In dit arrangement zijn twee animaties opgenomen die alleen werken onder Adobe Shockwave Player.
Dit bestand kun je downloaden bij gebruik van een desktopcomputer.
Als de Adobe Shockwave player is gedownload, verschijnt alsnog een venster waarin toestemming wordt gevraagd om de plug-in uit te voeren. Hierop rechter muisknop indrukken en kiezen voor “Deze plug-in uitvoeren”.
Samenvatting
Dit arrangement is aangepast aan de Nomenclatuurregels conform de nieuwe examenprogramma's van Havo (2015) en Vwo (2016).
Koolstofverbindingen kunnen we indelen in verschillende klassen. Zo onderscheiden we koolwaterstoffen, die uitsluitend bestaan uit koolstofatomen en waterstofatomen. We beschreven ze in thema 6 (Koolwaterstoffen):
Koolstofverbindingen waarin - naast waterstofatomen - ook andere atomen voorkomen, delen we in naar de zogenaamde karakteristieke groep. Karakteristieke groepen zijn atomen of atoomgroepen die in de plaats kunnen komen van een of meer waterstofatomen aan de koolstofketen.
Karakteristieke groepen
Door het invoeren van karakteristieke groepen ontstaan nieuwe soorten verbindingen met fysische en chemische eigenschappen die kenmerkend zijn voor de karakteristieke groep. Karakteristieke groepen bepalen dus ook de reacties waaraan een verbinding kan deelnemen.
In dit thema beschrijven we de belangrijkste karakteristieke groepen en gaan we in op de belangrijkste reacties die we met koolstofverbindingen kunnen uitvoeren.
Karakteristieke groepen
Karakteristieke groepen zijn atomen of atoomgroepen die in de plaats kunnen komen van een of meer waterstofatomen aan een koolstofketen. Door het invoeren van karakteristieke groepen ontstaan nieuwe soorten verbindingen met fysische en chemische eigenschappen die kenmerkend zijn voor de karakteristieke groep. Karakteristieke groepen bepalen dus ook de reacties waaraan een verbinding kan deelnemen.
Belangrijke karakteristieke groepen in koolstofverbindingen.
We geven eerst een overzicht van de belangrijkste karakteristieke groepen, waarmee we de vele koolstofverbindingen kunnen classificeren. Per karakteristieke groep laten we wat voorbeelden zien. Vervolgens geven we van elke karakteristieke groep een wat gedetailleerdere beschrijving.
Overzicht
De belangrijkste karakteristieke groepen, waarmee we de vele koolstofverbindingen kunnen classificeren, zijn:
Voorbeelden
In het vervolg van dit thema laten we de volgende klassen verbindingen aan de orde komen: halogeenverbindingen, alcoholen, ethers, aldehyden, ketonen, carbonzuren, esters en aminen. We geven van elke klasse een paar voorbeelden om een indruk te geven van de verscheidenheid aan verbindingen.
Halogeenalkanen: alkaanmoleculen, waarin één of meer waterstofatomen zijn vervangen door halogeenatomen. Voorbeelden:
Alcoholen: koolwaterstoffen waarin een waterstofatoom is vervangen door een -OH groep.
De plaatsaanduiding van de karakteristieke groep is onmiddellijk voor de naam
van de karakteristieke groep.
Voorbeelden:
Ethers: koolwaterstoffen waarin waterstofatoom is vervangen door een - O - alkyl groep.
Voorbeelden:
Aldehyden: bevatten een dubbel gebonden O aan een primair C-atoom.
Aangezien bij een aldehyde de dubbel gebonden altijd eindstandig zit, is dit koolstofatoom
altijd nummer 1!
Voorbeelden:
Ketonen: bevatten een dubbel gebonden O aan een secundair C-atoom.
De plaatsaanduiding van de karakteristieke groep is onmiddellijk voor de naam
van de karakteristieke groep.
Voorbeelden:
Bij propanon en butanon wordt in de naam geen -2- vermeld, omdat de dubbele binding altijd op koolstofatoom 2 zit, de plaatsaanduiding is hier overbodig!
Carbonzuren: bevatten een - COOH groep.
Het koolstofatoom van de -COOH groep al tijd nummer 1!
Voorbeelden:
Aminen: koolwaterstoffen waarin een H-atoom is vervangen door een - NH2 groep.
De plaatsaanduiding van de karakteristieke groep is onmiddellijk voor de naam
van de karakteristieke groep.
Voorbeelden:
Esters: bevatten een - COO-alkylgroep.
Voorbeelden:
Halogeenverbindingen
De halogenen F, Cl, Br en I komen zelden voor in organische verbindingen van levende cellen. Een voorbeeld waarbij dat wel het geval is, is het jood-houdende hormoon thyroxine (schildklierhormoon). Een aantal medicijnen bevat een of meer halogeenatomen en vele industriële en in de landbouw toegepaste verbindingen zijn halogeenverbindingen. Voor zover men heeft kunnen nagaan zijn verreweg de meeste halogeenverbindingen schadelijk; vele zijn kankerverwekkend. Alle toegepaste halogeenverbindingen worden synthetisch gemaakt (zie 'Additiereacties' en 'Substitutiereacties' in de paragraaf 'Reacties van koolstofverbindingen').
Vaak kom je de term gehalogeneerde koolwaterstoffen tegen. Dit zijn koolwaterstoffen waarin meestal meerdere H-atomen zijn vervangen door halogeenatomen. Enkele bekende voorbeelden zijn:
dichloordifluormethaan, koelvloeistof (een van de zogenaamde CFK’s);
broomchloordifluormethaan, blusvloeistof (een van de zogenaamde halonen);
monochlooretheen of vinylchloride, grondstof voor polyvinylchloride (PVC);
tetrafluoretheen, grondstof voor Teflon;
2-broom-2-chloor-1,1,1-trifluorethaan of halothaan, narcosemiddel.
De CFK’s en halonen rekenen we meestal tot een aparte klasse gehalogeneerde koolwaterstoffen. Andere klassen bekende (of beruchte) halogeenverbindingen zijn de PCB’s en de dioxinen. Verschillende pesticiden behoren ook tot de halogeenverbindingen.
Eigenschappen
De brandbaarheid van gehalogeneerde koolwaterstoffen neemt snel af met het aantal halogeenatomen. Dus hoe meer halogeenatomen een verbinding bevat, hoe minder brandbaar die verbinding is. Aangezien gehalogeneerde koolwaterstoffen geen waterstofbruggen kunnen vormen, zijn ze onoplosbaar in water en alleen oplosbaar in apolaire oplosmiddelen.
Naamgeving
De halogenen die aan een koolstofketen zijn gebonden, zetten we met naam en plaats aan de keten vóór de ketennaam van de verbinding, in alfabetische volgorde. Komt er meer dan één atoom van hetzelfde halogeen in een molecuul voor dan geven we dit aantal aan met een numeriek voorvoegsel.
3-broom-1,1-dichloorpropaan, want: broom komt voor chloor en zo laag mogelijke nummering.
2-broom-4-chloorpent-2-een, want: dubbele binding krijgt het laagste nummer (plaatsaanduiding direct voor het deel van de functionele naam waarop het betrekking heeft) en broom komt voor chloor.
2,3-dibroom-4-chloorbutaan-1-ol, want: OH staat in tabel 66B boven de halogenen dus wordt het achtervoegsel -ol en krijgt dit tevens het laagste nummer (plaatsaanduiding direct voor het deel van de functionele naam waarop het betrekking heeft). Verder komt broom voor chloor.
CKF's en Halonen
CFK’s
Chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK’s), soms ook freonen genoemd, is een verzamelnaam voor volledig gehalogeneerde verbindingen die bestaan uit een koolstofskelet van één of twee koolstofatomen waaraan chloor- en fluoratomen zijn gebonden. Het zijn vluchtige verbindingen met een grote thermische en chemische stabiliteit; ze zijn onoplosbaar in water. CFK’s zijn niet giftig en hebben een zwakke geur. Ze werden gebruikt als drijfgas in spuitbussen, in isolatieschuim, als blus- en ontvettingsmiddel en als koelmiddel. De meest gebruikte CFK’s zijn CCl3F (CFK-11) en CCl2F2 (CFK-12).
Halonen
Halonen zijn verwante verbindingen die ook broom bevatten en vooral worden gebruikt in brandblusapparatuur. De belangrijkste commerciële halonen zijn CClF2Br (halon-1211) en CF3Br (halon-1301).
Milieuproblemen
In verband met de milieuproblemen die CFK’s en halonen veroorzaken (aantasting van de ozonlaag in de stratosfeer en bijdrage aan het versterkt broeikaseffect) zijn ze inmiddels grotendeels vervangen door andere stoffen.
PCB's
Polychloorbifenylen (PCB’s) zijn een complex mengsel van verbindingen die een groot aantal chlooratomen bevatten. Bifenyl is een molecuul dat bestaat uit twee benzeenringen aan elkaar. Door reactie met chloor in aanwezigheid van een katalysator, zoals FeCl3, kunnen een of meer waterstofatomen aan de benzeenringen worden vervangen door chloor. Dit is een substitutiereatie.
