Organische chemie/Stofklassen in de organische chemie

In de organische chemie worden stoffen vaak ingedeeld op basis van functionele groepen. Een functionele groep moet dan verstaan worden als "iets anders dan koolstof met bindingen in vier richtingen maar alleen naar andere koolstof of waterstof".

Alkanen

Met de naam alkanen wordt een groep verbindingen aangeduid die uitsluitend bestaan uit koolstof en waterstof. Daarnaast moet ook elk koolstofatoom aan vier andere atomen gebonden zijn. Alkanen worden in eerste instantie gekarakteriseerd door het aantal koolstofatomen dat in het molecuul voorkomt. De eigenschappen worden verder bepaald door de bolvorm van het hele molecuul. Als de koolstofatomen een lange sliert vormen is het molecuul meer staafvormig, is het molecuul erg vertakt, dan zal het bolvormiger zijn. Hoe bolvormiger het molecuul, hoe minder mogelijkheden er zijn tot interactie met andere moleculen. Dit vertaalt zich dan, bij een gelijk aantal koolstofatomen, in lagere kookpunten voor de meer vertakte alkanen.

Nomenclatuur, naamgeving

De alkanen worden van naam voorzien op basis van het aantal koolstofatomen die erin voorkomen. De alkanen met 1 tot en met 4 koolstofatomen hebben historisch bepaalde namen. Eigenlijk zijn het triviale namen, maar ze hebben burgerrecht gekregen in het systeem. In de volgende tabel staat in de eerste kolom het aantal koolstofatomen, daarachter de naam van het alkaan met dat aantal koolstofatomen.

aantal koolstofatomen	naam	formule
1	methaan	CH₄
2	ethaan	C₂H₆
3	propaan	C₃H₈
4	butaan	C₄H₁₀
5	pentaan	C₅H₁₂
6	hexaan	C₆H₁₄
7	heptaan	C₇H₁₆
8	octaan	C₈H₁₈
9	nonaan	C₉H₂₀
10	decaan	C₁₀H₂₂
11	undecaan	C₁₁H₂₄
12	dodecaan	C₁₂H₂₆

Er wordt ook verder gewerkt met de Griekse telwoorden. In het Grieks wordt tot 20 op dezelfde wijze geteld als in het Nederlands: dertien wordt tridecaan, achttien wordt octadecaan.

Algemene formule

In principe kunnen alkanen opgebouwd gedacht worden uit een reeks CH₂-groepen. De twee overblijvende bindingen op de koolstofatomen worden gebruikt om de groepen aan elkaar te koppelen. Aan het eind van de sliert koolstofatomen blijven dan nog twee bindingen over, hiervoor zijn ook nog twee waterstofatomen nodig. Voor een alkaan met n koolstofatomen kan dus geschreven worden:

H - (CH₂)_n - H

Wordt alleen naar de aantallen van de atomen gekeken dan wordt dit:

C_nH_2n+2

Deze formule is een handig hulpmiddel om snel te bepalen hoeveel waterstofatomen in een alkaan aanwezig moeten zijn. Ook als het alkaan vertakt is, blijft de formule kloppen. Immers, voor het alkaan zonder zijtak klopt de formule. De zijtak bestaat uit een serie CH₂-groepen, met aan begin en eind nog een niet-gebruikte binding. Om de zijtak aan de hoofdketen te bevestigen moet van de hoofdketen een waterstof-atoom verwijderd worden. De vrijgekomen plaats wordt gekoppeld aan de vrije bindingsplaats aan het begin van de zijketen, waarna het van de hoofdketen verwijderde waterstofatoom weer teruggezet wordt. Per saldo heeft het molecule dus n koolstofatomen en 2n waterstofatomen erbij gekregen.

Isomeren

In de vorige paragraaf is sprake van een zijketen. Bij het groeien van het koolstofskelet is het niet noodzakelijk een volgend koolstofatoom steeds aan een van de uiteinden vast te zetten. Voor het idee is het makkelijk om de koolstofatomen stuk voor stuk aan elkaar te koppelen en kijken naar de mogelijkheden. Bij het bouwen van de moleculen in de volgende paragraafjes wordt alleen naar de koolstofatomen gekeken. De waterstofatomen die nodig zijn voor het compleetmaken van de moleculen, kunnen er later altijd aangezet worden.

Moleculen die hetzelfde aantal atomen van de verschillende elementen bezitten, maar waarin de atomen op een andere manier aan elkaar gekoppeld zijn worden isomeren genoemd.

