Kjemi kap. 4 - organiske reaksjoner og analyse

Substitusjonsreaksjon

Et atom eller en atomgruppe i et organisk molekyl blir byttet ut med et annet atom eller atomgruppe. Vanlig med halogeniserte hydrokarboner.

Addisjonsreaksjon

Når et lite molekyl binder seg til dobbelt- eller trippelbinding i et annet molekyl, og det dannes et nytt molekyl. Vanlige typer:

1. Halogen som Cl2 og Br2 adderer seg til alkener og danner dihalogenerte hydrokarboner, alkaner med to halogener bundet til seg.

2. Syrer som HCl, HBr og HI adderer seg til alkener og danner halogeniserte hydrokarboner.

3. Vann adderer seg til alkener og danner alkoholer. En syre katalyserer reaksjonen.

Eliminasjonsreaksjon

Når et lite molekyl blir spaltet av fra et større molekyl slik at det dannes en dobbelt- eller trippeltbinding mellom karbonatomer.

Kondensasjonsreaksjon

To molekyler reagerer og danner et større molekyl under avspalting av vann.

Hydrolysereaksjon

Et større molekyl tar opp vann og danner to mindre.

Organiske redoksreaksjoner

Et organisk stoff blir oksidert når oksidasjonstallet til karbonatomet øker, og det blir redusert når oksidasjonstallet til karbonatomet minker. Is disse reaksjonene får og mister karbonatom bindinger til oksygen og hydrogen.

Oksidasjonstall på karbon i organiske forbindelser

1. Andre karbonatomer har oksidasjonstallet 0

2. Oksygenatomer har oksidasjonstallet -II og hydrogenatom har oksidasjonstallet +I

Reaksjonsmekansme

Viser hvordan en reaktant blir gjort om til et produkt, steg for steg. Bruker elektronpar for å vise hvordan elektronpar vandrer.

Regler for tegning av reaksjonsmekanismer

1. En hel pil betyr at et elektronpar beveger seg

2. Retningen på pilen indikerer retningen elektronene beveger seg i. De kan bare gå fra et elektronrikt stoff eller ion til et elektronfattig stoff eller ion.

3. Elektron som beveger seg fra bindinger, skal tegnes fra midten av bindingen.

4. Elektroner som beveger seg fra elektronpar, skal tegnes fra midten av elektronparret. Elektronpaet må i sånt fall vises på atomet.

5. Piler skal aldri krysse bindinger.

Nukleofil

Et stoff eller et ion med høy elektrontetthet. Angriper elektrofiler på grunn av elektrostatisk tiltrekking og danner nye kjemiske foreninger. Noen nukelofilier:

• Hydroksid OH-

• Ammoniak NH3

• Alkener R1C=CR2

Elektrofil

Stoff eller ion med lav elektrontetthet. Noen elektrofiler:

• Halogenerte hydrokaboner R-X

• Protoner H+

• Karbokation R3C+

Mekanismer for substitusjonsreaksjoner

Først finner vi nukleofil og elektrofil. Så finner vi hva gruppe som skal byttes ut. Først angriper nukleofilen elektrofilen. Så må et stoff gå ut av molekylet. Den gamle bindingen må derfor brytes. Hvis stoffet som går ut er mer elektronegativt enn karbon (eks. en halogen) vil det ta med seg bindingselektronene og danne et negativt ladet ion.

Mekanismer for addisjonsreaksjoner

I slike reaksjoner dannes det veldig reaktive mellomprodukter som raskt går videre til et annet stoff. Reagerer ofte med noe annet i løsningen og går gjennom videre reaksjoner frem til det dannes et stabilt produkt.

I reaksjonen angriper dobbeltbindingen på alkenet eks. HBr. Mer spesifikkt blir det elektrofile H+-ionet i HBr attakert. Da vil det ene karbonatomet mangle et elektronpar og ha en positiv ladning - karbonation. Dette karbonationet vil så bli angrepet av det nukleofile bromidionet, slik at produktet dannes.

