keq) ja happovakio (Ka) lasketaan

Keq=[H3O+] [A-][HA] [H2O] Ka=

[H3O+] [A-][HA]

Happovakio esitetään yleensä pKa-arvona (Ka:n negatiivisena logaritmina).

pKa = –log Ka Mitä vahvempi happo, sitä alhaisempi on sen pKa.

Muista myös emäs- ja happovakion välinen yhteys: 14pKpKpK wab

Hapon ja sitä vastaavan emäksen voimakkuudet ovat käänteisesti verrannollisia. HClon vahva happo mutta sitä vastaava emäs, kloridi-ioni, Cl , on heikko emäs.Vastaavasti vesi, H2O, on heikko happo, mutta sitä vastaava hydroksidi-ioni, OH onvahva emäs.

Heikompihappo

Vahvempihappo

Happo pKa Konjugaattiemäs

Vahvempiemäs

Heikompiemäs

CH4 metaani 48 CH3–

metyyli-anioni

NH3 ammoniakki 34 NH2– amidi

HC CH asetyleeni 27 HC C– asetylidi

CH3CH2OH etanoli 16.00 CH3CH2O– etoksidi

H2O vesi 15.74 HO– hydroksidi

C6H5OH fenoli 10 C6H5O– fenolaatti-ioni

HCN vetysyanidi 9.31 CN– syanidi

NH4+ ammonium-

ioni9.2 NH3 ammoniakki

CH3CO2H etikkahappo 4.76 CH3CO2– asetaatti

HF fluorivety-happo

3.45 F– fluoridi

HNO3 typpihappo -1.3 NO3– nitraatti

HCl kloorivety-happo

-7.0 Cl– kloridi

Happo luovuttaa protonin sellaisen hapon konjugaattiemäkselle, jolla on korkeampipKa. Esimerkiksi etikkahappo luovuttaa protonin OH -ionille, koska sitä vastaavanhapon, veden pKa (=15.74) on suurempi kuin etikkahapon (4.76).

Esimerkkitehtävä. Veden pKa = 15.74 ja etyynin (asetyleenin) pKa = 27. Kumpi onhappamampi? Voiko hydroksidi-ioni reagoida etyynin kanssa?

Ratkaisu. Vesi on vahvempi happo kuin etyyni, jolloin vesi luovuttaa protoninsahelpommin kuin etyyni. OH– -ionilla on heikompi kyky siepata vetyatomeja kuin

13

asetyleeni-anionilla ts. se on vahvempi emäs kuin hydroksidi-ioni ja näin ollen reaktioei voi tapahtua.

Tehtävä 1. Ammoniakin (NH3) pKa = 34 ja etyynin (asetyleenin) pKa = 27. Kumpi onhappamampi? Voiko NH2

–-anioni reagoida etyynin kanssa?

Lewisin happo-emästeoria:Lewisin happo on aine, jolla on taipumus sitoa elektronipari ja Lewisin emäs on aine,jolla on taipumus luovuttaa se.

Esim. H+ on Lewisin happo, koska se vastaanottaa elektroniparin tyhjälle 1sorbitaalille reagoidessaan emäksen kanssa.

Myös booritrifluoridi (BF3) ja alumiinikloridi (AlCl3) ovat Lewis-happoja koska nevoivat ottaa vastaan elektroniparin. Reaktiossa syntyy koordinaatiosidos(kovalenttisen sidoksen erikoismuoto), jossa sidoksen muodostava elektronipari onperäisin Lewisin emäkseltä.

Yleisesti:Lewisin happoina (elektrofiileinä) voivat toimia mm. positiiviset ionit ja molekyylit,joissa olevilla atomeilla on vajaat elektronioktetit.

Lewisin emäksiä (nukleofiileja) ovat negatiiviset ionit ja molekyylit, joissa on vapaitaelektronipareja. Esim. useimmat happea ja typpeä sisältävät orgaaniset yhdisteet ovatLewisin emäksiä koska niillä on sitomattomia (lone-pair) elektronipareja.

Lewisin emäksiä (nukleofiilejä):

Tehtävä 2. Osoita kuinka asetaldehydi, CH3CHO, voi toimia Lewis-emäksenä?

1.13 Molekyylien väliset vuorovaikutukset

Kemiallisten sidosten (kovalenttinen ja ionisidos) lisäksi on olemassa molekyylienvälisiä heikompia vuorovaikutuksia (vetysidos, ioni-dipoli -sidos, dipoli-dipoli -sidos javan der Waals -sidos), joilla kaikilla on osuutensa aineominaisuuksienmuodostumisessa.

VetysidosVetysidoksen asema luonnossa on aivan keskeinen. Se selittää veden korkeankiehumispisteen. Proteiinien ja DNA:n rakenteissa vetysidoksilla on keskeinenmerkitys.

14

DNA:ssa emäsparit A-T ja G-C ovat kiinni toisissaan vetysidoksilla. Proteiinienlaskostuminen johtuu vetysidoksista. Vetysidoksen energia (10-40 kJ mol–1) onhuomattavsti pienempi kuin kovalentin tai ionisidoksen, minkä vuoksi se voi katketa johuoneenlämmössä. Vetysidos atomien A ja B välillä voidaan esittää kaaviona:

Dipoli-dipoli-sidosDipoli-dipoli-sidoksessa molekyylien erimerkkisellä osittaisvarauksella varautuneetosat vetävät toisiaan puoleensa. Esimerkiksi asetonimolekyylin negatiivisenosittaisvarauksen omaava happiatomi vetää puoleensa positiivisen osittaisvarauksenomaavaa karbonyyliryhmän hiiliatomia. Vetysidos on erikoistapaus dipoli-dipoli-sidoksesta. Veden dipolimolekyylit voivat muodostaa ioni-dipoli-sidoksiaioniyhdisteiden ionien kanssa (esim. NaCl).

Van der Waalsin voimatKaikkien molekyylien välillä vaikuttaa erittäin lyhyen kantaman voimia, joilla atomitvetävät toisiaan heikosti puoleensa. Van der Waals vuorovaikutukset välittävätesimerkiksi useiden entsyymien ja niiden substraattien sitoutumista. Lipidimolekyylitovat järjestäytyneet jatkuvaksi kaksoiskerrokseksi, jota pitävät koossa van der Waalsinvoimat.

Alkaanien kiehumispisteiden riippuvuus molekyylikoosta on hyvä esimerkki van derWaalsin voimien vaikutuksesta. n-Pentaanin kiehumispiste on 36 °C ja haarautuneen2,2-dimetyylipropaanin (neopentaanin) kiehumispiste on 10 °C. n-Pentaanimolekyylien välinen kosketuspinta on suurempi ja molekyylit pääsevätlähemmäs toisiaan kuin 2,2-dimetyylipropaanimolekyyleissä. Adrenaliini-hormonisitoutuu beeta-adrenergiseen reseptoriin van der Waalsin voimien, vety- ja ionisidostenavulla.

1.14 Liukoisuus

Liukoisuuteen vaikuttavat liuottimen ja liuenneen aineen rakenne ja niiden välisetvuorovaikutukset (dipoli-dipoli vuorovaikutukset, Van der Waalsin vuorovaikutukset javetysidokset). Liukoisuus riippuu myös fysikaalisista olosuhteista (esim. lämpötila).Kemialliset yhdisteet liukenevat rakenteellisesti samankaltaisiin liuottimiin: polaariset(esim. pienimolekyyliset alkoholit) polaarisiin (veteen ja alkoholeihin) ja poolittomatyhdisteet (esim. bentseeni) poolittomiin liuottimiin (alkaaneihin). Polaarisenliuottimen osittaisvaraukset ovat vuorovaikutuksessa poolisten yhdisteidenosittaisvarausten kanssa, siten että liuotinmolekyylien negatiiviset poolit ympäröivätliuenneen yhdisteen positiiviset poolit ja päinvastoin. Orgaaniset molekyylit, joissa onrunsaasti polaarisia ryhmiä, ovat yleensä vesiliukoisia (glyseroli, sokerit). Polaarisetyhdisteet sisältävät atomeja, joiden välillä on elektronegatiivisuusero. Tällöinsidoselektronit liikkuvat lähemmäksi elektronegatiivisempaa atomia. Polaarisetorgaaniset yhdisteet sisältävät yleensä vapaita elektronipareja (esim. O ja N), joilla nepystyvät muodostamaan vetysidoksia.

15

Hapoilla ja emäksillä ionisoitumisaste (pKa-arvot) ja siten (vesi)liukoisuus ovatliuottimen pH:sta riippuvaisia. Heikolla hapolla (esim. orgaaniset hapot) pH:n nousukasvattaa liukoisuutta ja heikolla emäksellä (esim. amiinit) vaikutus on päinvastainen.

Jakautumiskertoimella (P, tai KOW) kuvataan yhdisteen jakautumista toisiinsasekoittumattoman vesifaasin ja orgaanisen faasin välillä. Jakautumiskerroin (partitioncoefficient) kertoo yhdisteen liukenemisesta ja affiniteetista käytettyihin liuottimiin.Yleensä orgaaninen faasi on oktanoli, jolloin puhutaan oktanoli-vesijakaantumiskertoimesta. Oktanoli-vesi jakaantumiskerroin voidaan määrittääkoeastiassa, jossa on vettä ja oktanolia. Koeastiaan lisätään tutkittavaa orgaanistayhdistettä, astiaa ravistetaan voimakkaasti ja tutkittavan aineen pitoisuus mitataan sekävedestä (CW) että oktanolista (CO), ja oktanoli-vesi jakaantumiskerroin P on ko.pitoisuuksien suhde: P=CO/CW. Koska jakautumiskertoimien arvot vaihtelevat suurestieri yhdisteillä (P = 0,0001-100 000), käytetään jakautumiskertoimesta yleensälogaritmista muotoa, logP. LogP arvoja voidaan myös laskea. Eräs logP-laskuohjelmalöytyy osoitteesta: http://www.molinspiration.com/

Eräiden karbamaattien oktanoli-vesi jakaantumiskertoimiaJ. B. Houston et al., J. Pharmacol. Exp. Ther. 189, 44 (1974)

R-OCONH2 P log PEtyyliPropyyliButyyliPentyyliHeksyyliHeptyyli

0.702.37.122.570.8230

-0.150.360.851.351.852.36

Määritettäessä happojen ja –emästen jakautumiskertoimia tulee ottaa huomioonyhdisteiden ionisoitumisaste, joka riippuu yhdisteen pKa-arvosta ja vesifaasin pH:sta.

Jos logP < 0,5, yhdiste on vesiliukoinen,

Jos logP > 0,5, yhdiste ei liukene veteen,

Jos logP 2, yhdiste on riittävän rasvaliukoinen läpäistäkseen veri-aivoesteen (BBB =blood brain barrier)

LogP-arvo on tärkeä lääkeaineen hydrofobisuuden mitta, joka vaikuttaa mm.lääkeaineen imeytymiseen ja lääkeaine-reseptori -vuorovaikutuksiin. Lääkeaineen logPtulisi olla <5.

2. Alkaanit

2.1 Funktionaaliset ryhmät

Orgaaniset yhdisteet luokitellaan funktionaalisten(toiminnallisten t. reaktiokykyisten) ryhmien perusteella.Funktionaalisella ryhmällä tarkoitetaan atomia taiatomiryhmää molekyylissä, joka antaa sille tyypillisetkemialliset ominaisuudet riippumatta molekyylin muustarakenteesta. Eteeni ja -pineeni ovat rakenteeltaanerilaisia yhdisteitä, mutta yhteistä niille kuitenkin onkaksoissidos eli ne kuuluvat alkeenien funktionaaliseenryhmään, jonka vuoksi ne reagoivat samalla tavoinesimerkiksi bromin kanssa.

P=CO/CW

oktanoliCO

vesiCW

16

Hiili-hiili sidoksen sisältävät yhdisteet (hiilivedyt), joita ovat alifaattiset yhdisteet(alkaanit, alkeenit ja alkyynit) ja bentseenirenkaan sisältävät yhdisteet (aromaattisetyhdisteet eli areenit). Myös monet heterosykliset yhdisteet (esim. pyridiini) ovataromaattisia.

C CH

H

H

HC C HH

alkeenit(eteeni)

alkyynit(etyyni)

Aromaattiset yhdisteet l. areenit

C CH

H

H

HH H

alkaanit(etaani)

Alifaattiset yhdisteet

benseeni naftaleeniN

pyridiini

Hiilen ja elektronegatiivisen atomin välisen sidoksen sisältävät yhdisteet:

C=O-sidoksen sisältävät yhdisteet (karbonyyliyhdisteet):

Muita funktionaalisia ryhmiä:

Tehtävä. Ympyröi ja nimeä seuraavien lääkeaineiden funktionaaliset ryhmät.

2.2 Alkaanit ja alkyyli-ryhmät: isomeria

Alkaanit ovat sp3-hybridisoituneista hiiliatomeista muodostuneita hiilivetyjä, joidenmolekyylikaava on CnH2n+2. Alkaanit voivat muodostaa ketjuja (n-alkaanit) taihaarautuneita rakenteita. Suoraketjuiset alkaanit muodostavat homologisen sarjan.

CH HH

H HCH

HH C

H

HHHC

HHC HH

HCHH

H

metaani

CH4

etaani

C2H6

17

C HH

H

CH

H

CHH

HC

C

HHHC

HHH

HH

propaani

C3H8

Alkaanit ovat tyydyttyneitä hiilivetyjä ja ne kuuluvat alifaattisiin (= rasvankaltaisiin)yhdisteisiin. Alkaanien haarautuminen mahdollistaa isomeerien muodostumisen.Yhdisteitä joilla on sama molekyylikaava, mutta erilainen rakennekaava sanotaanisomeereiksi. n-Butaani ja isobutaani ovat konstituutio- eli rakenneisomeerejä.Alkaani-isomeerien luku kasvaa huomattavasti hiiliatomien lukumäärän kasvaessa.

C H

H

HC

H

H

CH

H

CHH

H

CHH

H

C

H

HCH

CH

H

HH

butaani

C4H10

isobutaani(2-metyylipropaani)

CHH

H

CHH

H

CH

H

CCHH

H

H

CH

H

H

CHH

H

CH

H

C

H

CHH

H

CH

H

HCH

H

CH

H

CH

H

CHH

H

pentaani

C5H12

2-metyylibutaani

2,2-dimetyylipropaani

Suoraketjuisen alkaanin, esim. butaanin, rakennekaava voidaan tiivistää:CH3CH2CH2CH3, CH3(CH2)2CH3 tai vielä yksinkertaisemmin n-C4H10, missä ntarkoittaa suoraketjuista alkaania.

Alkaanien nimeäminenn-Alkaanien nimet muodostetaan (lukuun ottamatta metaania, etaania, propaania jabutaania) lisäämällä hiiliatomien lukumäärää kuvaavaan kreikkalaiseen lukusanaan(pent-, heks-, hept-, okt-, non-, dek-,…) -aani-pääte.

Haaroittutuneet alkaanit

Alkaaneja, joiden rakennekaava on

, missä n = 0, 1, 2, 3…

sanotaan isoalkaaneiksi. Esim. 2-metyylipropaani voidaan nimetä isobutaaniksi.

Haarautuneet pentaani-isomeerit ovat 2-metyylibutaani eli isopentaani ja 2,2-dimetyylipropaani eli neopentaani.

Hiilen isomeriaHiiliatomi luokitellaan sen mukaan kuinka monta hiiliatomia se sitoo. Hiiliatomi voiolla primäärinen (1°), sekundäärinen (2°), tertiäärinen (3°) tai kvaternäärinen (4°). Rtarkoittaa hiiliatomiin liittyvää toista hiiltä, yleensä alkyyliryhmää.

AlkyyliryhmätKun alkaanista otetaan yksi vetyatomi pois, sanotaan jäljellä olevaa ryhmääalkyyliryhmäksi. Alkyyliryhmät nimetään korvaamalla -aani-pääte -yyli-päätteellä.Esimerkiksi metaanista saadaan metyyli-, etaanista etyyli- ja propaanista propyyli-.

H3C- CH3CH2- CH3CH2CH2- CH3CH2CH2CH2-metyyli (Me) etyyli (Et) propyyli (n-Pr) butyyli (n-Bu)

Haarautunutta propyyliryhmää sanotaan isopropyyliryhmäksi eliisoalkyyliryhmiksi sanotaan kaikkia alkyyliryhmiä, joiden rakenne on:

18

, missä n = 0, 1, 2 tai 3

Butaani-isomeereja vastaavat haarautuneet alkyyliryhmät ovat isobutyyliryhmän lisäksisek-butyyli- ja tert-butyyliryhmä.

Tehtävä. Piirrä kaikki molekyylikaavaa C6H14 vastaavat isomeerit.

2.3 Alkaanien nimeäminen

Orgaanisten yhdisteiden systemaattiset nimet muodostetaan IUPAC:n (InternationalUnion of Pure and Applied Chemistry) laatimien sääntöjen perusteella.Systemaattinen nimi sisältää kolme osaa:

Nimen perusosa ilmoittaa yhdisteen päähiiliketjun hiiliatomien lukumäärän. Pääteilmoittaa funktionaalisen ryhmän ja nimen alkuosa ilmoittaa päähiiliketjuunkiinnittyneet substituentit, niiden paikat ja lukumäärät.

1. Perusketjuksi valitaan pisin yhtenäinen hiiliketju ja nimetään se -aani-päätteen avulla. Jos yhdisteessä on useita yhtäpitkiä hiiliketjuja, valitaanperusketjuksi se, jossa on alhaisimmat paikkanumerot.

2. Perusketju numeroidaan siten että siinä olevat substituentit saavatmahdollisimman alhaiset paikkanumerot.

3. Nimetään perusketjuun kiinnittyneet substituentit (sivuryhmät taialkyyliryhmät) yyli-päätteellä. Substituenttien nimet varustetaanpaikkanumeroilla.

4. Jos substituentteja on useita, ne mainitaan aakkosjärjestyksessä. Identtistenalkyyliryhmien lukumäärä ilmoitetaan etuliitteillä: 2 = di-, 3 = tri-, 4 = tetra-,5 = penta- jne.

5. Haarautunut sivuketju numeroidaan siten että se hiiliatomi, joka on sitoutunutkantahiilivetyyn, saa numeron 1. Haarautuneen sivuketjun nimi varustetaansuluilla.