FeCl3
C6H6 + Cl2 --------> C6H5Cl + HCl
chloorbenzeen
Reactiemechanisme
Polychloorbifenylen (PCB) worden synthetisch bereid door chloorgas te leiden door bifenyl. Hierdoor ontstaan twee aan elkaar gekoppelde benzeenkernen, waarin waterstofatomen zijn vervangen door chlooratomen (dit kan variëren van een tot tien atomen). Hierdoor verschilt niet alleen de structuur maar ook de giftigheid (toxiteit).
De chemische formule voor een PCB is C12H10-xCLx.
PCB's zijn olie-achtig, als er meer chlooratomen aanwezig zijn worden ze harsachtig en visceus. De stoffen zijn slecht oplosbaar in water, bestendig tegen hoge temperaturen, hebben een lage brandbaarheid, zijn goed oplosbaar in organische oplosmiddelen en zijn vrij resistent tegen agressieve chemicaliën. PCB’s zijn schadelijk voor mens en dier. Doordat zij nauwelijks biologisch afbreekbaar zijn, hopen zij zich op in voedselketens.
Dioxinen
De bekendste van de dioxinen is TCDD, een afkorting van de systematische naam: 2,3,7,8-TetraChloorDibenzo-p-Dioxine. Deze stof duiden we meestal kortweg aan met 'dioxine', maar eigenlijk is dit een soortnaam. Dioxinen kunnen ontstaan bij verbranding van chloorhoudende stoffen, zoals PVC, en in bepaalde industriële processen. Dioxinen zijn net als PCB’s zeer bestendig en biologisch niet afbreekbaar. Wegens de extreem hoge giftigheid van dioxinen kunnen sporen ervan reeds schadelijk zijn.
2,3,7,8 tetrachloordibenzo-p-dioxine
Pesticiden
Een groep verbindingen die juist wordt gemaakt wegens hun giftigheid zijn pesticiden: middelen ter bestrijding van onkruid, ongedierte, schimmels, enzovoort. Pesticiden zijn lang niet altijd halogeenverbindingen, maar een aantal wel. Een bekend voorbeeld is DDT, dat werd gebruikt ter bestrijding van onder andere malariamuggen. Twee andere voorbeelden zijn lindaan en pentachloorfenol, die als schimmelwerend middel in producten voor houtveredeling en beits worden gebruikt.
Dieldrin
DDT
bron: Wikipedia
bron: Wikipedia
Alcoholen
Alcoholen zijn verbindingen met de karakteristieke groep –OH (hydroxy-groep) aan het koolstofskelet. De OH-groep is een van de meest voorkomende karakteristieke groepen in organische moleculen van natuurlijke oorsprong. Wanneer in een alkaan een H-atoom is vervangen door een OH-groep heet de alcohol een alkanol. De alkanolen vormen een (belangrijke) subgroep van de alcoholen. De bekendste en meest toegepaste alkanol is ethanol.
We onderscheiden drie verschillende typen alcoholen: primaire, secundaire en tertiaire alcoholen. Er bestaan ook meerwaardige alcoholen, verbindingen met twee of meer OH-groepen aan het koolstofskelet. Een apart soort alcoholen zijn de fenolen: verbindingen waarbij een OH-groep direct gebonden is aan een C-atoom van een aromatische ring.
Een overzicht van alkanolen:
Algemene formule van een alkanol: CnH2n+1OH of R-OH (chemici gebruiken vaak de letter R om een alkylgroep aan te duiden).
Naamgeving
Naamgeving
De naam van een alcohol is samengesteld uit de hoofdketennaam met de uitgang -ol. De plaats van de OH-groep aan de keten geven we aan met een zo laag mogelijk plaatsnummer. Komt er meer dan één OH-groep in een molecuul voor, dan geven we dit aantal aan met numerieke voorvoegsels voor de uitgang -ol. Als een andere karakteristieke groep de hoofdgroep is gebruiken we het voorvoegsel hydroxy-.
De karakteristieke groep die in tabel tabel 66B het hoogst staat, is de hoofdgroep.
Eigenschappen
Zoals vrijwel alle organische verbindingen zijn ook alcoholen (goed) brandbaar. Door de aanwezigheid van de H-brugvormende OH-groep in het molecuul hebben de alkanolen relatief hoge kookpunten. Eveneens hierdoor hebben de lagere termen een uitgesproken hydrofiel karakter en mengen goed met water (zie het thema 'Moleculaire stoffen').
Methanol
Methanol is het eenvoudigste alcohol. Het is een licht, vluchtige, kleurloze, brandbare vloeistof met een kenmerkende geur zeer vergelijkbaar met, maar iets zoeter dan, ethanol. Bij kamertemperatuur is het een (polaire) vloeistof en wordt gebruikt als antivries, oplosmiddel, brandstof, en als een denatureringsmiddel - toevoegingsmiddel voor ethanol vervaardigd voor industrieel gebruik — deze toevoeging van methanol verleent vrijstelling voor industriële ethanol uit accijnzen voor sterke drank.
Methanol wordt in de industrie gebruikt als oplosmiddel en als uitgangspunt voor synthesen. Bij inwendig gebruik kan methanol blindheid veroorzaken.
Methanol wordt o.a. gemaakt uit aardgas (hoofdzakelijk methaan) en stoom en over een nikkel-katalysator geleid, waarbij stoom in overmaat aanwezig is in een verhouding van 3:1.
Aardgas wordt dan gekraakt bij ongeveer 840 °C:
CH4(g) + H2O(g) → CO(g) + 3H2(g)
Een deel van het gevormde koolstofmonoxide reageert verder met de stoom:
CO(g) ) + H2O(g) → CO2(g) + H2(g)
Deze reacties zijn hoofdzakelijk endotherm. Dit synthesegas wordt vervolgens gecomprimeerd tot 100 bar en over een koper-katalysator geleid. De hoge druk is nodig om het evenwicht van de reacties te verschuiven naar rechts (principe van Le Châtelier). Hierdoor reageren koolstofmonoxide en waterstofgas met elkaar tot methanol:
CO(g) + 2 H2(g) → CH3OH(g)
Een alternatieve reactie is deze tussen koolstofdioxide en waterstofgas:
CO2(g) + 3H2(g) → CH3OH(g) + H2O(g)
Deze reacties zijn hoofdzakelijk exotherm. De ontstane ruwe methanol wordt via destillatie gezuiverd, waarbij de nevenproducten water, alkanen en ethanol verwijderd worden.
Methanol is alom vertegenwoordigd in het milieu: het ontstaat in de anaërobe metabolisme van vele soorten bacteriën. Als gevolg daarvan is er een kleine fractie van methanoldamp in de atmosfeer. Methanol in de atmosfeer wordt geoxideerd met behulp van zonlicht en omgezet in koolstofdioxide en water.
2 CH3OH(g) + 3 O2(g) → 2 CO2(g) + 4 H2O(g)
Bron: Wikipedia
Ethanol
De bekendste en meest toegepaste alkanol is ethanol, beter bekend onder de naam alcohol (alcoholhoudende dranken bevatten ethanol). Ethanol gebruiken we onder andere als desinfectans, als oplosmiddel, als component van motorbrandstof en van reinigingsmiddelen (spiritus) en als uitgangsstof bij de synthese van onder meer azijnzuur (zie 'redoxreacties') en ether (zie 'Condensatiereacties'). De twee belangrijkste productieprocessen voor ethanol zijn:
vergisting van glucose
hydratatie van etheen in aanwezigheid van een katalysator (zie 'Additiereacties').
prim.,sec. en tertiaire alcoholen
Primaire, secundaire en tertiaire alcoholen
We onderscheiden drie verschillende typen alcoholen:
primaire alcoholen: er is slechts één koolstofatoom aan het OH-dragende koolstofatoom gebonden (primaire alcoholen bevatten dus een CH2OH-groep: bijvoorbeeld propaan-1-ol);
secundaire alcoholen: er zijn twee koolstofatomen aan het OH-dragende koolstofatoom gebonden (secundaire alcoholen bevatten dus een CHOH-groep: bijvoorbeeld propaan-2-ol);
tertiaire alcoholen: er zijn drie koolstofatomen aan het OH-dragende koolstofatoom gebonden (tertiaire alcoholen bevatten dus een COH-groep: bijvoorbeeld 2-methylpropaan-2-ol).
Meerwaardige alcoholen
Er bestaan ook meerwaardige alcoholen, verbindingen met meer dan één OH-groep aan het koolstofskelet. Het eenvoudigste alkaandiol is ethaan1,2-diol (triviale naam glycol).
Glycol gebruiken we onder meer als antivries in het koelwater van auto’s en als grondstof voor plastics. Het wordt onder andere gemaakt uit etheen.
propaan-1,2,3-triol (triviale namen glycerol en glycerine) is een alkaantriol.
Glycerol gebruiken we onder andere veel in cosmetica en voor tandpasta.
Glycerol wordt voornamelijk gewonnen uit eetbare vetten en oliën.
Fenolen
Fenolen zijn moleculen met een OH-groep direct gebonden aan een C-atoom van een aromatische ring. Fenolen hebben een aantal eigenschappen gemeen met de alcoholen, maar vertonen ook afwijkende eigenschappen. In tegenstelling tot alcoholen is fenol ook een zwak zuur: het H-atoom van de OH-groep kan als H+ afsplitsen.
