Organik Bileşiklerin Sınıflandırılması - Alkanlar ve Stereokimya. Prof. Dr. Arif ALTINTAŞ

Transkript

1 Organik Bileşiklerin Sınıflandırılması - Alkanlar ve Stereokimya Prof. Dr. Arif ALTINTAŞ

2 Organik Bileşiklerin Sınıflandırılması idrokarbonlar yapılarında C ve bulunduran bileşiklerdir. Genel olarak 2 grupta incelenebilir: 1. Alifatik idrokarbonlar Doymuş idrokarbonlar (alkanlar) Düz zincirli Dallanmış alkalı (siklik) Doymamış idrokarbonlar Alkenler Alkinler 2. Aromatik idrokarbonlar a. Tek halkalı (benzen ve türevleri) b. Bitişik iki halkalı (naftalin ve türevleri) c. Bitişik çok halkalı olanlar (antrasen( ve türevleri) c.

3 Doymuş idrokarbonlar Alkanlar (Parafinler) Metan Etan Propan Bütan Genel formülleri C n 2n+2 (n=herhangi bir tam sayı) şeklinde olan bileşiklerdir. Bu bileşiklere, moleküllerindeki ikili ve üçlü bağ içermemeleri ve sadece karbon ve hidrojenden oluşmalarından ötürü doymuş hidrokarbon da denir. Alkanlar kimyasal açıdan reaktif maddeler değildir. Bundan dolayı, bunlara "parafinler" de denir. Alkan molekülünden bir hidrojen atomu çıkması ile kalan gruba alkil kökü denir. Alkil kökleri adlandırılırken türediği alkandan an an eki kaldırılıp, il il eki getirilir. Alkil kökleri kısaca (R-)( ) şeklinde gösterilir. R harfinin yanındaki çizgi, alkil kökündeki karbonun doymamış olduğunu gösterir. Üst seviyede yanabilir - yakıtlar, su ve karbondioksite yanarlar. Metan, etan, propan ve bütan gazdır. Pentan dan C e kadar sıvıdır, Gasolin, pentan dan decana kadar olan alkana lkanlardanlardan karışımdır. Kerosene yaklaşık n=10 ile n=16 arası alkanları ları içerir. n=17 oda ısısında katıdır. n değeri yüksek Alkanlar lar dizel yakıtlarda, fuel oil, vazelin, parafin,, motor yağları ve asfaltta yoğun olarak vardır.

4 Alifatik idrokarbonlar İçerdikleri bağ yapılarına göre 3 e ayrılırlar; Eğer bir alifatik hidrokarbonda karbon atomları arasında sadece tek bağ bulunuyorsa doymuş hidrokarbon (Alkan veya parafin) olarak adlandırılır. C C Alkan ( C n 2n+2 ) C = C Alken (C n 2n ) C = C Alkin (C n 2n-2 ) Karbon atomları arasında çift (C=C) ve üçlü (C C) C) bağ içeren alifatik hidrokarbonlara doymamış hidrokarbonlar denir. Çift bağ bulunduran hidrokarbonlar Alken (veya olefin), Üçlü bağ bulunduranlar ise Alkin (veya asetilen) diye adlandırılır

5 İlk On Düz Zincir Alkan Alkan Kapalı formül Yapısal formül Alkil Metan C4 C4 Metil Etan C26 C3C3 Etil Propan C38 C3C2C3 Propil Bütan C4 10 C3(C2)2 C3 Bütil Pentan C5 12 C3(C2)3 C3 Pentil ekzan C6 14 C3(C2)4 C3 ekzil eptan C7 16 C3(C2)5 C3 eptil Oktan C8 18 C3(C2)6 C3 Oktil Nonan C9 20 C3(C2)7 C3 Nonil Dekan C10 22 C3(C2)8 C3 Dekil

6 Alkanların isimlendirilmesi Alkanların sistematik isimlendirilmesinde, en uzun karbon zinciri esas alınır ve bu zincirdeki karbon sayısına karşılık gelen sözcüğün sonuna "an" eki getirilir. Örneğin: Metan Etan Propan Bütan Pentan Metilpentan C 3 C 3 C 2 C 2 C 1 2 C C 3 3 C C C 3 2-Metilpropan