H3C1 CH22

C3

CH4

H3C CH5

CH26

CH27

CH8

CH3

CH2 CH

CH3

CH2 CH3

CH3 H2C9

CH3 10

CH3

3,3,4,8-tetrametyyli-5-(2-metyylibutyyli)dekaani

Esimerkkitehtävä 1.Mikä on oheisen alkaanin systemaattinen nimi?

Ratkaisu. Alkaanissa on kahdeksan hiilen ketju, jossa on kaksi metyylisubstituenttia. Numerointi aloitetaan ketjun siitä päästä, jossametyylisubstituentti on lähimpänä.

19

Esimerkkitehtävä 2.Piirrä 3-isopropyyli-2-metyyliheksaanin rakenne.

Ratkaisu. Piirrä ensin heksaanin eli kuuden hiiliatomin hiiliketju.

Numeroi hiiliketju ja lisää substituentit, 3-isopropyyli ja 2-metyyli, oikeillepaikoille. Lopuksi, lisää puuttuvat vetyatomit

2.4 Alkaanien ominaisuudet

Koska alkaanit sisältävät vain hiiltä ja vetyä sekä tyydyttyneitä -sidoksia, ne reagoivathuonosti. Siksi alkaaneja sanotaan myös parafiinihiilivedyiksi (lat. parum affinis).Riittävästi kuumennettaessa alkaanit reagoivat helposti hapen kanssa, jolloin reaktiotasanotaan palamiseksi. Palamisen lopputuotteena saadaan hiilidioksidia ja vettä.Samalla vapautuu runsaasti energiaa.

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O + energiaa

Alkaanit ovat tärkeitä polttoaineita ja energian lähteitä. Maakaasu ja maaöljy koostuvatpääosin alkaaneista.

Alkaanit reagoivat halogeenien esim. kloorin kanssa, jolloin alkaanin vety korvautuuhalogeenilla ja saadaan halogenoitujen alkaanien seos. Tällaista reaktiota sanotaan

halogenoinniksi. Esim. metaania kloorattaessa saadaan metyylikloridin (CH3Cl),dikloorimetaanin (CH2Cl2), trikloorimetaanin (CHCl3) ja tetrakloorimetaanin (CCl4)seos:

Alkaanit ovat poolittomia ja kemiallisesti inerttejä. Ne eivät liukene veteen.Nestemäiset alkaanit ovat hyviä liuottimia kuten heksaani tai petrolieetteri, joka onalkaanien seos. Pienimolekyyliset alkaanit butaaniin saakka ovat kaasuja, loput nesteitäheptadekaaniin saakka. Mitä haarautuneempi hiiliketju on, sitä alhaisempi on alkaaninkiehumispiste.

hiiliatomienlukumäärä

nimi kaavaCnH2n+2

kiehumispiste°C

1 metaani CH4 - 1622 etaani C2H6 - 893 propaani C3H8 - 424 butaani C4H10 - 0,55 pentaani C5H12 365 2,2-dimetyyli-

propaaniC5H12 10

6 heksaani C6H14 696 2-metyyli-

pentaaniC6H14 60

8 oktaani C8H18 12610 dekaani C10H22 174

20

2.5 Etaanin konformaatiot

Etaanissa pyöriminen hiili-hiili -sidoksen ympäri on mahdollista, jolloin erilaistenavaruusrakenteiden l. konformaatioiden muodostuminen on mahdollista. Tietyssäkonformaatiossa olevaa molekyyliä sanotaan konformeeriksi. Konformaatiota voidaanesittää Newman-projektioiden avulla. Kun molekyyliä katsotaan hiili-hiili sidostapitkin, havaitaan, että etaanilla on kaksi äärikonformaatiota: kohdakkais- (eclipsed) jalomittaiskonformaatio (staggered). Näistä lomittais-konformaatio on pysyvämpi,koska siinä vetyatomeilla on enemmän tilaa.

kohdakkaiskonformaatio lomittaiskonformaatio

Tehtävä. Butaanilla on kaksi erilaista lomittais- ja kohdakkaiskonformaatiota. Piirräniiden Newman-projektiot. Mikä konformaatioista on energialtaan edullisin?

2.6 Kemiallisten rakenteiden piirtäminen

Molekyylien rakennekaavoissa viiva atomien välissä tarkoittaa kahta sidoselektronia.Aina ei ole järkevää piirtää jokaista molekyylin atomia ja sidosta vaan rakenne voidaan

esittää yksinkertaisena viivakaavana. Viivakaavassa atomien väliset sidoksetpiirretään yhdisteille ominaisia sidoskulmia käyttäen. Funktionaalisia ryhmiä lukuunottamatta hiili- ja vetyatomeja ei yleensä merkitä näkyviin (poikkeus CH3-ryhmät).Rakenteita tulkittaessa on muistettava että hiili on neliarvoinen. Viivakaava onkäyttökelpoinen erityisesti suurimolekyylisiä yhdisteitä piirrettäessä.

2.7 Sykloalkaanit

Hiiliatomit voivat muodostaa myös tyydyttyneitä rengasrakenteita eli sykloalkaaneja.Renkaan hiiliatomit määräävät yhdisteen perusnimen ja alkaanin nimi varustetaansyklo-etuliitteellä. Jos sykloalkaaniin on liittynyt substituentteja, ne numeroidaan niin,että ne saavat alhaisimman alhaisen paikkanumeron. Sykloalkaaneilla on yleiskaava(CH2)n tai CnH2n ja niiden rakenteet esitetään viivakaavoilla.

H2C CH2

H2C H2C

H2C CH2

CH2

H2C CH2

CH2

H2C

H2CH2CH2C

CH2

CH2

CH2

H2C

syklopropaani syklobutaani

syklopentaani sykloheksaani

Esimerkkitehtävä 3.Nimeä oheinen sykloalkaani.

21

Ratkaisu. Molekyylissä on sykloheksaanirengas, joka numeroidaan niin ettäsubstituentit saavat mahdollisimman pienet paikkanumerot. Substituentitlisätään aakkosjärjestyksessä perusnimen eteen.

Tehtävä. Piirrä 1-tert-butyyli-2-metyylisyklopentaanin rakenne.

2.8 Sykloalkaanien cis-trans-isomeria

Substituoiduilla sykloalkaaneilla voi olla useita avaruusrakenteita. Esimerkiksi 1,2-dimetyylisyklopropaanilla on kaksi stereoisomeeriä, joissa toisella metyyliryhmät ovatsamalla puolella ja toisella eri puolella rengasta. Tällaista isomerian muotoa sanotaancis-trans-isomeriaksi. Cis-isomeerissa substituentit ovat renkaan samalla puolella jatrans-isomeerissa renkaan vastakkaisilla puolilla.

Tehtävä. Piirrä cis-1,4-dimetyylisykloheksaanin rakenne.

2.9 Sykloalkaanien konformaatiot

Syklopropaani on tasomainen molekyyli ja sen sidoskulmat ovat taipuneet 60º kulmaan(normaali sidoskulma 109 ) mistä aiheutuu molekyylin jännittynyt rakenne ja se ettäC-C-sidos on heikompi kuin muilla alkaaneilla. Syklobutaani ja syklopentaanirenkaateivät ole täysin tasomaisia vaan rakenne on hieman taipunut johtuen vetyatomienaiheuttamasta repulsiosta.

syklopropaani syklobutaani syklopentaani

SykloheksaaniSykloheksaanirakenne on tärkeä koska se esiintyy monissa luonnon- ja lääkeaineissa.Sykloheksaani ei ole tasomainen vaan esiintyy pääasiassa ns. tuolikonformaatiossa,missä C-C-C kulmat ovat 109,5 .

2.10 Sykloheksaanin aksiaaliset ja ekvatoriaaliset sidokset

Sykloheksaanilla on kuusi renkaan akselin suuntaista, aksiaalista sidosta (vetyatomiatai substituenttia) ja kuusi renkaan tason suuntaista, ekvatoriaalista sidosta(vetyatomia tai substituenttia).

22

Tehtävä. Piirrä metyylisykloheksaanin kaksi tuolikonformaatiota, joista toisellametyyliryhmä on aksiaalinen ja toisella ekvatoriaalinen.

2.11 Sykloheksaanin konformaatiomuutokset

Koska monosubstituoitu sykloheksaani voi esiintyä sekä aksiaalisessa ettäekvatoriaalisessa konformaatiossa, voisi kuvitella, että sykloheksaanilla on kaksi eriisomeeriä. Kuitenkin energiaero konformaatioiden välillä on niin pieni, ettänormaalilämpötilassa sykloheksaanin konformaatiot muuttuvat spontaanisti toisikseen,jolloin aksiaaliset sidokset vaihtuvat ekvatoriaalisiksi. Tätä konformaatioidenmuuntumista tapahtuu esimerkiksi metyylisykloheksaanille, jossa eri konformaatiotovat tietyssä tasapainossa keskenään.

Metyylisykloheksaanissa metyyliryhmän steerinen vuorovaikutus 3 ja 5 asemissaoleviin aksiaalisiin vetyatomeihin tekee aksiaalisen konformaation epäedulliseksi, niinettä metyylisykloheksaani esiintyy 95 % ekvatoriaalisessa konformaatiossa ja vain 5%aksiaalisessa konformaatiossa. Aksiaalinen metyyliryhmä aiheuttaa steerisen esteen.

Tehtävä. Piirrä cis- ja trans-1,2-dikloorisykloheksaanin tuolikonformaatiot. Missäasemissa kloorisubstituentit ovat toisiinsa nähden?

3. AlkeenitAlkeenit ovat hiilivetyjä, jotka sisältävät C=C kaksoissidoksen ja niiden yleinenmolekyylikaava on CnH2n. Alkeeneja sanotaan myös tyydyttymättömiksi hiilivedyiksitai olefiineiksi (=öljyä muodostava). Alkeeneja ovat esimerkiksi eteeni, joka on tärkeäkemian teollisuuden raaka-aine ja sitä erittyy hedelmistä niiden kypsyessä. -Pineenion puusta saatavan tärpätin pääkomponentti. -Karoteeni on kasvien sisältämä oranssipigmentti ja A-vitamiinin esiaste.

3.1 Nimeäminen

Alkeenit nimetään kuten alkaanit, mutta aani-pääte korvataan eeni-päätteellä.Perusketjuksi valitaan pisin yhtenäinen kaksoissidoksen sisältävä hiiliketju.Kaksoissidoksen paikkanumero liitetään perusnimen tai eeni-päätteen eteen.Jos alkeenissa on useampia kaksoissidoksia, lisätään etuliite di- tri- tetra- osoittamaankuinka monta kaksoissidosta molekyylissä on.

Sykloalkeeni nimetään aloittamalla numerointi kaksoissidoksen hiiliatomeista ja siten,että substituentit saavat mahdollisimman alhaiset paikkanumerot.

Tyydyttämättömillä alkyyliryhmillä on omat erikoisnimet silloin kun ne esiintyvätsubstituentteina.

23

Tehtävä. Nimeä alla olevat alkeenit

3.2 Alkeenien elektronirakenne

Alkeenien kaksoissidos muodostuu hiilen sp2-orbitaalien pituusakselin suunnassamuodostamasta -sidoksesta ja p-orbitaalien muodostamasta -sidoksesta, kun kahdenp-orbitaalin lohkot tason ylä- ja alapuolella menevät päällekkäin. Tämä sitoutumistapamerkitsee, että kaksoissidos on jäykkärakenteinen ja estää vapaan pyörimisen C=Csidoksen ympäri. Jotta pyöriminen olisi mahdollista, -sidoksen täytyy katketa.

Tehtävä. Piirrä 2-buteenin rakenne ja osoita hiiliatomien hybridisaatiot jasidoskulmat.

3.3 Cis-trans-isomeria

Hiili-hiili-kaksoissidos ei salli vapaata kiertymistä sidosakselin ympäri.Kaksoissidoksen muodostaviin hiiliin liittyvät atomit tai atomiryhmät joutuvat siten eriasemaan toisiinsa ja kaksoissidokseen nähden. Jos molemmissa kaksoissidoksenmuodostamissa hiilissä on kiinnittyneenä jokin muu atomi tai atomiryhmä, kuin vety,voivat ne sijaita kaksoissidokseen nähden samalla puolella (cis) tai eri puolilla (trans).Tätä isomerian lajia kutsutaan cis-trans-isomeriaksi.

2-Buteenilla on kaksi isomeeria, cis ja trans.

Kuumennettaessa hapon läsnäollessa cis-2-buteeni pyrkii toisintumaan trans-isomeerikseen. Tasapainotilassa cis-2-buteenia on 24 % ja trans-2-buteenia 76 %.Trans-isomeeri on pysyvämpi, johtuen metyyliryhmien aiheuttamasta steerisestäesteestä cis-isomeerissä.

Tehtävä. Piirrä buteenidihapon cis- ja trans-isomeerit.

24

3.4 Orgaaniset reaktiotyypit

Additio- eli liittymisreaktioAdditioreaktio on tyypillinen yhdisteille, joissa on tyydyttymätön sidos. Kahdenreagenssin liittyminen tuottaa yleensä yhden tyydyttyneen lopputuotteen.

A + B C

Esimerkiksi alkeenin reagoidessa HCl:n kanssa ja tuotteeksi saadaan alkyylikloridia.

CH2=CH2 + HCl CH3CH2Cl

Eliminaatio- eli lohkaisureaktioEliminaatioreaktiossa, joka on additioreaktion käänteisreaktio, lähtöaineesta syntyypienimolekyylisen yhdisteen lohjetessa tyydyttymätön yhdiste. Lohkeavana yhdisteenäon usein vesi, vety, vetyhalidi jne.

A B + C

Esimerkiksi alkyylikloridista lohkeaa HCl emäksen (NaOH) läsnäollessa

CH3CH2Cl + NaOH CH2=CH2 + NaCl + H2O

Substituutio eli korvautumisreaktioSubstituutioreaktiossa osa lähtöaineesta korvautuu toisen yhdisteen osalla.Lopputuotteita on kaksi, joista toinen on usein pienimolekyylinen yhdiste.

A-B + C-D A-C + B-D

Esimerkiksi metaanin (alkaanin) reaktio kloorikaasun kanssa tuottaa kloorimetaania(alkyylihalidia) ja vetykloridia (HCl).

CH3-H + Cl-Cl CH3-Cl + HCl

ToisiintumisreaktioToisiintumisreaktiossa lähtöaine muuttuu isomeerikseen

A B

Esimerkkinä toisiintumisrreaktiosta on kappaleessa 3.3 mainittu happokatalysoitu cis-2-buteenin toisiintuminen trans-2-buteeniksi.

Tehtävä. Luokittele seuraavat reaktiot.(a) CH3Br + KOH CH3OH + KBr(b) CH3CH2OH H2C=CH2 + H2O(c) H2C=CH2 + H2 CH3CH3

3.5 Reaktiomekanismit

Tapaa, jolla reaktio tapahtuu, sanotaan reaktiomekanismiksi. Reaktiomekanismistaselviää reaktion eri vaiheet, funktionaalisissa ryhmissä tapahtuvat elektroniensiirtymiset, sidosten avautumiset, katkeamiset ja syntymiset, välituotteet sekälopputuotteet.

Reaktiossa elektronien siirtyminen johtaa sidoksen katkeamiseen tai syntymiseen.Sidos katkeaa homolyyttisesti (radikaali-mekanismi), kun sidoselektronit siirtyvätkummallekin sidosatomille (syntyy radikaaleja), ja heterolyyttisesti (polaarinenmekanismi), kun sidoselektronit jäävät toiselle sidosatomille, jolloin atomit varautuvatsähköisesti (muodostuu anioni ja kationi). A:B A + B Homolyyttinen sidoksen katkeaminen (radikaalimekanismi), jossa

muodostuu reaktiotuotteena radikaaleja

A:B A+ + :B– Heterolyyttinen sidoksen katkeaminen (polaarinen mekanismi).Hiilestä voi tällöin muodostua karbokationi tai karbanioni

Jos kumpikin atomi luovuttaa elektronin elektroniparia varten, sidos syntyyhomogeenisesti ja heterogeenisesti, kun elektronit tulevat vain toiselta sidosatomilta:A + B A:B Homogeeninen sidoksen muodostuminen (radikaalimekanismi)

A+ + :B– A:B Heterogeeninen sidoksen muodostuminen (polaarinen mekanismi)

25

RadikaalireaktioRadikaalit ovat erittäin reaktiokykyisiä, sähköisesti neutraaleja, parittomia elektronejasisältäviä atomeja tai molekyylejä, jotka pyrkivät täydentämään elektroniverhonsaoktetiksi. Ne ottavat vastaan toisen atomin tai atomiryhmän parittoman elektronin jamuodostavat sidoksen homogeenisesti. Elektroni voidaan ottaa myös sidoksesta, jolloinmuodostuu uusi radikaali ja reaktio voi jatkua ketjureaktiona.

Rad + A:B Rad:A + Bradikaali substituutiotuote uusi radikaali

Polaarinen reaktioPolaarinen reaktio on tyypillinen yhdisteille, joissa varaukset ovat jakautuneetepätasaisesti. Funktionaalinen ryhmä polaroituu ts. sen elektronegatiiviset atomitvarautuvat negatiivisesti ja elektropositiiviset positiivisesti. Elektronegatiivinenalkuaine, kuten happi, typpi tai halogeeni vetää sidoselektroneja puoleensa ja varautuulievästi negatiivisesti ( ), samalla kun hiiliatomi saa yhtä suuren positiivisenvarauksen ( +).

H3C Cl H2C O C NH3C

C

Y

Y = O, S, N, Cl, Br, I

Jos hiileen liittyy elektropositiivisempi alkuaine (esim. Mg, Li, Na, Pb), tämävarautuu lievästi positiiviseksi ( +) ja hiili lievästi negatiiviseksi ( ). EsimerkiksiGrignardin reagenssissa (organometalliyhdiste) magnesium varautuu positiivisesti jahiiliatomi lievästi negatiivisesti. Yhdisteen positiivisesti varautunutta osaa sanotaanelektrofiiliksi (elektronihakuiseksi) ja negatiivisesti varautunutta osaa nukleofiiliksi(ydinhakuiseksi).

Polaarisessa reaktiossa funktionaalisen ryhmän nukleofiilinen (negatiivisestivarautunut) osa liittyy kahden elektroninsa avulla reagenssin positiivisestivarautuneeseen atomiin ja elektrofiilinen osa taas reagenssin negatiivisestivarautuneeseen atomiin. Koska sidoselektronit tulevat vain toiselta atomilta, sidossyntyy heterogeenisesti.