De eenvoudigste aromatische alcohol is benzenol (C6H5OH), benzeen met een OH-groep. Gewoonlijk wordt de triviale naam fenol gebruikt. Fenol is een belangrijke grondstof voor medicijnen, verf- en kunststoffen. Het wordt bereid uit benzeen, dat uit aardolie wordt gewonnen. Fenol is erg giftig.
Naamgeving
De regels met betrekking tot de nummering en alfabetische plaatsing van de substituenten in de naam is nog steeds hetzelfde: zo laag mogelijk nummeren en in naam de substituenten op volforde van het alfabet plaatsen.
De -OH groep bij de fenolen krijgt automatisch nummer 1!
Ethers
Ethers zijn verbindingen met een zuurstofatoom in de koolstofketen. De karakteristieke groep is de ethergroep: C-O-C.
We spreken van alkoxyalkanen indien de keten verder uitsluitend alkylgroepen bevat: R-O-R’. De alkoxygroep is op te vatten als een alkylgroep die met een zuurstofatoom aan de hoofdketen is gebonden. Alkoxyalkanen vormen een subgroep van de ethers. Ethoxyethaan (triviale naam ether) is de bekendste en meest toegepaste ether.
Naamgeving
In de naamgeving kiezen we de langste koolstofketen als hoofdketen. Achter de kortste alkylgroep die aan het zuurstofatoom is gebonden, voegen we het achtervoegsel –oxy toe. Deze noemen we dan voor de naam van de langste keten die aan het zuurstofatoom is gebonden.
Isomerie
Alkoxyalkanen hebben dezelfde molecuulformule als alkanolen, het zijn structuurisomeren van elkaar (zie het thema 'Stereochemie'). Bijvoorbeeld ethanol en methoxymethaan hebben allebei de molecuulformule C2H6O.
Eigenschappen
Door het ontbreken van een H-brugvormende groep in het molecuul hebben ethers relatief lage kookpunten en een uitgesproken hydrofoob karakter.
Alkoxyalkanen zijn dikwijls vluchtige en zeer brandbare stoffen. Ze zijn chemisch gezien vrij inert en worden daarom vaak gebruikt als (apolair) oplosmiddel.
Aldehyden en ketonen
Een aldehyde is een verbinding met een koolstofskelet waarin de karakteristieke groep -CHO voorkomt:
Uitgebreide animatie over aldehyden en ketonen. (Voor deze animatie is Adobe Shockwave Player nodig.)
Ketonen
Een keton is een verbinding met een koolstofskelet waarin de karakteristieke groep C=O voorkomt:
Het zuurstofatoom is aan een secundair koolstofatoom gebonden; de carbonylgroep is dus tussen twee koolstofatomen ingesloten.
Alkanalen
Het bekendste alkanal is methanal. Het heeft als triviale naam formaldehyde.
Het is bij kamertemperatuur gasvormig, heeft een erg irriterend en duidelijke geur en is redelijk oplosbaar in water.
In water opgelost methanal noemen we formaline. Formaline wordt gebruikt als conserveermiddel voor organen. Een andere toepassing van formaldehyde is als grondstof voor ureumformaldehydelijm. Spaanplaat bevat deze lijmsoort.
Naamgeving
De naam van een aldehyde eindigt op 'al'. Alkanen met deze groep noemen we alkanalen: R - CHO.
Alkanonen
Het bekendste alkanon is propanon, meestal aceton genoemd. Aceton is een vluchtige vloeistof met een frisse geur. Het is in alle verhoudingen mengbaar met water en wordt vaak gebruikt als oplosmiddel voor lakken, vernissen, kunststoffen (bijvoorbeeld PVC), vetten en kleefstoffen. Voor het oplossen van nagellak wordt ook vaak aceton gebruikt.
Naamgeving
De naam van een keton eindigt op 'on'. De keten wordt zo genummerd dat de dubbel gebonden O een zo laag mogelijk plaatsnummer krijgt. De eenvoudigste ketonen zijn de alkanonen, R-CO-R', waarbij R en R' alkylgroepen zijn.
Carbonzuren
In planten, plantaardige producten, in dieren en dierlijke producten en in het menselijk lichaam komen veel carbonzuren voor. De eenvoudigste carbonzuren zijn de alkaanzuren.
Deze kunnen we afgeleid denken van een alkaan waarvan een H-atoom is vervangen door een -COOH groep. Er bestaan ook meerwaardige alkaanzuren, verbindingen met twee of meer COOH-groepen. Carbonzuren met een lange koolstofketen (6 tot 20 koolstofatomen), noemen we vetzuren.
Alkaanzuren
De alkaanzuren vormen een (belangrijke) subgroep van de carbonzuren. Algemene formule van een alkaanzuur: R-COOH (R is een alkylgroep).
Een aantal alkaanzuren
Naamgeving
In de naamgeving tellen we het C-atoom van de karakteristieke groep op bij de hoofdketen en gebruiken we het achtervoegsel -zuur.
Het koolstofatoom van de COOH-groep is altijd nummer 1 van de keten.
Bij de naamgeving is de carbonzuurgroep altijd de hoofdgroep en bepaalt de uitgang in de naam van het molecuul. De andere karakteristieke groepen verschijnen dan als voorvoegsel in de naam.
Als aan een keten drie of meer -COOH groepen zitten of wanneer de - COOH groep zich bevindt aan een ringsysteem, gebruiken we het achtervoegsel -carbonzuur.
'Carbo' in de naam geeft aan dat we het C-atoom van de karakteristieke groep dan niet rekenen bij de hoofdketen.
Veel carbonzuren zijn bekend onder hun triviale naam.
Eigenschappen
De kookpunten van carbonzuren zijn relatief hoog door het optreden van H-bruggen tussen de carbonzuurgroepen van verschillende moleculen.
Door het vormen van H-bruggen zijn de 'lagere' carbonzuren goed oplosbaar in water.
Carbonzuren zijn zwakke zuren: het H-atoom van de COOH-groep kan als H+ afsplitsen (zie het thema 'Zuren en basen').
Mierenzuur (methaanzuur) wordt in rode mieren en brandnetels gevormd.
Azijnzuur (ethaanzuur) is het oudst bekende zuur en ook tegenwoordig nog het belangrijkste alkaanzuur.
Zuiver azijnzuur stolt in een koele omgeving (smeltpunt 16,6 oC) tot een ijsachtige, vaste stof; het wordt daarom ook wel ijsazijn genoemd.
Boterzuur (butaanzuur) is aanwezig in ranzige boter, in boterbloemen en in transpiratievocht.
De onaangename geur wordt veroorzaakt door het aanwezige boterzuur.
Een carbonzuur is een verbinding met een koolstofskelet waarin de karakteristieke carbonzuurgroep voorkomt:
In planten, plantaardige producten, in dieren en dierlijke producten en in het menselijk lichaam komen veel carbonzuren voor. De eenvoudigste carbonzuren zijn de alkaanzuren. Deze kunnen we afgeleid denken van een alkaan waarvan een H-atoom is vervangen door een -COOH groep. Er bestaan ook meerwaardige alkaanzuren, verbindingen met twee of meer COOH-groepen. Carbonzuren met een lange koolstofketen (6 tot 20 koolstofatomen), noemen we vetzuren.
De alkaanzuren vormen een (belangrijke) subgroep van de carbonzuren. Algemene formule van een alkaanzuur: R-COOH (R is een alkylgroep).
Naamgeving
In de naamgeving tellen we het C-atoom van de karakteristieke groep op bij de hoofdketen en gebruiken we het achtervoegsel -zuur. Het koolstofatoom van de COOH-groep is altijd nummer 1 van de keten. Bij de naamgeving is de carbonzuurgroep altijd de hoofdgroep en bepaalt de uitgang in de naam van het molecuul. De andere karakteristieke groepen verschijnen dan als voorvoegsel in de naam. Als aan een keten drie of meer -COOH groepen zitten of wanneer de - COOH groep zich bevindt aan een ringsysteem, gebruiken we het achtervoegsel -carbonzuur. 'Carbo' in de naam geeft aan dat we het C-atoom van de karakteristieke groep dan niet rekenen bij de hoofdketen. Veel carbonzuren zijn bekend onder hun triviale naam.
Eigenschappen
De kookpunten van carbonzuren zijn relatief hoog door het optreden van H-bruggen tussen de carbonzuurgroepen van verschillende moleculen. Door het vormen van H-bruggen zijn de 'lagere' carbonzuren goed oplosbaar in water. Carbonzuren zijn zwakke zuren: het H-atoom van de COOH-groep kan als H+ afsplitsen (zie het thema 'Zuren en basen').
Mierenzuur (methaanzuur) wordt in rode mieren en brandnetels gevormd.
Azijnzuur (ethaanzuur) is het oudst bekende zuur en ook tegenwoordig nog het belangrijkste alkaanzuur. Zuiver azijnzuur stolt in een koele omgeving (smeltpunt 16,6 oC) tot een ijsachtige, vaste stof; het wordt daarom ook wel ijsazijn genoemd.
Boterzuur (butaanzuur) is aanwezig in ranzige boter, in boterbloemen en in transpiratievocht. De onaangename geur wordt veroorzaakt door het aanwezige boterzuur.
Meerwaardige alkaanzuren
Meerwaardige alkaanzuren
Alkaandizuren zijn alkanen met twee COOH-groepen.
Oxaalzuur (ethaandizuur) komt onder andere voor in rabarber en zuring en wordt daarom ook wel zuringzuur genoemd.
