ANADOLU ÜNİVERSİTESİ ECZACILIK FAKÜLTESİ FARMASÖTİK KİMYA ANABİLİMDALI GENEL KİMYA II DERS NOTLARI (ORGANİK KİMYAYA GİRİŞ) Hazırlayan: Doç. Dr. Yusuf ÖZKAY
1. Organik bileşik kavramının tarihsel gelişimi Organik kelimesi ilk olarak 1807 yılında İsveçli kimyacı Berzelius (Berzelyus) tarafından kullanılmıştır. 1828 yılına kadar bilinen bütün organik bileşiklerin kaynağı hayvanlar ve bitkilerdi. Ancak 1828 de WÖHLER, o zamana kadar yalnız idrardan elde edilen üreyi Amonyum siyanatı ısıtarak elde etti. Böylece ilk olarak organik bir madde sentez edilmiş oldu. Wöhler, bu buluşu ile anorganik maddelerden, organik maddelerin sentezlenebileceğini ispatlamış oldu. Wöhler sentezi organik kimya için bir dönüm noktası kabul edildi. Organik maddelerin laboratuvarlarda sentezlenme çalışmaları da hız kazandı. Organik ve anorganik bileşiklerin özellikleri Organik Bileşikler: Organik bileşikler, karbonun oksitleri, karbonatları, siyanür ve siyanatları (CO, CO2, CO3-2, CN-) hariç karbon bileşikleridir. Erime ve kaynama noktaları genellikle düşüktür. Anorganik Bileşikler: Erime ve aynama noktaları genel olarak yüksektir. Yüksek sıcaklıklarda dayanıklıdırlar. Çabuk bozulurlar. Genellikle kovalent karakterli moleküler yapıdadırlar. Genellikle tepkimeleri yavaş gerçekleşir. Genellikle tepkimeleri iki yönlüdür. Bileşik sayısı milyonlar civarındadır. Yanarlar genellikle CO2 ve H2O oluştururlar. Genellikle iyonik bağ içeren iyonlu bileşiklerdir. Tepkimeleri genel olarak hızlıdır Bileşik sayısı yüz bin civarındadır. Bir kaçı dışında yanmazlar. CO ve SO2 ve H2 gibi maddeler yanar. Genellikle suda çözünürler. Genellikle organik çözücülerde çözünürler. 1
2. Karbon Elementi ve Özellikleri Organik bileşiklerde de temel element karbon elementidir. Organik bileşiklerin çok sayıda olması karbon elementinin özellikleriyle açıklanır. Karbon elementi periyodik cetvelde II. Periyot, 4A grubunda yer alır. Karbon atomunun dört tane değerlik elektronu vardır. Değerlik elektronlarını ortak kullanarak aynı veya farklı atom ya da atom gruplarıyla dört tane kovalent bağ yapar. Karbon, başka karbon atomları ile tekli bağ (C - C), ikili bağ (C = C) ve üçlü bağ (C C) yapabildiği gibi; başka atomlar ile de tekli, ikili ve üçlü bağlar yapabilir. Karbon atomları sonsuz sayıda birbirine bağlanarak kararlı düz zincir, dallanmış zincir ve halka yapılarına sahip çok sayıda bileşik oluşturabilir. Karbon atomunun bağ yapma özelliklerinin diğer elementlerle karşılaştırılması. Periyodik sistemde karbona en yakın olan bor, azot, oksijen, silisyum, fosfor ve kükürt atomlarının kendi aralarında bağlanıp zincir oluşturma özellikleri daha azdır. Örneğin, silisyum en çok 11 li zincir oluşturabilirken azot en çok 3 lü zincir oluşturabilir. Fosfor ya da kükürdün kendi atomlarıyla çok sayıda bağ yapması, silisyum ve azot atomlarına göre daha fazla olsa da karbonla karşılaştırılamayacak 2
kadar azdır Bunun nedenlerinden biri bu atomların bağ enerjilerinin karbon atomlarının bağ enerjilerinden düşük olmasıdır. Bağ enerjisinin yüksek olması daha fazla bağ oluşumunu sağlar. Diğer bir neden de elektronegatiflik değerleri arasındaki fark ile değerlik elektron sayılarının azlığıdır. Elektro negatifliği büyük olanlar daha fazla bağ yapmak isterler. Değerlik elektron sayısı fazla ise yapılacak zincir sayısı da o kadar fazla olur. Aşağıdaki çizelgede görüldüğü gibi karbona en yakın olan B, Si ve P un elektronegatiflik değeri, karbon atomunun elektronegatiflik değerinden azdır. Bu durumda B, Si ve