CEL I: organische chemie
Hoofdstuk 1: stereochemie I – de structuur van het koolstofskelet
1.1 Inleiding
De ruimtelijke verdeling van de atomen/atoomgroepen rondom elk koolstofatoom wordt bepaald
door de hybridisatietoestand.
sp³ hybridisatie 4 σ-bindingen 109°
sp² hybridisatie 3 σ-bindingen 120°
sp hybridisatie 2 σ-bindingen 180°
Bv 2 vetzuren, ze verschillen enkel tussen C9 en C10 een C=C dubbele binding -> verschil in
smelttemperatuur van 55°C.
1.2 Methaan
(wig-notatie: gearceerd – naar achter/ vol - voor)
sp³
Deze voorstelling geeft een statisch beeld van methaan
Het is een voorstelling die overeenkomt met de kleinste
energie-inhoud.
In werkelijkheid fluctueren de bindingsafstanden en
valentiehoeken door omzetting van bewegingsenergie in
inwendige energie (meer met stijging temperatuur)
➔ Bij bepaalde temperatuur kan het tot breken v/d
bindingen leiden (belangrijk voor chemische reactiviteit)
1.3 ethaan en conformationele isomerie
Verschillende ruimtelijke structuren die door draaiing rondom de σ C—C binding in elkaar overgaan
Conformeren: verschillende ruimtelijke vormen met eenzelfde molecuul die ontstaan als gevolg van
rotatie rondom een enkelvoudige binding. Hierbij worden geen bindingen gebroken.
1.3.1 opbouw van een Newmanprojectie
1. de molecule wordt zo geplaatst dat de waarnemer langs de as heen
kijken van de binding waarrond de rotatie optreedt.
2. De twee atomen van deze binding worden op verschillende wijze
voorgesteld:
• Het atoom dat het dichts ligt vanuit het gezichtspunt van de waarnemer wordt voorgesteld
als het snijpunt van de drie overige bindingen.
• Het tweede (achterste) atoom wordt voorgesteld door een cirkel
3. De drie overige bindingen op elk van deze atomen worden symmetrisch verdeeld in het vlak
van het papier.
1
,Torsiehoek θ = hoek die de C-H bindingen maken op het naburige koolstof
Geëclipseerde conformatie 0° Geschrankte conformatie 60°
Meest inwendige energie Minste inwendige energie
➔ Draaien over 60° kunnen we de vormen in elkaar omzetten
➔ Draaiing verbreekt de binding niet en heeft geen effect op de verdeling van de
elektrondensiteit
Inwendige energie van de geschrankte < geëclipseerde conformatie: sterische hinder
-> grotere elektrostatische afstoting tussen σ-bindingselektronen van de C-H bindingen op de
naburige koolstofatomen
Geëclipseerde vorm: dichter bij
elkaar
De sterische hinder tussen elk
geëclipseerd C–H paar leidt tot
een energieverhoging van 4
kJ/mol wat voor ethaan
cumuleert tot een
energieverschil van 12 kJ/mol
➔ Oneindig aantal conformaties
➔ Energiebarrière moet telkens overbrugt worden
➔ Geëclipseerde vorm komt maar kortstondig voor
Conformationele isomeren: Isomeren die verschillen in hun inwendige energie door rotatie van een
of meerdere vrij draaibare bindingen
1.4 propaan
Beschrijving analoog aan ethaan:
• Vervang 1 C—H door een C—CH3
• Sterische hinder tussen C —CH3 en C—H op naburige koolstofatomen (6 kJ/mol ) dan deze
tussen twee C—H’s (4 kJ/Mol )
• Totale energiebarriere: 14 kJ/Mol (eenzelfde energiediagram)
2
, 1.5 Butaan
Beschrijving analoog aan ethaan en propaan:
• Vervang 2 C—H door C—CH3
• Door rotatie rond centrale binding ontstaan er 3 geëclipseerde en 3 geschrankte conformaties
• C1 -C2 en C3 -C4 bindingen staan geschrankt
Anti-conformatie
• Conformatie met laagste energie-inhoud
• Alle C-C en C-H bindingen staan
geschrankt en beide methylgroepen 180°
uit elkaar
• Θ = 180°
• Meest stabiel
Maximaal geëclipseerde vorm