1 koolstofatoom

Met één koolstofatoom heb je geen keuze. Een sliert van 1 koolstofatoom heeft maar één mogelijkheid. Van methaan is er maar één isomeer.

2 koolstofatomen

Het tweede koolstofatoom kan op vier plaatsen aan het eerste atoom gezet worden. Dit levert misschien verschillende manieren van tekenen op, maar per saldo is dat toch elke keer hetzelfde molecuul. Van ethaan is maar één isomeer.

3 koolstofatomen

Aan de twee koolstofatomen uit de vorige paragraaf kan een volgend koolstofatoom op 6 plaatsen vastgemaakt worden. Per saldo zijn de plaatsen hetzelfde. Ook hier kun je ze wel op verschillende manieren tekenen, maar echt verschillend zijn de structuren niet. Van propaan is maar één isomeer.

4 koolstofatomen

Vanaf 3 koolstofatomen is het mogelijk het volgende koolstofatoom op verschillende plaatsen vast te zetten. Het vierde koolstofatoom kan aan het begin of einde van de sliert van drie gezet worden, waarmee dus vier koolstofatomen op rij staan. De tweede mogelijkheid is het vierde koolstofatoom aan het middelste koolstofatoom van de sliert te zetten. Er ontstaat dan een splitsing in de keten. Andere plekken zijn er niet om aan het sliertje van drie koolstofatomen een vierde te zetten. Er zijn dus twee mogelijkheden voor alkanen met 4 koolstofatomen:

vier koolstofatomen op rij, butaan of n-butaan
drie koolstofatomen op rij en de vierde aan de middelste vast, methylpropaan of i-butaan.

Omdat in de eerste jaren van de organische chemie de verschillende verbindingen moeilijk van elkaar te scheiden waren, was de naam "butaan" al ingeburgerd toen bleek dat de stof die met deze naam werd aangeduid vaak een verontreiniging bevatte met een iets lager kookpunt. Als geprobeerd werd het aantal koolstof- en het aantal waterstofatomen in de verontreiniging vast te stellen werden dezelfde waarden gevonden als voor butaan zelf: 4 koolstofatomen en 10 waterstofatomen. De verbinding was gelijk aan butaan en toch weer niet. Daarvandaan de naam: isomeer van butaan (iso = gelijk, vergelijk isobaren in de meteorologie). De naam werd vervolgens samengetrokken tot iso-butaan, vaak geschreven als i-butaan. Ter onderscheiding werd voor het 'gewone' butaan de term "normaal butaan" ingevoerd, afgekort tot n-butaan.

Een tijd na het moment dat het mogelijk werd de manier te bepalen waarop de atomen aan elkaar gekoppeld waren, werden de systematische namen ingevoerd. n-butaan werd weer alleen "butaan". Voor i-butaan werd "methylpropaan" de officiële naam. Op veel plaatsen wordt de oude naam nog steeds gebruikt. Dit vindt vooral zijn oorzaak in het feit dat de naam ook in technische toepassingen (fabrieken) of juridische teksten wordt gebruikt. De gebruikers van fabrieken of wetboeken zijn niet echt betrokken bij een chemisch zo eenvoudig mogelijk of algemeen systeem, zolang maar duidelijk is wat er bedoeld wordt.

5 koolstofatomen

Bij het plaatsen van een vijfde koolstofatoom ontstaat verschil tussen de twee isomeren van C₄H₁₀.

Wordt uitgegaan van butaan, dan zijn er twee mogelijkheden.

- Het vijfde koolstofatoom wordt aan heteerste of laatste koolstofatoom gezet. Er ontstaat een sliert van 5 koolstofatomen: pentaan. Of:
- Het vijfde koolstofatoom wordt aan een van de twee middelste koolstofatomen gezet. Er ontstaat een vertakt molecuul: methylbutaan

Wordt uitgegaan van methylpropaan, dan zijn er ook twee mogelijkheden.

