HOOFDSTUK 12
ORGANISCHE CHEMIE:
STRUCTUREN EN NAAMGEVING
12.1. Inleiding
De organische chemie is de chemie van koolstof houdende verbindingen. Deze worden
organisch genoemd worden indien ze minstens één koolstof − waterstof (C−H) binding bevat.
Kooldioxide of carbonaatzouten zijn dus geen organische verbindingen. Als element van de 4de
groep (kolom) in de 2de periode (rij) in het periodiek systeem, vormt het koolstof atoom zo goed
als uitsluitend covalente bindingen, en kan het ook 4 bindingen aangaan met andere atomen.
Anders geformuleerd, een C atoom in een organische verbinding kan omringd worden door 4
bindende elektrondomeinen, en vertoont dan een sp3-hybridisatie (zie 11.1.2) (FIGUUR 12.1,
LINKS – handboek, p. 646) maar ook door 3 bindende elektrondomeinen in aanwezigheid van
1 dubbele binding met sp2-hybridisatie (FIGUUR 12.1, MIDDEN – handboek, p. 646), of 2
bindende elektrondomeinen in aanwezigheid van 1 drievoudige binding (of 2 naburige dubbele
bindingen) met sp-hybridisatie (FIGUUR 12.1, RECHTS – handboek, p. 646). Een C atoom
dat omringd wordt door 4 atomen wordt verzadigd genoemd, terwijl bij aanwezigheid van
meervoudige bindingen, het C atoom, en bij uitbreiding de ganse verbinding, onverzadigd
genoemd worden. Dankzij deze mogelijkheid om door 2, 3 of 4 elektrondomeinen omringd te
worden kunnen C atomen een oneindig brede waaier aan mogelijke bindingspatronen met
talrijke C−C bindingen voortbrengen, met C−H bindingen die de uiteindes van de koolstofketens
vormen.
Verbindingen die aan de algemene formule CnHm beantwoorden zijn koolwaterstoffen
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 2 van 50
(KWS).
Koolwaterstoffen worden voornamelijk ontgonnen uit ruwe olie, waaruit door
destillatie en andere zgn. krakingprocessen benzine, een mengsel van betrekkelijk lichte C7-C10
koolwaterstoffen, en stookolie, een mengsel van zwaardere KWS’en, afgezonderd worden.
De molecuulformule van volledig verzadigde koolwaterstoffen is CnH2n+2.
In deze
koolwaterstoffen zijn alle C atomen omringd door 4 andere, C of H atomen.
Een paar voorbeelden van koolwaterstoffen en hun bindingspatroon worden in FIGUREN
12.2 en 12.3 – handboek, p. 647 en 648 verzameld.
De structuren in FIGUUR 12.1 – handboek, p. 646 tonen dat ook andere elementen kunnen
gevonden worden in organische verbindingen. Het vaakst is dit zuurstof (zie FIGUUR 12.4 –
handboek, p. 649 voor voorbeelden), maar ook stikstof, halogenen, zwavel en fosfor komen
vaak voor in organische structuren, met als resultaat een haast oneindig grote verscheidenheid in
mogelijke structuren van organische verbindingen.
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 3 van 50
12.2. Koolwaterstoffen
12.2.1. Alkanen
Verzadigde koolwaterstoffen worden alkanen genoemd.
Zoals hierboven gesteld
beantwoorden ze aan de molecuulformule CnH2n+2. De namen van de lineaire alkanen met 1 tot
10 koolstofatomen worden in FIGUUR 12.5 – handboek, p. 650 gevonden*. Het eenvoudigste
alkaan is methaan, met zijn uniek koolstofatoom, en zijn eerder besproken moleculaire structuur
(FIGUUR 12.6 – handboek, p. 651) (zie 10.2.1 en 11.1.2). Behalve voor de eerste 4 alkanen
die eigennamen bezitten, wordt de naam gevormd door een numeriek voorvoegsel vooraf te laten
gaan aan het achtervoegsel “aan”*. Er kunnen verschillende voorstellingen aan alkanen gegeven
worden, zo b.v. voor butaan, C4H10:
De eerste van deze 4 voorstellingen is onpraktisch, omslachtig en misleidend, en wordt dus
nadrukkelijk ontraden, ook al omdat zij slechts in schoolboeken en nauwelijks in de
vakliteratuur gebruikt wordt.
De alkanen vertonen een grote mate van zogenaamde conformationele flexibiliteit, omwille
van de vrije draaibaarheid die rond enkelvoudige C−C bindingen bestaat (FIGUUR 12.7 –
handboek, p. 652) (zie 11.1.3 en verder 12.4.3).
* Voor de Nederlandstalige benaming vervangt men het achtervoegsel “ane” in de Engelse naamgeving door het
achtervoegsel “aan”.
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 4 van 50
Naast lineaire alkanen bestaan er ook vertakte alkanen (FIGUUR 12.3 – handboek, p.
648). Voor butaan zijn er maar 2 mogelijke isomeren, n-butaan, met het reeds hierboven
getoond lineair koolstofketen patroon, en isobutaan, met 3 methyl (CH3) substituenten of
groepen gebonden aan een centrale CH eenheid. Het aantal isomeren neemt snel toe met het
aantal koolstofatomen; voor pentaan, zijn er 3, n-pentaan (lineaire keten met 5 C atomen),
isopentaan (lineaire keten met 4 C atomen en 1 CH3 substituent op het 2de C atoom van de keten)
en neopentaan (4 CH3 substituenten op een centraal C atoom (FIGUUR 12.3 – handboek, p.
648).
Het kookpunt en het smeltpunt worden almaar lager naarmate de molecule meer
bolvormig wordt (zie 10.4.3).
Naast lineaire en vertakte verzadigde alkanen bestaan er ook cyclische of ringvormige
alkanen (FIGUUR 12.8 – handboek, p. 653). Alkanen met 1 ringstructuur beantwoorden aan
de algemene molecuulformule CnH2n, omdat formeel twee C−H bindingen dienen verwijderd om
de aanvullende ring vormende C−C binding voort te brengen.