P atomlarının birbirini ve diğer atomları çekme kuvveti karbon atomlarının birbirini ve diğer atomları çekme kuvvetinden azdır. Azot ve oksijen atomlarının elektronegatiflik değeri büyüktür, fakat bağ yapabilecekleri elektron sayısının karbona göre daha az olması ve ortaklanmamış elektron çiftlerinin varlığı, az sayıda bileşik yapmalarına neden olur. B, Si, P, N ve O in C gibi çok sayıda bağ yapması, zincir, dallanmış ve halkalı bileşikler oluşturması beklenemez. Karbon bileşikleri yukarıda saydığımız nedenlerden dolayı Si 4, P 4, O 3, S 8, B 4 tipi moleküllerden daha kararlıdır. 3
Bazı Organik Bileşiklerin Lewis Formülleri Lewis formülleri yazılırken aşağıdaki işlem basamakları esas alınır: Moleküldeki toplam değerlik elektronu sayısı bulunur. Merkez atomu belirlenir; bağlı atomlar tekli bağlarla merkez atomuna bağlanır. Bağlı atomların oktetleri tamamlanır. Artan elektron çiftleri varsa merkez atomuna bağlanır. Merkez atomun okteti tamamlanmamışsa, bağlı atomlarla çoklu bağ olanağı aranır. Lewis formülleri yazılırken atom sembolünün çevresine atomun değerlik elektron sayısı kadar nokta koyulur. Nokta tek ise ortaklanmamış elektron, iki tane ise ortaklanmamış elektron çiftini gösterir. Kovalent bağda ortaklaşa kullanılan elektron çiftlerine ortaklanmış elektron çifti veya bağlayıcı elektron çifti denir. Aşağıdaki tabloda bulunan bileşiklerde yan yana siyah noktalar ortaklanmış elektron çiftini belirtmek için kullanılmıştır. Bu elektron çiftine bağlayıcı elektron çifleri de denir. Kovalent bağı oluşturacak ortaklanmış elektron çifti tek çizgi ile (-) gösterilir. Bundan sonraki konularda her bir bağ tek bir çizgiyle gösterilecektir. Soru: Su ve amonyağa ait Lewis Formüllerini gösteriniz? 4
Koordinasyon bağı (koordine kovalent bağ) Kovalent bağı oluşturan elektronlardan her ikisi de aynı atom tarafından sağlanmışsa bu tür bağlara koordine kovalent bağ denir. Örnek: Amonyak ve hidrojen klorürün reaksiyonu :NH 3 + HCI NH + 4 + CI - Bu renksiz gazlar birleştiklerinde katı amonyum klorürün beyaz dumanı oluşur. Organik Moleküllerde Rezonans ve Tautomeri Bazı molekül ya da iyonlar için tek bir elektron nokta yapısı (Levis Yapısı) mümkün değildir. Ancak birden fazla formülle gösterilirler. Bu tür formüllere rezonans yapı denir. Her iki formülde de atomlar oktet ve dubletlerini tamamlamıştır. İkili bağların konumu 1 ve 2 de farklıdır. X-ışınıyla yapılan incelemelerde karbon-oksijen tekli bağlarının ikili bağlardan uzun olması gerekirken format iyonunda eşit uzunlukta oldukları görülmüştür. Bu gözlemi açıklamak için bileşiğin formülü yukarıda gösterildiği gibi iki farklı şekilde yazılmıştır. Bu formüllerde atomların yerleri aynı kalırken elektron çiftleri yer değiştirmektedir. Moleküldeki atomların yeri değişmezken, elektron çiftlerinin yer değiştirmesine rezonans denir. Aşağıda bazı rezonans melezleri verilmiştir. Burada kullanılan oka dikkat etmek gerekir. Bileşiklere ait rezonans melezleri çift yönlü ok ( ) ile gösterilir. 5
İkili bağların farklı konumlarda yer aldığı bir başka durum da tautomeridir. İkili bağ bulunan karbon atomuna OH grubu bağlıysa bu bileşiklere enol adı verilir. Kararsız olan enol bileşiği OH deki hidrojenin yer değiştirmesiyle keto yapısına dönüşür. Birbirine dönüşebilen enol ve keto bileşiklerinin dengede bulunmasına tautomeri, bileşiklerin her birine tautomer denir. Tautomerler keto ve enol bileşikleri olduğu için buna keto-enol tautomerisi denir. Tautomerler zıt yönlü üst üste iki ok ( ) ile gösterilir. 6