כימיה לבגרות/תרכובות הפחמן/כימיה אורגנית למתחילים פלוס
הכתוב הוא אוסף אינפורמציה אשר נכתב על ידי קומץ אנשים ללא ציון שם או זכויות יוצרים
זה עדיין בתהליך כפי שוודאי קל לשים לב
כימיה אורגנית למתחילים פלוס
ראו גם
[עריכה]- [MIT OpenCourseWare » Organic Chemistry
[[1]
- [[2]]
- [מונחון http://he.wikipedia.org/wiki/IUPAC] IUPAC]]
(יהיה קל)
פרק ראשון ובו יסופר על מבנה האטום והקשר הכימי.
האטום מורכב מאלקטרונים (-), פרוטונים(+) ונויטרונים (שמיצבים את הגרעין). האלקטרונים מסתובבים סביב הגרעין בספין – שמשרה שדה מגנטי. בכל אורביטל סביב האטום יכולים להיות מקסימום 2 אלקטרונים בעלי ספינים מנוגדים.
• ככל שהאלקטרון קרוב יותר לגרעין, הוא בעל רמה אנרגטית יותר נמוכה, ולכן קשה יותר להוציא אותו מהאטום. רישום אורביטלים: 1S22S22P1… כאן בא לידי ביטוי חוק האוטובוס: האלקטרונים שברמה P ימלאו קודם "כסאות נפרדים" ורק אחר כך ישבו זה ליד זה.
לכל נוסחה מולקולרית נתונה אפשר לבנות כמה נוסחאות מבנה (נוסחאות לואיס). האפשרויות הללו נקראות "איזומרים".
סוגי קשרים: • קשר יוני (נדיר באורגנית). הפרשי א"ש גדולים מ-2. • קשר קוולנטי – אטומים מצטרפים ע"מ ליצור קונפיגורציה אלקטרונית בעלת יציבות גבוהה. היציבות המקסימלית היא כאשר האטום הוא איזו אלקטרוני עם גז אציל (בעל אותה קונפיגורציה אלקטרונית – כלומר, רמה מלאה). הפרשי א"ש קטנים מ-2. • קשר קוולנטי פולארי - ככל שערך האלקטרו שליליות (א"ש) גבוהה יותר, יכולת המשיכה של האטום חזקה יותר. זוג האלקטרונים בקשר מוסט והאטום הופך להיות בעל מטען שלילי חלקי.
נוסחאות לואיס
המטען המחושב עבור אטום במבנה לואיס על בסיס חלוקה שווה של זוגות אלקטרונים קושרים. (כשרושמים מטען פורמלי רושמים קודם את הסימן ואח"כ את המטען: O-1 , בניגוד ליון).
נוסחה לחישוב מטען פורמלי: (מס e וולנטים - ה-e ברמה האחרונה) - (מספר קשרים) - (מס' e לא קושרים) = מטען פורמלי
מחלקים את האלקטרונים על האטומים במולקולה לפי סדר א"ש, כך שישלימו אוקטט. מחפשים את האיזומר המבני בעל הכי פחות מטענים.
לאותה צורת קישור אפשר לרשום מספר נוסחאות לואיס. המבנה האמיתי הוא איזשהו ממוצע בין הנוסחאות האפשריות – רזוננס.
הצורה היציבה יותר היא זו שיש לה מינימום מטען פורמלי. (בודקים כמה e יש לאטום בטבלה המחזורית, וכמה יש לו בנוסחת המבנה שציירנו. אם למשל יש חמצן, לפי הטבלה צ"ל לו 6 אלקטרונים ברמה החיצונית, אבל בציור שלנו יש לו 7, אז הוא יהיה בעל מטען (1-).
אורך הקשר: עושים ממוצע. למשל – אם בין שתי מולקולות יש פעם קשר יחיד ופעם קשר כפול (בשתי צורות רזונטטיביות) אז אורך הקשר יהיה 1.5 .
מבנה מרחבי של מולקולות האלקטרונים דוחים זה את זה. ההערכות היציבה ביותר היא כשיש הפרדה מקסימלית בין זוגות האלקטרונים. טטרהדר, פירמידה משולשת, משולש מישורי, מבנה ליניארי.