Verwijderen van 2 C−H
bindingen om hetzij een ring vormende C−C binding, hetzij een dubbele C=C binding te
genereren, wordt geformuleerd als invoeren van een onverzadiging.
Per ingevoerde
onverzadiging dienen in de molecuulformule CnH2n+2 van een verzadigde KWS 2 H atomen
verwijderd. Met een verzadigd hexaan isomeer dat de formule C6H14 heeft, wijst de molecuulformule C6H8 op 3 onverzadigingen, met als mogelijke bindingspatronen
-
3 ringen;
-
2 ringen en 1 dubbele C=C binding;
-
1 ring en 2 dubbele C=C bindingen;
-
3 dubbele C=C bindingen;
-
1 dubbele C=C binding en 1 drievoudige C≡C binding;
-
1 ring en 1 drievoudige C≡C binding.
Cyclische of ringvormige koolwaterstoffen zonder meervoudige bindingen, CnH2n,
worden vernoemd naar de naam van hun lineaire CnH2n+2 tegenhanger, waaraan het voorvoegsel
cyclo toegevoegd wordt.
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 5 van 50
cyclopropaan
cyclobutaan
cyclopentaan
cyclohexaan
Substituenten afgeleid uit verzadigde KWS’en worden bekomen door formeel 1 H atoom te
vervangen door 1 vrije valentie (als kation, radicaal of anion). Zo is het gebruikelijk om een
KWS voor te stellen als R−H, en een daaruit afgeleide substituent als R. De basisnaam van een
substituent wordt bepaald door in de naam van de overeenkomstige KWS, het achtervoegsel
“aan” te vervangen door “yl” (FIGUUR 12.9 – handboek, p. 654). Hieronder volgt een
TABEL met namen van eenvoudige KWS’en, en daaruit afgeleide substituenten.
n
R−H
naam
R
naam
1
CH4
methaan
CH3
methyl
2
CH3CH3
ethaan
CH3CH2
ethyl
3
CH3CH2CH3
propaan
CH3CH2CH2
propyl
cyclopropaan
cyclopropyl
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 6 van 50
4
CH3CH2CH2CH3
butaan
CH3CH2CH2CH3
(CH3)2CHCH3
isobutaan
CH3CH2CH2CH2
n-butyl
CH3CHCH2CH3
sec-butyl*
(CH3)2CHCH2
isobutyl
tert-butyl*
(CH3)2CHCH3
cyclobutaan
cyclobutyl
Naargelang van de substitutiesite, kunnen verschillende substituenten ontstaan uit één
enkel alkaan.
12.2.2. Systematische nomenclatuur van alkanen en alkyl substituenten
Regel 1
De hoofdketen (langste keten) van een alkaan wordt genummerd van het ene naar het ander
uiteinde met Arabische cijfers. Die nummering dient om de plaats van substituenten op de
hoofdketen aan te duiden. Dit hoeft enkel te gebeuren indien de plaats van de substituent niet op
éénduidige wijze kan gedefinieerd worden.
Voorbeelden:
3- methylpentaan
* sec = secundair = C atoom gebonden aan twee C atomen; tert = tertiair = C atoom gebonden aan drie C
atomen. Een primair en een quaternair C atoom worden bij analogie gedefinieerd als C atomen omringd door
respectievelijk één C atoom en vier C atomen.
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 7 van 50
methylcyclohexaan
Regel 2
Voor de plaatsaanduiding van meerdere, identieke, niet samengestelde (enkelvoudige)
substituenten, worden passende multiplicerende voorvoegsels, di-, tri-, tetra-, penta-, hexa-,
enz..., aangewend.
Voorbeelden:
2,3,3,4-tetramethylpentaan
5,5,-di-t-butylnonaan
Regel 3
De hoofdketen wordt steeds gedefinieerd als de langst mogelijke lineaire keten, met de
laagst mogelijke plaatsnummers voor de substituenten. Een reeks plaatsnummers wordt als lager
dan een andere beschouwd wanneer bij het eerst optredend verschil tussen de twee reeksen het
kleinste getal staat.
Voorbeelden:
2-methylpentaan (niet 4-methylpentaan)
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 8 van 50
2,3,5-trimethylhexaan (niet 2,4,5-trimethylhexaan)
2,7,8-trimethyldecaan (niet 3,4,9-trimethyldecaan)
Regel 4
Twee of meerdere verschillende substituenten (zijketens) worden alfabetisch gerangschikt
met hun respectievelijk plaatsnummer in de hoofdketen; wanneer bij gelijke reeks van plaatsnummers nog steeds keuze mogelijk is, wordt het laagste plaatsnummer toegewezen aan de
substituent waarvan de eerste naamletter ook als eerste voorkomt in het alfabet.
Voorbeelden:
4-isopropyl-5-propyloctaan (beter dan 5-isopropyl-4-propyloctaan)
7
5
6
3
4
2
1
3-ethyl-2-methylheptaan
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 9 van 50
5-methyl-4-propylnonaan (niet 5-methyl-6-propylnonaan)
Regel 5
Radicalen of substituenten afgeleid uit alkanen worden vernoemd door namen van kleinere
substituenten als voorvoegsel te hechten aan de naam van de langste niet vertakte substituent die
als hoofdketen fungeert. Hierbij geldt zonder uitzondering dat het C atoom met de vrije
valentie (of het ongepaard elektron) steeds plaatsnummer 1 toegewezen krijgt.
Voorbeelden:
1-methylpentyl (niet 2-hexyl)
2-methylpentyl
3-methylpentyl
4-methylpentyl
Regel 6
Zoals eerder gesteld in regel 2, worden meerdere gelijke enkelvoudige substituenten
aangeduid met de multiplicerende voorvoegsels di, tri, tetra, penta, hexa, enz. Echter, meerdere
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 10 van 50
gelijke samengestelde substituenten worden aangeduid met de multiplicerende voorvoegsels bis,
tris, tetrakis, pentakis, hexakis, enz.