7 C 3 C 3 C 3 C 2 C C 2 C 2 C C 2 C 3 C 2 C 2 C 3 İlk önce, uzun düz zincir belirlenir C 3 C 3 C 3 C 2 C C 2 C 2 C C 2 C 3 C 2 C 2 C 3 nonan Sayısı, dallanma noktası için alt numaralarını vermek üzere numaralanır C 3 C C 3 C 2 C C 2 C 2 C C 2 C C 2 C 2 C => Sonuç: 3,6-Dimetil-6-etilnonan Dallanmalar C3 ve C6 da C4 ve C7 de değil

8 Aynı substituentler bir ön ek ile gruplandırılır: iki benzerlik için di üç için tri dört için tetra Substituentler alfabetik sırada adlandırılır C 3 C 3 C 3 C C 2 C C 3 C 3 2,2,4-Trimethylpentane 6 5 C 3 C 2 C C 2 3 C C 2 C C 3 C 2 C 3 1 2,4-dimethyl-4-ethylhexane

9 Alkanların Genel Özellikleri Alkanlardaki karbon atomları sp3 hibritleşmesi gösteren karbon atomlarıdır. er bir karbon atomu dört bağ yapmak zorundadır. Bir alkan bileşiğinde karbonlardan birini merkez atom olarak ele alırsak, buna bağlı diğer dört atom tetrahedral (dört yüzlü) bir yapı verecek şekilde bu merkez atomuna bağlanmışlardır. Bağlı atomlar arasındaki açı dır. Sp3 ybridization

10 Basit alkanlar oda ısısında konformasyonal özgürlüğe sahiptir C-C bağları etrafında rotasyon yapabilir Bunlar için en kararlı (düşük enerji) konformasyon tüm durumlarda 'düz zincirli' yapıdır: Örnek : ekzan C C C C C C

11 Büyük molekülleri temsil ederler Oktan için tam açık yapısal formülasyon C C C C C C C C Kısaltılmış yapısal formül C 3 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 3 Çizgi segment yapısal formül

12 C 2 Eklenmesiyle bir seri alkanlar üretilir. C Methane C C Ethane 'C 2 ' C C Propane C 'C 2 ' C C Butane C 'C 2 ' C C C Isobutane C C 'C 2 ' Yapısal izomerler

13 Yapısal izomerler farklı fiziksel özellikler gösterir C 3 C 3 C 2 C 2 C 3 C 3 C C 3 n-butane b.p o C isobutane b.p o C Kimyasal özellikleri de farklıdır

14 Alkanlarda Yapı izomeri Alkan Yapı izomeri sayısı Metan 1 Etan 1 Propan 1 Butan 2 Pentan 3 ekzan 5 Dekan 75 Pentadekan 4347 Eikosan 366,319 Triakontan 44 x 10 9 (C )

15 Alkanların Kimyasal Özellikleri Alkanlar fonksiyonel grup içermeyen tamamen doymuş hidrokarbon bileşikleri olduklarından dolayı kimyasal reaktiviteleri diğer bileşikler ile kıyaslandığında çok düşüktür. Alkanların en temel reaksiyonlarından biri oksijen ile verdikleri yanma reaksiyonudur. Örneğin, doğal gazın temel bileşenlerinden olan metan gazının oksijen ile yanması sonucu karbondioksit ve su çıkar. C O 2 CO O + ısı o Yanma reaksiyonu yanında yerdeğiştirme ve katılma tepkimeleri veririler

16 Alkanların Kimyasal Özellikleri Örneğin, metan klor gazı ile 120 C de veya uygun dalga boyunda bir ışık kaynağı ile tepkimeye girdiğinde, bir alkil halojenür olan klorometan elde edilir. 120 C veya ış C 4 + Cl 2 C 3 Cl + Cl = kcal/mol Karboksilik asitlerin sodyum tuzlarının sodyum hidroksit ile reaksiyonu alkanları verir. O C 250 C 3 C O - Na + + NaO C 4 + Na 2 CO 3 Sodyum asetat Metan