מומנט דיפול מולקולרי: הקשר בין קוטביות המולקולה לקוטביות הקשרים: נתייחס לדיפול כווקטור. אם הווקטורים מבטלים זה את זה, אז המולקולה אינה פולארית.
סוגי קשרים: • קשר סיגמה - קשר יחיד. (שני אטומים עם ספינים מנוגדים מתקרבים ויוצרים מסלול חדש שכולל את סכום האורביטלים של שני האטומים הנפרדים). המולקולה יכולה להסתובב באופן חופשי סביב קשר סיגמה. • קשר פאי – הקשר השני בקשר כפול. סיבוב כאן דורש אנרגיה (כרוך בשבירת הקשר!) .
= היברידיזציה – על מנת ליצור מצב שבו כל הקשרים שווי ערך, נוצרת תערובת (הברידיזציה) של תת רמה 2S עם תת רמה 2P. לרמה החדשה אנחנו קוראים SP, ויש בה מקום ל-4 אלקטרונים. זה דורש השקעת אנרגיה כמובן.
קשר סיגמה יציב יותר מקשר פאי.
איך בודקים היברידיזציה של אטום? 1. בודקים כמה קשרי סיגמה יש לו. 2. מוסיפים את מספר זוגות ה- e הלא קושרים. 3. מוצאים הברידיזציה: אם יוצא 2 אז SP1 אם יוצא 3 אז SP2, וכו'.
פרק שני ובו יסופר על משפחת האלקאנים.
נוסחה כללית: CnH2n+2 (אלקאנים שרשרתיים) טמפרטורת רתיחה במינוס. גזים בטמפ' החדר.
מס אטומי פחמן שם של שרשרת לא מסועפת 1 מתאן 2 אתאן 3 פרופאן 4 בוטאן 5 פנטאן 6 הקסאן 7 הפטאן 8 אוקטאן 9 נונאן 10 דקאן
איזומרים מבניים, כללים לשמות:
1. מחפשים את שרשרת אטומי הפחמן הכי ארוכה. 2. מוסיפים את שם המתמיר כקידומת (מתיל, אתיל...). 3. מוסיפים את נקודת ההסתעפות כקידומת לקידומת. (נקודת ההסתעפות מהצד שהיא יותר קטנה). 4. כשיש שני מתמירים – די. שלושה מתמירים – טרי. ארבע מתמירים – טטרא. 5. רישום שמות המתמירים יעשה לפי סדר הא"ב.
דוגמא:
2 מתיל 2 מתיל בוטאן
שמות לקבוצות מתמירים:
1. מוצאים את השרשרת הכי ארוכה במתמיר שמתחילה בנקודת החיבור. 2. משנים את סיומת השם ל"יל" 3. מזהים קבוצות מתמירים במתמיר, ומוסיפים כקידומת. 4. מספור המתמיר תמיד מתחיל בנקודת החיבור.
נקודות רתיחה של אלקאנים:
אלקאנים אינם פולאריים. ככל שהפחמימן יותר מסועף- טמפ' הרתיחה תהיה יותר נמוכה.
כל תוספת של CH2 לפחמימן גורמת לעלייה של עד 20 מעלות בנקודת הרתיחה. הסתעפויות גורמות לירידה קטנה יותר בנק' הרתיחה.
לתרכובות טבעתיות נק' רתיחה נמוכה יותר מלאלקאן שרשרתי (הם יותר קומפקטיות, דומות לכדור, שטח פנים קטן יותר – פחות נקודות מגע עם מולקולות אחרות).
חום שריפה: כל תוספת של CH2 לפחמימן גורמת לפליטה של 654 קילו ג'אול למול של אנרגיה. הסתעפויות גורמות לירידה בכמות האנרגיה שנפלטת (ביחס לאלקאן זהה לא מסועף). – ככל שהאלקאן יותר מסועף יש לו פחות אנרגיה.
ציקלואלקנים
נוסחה כללית: CnH2n מכילים טבעת של שלושה אלקאנים לפחות. סופרים את מספר הפחמנים בטבעת. מוסיפים קידומת "ציקלו". אם יש קבוצת מתמיר אחת אין צורך לציין מקום. אם יש מספר מתמירים נמספר כך שנקבל את המספור הכי נמוך.
