, Bio-organische chemie
Hoofdstuk 3: Alkanen & cycloalkanen
Alkanen vormen onze belangrijkste energiebron (motorbrandstof, vetten). De brutoformule is CnH2n+2. Alle
koolstofatomen in een alkaan zijn sp3-gehybridiseerd. Homologe reeks = serie verbindingen die verkregen wordt
door steeds eenzelfde structuurelement toe te voegen aan de voorgaande verbinding.
3.1. Nomenclatuur
IUPAC-nomenclatuur regels:
1. Uitgang –aan
2. Langste C-keten is hoofdketen (met eventuele substituenten) → naam hoofdketen word bepaald door het
aantal koolstofatomen.
3. Substituent: nummer & naam → nummering zo laag mogelijk
4. Zelfde substituent: plaatsnummer vòòr naam, aantal keer: di-, tri-, tetra-, …
5. Verschillende alkylsubstituenten: alfabetische volgorde → eindigt op -yl
Propylgroep kan op twee manieren met de hoofdgroep
verbonden zijn: uiteinde = n-propyl, midden = isopropyl
Butylgroep: n-, sec-, iso- & tert-butyl
Alkylen met meer dan 4 C-atomen → voorvoegsels niet meer gebruikt, maar twee uitzonderingen:
• n-: onvertakte alkylgroep vastgemaakt met eindstandige C-atoom
• iso-: alkylgroep 6 of minder C-atomen met vertakking v/e C-atoom op 1 na laatste C- atoom
3.2. Fysische eigenschappen alkanen
Apolaire verbindingen: C-C verbindingen niet gepolariseerd en een klein EN-verschil tussen C- H
• interacties tussen permanente dipolen: geen betekenis
• Wel Van Der Waalskrachten: onderling tussen alkaanmoleculen
o Kookpunt geeft aan welke energie nodig om krachten te verbreken
o Groter oppervlak, meer VDW-interacties, hoger kookpunt
o Lineaire moleculen hebben hoger kookpunt dan vertakte alkanen.
• Smeltpunt hangt ook af van symmetrie van molecule, want past beter in kristalrooster
→ symmetrische moleculen hebben hoger smeltpunt
• Lossen slecht op in water/methanol (apolair), dichtheid wel kleiner dan dat van water
3.3. Reacties van alkanen
Weinig reactief: geen atomen met vrije e--paren, enige bindingen: C-C & C-H-σ-bindingen
Reacties van alkanen zullen het verbreken van zo’n binding tot gevolg moeten hebben→ via
homolytisch proces, met vorming van radicalen
,Chlorering van methaan
Als methaan en chloor met elkaar vermengd worden, gebeurt er niets zolang het mengsel in het donker bij
kamertemperatuur wordt bewaard → in zonlicht of bij hoge temp. → vlotte reactie
𝑙𝑖𝑐ℎ𝑡/∆𝑇
𝐶𝐻4 + 𝐶𝑙2 𝐻𝐶𝑙 + 𝐶𝐻3𝐶𝑙 + 𝐶𝐻2𝐶𝑙2 + 𝐶𝐻𝐶𝑙3 + 𝐶𝐶𝑙4
In elke cyclus wordt één molecule HCl, één molecule methylchloride en een nieuw chloorradicaal gevormd
→ deze tweereacties vormen de deelreacties van de kettingreactie.
Bij botsing van twee radicalen → reageren tot één molecule, geen nieuwe radicale gevormd → kettingreactie
wordt afgebroken = terminatiereacties
Tijdens de reactie → hoeveelheid methylchloride neemt toe → methyleenchloride vormen
Oxidatie alkanen
Bij hoge T in aanwezigheid van zuurstof verbrand tot CO2 & H2O
Oxidatie van alkanen is een proces met een hoge activeringsenergie: mengsels van lucht en
alkaandamp kunnen explosief reageren → maar door hoge activeringsenergie moet het mengsel
aangestoken worden.