- Koppeling van het volgende koolstofatoom aan een van de drie uiteinden leidt steeds tot een molecuul waarin de langste keten vier koolstofatomen heeft: methylbutaan. Of:
- Koppeling aan het centrale koolstofatoom leidt tot een stervormig molecule: dimethylpropaan. Net als voor de butaan-isomeren geldt dat de ontdekking van de pentaan-isomeren vooraf ging aan de structuurtoekenning. In pentaan werd een verontreiniging aangetroffen met dezelfde element-samenstelling als pentaan, maar met een iets lager kookpunt. In analogie met de butaan-isomeren werd de naam iso-pentaan of i-pentaan voor de iets lager kokende vorm en n-pentaan voor de iets hoger kokende vorm ingevoerd.
Na enige tijd bleek er nóg een pentaansoort te zijn, een nieuw pentaan. In het Grieks wordt dat: neo-pentaan.

en verder

Met 6 koolstofatomen in het molecuul zijn er al 5 isomeren mogelijk. Bij nog meer koolstofatomen neemt het aantal mogelijk isomeren heel snel astronomische waarden aan.

Voorbeelden

De bekendste alkanen worden gevormd door:

Methaan (CH₄)
Het eenvoudigste alkaan, methaan, is vooral bekend als aardgas of moerasgas.
Propaan (C₃H₈)
Deze stof is vooral bekend als propagas dat gebruikt wordt in gaspatronen die ook bij temperaturen onder 0^oC gebruikt moeten kunnen worden.
Butaan (C₄H₁₀)
Deze stof is bekend als butaangas. Het voordeel boven propaangas is dat, door het hogere kookpunt, de druk in gasleidingen lager is, het nadeel is dat het pas bij ongeveer 10°C goed bruikbaar wordt als flessengas.
Octaan (C₈H₁₈)
Deze verbinding heeft zijn naam gegeven aan de eigenschap waarmee voor benzines de kwaliteit wordt aangegeven.

Chemie van alkanen

In de chemie van alkanen zijn twee reacties belangrijk:

verbranding met zuurstof
De reactie van alkanen met zuurstof is economisch een heel belangrijke reactie. De chemische reactieproducten, kooldioxide en water zijn daarbij niet belangrijk, het fysische reactieproduct, warmte is heel belangrijk omdat het kan worden omgezet in beweging, en vervolgens in elke gewenste vorm van energie:
CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2H₂O
2 C₄H₁₀ + 13 O₂ → 8 CO₂ + 10H₂O
reactie met halogenen tot halogeen-alkanen
Deze reactie is een radicaalreactie. Economisch is de productie van de verschillende chloormethanen en chloorethanen belangrijk.

Cycloalkanen

Cycloalkanen zijn stoffen die bestaan uit moleculen die een of meer ringen vormen. In hun chemie verschillen ze niet van de alkanen. De ongesubstitueerde verbindingen zijn vooral uit theoretisch oogpunt belangrijk in de structuurtheorie.

Nomenclatuur

De naam van de cycloalkanen wordt gevormd door door het voorvoegsel "cyclo"voor de naam van het alkaan te plaatsen. Als er meer ringen in het molecuul voorkomen wordt gebruik gemaakt van de Griekse telwoorden. Zo is er cyclodecaan, bicyclodecaan, eventueel tricyclodecaan. Om aan te geven hoe de verschillende ringen precies aan elkaar zitten wordt de volgende procedure gevolgd (voor een bicycloverbinding):

Kies de twee koolstofatomen waar de drie bruggen samenkomen.
Tel de lengte van de verschillende bruggen, tel de koolstofatomen waar de bruggen samenkomen niet mee.
Zet de bruglengten op afnemende volgorde tussen rechte haken tussen het voorvoegsel "bicyclo" en de naam van het alkaan. Bijvoorbeeld: bicyclo[4,3,1]decaan.

Alkenen

Een groot deel van de zaken die voor alkanen gelden, zijn ook voor alkenen waar. In deze paragraaf zal daarom alleen ingegaan worden op de specifieke zaken van de alkenen.

Hét kenmerk van alkenen is het optreden van een dubbele band. Dit wil zeggen dat op twee koolstof-atomen naast elkaar één bindingsmogelijkheid niet benut wordt om andere atomen te binden. Deze bindingsmogelijkheid wordt vervolgens gebruikt om een extra band te vormen tussen de twee kolstofatomen. In structuurformules wordt dit weergegeven door een dubbele streep tussen de posities van de koolstofatomen.