Tehtävä. Osoita seuraavien yhdisteiden polaarisuus. Mikä kohta yhdisteissä onelektrofiilinen, mikä taas nukleofiilinen?(a) Asetoni, CH3COCH3(b) Butyylilitium, CH3CH2CH2CH2-Li(c) Kloorietaani, CH3CH2Cl(d) Metaanitioli, CH3SH(e) Etyyni, HC CH

3.6 Esimerkki polaarisesta reaktiosta: HCl:n additio eteeniin

Eteenin reagoidessa HCl:n kanssa syntyy kloorietaania ja reaktiotyyppi onelektrofiilinen additioreaktio.

Eteenin sp2-hybridisoituneen hiiliatomin kaksoissidos on erittäin reaktiivinen johtuenkaksoissidoksen suuresta elektroni-tiheydestä. Kaksoissidos toimii nukleofiilinä elisillä on taipumus luovuttaa -elektroninsa elektrofiilille.

26

HCl on voimakkaasti polaroitunut vahva happo, joka luovuttaa helposti elektrofiilisenprotonin (H+) ja jäljelle jää nukleofiilinen kloridi-ioni (Cl ).

HCl H+ + Cl-

3.7 Additioreaktion mekanismi

Reaktio alkaa siten, että HCl:n elektrofiilinen protoni (H+) liittyy kaksoissidoksennukleofiilisiin -elektroneihin, jolloin protoni muodostaa -sidoksen toiseenhiiliatomiin ja käyttää -sidoksen elektroniparia sidoksen muodostamiseen. Tällöintoinen hiiliatomeista jää elektronivajaaksi ja syntyy positiivisesti varautunutkarbokationi (karboniumioni). Tämän jälkeen HCl:n nukleofiilinen osa, Cl–, liittyykarbokationin positiivisesti varautuneeseen atomiin. Additiossa eteenin hiiliatomienhybridisaatio muuttuu sp2 sp3 ja tasorakenne muuttuu kolmiulotteiseksi.

Tehtävä. Kun 2-metyylipropeeni reagoi HCl:n kanssa, syntyy 2-kloori-2-metyylipropaania. Mikä on synteesin välituotteena syntyvän karbokationin rakenne?Esitä reaktiomekanismi.

3.8 Reaktionopeus ja tasapaino

Tasapainovakio

A + B cC + dDdc

[B][A][D][C]

][][tLähtöainee

TuotteetKeq

Jos Keq > 1, reaktio etenee tuotteiden suuntaanJos Keq < 1, reaktio etenee lähtöaineiden suuntaan

Reaktio on spontaani jos tuotteiden energia on pienempi kuin lähtöaineiden (ts. reaktioluovuttaa energiaa).

G (Gibbsin vapaan energian muutos) on negatiivinen, kuvaa reaktionspontaanisuutta, kykyä edetä "itsestään" eteenpäin, kun G < 0.

G° = -RTlnKeq Keq= e-(G°/RT)

Gibbsin vapaan energian muutoksella on yhteys muihin energioihin.

G° = H° - T S° ( S = entropia, kuvaa epäjärjestystä, joka on luonnossa ainakasvava)

H° = entalpian (reaktiolämmön) muutos kuvaa standardioloissa esimerkiksi yhdisteenenergian muuttumista lämmön muutoksen avulla. H:n ollessa negatiivinen aine antaaenergiaa ulos ja sen ollessa positiivinen, aine ottaa ympäristöstä energiaa, tässälämpöä.

Eksotermisessa reaktiossa systeemi luovuttaa lämpöenergiaaeli entalpia pienenee, H < 0. Energia on korkeammalla tasolla lähtöaineissa kuintuotteissa.

Endotermisessa reaktiossa systeemi sitoo lämpöenergiaa.eli entalpia kasvaa, H > 0. Energia on korkeammalla tasolla tuotteissa kuinlähtöaineissa.

27

Energia

H < 0

Reaktion kulku

lähtöaineet

tuotteet

Eksoterminen reaktio

CH2=CH2 + HBr

CH3CH2Br

Keq > 1

Energia

Reaktion kulku

Endoterminen reaktio

H > 0

lähtöaineet

tuotteet

CH3CH2Br + KOH

CH2=CH2 + KBr + H2O

Keq < 1

Energia muutos ja tasapainovakiot kertovat ainoastaan reaktiotasapainosta, mutta eivätkerro kuinka nopeasti tasapaino saavutetaan. Reaktion nopeuteen vaikuttaa se kuinkausein hiukkaset törmäilevät keskenään mutta myös siirtymätilan energia, jonka kauttareaktio tapahtuu. Energiamuutosta voidaan havainnollistaareaktioenergiadiagrammilla, joka kuvaa myös reaktion nopeutta.

3.9 Reaktion energiadiagrammi ja siirtymätilat

Aktivoitumisenergia (Ea) on se energia, joka tarvitaan käynnistämään reaktio.Käytännössä se on reaktioenergian maksimiarvo (käyrän korkein kohta). Tätä tilaasanotaan siirtymätilaksi (Transition state). Siirtymätilan energia kertooreaktionopeudesta eli mitä korkeampi Ea, sitä hitaampi reaktio.

Orgaaniset reaktiot ovat usein monivaiheisia. Esim. eteenin ja HCl:n välisessäreaktiossa syntyy ensin siirtymätilan kautta karbokationi- välituote, joka reagoivälittömästi kloridi ionin kanssa kloorietaaniksi toisen siirtymätilan kautta. Reaktiollaon tällöin kaksi aktivaatioenergiaa (Ea1 ja Ea2).

Energia

C CH

H

H

H+ H Cl

C C HH

H

H

ClH

C C+ HH

H

H

H Cl-Ea1

Ea2

Reaktion kulku

lähtöaineet

1. siirtymätila

2. siirtymätila

karbokationi-välivaihe

tuotteet

H

Tehtävä. Piirrä yksivaiheisen, erittäin eksotermisen ja nopean reaktionenergiadiagrammi.

4 Alkeenit ja alkyynit

Alkeenit (C=C) ja alkyynit (C C) ovat tyydyttämättömiä hiilivetyjä, joille tyypillinenreaktio on additio- eli liittymisreaktio, jossa reagenssi X-Y liittyy kaksoissidokseen jatuotteena saadaan tyydyttynyt lopputuote.

28

4.1 Alkeenin hydrohalogenointi eli vedyhalidin additio alkeeniin

Vetyhalidit (HCl, HBr, HI ja HF) tuottavat alkeenien kanssa reagoidessaanalkyylihalideja. Reaktio tapahtuu karbokationi-välivaiheen kautta.

Em. reaktio voidaan kirjoittaa myös toisin. Eteeni on lähtöaine ja HCl on reagenssi,joka voidaan kirjoittaa reaktionuolen yläpuolelle ja reaktio-olosuhteet (liuotin jareaktiolämpötila) sen alapuolelle.

Tehtävä 1. Ennusta tuote, joka syntyy 1-metyylisyklohekseenin ja HBr:n välisessäreaktiossa.

4.2 Markovnikovin sääntö

Kun 2-metyylipropeeni reagoi vedyhalidin (HCl) kanssa, on mahdollista syntyä kahtatuotetta: 2-kloori-2-metyylipropaania ja 1-kloori-2-metyylipropaania. Käytännössäsaadaan ainoastaan 2-kloori-2-metyylipropaania.

Tällainen reaktio on regioselektiivinen ja se noudattaa ns. Markovnikovin sääntöä:Positiivisesti varautunut reagenssin osa (elektrofiili) liittyy kaksoissidoksen siihenatomiin, jossa on enemmän vetyä, ja negatiivinen reagenssin osa (nukleofiili)vuorostaan siihen hiiliatomiin, jossa on vähemmän vetyä.

Jos kaksoissidoksen hiiliatomeilla on sama substituutioaste, saadaan kahta eri tuotetta.

Koska additioreaktio tapahtuu karbokationi-välivaiheen kautta, on reaktionstereoselektiivisyys selitettävissä pysyvämmän tert-butyylikarbokationin avulla.

4.3 Karbokationin rakenne ja stabiilisuus

Karbokationi on sp2-hybridisoitunut, tasomainen ja sen p-orbitaali on tyhjä. Mitäenemmän karbokationissa on alkyyliryhmiä, sitä enemmän ne pystyvät luovuttamaanelektroneja positiiviselle hiiliatomille ja stabiloimaan karbokationin rakennetta. Sitentertiäärinen karbokationi on kaikkein pysyvin.

29

Tehtävä. Ennusta seuraavien reaktioiden karbokationivälituotteet.

4.4 Alkeenien hydraatio eli veden additio kaksoissidokseen

Kun alkeeni reagoi veden kanssa hapon läsnäollessa, saadaan sekundäärisiä jatertiäärisiä alkoholeja. Esimerkiksi etanolia valmistetaan eteenistä hydraatiolla.

Reaktion mekanismi on samanlainen kuin vetyhalidin additiossa. H+ reagoikaksoissidoksen kanssa ja kiinnittyy siihen hiileen, missä on vähemmän substituenttejaja samalla muodostuu karbokationi. Vesi käyttäytyy nukleofiilin tavoin ja luovuttaaelektroniparin karbokationille. Samalla muodostuu hiili-happi-sidos ja protonoitunutalkoholi. Viimeisessä vaiheessa H+ irtoaa ja alkoholi muodostuu.

Tehtävä. Mikä tuote syntyy kun propeeniin lisätään vettä? Esitä reaktion mekanismi.

4.5 Halogenointi eli halogeenin liittäminen alkeeniin

Bromi ja kloori reagoivat kaksoissidoksen kanssa, jolloin saadaan 1,2-dihalogeenialkaaneja. Esimerkiksi eteenin reagoidessa kloorikaasun kanssa saadaan1,2-dikloorietaania.

Bromin reaktiota alkeenien kanssa käytetään kaksoissidoksen osoittamiseen(kvalitatiivinen osoitusreaktio). Bromin punaruskea väri häviää, kun sitä lisätäänpisara kerrallaan kaksoissidoksellisen yhdisteen sisältävään liuokseen.

Bromimolekyyli polaroituu kaksoissidoksen -elektronien vaikutuksesta, jolloin Br-Br-sidos katkeaa ja elektrofiilinen Br+ muodostaa sidoksen molempien kaksoissidoksenhiiliatomien p-orbitaalien kanssa. Reaktio tapahtuu bromoniumioni-välivaiheen kautta,jolloin Br– voi kiinnittyä kaksoissidokseen vain vastakkaiselta puolelta, jolloin saadaantrans-dibromiadditiotuote.

4.6 Alkeenien hydraus eli vedyn additio kaksoissidokseen

Vedyn additiota kaksoissidokseen sanotaan hydraukseksi tai vedytykseksi.Vedytysreaktiossa lähtöaine pelkistyy. Orgaanisessa kemiassa pelkistymisestäpuhutaan, kun C-H –sidosten määrä kasvaa tai C-O –sidosten määrä pienenee.Vastaavasti hapettuminen on reaktio, jossa C-H –sidosten määrä pienenee tai C-O –

30

sidosten määrä kasvaa. Hydraus tapahtuu vetykaasun ja metallikatalyytin (palladiumin,platinan tai nikkelin) läsnäollessa.

Reaktio tapahtuu katalyytin (yleensä aktiivihiilien sidotun jalometallin, esim. Pd/C)pinnalla ja vetyatomit kiinnittyvät kaksoissidokseen samalta puolelta eli reaktionoudattaa syn-stereokemiaa. Esimerkiksi 1,2-dimetyylisyklohekseenin hydrauksessasaadaan cis-1,2-dimetyylisykloheksaania.

Tehtävä. Mitä tuotteita syntyy seuraavien yhdisteiden katalyyttisessä hydrauksessa?(a) (CH3)2C=CHCH2CH3 (b) 1,2-dimetyylisyklopenteeni

4.7 Alkeenipolymeerit

Yksi alkeenien tärkeimpiä teollisia reaktiota on polymeroituminen; pientenmolekyylien liittymistä toisiinsa yhdeksi makromolekyyliksi l. polymeeriksi.Esimerkiksi eteenistä voidaan valmistaa polymeeriä, polyeteeniä.

Polymerointireaktio käynnistetään lisäämällä reaktioseokseen initiaattoria(käynnistäjä) esim. bentsoyyliperoksidia, joka toimii radikaalin muodostajana..

Bentsoyyliperoksidista syntyvä bentsoyylioksi-radikaali (in ) reagoi ensin eteeninkanssa ja reaktio jatkuu ketjureaktiona, jossa syntyy pitkiä hiiliketjuradikaaleja.

Päätereaktiossa hiiliketjuradikaalit yhtyvät polymeeriketjuksi.

Tyypillisiä monomeerejä ovat eteenin lisäksi:

Tehtävä. Esitä polyakryylinitriilin rakenne, joka on muodostunut akryylinitriilistäH2C=CHCN.

4.8 Alkeenien valmistus

Koska erilaiset additioreaktiot ovat tyypillisiä alkeenien reaktiota, voidaan alkeenejamyös valmistaa additioreaktion käänteisreaktioilla, lohkaisu- eli eliminaatioreaktioilla.

31

a) Lohkaisemalla alkyylihalideista vetyhalidiaAlkeeneja voidaan syntetisoida lohkaisemalla vetyhalidia alkyylihalideista vahvanemäksen avulla.

Epäsymmetrisen halidin tapauksessa vety lohkeaa siitä hiiliatomista, jossa onvähemmän vetyä (Zaitsevin sääntö). Esimerkiksi 2-bromibutaanin eliminaatioreaktionpäätuote on 2-buteeni ja 1-buteenia syntyy vain vähän. Koska reaktiossa syntyypääasiassa vain yhtä tuotetta, on vetyhalidin lohkeaminen regioselektiivinen reaktio.

b) Lohkaisemalla alkoholeista vettä (veden eliminaatio)Kuumennettaessa alkoholeja rikki- tai fosforihapon kanssa, lohkeaa vettä ja saadaanalkeenia.

Vesi lohkeaa helpoimmin tertiäärisestä alkoholista ja vaikeimmin primäärisestä(3 2° 1°). Vety lohkeaa siitä hiiliatomista, jossa on vähemmän vetyä (Zaitsevinsääntö).

Tehtävä 1. Mitä tuotteita syntyy 1-kloori-1-metyylisykloheksaanin reagoidessa KOH:nkanssa etanolissa.Tehtävä 2. Ennusta seuraavan reaktion päätuote.

4.9 Konjugoidut dieenit

Konjugoiduissa dieeneissä kaksoissidokset vuorottelevat tyydyttyneen sidoksen kanssa.Yksinkertaisin konjugoitu systeemi on 1,3-butadieeni. 1,4-Pentadieeni ei olekonjugoitu, koska -CH2- ryhmä eristää kaksoissidoksia.

H2C=CH–CH=CH21,3-butadieeni(kongugoitunut dieeni)

H2C=CH–CH2–CH=CH21,4-pentadieeni(ei konjugoitunut)

Konjugoidun dieenin -elektronit levittäytyvät eli delokalisoituvat koko kaksoissidos-järjestelmän ylle. Esim. 1,3-butadieenin -elektronit levittäytyvät osittain hiiliatomien2 ja 3 välille, jolloin niiden välisellä sidoksella on osittaista kaksoissidos-luonnetta.Konjugoituja kaksoissidoksia esiintyy mm. karotenoideissa, jotka ovat hedelmien ja vihannestenkeltaisia pigmenttejä. Tärkein karotenoidi on beetakaroteeni, joka on A-vitamiinin (retinolin)esimuoto. Myös karbonyyliryhmä voi konjugoitua kaksoissisoksen kanssa, kutenkanelialdehydissä.

Konjugoidut dieenit ovat reaktiivisempia kuin alkeenit. Ne voidaan esim. hydrata useinilman katalyyttiä.

32

4.10 Alkyynit

Kolmoissidoksen, -C C-, sisältäviä yhdisteitä sanotaan alkyyneiksi. Alkyynit ovattyydyttämättömiä yhdisteitä kuten alkeenit ja niiden molekyylikaava on CnH2n-2.

Kolmoissidoksen hiiliatomit ovat sp-hybridisoituneet. Hiiliatomeja yhdistää sp-hybridiorbitaaleista muodostunut -sidos ( sp-sp -sidos) ja kaksi p-orbitaaleistamuodostunutta -sidosta (p-p -sidos). C C-sidoksen hiiliatomien ja niihinliittyneiden atomien väliset sidoskulmat ovat 180 eli molekyyli on lineaarinen.Yksinkertaisin alkyyni on etyyni eli asetyleeni, HC CH.

NimeäminenSystemaattiset nimet muodostetaan samoin kuin alkeenien, mutta alkyynientunnuksena on pääte -yyni. Substituenttina HC C- ryhmä on nimeltään etynyyli taietinyyli, kuten ehkäisypillereissä käyetyssä etinyyliestradiolissa. Propargyyli-ryhmäHC C-CH2- esiintyy selegiliini-nimisessä parkinsonlääkkeessä.

Tehtävä. Nimeä alla olevat alkyynit.

4.11 Alkyynien reaktiot: vedyn, vetyhalidin ja halogeenin additio

Alkyynit reagoivat samojen reagenssien kanssa kuin alkeenit. Reaktio-olosuhteidenmukaan reaktiot ovat yksivaiheisia, jolloin saadaan alkeenia, tai kaksivaiheisia, jolloinlopputuote on tyydyttynyt yhdiste.

Alkyynien hydrausRiippuen reaktio-olosuhteista ja käytetystä katalyytistä alkyyni pelkistyy jokoalkeeniksi tai alkaaniksi. Jos katalyyttinä käytetään palladiumia, saadaan ainaalkaania.

Vähemmän aktiivisilla katalyyteillä kuten ns. Lindlar-katalyytillä (Pd/PbCO3) saadaancis-alkeenia.

33

Vetyhalidin additio alkyyneihinVetyhalidit HCl, HBr ja HI reagoivat alkyynien kanssa, jolloin saadaanvinyylihalideja (kaksoissidoksellisia halideja). Additio noudattaa Markovnikovinsääntöä eli HX:n vetyatomi kiinnittyy kolmoissidoksen terminaaliseen hiiliatomiin.

Halogeenin additio alkyyneihin Alkyynit reagoivat halogeenien (Br2, Cl2) kanssa alkeenien tavoin, jolloin saadaandihalogenoituja alkeeneja, joilla on E-konfiguraatio.

Tehtävä. Mitä tuotteita syntyy alla olevissa reaktiossa?