Appelzuur (2-hydroxybutaandizuur) komt voor in appels. De vettige laag op de schil van appels bestaat uit alkanen met 27 en 29 koolstofatomen.
Citroenzuur (2-hydroxy-1,2,3-propaantricarbonzuur) is een verbinding met drie COOH groepen.
Vetzuren
Vetzuren
De 'hogere' carbonzuren, carbonzuren met een lange koolstofketen (6 tot 20 koolstofatomen), noemen we vetzuren. Ze vormen de hoofdbestanddelen van verbindingen die vet of olie worden genoemd (zie 'Esters').
Als de koolwaterstofketen alleen enkelvoudige bindingen bevat spreken we van een verzadigd vetzuur. Komen in de koolwaterstofketen één of meer dubbele bindingen voor dan spreken we van een onverzadigd vetzuur (zie ook BINAS tabel 67B).
Esters
Esters zijn verbindingen met een koolstofskelet waarin de karakteristieke estergroep -COO- voorkomt. Ze kunnen ontstaan door reactie van een carbonzuur met een alcohol. Esters komen veel in de natuur voor, ze hebben vaak aangename bloemen- en vruchtengeuren.
De eenvoudigste voorbeelden van esters zijn de alkylalkanoaten. Een aparte groep esters zijn de oliën en vetten.
Alkylalkanoaten
Een alkylalkanoaat kunnen we opvatten als een alkaanzuur (R-COOH) waarvan het aterstofatoom van de zuurgroep is vervangen door een alkylgroep (R'). Algemene formule: R-COOR'.
De estervorming:
Naamgeving
Bij de naamgeving van de esters is er keuze. Ethylethanoaat noemen we ook wel de ethylester van ethaanzuur of de ester van ethanol en azijnzuur. Met een diol kan een di-ester ontstaan, met een triol een tri-ester.
Voorbeelden van mono-esters:
Eigenschappen
Bron: McMurry & Fay, Chemistry
Vorming van esters en hydrolyse van esters.
Oliën en vetten
Belangrijke natuurlijk voorkomende esters zijn plantaardige en dierlijke oliën en vetten. Veruit de meeste (eetbare) oliën en vetten zijn tri-esters van glycerol en verschillende carbonzuren of vetzuren; ze worden daarom ook vaak triglyceriden genoemd.
Namen en formules van vetzuren
Vetten hebben de volgende algemene structuur:
Als slechts een type vetzuur aanwezig is, zoals in bovenstaande structuur, spreken we van een 'eenvoudig triglyceride'; als twee of drie verschillende vetzuren aanwezig zijn, spreken we van 'gemengde triglyceriden'.
Oliën zijn, per definitie, bij kamertemperatuur vloeibaar en worden gekenmerkt door een relatief hoog gehalte aan onverzadigde vetzuurresten.
Vetten zijn bij kamertemperatuur vast; ze bestaan voor een belangrijk deel uit esters van verzadigde vetzuren. De meest voorkomende vetzuren in oliën en vetten zijn: stearinezuur, palmitinezuur, oliezuur, linolzuur, linoleenzuur en arachidonzuur (zie BINAS tabel 67B).
Percentuele vetzuursamenstelling van bekende vetten en oliën
Enkele voorbeelden van esters van glycerol:
Soorten vetzuren
Het lichaam heeft elke dag vetten nodig. Bij een gezond eetpatroon komt tussen de 20 en 40% van de dagelijkse calorieën uit vet. Vetten zijn een belangrijke bron van de vitamines A, D en E en essentiële vetzuren. Maar niet alle vetten zijn hetzelfde. Een vet bestaat uit 'triglyceriden'. Eén vetmolecuul, een 'triglyceride', is een ester die bestaat uit een glycerolmolecuul met daaraan gekoppeld drie vetzuren. Deze vetzuren zijn er in twee vormen: verzadigde vetzuren en onverzadigde vetzuren. Onverzadigde vetzuren zijn op te delen in enkelvoudig onverzadigde vetzuren (EOV) en meervoudig onverzadigde vetzuren (MOV). Enkelvoudig verwijst naar het voorkomen van één dubbele binding in de scheikundige structuur van het vet, meervoudig verwijst naar het voorkomen van meer dubbele bindingen. Onverzadigde vetzuren kunnen voorkomen in de cis-variant en in de trans-variant, al worden in de praktijk vaak met onverzadigde vetzuren alleen de cis-varianten van onverzadigde vetzuren bedoeld. Trans-onverzadigde vetzuren worden in de praktijk meestal afgekort tot transvetzuren
Essentiële vetzuren
Essentiële vetzuren zijn meervoudig onverzadigde vetzuren, die niet door ons lichaam gemaakt kunnen worden. Deze vetzuren moeten daarom in de voeding voorkomen. Essentiële vetzuren zijn vitale onderdelen bij de productie van hormonen in het lichaam. Deze vetzuren staan momenteel volop in de belangstelling, met name de omega-3 vetzuren. Hiertoe behoren alfa-linoleenzuur (ALA) uit plantaardige oliën en de vetzuren EPA en DHA uit vis. (In het lichaam kan ALA omgezet worden in EPA en DHA maar dit gebeurt slechts in geringe mate.) Naast de omega-3 vetzuren kennen we ook omega-6 vetzuren. De meest bekende hiervan is het essentiële linolzuur uit plantaardige oliën.
Vloeibaar of vast
Triglyceriden die (in het land van oorsprong) vloeibaar zijn bij kamertemperatuur worden oliën genoemd. Oliën bevatten veel onverzadigde vetzuren. Deze hebben een laag smeltpunt waardoor ze vloeibaar zijn bij kamertemperatuur. Verzadigde vetzuren en transvetzuren hebben daarentegen een hoog smeltpunt en zijn daardoor vast bij kamertemperatuur. De functionele eigenschappen van een triglyceride worden bepaald door de chemische eigenschappen (zoals ketenlengte, aantal dubbele bindingen en de locatie van de dubbele binding op de koolwaterstofketen) en de fysische eigenschappen (zoals smeltpunt) van de desbetreffende vetzuren. De chemische en fysische eigenschappen van het uiteindelijke vet of de olie worden bepaald door de vetzuren die het meest in het vet of de olie aanwezig zijn. Bijvoorbeeld als een vet hoofdzakelijk verzadigde vetzuren of transvetzuren bevat, dan bepalen deze vetzuren de chemische en fysische eigenschappen van het vet en zal het bij kamertemperatuur vast zijn.
Bron: uit 'VETTE FEITEN' van het Productschap Margarine.
Vetten en oliën in ons voedsel.
Aminen
Aminen zijn koolstofverbindingen die als het ware afgeleid zijn van ammoniak. We onderscheiden primaire secundaire en tertiaire aminen. Bij primaire aminen is één H-atoom in NH3 vervangen door een alkylgroep, bij secundaire en tertiaire aminen zijn respectievelijk twee en drie H-atomen vervangen door alkylgroepen. Ook bestaan quaternaire ammoniumverbindingen. Hierbij is het stikstofatoom gebonden aan vier verschillende alkylgroepen en heeft een positieve lading.
Naamgeving
De naam van een aminen is samengesteld uit de naam van het alkaan met de uitgang '-amine'. Komt er meer dan één dezelfde keten aan het stikstofatoom in een molecuul voor dan geven we dit aantal aan met een numeriek voorvoegsel. Als in een primair amine een andere karakteristieke groep de hoofdgroep is, gebruiken we het voorvoegsel 'amino-' van aminogroep (NH2-groep). Bijvoorbeeld:
De aminogroep komt ook voor in aminozuren. Dat zijn koolstofverbindingen waarvan de moleculen als karakteristieke groepen zowel een amino- als een carbonzuurgroep bezitten.
Eigenschappen
Voorbeelden van naamgeving bij aminen.
Aminozuren
Ofschoon er oneindig veel verschillende aminozuren denkbaar zijn, komen er slechts twintig verschillende voor in natuurlijke eiwitten.
Deze twintig essentiële aminozuren verschillen alleen in de restgroep R (zie BINAS tabel 67C).
Aminozuren hebben de bijzonderheid dat de moleculen zowel een zure als een basische groep bezitten: het zijn dus amfolyten (zie 'Zuur-basereacties' in de paragraaf 'Reacties van koolstofverbindingen').
Aminozuren
Aminozuren zijn de bouwstenen van eiwitten. De algemene formule van de biologisch belangrijke aminozuren is:
Reacties koolstofverbindingen
De aanwezigheid van één of meer karakteristieke groepen in een molecuul is in hoge mate bepalend voor de reacties waaraan een verbinding kan deelnemen. We gaan in op een aantal reacties die we met koolstofverbindingen kunnen uitvoeren: substitutiereacties, additiereacties, zuur-basereacties, condensatiereacties, hydrolysereacties en redoxreacties.
Additiereacties
Een additiereactie is een typische reactie van onverzadigde verbindingen met enkele soorten kleine moleculen, waarbij twee moleculen reageren tot één. De dubbele binding tussen twee koolstofatomen kan 'openspringen'. Dat betekent dat er tussen de twee koolstofatomen een enkele atoombinding overblijft en dat aan beide koolstofatomen plaats is voor het ontstaan van een nieuwe atoombinding. Aan een dubbele koolstof-koolstofbinding (C=C) kunnen adderen: halogenen (X2), waterstofhalogeniden (HX), waterstof (H2) en water (H2O). Sieger Kooij (leraar scheikunde bovenbouw havo/vwo) laat voorbeelden zien van de additie van achtereenvolgens waterstof, water en halogenen.