• Hoogste energie
• Beide methylgroepen elkaar eclipseren
• 19 kJ/mol hoger dan anti conformatie
• 3 kJ/mol hoger in energie eclips
Eclips conformaties
• 2e hoogste energie-inhoud
• Θ = 120° Θ= 240° (-120°)
Gauche conformaties
• 2e laagste energie-inhoud
• Θ = 60° Θ= 300° (-60°)
• de individuele methylgroepen
komen voldoende dicht bij
elkaar opdat de
elektronenwolken van de
waterstofatomen elkaar raken
A = maximaal eclips (0°)
B = gauche (60°)
C = eclips (120°/-120°)
D = anti (180°)
E = gauche (-60°)
3
,Anti-conformatie is energetisch bevoordeligd tov gauche
conformaties (aanraking individuele waterstoffen) (afbeelding)
Gauche-butaan interactie-energie ~ 3.5 kJ/mol
Conformaties van Alkanen groter dan Butaan:
Alles dankzij de vrije draaibaarheid rond s-binding
• De meest stabiele conformatie zal steeds deze zijn waarbij alle butaan fragmenten een anti-
conformatie hebben
• Bij kamertemperatuur is er voldoende kinetische energie aanwezig om ook de gauche
conformaties te bevolken
• Lineaire alkanen komen zelden voor als volledig lineaire keten
1.6 de ruimtelijke structuur van alkenen en alkynen
1.6.1 etheen en buteen als representatieve voorbeelden van elkenen
sp² hybridisatie -> π-binding
Etheen
• atomen liggen in eenzelfde vlak
• planair molecule
➔ geen vrije draaibaarheid mogelijk rond een dubbele binding: rotatie zou zorgen voor
zijdelingse overlap tussen de p-orbitalen en π-binding zou breken. (Dit kost 240 kJ/mol, kan
onder invloed van licht)
bij normale temperaturen zullen de vier
substituenten van dubbele bindingen dezelfde
plaats blijven behouden.
Een dubbele binding en koolstofatomen met 2 verschillende subsituenten: vorm van stereoisomerie
• aan dezelfde zijde : cis-isomeer
• aan tegenovergestelde zijde: trans-isomeer
= cis-trans diastereoisomerie
Verschillende energie-inhoud:
• trans: kleinere verbrandingswarmte -> stabieler
• ongunstige sterische interacties in de cis-vorm
1.6.2 alkynen
sp hybridisatie -> alle bindingen liggen op 1 lijn
1.7 de ruimtelijke structuur van cyclische verbindingen
Rotatie rond s C-C beperkt maar mogelijk
1.7.1 de conformatie van cyclopropaan: Bayer- en Pitzerspanning
• slechts 1 conformatie mogelijk cyclopropaan (3 C atomen vormen driehoek)
• Alle 3 koolstofatomen co-planair
• Valentiehoeken: 60°
➔ Grote afwijking van de tetraëdrische valentiehoek -> ontstaan spanning
= Bayerspanning (hoekspanning)
4
, • Alle C-H bindingen zijn geëclipseerd (verhoging inwendig energie)
= Pitzerspanning = spanning ontstaan door eclipsconformaties tussen bindingen
➔ Beide vormen van spanning verklaren de grote reactiviteit: de hogere inwendige energie
destabiliseert het molecuul, waardoor het veel gemakkelijker tot reactie zal overgaan.
(hogere verbrandingswarmte per CH2)
1.7.2 cyclobutaan en cyclopentaan
We verwachten een minimale Bayer spanning bij cyclopentaan. (meest stabiele)
Verloop van stabiliteit:
• met toenemende ringgrootte neemt de verbrandingswarmte af, maar ze is minimaal bij
cyclohexaan en niet bij cyclopentaan
• de ringen groter dan cyclohexaan hebben een nauwelijks verhoogde verbrandingswarmte
• de verbrandingswarmte van grote ringen (+14) is identiek aan deze van cyclohexaan en de
lineaire alkanen
in tegenstelling tot cyclopropaan zijn de overige cycloalkanen niet langer gedwongen om in 1 vlak te
liggen, door af te wijken van een vlakke ringstructuur kan de toenemende Pitzerspanning tussen
geëclipseerde C-H bindingen in vlakke cycloalkanen vermeden worden.