Voorbeelden:
4,4-diethyloctaan
5,6-bis(1,1-dimethylpropyl)decaan
12.2.3. Systematische nomenclatuur van alkenen en alkenyl substituenten
Regel 7
Het achtervoegsel “aan” wordt vervangen door
“een”
om
1
dubbele C=C binding
“adieen”
om
2
dubbele C=C bindingen
“atrieen”
om
3
dubbele C=C bindingen
enz.
aan te duiden in de hoofdketen van een onverzadigde koolwaterstof.
De naam wordt
voorafgegaan door het laagst mogelijk getal dat de plaats van de dubbele binding aanduidt in de
hoofdketen.
Hooffdstuk 12 : Organische
O
chhemie: struccturen en naaamgeving – pagina
p
11 vaan 50
Voorbbeeld:
C
CH
CH3CH
C 2CH 2
CH
2-hexxeen
CH3
Regel 8
De hooofdketen wordt
w
genumm
merd om du
ubbele bindinngen de laaggst mogelijke plaatsnum
mmers
toe te wijjzen. De hooofdketen is steeds deze met het hoo
ogst aantal duubbele C=C
C bindingen, zelfs
als er eeen andere lin
neaire ketenn met een hhoger aantall C atomen maar zondder dubbele C=C
bindingenn kan gevonnden wordeen. Plaatsnuummers van
n dubbele bindingen
b
veerwijzen naaar de
positie vaan bindingenn eerder dan van atomenn.
Voorbbeelden:
1,4-hexaddieen
Eigennnamen:
H 2C
C
CH
H2
alleen (eerder
e
dan 1,2-propadieeen)
CH3
H2C
C
isopreeen (eerder dan
d 2-methyl-1,3-butadieeen)
CH
CH2
H
H
H
H
H
H
cyclohexxeen
H
H
tuur
stabbielste ruimttelijke structu
Eigennnamen van substituenteen met een duubbele C=C
C binding:
H 2C
CH .
vinyl (eerd
der dan ethennyl)
.
CH2
H 2C
CH
alllyl (eerder dan
d 2-propeenyl)
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 12 van 50
12.2.4. Systematische nomenclatuur van alkynen en verbindingen met meerdere meervoudige
bindingen
Regel 9
Het achtervoegsel “aan” wordt vervangen door
“yn”
om
1 drievoudige C≡C binding
(alkyn)
“adiyn”
om
2 drievoudige C≡C bindingen
(alkadiyn)
“enyn”
om
1 dubbele C=C en 1 drievoudige C≡C binding
(alkenyn)
“diënyn”
om
2 dubbele C=C en 1 drievoudige C≡C bindingen
(alkadiënyn)
“eendiyn” om
1 dubbele C=C en 2 drievoudige C≡C bindingen
(alkeendiyn)
enz.
aan te duiden in de hoofdketen van een onverzadigde koolwaterstof.
Voorbeeld:
butenyn
Eigennaam:
acetyleen (eerder dan ethyn)
maar
ethynyl
Regel 10
De meervoudige bindingen krijgen de laagst mogelijke plaatsnummers in de hoofdketen,
voor zover plaatsaanduiding onontbeerlijk is.
Voorbeelden:
3-penteen-1-yn (of eventueel 3,1-pentenyn, maar niet 2-penteen-4-yn)
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 13 van 50
1,4-cyclohexadieen
cyclooctatetraëen
Regel 11
Indien in eenzelfde molecule twee gelijkwaardige plaatsnummeringen mogelijk zijn voor
een dubbele en een drievoudige binding, dan wordt steeds het laagste plaatsnummer toegewezen
aan de dubbele eerder dan aan de drievoudige binding.
Voorbeelden:
1,3-hexadieen-5-yn (of eventueel 1,3,5-hexadiënyn, maar niet 3,5-hexadieen-1-yn)
1-penteen-4-yn (of eventueel 1,4-pentenyn, maar niet 4-penteen-1-yn)
12.2.5. Naamgeving van aromatische koolwaterstoffen
Ter herinnering, een aromatische koolwaterstof is een vlakke, cyclische molecule met
geconjugeerde dubbele C=C bindingen over de ganse ringstructuur die aanleiding geven tot
verregaande π-elektronendelokalisatie (zie 11.1.4). Veel aromatische verbindingen waren reeds
gekend vooraleer een systematische nomenclatuur ingevoerd werd in de organische chemie en
dragen daarom een eigennaam.
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 14 van 50
benzeen
naftaleen
anthraceen
fenantreen
Regel 12
Substituenten op aromatische ringsystemen, m.i.v. gesubstitueerde benzeenderivaten, worden
aangeduid met plaatsnummers. Bij digesubstitueerde benzeenderivaten, d.w.z. benzeenringen
met twee substituenten, worden ook ortho (o), meta (m) en para (p) gebruikt om in het
algemeen en in eigennamen, maar niet in de systematische naamgeving, respectievelijk 1,2-, 1,3en 1,4- substitutiepatronen op de benzeenring aan te duiden.
Hooffdstuk 12 : Organische
O
chhemie: struccturen en naaamgeving – pagina
p
15 vaan 50
X
X
X
Y
Y
Y
orrtho
1,2-disubbstitutie
meta
para
1,3-disubsttitutie
1,4-disubstituutie
Voorbbeelden:
1-ethyl-4-methylben
nzeen eerderr dan p-ethyyl-methylbennzeen
1,2,3-trimethylbenzzeen
Eigennnamen van benzeenderiivaten:
styyreen (eerdeer dan vinylbbenzeen of ethenylbenze
e
een)
tolueen (eeerder dan methylbenze
m
een)
o-xyyleen (eerderr dan 1,2-diimethylbenzeen)
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 16 van 50
Eigennamen van uit benzeen of benzeenderivaten afgeleide radicalen:
benzyl
.