Uitleg over additiereacties.
Additie kan ook plaatsvinden aan moleculen met drievoudige bindingen, zoals de alkynen. Hierbij ontstaat een dubbele binding; aan deze dubbele binding kan dan opnieuw additie plaatsvinden.
Onverzadigde verbindingen kunnen door veelvuldig onderlinge additiereacties polymeriseren (additiepolymerisatie).
De dubbele binding tussen een koolstof- en een zuurstofatoom (C=O) in aldehyden en ketonen heeft ook additievermogen.
Additie van halogenen
De additie van halogenen (F2, Cl2, Br2 en I2) en waterstofhalogeniden (HF, HCl, HBr, HI) verloopt zeer gemakkelijk bij kamertemperatuur en er is geen licht of katalysator nodig.
De reactie met broom werd vroeger algemeen gebruikt om onverzadigde verbindingen aan te tonen. Een oplossing van broom in water (broomwater) is bruin en dibroomalkanen zijn, evenals de onverzadigde verbindingen, kleurloos. Snelle ontkleuring van broomwater door een koolstofverbinding toont de aanwezigheid van onverzadigde koolstofketens aan. Broomwater is een reagens op onverzadigde verbindingen. Let op: Broomwater mag niet meer op scholen worden gebruikt!
Broomwater reageert in het licht ook met alkanen, via een substitutiereactie. Ontkleuring in het licht zou dan kunnen betekenen dat we met een alkaan te maken hebben. Deze reactie verloopt echter zo langzaam, dat het verschil met de snelle additiereactie heel goed is te zien.
Additie aan benzeen
De additie van chloor of broom aan benzeen verloopt zeer moeilijk en kan uitsluitend onder invloed van een katalysator plaatsvinden. Dit heeft te maken met de grote stabiliteit van de aromatische benzeenring die ontstaat door delocalisatie van drie elektronenparen. Daarom staan we hier even stil bij de structuur van benzeen en het verschijnsel mesomerie.
Structuur van benzeen
De eerste onderzoeker die de structuur van benzeen beschreef zoals we die nu kennen, was de Duitser Kekulé. Hij kwam tot de conclusie dat benzeen een vlakke cyclische structuur moet hebben met drie enkelvoudige en drie dubbele bindingen die om en om zijn geordend. Daar deze structuur niet overeenstemt met de gevonden lengte van de C – C-binding (elke C – C-binding = 140 pm) en een groot aantal chemische eigenschappen, stelde hij al in 1865 dat hier sprake moet zijn van dubbele bindingen die zo snel van plaats verwisselen dat we geen onderscheid tussen enkele en dubbele bindingen kunnen maken:
Benzeen blijkt veel stabieler te zijn dan het denkbeeldige 1,3,5-cyclohexatrieen. De hydrogeneringsenergie van benzeen is kleiner dan de berekende hydrogeneringsenergie van 1,3,5-cyclohexatrieen. De stabiliteit komt onder andere tot uitdrukking in de geringe reactiviteit van benzeen bij additiereacties. Ook substitutiereacties verlopen anders.
Stabilisatie door mesomerie
Dat het molecuul benzeen de voorkeur geeft aan deze situatie boven die met gelokaliseerde dubbele bindingen, betekent dat deze situatie gunstiger is. Mesomerie betekent altijd een verlaging van de energie van het molecuul (of ion)! Het energieverschil tussen deze toestand en die met gefixeerde dubbele bindingen in het hypothetisch molecuul 1,3,5-cyclohexatrieen kunnen we op de volgende wijze bepalen.
Bij de additie van waterstof aan 1 mol van een molecuul dat één dubbele C-C-binding bevat, komt een hoeveelheid energie vrij van 1,20.105 J in de vorm van warmte, bijvoorbeeld:
Voor een zesring met drie gefixeerde, dubbele bindingen zou deze reactie dus 3 × 1,20.105 J of 3,60.105 J warmte per mol opleveren. Bij de additie van waterstof aan benzeen blijkt echter slechts 2,08.105 J mol-1 aan warmte vrij te komen. Dit betekent dat benzeen stabieler is dan het niet bestaande molecuul cyclohexatrieen, dat drie geïsoleerde dubbele bindingen heeft. We noemen dit stabilisatie door mesomerie. Het enthalpieverschil ΔH van – 1,52.105 J mol-1 noemen we de resonantie-enthalpie of stabilisatie-enthalpie. In een enthalpieschema ziet dit er als volgt uit:
Enthalpiediagram van benzeen en cyclohexaan
Deze stabilisatie-enthalpie ten gevolge van de aromatische eigenschappen blijft zeker niet beperkt tot verbindingen van benzeen. Aromatische stabiliteit komen we ook tegen in ringverbindingen met heteroatomen zoals zuurstof, stikstof en zwavel, en in grotere ringsystemen. Deze moleculen zullen we niet bespreken.
Additie van waterstof en water
De additie van waterstof (hydrogenering) en van water (hydratatie) verloopt veel moeilijker dan die van de halogenen en de waterstofhalogeniden.
Hydrogenering
De additie van H2 noemen we hydrogenering. Alle reacties met waterstof verlopen alleen in aanwezigheid van een geschikte katalysator (Pt, Pd of Ni), wegens de hoge activeringsenergie van de reactie. De hoge activeringsenergie is het gevolg van de sterke atoombinding tussen de twee waterstofatomen (zie het thema 'Reactiesnelheid en chemisch evenwicht').
Hydrogenering wordt in de voedingsindustrie gebruikt om van vloeibare plantaardige oliën vaste vetten te maken. Een spijsolie bevat veel dubbele bindingen en heeft daardoor een laag smeltpunt. Door reactie mat waterstof ontstaan verzadigde vetten, die een hoger smeltpunt hebben. We noemen dit vetharding.
Hydratatie
De additie van H2O noemen we hydratatie. Alleen bij toevoegen van een speciale katalysator (spoor zuur, H3O+) vindt additie van water plaats:
De additie van water aan etheen is een belangrijk industrieel proces voor de bereiding van ethanol (zie Alcoholen).
Additiepolymerisatie
Etheen kan, onder bepaalde omstandigheden (hoge temperatuur en druk, initiator), met zichzelf reageren: etheenmoleculen koppelen, door hun openspringende dubbele bindingen, aan elkaar tot zeer lange ketenmoleculen. Dat zijn macromoleculen, meestal polymeren geheten. Etheen heet het monomeer voor het polymeer polyetheen:
Met polymeren kunnen we vervormbaar materiaal maken, waarmee we een vorm kunnen maken met een mal (extrusie).
Alle moleculen met een dubbele binding kunnen polymeriseren, maar ook alkynen en alkadiënen kunnen polymeriseren.
Sieger Kooij (scheikundeleraar bovenbouw havo/vwo) legt uit wat polymeren zijn aan de hand van voorbeelden uit het dagelijks leven (kunststoffen, eiwitten, koolhydraten, etc.) en hoe ze ontstaan. Hij gaat onder meer in op stucturen van twee belangrijke typen kunststoffen, thermoplasten en thermoharders.
Uitleg over polymeren.
Hoe moet je polymeren tekenen?
Additie aan aldehyden en ketonen
De dubbele binding tussen een koolstof- en een zuurstofatoom in aldehyden en ketonen heeft ook additievermogen. Halogenen kunnen niet aan de C=O-groep adderen, omdat dan een zuurstof-halogeenbinding gevormd moet worden en die zijn niet stabiel. Waterstof, waterstofhalogenide en H-OR-verbindingen kunnen wel adderen. Bijvoorbeeld, de additie van waterstof aan ethanal:
Deze additiereactie kunnen we ook opvatten als een redoxreactie: het aldehyde wordt gereduceerd door waterstof tot een primair alcohol (zie 'Redoxreacties').
Substitutiereacties
Een substitutiereactie is een reactie waarbij in een molecuul een atoom (of atoomgroep) wordt vervangen door een ander atoom (of atoomgroep). Ter introductie laat Sieger Kooij (leraar scheikunde bovenbouw havo/vwo) een belangrijk verschil zien met een additiereactie:
Substitiereactie van halogenen aan alkanen.
We maken een onderscheid tussen radicaalsubstitutie en nucleofiele substitutie en gaan wat verder in op het mechanisme van deze substitutiereacties.
Radicaalsubstitutie
Bij de reactie van alkanen met de halogenen chloor en broom kunnen een of meer waterstofatomen worden vervangen door halogeenatomen. Voor initiatie van deze reactie is licht nodig om het halogeen te activeren. Zo reageert methaan als volgt met chloor:
Bij deze reactie treden radicalen op als tussenproducten. Het reactiemechanisme van deze reactie is een radicaalmechanisme.
Het substitueren hoeft niet tot één H-atoom per molecuul beperkt te blijven. Alle H-atomen in methaan kunnen worden vervangen. Ook dichloormethaan, trichloormethaan en zelfs tetrachloormethaan kunnen in zeer kleine hoeveelheden worden gevormd.