De Pitzerspanning neemt voortdurend toe 8 kJ/mol per extra CH2 groep -> om deze ongunstige
energiebijdrage tegen te gaan, neemt de ring een niet vlakke structuur aan!
• Cyclobutaan: vlinderconformatie
• Cyclopentaan: open envelope (ook geschrankte conformaties, Pitzer-spanning gereduceerd
tot 2 geëclipseerde C-H bindingen)
1.7.3 cyclohexaan: het cyclisch basismotief voor de meeste biochemisch relevante
cyclische verbindingen
cyclische zesringen treden meer op in de natuur dan om het even welke andere ring. Dit heeft te
maken met het feit dat deze ringen een conformatie kunnen aannemen waarin de Bayerspanning en
de Pitzerspanning tegelijkertijd afwezig zijn.
Stoelconformatie van cyclohexaan:
• valentiehoeken 109°
• alle bindingen staan geschrankt -> totale afwezigheid van spanning
• verbrandingswarmte per CH2 in cyclohexaan identiek is aan lineaire alkanen :
• Enige spanningsvrije cycloalkaan tussen C3H6 en C13H26
Newmanprojectie:
5
, Stoelconformatie/stoelvorm:
• 6 C-H bindingen gericht in het vlak = equatoriale
• 6 C-H bindingen gericht zijn loodrecht op het vlak = axiale
➔ Elk C-atoom draagt 1 axiale en 1 equatoriale C-H binding
3 vlakken 6 equatoriale C-H bindingen 6 axiale C-H bindingen
1.7.4 conformationele inversie van de stoelvorm van cyclohexaan
- De stoelvorm kan omklappen (1000s-1 )
- met vorming van een energetisch gelijkwaardige stoelvorm (50/50 verhouding)
- uitwisseling van de equatoriaal/axiaal positie
- Wanneer er substituenten voorkomen dan ontstaan energetisch niet equivalente
conformaties
1.7.5 de conformatie van mono-gesubstitueerde cyclohexaanderivaten
- equatoriaal en axiaal methylcyclohexaan
- Deze stereoisomeren zijn niet van elkaar te scheiden
- Omklapping laat overgang tussen de twee vormen toe = conformationele isomeren
- De twee conformeren hebben niet dezelfde energie-inhoud
- Axiaal cyclohexaan heeft een hogere energie-inhoud dan equatoriaal cyclohexaan door
gauche butaan type interacties (sterisch contact tussen waterstofatoom van axiale
methylgroep en 2 axiale waterstoffen aan dezelfde zijde van de zesring)
- 2 gauche butaan interacties : 7 kJ/mol door axiale introductie 1 substituent
- geen gauche butaan interacties door equatoriale introductie van de substituent
➔ Monogesubstitueerde cyclohexaan derivaten komen hoofdzakelijk voor met de substituent in
equatoriale orientatie
➔ Hoe groter de substituent, hoe ongunstiger de axiale vorm
- Conformationeel homogeen = verbinding die slechts in 1 conformatie kan voorkomen
1.7.6 di-gesubstitueerde cyclohexaanderivaten
als op cyclohexaan 2 substituenten staan -> verschillende vormen van isomerie:
ketenisomerie
- 2 methylgroepen
- = verschillende wijze waarop de atomen chemisch verbonden zijn
Conformationele isomeren
- = verbinding die slechts in 1 conformatie kan voorkomen
- 1,3-dimethylcyclohexaan
o 2 methylsubstituenten op verschillende manier op het cyclohexaan koolstofskelet
inplanten
o Aan dezelfde zijde van de ring = cis-isomeer
o 1 groep equatoriaal & 1 groep axiaal = transisomeer = Aan tegengestelde zijde van de
ring (energetisch gelijkwaardig -> 50/50 verhouding)
6
Hoofdstuk 1: stereochemie I – de structuur van het koolstofskelet
1.1 Inleiding
De ruimtelijke verdeling van de atomen/atoomgroepen rondom elk koolstofatoom wordt bepaald
door de hybridisatietoestand.
sp³ hybridisatie 4 σ-bindingen 109°
sp² hybridisatie 3 σ-bindingen 120°
sp hybridisatie 2 σ-bindingen 180°
Bv 2 vetzuren, ze verschillen enkel tussen C9 en C10 een C=C dubbele binding -> verschil in
smelttemperatuur van 55°C.