פרק שלישי ובו יסופר על מבנים מרחביים של אלקאנים:
א. המבנה המרחבי של אלקאנים שרשרתיים
השלכת ניומן – ציור מרחבי של המולקולה:
קונפורמציה חורגת יציבה יותר מקונפורמציה חופפת.
בתוך החורגת אפשר לדבר גם על היחסים בין הפחמנים בקשרים סמוכים: אנטי – זווית של 180 מעלות. גוש – זווית של 60 מעלות.
ככל שיש יותר קשרי אנטי המולקולה יציבה יותר.
למה זה חשוב? בגלל המתח שנוצר במולקולה. יש שלשה סוגי מתחים: 1. מתח ון דר ולס - נובע מדחייה בין ענני e. לכן הכי יציב זה אנטי, כי האטומים הכי רחוקים זה מזה. 2. מתח טורסיוני – דחייה בין זוגות אלקטרונים של קשר. 3. מתח זוויתי - מעניין אותנו לגבי ציקלואלקאנים, להלן.
איך בודקים מתח ויציבות של אלקאנים שרשרתיים? 1. מציירים את הקונפורמציות בתור השלכות ניומן. 2. מדרגים מבחינת יציבות – חורגות יותר יציבות מחופפות. 3. בתוך החורגות: סופרים כמה קשרי גוש וכמה אנטי יש בכל השלכת ניומן. מי שיש לו יותר קשרי אנטי הוא יותר יציב. 4. בתוך החופפות: בודקים איזה אטומים חופפים זה לזה. ככל שהאטומים גדולים יותר, הדחייה ביניהם תהיה גדולה יותר, מתח ון דר ולס גדול יותר ולכן הם יהיה יציבים פחות.
ב. המבנה המרחבי של ציקלואלקאנים
המתח הזוויתי נובע מההפרש בין הזווית הנדרשת (109, טטרהדר) לזווית הקיימת בפועל. ככל שההפרש הזה קטן יותר המולקולה יותר יציבה. זה נכון עד ציקלו הקסאן.
ציקלוהקסאן היא טבעת לא מישורית.
מבנים מרחביים של ציקלוהקסאן:
בקונפורמצית סירה – 2 חופפות ו-4 חורגות. בקונפורמצית כסא – כל הקונפורמציות חורגות, לכן קונפורמצית כסא היא יותר יציבה.
סידור הקשרים: קשרים אקסייאלים – צפון דרום. קשרים אקוויטוריאליים – במישור אנכי. (אקוויטור – קו המשווה).
בתהליך היפוך – כל מימן אקסייאלי הופך לאקוויטוריאלי. בהיפוך כזה המתח הטורסיוני לא משתנה, אבל מתח ון דר ולס משתנה. ככל שיש יותר קשרים אקוויטוריאליים – המולקולה יותר יציבה.
איזומריה טראנס/ ציס בציקלואלקאנים
איך בודקים מתח ויציבות של ציקלואלקאנים? 1. מציירים את המבנים המרחביים האפשריים. 2. מדרגים מבחינת יציבות – לפי מתח זוויתי: ככל שהזווית קטנה יותר, המבנה יותר מתוח. (מרובע יותר מתוח ממשולש). 3. מתח טורסיוני – בודקים את האינטראקציות בין הפחמנים (רושמים את זוגות האטומים הסמוכים משני צידי הטבעת).
איך בודקים אנרגיה יחסית ויציבות של ציקלוהקסאנים? 1. מציירים את קונפורמציות הכסא לפי הטבלה:
ae Cis 1,2 Aa/ee Trance 1,2 Aa/ee Cis 1,3 ae Trance 1,3 ae Cis 1,4 Aa/ee Trance 1,4
ממספרים את הפחמנים של הטבעת, כך שפחמן מספר אחד הוא הפחמן שמחובר למתמיר הכי גדול. מסדרים כל פחמן על הכסא ביחס לפחמן מספר 1 שבחרנו, לפי הטבלה. אחרי הסידור הראשוני עושים היפוך.