fenyl
o-tolyl
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 17 van 50
12.3. Organische functies of functionele groepen
12.3.1. Overzicht van de belangrijkste organische functies
Een organische functie moet gezien worden als een bijzondere substituent binnen of aan
het uiteinde van een koolwaterstofketen die meestal een verhoogde chemische reactiviteit
vertoont t.o.v. de rest van de organische molecule. Organische functies of functionele groepen
bevatten vaak (maar niet noodzakelijk) zogenaamde hetero-atomen, atomen van elementen –
ten minste in de organische chemie –verschillend van H of C (vaak O en N, en in mindere mate
F, Cl, Br, I, S, P, Si of een metaalatoom), die doorgaans verantwoordelijk zijn voor die
verhoogde reactiviteit in vergelijking met de overige koolwaterstofachtige eenheid of eenheden
van de molecule. Het “overige deel” (of eventueel overige meerdere delen) van de molecule
wordt (worden) vaak voorgesteld als R (R', R") wat doorgaans bij mono-functionele
verbindingen – verbindingen met één enkele functionele groep – vaak neerkomt op een eenheid
(of verzameling van eenheden) met globale, algemene formule CxHy. Een dubbele C=C of een
drievoudige C≡C binding in een overigens verzadigde koolwaterstof is in wezen ook een
functionele groep.
Koolwaterstofachtige substituenten R, van de gedaante CxHy, kunnen van tweeërlei aard
zijn, alifatisch of aromatisch. Ze zijn aromatisch als de substitutieplaats in de substituent een
koolstofatoom is van een aromatisch systeem.
Zulke substituenten worden aryl groepen
genoemd, en worden vaak voorgesteld als Ar. De fenyl groep, C6H5-, afgeleid uit benzeen, C6H5
(zie 11.1.4), is een voorbeeld van aryl groep. In alle andere gevallen zijn de CxHy substituenten
alifatisch, en gaat het om alkyl, alkenyl of alkynyl groepen, naargelang het C atoom op de
substitutieplaats in de substituent respectievelijk sp3-, sp2- of sp-gehybridiseerd is, in welk
gevallen ze eerder voorgesteld worden als R. Hieronder volgt een lijst met de belangrijkste
functionele groepen.
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 18 van 50
_____________________________________________________________________________
Algemene formule
Aard van de substituent R of Ar
Naam organische functie
_____________________________________________________________________________
X = F, Cl, Br, I
R–X
R = alkyl, alkenyl, alkynyl
alifatisch halogenide
Ar–X X = F, Cl, Br, I
R = aryl
aromatisch halogenide
_____________________________________________________________________________
R = alkyl
alcohol
R = alkenyl
enol
(vaak onstabiele functie)
Ar = aryl
fenol
_____________________________________________________________________________
R, R' alifatisch of aromatisch
ether
_____________________________________________________________________________
N
R
R'
R"
RNH2
primair amine
R–NH–R'
secundair amine
R, R', R" ≠ H
tertiair amine
R = alifatisch of aromatisch
_____________________________________________________________________________
R = alifatisch of aromatisch
nitroverbinding
_____________________________________________________________________________
R = H, alifatisch of aromatisch
aldehyde
_____________________________________________________________________________
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 19 van 50
_____________________________________________________________________________
R, R' = alifatisch of aromatisch
keton
_____________________________________________________________________________
R = H, alifatisch of aromatisch
carbonzuur
_____________________________________________________________________________
Alle organische functies hieronder worden beschouwd als afgeleid uit de organische
carbonzuur functie. Zij worden formeel bekomen door de OH groep in de carbonzuur functie te
vervangen door een andere functionele (deel)groep. Carbonzuur derivaten hebben aanverwante
chemische eigenschappen, die het gevolg zijn van de gemeenschappelijke aanwezigheid van een
C=O groep, de zogenaamde carbonylgroep en een andere functionele (deel)groep. Men kan dus
een carbonzuur functie en haar afgeleiden beschouwen als samengestelde functionele groepen.
Hoewel de laatste functionele groep van onderstaande lijst, het nitril R−C≡N, geen
carbonylgroep bevat, is het zeer gemakkelijk om te zetten in de andere carbonzuur derivaten,
waardoor het dus hier toch mee aanverwant is.
De carbonzuurgroep, COOH, wordt ook
carboxylgroep genoemd (niet verwarren met carbonylgroep !)
_____________________________________________________________________________
R = H, alifatisch of aromatisch
carboxylaatanion
_____________________________________________________________________________
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 20 van 50
_____________________________________________________________________________
R = H, alifatisch of aromatisch
ester
R' = alifatisch of aromatisch
_____________________________________________________________________________
R = H, alifatisch of aromatisch
carbonzuur anhydride
_____________________________________________________________________________
R = H, alifatisch of aromatisch
carbonzuur halogenide
_____________________________________________________________________________
R, R', R" = H, alifatisch of aromatisch
RCONH2
RCONHR'
amide
primair amide
R' ≠ H
secundair amide
RCONR'R"
R', R" ≠ H
tertiair amide
_____________________________________________________________________________
R = alifatisch of aromatisch
nitril
_____________________________________________________________________________
12.3.2. Systematische nomenclatuur van organische verbindingen en radicalen met
functionele groepen
Er bestaan twee types nomenclatuur, de substitutieve en de radicofunctionele.
Bij de substitutieve nomenclatuur worden functionele groepen weergegeven als voorvoegsel
of achtervoegsel toegevoegd aan de naam van een stamverbinding waarin deze groepen
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 21 van 50
formeel vervangen zijn door een H atoom.
Bij de radicofunctionele nomenclatuur worden functionele groepen aangeduid met
achtervoegsels die gehecht worden aan de naam van het radicaal of de substituent die aan die
functionele groep gebonden is.
Regel 13 – substitutieve naamgeving van organische halogeniden
Een halogenide R–X wordt in de substitutieve nomenclatuur vernoemd door de voorvoegsels
“fluor”, “chloor”, “broom”, “jood” te plaatsen vóór de naam van de stamverbinding, met,
indien nodig, een nummer om de plaats van het halogeen op de hoofdketen aan te duiden.