5. Aromaattiset yhdisteet (areenit)

Aromaattisiksi yhdisteiksi sanotaan bentseenin kaltaisia rengasrakenteisia yhdisteitä,joissa on delokalisoituneiden -orbitaalien (6 sidoselektronia) muodostamakonjugoitunut kaksoissidossysteemi. Bentseeni ja sen johdokset ovat tyypillisiäareeneja, mutta myös eräät heterosykliset yhdisteet, joissa on O-. S- tai N-atomeja, ovat

aromaattisia, esim. pyridiini ja furaani. Aromaattisille yhdisteille voidaan käyttäälyhennettä Ar.

5.1 Bentseenin resonanssirakenne

Bentseenirenkaan hiiliatomien väliset sidokset ovat yhtä pitkiä (1,39Å). Aromaattinensidos on pidempi kuin normaali kaksoissidos (1,34Å) mutta lyhempi kuin alkaanienyksinkertainen C-C sidos. Tämä viittaa siihen, että bentseenin rakenteen täytyy ollahuomattavan erilainen kuin alkeeneilla yleensä.

Bentseenin rakenne on resonanssirakenne, jossa renkaan vuorottelevat yksinkertaiset jakaksinkertaiset sidokset ovat konjugoituneet eli kaikki sidokset ovat samanarvoisia.

Hiiliatomien välinen sidoskulma on 120 . sp2-Hybridisaation takia bentseenillä onkuusi p-orbitaalia, jotka ovat kohtisuorassa sp2-hybridisoituneita -sidoksia vastaan. p-Orbitaalien elektronit yhtyvät -elektroneiksi ja levittäytyvät tasaisesti kuusirenkaankummallekin puolelle muodostaen -elektronipilvet. Kuuden -elektroninmuodostamaa pilveä voidaan kuvata kuusirenkaan sisään piirretyllä ympyrällä.

34

5.1 Aromaattisten yhdisteiden nimeäminen

Aromaattisilla yhdisteillä on käytössä lukuisia ei-systemaattisia triviaalinimiä.Aromaattiset hiilivedyt voidaan nimetä IUPAC:n järjestelmän mukaan. Kunbentseenirenkaan yksi vety korvataan, saadaan monosubstituoituja bentseenejä, kuten:

Useista monosubstituoiduista bentseeneistä käytetään triviaalinimiä:

Tolueeni (kp 110°C) Bentsaldehydi (kp 178°C)

Fenoli (sp 43°C) Bentsoehappo (sp 122°C)

Aniliini (kp 184°C) Bentsonitriili (kp 191 °C)

Asetofenoni (sp 21 °C) orto-Ksyleeni (kp 144 °C)

Substituenttina olevaa bentseenirengasta sanotaan fenyyliryhmäksi (lyhenne Ph),C6H5-

Kun tolueenin metyyliryhmästä otetaan yksi vety pois, saadaan bentsyyliryhmä(lyhenne Bn), C6H5CH2-

Disubstituoiduilla bentseeneillä on kolme erilaista isomeeria. Ne voidaan nimetäetuliitteillä: orto- eli 1,2-disubstituoitu, meta- eli 1,3-disubstituoitu ja para- eli 1,4-disubstituoitu. Usein isomeereistä käytetään pelkkiä kirjaimia o, m ja p. Esim.diklooribentseenejä on kolme:

Hydroksi-, metyyli- ja aminobentseeneistä käytetään mieluummin triviaalinimiä:fenoli, tolueeni ja aniliini.

Kun renkaassa on useita substituentteja, rengas numeroidaan siten, että substituentitsaavat mahdollisimman pienet numerot ja ne laitetaan aakkosjärjestykseenperusyhdisteen nimen eteen.

35

Tehtävä. Nimeä oheiset yhdisteet IUPAC:n sääntöjen mukaan.

5.3 Bentseenin reaktiot: elektrofiilinen aromaattinen substituutio

Bentseeni on erittäin pysyvä yhdiste, jos sitä verrataan alkeeneihin. Bentseeni ei reagoikaliumpermanganaatin tai HCl:n kanssa kuten alkeenit. Bentseeni on inerttielektrofiilisille additioreaktioille. Bentseeni reagoi kuitenkin samojen elektrofiilistenreagenssien kanssa kuin alkeenit, mutta eri tavoin. Tyypillisiä elektrofiilisiäreagensseja ovat halogeenit, karbokationit ja voimakkaat hapot. Bentseenille tapahtuusubstituutioreaktio, jossa elektrofiili, E+ korvaa yhden sen vetyatomeista jaaromaattinen rakenne säilyy.

5.4 Bentseenin bromaus

Bentseeni reagoi bromin kanssa rauta(III)bromidin (FeBr3) ollessa katalyyttinä, jolloinsaadaan bromibentseeniä.

FeBr3 toimii reaktiossa Lewisin happona polaroiden bromimolekyylin, jolloin syntyyerittäin reaktiivinen bromikationi, Br+.

FeBr3 + Br2 FeBr4- + Br+

Br+ on elektrofiili, joka pyrkii reagoimaan nukleofiilisen bentseeni-renkaan kanssa.Välituotteena syntyy karbokationi, joka voidaan piirtää kolmena erilaisenaresonanssirakenteena.

Karbokationista irtoaa protoni ja C-H sidoksen elektronipari siirtyy aromaattiseenrenkaaseen, jolloin lopputuotteena saadaan bromibentseeniä.

36

5.5 Muita elektrofiilisiä aromaattisia substituutioreaktioita

a) KloorausAromaattisen renkaan vetyjen korvaaminen kloorilla tapahtuu samalla tavalla kuinbromausreaktiossa. Katalyyttinä käytetään rauta(III)kloridia, FeCl3. Klooraustakäytetään usean lääkeaineen, esim. diatsepaamin, valmistuksessa.

b) NitrausBentseenin nitraus suoritetaan tavallisesti väkevän typpi- ja rikkihapon seoksella.Rikkihappo toimii katalysaattorina ja dehydratoi typpihapon nitroniumioniksi, NO2

+,joka toimii elektrofiilinä. Nitroryhmä esiintyy mm. Orionin alkuperäislääkkeessäentakaponissa.

H2SO4 + HNO3 HSO4- + NO2

+ + H2O

c) SulfonointiBentseeni reagoi väkevän savuavan rikkihapon (SO3 + H2SO4) kanssa muodostaenbentseenisulfonihappoa. Reaktiossa protonoitunut rikkitrioksidi SO3H+ toimiielektrofiilinä. Reaktiota käytetään mm. sulfalääkkeiden valmistukseen.

H2SO4 + SO3 HSO4- + SO3H+

Tehtävä. Esitä reaktiomekanismi yllä olevalle reaktiolle.

5.6 Friedel-Craftsin alkylointi ja asylointi

Bentseenin vetyatomi voidaan vaihtaa halogeenialkaanin alkyyliryhmään.Katalysaattorina käytetään vedetöntä alumiinikloridia (AlCl3). Tulehduskipulääkeibuprofeenin isobutyyliryhmä on liitetty bentseenirenkaaseen Friedel-Craftsinalkyloinnilla.

AlCl3 sitoo halogeeniatomin halogeenihiilivedystä ja katkaisee halogeenin jaalkyyliryhmän poolisen sidoksen. Näin syntyvä karbokationi toimii elektrofiilinä.

Bentseeni reagoi myös happokloridien kanssa, kun katalyyttinä käytetäänalumiinikloridia. Reaktiota kutsutaan silloin Friedel-Craftsin asyloinniksi, koskarenkaaseen kiinnittyy asyyli-ryhmä. Tulehduskipulääke ketoprofeenissa onbentseenirengas asyloitu bentsoyylillä, jolloin on saatu bentsofenonirakenne.

37

Tehtävä. Mitä tuotteita syntyy bentseenistä seuraavilla reagensseilla?(a) (CH3)3CCl, AlCl3 (b) CH3CH2COCl, AlCl3

5.7 Aromaattisten yhdisteiden hapettaminen ja hydraus

Aromaattinen rengas on inertti hapettaville reagensseille. Sen sijaan aromaattisenrenkaan alkyylisivuketju hapettuu KMnO4:lla, jolloin alkyylibentseeneistä saadaanaromaattisia karboksyylihappoa. Esim. butyylibentseenistä saadaan bentsoehappoa.

Aromaattisen renkaan hydraus vetykaasulla onnistuu vain kovassa paineessa katalyytinläsnäollessa. Esim. hydraamalla o-dimetyylibentseeniä saadaan 1,2-dimetyylisykloheksaania.

Tehtävä. Mitä tuotteita syntyy hapetettaessa KMnO4:lla seuraavia lähtöaineita?(a) m-kloorietyylibentseeni (b) o-dimetyylibentseeni

5.8 Polyaromaattiset hiilivedyt

Polysyklisiä aromaattisia hiilivetyjä, jotka sisältävät fuusioituneita bentseenirenkaita,ovat mm. naftaleeni, antraseeni ja fenantreeni. Tulehduskipulääke naprokseeni onnaftaleenijohdos.

Polyaromaattiset hiilivedyt reagoivat, kuten bentseeni, eli niille ovat tyypillisiäelektrofiiliset aromaattiset substituutioreaktiot ja ne voidaan hapettaa ja pelkistää.Esimerkiksi naftaleenin bromauksessa saadaan 1-brominaftaleenia.

6. StereokemiaStereokemia on kemian osa-alue, joka käsittelee molekyylien kolmiulotteista luonnetta.Monilla luonnon ja lääkeaineilla voi olla useita avaruusisomeereja, jotka ovatkemiallisesti samanlaisia mutta niiden fysiologiset vaikutukset ovat erilaisia.

6.1 Tetraedrisen hiiliatomin avaruusisomeria

Kun tetraedriseen hiiliatomiin on kiinnittynyt neljä erilaista substituenttia (H, X, Y jaZ), ne voidaan sijoittaa hiiliatomiin kahdella eri tavalla, jolloin molekyylillä on kaksieri isomeeria. Rakenteeltaan nämä isomeerit eroavat toisistaan vain siinä, että atomienkeskinäinen avaruudellinen sijoittuminen on niissä erilainen. Isomeerit ovat toistensapeilikuvia, mutta eivät yhtenevä peilikuvansa kanssa, so. ne eivät ole päällekkäinasetettuna samanlaisia. Samoin suhtautuvat toisiinsa kaikki epäsymmetriset kappaleetesim. vasen ja oikea käsi.

Isomeerejä, jotka eroavat toisistaan ainoastaan atomiryhmien keskinäisenavaruudellisen sijainnin puolesta ovat toistensa peilikuvaisomeerejä elienantiomeerejä.

38

X X

YY

ZZH HC C

Maitohappo on esimerkki yhdisteestä, jolla on kaksi enantiomeeria. Senkeskushiiliatomiin on sitoutunut neljä erilaista substituenttia (-H,-OH, -CH3, -COOH).

Peilikuvaisomeerejä ei voi asettaa päällekkäin niin että ne olisivat yhteneväisiä.

6.2 Kiraalisuus

Yhdisteet, jotka eivät ole identtisiä peilikuvansa kanssa ja joilla on kaksienantiomeeria, ovat kiraalisia. Jos yhdisteellä on symmetriataso, se ei ole kiraalinen.Epäsymmetrisillä molekyyleillä ei ole symmetriatasoa. Yhdisteille, joilla esiintyypeilikuvaisomeriaa, on tyypillistä molekyylin epäsymmetrisyys eli kiraalisuus.Esimerkiksi propaanihappo ei ole kiraalinen, koska se sisältää symmetriatason.Vastaavasti maitohappo on kiraalinen, koska se ei sisällä symmetriatasoa.

Hiiliatomia, johon on liittynyt neljä erilaista atomia tai atomiryhmää, sanotaankiraaliseksi eli asymmetriseksi hiileksi tai molekyylin kiraliakeskukseksi (merkitään*).

Tehtävä. Mitkä seuraavista molekyyleistä ovat kiraalisia? Merkitse molekyylienstereokeskukset.

6.3 Optinen aktiivisuus ja ominaiskierto

Enantiomeereilla on identtiset fysikaaliset ominaisuudet, kuten sulamispiste jakiehumispiste, mutta niillä on erilainen optinen aktiivisuus eli ne kiertävät eri suuntiintasopolaroitua valoa. Kiraalisen yhdisteen ominaiskierto määritetään polarimetrilläkäyttäen valonlähteenä polarisaattorin avulla tasopolaroitua valoa eli valoa, jokavärähtelee vain yhdessä suunnassa. Tasopolaroidun valon kulkiessa optisesti aktiivisenaineen tai sen liuoksen läpi valon säde törmää asymmetrisiin molekyyleihin, jolloinsäteilyn värähtelytason suunta muuttuu. Polarimetriputkeen katsomalla todetaankierron arvo asteina ja onko se positiivinen (+, myötäpäivään, dextrorotatory) vai

39

negatiivinen ( , vastapäivään, levorotatory). Esimerkiki ( )-morfiini kääntäätasopolaroitua valoa vastapäivään ja (+)-glukoosi myötäpäivään.

valonlähde

polarisaattori

näyteputki

analysaattori

havaittukierto

Ominaiskierto (optinen rotaatio)

Ominaiskierto on optisesti aktiivisille yhdisteille ominainen fysikaalinen suure, jotavoidaan käyttää yhdisteen puhtauden tai konsentraation määrittämiseen.Ominaiskierto voidaan laskea polarimetrilla mitatun kiertokulman, polarimetriputkenpituuden ja liuoksen konsentraation avulla:

cl][rtoOminaiskie D

= havaittu kiertol = valon kulkema matka liuoksessa (dm)c = näytteen konsentraatio (g/ml)

6.4 Enantiomeerien nimeäminen

Enantiomeeri voidaan nimetä sen mukaan mihin suuntaan se kääntää tasopolaroituavaloa. Jos se kiertää valoa myötäpäivään, enantiomeeriä merkitään (+):lla. Senpielikuvaa merkitään ):lla. (+)- ja ( )-isomeerejä merkitään toisinaan pienillä d-and l-, kirjaimilla [ (+), d = dextrorotatory " myötäpäivään"; (-), l = levorotatory "vastapäivään"]. Tämä merkintä usein sekoitetaan D- and L-merkinnän kanssa, jollatarkoitetaan Fischerin projektioita.

Enantiomeerin absoluuttinen konfiguraatio voidaan ilmaista R,S-nimeämissysteeminavulla, jolla ei ole mitään yksiselitteistä yhteyttä (+)/(-)-kiertosuuntien välillä.

R-ja S-konfiguraation (absoluuttisen konfiguraation) määrittäminen

Konfiguraatiolla tarkoitetaan kiraliakeskukseen liittyneiden ryhmien suuntautumista jase voidaan ilmaista R,S-nimeämissysteemin avulla (R latinan sanasta Rectus " oikea",S = Sinister "vasen").

Molekyylin absoluuttinen konfiguraatio (R/S-konfiguraatio) voidaan määrittääseuraavasti:1. Kiraaliseen hiiliatomiin liittyvät atomit tai atomiryhmät asetetaan

prioriteettijärjestyksen mukaiseen järjestykseen Cahn-Ingold-Prelog –sääntöjenmukaisesti aivan kuten E/Z konfiguraatiota määritettäessä.

2. Molekyyliä käännetään siten, että prioriteetiltaan pienin atomi tai substituenttitulee katsojasta kauimmaksi (paperin tason taakse).

3. Tarkastellaan prioriteettijärjestystä, jos kierto 1-2-3 tapahtuu myötäpäivään, onkysymys R-konfiguraatiosta, jos taas vastapäivään, on kysymys S-konfiguraatiosta.

40

Fischerin projektio

Fisherin projektiossa kiraalisen yhdisteen rakenne piirretään niin että hiilivetyketjukulkee pystysuorassa ja useimmiten 1-hiili (yleensä karbonyylihiili) on ylhäällä.Vaakasuorat sidokset ajatellaan tulevaksi tasosta ulospäin, katsojaa kohti ja pystysuoratsidokset menevät tason taaksepäin. Tätä esitystapaa käytetään biomolekyyleistä, kutenmonosakkarideista ja aminohapoista ja se sopii erityisesti useita kiraliakeskuksiasisältävien yhdisteiden esittämiseen.

Fischerin projektiossa rakenteita verrataaan glyseraldehydiin, jolla on olemassa D- jaL-enantiomeerit.

Monosakkaridien D- ja L- muodot määräytyvät aldehydiryhmästä kauimmaisenasijaitsevan asymmetrisen hiilen OH-ryhmän orientaation mukaan. Kun tässähiiliatomissa oleva OH-ryhmä on oikealla puolella, on kysymyksessä D-konfiguraatio [kuten D-(R)-(+)-glyseraldehydillä] ja vastaavasti L-konfiguraatiossaOH-ryhmä on vasemmalla puolella [kuten L-(S)-(-)-glyseraldehydillä].

CH2OHCCCCC

O

OHHO

OHOH

H

HH

HH

D-glukoosiCH2OHCCCCC

O

HOOH

HOHO

H

HH

HH

L-glukoosi

D-(R)-(+)-glyser-aldehydi

CO H

CCH2OH

OHHC

OH

CCH2OH

HO H

L-(S)-(-)-glyser-aldehydi

Luonnon aminohapot ovat optisesti aktiivisia, yksinkertaisinta glysiiniälukuunottamatta. Aminohapon stereokemia voidaan esittää myös Fischerinprojektiokaaviolla, jossa karboksyyliryhmä on ylhäällä ja aminoryhmä on

vasemmalla, kun kysymyksessä on luonnon L-aminohappo. Alla L-(S)-alaniinin jaD-(R)-alaniinin rakenteet Fischerin projektiolla esitettynä.

6.5 Diastereomeerit ja mesoyhdiste

Diastereomeereiksi sanotaan kaikkia optisesti aktiivisen yhdisteen muitastereoisomeerejä paitsi enantiomeerejä. Diastereomeereilla on erilaiset fysikaalisetominaisuudet ja joskus myös kemialliset ominaisuudet. Esimerkiksi aminohappotreoniinilla (2-amino-3-hydroksibutaanihapolla) on kaksi kiraliakeskusta, joten sillä onneljä erilaista stereoisomeeria: isomeeriparit (2R,3R), (2S,3S) ja (2R,3S) (2S,3R) ovatenantiomeerejä. Kaikki muut isomeeriparit ovat toistensa diastereomeerejä.