Radicaal-kettingreactie ( ·O-OH & ·OH radicalen)
Brandvertragende middelen: halogeenalkanen zijn in staat kettingreacties in de vlam te onderbreken,
bv CF3Br: hoeveelheid reactieve zuurstofradicalen vermindert in vlam
Dus is halogeenhoudend afval en solventen moeilijk via verbanding te vernietigen.
Zo worden ruimtes zoals operatiekamer, computerruimtes.. beschermd tegen brand door systemen die
automatisch CF3Br afgeven wanneer ergens een temperatuursverhoging waargenomen wordt.
,3.4. Biologische eigenschappen alkanen
Alkanen = parafinnen: geeft aan dat deze verbindingen weinig affiniteit/reactiviteit vertonen
Vertering alkanen door organismen niet mogelijk (enkel bacteriën/schimmels, oxidatie tot alcohol)
Toepassing: hoogkokende, gezuiverde alkanen als laxeermiddel → worden niet afgebroken in
het spijsverteringskanaal, maar werken als smeermiddel → zodat overige stoffen
gemakkelijker kunnen doorlopen → gevaarlijk bij veelvuldig gebruik want vet-oplosbare
vitaminen lossen op in de olie en kunnen niet worden opgenomen door het lichaam.
Belangrijk gevolg van lage reactiviteit: olie in het milieu wordt niet snel afgebroken →
olieverontreiniging blijft lang aanwezig → schadelijk voor vissen en vogels.
3.5. Petroleum, kolen en biomassa
Natuurlijk organisch materiaal: uit CO2 & H2O (via fotosynthese: chlorofyl, enzymen & zonlicht)
Na verloop van tijd heeft een deel van het organisch materiaal zich opgehoopt in geologische
formaties en na inwerking van anaërobe bacteriën zijn hieruit waterkoolfstoffen in de vorm van
aardgas of aardolie ontstaan.
• Aardgas: vooral methaan (kleine hoeveelheden ethaan, propaan en butaan)
• Aardolie: complex mengsel van lineaire en vertakte alkanen, cycloalkanen en aromaten,
samenstelling verschilt naargelang ontginningsplek (benzine = aardoliefractie). Door het
economisch belang van benzine → andere aardoliefracties in benzine omzetten →
Katalytisch kraken: lange alkanen opbreken in laagkokende fracties te gebruiken als benzine
Opgehoopt organisch materiaal kan onder hoge druk omgezet worden tot steenkool, verhitting hiervan
brengt zuivere koolstof (cokes) & koolteer → destillatie van koolteer levert vooral aromaten
Niet altijd noodzakelijk om miljoenen jaren te wachten op de natuurlijke vorming van olie of steenkool →
organisch materiaal afkomstig van plantaardig of dierlijk afval kan omgezet worden in methaan of dergelijke
(biomassa omzetten in energie).
3.6. Bouw en conformaties van alkanen
Methaan = eenvoudigste alkaan, gevormd bij anaërobe processen uit plantaardig en dierlijk materiaal en
voornaamste bestanddeel van aardgas en moerasgas. Het koolfstofatoom is sp3-gehybridiseerd en de
waterstofatomen zijn daarom equivalent. Het kan op verschillende manieren worden weergegeven.
, 1. Zaagbokweergave
2. Newman-projectieformule:
Men kijkt langs de centrale koolstof-koolstof-binding en tekent dan de situatie zoals die waargenomen
wordt. Het achterste koolstofatoom wordt dan niet gezien. De bindingen aan dat koolstofatoom
eindigen bij de rand van de cirkel die het voorste koolstofatoom voorstelt. Bindingen aan dit voorste
C-atoom worden aangegeven door een volle lijn die doorgetrokken wordt tot aan het middelpunt van
de cirkel
• Staggered: als de bindingen aan het achterste
koolstofatoom precies tussen de bindingen aan het
voorste c-atoom inliggen → alle C-H-bindingen op grootst
mogelijk afstand van elkaar → laagste energie
• Eclipsed: als de bindingen aan beide koolstofatomen
samenvallen → bindingen liggen het dichts bij elkaar →
hoogste energie door repulsie
Conformaties: verschillende standen die waterstofatomen ten opzichte van elkaar kunnen innemen
Torsiehoek = hoek tussen H-atomen (0° voor eclipsed of 60° voor de staggered conformatie)
De verschillende conformaties kunnen door rotaties rond de enkelvoudige binding in elkaar overgaan
Rotatiebarrière: rotatie rond as niet helemaal vrije, ethaan 12 kJ/mol nodig om te draaien
→ bij kamer°: makkelijk overwonnen → daarom sprake van een vrije rotatie
3.7. Cycloalkanen
Cycloalkaan = koolwaterstof waarbij de sp³-gehybridiseere koolstofatomen in een ringstructuur zitten
Benaming: cyclo- voor de naam van het alkaan plaatsen. Als ze substituenten bevatten, wordt de plaats
daarvan aangegeven door een nummering die begint bij het meest gesubstitueerde koolstofatoom.