Voorbeelden:
2-chloorbutaan
1-broom-4-chloorbenzeen
p-broomchloorbenzeen
1,2-dibroomethaan
1,4-dijoodcyclohexaan
1,1-dichloorethaan
1,2-dichloorethaan
tetrachloormethaan
Regel 14 – radicofunctionele naamgeving van organische halogeniden
Radicofunctionele namen van halogeniden worden voortgebracht door de functionele
klassenaam “fluoride”, “chloride”, “bromide”, “jodide” te plaatsen achter de naam van een
radicaal of substituent.
Dit type naamgeving wordt enkel gebruikt met enkelvoudige
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 22 van 50
substituenten, niet met samengestelde substituenten.
Voorbeelden:
methylchloride
benzyljodide
tert-butylbromide
Eigennamen:
chloroform
koolstoftetrachloride
Regel 15 – substitutieve naamgeving van alcoholen
De hydroxylgroep (OH) wordt als hoofdgroep aangeduid in de substitutieve naamgeving van
alcoholen door het achtervoegsel “ol” te hechten aan de naam van de stamverbinding met, indien
nodig, een nummer om de plaats van de hydroxylgroep op de hoofdketen aan te duiden.
Voorbeelden:
CH3
CHOH
CH3
2-propanol
1,4-butaandiol
2-propyl-2-penteen-1-ol
2-cyclohexeen-1-ol
Regel 16 – meer over substitutieve naamgeving van alcoholen
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 23 van 50
Hydroxylgroepen, d.w.z. alcoholfuncties, worden als substituent aangeduid met het
voorvoegsel “hydroxy” indien een andere functionele groep met hogere voorrang aanwezig is,
of indien een hydroxylgroep voorkomt in een zijketen.
De voorrangregels bij functionele
groepen zijn als volgt: carbonzuren > carbonzuur derivaten > ketonen ≈ aldehyden > alcoholen >
ethers > aminen > halogeniden.
Voorbeeld:
OH
CH2
HO
CH
CH2
CH2
CH2
OH
2-hydroxymethyl-1,5-pentaandiol
CH2
Regel 17 – radicofunctionele naamgeving van alcoholen
Radicofunctionele namen van alcoholen worden bekomen door de term “alcohol” toe te
voegen achteraan de naam van een radicaal of substituent. Ook hier wordt dit type naamgeving
enkel gebruikt met enkelvoudige substituenten, niet met samengestelde substituenten.
Voorbeelden:
ethylalcohol
tert-butylalcohol
allylalcohol
benzylalcohol
Regel 18 – naamgeving van fenolen
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 24 van 50
De naam van hydroxyderivaten van benzeen, fenolen, wordt gevormd door de uitgang “ol”,
“diol”, enz..., te voegen aan de naam van de aromatische stamverbinding. Bij aanwezigheid van
andere voorrang genietende functionele groepen geldt regel 16.
Voorbeelden:
4-methyl-1,2-benzeendiol
1,2,4-benzeentriol
Eigennamen:
fenol
2-naftol
Regel 19 – substitutieve naamgeving van ethers
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 25 van 50
De naam van ethers, R−O−R' wordt in de substitutieve naamgeving gevormd door de naam
van de substituent RO− te voegen aan de naam van de koolwaterstof R'−H waaruit de tweede
substituent R' afgeleid is. De ether substituent die dienst doet als stamkoolwaterstof R'−H is
doorgaans deze met de langste hoofdketen, of, desgevallend, deze die een andere voorrang
hebbende functionele groep bevat. Is R− een alkyl groep, dan is RO− een alkoxy groep.
Voorbeelden:
ethoxyetheen
1-broom-2-propoxyethaan
1,2,4-trimethoxybenzeen
1-isopropoxybutaan
Regel 20 – radicofunctionele naamgeving van ethers
De naam van ethers, R−O−R' wordt in de radicofunctionele naamgeving voortgebracht door
aan de naam van de twee substituenten R en R', alfabetisch gerangschikt, de term “ether” toe te
voegen.
Voorbeelden:
ethylmethylether
diethylether (de “gewone” ether)
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 26 van 50
bis(1-chloorethyl)ether
Regel 21 – radicofunctionele naamgeving van primaire aminen
De naam van primaire aminen, R−NH2, wordt in de radicofunctionele naamgeving
voortgebracht door aan de naam van de substituent, de term “amine” toe te voegen, met
desgevallend, de nodige plaatsnummers.
Voorbeelden:
isopropylamine
cyclohexylamine
2-naftylamine
Eigennaam:
aniline
Regel 22 – substitutieve naamgeving van primaire aminen en polyaminen
De naam van primaire aminen of polyaminen wordt in de substitutieve naamgeving
voortgebracht door het achtervoegsel “amine”, “diamine”, “triamine”,..., toe te voegen aan de
naam van de stamverbinding, met desgevallend, de nodige plaatsnummers. Als alternatief kan
ook de naam van de stamverbinding voorafgegaan worden door het voorvoegsel “amino”,
“diamino”, “triamino”...
Voorbeelden:
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 27 van 50
2-propaanamine of 2-aminopropaan
1,3-benzeendiamine of 1,3-diaminobenzeen
Regel 23 – meer over substitutieve naamgeving van primaire aminen en polyaminen
Amino groepen worden als substituent aangeduid met het voorvoegsel “amino” indien een
andere functionele groep met hogere voorrang aanwezig is, of indien een amino groep voorkomt
in een zijketen.
Voorbeeld:
2-aminomethyl-1,5-pentaandiamine
Regel 24 – naamgeving van secundaire en tertiaire aminen
Secundaire en tertiaire aminen worden vernoemd als N-substitutieproducten van primaire
aminen. De meest complexe substituent wordt gekozen als stam dienende primaire amine.