Tehtävä 1. Tunnista kipulääkkeenä käytetyn tramadolin asymmetrisethiiliatomit ja esitä kaikkien stereoisomeerien rakenteet sekä osoita, mitkästereoisomeereistä ovat enantiomeerejä/diastereomeereja keskenään.

Tehtävä 2. Mitkä seuraavista ovat toistensa enantiomeereja ja mitkädiastereomeereja?

N

O

HO

tramadoli

41

MesoyhdisteMesoyhdiste (tai mesoisomeeri) on diastreomeeri, joka sisältää 2 tai useampiaasymmetrisiä atomeja (stereokeskuksia), mutta on optisesti inaktiivinen (taiakiraalinen). Mesoyhdiste on siis akiraalinen diasteromeeri, jolla ei olepeilikuvaisomeeria. Mesoyhdiste ei ole optisesti aktiivinen, koska sen kiraliakeskuksetkumoavat toisensa. Esimerkiksi viinihapolla (2,3-dihydroksibutaanidihapolla) on kaksikiraalista hiiliatomia, joten sillä olisi 4 stereoisomeeria. (2R,3R)- ja (2S,3S)-isomeeritovat enantiomeerejä, mutta (2R,3S) ja (2S,3R)-isomeerit eivät sitä ole, vaan ne ovatidenttisiä yhdisteitä. Tämä johtuu siitä, että molekyylissä on hiiliatomien 2 ja 3 välissäsymmetriataso. Kun molekyyliä käännetään 180 , saadaan sama rakenne kuinpeilikuvalla, joten rakenteet ovat identtisiä. Tätä viinihapon optisesti inaktiivistamuotoa sanotaan mesoyhdisteeksi tai mesoisomeeriksi.

CC

HO

HO

H

HCC

HO

H

H

OH

CC

OH

OH

H

H2R,3S 2S,3S2S,3R

CC

OH

H

H

HO

2R,3R

peili peili

Identtisiä =mesoyhdiste

Enantiomeereja

CO2H

CO2H HO2C

HO2C

HO2C

CO2H HO2C

CO2H

Tehtävä 3. Onko cis-1,2-dimetyylisyklobutaanilla stereokeskuksia? Onko se kiraalinenyhdiste?Tehtävä 4. Millä seuraavista yhdisteistä on mesoyhdiste?(a) 2,3-dibromibutaani (b) 2,3-dibromipentaani (c) 2,4-dibromipentaani

6.6 Yhdisteet, joilla on useita kiraliakeskuksia

Yhdisteellä, jolla on n kiraliakeskusta, optisten isomeerien maksimimäärä on 2n.Esimerkiksi kolesterolilla on 8 asymmetristä hiiltä, joten sillä on 28 = 256stereoisomeeria ja 128 enantiomeeriparia. Paklitakseli (Taxol) on tehokas syöpälääke,jolla on 11 kiraliakeskusta, ja siten 211 = 2048 stereoisomeeria.

Tehtävä. Kuinka monta stereokeskusta on seuraavilla lääkeaineilla? Merkitse niidensijainti *:lla.

6.7 Raseemiset seokset; stereoisomeerien fysikaaliset ominaisuudet

Monet orgaaniset reaktiot tuottavat yhdisteitä, joissa on stereokeskuksia. Synteettisestivalmistetut yhdisteet ovat usein stereoisomeerien seoksia. Esimerkiksi HBr:n additio 2-buteeniin tuottaa 2-bromibutaania, joka on kiraalinen yhdiste. Reaktion ensimmäisessävaiheessa muodostuu karbokationi, joka reagoi toisessa vaiheessa nukleofiilin (Br-)kanssa. Karbokationi on tasomainen ja nukleofiili voi liittyä kummalta puoleltatahansa ja tuotteena saadaan kahden enantiomeerin raseeminen seos. Raseeminen seossisältää yhtä paljon kumpaakin enantiomeeria ja sen ominaiskierto on 0 . Raseeminenseos ilmoitetaan yhdisteen nimen edessä merkinnällä ( ). Enantiomeereilla (+) ja ( )

42

on samat fysikaaliset ominaisuudet (mm. sulamispiste, tiheys ja liukoisuus) lukuunottamatta kykyä kiertää tasopolaroitua valoa.

Enantiomeerien fysiologiset ominaisuudet ovat erilaiset. Esimerkiksi asparagiini-aminohapon S-isomeeri maistuu karvaalta, kun taas R-muoto vastaavasti makealta.Limoneenin S-muoto maistuu appelsiinilta kun taas sen R-muoto on sitruunanmakuinen. Raseemisen seoksen samoin kuin mesomuodon fysikaaliset ominaisuudetovat erilaiset kuin puhtaan enantiomeerin. Luonnon aineet esiintyvät yleensä puhtainaenantiomeereina, esim. L-aminohapot. Sen sijaan synteettisesti valmistetut yhdisteetovat usein raseemisia seoksia.

Raseemisen seoksen enantiomeerien erottaminenRaseemisen hapon (tai emäksen) seos voidaan erottaa valmistamalla suola kiraalisenemäksen (tai hapon) avulla. Muodostuvat suolat ovat toistensa diastereomeerejä eli neovat eri yhdisteitä ja niillä on erilaiset kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet. Suolatovat erotettavissa toisistaan kiteyttämällä. Esimerkikisi maitohapon raseeminen seosvoidaan erottaa (R)-1-fenyylietyyliamiinin avulla.

Suola voidaan vapauttaa HCl:lla.

6.8 Isomeria: yhteenveto

Isomerialla tarkoitetaan sitä, jos yhdisteellä on sama molekyylikaava mutta erilainenrakennekaava. Isomeriaa on kahta perustyyppiä: rakenneisomeriaa ja stereoisomeriaa.

Konstituutio- eli rakenneisomeria

a) Ketju- eli runkoisomeerien hiiliketju on eri tavalla haaroittunut, vaikkamolekyylissä onkin sama määrä atomeja.

43

b) Funktioisomeria Esim. Alkoholi ja eetteri, joilla on molekyylikaava C4H10O

c) Paikkaisomeria. Esiintyy yhdisteillä joiden funktionaalinen ryhmä voi sijaita eripaikassa hiiliketjua tai aromaattista rengasta. Kyseeseen tulevat esimerkiksialkeenit, alkoholit, ketonit ja aromaattiset yhdisteet.

Stereoisomeria

a) Enantiomeerit (optinen isomeria eli peilikuvaisomeria).

b) Diastereomeerit (diastereomeria)

c) Geometriset isomeerit (cis-trans-isomeria, E,Z-isomeria)

6.9 Biomolekyylien ja lääkeaineiden kiraalisuus

Useat luonnonaineet ovat kiraalisia. Esim. (+)-Maitohappo muuttuu elimistössäpalorypälehapoksi (pyruvic acid) maitohappo dehydrogenaasi entsyymin vaikutuksesta.Vastaavasti (-)-maitohappo ei reagoi.

44

Dopa, 2-amino-3-(3,4-dihydroksifenyyli)propaanihappo, esiintyy kahtenasteroisomeerina, joista vain toinen on aktiivinen. L-dopa on dopamiinin esiaste ja sitäkäytetään Parkinsonin taudin hoidossa. Sen enantiomeeri D-dopa on inaktiivinen.

Useat lääkeaineet ovat kiraalisia. Esim. penisilliinissä on kolme kiraliakeskusta, minkävuoksi synteettinen valmistus lääketeollisuuden käyttöön on hankalaa. Siksi suuriamääriä penisilliiniä tuotetaan homeviljelmissä. Tavallisimmin käytetään Penicilliumchrysogenum-hometta. Monia synteettisiä lääkeaineita käytetään raseemisina seoksina.Esim. ibuprofeeni [2-(4-isobutyylifenyyli)propaanihappo] on raseeminen yhdiste, jokaesiintyy kahtena enantiomeerina, joita kumpaakin on ibuprofeenissa yhtä paljon ennenlääkkeen imeytymistä elimistöön. Näistä vain S(+)-enantiomeeri (deksibuprofeeni) onfarmakologisesti aktiivinen. Toinen, R(-)-enantiomeeri, lievittää kipua vain siltä osinkuin se muuttuu elimistössä deksibuprofeeniksi.

Ikävänä muistutuksena isomeerien erottelun tärkeydestä voidaan mainita talidomidinisomeerit, jonka R-muoto ehkäisee pahoinvointia ja S-muoto aiheuttaa sikiönepämuodostumia.

7. Alkyylihalidit l. halogeenihiilivedytAlkyylihalidit ovat yhdisteitä, joissa halogeeniatomi (fluori, kloori, bromi tai jodi) onliittynyt alkaanin sp3-hybridisoituneeseen hiiliatomiin. Alkyylihalideja käytetään mm.liuottimina (1,2-dikloorietaani), anestesialääkkeinä (halotaani) ja lämmönsiirtoonkylmälaitteissa (Freon 12).

1,2-dikloorietaani(liuotin)

Halotaani(anestesiakaasu)

Freon 12(ponnekaasu,jäähdytinaine)

7.1 Alkyylihalidien nimeäminen

Alkyylihalidit nimetään kuten alkaanit. Valitaan pisin ketju, joka nimetään janumeroidaan niin, että substituentit saavat mahdollisimman alhaiset paikkanumerot.Samanlaiset halogeeniatomit ja muut substituentit ilmoitetaan etuliitteellä di-, tri-,tetra-,...

45

Yksinkertaiset alkyylihalidit voidaan nimetä myös halogenideiksi. Esim.kloorimetaani, CH3Cl, voidaan nimetä myös metyylikloridiksi.

Tehtävä. Nimeä seuraavat alkyylihalidit

7.2 Alkyylihalidien valmistus

1. Vetyhalidin additio kaksoissidokseen

2. Halogeenin additio kaksoissidokseen

3. Alkaanin halogenointi (radikaalimekanismilla tapahtuva substituutio). Esim.metaanin klooraus, joka tapahtuu fotokemiallisesti ultraviolettivalon (u )katalysoimana.

Reaktio tapahtuu kolmessa vaiheessa: (1) kloorimolekyyli hajoaa valon vaikutuksestaklooriradikaaleiksi (Cl ); (2) Cl sitoo metaanista vetyatomin, jolloin syntyy

metyyliradikaali ( CH3); (3) Kun CH3 reagoi kloorimolekyylin kanssa saadaanmetyylikloridia ja uusi klooriradikaali. Ketjureaktiot (2) ja (3) jatkuvat kunnesreagenssit ovat kuluneet loppuun tai radikaalit reagoineet keskenään ns.päätereaktiossa.

Aloitusreaktio:Ketjureaktiot:

Päätereaktiot:

Kokonaisreaktio:

Metaanin klooraus on ketjureaktio, jota on vaikea pysäyttää määrätyllekloorautumisasteelle. Käytännössä alkaanin kloorausreaktiossa syntyy eriasteistenkloorattujen hiilivetyjen seos.

46

Butaanin kloorausreaktiossa syntyy kaksi monoklooributaania ja lisäksi di-, tri-,tetrakloori- ja muita polyklooributaani-isomeereja.

Tehtävä. Piirrä kaikki 2-metyylibutaanin kloorauksessa syntyvät monokloorituotteet.

7.3 Alkyylihalidien valmistus alkoholeista

Alkyylihalideja valmistetaan alkoholeista vetyhalidien (HCl, HBr, HI) avulla.

Tertiääriset alkoholit (esim. t-butanoli) reagoivat parhaiten. Sekundääriset japrimääriset alkoholit (esim. metanoli) reagoivat hitaasti.

Alkoholeista saadaan alkyylihalideja hyvällä saannolla tionyylikloridin (SOCl2) taifosforitribromidin (PBr3) avulla.

Tehtävä. Ennusta seuraavien reaktioiden tuotteet.

7.4 Alkyylihalidien reaktiot: Grignardin reagenssit

Hiilen ja halogeenin välinen sidos on polaarinen ja siksi yleensä reaktiokykyinen.Alkyylihalidit reagoivat magnesiummetallin kanssa kuivassa eetteriliuoksessa, jolloinsaadaan ns. Grignardin reagenssia, RMgX. Grignardinin reagenssia sanotaan sensisältämän metalli-hiilisidoksen perusteella organometalliyhdisteeksi.

Esim.

Grignardin reagenssit ovat erittäin tärkeitä ja hyödyllisiä synteesien lähtöaineita. Hiili-magnesiumsidos on voimakkaasti polaroitunut niin, että hiiliatomi saa negatiivisenvarauksen ja on voimakas nukleofiili. Nukleofiilit voivat luovuttaa elektroneja ja sitenne ovat myös Lewisin emäksiä.

Nukleofiilisestä luonteesta johtuen Grignardin reagenssi voi reagoida lukuistenelektrofiilien kanssa. Grignardin reagenssit reagoivat veden, alkoholien, fenolien jaamiinien kanssa ja hajoavat alkaaneiksi.

47

Synteettisesti tärkeitä ovat erityisesti reaktiot karbonyyli-yhdisteiden kanssa, jolloinsaadaan alkoholeja.

Tehtävä. Millä tavalla voit valmistaa metyylisykloheksaania 1-metyylisykloheksanolista?

7.5 Nukleofiiliset substituutioreaktiot

Nukleofiiliset substituutioreaktiot ovat reaktioita, missä nukleofiili vaihtuu toiseen.Substituutioreaktio voi tapahtua kahdella eri tavalla: SN1- tai SN2-mekanismilla (SN

=substitution nucleophilic). Nukleofiili (Nu: tai Nu: ) reagoi substraatin R-X kanssa jakorvaa lähtevän ryhmän X: , joka irtoaa nukleofiilisessa susbstituutioreaktiossa. Josnukleofiili on neutraali (Nu:), silloin tuote on positiivisesti varautunut. Jos taas nukleofiili(Nu: ) on negatiivisesti varautunut, tuote on neutraali.

Nu: + R—X R—Nu+ + X:

Nu: + R—X R—Nu + X:

Nukleofiilisella substituutiolla voidaan valmistaa lukuisia reaktiotuotteita. Esimerkiksibromimetaani voi reagoida seuraavien nukleofiilien kanssa:

CH3Br + CH3S– CH3-S-CH3 (dimetyylisulfidi)

CH3Br + HS– H-S-CH3 (metaanitioli)

CH3Br + CN– CH3CN (asetonitriili)

CH3Br + I– CH3I (jodimetaani)

CH3Br + OH– CH3OH (metanoli)

CH3Br + CH3O– CH3-O-CH3 (dimetyylieetteri)

CH3Br + CH3CO2– CH3CO2CH3 (metyyliasetaatti)

CH3Br + NH3 CH3NH3+Br– (metyyliammoniumbromidi)

Reaktioon osallistuu substraatti (alkyylihalidi) ja siitä lähtevä ryhmä (halogeeni) jahyökkäävä ryhmä (nukleofiili). Nukleofiiliset substituutiot ovat tärkein reaktiotyyppi.

Tehtävä 1. Mikä substituutiotuote syntyy 1-klooripropaanin reagoidessanatriumhydroksidin kanssa?

Tehtävä 2. Kuinka valmistaisit 1-propaanitiolia, CH3CH2CH2SH, nukleofiilisellasubstituutioreaktiolla?

8. Alkoholit, eetterit ja fenolitAlkoholit, eetterit ja fenolit ovat yhdisteitä, joissa sp3-hybridisoitunut hiiliatomi liittyyyksinkertaisella (tyydyttyneellä) sidoksella happiatomiin. Niiden voidaan ajatellaolevan vesimolekyylin johdoksia, missä vetyatomi (t. vetyatomit) on korvattu jollakinorgaanisella ryhmällä.

Alkoholit, eetterit ja fenolit esiintyvät runsaina luonnossa ja niillä on useitafarmaseuttisia ja teollisia käyttötarkoituksia. Esim. mentoli (piparminttuöljynainesosa), BHT (ruoan hapettumisen estoaine) ja dietyylieetteri (käytettyanestesialääkkeenä).

48

8.1 Alkoholien, fenolien ja eetterien nimeäminen

AlkoholitAlkoholit voidaan luokitella primäärisiin, sekundäärisiin ja tertiäärisiin alkoholeihin:

Nimeäminen: Pisin OH-ryhmän sisältävä hiiliketju nimetään perushiilivedyn mukaanja aani-pääte korvataan oli-päätteellä. Hiiliketju numeroidaan siten, että OH-ryhmä saamahdollisimman alhaisen numeron.

Yksinkertaisimmista alkoholeista käytetään triviaalinimiä: esim. metyyli-, etyyli-,isopropyyli-, tert-butyyli-, bentsyylialkoholi.

Diolit sisältävät kaksi OH-ryhmää ja triolit kolme OH-ryhmää.

FenolitYleisesti hydroksibentseeneistä käytetään nimeä fenoli, joskin monista yhdisteistäkäytetään triviaalinimeä. Numerointi aloitetaan OH-hiilestä. Triklosaani onantibakteerinen aine, joka on sekä fenoli että eetteri.

EetteritYksinkertaiset eetterit nimetään siten, että happiatomiin liittyneet ryhmät saavat yyli-päätteen ja näin saatuun nimeen liitetään eetteri-pääte. Supermyrkky TCDD onrakenteeltaan eetteri.

Jos molekyylissä on useampia eetteri- tai muita funktionaalisia ryhmiä, eetteriryhmä (-OR) nimetään alkoksisubstituenttina.

49

CH3O- , (MeO-) metoksi (CH3)3CO- tert-butoksi

CH3CH2O-, (EtO-) etoksi C6H5O- fenoksi

Tehtävä 1. Nimeä seuraavat alkoholit.

Tehtävä 2. Nimeä seuraavat eetterit.

8.2 Alkoholien fenolien ja eetterien ominaisuudet

Alkoholit, fenolit ja eetterit ovat vesimolekyylin johdoksia, missä vetyatomin(vetyatomien) tilalla on jokin orgaaninen ryhmä. Siten niillä on sama geometria kuinvedellä, jossa happi on sp3-hybridisoitunut ja R-O-H ja R-O-R sidoksilla on sitentetraedrinen sidoskulma. Esimerkiksi dimetyylieetterillä C-O-C kulma on 112 .

Elektronegatiivisen happiatomin vuoksi happea sisältävät ryhmät ovat polaarisia.Happiatomi varautuu lievästi negatiivisesti ja hiiliatomi positiivisesti. Polaroitumisentakia OH-ryhmien happiatomit muodostavat vetysidoksia toisten molekyylien OH-ryhmien vetyatomin kanssa. Vetysidoksien takia alkoholien ja fenolien kiehumispisteetovat korkeampia kuin samanpainoisilla hiilivedyillä. Alkoholeista metanoli, etanoli,propanolit ja tert-butanoli liukenevat täydellisesti veteen.