17 Stereokimya (moleküllerin üç boyutlu tasarımı) İzomerler Aynı molekül formülü ile gösterilebilen iki veya daha fazla sayıda farklı bileşiklere izomer denir. Bunlar aynı molekül formülüne sahip fakat atomlarının düzeni farklı olan bileşiklerdir. Bu nedenle, izomer bileşiklerin kimyasal özellikleri de farklıdır. İzomerler esasta yapı izomerlerine ve stereoizomerlere ayrılır. İzomerler Yapı izomerleri Stereoizomerler (zincir iz) Konformasyonal Konfigürasyonal İzomerler izomerler Diastereomerler Enantiomerler Cis-trans Stereogenik merkezli İzomerler Diastereomerler

18 I. Yapı İzomeri (zincir izomeri) Aynı molekül formülü ile gösterildiği halde atomlarının bağlanma düzeni farklı olan bileşiklere yapı izomerleri denir. Zincir izomeri olarak da adlandırılır. Fiziksel ve kimyasal özellikleri farklı Örnek 1: Dimetileter ve Etanol (C 2 6 O kapalı formülleri aynı) C 3 O C 3 C 3 C 2 O Oda sıcaklığında gaz Oda sıcaklığında sıvı Örnek 2: C 2 4 Cl 2 izomerleri C 2 4 Cl 2 izomerleri Zincir izomeri iki şekilde olabilir: Zincir dallanma izomeri: Düz zincirli moleküllerin kaynama noktası daha yüksektir. Dallanma arttıkça kaynama noktası düşer ( (düz düz zincirli moleküllerde Van der Waals çekimleri daha etkindir) Zincir halka izomeri: : C 4 8 yapıdaki çeşitli organik bileşikler: C 3 C 2 = C-C 2 -C 3 C = C 2 C 3 -C=C-C 3 C 2 C 2 C 2 C C 3 C 3 1-büten izobütilen C 2 C 2 2-büten siklobütan C 2 metil-siklopropan

19 Tautomerlik Birbirine dönüşebilen özel bir yapı izomeridir. Asidik alfa hidrojeni taşıyan karbonil bileşikleri tautomerler adıyla bilinen iki yapıda bulunabilirler. İki yapının birbirine göre farkı yalnızca çift bağın ve alfa (α)( hidrojeninin yerinden kaynaklanır. Bunlar keto tautomer ve enol tautomer diye adlandırılır. Karbonil bileşiğinin bilinen karbonil yapısı aynı zamanda onun keto tautomeridir... O O C C C = C Keto Enol

20 Fonksiyon İzomeri Moleküller benzer karbon iskeletleri ve farklı kimyasal özellikler sergiler. Atomların farklı dizilişleri farklı fonksiyonel grupların oluşmasına neden olur. Bazı eterlerle alkoller C 3 -O-C 3 dimetileter ile C 2 5 O etil alkol izomerdir (C 2 6 O) Bazı aldehitlerle ketonlar C 3 -C 2 -CO propiyonaldehit ile C 3 -CO-CC 3 aseton (C 3 6 O) Bazı esterlerle karboksilik asitler C 3 -COOC 3 metilasetat ile C 3 -C 2 -COO propiyonikasit (C 3 6 O 2 ) izomerdir.

21 Pozisyon İzomeri Moleküller benzer karbon iskeletleri ve benzer kimyasal özellikler er sergilerler. Sadece kimyasal fonksiyonların pozisyonları, karbon zincirinin uzunluğu u farklıdır. Wedge-atched Bağ Yapı Sawhorse Yapı Newman Projeksiyon

22 II. Stereoizomeri Bir biyomolekülün kovalan bağları ve fonksiyonal grupları o molekülün fonksiyonunda merkezi önemdedir. Molekülün üç boyutlu tasarımı (stereokimyası( stereokimyası) ) atomlarla oluşturulur ve önemlidir. Karbon bileşikleri stereoizomerler şeklinde mevcuttur. Yapı ve bağlar aynı fakat atomların boşluktaki dizilişleri farklı Biyomoleküller arasında karşılıklı moleküler ilişkiler değişken olmayacak biçimde stereospesifiktir ki bu söz konusu moleküllerde spesifik stereokimya gerektirir. Atomların düzenlenmesi (ki kısmi bir stereoizomeri karakterize eder) konfigürasyon olarak adlandırılır (cis( cis, trans konfigürasyonları, ya da optik stereoizomerlerin D, L-konfigürasyonları). Bu stereokimya üç boyutlu yapı olarak ifade edilir.