1.2 Methaan
(wig-notatie: gearceerd – naar achter/ vol - voor)
sp³
Deze voorstelling geeft een statisch beeld van methaan
Het is een voorstelling die overeenkomt met de kleinste
energie-inhoud.
In werkelijkheid fluctueren de bindingsafstanden en
valentiehoeken door omzetting van bewegingsenergie in
inwendige energie (meer met stijging temperatuur)
➔ Bij bepaalde temperatuur kan het tot breken v/d
bindingen leiden (belangrijk voor chemische reactiviteit)
1.3 ethaan en conformationele isomerie
Verschillende ruimtelijke structuren die door draaiing rondom de σ C—C binding in elkaar overgaan
Conformeren: verschillende ruimtelijke vormen met eenzelfde molecuul die ontstaan als gevolg van
rotatie rondom een enkelvoudige binding. Hierbij worden geen bindingen gebroken.
1.3.1 opbouw van een Newmanprojectie
1. de molecule wordt zo geplaatst dat de waarnemer langs de as heen
kijken van de binding waarrond de rotatie optreedt.
2. De twee atomen van deze binding worden op verschillende wijze
voorgesteld:
• Het atoom dat het dichts ligt vanuit het gezichtspunt van de waarnemer wordt voorgesteld
als het snijpunt van de drie overige bindingen.
• Het tweede (achterste) atoom wordt voorgesteld door een cirkel
3. De drie overige bindingen op elk van deze atomen worden symmetrisch verdeeld in het vlak
van het papier.
1
,Torsiehoek θ = hoek die de C-H bindingen maken op het naburige koolstof
Geëclipseerde conformatie 0° Geschrankte conformatie 60°
Meest inwendige energie Minste inwendige energie
➔ Draaien over 60° kunnen we de vormen in elkaar omzetten
➔ Draaiing verbreekt de binding niet en heeft geen effect op de verdeling van de
elektrondensiteit
Inwendige energie van de geschrankte < geëclipseerde conformatie: sterische hinder
-> grotere elektrostatische afstoting tussen σ-bindingselektronen van de C-H bindingen op de
naburige koolstofatomen
Geëclipseerde vorm: dichter bij
elkaar
De sterische hinder tussen elk
geëclipseerd C–H paar leidt tot
een energieverhoging van 4
kJ/mol wat voor ethaan
cumuleert tot een
energieverschil van 12 kJ/mol
➔ Oneindig aantal conformaties
➔ Energiebarrière moet telkens overbrugt worden
➔ Geëclipseerde vorm komt maar kortstondig voor
Conformationele isomeren: Isomeren die verschillen in hun inwendige energie door rotatie van een
of meerdere vrij draaibare bindingen
1.4 propaan
Beschrijving analoog aan ethaan:
• Vervang 1 C—H door een C—CH3
• Sterische hinder tussen C —CH3 en C—H op naburige koolstofatomen (6 kJ/mol ) dan deze
tussen twee C—H’s (4 kJ/Mol )
• Totale energiebarriere: 14 kJ/Mol (eenzelfde energiediagram)
2
, 1.5 Butaan
Beschrijving analoog aan ethaan en propaan:
• Vervang 2 C—H door C—CH3
• Door rotatie rond centrale binding ontstaan er 3 geëclipseerde en 3 geschrankte conformaties
• C1 -C2 en C3 -C4 bindingen staan geschrankt
Anti-conformatie
• Conformatie met laagste energie-inhoud
• Alle C-C en C-H bindingen staan
geschrankt en beide methylgroepen 180°
uit elkaar
• Θ = 180°
• Meest stabiel
Maximaal geëclipseerde vorm
• Hoogste energie
• Beide methylgroepen elkaar eclipseren
• 19 kJ/mol hoger dan anti conformatie
• 3 kJ/mol hoger in energie eclips
Eclips conformaties
• 2e hoogste energie-inhoud
• Θ = 120° Θ= 240° (-120°)
Gauche conformaties