Nimi Kaava Kiehumispiste °C VesiliukoisuusPropanoli CH3CH2CH2OH 97 täysin liukevaButanoli CH3CH2CH2CH2OH 117 8g/100mlPentanoli CH3CH2CH2CH2CH2OH 136-139 2,4g/100mlOktanoli CH3(CH2)7OH 194.5 54mg/100mlDietyylieetteri CH3CH2OCH2CH3 35 8g/100mlPentaani CH3CH2CH2CH2CH3 36 0g/10ml

8.3 Alkoholien ja fenolien happamuus

Alkoholit ja fenolit (kuten vesi) ovat molemmat heikkoja happoja ja heikkoja emäksiä.Alkoholit voivat toimia Lewisin emäksinä ja protonoitua, jolloin niistä syntyyoksoniumioneja, ROH2

+.

50

Toimiessaan heikkoina happoina alkoholit ja fenolit voivat toimia protoninluovuttajina.

Alkoholit reagoivat alkalimetallien, kuten kaliumin ja natriumin, kanssa muodostaenalkoksideja, jotka ovat vahvoja emäksiä.

2 Na + 2 CH3OH 2 CH3O– Na+ + H2Natriummetoksidi

2 K + 2 CH3CH2OH 2 CH3CH2O– K+ + H2Kaliumetoksidi

Fenolit ovat happamampia kuin alkoholit, koska aromaattinen rengas vetää elektronejapuoleensa ja pystyy jakamaan negatiivisen varauksen aromaattiseen renkaaseen.

Fenolit liukenevat NaOH:n vesiliuoksiin, jolloin syntyy fenoksidi-ioneja.

Substituoidut fenolit voivat olla happamampia tai emäksisempiä kuin fenoli. Fenolissaoleva elektroneja puoleensa vetävä substituentti, esim. nitro-ryhmä, lisää fenolinhappamuutta. Vastaavasti fenoli, joka sisältää elektroneja luovuttavan ryhmän, esim.alkyyliryhmän, on vähemmän hapan.

Elektroneja luovuttaviasubstituenttteja

Elektroneja puoleensa vetäviäsubstituentteja

Nimi Kaava pKa

t-butyylialkoholi (CH3)3COH 18

etanoli CH3CH2OH 16

metanoli CH3OH 15.5

vesi H2O 15.74

2,2,2-trifluorietanoli CF3CH2OH 12.4

p-metyylifenoli CH3C6H4OH 10.17

fenoli C6H5OH 9.89

p-nitrofenoli NO2C6H4OH 7.15

Tehtävä 1. Kumpi on happamampi, p-metyylifenoli vai p-syanofenoli?Tehtävä 2. Aseta seuraavat yhdisteet kasvavan happamuuden mukaiseen järjestykseen:bentsyylialkoholi, p-bromifenoli, 2,4-dibromifenoli, p-metoksifenoli.

8.4 Alkoholien synteesi alkeeneista

Alkoholeja voidaan valmistaa useista funktionaalisista ryhmistä: alkeeneista,alkyylihalideista, ketoneista, aldehydeistä ja estereistä. Alkeeneista alkoholeja voidaanvalmistaa alkoholien hydraatiolla eli veden additiolla kaksoissidokseen happamassaliuoksessa. Hydraatio noudattaa Markovnikovin sääntöä, joten näin saadaan

51

sekundäärisiä tai tertiäärisiä alkoholeja (poikkeus, eteenistä saadaan etanolia, ks.kappale 4.4).

8.5 Alkoholien valmistus karbonyyli-yhdisteistä

Karbonyyliyhdisteitä voidaan pelkistää liittämällä hydridi-ioni (H-) karbonyyliryhmänhiiliatomiin, jolloin saadaan alkoholeja. Hydridi-ioneja luovuttavia hydrausreagenssejaovat metallihydridit kuten natriumboorihydridi, NaBH4 ja litiumaluminiumhydridi,LiAlH4.

Pelkistämällä aldehydejä ja ketonejaAldehydien ja ketonien pelkistämiseen alkoholeiksi käytetään hydrausreagenssinayleensä natriumboorihydridiä, NaBH4, koska se on turvallisempaa käyttää kuinreaktiivisempi litium-aluminiumhydridi, LiAlH4. Aldehydeistä saadaan primäärisiäalkoholeja ja ketoneista sekundäärisiä alkoholeja.

1. NaBH4

2. H3O+C H

O

butanaali(aldehydi)

1-butanoli(primäärinen alkoholi)

C H

O H

H

Pelkistämällä estereitä ja karboksyylihappojaEsterit ja karboksyylihapot voidaan pelkistää primäärisiksi alkoholeiksi, jolloinpelkistimenä käytetään litiumaluminiumhydridiä, LiAlH4.

Tehtävä. Ennusta seuraavan reaktion tuote?

.

8.6 Alkoholien reaktiot

DehydraatioAlkoholeista voidaan lohkaista vettä väkevän rikkihapon avulla, jolloin saadaanalkeeneja. Helpoiten veden lohkaisu tapahtuu tertiäärisistä alkoholeista E1-mekanismilla: Vahva happo protonoi OH-ryhmän, jolloin vesimolekyyli irtoaa jasyntyy karbokationi. Viereisen hiilen protoni irtoaa ja kaksoissidos pyrkiimuodostumaan siihen hiileen jossa on vähemmän vetyatomeja (Zaitsevin sääntö, ks.kappale 4.8).

52

Alkoholien hapettaminenPrimääriset alkoholit hapettuvat aldehydeiksi ja edelleen karboksyylihapoiksi.Sekundäärisistä alkoholeista saadaan hapettamalla ketoneja. Hapettimena voi toimiakromitrioksidi (CrO3) tai natriumdikromaatti (Na2Cr2O7). Tertiääriset alkoholit eiväthapetu.

Erikoishapettimilla, esim. PCC (pyridiniumkloorikromaatti), saadaan hapettuminenpysähtymään aldehydiasteelle.

Tehtävä. Mikä tuote syntyy bentsyylialkoholin reagoidessa CrO3:n kanssa? Entä joshapetusreagenssina käytetään pyridiniumkloorikromaattia (PCC)?

8.7 Fenolien synteesi ja reaktiot

Fenoleja valmistetaan kaksivaiheisella reaktiolla aromaattisista yhdisteistävalmistamalla ensin aromaattista sulfonihappoa, josta NaOH:n avulla korkeassalämpötilassa saadaan fenolia.

Elektrofiiliset aromaattiset substituutioreaktiotFenolinen OH-ryhmä on aktivoiva, orto-para-ohjaava substituentti, joten fenoleilleovat tyypillisiä orto- ja para-asemiin tapahtuvat elektrofiiliset aromaattisetsubstituutio-reaktiot. Fenoli voidaan esim. halogenoida, nitrata tai sulfonoida.

Tehtävä. p-Metyylifenolia (p-kresolia) käytetään mm. antiseptisena aineena. Mitenvalmistaisit p-metyylifenolia bentseenistä?

53

8.8 Sykliset eetterit ja epoksidit

Sykliset eetterit, 1,4-dioksaani ja tetrahydrofuraani (THF), ovat heterosyklisiäinerttejä nestemäisiä yhdisteitä joita käytetään mm. liuottimia. Furaani onheterosyklinen aromaattinen eetteri, jota esiintyy mm. puuöljyssä.

Kolmirenkaisia syklisiä eettereitä sanotaan epoksideiksi tai oksiraaneiksi. Epoksidejasaadaan alkeeneista peroksihappojen (RCO3H) avulla. Teollisesti eteenistävalmistetaan etyleenioksidia (1,2-epoksietaania).

Epoksidit poikkeavat kemiallisilta ominaisuuksiltaan eettereistä, koska epoksidirengasaukeaa helposti. Etyleeniglykolia (käyt. jäähdytysnesteenä autoissa) valmistetaanetyleenioksidia hydrolysoimalla hapon läsnäollessa.

Epoksidirenkaan aukeaminen tapahtuu SN2-mekanismilla aivan kuten alkeeninbromausreaktio (kappale 4.5). Epoksidi protonoituu ja vesimolekyyli (nukleofiili)liittyy epoksidihiileen vastakkaiselta puolelta, samalla rengas aukeaa ja syntyy trans-dioli.

Tehtävä 1. Mikä tuote syntyy cis-2-buteenin reagoidessa m-klooriperoksibentsoehaponkanssa?

Tehtävä 2. Mikä tuote syntyy kun 1,2-epoksisykloheksaani aukeaa dioliksi?

8.9 Tiolit, sulfidit, sulfoksidit ja sulfonit

Rikki kuuluu saamaan ryhmään jaksollisessa järjestelmässä kuin happi ja muodostaasiten samankaltaisia yhdisteitä. Tiolit (R-SH) ja sulfidit (R-S-R’) ovat analogisiaalkoholien ja eetterien kanssa. Tiolit nimetään samaan tapaan kuin vastaavatalkoholit, mutta oli-pääte korvataan tioli-päätteellä. Tiolien triviaalinimi onmerkaptaani, jonka eteen liitetään alkyyliryhmän nimi. SH-ryhmää sanotaanmerkapto-ryhmäksi ja biokemiassa myös sulfhydryyli-ryhmäksi

Sulfidit nimetään kuten eetterit korvaamalla eetteri-pääte sulfidi-päätteellä. Myösnimitystä tioeetteri käytetään. Substituenttina olevaa -S-R ryhmää nimitetäänalkyylitio-ryhmäksi. Sulfoksidit ja sulfonit ovat sulfidien hapetustuotteita. Esim.dimetyylisulfoksidi on rikkiyhdiste, joissa on rikkiatomissa kiinni kaksoissidoksellayksi happiatomi ja vastaavasti dimetyylisulfonissa on kaksi happiatomia.

Tioleja valmistetaan alkyylihalideista ja natriumvetysulfidista SN2-reaktiolla.

Tiolit ovat epämiellyttävän hajuisia yhdisteitä (mm. selluloosatehtaan päästöt,suolistokaasut, haisunäädän haju, valkosipuli). Tiolit voidaan hapettaa disulfideiksi.

54

Proteiineissa esiintyy disulfidi-siltarakenteita kysteiini-aminohappojen välillä, jotkastabiloivat ja pitävät yllä proteiinien kolmiulotteista rakennetta.

Tehtävä. Nimeä seuraavat yhdisteet.

9 Aldehydit ja ketonit: nukleofiiliset additioreaktiot

Eräs tärkeimmistä funktionaalisista ryhmistä on karbonyyli-ryhmä (C=O), jokaesiintyy monissa luonnonaineissa, farmaseuttisissa molekyyleissä ja synteettisissäkemikaaleissa. Ohessa esimerkkejä erilaisista karbonyyliyhdisteistä:

nH3C

CO

CH3 H3CCO

OH

NC

O

CH3

H

HO O

O

O

O*

*

asetoni(liuotin)

etikkahappo(viinietikassa)

parasetamoli(särkylääke)

Dacron(polyesteri)

CH2CH2

9.1 Karbonyyliyhdisteet

Karbonyyliyhdisteet sisältävät asyyliosan, RCO-, joka on sitoutunut johonkin muuhunatomiin: hiileen, happeen, halogeeniin tai typpeen.

Nimi Kaava Pääte

Aldehydi -aali

Ketoni -oni

Karboksyylihappo -happo

Happokloridi -yylikloridi

Happoanhydridi -anhydridi

Esteri -aatti

Amidi -amidi

Tehtävä. Esitä molekyylien rakenteet annettujen tietojen perusteella.(a) ketoni, C5H10O (b) aldehydi, C6H10O(c) syklinen ketoni, C5H8O (d) aryyliketoni, C9H10O

9.2 Karbonyyliryhmän rakenne ja ominaisuudet

Karbonyyliryhmän hiili- ja happiatomi ovat sp2-hybridisoituneet, joten niillä onkolme sp2-orbitaalia, joista yhdellä ne muodostavat -sidoksen ja p-orbitaaleilla -sidoksen, aivan kuten alkeeneissa. Hapen kaksi vapaata elektroniparia miehittävätjäljellä olevat sp2-orbitaalit. Karbonyyliryhmän atomit ovat tasossa ja atomien välisetsidoskulmat ovat n. 120 . Karbonyylisidos on lyhyempi kuin yksinkertainen C–O-sidos.

55

Hiili-happi kaksoissidos on polaroitunut, johtuen hapen elektronegatiivisuudesta.Koska karbonyylihiili on positiivisesti varautunut, se on molekyylin elektrofiilinenosa (Lewis happo), johon nukleofiilit pyrkivät reagoimaan. Vastaavastikarbonyylihappi on negatiivisesti varautunut ja se on molekyylin nukleofiilinen osa(Lewis emäs).

9.3 Aldehydien ja ketonien nimeäminen

Aldehydien systemaattiset nimet muodostetaan korvaamalla vastaavan hiilivedyn aani-pääte aali-päätteellä. Ketjun numerointi aloitetaan karbonyylihiilestä (-CHO).Triviaalinimet perustuvat vastaavien happojen nimiin, jolloin nimen lopussa onaldehydi-pääte.

Rakenne triviaalinimi systemaattinen nimi

formaldehydi metanaali

asetaldehydi etanaali

(akroleiini) 2-propenaali

bentsaldehydi bentseenikarbaldehydi

Jos CHO-ryhmä on substituenttina, yhdiste voidaan nimetä karbaldehydi-päätteellätai liittämällä nimen eteen formyyli-ryhmäksi.

Ketonien systemaattiset nimet muodostetaan -oni-päätteellä, jonka sijainti ilmoitetaanpaikkanumerolla. Ketonien triviaalinimet saadaan nimeämällä karbonyyliryhmäänkiinnittyneet ryhmät ja liittämällä näin saatuun nimeen ketoni-pääte.

Rakenne triviaalinimi systemaattinen nimi

asetoni propanoni

metyylietyyliketoni butanoni

CO

CH3 asetofenoni (fenyylimetyyliketoni)

bentsofenoni difenyyliketoni

56

Kun -COR-ryhmä on substituenttina, siitä käytetään nimitystä asyyli-ryhmä: -COCH3

on asetyyli-, -CHO on formyyli-, -COC6H5 on bentsoyyliryhmä.

Kun karbonyylihappi (=O) on substituenttina (esim. kun yhdisteessä on jo toinenketoniryhmä) se nimetään okso-etuliitteellä.

Tehtävä. Nimeä seuraavat aldehydit ja ketonit.

9.4 Aldehydien ja ketonien synteesi

1. Alkoholien hapettaminen (kappale 8.7)

2. Aromaattisten yhdisteiden Friedel-Crafts asylointi (kappale 5.8)

Tehtävä. Kuinka valmistaisit: (a) asetofenonia bentseenistä, (b) pentanaalia 1-pentanolista?

9.5 Aldehydien hapettaminen

Aldehydit hapettuvat helposti karboksyylihapoiksi. Eräät aromaattiset aldehydit(bentsaldehydit) hapettuvat jopa ilman hapen vaikutuksesta.

Kun aldehydi hapettuu kupari(II)oksidin vaikutuksesta karboksyylihapoksi saostaensamalla punaista kupari(I)oksidia, sanotaan reaktioita Fehlingin liuoskokeeksi (ksharjoitustyömoniste s. 26).

Aldehydit hapettuvat myös ammoniakaalisessa liuoksessa hopea(I)-ionien avulla,jolloin hopean pelkistyessä muodostuu hopeapeili. Tätä hopeapeilikoetta sanotaanmyös Tollensin reaktioksi ja sitä käytetään aldehydien kvalitatiiviseen osoittamiseen.

Tehtävä. Mitä syntyy kun 3-metyylibutanaalin annetaan reagoida Tollensin reagenssinkanssa?

9.6 Aldehydien ja ketonien reaktiot: nukleofiiliset additiot

Nukleofiiliset additioreaktiot ovat tärkeimpiä aldehydien ja ketonien reaktioita. Siinänukleofiili (Nu: tai Nu:–) liittyy karbonyylihiileen. Nukleofiili voi olla esim.hydroksidi-ioni (OH–), hydridi-ioni (H–), karbanioni (R3C–), vesi (H2O), ammoniakki(H3N) tai alkoholi (ROH).

57

Nukleofiilisessa additioreaktiossa nukleofiili muodostaa elektroneillaan uudensidoksen karbonyyli-hiileen, jolloin sidos-elektronipari siirtyy hapelle. Samalla C=Okaksoissidos muuttuu yksinkertaiseksi eli sp2-hybridisaatio muuttuu sp3:ksi. Kunprotoni liittyy anioniin, saadaan lopputuotteena alkoholia.

Tehtävä. Mitä tapahtuu asetaldehydin ja hydroksidi-ionin välisessä nukleofiilisessaadditioreaktiossa?

9.7 Veden nukleofiilinen additio

Aldehydit ja ketonit reagoivat veden kanssa muodostaen 1,1-dioleja eli geminaalisiadioleja. Aldehydin tai ketonin geminaaliset diolit eivät ole pysyviä, vaan ne ovatvesiliuoksissa tietyssä tasapainossa.

Esim. asetoni on 99,9% ketonimuodossa ja vain 0,1% on diolimuodossa, kun taasformaldehydi on vesiliuoksessa lähes täydellisesti diolimuodossa.

Tehtävä. Vesiliuoksessa triklooriasetaldehydi (kloraali, CCl3CHO) esiintyygeminaalisena diolina, kloraalihydraattina, joka tunnetaan unilääkkeenä ja”tyrmäystippoina”. Piirrä kloraalihydraation rakenne?

9.8 Alkoholin nukleofiilinen additio

Ketonit ja aldehydit reagoivat alkoholien kanssa hapon läsnäollessa, jolloin muodostuuasetaaleja, R2C(OR’)2.

RCO

R2 R'OH

RC

R+

asetaali

H+ O OR'

R'

Reaktion välituotteena syntyy hemiasetaali, jossa hiiliatomiin on liittynyt yksi -OR’-ryhmä ja yksi -OH-ryhmä.

Sokerit voivat muodostaa syklisiä pyranoosi- ja furanoosirenkaita, joissa on pysyvähemiasetaalirakenne. Esimerkiksi D-glukoosi muodostaa syklisenglykopyranoosirenkaan.

Tehtävä. Mitä tuotetta syntyy 3-metyylisyklopentanonin ja metanolinhappokatalysoidussa reaktiossa?