Naamgeving

De naamgeving van de alkenen verloopt analoog aan die van de alkanen. Een belangrijk verschil wordt gevormd door de toevoeging aan de regel voor de langste keten: Zoek de langste keten waar de dubbele binding inzit. De lengte van de langste keten wordt vervolgens op dezelfde wijze aangegeven als bij de alkanen. Om aan te geven dat er een dubbele band aanwezig is wordt de uitgang -aan vervangen door de uitgang -een. Het kleinste alkeen is etheen.
Metheen kan niet, want dan zou het enige koolstof-atoom in deze verbinding een binding moeten gebruiken om aan zichzelf te binden.
Als het nodig is kunnen nummers gebruikt worden om aan te geven waar de dubbele band in de keten optreedt. Het nummer waar de dubbele band begint wordt in de naam genoemd. Hier treedt ook de regel in werking dat het structuurelement dat de uitgangbepaald, hier dus de dubbele band, een zo laag mogelijk nummer krijgt. Bij etheen is het niet nodig aan te geven op welke plek de dubbele band begint. Bij propeen is dat ook niet nodig, de dubbele band zal altijd één van de eindstandige koolstof-atomen omvaten. Dit koolstofatoom krijgt dan automatisch nummer 1. Voor buteen zijn er twee mogelijkheden: de dubbele band zit tussen een eindstandig koolstof-atoom en het atoom er direct naast, of de dubbele band zit tussen de twee middelste koolstof-atomen. Tellen vanaf het eindstandige koolstofatoom waar de dubbele band aanzit, die zit dan tussen C₁ en C₂ levert but-1-een. Ga je vanaf de andere kant tellen dan zit de dubbele band tussen de koolstof-atomen C₃ en C₄, wat tot but-3-een zou leiden. De regel "laagste cijfer eerst" geeft dan dus but-1-een.
Voor het ander buteen maakt het niet echt uit aan welke kant je begint te tellen (als er tenminste niet nog andere te tellen zaken zijn). De dubbele band zit altijd tussen C₂ en C₃. De tweede variatie heet dus altijd but-2-een.

Diënen, polyënen

Als er meerdere dubbele bindingen in een molecule optreden worden de naamgevingsregels iets anders. De langste keten die gezocht wordt bevat zo veel mogelijk dubbele bindingen. De naamgeving is in het verlengde van zoals deze voor de alkenen is aangegeven. Indien nummering nodig is, dan worden de nummers opgegeven van de koolstof-atomen waar de dubbele band begint.

In moleculen met meerdere dubbele banden is de relatie tussen de dubbele banden belangrijk. Als voorbeelden mogen 1,2-pentadiëen, 1,3-pentadiëen en 1,4-pentadiëen. In het eerste geval wordt een reactief cumuleen gevormd. In het tweede geval is sprake van geconjugeerde dubbele bindingen, in het derde geval van geïsoleerde dubbele bindingen.

Isomerie

Isomeren zijn verbindingen met eenzelfde brutoformule en eenzelfde molaire massa maar met een verschillende structuurformule. Dit is het gevolg van het feit dat ofwel de topologie ofwel de geometrische structuur van deze verbindingen verschillend is, isomeren zijn dus verschillende verbindingen met verschillende fysische en verschillende chemische eigenschappen.

Men kan verschillende soorten isomerie onderscheiden.

Cycloalkenen

Cycloalkenen zijn alkenen waarbij de dubbele binding deel uitmaakt van een ringsysteem. De kleinste ring is een driering, cyclopropaan. Het kleinste cycloalkeen is dan ook cyclopropeen. De overige ringsystemen met een dubbele band zijn ook bekend. Voor de grotere ringen ringen geldt dat ze vooral theoretisch belangrijk zijn. Net als sommige van de grotere cycloalkanen komen ook de grotere cycloalkenen soms als structuur-element voor in feromonen van insecten.

Binnen de alkenen nemen de kleinere cycloalkenen een speciale plaats in door het ontbreken van de mogelijkheid tot E/Z-isomerie. In de kleinere ringen, kleiner dan cycloocteen, is het E-isomeer niet mogenlijk. De afstand tussen de in één vlak liggende atomen rond de dubbele band is te groot om die met de overblijvende atomen te kunnen overbruggen.

De chemie van de cycloalkenen verschilt niet wezenlijk van die van de open keten alkenen.

cyclopropeen

De synthese van cyclopropeen verloopt vaak via een alkeen met minstens één waterstof aan de dubbele band. Via een carbeenreactie wordt een >CX₂-groep over de dubbele band gekoppeld. In deze reactie ontstaat de drie-ring. In een volgende reactiestap wordt een van halogeen-atomen door waterstof vervangen, waarna in een eliminatie-reactie het waterstof-atoom aan de oorspronkelijke dubbele band samen met het overblijvende halogeen-atoom verwijderd wordt.

cyclobuteen

Deze verbinding is vooral intensief bestudeerd in

Reacties van alkenen

Alkynen

Cycloalkynen