Als één of meer koolstofatomen worden vervangen door andere atomen =>
heterocyclish ringsysteem (oa in suikers) CnH2n
3.8. Geometrische isomerie in cycloalkanen
Substituenten aan cycloalkaanring: cis- (zelfde kant) of trans(andere kant)-gesubstitueerd
In een ringstructuur is geen volledige vrije draaibaarheid rond de enkelvoudige bindingen mogelijk zonder de
ring te breken → cis- en trans-verbindingen kunnen niet zomaar in elkaar overgaan → twee verschillende
3.9. Cyclopropaan, cyclobutaan & cyclopentaan
Cyclopropaan: kleinste cycloalkaan 60°, ligt in 1 vlak als driering, grote hoekspanning, H-atomen aan de
c-atomen zitten in een eclipsed conformatie → door de hoekspanning en ongunstige eclipsed
conformatie (hoge energie) geeft cyclopropaan gemakkelijk reacties waarbij de ring wordt gebroken.
Cyclobutaan: bindingshoek 90°, nog steeds een aanzienlijke afwijking van de normale bindingshoeken nodig,
maar minder dan in cyclopropaan, molecuul is niet geheel vlak → gevouwen conformaties om ongunstige
eclipsed interacties te ontwijken.
Hoofdstuk 3: Alkanen & cycloalkanen
Alkanen vormen onze belangrijkste energiebron (motorbrandstof, vetten). De brutoformule is CnH2n+2. Alle
koolstofatomen in een alkaan zijn sp3-gehybridiseerd. Homologe reeks = serie verbindingen die verkregen wordt
door steeds eenzelfde structuurelement toe te voegen aan de voorgaande verbinding.
3.1. Nomenclatuur
IUPAC-nomenclatuur regels:
1. Uitgang –aan
2. Langste C-keten is hoofdketen (met eventuele substituenten) → naam hoofdketen word bepaald door het
aantal koolstofatomen.
3. Substituent: nummer & naam → nummering zo laag mogelijk
4. Zelfde substituent: plaatsnummer vòòr naam, aantal keer: di-, tri-, tetra-, …
5. Verschillende alkylsubstituenten: alfabetische volgorde → eindigt op -yl
Propylgroep kan op twee manieren met de hoofdgroep
verbonden zijn: uiteinde = n-propyl, midden = isopropyl
Butylgroep: n-, sec-, iso- & tert-butyl
Alkylen met meer dan 4 C-atomen → voorvoegsels niet meer gebruikt, maar twee uitzonderingen:
• n-: onvertakte alkylgroep vastgemaakt met eindstandige C-atoom
• iso-: alkylgroep 6 of minder C-atomen met vertakking v/e C-atoom op 1 na laatste C- atoom
3.2. Fysische eigenschappen alkanen
Apolaire verbindingen: C-C verbindingen niet gepolariseerd en een klein EN-verschil tussen C- H
• interacties tussen permanente dipolen: geen betekenis
• Wel Van Der Waalskrachten: onderling tussen alkaanmoleculen
o Kookpunt geeft aan welke energie nodig om krachten te verbreken
o Groter oppervlak, meer VDW-interacties, hoger kookpunt
o Lineaire moleculen hebben hoger kookpunt dan vertakte alkanen.