2. מי שיש לו יותר קשרים אקווטוריאליים הוא יותר יציב. 3. אם לשניהם אותו מספר קשרים אקווטוריאליים יש לבדוק טראנס איזומריה בטבעת (מסתכלים על הכסא בתלת ממד מסמנים את המתמירים שפונים כלפי מעלה ואת אלה שפונים כלפי מטה, ובודקים מה האינטראקציה ביניהם. כשיש אינטראקציות בין מתמירים גדולים, אז המולקולה יותר מתוחה, כלומר פחות יציבה. (הערה: מסתכלים רק על המתמירים בעמדות אקסיאליות).
סוגים של מערכות טבעתיות:
ספירוציקלי (Spiro cyclic) מאוחות (fused) מגושרות (bridged)
פרק רביעי ובו יסופר על אלכוהולים ואלקיל-הלידים:
תגובות כימיות ליצירת אלקילהלידים:
1. אלכוהול + שרשרת הלוגנית: ROH+HX RX+H2O 2. אלקאן + הלוגן: RH+X2 RX+HX
שמות לאלקיל-הלידים:
1. מוצאים את השרשרת הכי ארוכה שמחוברת להלוגן. 2. מספור המתמירים כך שהמתמיר הראשון יקבל מספור מינימלי. אין עדיפות להלוגן. 3. מוסיפים קידומת את שם ההלוגן (2 ברומו פנטאן)
שמות לאלכוהולים:
1. מוצאים את השרשרת הכי ארוכה שמחוברת ל- OH. 2. משנים את סיומת השם ל ???. (בוטאנול). 3. מספור המתמירים כך שה-OH יקבל מספור מינימלי. (יש לו עדיפות!)
סוגי אלכוהולים:
1. ראשוני
2. שניוני
3. שלישוני
נקבע לפי מספר הפחמנים שאליהם קשור האטום של ההלוגן/ OH.
אלכוהלים ואלקיל הלידים הם מולקולות קוטביות.
נק רתיחה: 1. ככל שהמסה של המולקולה יותר גדולה, נק' הרתיחה עולה. 2. קשרי מימן גורמים לעליה בנק' הרתיחה. (קשרים חזקים). 3. ככל שיש יותר הלוגנים נק' הרתיחה עולה. (מסת המולקולה עולה). 4. F יוצא דופן. תוספת F למולקולה גורמת לירידת נק' הרתיחה. 5. הסתעפויות??
פרק חמישי ובו יסופר על אלקנים:
CnH2n
שמות לאלקנים:
1. מוצאים את השרשרת הכי ארוכה שכוללת את הקשר הכפול. 2. משנים את סיומת השם מ Xאן ל Xן. (פנטן). 3. מספור המתמירים כך שהפחמן הראשון של הקשר הכפול (סופרים:1=2, 3 ....) יקבל מספור מינימלי. 4. קבוצת הידרוקסיל (OH) חשובה יותר מקשר כפול, ואם קיימת אז נתחיל לספור מהפחמן שמחובר אליה. לקבוצת OH קוראים "אול", והיא באה כסיומת לשם. (2 מתיל 3 בוטן 1 אול). 5. קבוצות עם שמות מיוחדים: H2C= מתילן H2C=CH- ויניל H2C=CHCH2- אליל
שמות לציקלואלקנים:
1. סופרים כמה פחמנים יש בשרשרת. 2. משנים את סיומת השם. (ציקלו פנטן). 3. מספור המתמירים כך שהפחמן הראשון של הקשר הכפול (סופרים:1=2, 3 ....) יקבל מספור מינימלי.
מבנה: לאלקנים מבנה מישורי בגלל הקשר הכפול.
איזומרים באלקנים: - צורת קישור שונה – איזומר מבני. - אותה צורת קישור, שוני במבנה המרחבי – איזומר מרחבי (קונפיגורציה).
סימון סטריאוכימי: ציס / טראנס.