Alkanen en koolstofverbindingen met alkylgroepen reageren op dezelfde manier met chloor of broom als methaan. Bij alkanen met drie of meer koolstofatomen zijn er verschillende mogelijkheden: elk H-atoom kan worden vervangen door een halogeenatoom. Welk H-atoom wordt vervangen in een molecuul berust op louter toeval. In een mengsel van pentaan en chloor bijvoorbeeld, zullen na afloop in het reactievat én 1-chloorpentaan én 2-chloorpentaan én 3-chloorpentaan worden aangetroffen.
Radicaalmechanisme
De halogenering van alkanen onder invloed van licht verloopt in een aantal reactiestappen via een radicaalkettingproces:
Initiatie
In de initiatie- of startreactie dissociëren chloormoleculen in losse chlooratomen. Van het bindend elektronenpaar gaat een elektron naar elk van beide atomen. Hierbij ontstaan chloorradicalen (Cl•). Een radicaal is een atoom of atoomgroep met een ongepaard (‘vrij’) elektron (aangegeven met een stip). Radicalen zijn uiterst reactief en kunnen daardoor slechts kort bestaan. Deze radicalen brengen de reactie op gang.
Propagatie
De chloorradicalen plukken een waterstofatoom af van methaan, waarbij methylradicalen (•CH3) en HCl ontstaan. De methylradicalen reageren verder met chloormoleculen, waarbij opnieuw chloorradicalen ontstaan. De methylradicalen zijn daarbij omgezet in moleculen chloormethaan (CH3Cl). De nieuw gevormde chloorradicalen reageren weer met methaanmoleculen. De twee reacties vormen samen een kettingreactie, een reactie die zichzelf in stand houdt. We noemen deze reacties propagatiereacties. Bij propagatiereacties ontstaan evenveel radicalen als er verdwijnen.
Terminatie
Aan het radicaalkettingproces komt pas een einde, als de radicalen verdwijnen door onderlinge botsing. Dit noemen we terminatie- of stopreacties. Omdat radicalen uitermate reactieve deeltjes zijn, is de concentratie van radicalen in reactiemengsels zeer klein. De botsingskans van een radicaal met een molecuul is veel groter dan die van radicalen onderling. Doordat vrijwel elke botsing tussen radicalen effectief is, treedt toch enige reactie op tussen radicalen. Er ontstaat bijvoorbeeld een zeer kleine hoeveelheid ethaan.
animatie radicaalmechanisme (kies uit “Reaction Mechanism Animation” voor “Free Radical Substitution”)
Nucleofiele substitutie
Een heel ander type substitutiereactie is de vervanging van een halogeenatoom door OH in de reactie van een halogeenalkaan met OH-. We noemen dit nucleofiele substitutie. Zo reageert broommethaan als volgt met natronloog:
Bij deze reactie spelen radicalen geen enkele rol, de reactie verloopt via ionen. Het reactiemechanisme van deze reactie is een ionair mechanisme.
Nucleofiele substitutie is de vervanging van een atoom (of atoomgroep) aan een C-atoom door reactie met een nucleofiel deeltje. Nucleofiele deeltjes zijn negatieve ionen of moleculen met één of meer vrije elektronenparen. Ze reageren met andere deeltjes, die een atoomkern (kern = nucleus) hebben met een geheel of gedeeltelijk positieve lading. Daar komt ook de term nucleofiel (=kernlievend) vandaan. Een voorbeeld is de reactie van halogeenalkanen met natronloog tot alcoholen:
OH- is het nucleofiele deeltje, het zoekt een positieve plaats in het molecuul op. Het koolstofatoom in de alkylgroep is ð+ doordat het halogeenatoom sterker elektronegatief is en ð- wordt. Vervanging van een H-atoom zal niet optreden.
Reactiemechanisme
De nucleofiele substitutiereactie kan via twee verschillende wegen (mechanismen) verlopen:
de reactie verloopt in één stap. Het OH--ion hecht aan het C-atoom onder gelijktijdige loslating van het halogenide-ion:
Een voorbeeld van dit type mechanisme is de reactie tussen OH--ionen en broommethaan.
Een reactie die volgens dit mechanisme verloopt noemen we een SN2-reactie. Dit is de afkorting voor (tweede orde) bimoleculaire nucleofiele substitutie.
Toelichting: de reactie verloopt in één stap, en dat is dan automatisch de snelheidsbepalende stap. Het aantal reagerende deeltjes in deze stap bedraagt twee: de reactie is bimoleculair. De reactie orde is dan ook twee. In het thema 'Reactiekinetiek en reactiemechanismen' gaan we in op de orde van een reactie.
de reactie verloopt in twee stappen. In de eerste stap splitst het halogeenalkaanmolecuul in een halogenide-ion en een positief ion met de lading op het C-atoom, een carbokation. In de tweede stap reageert het OH--ion met het carbokation:
Een voorbeeld van dit type mechanisme is de reactie tussen OH--ionen en 2-chloor-2-methylpropaan.
Een reactie die volgens dit mechanisme verloopt noemen we een SN1-reactie: de afkorting voor (eerste orde) monomoleculaire nucleofiele substitutie.
Toelichting: de reactie verloopt in twee stappen, waarvan de eerste stap bepalend is voor de totale snelheid van de reactie. Bij de vorming van het carbokation is slechts één deeltje betrokken: de reactie is monomoleculair. De reactie is dan ook van de eerste orde. In het thema 'Reactiekinetiek en reactiemechanismen' gaan we in op de orde van een reactie.
Factoren
Factoren die invloed hebben op het type mechanisme zijn onder andere:
Sterische hindering
Naarmate er meer alkylgroepen aan het koolstofatoom zitten waaraan de substitutie plaats vindt, zal het voor een nucleofiel deeltje, zoals het OH--ion, moeilijker worden om het koolstofatoom te naderen. Het koolstofatoom wordt meer afgeschermd naarmate er meer en grotere groepen aan dat atoom zitten.
Stabiliteit carbokation
Des te stabieler het carbokation, des te makkelijker verloopt de reactie via het carbokation. De stabiliteit van carbokationen neemt toe naarmate er meer en langere alkylgroepen aan het positieve koolstofatoom zitten. De reden daarvan laten we hier buiten beschouwing. Bij een primair carbokation zit de positieve lading op een primair C-atoom, bij een secundair en tertiair carbokation op een secundair C-atoom, respectievelijk een tertiair C-atoom.
Deze twee effecten hebben tot gevolg dat het mechanisme via het carbokation beter verloopt naarmate er meer en langere alkylgroepen aan het positieve koolstofatoom zitten. Hierdoor is het te verklaren dat de reactie bijna geheel volgens het éénstaps mechanisme verloopt bij substitutie aan primaire koolstofverbindingen en aan methylverbindingen (halogeenmethaan), en bijna geheel via het carbokation bij tertiaire koolstofverbindingen. Secundaire koolstofverbindingen kunnen via beide mechanismen verlopen.
Het oplosmiddel heeft ook invloed. Naarmate het oplosmiddel sterker polair is, kunnen er gemakkelijker ionen worden gevormd, omdat deze door solvatatie gestabiliseerd kunnen worden. Het mechanisme via het carbokation zal dan beter kunnen verlopen.
In principe bestaat er dus altijd een concurrentie tussen beide reactiewegen. Bovenstaande factoren bepalen welke reactieweg de overhand zal hebben.
Een zuur-basereactie is een reactie waarbij protonoverdracht optreedt (zie het thema 'Zuren en basen'). Organische zuren zijn alle zwak en kunnen tenminste één waterstofatoom afsplitsen als waterstofion. Voorbeelden zijn de carbonzuren en fenolen. Organische basen reageren in water als zwakke basen: ze hebben tenminste één stikstofatoom, dat aan het vrije elektronenpaar nog een waterstofion kan binden. Belangrijk zijn de aminen en ringvormige moleculen met een of meer stikstofatomen in de ring, zoals pyridine. Voorbeelden van organische verbindingen met zowel een zure als een basische groep zijn de aminozuren: het zijn amfolyten.
Carbonzuren
Carbonzuren kunnen het H-atoom van de COOH-groep als H+-ion afstaan: het zijn zwakke zuren. Het zuurrestion van een alkaanzuur heet alkanoaat-ion. Bijvoorbeeld, de dissociatie van ethaanzuur (azijnzuur) in water:
Methaanzuur (mierenzuur) is het sterkste niet-gesubstitueerde alkaanzuur. De zuursterkte neemt af naarmate de koolstofketen langer wordt (zie BINAS tabel 49).
De verzadigde en onverzadigde alkaanzuren kunnen, net als de anorganische zuren (bijvoorbeeld HCl, H2SO4) met een basische groep een zout vormen. Bijvoorbeeld, door reactie van ethaanzuur met natronloog ontstaat het zout natriumethanoaat.
Fenolen
Fenolen zijn alcoholen waarbij de OH-groep aan de aromatische ring zit. Fenol en andere fenolen kunnen het H-atoom van de OH-groep als H+-ion afstaan: het zijn zwakke zuren. Dit is een verschil met alkanolen, die in water niet merkbaar zuur reageren. Het zuurrestion van fenol heet fenolaat-ion. Bijvoorbeeld, de dissociatie van fenol in water:
Aminen en pyridine
Aminen
Aminen kunnen net als ammoniak een H+-ion opnemen: het zijn zwakke basen. Het geconjugeerde zuur van een alkaanamine, een positief ion, heet alkaanaminiumion, of, in de oude benaming alkylammoniumion. Bijvoorbeeld, de reactie van methaanamine met water:
Door reactie van aminen met een (oplossing) van een sterk zuur ontstaan aminiumzouten. Bijvoorbeeld, methaanamine met zoutzuur geeft een oplossing van methaanaminiumchloride (=methylammoniumchloride).