Voorbeelden:
1-(N,N-dimethylamino)propaan
N-methylaminocyclopentaan
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 28 van 50
N-methyl-N-propylaniline
2-(N-methylamino)naftaleen
3-(N-ethyl-N-methylamino)hexaan
Regel 25 – naamgeving van nitroderivaten
Nitroderivaten worden vernoemd door de nitrofunctie aan te duiden met het voorvoegsel
“nitro” vóór de naam van de stamverbinding.
Voorbeelden:
nitromethaan
1,3,5-trinitrobenzeen
Regel 26 – naamgeving van aldehyden
De naam van een aldehyde wordt gevormd door de uitgang “al” te voegen aan de naam van
de koolwaterstof met hetzelfde aantal koolstofatomen die als stamverbinding dient.
Voorbeelden:
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 29 van 50
ethanal
hexaandial
5-allyl-2-hexeendial
Eigennamen:
formaldehyde
(in waterige oplossing: formol)
acetaldehyde
propionaldehyde
butyraldehyde
benzaldehyde
Regel 27 – meer over de naamgeving van aldehyden
Indien een aldehydefunctie voorkomt als zijketen van een stamverbinding die hetzij
aldehydefuncties, hetzij andere functionele groepen met hogere voorrang bevat, hetzij cyclisch
is, wordt deze groep als substituent van de hoofdketen aangeduid met het voorvoegsel “formyl”.
Voorbeelden:
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 30 van 50
formylcyclohexaan
3-formylpentaandial
Regel 28 – naamgeving van ketonen
De naam van een keton wordt gevormd door de uitgang “on” te voegen aan de naam van de
koolwaterstof met hetzelfde aantal koolstofatomen die als stamverbinding dient. Waar nodig
wordt de positie van de carbonyl groep, C=O, aangeduid met een plaatsnummer. Plaatsnummers
van carbonylgroepen krijgen voorrang op plaatsnummers van meervoudige bindingen.
Voorbeelden:
2-pentanon
2,4-pentaandion
5-hexeen-2-on
3-allyl-2,4-pentaandion
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 31 van 50
fenyl-1-butanon
cyclopentanon
cyclohexyl-1-propanon
Eigennamen:
aceton
acetofenon
benzofenon
Regel 29 – meer over naamgeving van aldehyden en ketonen
Een aldehyde- of ketongroep wordt aangeduid met het voorvoegsel “oxo” indien een andere
functionele groep met hogere voorrang aanwezig is.
Voorbeeld:
Zie voorbeeld bij Regel 30, hieronder.
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 32 van 50
Regel 30 – naamgeving van carbonzuren en carbonzuur derivaten
De naam van een carbonzuur, R–COOH, van een geconjugeerde base van een carbonzuur,
een carboxylaatanion R–COO(−), van een zuur halogenide, R–COX, van een primair amide,
R–CONH2, en van een nitril, R–C≡N, wordt bekomen door aan de naam van de koolwaterstof
R–H,
gekozen
als
stamverbinding,
respectievelijk
de
achtervoegsels
“carbonzuur”,
“carboxylaat”, “carbonylhalogenide”, “carbonamide” en “carbonitril” toe te voegen. Bij
deze bijzondere naamgeving wordt het koolstofatoom van de carbonylgroep in al deze
organische functies nooit meegeteld in de nummering van de hoofdketen van voornoemde
stamverbinding. Carbonzuren hebben de hoogste voorrang onder de organische functies, hierin
onmiddellijk gevolgd door de carbonzuur derivaten.
Voorbeelden:
5
4 3
2 1
CH3CH2CH(CH3)CH2CH2–COOH
3-methyl-1-pentaancarbonzuur
2-butaancarbonzuur
1,2-cyclohexaandicarbonzuur
3-pyridinecarbonzuur
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 33 van 50
2-methyl-2-butaancarboxylaat
3-hydroxy-1-propaancarbonylchloride
H2N
O
3-amino-cyclopentaancarbonamide
C
NH2
3,5-dioxo-1-pentaancarbonzuur
cyclohexaancarbonitril
Eigennamen:
R–
R–COOH
R–COO(−)
H–
mierenzuur
formiaat
CH3–
azijnzuur
acetaat
CH3CH2–
propionzuur
propionaat
CH3CH2CH2– boterzuur
butyraat
C6H5–
benzoaat
benzoëzuur
R–COX
formyl
halogenide
acetyl
halogenide
propionyl
halogenide
butyryl
halogenide
benzoyl
halogenide
R–CONH2
R–C≡N
formamide
formonitril
acetamide
acetonitril
propionamide propionitril
butyramide
butyronitril
benzamide
benzonitril
Wanneer bovenstaande eigennamen gebruikt worden als stamverbindingen bij verdere
invoering van substituenten, begint de ketennummering wel bij het C atoom van de
carboxylaatgroep (COO−) (behalve bij benzoëzuur waar de carboxylgroep (COOH) een
zijketen vormt van de benzeenring).
Erg veel carbonzuren zijn natuurstoffen, gebruiksproducten of grondstoffen voor de aanmaak
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 34 van 50
van kunststoffen met praktische toepassingen (FIGUUR 12.10 – handboek, p. 655), wat ook het
hoog aantal eigennamen voor carbonzuren verklaart.
Regel 31 – naamgeving van esters
Een ester, R–COO–R’, wordt vernoemd naar de naam van de substituent R’, gevolgd door
de naam van het carboxylaat R–COO. Hierbij mag geen koppelteken staan tussen de naam van
R’ en de naam van het carboxylaat R–COO, en moeten de twee namen los van elkaar staan.
Voorbeelden:
ethyl 2-methyl-2-butaancarboxylaat
n-propyl 4-aminocyclohexaancarboxylaat
ethyl acetaat
isopropyl formiaat
Regel 32 – naamgeving van N-gesubstitueerde amiden
De naam van N-gesubstitueerde amiden R–CO–NHR’ of R–CO–NR’R” wordt gevormd
door de naam van de substituenten op het stikstofatoom met de letter N aan te duiden vóór de
naam van het als stamverbinding geldende amide R–CO–NH2.