23 Stereoizomeri Bir karbon atomu 4 farklı atom ya da gruplar ile asimetrik ya da chiral kiral dır. Bir ya da daha çok asimetrik karbon içeren bir molekül de asimetriktir Asimetrik laktik asitin merkezi C u 4 farklı atom ya da gruplara bağlıdır Bu yüzden dönen madde değil moleküldür, ayna hayali yoktur. Biri diğerinin görüntüsü olan iki molekül izomerdir. Bunlar enantiomerler olarak bilinir. er bir enantiomerin mol sayısı eşit olarak bulunduran bir karışım Rasemik karışım olarak adlandırılır. Bir molekülün konfigürasyonu sadece bir bağ etrafında dönme ile değişmez Maleik asit ile fumarik asit izomerdir. Bu bileşikler geometrik ya da cis- trans izomerdir. C 4 4 O 4 /OOC C = C - COO Maleik asit C 4 4 O 4 /OOC C = C - COO Fumarik asit

24 Benzer şekilde Retinal de ortamda cis- ve trans-retinal retinal olarak bulunur. Retinal 11 cis retinal All-trans retinal

25 Optik izomeri Kendisinden veya çözeltisinden geçirilen polarize ışığın düzlemini çevirebilen bileşiklere optikçe aktif bileşikler denir. L- Amino asit Sol el Ayna D- Amino asit Sağ el

26 Stereoizomerler Stereoizemerler aynı yapıya sahip olan ve sadece atomların uzaydaki düzeni ile farklılaşan moleküllerdir. Konformasyon ve konfigürasyon izomerlere ayrılır. Konformasyon İzomerler (Konformerler( ya da Rotamerler) Bir molekül sigma bağı çevresindeki dönmeler nedeniyle çok sayıda konformasyona sahip olabilir. Bağ çevresindeki dönmelerden oluşan değişik yapılara konformerler adı verilir. Konformerler birbirlerine kolayca dönüşürler ve genelde saf olarak ayrılamazlar. Oysa yapı izomerleri net olarak ayrılabilir. C 2 4 Cl 2 rotamerleri Birbirlerine dönüşebilen kiral konformasyonlara konformasyon enantiomerleri yada dinamik enantiomerler denir. Normal enantiomerlerin aksine, konformasyon enantiomerleri ayrılamaz. Konfigürasyon İzomerler Tekli bağların etrafında dönmelerden sonra dizilişleri farklılaşan an moleküller konfigürasyon izomeridirler.

27 Bir formdan diğerine geçiş kimyasal bir bağın etrafında dönme gerektirir. Enantiomerler ve diastereoizomerlere ayrılır. Enantiomerler biri diğerinin ayna hayali olan stereoizomerlerdir. Örnek: D-alaninD ile L-alaninL (D ve L seriler). Enantiomerler: Birbirinin ayna hayali olan bileşiklerdir.. Moleküllerin D ve L şekilleri birbirlerinin enantiyomerleridir. Enantiyomerlerin tüm fiziksel ve kimyasal özellikleri birbirinin aynıdır. Tek fark polarize ışığı çevirme yönlerinin zıt olmasıdır. COO COO C O O C C 3 C 3 D - Laktik asit L - Laktik asit C = O C = O C O C O O C O C C O C O C O O C C 2 O C 2 O D-Glikoz L-Glikoz