Pyridine
Pyridine is een voorbeeld van een ander soort organische basen, die in de biochemie een belangrijke rol spelen, onder andere bij de bouw van DNA en RNA. In deze basen bevinden zich steeds een of meer stikstofatomen in een vijf- of zesring. Het stikstofatoom heeft een vrij elektronenpaaar, net als een amine, en kan daardoor een waterstofion opnemen.
Aminozuren
Aminozuren zijn kristallijne stoffen met een hoog smeltpunt (> 200 °C) die redelijk goed oplosbaar zijn in water. Dit betekent dat het zoutachtige stoffen zijn. Aminozuren bestaan niet uit moleculen maar uit dipolaire ionen, meestal zwitterionen genoemd: een deeltje met aan de ene kant een plus-lading en aan de andere kant een min-lading draagt. Deze ionen zijn ontstaan door een interne zuur-basereactie: overdracht van een proton van de carbonzuurgroep aan de aminogroep:
De vergelijkingen van de zuur-base-evenwichten waaraan een aminozuur (in dit geval glycine, aminoethaanzuur) kan deelnemen zijn:
Het iso-elektrisch punt van een aminozuur (pI) is de pH waarbij de netto-lading op het aminozuur nul is. Bij lage pH wordt het positieve ion gevormd en bij hoge pH het negatieve ion.
De zuursterkte van de COOH groep en de basesterkte van de NH2 groep worden beïnvloed door de bouw van de rest van het molecuul. Sommige aminozuren hebben twee zure groepen, andere hebben twee basische groepen. Hierdoor ontstaan soms grote verschillen in de pI-waarde van de aminozuren (zie BINAS tabel 67C).
Condensatiereacties
Een condensatiereactie is een reactie waarbij twee moleculen koppelen onder afsplitsing van een klein molecuul, meestal water. Condensatiereacties verlopen uitsluitend onder invloed van een katalysator. Alcoholen kunnen met carbonzuren een condensatiereactioe ondergaan, er ontstaat een ester. Alcoholmoleculen kunnen ook met elkaar condenseren, er ontstaat dan een ether. Ook aminen kunnen een condensatiereactie ondergaan met carbonzuren, hierbij ontstaat een amide.
Polymerisatie via een condensatiereactie is mogelijk als een molecuul twee karakteristieke groepen heeft die kunnen condenseren (condensatiepolymerisatie). Deze reactie is vooral van belang bij het ontstaan van eiwitten uit aminozuren.
Vorming esters, ethers, amiden
Esters
Alcoholen kunnen met carbonzuren reageren tot een ester. Met zwavelzuur als katalysator stelt zich het volgende evenwicht in:
Bijvoorbeeld de condensatie van ethaanzuur en methanol tot methylethanoaat:
Alcoholen kunnen ook veresteren met anorganische zuren, zoals zwavelzuur of salpeterzuur. Bijvoorbeeld de condensatie van ethanol met zwavelzuur:
De naam van de gevormde ester is ethylwaterstofsulfaat. Aangezien de ester nog een zure OH-groep heeft aan het zwavelatoom, kan er met een tweede ethanolmolekuul diethylsulfaat ontstaan.
De condensatie van zwavelzuur met een alcohol is een nevenreactie die optreedt bij de verestering van een alcohol met een carbonzuur, waarbij zwavelzuur als katalysator dient. Het is ook een evenwichtsreactie. Door destillatie kunnen we de ester scheiden van het gewenste product.
Ethers
In aanwezigheid van zwavelzuur en bij verhoogde temperatuur kunnen alcoholmoleculen ook met elkaar condenseren. Er ontstaat dan een ether:
Amiden
Aminen kunnen ook via een condensatiereactie reageren met carbonzuren, hierbij ontstaat een (zuur)amide:
Condensatiepolymerisatie
Aminozuren kunnen met elkaar reageren. Door koppeling van twee aminozuren, bijvoorbeeld twee moleculen glycine (aminoethaanzuur), ontstaat een dipeptide:
Voorbeeld van polyaminoethaanzuur:
Hydrolysereacties
Hydrolyse betekent letterlijk ontleding door water. Esters kunnen met water reageren onder vorming van de alcohol en het zuur waaruit zij zijn ontstaan. Met zwavelzuur als katalysator stelt zich het volgende evenwicht in:
Een bijzonder geval van hydrolyse is de verzeping van vetzuren, waarmee we zeep kunnen maken. We gaan nader in op de structuur en werking van zeep als wasactieve stof.
Verzeping
Een bijzonder geval van hydrolyse is de verzeping. Door in plaats van aangezuurd water een oplossing van een sterke base te nemen (NaOH, KOH) wordt de hydrolysereactie aflopend. Doordat het zout van het carbonzuur wordt gevormd, krijgt de terugreactie geen kans:
De naam verzeping is afkomstig uit de zeepziederij. Wanneer we vetten in basisch milieu hydrolyseren ontstaan zouten van vetzuren. Door hun lange apolaire staart en polaire kop hebben deze wasactieve werking. Iedereen kent ze onder de naam zeep.
Zeep en werking van zeep
Zeep
Zeep (en wasmiddelen) ontlenen hun waswerking aan de bijzondere bouw van de moleculen of ionen waaruit deze stoffen bestaan. De moleculen of ionen van een wasactieve stof (algemene naam: detergent) bestaan uit een lange apolaire staart met een polaire kop.
Natuurlijke zeep
Natuurlijke zeep wordt bereid uit dierlijke en plantaardige oliën en is de oudst bekende wasactieve stof.
Een zeep is een natrium- of kaliumzout van een alkaanzuur. Een voorbeeld is natriumstearaat, de gewone huishoudzeep: C17H35COO-Na+.
De lange koolwaterstofketen is apolair en heeft dus geen goede wisselwerking met watermoleculen. De kop is een ion en heeft dus wel een goede wisselwerking met water, mede dankzij de waterstofbrugvorming. We spreken van een hydrofobe (=waterafstotende) staart en een hydrofiele (= waterminnende) kop. Door het tweeslachtig karakter gedragen zeepmoleculen zich in water zeer bijzonder.
In water ontstaan micellen. Micellen zijn bolvormige structuren met de apolaire staarten naar binnen gekeerd en de polaire koppen naar buiten. Van buiten af gezien lijkt een micel op één groot negatief geladen ion, met de daarbij behorende positieve natriumionen.
bron micel: wikipedia
De polaire uiteinden van de ionen stoten elkaar af en willen zo ver mogelijk van elkaar verwijderd zijn. Daarentegen trekken de apolaire uiteinden elkaar aan door VanderWaalskrachten (zie het thema 'Moleculaire stoffen'). De optimale vorm voor een micel is dan ook de bolvorm.
Bij het wasproces worden vetdruppeltjes van de huid of het wasgoed of van opgenomen in het apolaire centrum van deze micellen. Op deze wijze komt het vet los van de huid of het wasgoed en kunnen we het wegspoelen.
Oppervlaktespanning
Aan het wateroppervlak vormen de ionen een laag met de koppen in het water en de staarten parallel uit het water stekend. De buitenste laag van de vloeistof bestaat hierdoor uit apolaire staarten en gedraagt zich als een apolaire vloeistof. In plaats van sterke waterstofbruggen zijn nu aan het vloeistofoppervlak alleen de zwakke London-VanderWaals krachten werkzaam. De oppervlaktespanning is beduidend lager geworden. Vandaar dat detergentia ook oppervlakte-actieve of grensvlakactieve stoffen worden genoemd.
Synthetische zeep
Elk deeltje met een hydrofobe ‘staart’ en een hydrofiele ‘kop’ kan in principe als wasactieve stof dienen. De kop kan een negatief of positief ion zijn, maar ook een ongeladen groep die waterstofbruggen kan vormen. Tegenwoordig wordt veel gebruik gemaakt van synthetische zepen zoals de sulfonaatzepen:
Hoe werkt zeep precies
Het belangrijkste natuurlijke schoonmaakmiddel is gewoon water. Alle stoffen die van nature oplosbaar zijn in water kunnen, van huid en haar, door water worden verwijderd. Hierbij valt te denken aan suikers, stof, zouten en vetvrij vuil.
Voor het verwijderen van vethoudend vuil kan zeep worden gebruikt. Zeep maakt gebruik van het feit dat olie en vet waterafstotend zijn, het vormt als het ware een brug tussen water en vethoudend vuil. Zeep heeft hiermee een zogenaamde waswerking. Het feit dat met zeep vethoudend vuil kan worden verwijderd, beter gezegd opgenomen en afgespoeld, komt voort uit de specifieke structuur van een zeepmolecuul. Dit werkt echter alleen met behulp van water.
Het zeepmolecuul is zo georganiseerd, dat er gesproken kan worden over een duidelijke kop en een staart. De kop trekt water aan, dit wordt ook wel waterminnend of hydrofiel genoemd. De staart stoot water af, dit wordt ook wel waterafstotend of hydrofoob genoemd. Daarnaast trekt de staart olie aan en is dus olieminnend.