• 2e laagste energie-inhoud
• Θ = 60° Θ= 300° (-60°)
• de individuele methylgroepen
komen voldoende dicht bij
elkaar opdat de
elektronenwolken van de
waterstofatomen elkaar raken
A = maximaal eclips (0°)
B = gauche (60°)
C = eclips (120°/-120°)
D = anti (180°)
E = gauche (-60°)
3
,Anti-conformatie is energetisch bevoordeligd tov gauche
conformaties (aanraking individuele waterstoffen) (afbeelding)
Gauche-butaan interactie-energie ~ 3.5 kJ/mol
Conformaties van Alkanen groter dan Butaan:
Alles dankzij de vrije draaibaarheid rond s-binding
• De meest stabiele conformatie zal steeds deze zijn waarbij alle butaan fragmenten een anti-
conformatie hebben
• Bij kamertemperatuur is er voldoende kinetische energie aanwezig om ook de gauche
conformaties te bevolken
• Lineaire alkanen komen zelden voor als volledig lineaire keten
1.6 de ruimtelijke structuur van alkenen en alkynen
1.6.1 etheen en buteen als representatieve voorbeelden van elkenen
sp² hybridisatie -> π-binding
Etheen
• atomen liggen in eenzelfde vlak
• planair molecule
➔ geen vrije draaibaarheid mogelijk rond een dubbele binding: rotatie zou zorgen voor
zijdelingse overlap tussen de p-orbitalen en π-binding zou breken. (Dit kost 240 kJ/mol, kan
onder invloed van licht)
bij normale temperaturen zullen de vier
substituenten van dubbele bindingen dezelfde
plaats blijven behouden.
Een dubbele binding en koolstofatomen met 2 verschillende subsituenten: vorm van stereoisomerie
• aan dezelfde zijde : cis-isomeer
• aan tegenovergestelde zijde: trans-isomeer
= cis-trans diastereoisomerie
Verschillende energie-inhoud:
• trans: kleinere verbrandingswarmte -> stabieler
• ongunstige sterische interacties in de cis-vorm
1.6.2 alkynen
sp hybridisatie -> alle bindingen liggen op 1 lijn
1.7 de ruimtelijke structuur van cyclische verbindingen
Rotatie rond s C-C beperkt maar mogelijk
1.7.1 de conformatie van cyclopropaan: Bayer- en Pitzerspanning
• slechts 1 conformatie mogelijk cyclopropaan (3 C atomen vormen driehoek)
• Alle 3 koolstofatomen co-planair
• Valentiehoeken: 60°
➔ Grote afwijking van de tetraëdrische valentiehoek -> ontstaan spanning
= Bayerspanning (hoekspanning)
4
, • Alle C-H bindingen zijn geëclipseerd (verhoging inwendig energie)
= Pitzerspanning = spanning ontstaan door eclipsconformaties tussen bindingen
➔ Beide vormen van spanning verklaren de grote reactiviteit: de hogere inwendige energie
destabiliseert het molecuul, waardoor het veel gemakkelijker tot reactie zal overgaan.
(hogere verbrandingswarmte per CH2)
1.7.2 cyclobutaan en cyclopentaan
We verwachten een minimale Bayer spanning bij cyclopentaan. (meest stabiele)
Verloop van stabiliteit:
• met toenemende ringgrootte neemt de verbrandingswarmte af, maar ze is minimaal bij
cyclohexaan en niet bij cyclopentaan
• de ringen groter dan cyclohexaan hebben een nauwelijks verhoogde verbrandingswarmte
• de verbrandingswarmte van grote ringen (+14) is identiek aan deze van cyclohexaan en de
lineaire alkanen
in tegenstelling tot cyclopropaan zijn de overige cycloalkanen niet langer gedwongen om in 1 vlak te
liggen, door af te wijken van een vlakke ringstructuur kan de toenemende Pitzerspanning tussen
geëclipseerde C-H bindingen in vlakke cycloalkanen vermeden worden.