58

9.9 Amiinin nukleofiilinen additio

Ammoniakki, NH3, ja primääriset amiinit, R-NH2, reagoivat aldehydien ja ketonienkanssa, jolloin saadaan yhdisteitä, joilla on hiili-typpikaksoissidos. Tällaista yhdistettäsanotaan imiiniksi tai Schiffin emäkseksi.

Jos imiinin typpiatomi on liittynyt happiatomiin (R3=OH t. OR) on yhdiste silloinoksiimi, ja jos typeen on liitynyt toinen typpiatomi (R3=NR ), on yhdiste nimeltäänhydratsoni. Aldehydit ja ketonit muodostavat helposti 2,4-dinitrofenyylihydratsoneja, jotka ovat kiinteitä yhdisteitä ja niitä käytetäänaldehydien ja ketonien identifiointiin ja eristämiseen (ks. harjoitustyömoniste).

Tehtävä. Mikä tuote syntyy 2-butanonin reagoidessa hydroksyyliamiinin NH2OHkanssa?

9.10 Alkoholien valmistaminen Grignard-reagenssin avulla

Kun alkyylihalidista ja magnesiumista kuivassa eetteriliuoksessa valmistettuGrignard-reagenssi, RMgX, reagoi nukleofiilisella additiolla karbonyyliyhdisteidenkanssa, saadaan alkoholeja. Reaktio muistuttaa aldehydien pelkistystä NaBH4:lla(Kappale 8.5).

Grignardin reagenssin hiili-magnesium-sidos on polaroitunut niin, että hiili onnegatiivisesti varautunut ja nukleofiilinen. Siksi Grignardin reagenssit reagoivatkarbonyyliyhdisteiden, kuten aldehydien ja ketonien kanssa. Reaktiossa syntyy ensinmagnesiumalkoksidi (ROMgX), joka protonoituu hapon vesiliuoksessa alkoholiksi.Kun formaldehydi, H2C=O reagoi Grignardin reagenssien kanssa, saadaan primäärisiäalkoholeja.

Aldehydeistä saadaan sekundäärisiä alkoholeja ja ketoneista tertiäärisiä alkoholeja.

Grignardin reagenssit ovat erittäin reaktiivisia ja reagoivat välittömästi mm.alkoholien, karboksyylihappojen, amiinien kanssa, joten näitä funktionaalisia ryhmiäei saa olla läsnä

Tehtävä. Kuinka valmistaisit 2-fenyyli-2-propanolia, (a) asetonista, (b) asetofenonista?

59

9.11 Keto-enolitautomeria ja aldolikondensaatio

Karbonyyliyhdisteet (aldehydit, ketoni, karboksyylihapot ja niiden johdokset) voivattoisiintua enolimuodokseen. Tätä ilmiötä, jossa kaksi isomeeristä molekyylirakennettamuuttuu toisikseen, sanotaan tautomeriaksi.

Normaaliolosuhteissa ketoni- ja aldehydiliuoksissa vallitsee karbonyyliyhdisteenketomuodon ja enolimuodon välillä tasapaino. Tasapaino on yleensä vahvasti keto-muodon puolella. Fenoleilla enolimuoto on stabiili. Keto-enolitautomeriaa katalysoivathapot ja emäkset. Enolimuoto voi olla pysyvä konjugoituneissa rakenteissa tai jos OH-ryhmä muodostaa sisäisen vetysidoksen.

AldolikondensaatioKarbonyyliryhmän viereinen -vety on hapan (pKa 20) ja emäs voi vastaanottaaprotonin -hiileltä. Deprotonaatiossa muodostuu resonanssin stabiloima enolaatti-ioni.Aldehydit ja ketonit, joiden -hiiliatomissa on vetyä, dimeroituvat alkalisessaliuoksessa yhdisteiksi, joita aldehydin mukaan sanotaan aldoleiksi. Kun asetaldehydireagoi itsensä kanssa, se dimeroituu 3-hydroksibutanaaliksi (aldoli, -hydroksialdehydi). Aldolin muodostuminen on eksoterminen reaktio ja se jatkuuveden lohkeamisella, jos reaktioseosta ei jäähdytetä (lopputuotteesta käytetäännimitystä enoni.

Tehtävä. Ennusta aldolikondensaatiotuote kun lähtöaineena on: (a) propanaali, (b)asetoni.

10 Karboksyylihapot ja niiden johdokset

Karboksyylihapoille ja niiden johdoksille on tyypillistä, että asyyliryhmä onkiinnittynyt johonkin elektronegatiiviseen atomiin kuten happeen, halogeeniin,typpeen tai rikkiin. Myös nitriilit käyttäytyvät karboksyylihappojohdosten tavoin,vaikka ne eivät ole karbonyyliyhdisteitä.

Karboksyylihappo

AsyylikloridiHappokloridi Happoanhydridi

60

EsteriAmidi

Nitriili

10.1 Karboksyylihappojen ja niiden johdosten nimeäminen

Karboksyylihapot: RCOOHKarboksyylihappojen systemaattiset nimet muodostetaan lisäämällä vastaavanhiilivedyn nimeen happo-pääte. Usein karboksyylihapoista käytetään hapon alkuperääilmaisevaa triviaalinimeä.

Sitruunahappo on kolmearvoinen orgaaninen happo. Jos karboksyylihapporyhmä onsubstituenttina, siitä käytetään karboksyylihappo-päätettä.

Aromaattisista hapoista käytetään yleisesti triviaalinimiä:

Dikarboksyylihappojen systemaattinen nimi saadaan lisäämällä vastaavan hiilivedynnimeen dihappo-pääte.

Karboksyylihappojen suolojen (ja estereiden) nimet muodostetaan hapon nimestä aatti-päätteellä, esim. etikkahapon suolat ovat asetaatteja (etanoaatteja).

Karboksyylihappojen suolat ja asyyliryhmätRakenne Happo Suola Asyyliryhmä

HCOOH muurahaishappometaanihappo

formiaattimetanoaatti

formyyli, -CHOmetanoyyli

CH3COOH etikkahappoetaanihappo

asetaattietanoaatti

asetyyli, Acetanoyyli

CH3CH2COOH propionihappopropaanihappo

propionaattipropanoaatti

propionyylipropanoyyli

CH3CH2CH2COOH voihappobutaanihappo

butyraattibutanoaatti

butyryylibutanoyyli

(COOH)2oksaalihappoetaanidihappo oksalaatti oksalyyli

HOOCCH2COOHmalonihappo

proppaanidihappo malonaatti malonyyli

(CH2COOH)2meripihkahappobutaanidihappo

sukkinaatti(suksinaatti)

sukkinyyli(suksinyyli)

C6H5COOH bentsoehappo bentsoaatti bentsoyyli, Bz

61

Happokloridit: RCOClHappokloridit ovat karboksyylihappojen johdoksia, joissa OH-ryhmän tilalla onklooriatomi. Ne nimetään asyylihalideina korvaamalla happo-pääte yylikloridi-päätteellä. Happoklorideista käytetään yleisesti triviaalinimiä, esim. asetyylikloridi(etikkahapon happokloridi), oksalyylikloridi (oksaalihapon happokloridi).

Happoanhydridit: RCO2CORAnhydridit sisältävät kaksi happiatomiin liittynyttä asyyliryhmää ja ne nimetäänkorvaamalla happo-pääte anhydridi-sanalla.

etaanianhydridiasetanhydridi(acetic anhydride)

propaanianhydridi

CO

CO

OCO

CO

H3C O

O OO

sukkinianhydridimeripihkahappo-anhydridi

CO

CO

O

bentsoehappoanhydridi

O OO

maleiinianhydridimaleiinihappoanhydridi

O

O

Oftaalianhydridiftaalihappoanhydridi

CH2CH3H3CH2CCH3

Amidit: RCONH2Substituoitumattomien amidien nimet saadaan korvaamalla vastaavan hapon happo-pääte amidi-päätteellä

Substituoitujen amidien nimen eteen lisätään typpeen kiinnittyneet ryhmät N-alkyyli-tai N-aryyli-liitteellä.

Esterit: RCO2R’Nimi muodostetaan seuraavasti: nimen alkuosa (alkoholiosa) saadaan alkoholista yyli-päätteellä ja loppuosa johdetaan hapon nimestä aatti-päätteellä. Rengasrakenteisetesterit ovat nimeltään laktoneja (esim. gamma-butyroklaktoni ja C-vitamiini).

Esterin nimi voidaan muodostaa alkoholin ja hapon avulla seuraavasti:

Ftalaatit ovat ftaalihapon estereitä ja niitä käytetään muovien pehmentämiseen.Bis(2-etyyliheksyyli)ftalaatti (BEHP)

Nitriilit, R-CNNitriilien eli syanidien nimet saadaan vastaavan hiilivedyn nimestä nitriili-päätteellä.

Useiden nitriilien nimet voidaan johtaa vastaavan hapon nimestä:

62

Tehtävä. Nimeä seuraavat yhdisteet.

10.2 Karboksyylihappojen rakenne ja ominaisuudet

Karbonyyli- ja alkoholiryhmä tekevät karboksyylihapoista polaarisen.Karbonyyliryhmästä johtuen karboksyylihappo-ryhmään liittyneet atomit ovat samassatasossa ja niiden sidoskulmat ovat n. 120 .

Kuten alkoholit, karboksyylihapot muodostavat vetysidoksia C=O ja OH-ryhmienavulla ja esiintyvät nesteinä ja liuoksissa dimeereinä. Tästä johtuenkarboksyylihappojen kiehumispisteet ovat korkeampia ja ne liukenevat paremminveteen kuin samanmassaiset alkoholit, aldehydit tai ketonit.

Yhdiste Rakenne Kiehumispiste

Asetaldehydi CH3CHO 20°

Propanaali CH3CH2CHO 40°

Propanoli CH3CH2CH2OH 97°

Etikkahappo CH3CO2H 118°

Propaanihappo CH3CH2CO2H 141°

Muurahais-, etikka-, propaani- ja butaanihappo ovat täysin vesiliukoisia;pentaanihappo osittain ja muut karboksyylihapot ovat käytännössä veteenliukenemattomia.

10.3 Karboksyylihappojen happamuus

Karboksyylihapot ovat heikkoja happoja eli ne voivat protolysoitua eli luovuttaahelposti protonin jolloin niiden vesiliuos on hapan.

Karboksyylihapot reagoivat emästen, kuten NaOH:n kanssa, jolloin saadaankarboksyylihappojen suoloja, karboksylaatteja.

RCO2H +NaHCO3 RCO2– Na+ + CO2 + H2O

RCO2H + (CH3)3N: RCO2– (CH3)3NH+

63

Karboksyylihapot ovat huomattavasti heikompia happoja kuin mineraalihapot.Esimerkiksi etikkahapon pKa on 4.75, mikä tarkoittaa sitä, että 0,1 M liuoksessa vain1,3 % etikkahaposta on ionisoituneena. Elektronegatiiviset (elektroneja puoleensavetävät) substituentit lisäävät karboksyylihapon happamuutta. Esimerkiksikloorietikkahappo (pKa = 2.85) on 75 kertaa vahvempi kuin etikkahappo.

Happo rakenne pKa

Etanoli 16

Propaanihappo 4.9

Etikkahappo 4.75

Bentsoehappo 4.19

Kloorietikkahappo 2.85

Dikloorietikkahappo 1.48

Trikloorietikkahappo 0.64

Suolahappo H-Cl -7

Karboksyylihappojen happamuus johtuu siitä, että karboksylaattianionin (R-COO )negatiivinen varaus on delokalisoitunut eli -elektronit ovat levittäytyneet kahdenhappiatomin ja hiilen vaikutuspiiriin eli kummallakin happiatomeista on vain puoletkoko anionin negatiivisesta varauksesta.

Tehtävä 1. Kumpi on vahvempi happo, bentsoehappo vai p-nitrobentsoehappo?Tehtävä 2. Piirrä seuraavien reaktioden tuotteet

(a) bentsoehappo + NaOH ? (b) etikkahappo + NH3 ?Tehtävä 3. Aseta seuraavat yhdisteet kasvavan happamuuden mukaiseen järjestykseen:rikkihappo, metanoli, fenoli, p-nitrofenoli, etikkahappo.

10.4 Karboksyylihappojen valmistus

1. Alkyylibentseenien hapettaminen (5.8)

2. Alkoholien ja aldehydien hapettaminen (8.6, 9.5)

3. Nitriilien hydrolyysiKun niriilejä, R-CN, hydrolysoidaan happamassa tai emäksisessä liuoksessasaadaan karboksyylihappoja.

Nitriilejä valmistetaan alkyylihalideista substituutioreaktiolla syanidi-ionin (CN )toimiessa nukleofiilina.

64

Esimerkiksi ibuprofeenia (tulehduskipulääke) valmistetaan kaupallisesti lähtienalkyylihalidista (RBr R-CN RCOOH).

Tehtävä. Kuinka valmistaisit 2-bromi-2-metyylipropaanista (tert-butyylibromidista)2,2-dimetyylipropaanihappoa?

10.5 Nukleofiiliset asyylisubstituutioreaktiot

Vaikka karboksyyliryhmässä on karbonyyliyhdisteille tyypillinen C=O -ryhmä, sille eikuitenkaan ole luonteenomaista aldehydien ja ketonien tyypilliset additioreaktiot vaannukleofiiliset asyylisubstituutioreaktiot. Reaktio tapahtuu kahdessa vaiheessa: kunnukleofiili (:Nu–) liittyy karboksyylihapon tai sen johdoksen karbonyyliryhmään,syntyy tetraedrinen välituote, josta irtoaa lähtevä ryhmä, :Y– ja uusi karbonyyliryhmämuodostuu. Ketoneilla ja aldehydeillä ei lähtevää ryhmää ole, joten niillä eisubstituutiota tapahdu.

Happokloridit ovat kaikkein reaktiivisimpia karboksyylihappojohdoksia, koskaelektronegatiivinen kloori polaroi voimakkaasti karbonyyliryhmää. Amidit reagoivatheikoiten. Siksi happokloridit voidaan helposti muuttaa estereiksi tai amideiksi, muttaamideista ja estereistä ei saada happoklorideja.

Tehtävä. Kumpi seuraavista on reaktiivisempi hydroksidi-ionin nukleofiilisellesubstituutioreaktiolle, asetamidi CH3CONH2 vai asetyylikloridi CH3COCl?

10.6 Karboksyylihappojen reaktiot

1. Karboksyylihapot pelkistyvät alkoholeiksi litiumaluminiumhydridillä (LiAlH4)(8.5).

2. Karboksyylihapoista saadaan happoklorideja tionyylikloridin (SOCl2) avulla.

3. Esterin muodostus on eräs tärkeimpiä karboksyylihappojen reaktioita. Esteri voimuodostua nukleofiilisessa substituutioreaktiossa karboksylaattianionista japrimäärisestä alkyylihalidista (7.5).

4. Estereitä voidaan valmistaa myös nukleofiilisella asyylisubstituutio-reaktiollaalkoholista ja karboksyylihaposta. Käytännössä estereitä saadaan kunkarboksyylihappoa kuumennetaan hapon ollessa katalyyttinä ja alkoholin ollessaliuottimena. Happokatalysoitua esteröintiä sanotaan myös Fischerinesteröintireaktioksi.

5. Amidien muodostuminen karboksyylihapoistaAmideja on vaikea valmistaa suoraan hapoista, koska amiinit ja ammoniakki ovatemäksiä, jotka muuttavat happaman karboksyylihapporyhmän karboksylaattianioniksi

65

(karboksyylihapon ammoniumsuolaksi), josta voimakkaasti kuumentamalla saadaanamideja.

Kätevimmin amideja voidaan valmistaa happokloridin kautta.

Tehtävä. Millä kahdella eri tavalla voit valmistaa etyylibentsoaattia?

10.7 Happokloridien kemiaa

Happoklorideja saadaan karboksyylihapoista tionyylikloridin avulla.(ks. 10.6, reaktio2). Happokloridit ovat reaktiivisimpia karboksyylihappojen johdoksia ja niistä voidaanvalmistaa mm. estereitä ja amideja sekä Friedel-Craftsin asylointireaktiollaaromaattisia ketoneja (ks. 5.8)

.1. Hydrolyysi. Veden kanssa reagoidessaan happokloridit muuttuvat

karboksyylihapoiksi.

2. Alkoholyysi: happokloridien muuttaminen estereiksi.

3. Aminolyysi: happokloridien muuttaminen amideiksi.

Tehtävä. Kuinka valmistaisit etyylibentsoaattia happokloridista ja alkoholista?

10.8 Happoanhydridien kemiaa

ReaktiotAnhydridit reagoivat samoin kuin happokloridit mutta hitaammin. Esterin ja amidinmuodostuminen ovat tyypillisiä reaktioita.

66

Esimerkiksi aspiriiniä ja parasetamolia (Panadol®, asetaminophen) valmistetaanasetyloimalla asetanhydridin avulla.

Tehtävä. Mikä tuote syntyy seuraavassa reaktiossa?

10.9 Esterien kemiaa

Estereitä esiintyy runsaasti luonnossa ja niitä käytetään hajusteina sekä ruokien jajuomien mausteina. Myös rasvat ovat estereitä.

Esterien synteesiEstereitä valmistetaan:

1. Fischerin esterisynteesillä alkoholista ja karboksyylihaposta (10.6).

2. Happokloridin ja alkoholin välisellä reaktiolla (10.7).

3. Happoanhydridin ja alkoholin välisellä reaktiolla (10.8).

4. Alkyylihalidin ja karboksylaatti-ionin välisellä SN2-reaktiolla (10.6).

Esterien reaktiot:1. Esteröitymisreaktion käänteisreaktio on hydrolyysi, joka voi tapahtua hapon taiemäksen katalysoimana.

67

2. Emäksistä hydrolyysiä sanotaan saippuoitumiseksi, jolloin saadaankarboksyylihapon suolaa. Siinä rasva (triglyseridi) pilkotaan glyseroliksi jasaippuaksi, joka on rasvahappojen natriumsuolaa.

Tehtävä 1. Piirrä etyyli-3-metyylibutanoaatin saippuoitumisreaktio.

10.10 Amidien kemiaa

Synteesi:Amideja valmistetaan happoklorideista (10.7) tai anhydrideistä (10.8) ammoniakin jaamiinien avulla.

Reaktiot:Amidit eivät ole reaktiivisia verrattuna muihin karboksyylihappojen johdoksiin.Amidisidos on kestävä ja esiintyy mm. proteiineissa, jotka ovat tuhansistaaminohapoista peptidisidosten avulla muodostuneita makromolekyylejä.