שמות לאיזומרים מרחביים:
1. מחלקים את הקשר הכפול לשניים ( C=C ). 2. בכל צד קובעים מיהו האטום העדיף יותר (1) ופחות (2). את העדיפות קובעים לפי מסה מולרית בטבלה המחזורית. (הגודל כן קובע! יותר גדול יותר עדיף). 3. אם שני האטומים זהים, יש להשוות את המשך המתמיר. (למשל: CH2CH3 יותר עדיף מ- CH3. בודקים עד נק' השוני הראשונה). 4. שמות: איזומר E - כשהגבוהים בטראנס. איזומר Z – כשהגבוהים בציס.
יציבות מולקולה של אלקן: 1. מספר המתמירים (הפחמנים שקשורים לקשר הכפול) – ככל שיש יותר מתמירים המולקולה יותר יציבה. 2. כשיש אותו מספר מתמירים: טרנס יותר יציב מציס. (בגלל ון דר ולס).
יציבות מולקולה של ציקלואלקן:
1. בטבעות קטנות, עד 8 פחמנים, הטבעות מישוריות: ציס יותר יציב.
2. כשיש 8 פחמנים, ציס וטרנס יציבים באותה מידה.
3. בטבעות גדולות (12 פחמנים ויותר) טרנס יותר יציב מציס.
פרק שישי ובו יסופר על תגובות:
או שלא יסופר.
תרשים התגובות המאפשרות לשנות קב' פונקציונלית
טמפ רתיחה: מסה>מיעוט הסתעפויות>סוגי קשרים
אפיון המיקום של קשר כפול:
א) על ידי שימוש בתגובת אוזונוליזה של אלקן
ב) על ידי שימוש בתגובת הידרוקסילציה של אלקן עם OsO4 ואחרי זה חימצון של דיול ויצינלי עם HIO4 .
cis-1,2-dimethyl ax-eq trans-1,2-dimethyl eq-eq cis-1,3-dimethyl eq-eq cis-1,3-di oh ax-ax trans-1,3-dimethyl ax-eq cis-1,4-dimethyl ax-eq trans-1,4-dimethyl eq-eq
מתאן- CH4 , אתאן- CH3CH3 , פרופאן- CH3CH2CH3 , בוטאן- CH3CH2CH2CH3 , פנטאן- CH3CH2CH2CH2CH3 , הקסאן- CH3CH2CH2CH2CH2CH3 , הפטאן- CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3 , אוקטאן- CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 , נונאן- CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3 , דקאן- CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH3.
רשימת תגובות:
I. תגובות התמרה.
1) תגובת הלוגנציה של אלקאנים(פחמימנים רווים):
אלקיל הליד אלקאן
הערות: תגובות הכלורינציה ברובן אינן סלקטיביות. בתגובות הברומינציה ישנה עדיפות לקבלת אלקיל הליד: שלישוני>שניוני>ראשוני.
2) הכנת אלקיל הליד מכהל:
אלקיל הליד כהל
הערות: ריאקטיביות יחסית של כהלים: שלישוני>שניוני>ראשוני
ריאקטיביות יחסית של HX: HI>HBr>HCl>HF
II. תגובות אלימינציה. 3. תגובת דה-הידרציה:
אלקן כהל
הערות: תגובת דה-הידרציה היא תגובה רג'יו- וסטריו-סלקטיבית: התוצר המועדף הוא אלקן בעל דרגת התמרה הכי גבוהה עם סידור מרחבי פחות מתוח.
כלל זייצב: H יוצא מפחמן שקשורים לו ישירות פחות מימנים. כלל זייצב מאפשר להגדיר מבנה התוצר המועדף.
4. דה-הידרוהלוגנציה:
אלקן אלקיל הליד
הערות: תגובת דה-הידרוהלוגנציה היא תגובה רג'יו- וסטריו-סלקטיבית: התוצר המועדף,יש גם לא מועדף ציס טרנס זייצב ובניגוד לו, הוא אלקן בעל דרגת התמרה הכי גבוהה עם סידור מרחבי פחות מתוח.
כלל זייצב: H יוצא מפחמן שקשורים לו ישירות פחות מימנים. כלל זייצב מאפשר להגדיר מבנה התוצר המועדף.
5. תגובת דה-הידרוגנציה:
אלקן אלקאן
הערות: תגובת דה-הידרוהלוגנציה היא לא טובה, אינה רג'יו- וסטריו-סלקטיבית.