• Smeltpunt hangt ook af van symmetrie van molecule, want past beter in kristalrooster
→ symmetrische moleculen hebben hoger smeltpunt
• Lossen slecht op in water/methanol (apolair), dichtheid wel kleiner dan dat van water
3.3. Reacties van alkanen
Weinig reactief: geen atomen met vrije e--paren, enige bindingen: C-C & C-H-σ-bindingen
Reacties van alkanen zullen het verbreken van zo’n binding tot gevolg moeten hebben→ via
homolytisch proces, met vorming van radicalen
,Chlorering van methaan
Als methaan en chloor met elkaar vermengd worden, gebeurt er niets zolang het mengsel in het donker bij
kamertemperatuur wordt bewaard → in zonlicht of bij hoge temp. → vlotte reactie
𝑙𝑖𝑐ℎ𝑡/∆𝑇
𝐶𝐻4 + 𝐶𝑙2 𝐻𝐶𝑙 + 𝐶𝐻3𝐶𝑙 + 𝐶𝐻2𝐶𝑙2 + 𝐶𝐻𝐶𝑙3 + 𝐶𝐶𝑙4
In elke cyclus wordt één molecule HCl, één molecule methylchloride en een nieuw chloorradicaal gevormd
→ deze tweereacties vormen de deelreacties van de kettingreactie.
Bij botsing van twee radicalen → reageren tot één molecule, geen nieuwe radicale gevormd → kettingreactie
wordt afgebroken = terminatiereacties
Tijdens de reactie → hoeveelheid methylchloride neemt toe → methyleenchloride vormen
Oxidatie alkanen
Bij hoge T in aanwezigheid van zuurstof verbrand tot CO2 & H2O
Oxidatie van alkanen is een proces met een hoge activeringsenergie: mengsels van lucht en
alkaandamp kunnen explosief reageren → maar door hoge activeringsenergie moet het mengsel
aangestoken worden.
Radicaal-kettingreactie ( ·O-OH & ·OH radicalen)
Brandvertragende middelen: halogeenalkanen zijn in staat kettingreacties in de vlam te onderbreken,
bv CF3Br: hoeveelheid reactieve zuurstofradicalen vermindert in vlam
Dus is halogeenhoudend afval en solventen moeilijk via verbanding te vernietigen.
Zo worden ruimtes zoals operatiekamer, computerruimtes.. beschermd tegen brand door systemen die
automatisch CF3Br afgeven wanneer ergens een temperatuursverhoging waargenomen wordt.
,3.4. Biologische eigenschappen alkanen
Alkanen = parafinnen: geeft aan dat deze verbindingen weinig affiniteit/reactiviteit vertonen
Vertering alkanen door organismen niet mogelijk (enkel bacteriën/schimmels, oxidatie tot alcohol)
Toepassing: hoogkokende, gezuiverde alkanen als laxeermiddel → worden niet afgebroken in
het spijsverteringskanaal, maar werken als smeermiddel → zodat overige stoffen
gemakkelijker kunnen doorlopen → gevaarlijk bij veelvuldig gebruik want vet-oplosbare
vitaminen lossen op in de olie en kunnen niet worden opgenomen door het lichaam.
Belangrijk gevolg van lage reactiviteit: olie in het milieu wordt niet snel afgebroken →
olieverontreiniging blijft lang aanwezig → schadelijk voor vissen en vogels.
3.5. Petroleum, kolen en biomassa
Natuurlijk organisch materiaal: uit CO2 & H2O (via fotosynthese: chlorofyl, enzymen & zonlicht)
Na verloop van tijd heeft een deel van het organisch materiaal zich opgehoopt in geologische
formaties en na inwerking van anaërobe bacteriën zijn hieruit waterkoolfstoffen in de vorm van
aardgas of aardolie ontstaan.