De Pitzerspanning neemt voortdurend toe 8 kJ/mol per extra CH2 groep -> om deze ongunstige
energiebijdrage tegen te gaan, neemt de ring een niet vlakke structuur aan!
• Cyclobutaan: vlinderconformatie
• Cyclopentaan: open envelope (ook geschrankte conformaties, Pitzer-spanning gereduceerd
tot 2 geëclipseerde C-H bindingen)
1.7.3 cyclohexaan: het cyclisch basismotief voor de meeste biochemisch relevante
cyclische verbindingen
cyclische zesringen treden meer op in de natuur dan om het even welke andere ring. Dit heeft te
maken met het feit dat deze ringen een conformatie kunnen aannemen waarin de Bayerspanning en
de Pitzerspanning tegelijkertijd afwezig zijn.
Stoelconformatie van cyclohexaan:
• valentiehoeken 109°
• alle bindingen staan geschrankt -> totale afwezigheid van spanning
• verbrandingswarmte per CH2 in cyclohexaan identiek is aan lineaire alkanen :
• Enige spanningsvrije cycloalkaan tussen C3H6 en C13H26
Newmanprojectie:
5
, Stoelconformatie/stoelvorm:
• 6 C-H bindingen gericht in het vlak = equatoriale
• 6 C-H bindingen gericht zijn loodrecht op het vlak = axiale
➔ Elk C-atoom draagt 1 axiale en 1 equatoriale C-H binding
3 vlakken 6 equatoriale C-H bindingen 6 axiale C-H bindingen
1.7.4 conformationele inversie van de stoelvorm van cyclohexaan
- De stoelvorm kan omklappen (1000s-1 )
- met vorming van een energetisch gelijkwaardige stoelvorm (50/50 verhouding)
- uitwisseling van de equatoriaal/axiaal positie
- Wanneer er substituenten voorkomen dan ontstaan energetisch niet equivalente
conformaties
1.7.5 de conformatie van mono-gesubstitueerde cyclohexaanderivaten
- equatoriaal en axiaal methylcyclohexaan
- Deze stereoisomeren zijn niet van elkaar te scheiden
- Omklapping laat overgang tussen de twee vormen toe = conformationele isomeren
- De twee conformeren hebben niet dezelfde energie-inhoud
- Axiaal cyclohexaan heeft een hogere energie-inhoud dan equatoriaal cyclohexaan door
gauche butaan type interacties (sterisch contact tussen waterstofatoom van axiale
methylgroep en 2 axiale waterstoffen aan dezelfde zijde van de zesring)
- 2 gauche butaan interacties : 7 kJ/mol door axiale introductie 1 substituent
- geen gauche butaan interacties door equatoriale introductie van de substituent
➔ Monogesubstitueerde cyclohexaan derivaten komen hoofdzakelijk voor met de substituent in
equatoriale orientatie
➔ Hoe groter de substituent, hoe ongunstiger de axiale vorm
- Conformationeel homogeen = verbinding die slechts in 1 conformatie kan voorkomen
1.7.6 di-gesubstitueerde cyclohexaanderivaten
als op cyclohexaan 2 substituenten staan -> verschillende vormen van isomerie:
ketenisomerie
- 2 methylgroepen
- = verschillende wijze waarop de atomen chemisch verbonden zijn
Conformationele isomeren
- = verbinding die slechts in 1 conformatie kan voorkomen
- 1,3-dimethylcyclohexaan
o 2 methylsubstituenten op verschillende manier op het cyclohexaan koolstofskelet
inplanten
o Aan dezelfde zijde van de ring = cis-isomeer
o 1 groep equatoriaal & 1 groep axiaal = transisomeer = Aan tegengestelde zijde van de
ring (energetisch gelijkwaardig -> 50/50 verhouding)
6