28 Epimerler: Bir çeşit diasteromerlerdir.. Birden fazla asimetrik karbon atomu içeren moleküllerde sadece bir karbon atomuna bağlanan ve O gruplarının g konfigürasyonları farklıdır. D-Glikoz ile D-MannozD Anomerler: Karbonhidrat epimerlerinin özel bir formudur.anomerik karbonda farklılık vardır. Anomerik karbon aldehitlerde 1.C; ketonlarda 2.C dur. Aldehitlerde 1.C na bağlı -O molekül düzlemine göre aşağıda ise α, -O grubu yukarıda ise β formu oluşur. Enantiomerler benzer kimyasal özelliklere sahiptirler (optik aktif özellik hariç) ve benzer fiziksel özelliklere sahiptirler (polarize ışığın düzlemde saptırma yönü hariç). Diastereoizomerler benzer kimyasal özelliklere sahiptirler, fakat fiziksel özellikleri farklıdır. Diastereoizomerler enantiomer olmayan stereoizomerlerdir. Stereoizomerlerin ayna hayali olmayan çiftleridir. Örnek: İzolöysin ve Threonin; ; D-glikozun D diğer izomerleri; birden çok asimetrik C bulundururlar. Diasteromerler: Birbirlerinin ayna hayali olmayan steroizomerlerdir. Molekülde birden fazla sayıda asimetrik karbon atomu vardır. Diasteromerlerin tüm fiziksel, kimyasal özellikleri ve polarize ışığı çevirme yönleri farklıdır. Eritrozlar ve triozlar diasteromerlerdir.

29 - C = O - C = O C O C O C O 0 C C2O C2O D-eritroz L-eritroz Enantiomerler C =O C = O O C C 0 C O 0 C C2O C2O D-treoz L-treoz Ayna hayali Enantiomerler Ayna hayali olan bu karbon enantiomerik C Ayna hayali olmayan bu karbon diastereomerik C Diastereomerler Ayna hayali olmayan Diastereomerler

30 Teşekkürler

31 Moleküler asimetri: kiral (Chiral)) ve kiral olmayan (achiral)) moleküller. Kiral bir molekül ayna hayali ile üstüste çakışmayandır. Kiral olmayan bir molekül simetri merkezi ve simetri düzlemini taşımaz. Bir mezobileşik ayna hayalleri üzerinde çakışabilen moleküllerden biridir ki bunlar kiral merkez içerirler ve optikçe inaktiftirler. Simetri merkezi ve simetri düzleminin olmayışı Kirallık Kirallık için gereklidir, fakat yeterli değildir Çakışmazlık (Asimetriklik) Kendi ayna görüntüsü ile üstüste çakışamayan herhangi bir cisime kiral Chiral Chiral (çakışmaz) adı verilir. Eller, ayakkabılar, eldivenler hepsi kiraldır (asimetriktir). Bir bardak yada bir küp üstüste çakışır ve kiral değildir.

32 L- Amino asit Sol el Ayna D- Amino asit Sağ el Kiral bir molekül kendi ayna görüntüsü ile üstüste çakışmaz. Bunlar farklı bileşiklerdir ve enantiomerler olarak adlandırılan bir çift stereoizomeri gösterir. Kiral C atomu asimetrik karbon atomu: dört bağına dört farklı grup ya da atom bağlanmış karbon atomudur. Aslında kiral olan C atomu değil moleküldür. Konformasyon bağlar etrafındaki dönmeden ileri gelir. Konfigürasyon ise, kiral C atomu çevresindeki 4 grubun düzenlenme sırası ile ilgilidir. Kiral C atomu (R) veya (S) konfigürasyona sahip olabileceğinden enantiomerlerden biri (R) diğeri (S) yapıdadır. Rasemik karışımlar (RS) şeklinde belirtilir ve iki enantiomerin karışımıdır.

33 Alkanların formülü ve ilgili alkil kökleri Alkan Molekül formülü Alkil kökü Metan C 4 Metil Etan C 2 6 Etil Propan C 3 8 Propil Bütan C 4 10 Butil Pentan C 5 12 Pentil

34 Alkan Alkil grup Metan Metil (C 3 -) Etan Etil (C 3 C 2 -) Propan Propil (C 3 C 2 C 2 -) Bütan Bütil (C 3 C 2 C 2 C 2 -) vb. C 3 4 C 3 C 2 C C Metilbütan Düz zincir; alt grup sayısını vermek amacıyla ona en yakın taraftan numaralanır.

35 Pentan (C 5 12 ) - 3 yapı izomeri C 3 C 3 C 2 C 2 C 2 C 3 C 3 C 2 C C 3 C 3 C 3 C C 3 C 3 Bunların hepsi karbonun tetrahedral yapısı üzerine oturur C 5 12 nin mümkün diğer düzenlemeleri yoktur. Note Not C 3 C 3 C 2 C C 3 = C 3 C C 2 C 3 = C 3 C 3 C 2 C Vb. C 3 C 3