• Aardgas: vooral methaan (kleine hoeveelheden ethaan, propaan en butaan)
• Aardolie: complex mengsel van lineaire en vertakte alkanen, cycloalkanen en aromaten,
samenstelling verschilt naargelang ontginningsplek (benzine = aardoliefractie). Door het
economisch belang van benzine → andere aardoliefracties in benzine omzetten →
Katalytisch kraken: lange alkanen opbreken in laagkokende fracties te gebruiken als benzine
Opgehoopt organisch materiaal kan onder hoge druk omgezet worden tot steenkool, verhitting hiervan
brengt zuivere koolstof (cokes) & koolteer → destillatie van koolteer levert vooral aromaten
Niet altijd noodzakelijk om miljoenen jaren te wachten op de natuurlijke vorming van olie of steenkool →
organisch materiaal afkomstig van plantaardig of dierlijk afval kan omgezet worden in methaan of dergelijke
(biomassa omzetten in energie).
3.6. Bouw en conformaties van alkanen
Methaan = eenvoudigste alkaan, gevormd bij anaërobe processen uit plantaardig en dierlijk materiaal en
voornaamste bestanddeel van aardgas en moerasgas. Het koolfstofatoom is sp3-gehybridiseerd en de
waterstofatomen zijn daarom equivalent. Het kan op verschillende manieren worden weergegeven.
, 1. Zaagbokweergave
2. Newman-projectieformule:
Men kijkt langs de centrale koolstof-koolstof-binding en tekent dan de situatie zoals die waargenomen
wordt. Het achterste koolstofatoom wordt dan niet gezien. De bindingen aan dat koolstofatoom
eindigen bij de rand van de cirkel die het voorste koolstofatoom voorstelt. Bindingen aan dit voorste
C-atoom worden aangegeven door een volle lijn die doorgetrokken wordt tot aan het middelpunt van
de cirkel
• Staggered: als de bindingen aan het achterste
koolstofatoom precies tussen de bindingen aan het
voorste c-atoom inliggen → alle C-H-bindingen op grootst
mogelijk afstand van elkaar → laagste energie
• Eclipsed: als de bindingen aan beide koolstofatomen
samenvallen → bindingen liggen het dichts bij elkaar →
hoogste energie door repulsie
Conformaties: verschillende standen die waterstofatomen ten opzichte van elkaar kunnen innemen
Torsiehoek = hoek tussen H-atomen (0° voor eclipsed of 60° voor de staggered conformatie)
De verschillende conformaties kunnen door rotaties rond de enkelvoudige binding in elkaar overgaan
Rotatiebarrière: rotatie rond as niet helemaal vrije, ethaan 12 kJ/mol nodig om te draaien
→ bij kamer°: makkelijk overwonnen → daarom sprake van een vrije rotatie
3.7. Cycloalkanen
Cycloalkaan = koolwaterstof waarbij de sp³-gehybridiseere koolstofatomen in een ringstructuur zitten
Benaming: cyclo- voor de naam van het alkaan plaatsen. Als ze substituenten bevatten, wordt de plaats
daarvan aangegeven door een nummering die begint bij het meest gesubstitueerde koolstofatoom.
Als één of meer koolstofatomen worden vervangen door andere atomen =>
heterocyclish ringsysteem (oa in suikers) CnH2n
3.8. Geometrische isomerie in cycloalkanen
Substituenten aan cycloalkaanring: cis- (zelfde kant) of trans(andere kant)-gesubstitueerd
In een ringstructuur is geen volledige vrije draaibaarheid rond de enkelvoudige bindingen mogelijk zonder de
ring te breken → cis- en trans-verbindingen kunnen niet zomaar in elkaar overgaan → twee verschillende
3.9. Cyclopropaan, cyclobutaan & cyclopentaan
Cyclopropaan: kleinste cycloalkaan 60°, ligt in 1 vlak als driering, grote hoekspanning, H-atomen aan de
c-atomen zitten in een eclipsed conformatie → door de hoekspanning en ongunstige eclipsed
conformatie (hoge energie) geeft cyclopropaan gemakkelijk reacties waarbij de ring wordt gebroken.
Cyclobutaan: bindingshoek 90°, nog steeds een aanzienlijke afwijking van de normale bindingshoeken nodig,
maar minder dan in cyclopropaan, molecuul is niet geheel vlak → gevouwen conformaties om ongunstige
eclipsed interacties te ontwijken.