Høy aktiveringsenergi for reaksjoner der det dannes karbokation.

Karbokation

Karbonatom med positiv ladning. Ofte dannet i addisjonsreaksjoner. Veldig reaktive og reagerer raskt videre. Karbonatomet har bare tre kjemiske bindinger, ikke fire → ustabil elektrofil.

Markonikovs regel

I addisjonsreaksjoner blir hydrogenatomet bundet til det karbonatomet som har flest hydrogenatomer fra før av. Dette fordi et karbokation som sitter bundet til flest andre karbonatom er mest stabilt - og dette vil danne et karbokation, mens hydrogenatomet vil binde seg til det andre karbonatomet.

Mekanismer for eliminasjonsreaksjoner

Alkoholer kan bli eliminerte til alkener ved bruk av en syrekatalysator. Mekanismen skjer i tre steg. Først tar OH-gruppen opp et hydrogenion og det dannes en protonert OH-gruppe. Deretter går vann ut, slik at det dannes et karbokation. Til slutt blir det sendt ut et hydrogenion - og en dobbeltbinding dannes.

Zaitsev-regelen

I eliminasjonsreaksjoner blir et H+-ion fjernet fra det akrbonatomet som er nabo med karbokationet og har færrest hydrogenatomer fra før av. Det dannes en dobbeltbinding.

Syntese

Å fremstille et stoff fra andre stoff.

Utbytte

Sier noe om stoffmengden av produktet som blir laget, sammenlignet med stoffmengden av avgrensende reaktant som ble brukt. Skrives ofte i prosent.

u (%) = n_produkt/n_{avgrensde reaktant} * 100%

Mikrosyntese

Vanlig å bruke når en skal gjøre et forsøk, eks. i skolen eller på et forskningslaboratorium. Danner mindre avfall.

Makrosyntese

Vanlig å bruke i industrien, når en har tilgang til store mengder stoff og vil få store mengder produkt.

Syntesens fire faser

1. Planlegging - få oversikit over hvilke kjemikalier vi skal bruke + studere trygghetsbladene for stoffene.

2. Gjennomføring - veiing av stoff, måling av væsker, utføring av forsøket etter prosedyre. Kan trenge varming i eks. rundkolber og kjøler (for å hindre at produktet dampes vekk).

3. Rensing - har ofte løsemiddel, biprodukt og salter i produktet som vi må ha vekk.

4. Karakterisering - burke forskjellige metoder for å finne identiteten til stoffet (hva det er) og bestemme hvor rent det er. Finnes mange forskjellige metoder.

Metoder for karakterisering av stoff

• Farge og utseende - stemmer hvordan stoffet ser ut med hvordan stoffet skal se ut i rent form. Riktig farge/fase?

• Smeltepunkt - alle faste stoff har et bestemt smeltepunkt som vi kan sammenligne smeltestoffet til produktet med. Mer urent → lavere smeltepunkt enn forventet.

• Spektroskopi - eks. kjernemagnetisk resonansspektroskopi (NMR) og massespektrometri (MS)

Smeltepunktsanalyse

Blir utført på faste stoff. Smeltepunktet sier noe om identiteten og renheten til stoffet vi analyserer.a

Renseteknikker etter syntese

• Omkrystallisering

• Destillasjon

• Ekstraksjon

• Tørkemiddel

Omkrystallisering

Renseteknikk der et stoff blir løst i et egnet løsemiddel ved oppvarming, og kjølt sakte ned, slik at produktet krystalliserer seg i ren form. Urenheten blir værende oppløst i løsemiddelet.

Destillasjon

Renseteknikk som baserer seg på at en blanding av forskjellige stoff i væskeform blir skilt fra hverandre, ved at de har forskjellige kokepunkt. Stoffblandingen blir varmet opp og dampen kjølt ned, slik at produktet kondenserer i ren form.