Amidien hydrolyysi hapoiksi onnistuu kuumentamalla amidia hapon tai emäksenläsnäollessa.

Amidien pelkistäminen amiineiksi tapahtuu samoin kuin karboksyylihappojen,litiumaluminiumhydridillä (LiAlH4).

Tehtävä 1. Mistä amidista valmistaisit bentsyyliamiinia LiAlH4:lla?Tehtävä 2. Rengasrakenteisia amideja sanotaan laktaameiksi. Mitä tuotetta saatpelkistämällä N-metyylipyrrolidonia?

N CH3

O

N-metyylipyrrolidoni(laktaami)

?LiAlH4

10.11 Nitriilien kemiaa

Synteesi:Nitriilejä valmistetaan SN2-reaktiolla alkyylihalideista ja natriumsyanidista, NaCN(7.6).

Reaktiot:Kuten karbonyyliyhdisteet, nitriilit ovat myös vahvasti polaroituneita molekyylejä.Nitriiliryhmän hiiliatomi on elektrofiilinen ja reagoi nukleofiilien kanssa, jolloinmuodostuu välituotteena imiini-anioini. Siksi nitriilit reagoivat karbonyyliyhdisteiden

68

tavoin eli niistä saadaan happoja, amiineja ja ketoneja. Nitriilit voidaan hydrolysoidahapon tai emäksen avulla karboksyylihapoiksi ja ammoniakiksi.

Nitriilien pelkistäminen tuottaa primäärisiä amiineja.

10.12 Nylon ja polyesterit

Synteettisiä polymeerejä on kahta päätyyppiä: additiopolymeerejä (chain-growthpolymers) ja askel- eli kondensaatiopolymeerejä (step-growth polymers).Additiopolymeerejä ovat mm. alkeenipolymeerit, joita käsiteltiin kappaleessa 4.7.Askelpolymeroinnissa kaksi erilaista difunktionaalista monomeeria liitetään yhteenkondensaatioreaktiolla (reaktiossa lohkeaa vettä), jolloin tuotteet ovat joko polyamidejatai polyestereitä.

Tyypillinen polyamidi on nylon 66, jota valmistetaan heksaanidihaposta ja 1,6-heksaanidiamiinista kuumentamalla niitä 280 °C lämpötilassa, jolloin muodostuupolyamidi, josta saadaan kestävä kuitua mm. vaatteiden ja köysien valmistamiseen.

Polyestereitä valmistetaan esteröimällä dihappoja dialkoholien kanssa. Eräs tavallinenpolyesteri on Dacron, jota valmistetaan dimetyylitereftalaatista (dimetyyli-1,4-bentseenidikarboksylaatista) ja etyyleeniglykolista (1,2-etaanidiolista).

Tehtävä. Kevlar on polymeeri, jota valmistetaan kuumentamalla 1,4-bentseenidikarboksyylihaposta ja 1,4-bentseenidiamiinista. Esitä Kevlarin rakenne.

11. AmiinitAmiinit ovat ammoniakin (NH3) kaltaisia yhdisteitä, jonka vetyatomi(t) on korvattuorgaanisella ryhmällä. Amiinit luokitellaan typpeen sitoutuneiden orgaanisten ryhmienlukumäärän perusteella:

metyyliamiini(primäärinenamiini)

HN

H3CCH3

dimetyyliamiini(sekundäärinenamiini)

trimetyyliamiini(tertiäärinenamiini)

tetrametyyli-ammoniumioni(kvaternäärinenammoniumioni)

Koska tertiäärisessäkin amiinissa on vielä vapaa elektronipari, voi typpeen sitoutuaneljäs orgaaninen ryhmä. Näin saadaan kvaternäärisiä ammonium yhdisteitä, jotkaeivät ole amiineja, vaan suoloja.

69

11.1 Amiinien nimeäminen

Primääristen amiinien, RNH2, yleisnimet muodostetaan lisäämällä typpiatomiinliittyneeseen alkyyliryhmään (yyli-pääte) amiini-pääte. IUPAC:n mukaan amiinitnimetään alkaaneiksi, joissa on amino-substituentti. Chemical Abstracts -tietokannassaamiinit nimetään alkaaniamiineiksi.

Symmetriset sekundääriset ja tertiääriset amiinit nimetään lisäämällä di- tai tri-etuliitenimen eteen. Typpiatomiin liittyneet ryhmät varustetaan paikkaa ilmoittavalla N-kirjaimella (N-alkyyli, N,N-dialkyyli).

Substituenttina oleva NH2-ryhmä nimetään amino-ryhmäksi. Kvaternäärisiä amiinejasanotaan ammoniumsuoloiksi, esim. tetrametyyliammoniumkloridi

Fenyyliamiinista käytetään yleisesti nimitystä aniliini.

Heterosyklisissä amiineissa typpi on osa rengasrakennetta ja niillä on omattriviaalinimet.

Tehtävä 1. Nimeä alla olevat amiinit IUPAC-sääntöjen mukaan.

Tehtävä 2. Piirrä seuraavien amiinien rakenteet:(a) N-metyylianiliini (b) Tetraetyyliammoniumbromidi(c) p-Bromianiliini (d) N-etyyli-N-metyylisyklopentyyliamiini

11.2 Amiinien rakenne ja ominaisuudet

Amiinien typpiatomilla on sp3-hybridisaatio ja sen sp3-orbitaalit ovat suuntautuneettetraedrin kärkiin. Kolme sp3-hybridiorbitaalia ovat muodostamassa sidoksia janeljännen sp3-orbitaalin täyttää vapaa elektronipari. Trimetyyliamiinilla C-N-C-sidoskulmat ovat 108 mikä on lähellä tetraedristä optimia 109 .

70

NCH3H3C

H3C

..

trimetyyliamiini

sp3-hybridisaatio

108°

sp3-hybridiorbitaali jossa vapaa elektronipari

Amiinit ovat polaarisia yhdisteitä. Primääriset ja sekundääriset amiinit muodostavatvetysidoksia typessä olevien vetyatomien välityksellä ja siksi niillä on korkeammatkiehumispisteet kuin samanpainoisilla alkaaneilla.

:..

H3C NH

H

CH3NH

H

H3C NH

H

CH3NH

H

:..

vetysidos

11.3 Amiinien emäksisyys

Amiinit ovat heikkoja orgaanisia emäksiä, joiden vesiliuokset ovat alkalisia.vesiliuokset ovat alkalisia.

Esim. CH3NH2 + HCl CH3NH3+Cl– (CH3NH2 HCl)

Kun amiinia liuotetaan veteen, vesi luovuttaa protonin amiinille, josta muodostuuammoniumioni (amiinin konjugaattihappo) ja samalla vapautuu hydroksidi-ioneja,mikä tekee vesiliuoksen emäksiseksi.

OHRNHOHRNH

K22

3eq

2

32eqb RNH

OHRNHOHKK

bb KlogpK 14pKpKpK wab

Amiinit ovat siten vahvempia emäksiä kuin vesi, mutta heikompia kuin OH -ioni.Suurin osa alifaattisista amiineista on likimain ammoniakin vahvuisia(ammoniumionin pKa 9-11).

Aromaattiset amiinit (aniliinit) ja heterosykliset aromaattiset amiinit ovathuomattavasti heikompia emäksiä kuin alifaattiset amiinit (ammoniumionin pKa 0-8)Amiini Rakenne Ammonium-

ionin pKa

Kp °C Vesiliukoisuus

ammoniakki 9.26 - 33 liukeneemetyyliamiini 10.64 - 6 liukeneeetyyliamiini 10.80 17 liukeneedietyyliamiini 10.49 56 liukenee

trietyyliamiini 11.00 89 14g/100g

propyyliamiini 10.57 49 Liukeneeimidatsoli 7.00 89-91 Liukenee

71

pyridiini 5.30 115 Liukenee

aniliini 4.63 187 3,7g/100g

pyrroli -4 129-131

-

Amidit eivät ole emäksisiä; ne ovat neutraaleja vesiliuoksessa, eivätkä muodostasuoloja happojen kanssa. Tämä on selitettävissä typen vapaan elektroniparindelokalisoitumisella karbonyyliryhmän orbitaalin kanssa.

Jos aromaattisessa renkaassa on elektroneja puoleensa vetävä substituentti, kuten NO2 ,SO3 , COOH-ryhmä tai halogeeni, amiini on aniliinia heikompi emäs. Jos taasrenkaassa on elektroneja luovuttava substituentti, kuten alkyyli- CH3O- tai NH2-ryhmä,amiini on aniliinia vahvempi emäs.

Amiini X Ammonium-ionin pKa

aniliini H 4.63p-aminoaniliini NH2 6.15p-metyylianiliini CH3 5.08p-kloorianiliini Cl 3.98p-syanoaniliini CN 1.74p-nitroaniliini NO2 1.00

Tehtävä 1. Kumpi on voimakkaampi emäs, aniliini vai p-nitroaniliini?Tehtävä 2. Ennusta seuraavan reaktion tuote

CH3CH2NHCH3 + HCl ?Tehtävä 3. Ennusta kumpi on emäksisempi:(a) CH3CH2NH2 vai CH3CH2CONH2 (b) NaOH vai C6H5NH2

(c) CH3NHCH3 vai CH3NHC6H5 (d) CH3OCH3 vai (CH3)3N

11.4 Amiinien valmistus

Alkyylihalidien SN2-reaktiotAlkyyliamiinit ovat hyviä SN2-reaktioiden nukleofiilejä ja reagoivat alkyylihalidienkanssa. Ammoniakista voidaan valmistaa alkyloimalla amiineja primäärisestäamiinista aina kvaternääriseen ammoniumsuolaan (R4N+X ) asti.

Ammoniakin tai primäärisen amiinin alkylointi tuottaa usein isomeerien seoksen.NH3

oktyyliamiini(45%)

oktyylibromidi dioktyyliamiini(43%)

<10% <10%

+

NH2H3C(H2C)6H2CNHH3C(H2C)6H2CCH2(CH2)6CH3+ +

NH3C(H2C)6H2CCH2(CH2)6CH3

CH2(CH2)6CH3

N+H3C(H2C)6H2CCH2(CH2)6CH3

CH2(CH2)6CH3

CH2(CH2)6CH3

BrH3C(H2C)6H2C

Nitriilien ja amidien pelkistäminenNitriilit ja amidit pelkistyvät amiineiksi litiumaluminiumhydridillä (10.10 ja 10.11).

Nitroareenien pelkistäminenAromaattisia amiineja valmistetaan pelkistämällä nitroyhdisteitä.

72

Tehtävä 1. Kuinka valmistaisit dietyyliamiinia ammoniakista?Tehtävä 2. Mistä amidista voit valmistaa N-etyylisykloheksyyliamiinia?Tehtävä 3. Mistä nitriilistä voit valmistaa LiAlH4:lla pelkistämllä butyyliamiinia?Tehtävä 4. Kuinka valmistat p-metyylianiliinia bentseenistä?

11.5 Amiinien reaktiot

Primääriset amiinit muodostavat aldehydien ja ketonien kanssa imiinejä (9.9).

Amiineja voidaan alkyloida (11.4). Primääriset ja sekundääriset amiinit reagoivathappokloridien ja anhydridien kanssa jolloin saadaan amideja eli aminoryhmä voidaanasyloida (10.7 ja 10.8).

H3C NH2

CH3C

O

Cl NH2C

H3C

O

H3CHN CH3

CH3NH

CH3C

O

CH3

N CH3CH3C

O

asetyylikloridi

asetamidi

N-metyyliasetamidi

N,N-dimetyyliasetamidi

NH3

tai

RC

O OC

O

Rasetanhydridi

Tehtävä. Piirrä reaktioyhtälö, jossa dietyyliamiini ja asetanhydridi reagoivatmuodostaen N,N-dietyyliasetamidia.

11.6 Heterosykliset yhdisteet

Heterosyklisiksi yhdisteiksi sanotaan rengasrakenteisia yhdisteitä, joissa rengaskoostuu hiiliatomien lisäksi yhdestä tai useammasta muusta atomista kuin hiilestä.Heterosykliset amiinit ovat yleisiä orgaanisessa kemiassa ja monilla niistä on tärkeitäbiologisia ominaisuuksia. Heterosykliset rengasrakenteet esiintyvät useidenbiomolekyylien ja lääkeaineiden rakenneosina. Esimerkiksi elimistössä välittäjäaineenaesiintyvä histamiini sisältää imidatsolirenkaan. Tiamiini eli B1-vitamiini on yksiihmisen tarvitsemista vesiliukoisista vitamiineista, joka sisältää sekä pyrimidiini jatiatsolirenkaan.

Pyrroli on viisirenkainen heterosyklinen aromaattinen amiini, joka reagoi bentseenintavoin eli sille ovat tyypillisiä substituutioreaktiot.

NH

NH

Br

pyrroli 2-bromipyrroli

Br2

Pyrrolimolekyylin typpi on sp2-hybridisoitunut ja sen vapaa elektronipari on p-orbitaalilla, jolloin sen rengas sisältää kuusi -elektronia aivan kuten bentseeni. Koskapyrrolin typpiatomin vapaa elektronipari on osa aromaattista rengasta, senprotonoituminen on hyvin epätodennäköistä ja siksi pyrroli ei ole emäksinen lainkaan( pKa noin -4).

Kasvien lehtivihreä (klorofylli) ja punaisten verisolujen punainen väri (hemoglobiininhemi) ovat peräisin pyrrolirakenteisista porfyriiniyhdisteistä. Myös B12-vitamiinisisältää porfyriinirakenteen. Pyrrolidiini on pyrrolin tyydyttynyt (alifaattinen) johdosja se esiintyy mm. nikotiinimolekyylissä.

73

Imidatsoli, furaani ja tiofeeni ovat pyrrolin kaltaisia viisirenkaisia aromaattisiaheterosyklisiä yhdisteitä.

Pyridiini on epämiellyttävän hajuinen neste. Se on myös aromaattinen heterosyklinenamiini, jossa typpi ja viisi hiiliatomia ovat luovuttaneet yhden -elektroninaromaattiselle renkaalle. Pyridiini reagoi kuten bentseeni.

Toisin kuin bentseeni, pyridiini on täysin vesiliukoinen, koska se voi muodostaavetysidoksia vesimolekyylien kanssa.

Pyridiini on huomattavasti alifaattisia amiineja heikompi emäs johtuen siinä olevantyppiatomin sp2-typpiatomista. Pyridiinimolekyylin typpiatomilla on kuitenkin yksivapaa delokalisoitumaton elektronipari, joten se voi toimia emäksenä. Sen

konjugaattihapon pKa on 5,30. Vastaavasti alifaattisen piperididiinin konjugaattihaponpKa on 11, joten se on suhteellisen vahva emäs.

Kinoliini ja indoli ovat esimerkkejä fuusioituneista aromaattisista heterosyklisistäamiineista. Kinoliinirengas esiintyy mm. kiniinissä (malarialääke) ja indolirakennesiintyy mm. serotoniinissa, joka on tärkeä hermovälittäjäaine.

DNA:ssa on neljä erilaista heterosyklistä amiinia: kaksi substituoitua puriinia(adeniini ja guaniini) ja kaksi substituoitua pyrimidiiniä (sytosiini ja tymiini).RNA:ssa tymiinin korvaa urasiili. Kofeiini, teofylliini ja teobromiini ovatpuriiniemäksiä, joita on vaihtelevia määriä mm. teessä, kahvissa ja kaakaossa.Teofylliiniä käytetään lääkkeenä astman hoidossa.

Tehtävä. Piirrä reaktioyhtälöt, jossa N-metyylipyrroli reagoi seuraavien reagenssienkanssa. (a) HNO3, (b) CH3Cl, AlCl3 (c) CH3COCl, AlCl3

74

11.7 Aminohappojen ionittuminen

Aminohapot sisältävät sekä emäksisen aminoryhmän että happamankarboksyyliryhmän.

Aminohapot ne muodostavat molekyylin sisäisiä suoloja eli ne esiintyvätkahtaisioneina protonin siirtyessä karboksyyliryhmästä aminoryhmään.

Aminohapot ovat amfolyyttejä eli ne pystyvät toimimaan sekä happoina ettäemäksinä. Happamassa liuoksessa aminohappo toimii emäksenä, jolloin COO– -ryhmä ottaa vastaan protonin:

Vastaavasti emäksisessä liuoksessa aminohapon ammonium-ryhmä luovuttaa protoninhydroksidi-ionille:

Aminohappojen karboksyyliryhmän pKa vaihtelee aminohaposta riippuen välillä 2,1±0,5 (happamampi kuin etikkahapon, jonka pKa on 4,8). Protonoituneen aminoryhmän(NH3

+) pKa on yli 9. Happamassa liuoksessa aminohappo on protonoitunut ja esiintyykationina; emäksisessä liuoksessa vastaavasti anionina. Näiden muotojen välillä onolemassa pH-arvo, jossa aminohappo esiintyy kahtaisionisena molekyylinä. Tätä pH-arvoa sanotaan isoelektriseksi pisteeksi. Aminohapoilla, joissa on neutraali sivuketju,isoelektrinen piste on pH-välillä 5,0-6,5. Esimerkiksi alaniini isoelektrinen piste on6.00, jossa pH:ssa se on täydellisesti kahtaisionimuodossa.

Tässä pH:ssa liuos on ulospäin sähköisesti neutraali. Käytännössä aminohapotesiintyvät kahtaisionimuodossa pKa-arvojen pH-välillä eli esim. alaniinin aminoryhmäon ionimuodossa kun pH < 9,9 (= pKa2) ja vastaavasti karboksyyliryhmä onanionimuodossa kun pH > 2,3 ( = pKa1).Alla olevassa kuvaajassa on esitetty protonoituneen aminohapon titraus emäksellä.Kun yksi ekvivalentti emästä (OH- ) on lisätty, on karboksyyliryhmä täydellisestideprotonoitunut. Tämä on titrauksen ekvivalenttikohta ja samalla glysiininisoelektrinen piste (pI), joka voidaan myös laskea pKa -arvojen keskiarvona: pI =(pKa1+pKa2)/2 = (2,3 + 9,6)/2 = 5,95.

Tehtävä. Glysiinin pKa arvot ovat: pKa1 = 2,3 ja pKa2 = 9,6. Piirrä glysiinin rakenteetpH:ssa 2,0, pH:ssa 6,0 ja pH:ssa 10,0.