Voorbeelden:
N,N-dimethylbutyramide
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 35 van 50
N-ethyl-N-methyl-3-hydroxy-1cyclopentaancarbonamide
N-methylacetamide
Regel 33 – meer over de naamgeving van carbonzuur derivaten
Indien de functionele groep –COZ voorkomt in een zijketen of in een verbinding met een
andere, voorrang genietende functionele groep, wordt hij als substituent aangeduid vóór de naam
van de stamverbinding. De namen van deze als substituenten behandelde functionele groepen
worden hieronder weergegeven:
–COOH
carboxy
–O–CO–R
acyloxy
–CO–O–R
alkylcarboxy
–CO–O–Ar
arylcarboxy
–C≡N
cyaan
Voorbeelden:
2-carboxymethyl-1,5-pentaandicarbonzuur
3-acetyloxypropionzuur
afgekort: 3-acetoxypropionzuur
4-cyaanboterzuur
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 36 van 50
Nomenclatuur referentie: “Regels voor de Nomenclatuur van de Organische Chemie C”.
Nederlandse bewerking van het door de I.U.P.A.C.* uitgegeven boek “Organic Nomenclature
Rules C”, 1969. Uitgever: Koninklijke Nederlandse Chemische Vereniging (KNCV).
* I.U.P.A.C. = International Union of Pure and Applied Chemistry
Hooffdstuk 12 : Organische
O
chhemie: struccturen en naaamgeving – pagina
p
37 vaan 50
12.4. Issomerie en
n isomeren
n in de orgganische chemie
c
12.4.1. Definitie
D
Isomeren zijn veerbindingen met identiekke molecuullformules (zzie 1.5.2) maaar verschilllende
2.1). De aarrd van de verrschillen in moleculaire
m
structuur beepaalt
moleculaaire structurren (zie 10.2
het type isomerie
i
.
12.4.2. Constitution
C
ele isomeren
n
De co
onstitutie vaan een moleecule is haarr bindingspatroon (zie 9.3.2), d.w.z. het roostter of
netwerk van
v atomen en bindingenn, los van dee ruimtelijkee atomenschiikking.
Consstitutionele isomeren zijn isomerren met verrschillende bindingspaatronen, d..w.z.,
bevatten dezelfde ato
omen met verschillende onderlinge
o
bindingen.
b
De mogelijke
m
con
nstitutionelee isomeren voor
v
alle verrbindingen m
met molecuuulformule C2H4O
zijn:
CH
H2
H 2C
H
O
O
C
O
oxiraan
e
etheenoxide
e
ethyleenoxid
de
H3C
H
H 2C
acetaldeehyde
C
H
ethennol
alddehyde: stabbieler isomeeer
enol: onstab
bieler isomeeer
sneel evenwichtt
m
con
nstitutionelee isomeren voor
v
alle verrbindingen m
met molecuu
ulformule C5H12
De mogelijke
zijn:
n-pentaan
n
iso-pentaaan
neo--pentaan
m
constitutione
c
ele isomereen voor allle verbindinngen met molecuulfor
m
rmule
De mogelijke
C4H9Cl zijn:
z
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 38 van 50
H3C
CH2
CH2
CH2
1-chloorbutaan
Cl
2-chloorbutaan
1-chloor-2-methylpropaan
2-chloor-2-methylpropaan
12.4.3. Stereoisomeren
Stereoisomeren zijn isomeren met identieke bindingspatronen, d.w.z., ze bevatten
dezelfde atomen met paarsgewijs identieke onderlinge bindingen, en verschillen dus enkel door
de ruimtelijke schikkingen van de atomen of atoomgroepen.
Er bestaan verschillende soorten stereoisomeren.
A. Cis/trans isomeren bij alkenen
Het eenvoudigst te visualiseren geval van stereoisomerie is de cis-trans isomerie bij
alkenen die een gevolg is van volledig gehinderde draaibaarheid rond een dubbele C=C binding
(FIGUUR 12.11 – handboek, p. 656) (zie 11.1.3). Voorbeelden zijn cis-2-buteen en trans-2buteen (FIGUUR 12.12 – handboek, p. 657):
cis-2-buteen
trans-2-buteen
Z-2-buteen
E-2-buteen
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 39 van 50
De cis/trans benaming in cis/trans isomerie van alkenen slaat op de relatieve positie van de
substituenten die samen met de dubbele C=C binding de langste koolstofketen in de molecule
vormen. Het isomeer dat deze substituenten – bij 2-buteen, de methylgroepen – langs dezelfde
kant van de dubbele C=C binding bevat is het cis-isomeer. Het isomeer met deze substituenten
aan weerskanten van de dubbele C=C binding is het trans-isomeer.
De recentere Z/E nomenclatuur voor cis/trans isomeren van alkenen slaat op het Duitse
“zusammen” (Z) (“samen”) en “entgegen” (E) (“tegenover”), op basis van de substituenten op
de C=C binding die volgens stijgend atoomgetal gerangschikt worden:
Z
E
Voor het bijzonder geval van 2-buteen krijgen de H atomen de nummers 1 en 1' toegewezen
(laagste atoomgetal voor H: Z = 1), terwijl de CH3 substituenten de nummers 2 en 2' toegewezen
(hoogste atoomgetal voor C in de CH3 substituent: Z = 6) wordt. Hoewel vaak Z overeenkomt
met cis, en E met trans, is er geen verband tussen deze concepten.
De algemenere Z/E
nomenclatuur werd ingevoerd voor het niet te verwaarlozen aantal gevallen waarin de cis/trans
nomenclatuur niet toegepast kan worden. Dit neemt niet weg dat de cis/trans nomenclatuur toch
nog – waar mogelijk – de voorkeur blijft genieten bij de meeste chemici !