Væske-væske-ekstraksjon

Teknikk for å skille ett eller flere stoff fra en blanding, ved å utnytte at stoff har forskjellig løsningsevne i forskjellige løsemiddel. Bruker to løsemiddel som ikke er blandbare i hverandre, eks. vann og et organisk løsemiddel. Løsemidlene danner to faser. Stoffet vi er interessert i vil være løst i det ene løsemiddelet.

Tørkemiddel

Stoff som binder spormengder av vann i en organisk fase. Ofte blir vannet bundet som hydrat. Fast stoff som ikke løser seg i den organiske fasen, men som binder seg til spormengder av vann som finnes i den organiske fasen. Brukes etter ekstraksjon.

Kromatografi

Å skille stoff fra hverandre basert på polariteten og/eller kokepunktene til stoffene. Kan brukes til å analysere hvilke stoff vi har i en blanding (kvalitativ analyse) eller hvor mye av forskjellige stoff vi har i en løsning (kvantiativ analyse).

Faser i kromatografi

Den fleste kromatografiske metodene baserer seg på et system med to faser. En fase står i ro, ofte et fast stoff som er polart, mens en fase beveger seg, ofte et løsemiddel eller en løsemiddeblanding. Mb

Stasjonær fase

Fasen i kromatogarfi som står i ro

Mobil fase

Fasen i kromatografi som flytter på seg

Kolonnekromatografi

Bruker en polar stasjonærfase og utnytter polariteten til forskjellige stoff for å skille de fra hverandre. Løsemiddelet løser opp stoffene og begynner å bevege seg ned kolonnen pga. tyngdekraften. Det upolare stoffet går raskere gjennom den stasjonære fasen, siden det ikke blir tiltrekt av den.

Tynnsjiktkromatografi TLC

Bruker en stasjonærfase spredt over en plate av aluminium i et tynt lag/skikt. Setter en baselinje på bunnen av platen. Prøven er ofte i en fortynnet løsning. Vi har et begerglass med litt løsemiddel som vi plasserer platen loddrett ned i glasset. Pga. kapillarkrefter vil den mobile fasen klatre oppover platen. Siden stoffene får forskjellig tiltrekking til den polare stasjonærfasen, begynner de å skille seg fra hverandre etter hvert som den mobile fasen vandrer oppover.

R_f-verdi

lengden stoffet har vandret fra baselinjen (A)/lengden løsemiddelet har vandret (B), løsemiddelfronten.

For å kunne stole på TLC-analysen må flekkene på platen hverken være for nærme fronten eller bunnen av plata, Rf mellom ca. 0,2 og 0,9.

For lav verdi → mer polart løsemiddel

For høy verdi → mindre polart løsemiddel.

Flekkene skal heller ikke være spredt utover → vanskelig å finne presis Rf-verdi.

Papirkromatografi

Variant av TLC. Bruker et papirark som stasjonær fase og vann/andre løsningsmiddel som mobil fase. Kan eks. separer pigment og fargestoff på denne måten.

Gas chromatography GC

Bruker en gasskromatograf. Stoff blir varmet opp nok til å bli gass → separert i en kolonne med stasjonærfase. Et tynt lag med stasjonærfase er kled på innsiden av kolonnen. Bæregasser, mobil fase, frakter stoffene gjennom den hule kolonnen. Seperasjonen skjer med grunnlag i kokepunkt og polaritet til stoff. Høyere molmasse → høyere kokepunkt. Har detektor som analyserer når stoffene kommer ut. Ferdig analyse → gasskromatogram, med tid på x-aksen og intensiteten på y-aksen.

Bæregass

Mobil fase i GC. Reagerer ikke med andre stoff og forstyrrer ikke analysen. Vanligvis helium- eller ntirogengass.

Væskekromatografi LC

Separer stoff i en prøve. Den mobile fasen er ett eller flere løsemiddel, og den stasjonære fasen er et polart materiale. Separasjonen skjer etter polariteten til stoffene.

GC-MS-analyse

Bruker gasskromatografi og massespektrometri for finne hvor mange stoffer en prøve inneholder og deres molare masse.