Bij de waswerking werken zeep en water op drie manieren samen. Ten eerste zorgt zeep ervoor dat water zich beter over het oppervlak verspreidt. Ten tweede zorgt zeep voor de verbinding van vuil aan water en zeep, waardoor het kan worden weggespoeld en ten derde vormen ze tezamen met lucht schuim.
Schoonmaken kan alleen wanneer het oppervlak goed vochtig is. Gek genoeg maakt water niet zomaar een oppervlak vochtig. Water heeft de neiging zich in druppels op te hopen. Zeep helpt water zich beter over het oppervlak te verspreiden in plaats van dat het er druppelsgewijs op blijft liggen. De watermoleculen zijn sterk verbonden en worden niet graag gesplitst. Wanneer zeep en water samenkomen, drukken de zeepmoleculen hun staart door het water oppervlak, om zover mogelijk weg te komen van het water. Zeep dient hierbij dus als oppervlakte spanningsbreker. Het resultaat is dat het water over een groter oppervlak wordt verspreid.
Bij meerdere staarten samen wordt het totale wateroppervlak doorboord, ofwel de oppervlaktespanning van het water wordt verlaagd. Het resultaat is dat het water zich beter over het vuile oppervlak verdeeld. Zeepmoleculen forceren het water in het oppervlak te dringen, waardoor het goed wordt bevochtigd.
Een nat oppervlak is nog geen schoon oppervlak. Als zeep het water heeft geholpen het oppervlak te bevochtigen, komt de tweede functie van vuil verwijderen aan bod.
Door de waterminnende koppen van zeep vormt zich een soort zeepfilm op het wateroppervlak.
Het vethoudend vuil wordt in eerste instantie aan de zeepmoleculen gebonden. Doordat de waterafstotende eigenschap, de staarten richting vuil stuurt en de olie minnende eigenschap de staarten het vuil in drijft. De staart wurmt zich in het vuil.
De zeepstaarten houden het vuil vast totdat het wordt afgespoeld.
Schuimvorming komt tot stand doordat lucht wordt ingesloten door water en zeep. De waterminnende koppen van de zeep drukken zich tegen het water en vormen zo tezamen een vlies om de lucht.
Uiteindelijk wordt het vuil door de wasbeweging van bijvoorbeeld een borstel of de handen losgewerkt van het oppervlak en kan worden weggespoeld.
Redoxreacties
In de koolstofchemie komen verscheidene soorten redoxreacties voor. Wij beperken ons hier tot de soorten waarbij de koolstofketen behouden blijft. We noemen dit ook wel voorzichtige redoxreacties.
In feite zijn verbrandingsreacties en kraakreacties ook redoxreacties, maar hierbij wordt de koolstofketen afgebroken of gewijzigd.
Additie- en substitutiereacties kunnen we ook als redoxreacties opvatten, maar gewoonlijk beschouwen we ze als aparte soorten reacties.
Bij redoxreacties in de koolstofchemie is de koolstofverbinding gewoonlijk de reductor.
Koolstofverbindingen als reductor
Primaire en secundaire alcoholen kunnen we oxideren met de bekende oxidatoren uit de anorganische chemie, zoals dichromaat (Cr2O72-) en permanganaat (MnO4-) in een zuur milieu.
Tertiaire alcoholen kunnen we niet oxideren met behoud van de koolstofketen.
Aldehyden kunnen we oxideren tot carbonzuren. Algemeen:
De algemene reductorhalfvergelijkingen zijn:
Herkenningsreactie van aldehyden
Een aldehyde kan aangetoond worden met het Tollensreagens of het Fehlingsreagens. In beide gevallen treedt een redoxreactie op.
A. Tollensreagens
Tollensreagens is een zogenaamde ammoniake zilveroplossing, zie NB1. De oxidator is: Ag(NH3)2+
Aan een oplossing met een aldehyde in een reageerbuis wordt het Tollensreagens toegevoegd, vervolgens wordt de reageerbuis verwarmd, voortdurend ronddraaiend, in een waterbad op ongeveer 80 oC.
De aldehyde, R-CHO, reageert en wordt geoxideerd tot het corresponderende carbonzuur, R-COOH.
Er ontstaat metallisch zilver, dat op de wand van de buis neerslaat als een zilverspiegel.
De halfvergelijkingen zijn:
Na correctie voor het basisch milieu ontstaat de somvergelijking:
NB1: Tollensreagens bereiden we als volgt:
Maak een schone reageerbuis extra schoon door deze even met ammonia te koken.
Schenk in de reageerbuis 2 mL 0,1 M zilvernitraatoplossing.
Voeg hieraan enkele druppels 1 M natronloog toe.
Er ontstaat een bruin neerslag van zilveroxide:
Schenk er vervolgens zoveel 2 M ammonia bij, dat het neerslag juist weer oplost, volgens de reactie:
NB2: Tollens reagens moeten we altijd vlak voor het gebruik bereiden. We mogen het niet bewaren, omdat in de oplossing een explosieve zilververbinding kan ontstaan.
B. Fehlinsreagens
Felingsreagens bestaat uit twee vloeistoffen: Fehlings A en Fehlings B. Vlak voor het gebruik mengen we deze twee vloeistoffen mengen met elkaar.
Fehlings A is een oplossing van ongeveer 5% koper(II)sulfaat in water.
Fehlings B is een oplossing van kaliumnatriumtartraat, ook wel Seignettezout genoemd, en natriumhydroxide in water.
Van beide vloeistoffen voegen we een kleine gelijke hoeveelheid toe aan de te onderzoeken stof. Vervolgens verwarmen we het mengsel.
Indien de te onderzoeken stof een aldehyde-groep bevat, ontstaat een roodbruin neerslag.
De aldehyde-groep wordt geoxideerd tot een carbonzuur-groep:
R-CHO(aq) + 2 OH-(aq) → R-COOH(aq) + H2O(l) + 2e
Het kopersulfaat wordt gereduceerd tot koper(I)oxide:
Het hierbij ontstane koper(I)oxide is de roodbruine neerslag.
Koolstofverbindingen als oxidator
Koolstofverbindingen als oxidator
Aldehyden en ketonen kunnen we ook reduceren. Met H2 ontstaan respectievelijk primaire en secundaire alcoholen. Hier is de koolstofverbinding de oxidator en H2 de reductor. Dit type reactie (hydrogenering) rekenen we gewoonlijk tot de additiereacties (er verdwijnen dubbele bindingen).
Reactie met natrium
Alle koolstofverbindingen met een of meer OH-groepen reageren met natrium, of met de andere alkalimetalen. Deze reacties zijn in wezen dezelfde als die van natrium met water (zie het thema 'Redoxreacties'). Natrium is een zeer sterke reductor. De koolstofverbinding is in dit geval de oxidator. De algemene reactievergelijkingen van natrium met een alkanol is:
Opmerkingen:
Het natriumzout is meestal gesolvateerd in de vloeistof waarin de reactie plaatsvindt. Bij indampen ontstaat het vaste zout. Indien water aanwezig is, reageert het natrium met het water, omdat die reactie veel sneller verloopt.
Bij notatie van de formules van zouten van koolstofverbindingen geven we vaak de ladingen van de ionen aan, om duidelijk te maken dat het zouten betreft en geen moleculaire stoffen. Bijvoorbeeld natriumethanolaat CH3-CH2O-Na+(s). Een notatie zonder ladingen, CH3–CH2ONa (s), kan een covalente binding tussen het metaalatoom en de rest suggereren.
TOETS
Toets: Toets
0%
Bij deze meerkeuzetoets maak je 24 vragen uit een bestand van 32 vragen.
Aanbevolen tijd : circa 45 minuten.
Aan het einde van de toets kun je op de knop 'bewijs van deelname/overzicht'drukken. Je krijgt je eerst een overzicht van het aantal goede en foute vragen te zien. Als je verder scrolt, kom je bij een samenvatting. Hier staan de vragen, het antwoord dat jij hebt gegeven en het juiste antwoord op de vraag. Daarnaast krijg je nog een stukje achtergrond informatie bij de foute antwoorden en vaak ook bij de goede antwoorden.
De onderstaande antwoorden moet je zelf nakijken; vergelijk jouw antwoorden met de goede
antwoorden, en geef aan in welke mate jouw antwoorden correct zijn.
Het arrangement Sk-15 Koolstofchemie: stoffen en reacties is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Auteur
Jose Mastenbroek
Je moet eerst inloggen om feedback aan de auteur te kunnen geven.
Laatst gewijzigd
Licentie
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding en publicatie onder dezelfde licentie vrij bent om:
het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.
Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:
Toelichting
Vakinhoudelijk deel van een thema over koolwaterstoffen, omgezet in een Wikiwijs arrangement vanuit een prototype van een kennisbank scheikunde van het voormalige Ruud de Moor Centrum van de OU; zie ook de colofon in het arrangement voor toelichting.
Vakinhoudelijk deel van een thema over koolwaterstoffen, omgezet in een Wikiwijs arrangement vanuit een prototype van een kennisbank scheikunde van het voormalige Ruud de Moor Centrum van de OU; zie ook de colofon in het arrangement voor toelichting.