III. תגובות סיפוח: 6) תגובת הידרוגנציה: חיזור קטליטי
אלקאן אלקן
הערות: סיפוח סין (חשוב לקחת בחשבון בציקלואלקנים ובמקרים שכתוצאה מסיפוח מימן לקשר כפול נוצרים מרכזים כיראליים חדשים).
7) תגובת הידרוהלוגנציה:
אלקיל הליד אלקן
הערות: תגובת הידרוהלוגנציה היא תגובה רג'יו-סלקטיבית אך אינה סטריוסלקטיבית. כלל מרקובניקוב: H מ-HX מסתפח לפחמן בקשר כפול שקשורים לו ישירות יותר מימנים.
8) תגובת הידרוברומינציה: סיפוח HBr לקשר כפול בניגוד כלל מרקובניקוב
אלקיל ברומיד אלקן
הערות: תגובת הידרוברומינציה בניגוד לכלל מרקובניקוב היא תגובה רג'יו-סלקטיבית אך אינה סטריוסלקטיבית: H מ-HBr מסתפח אנטי וסין לפחמן בקשר כפול שקשורים לו ישירות פחות מימנים.
9) תגובת הידרציה:
כהל אלקן
הערות: תגובת הידרציה היא תגובה רג'יו-סלקטיבית אך אינה סטריוסלקטיבית. כלל מרקובניקוב: H מ-HOH מסתפח לפחמן בקשר כפול שקשורים לו ישירות יותר מימנים.
10) תגובת הידרבורציה-אוקסידציה:
כהל אלקן
הערות: תגובת הידרבורציה-אוקסידציה היא תגובה רג'יו-סלקטיבית וסטריוסלקטיבית. מתרחשת בניגוד לכלל מרקובניקוב: H מסתפח לפחמן בקשר כפול שקשורים לו ישירות פחות מימנים.
סיפוח H ו-HO הוא סיפוח סין (חשוב לקחת בחשבון בציקלואלקנים ובמקרים שכתוצאה מסיפוח מימן לקשר כפול נוצרים מרכזים כיראליים חדשים). 11) תגובת אפוקסידציה:
אפוקסיד אפוקסיד אלקן
הערות: תגובת אפוקסידציה היא תגובה סטריוסלקטיבית: מטראנס-אלקן מתקבל טראנס-אפוקסיד ומציס-אלקן מתקבל ציס-אפוקסיד.
IV. תגובות חמצון: 12) תגובת אוזונוליזה:
13) חמצון כהלים:
פחמן ראשוני: חומצה קרבוקסילית או אלדהיד, שניוני: קטון, שלישוני: לא מתחמצן.
14. תגובת הידרוקסילציה:
הערות: תהליך סין
הערות:
תהליך אנטי
15. חמצון דיולים ויצינליים עם פירוק קשר C-C.
שני OH על פחמנים סמוכים.
V. תגובות חיזור: 16) חיזור תרכובות קרבוניליות:
V. תגובות דחיסה: 17) תגובת אתריפיקציה:
18) תגובת אסטריפיקציה:
לא דמות ראי דמות ראי לא חופפים
פרק שבעי ובו יסופר על סטריאוכימיה:
מולקולה כיראלית – שבנויה משתי תמונות ראי, שאין בינהן חפיפה. אננטיומר – עצם ודמות הראי שלו.
שסביב לפחמן (מרכז אסימטרי) יש 4 קבוצות שונות של מתמירים, יש מקום לדבר על כיראליות:
(הערה: מולקולה שיש לה מרכז אסימטרי אחד היא בטוח קיראלית. אבל אם יש לה יותר, אז היא לא בהכרח!)
מציירים את השלכת פישר: 1. מגדירים את הקבוצות סביב הפחמן לפי עדיפות יחסית (לפי מסה מולרית) וממספרים אותן 1-4 . 2. מסדרים את המולקולה כך שהמתמיר בדירוג הכי נמוך פונה אחורה (לתוך הדף). 3. מסדרים את שאר המתמירים לפי הסדר: - עם כיוון השעון= R. - נגד כיוון השעון= S.
- הפניה [[
קישורים חיצוניים
[עריכה]שם הערך המופנה#הפניה [[3]]]]