De stereoisomeren cis-2-buteen en trans-2-buteen hebben dezelfde constitutie, maar
bezitten verschillende ruimtelijke structuren, d.w.z., ze kunnen niet op elkaar afgebeeld
worden als identieke moleculaire structuren. Het gevolg is dat ze ook verschillende fysische en
chemische eigenschappen vertonen. Zo bezit bij voorbeeld cis-2-buteen een (weliswaar zeer
klein) dipoolmoment (μ ≠ 0) terwijl trans-2-buteen volledig apolair is (μ = 0) (zie 10.3.2),
omwille van de aanwezigheid van een symmetriecentrum in het trans isomeer.
Cis/trans
isomeren kunnen van elkaar gescheiden worden, dankzij hun verschillende eigenschappen. De
draaibaarheid rond de dubbele C=C binding is immers zo sterk gehinderd door de aanwezigheid
van de π-orbitalen dat cis en trans isomeren niet in elkaar omgezet kunnen worden zonder
elektromagnetische energie inbreng (zie 11.1.3).
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 40 van 50
De stereoisomeren cis-2-buteen en trans-2-buteen, met molecuulformule C4H8, hebben ook
nog constitutionele isomeren, 1-buteen en 2-methylpropeen, die zelf geen cis/trans isomerie
vertonen, omdat minstens één van de C atomen van de dubbele C=C binding 2 identieke
substituenten draagt:
H
H
C
H
2-methylpropeen
C
CH2CH3
1-buteen
B. Enantiomeren en optische activiteit
Een moeilijker te doortasten vorm van stereoisomerie is enantiomerie. Enantiomeren zijn
stereoisomeren die elkaars spiegelbeelden zijn en ook van elkaar verschillen omdat zij niet tot
superpositie gebracht kunnen worden, d.w.z., op elkaar geplaatst kunnen worden als identieke
moleculaire structuren. Alanine en 2-broompentaan
alanine
2-broompentaan
bestaan allebei als twee enantiomeren (zie onderstaande figuur en FIGUUR 12.13 – handboek,
p. 658).
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 41 van 50
De oorsprong van enantiomerie is chiraliteit, d. w. z., de chirale aard van de twee elkaars
spiegelbeelden zijnde moleculaire structuren.
Chiraliteit is het ontbreken van spiegel-
symmetrie in een structuur of voorwerp, zoals, b.v., bij een linker en een rechter hand of voet
(FIGUUR 12.14 – handboek, p. 659).
Er kan gesteld worden dat een linker hand het
spiegelbeeld is van een rechter hand, en omgekeerd, doch zijn ze geen identieke voorwerpen,
vermits zij ook niet tot superpositie kunnen gebracht worden als identieke lichaamsdelen. In de
voorbeelden van de alanine en 2-broompentaan moleculen is de oorsprong van de chiraliteit het
feit dat één van de koolstofatomen 4 verschillende substituenten draagt. Een dergelijk C atoom,
bekend als asymmetrisch C atoom, is een zgn. stereogeen centrum.
Algemeen worden
enantiomeren met een stereogeen centrum grafisch onderscheiden als volgt:
spiegel
1
1
1
180°
4
2
3
2
3
draaiing
4
4
3
2
spiegeling
In deze voorstelling stellen volle lijnen bindingen voor, die in het papiervlak liggen, de
stippellijn, bindingen die naar achter het vlak gericht zijn, en de vette lijnen bindingen die naar
voor het vlak gericht zijn.
Geneesmiddelen zijn organische moleculen die vaak chiraliteit vertonen (FIGUREN 12.15
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 42 van 50
en 12.16 – handboek, p. 660 en 661), en farmacologisch actief zijn als één enkel van de
enantiomeren. Vaak is het ander enantiomeer zelfs toxisch.
In een omgeving die zelf spiegelsymmetrie bezit, hebben enantiomeren volkomen identieke
chemische en fysische eigenschappen, op één na, de optische activiteit. De optische activiteit,
gemeten met een polarimeter (FIGUUR 12.17 – handboek, p. 662), is het verschijnsel waarbij
chirale verbindingen het vlak van gepolariseerd licht met een karakteristieke hoek verdraaien.
Gepolariseerd licht vertoont slechts één enkel golfvlak in één bepaalde vlakoriëntatie, het
zogenaamde polarisatievlak, in tegenstelling met een gewone lichtbundel, met golfvlakken
isotropisch verdeeld in alle mogelijke oriëntaties. Gepolariseerd licht wordt bekomen door een
gewone lichtbundel door een polarisatiefilter te sturen, wat een bepaalde, afstelbare golfvlak
oriëntatie, b.v. de verticale, selecteert. Na deze polarisatiefilter zullen dan chirale moleculen in
de oplossing het gepolariseerd lichtvlak met een bepaalde, voor de verbinding karakteristieke (bij
gegeven concentratie en optische padlengte), hoek α verdraaien, naar links met een hoek – αº
voor het ene enantiomeer, linksdraaiend, l (levo), en naar rechts, met een hoek + αº voor het
ander enantiomeer, rechtsdraaiend, d (dextro)* (FIGUUR 12.17 – handboek, p. 662).
Een achirale verbinding bezit per definitie wel spiegelsymmetrie, b.v., een symmetrievlak
of een symmetriecentrum. Achirale moleculen vertonen geen optische activiteit. Een mengsel
van gelijke hoeveelheden enantiomeren vertoont ook geen optische activiteit omdat de draaiing
met een gegeven hoek naar links van het gepolariseerd lichtvlak door enantiomeer l, exact
gecompenseerd wordt door de draaiing met dezelfde hoek naar rechts van het gepolariseerd
lichtvlak door enantiomeer d. Een dergelijk equimolair mengsel (gelijke molhoeveelheden) van
enantiomeren staat bekend als een racemisch mengsel.
C. Diastereo(iso)meren – configuraties & conformaties
Stereoisomeren die geen enantiomeren zijn (en uiteraard ook verschillend zijn), worden
diastereo(iso)meren genoemd. Zo zijn cis-2-buteen en trans-2-buteen (zie 12.4.3.A) diastereo(iso)meren.
Diastereomeren komen vaak tot stand met di- of multi-gesubstitueerde ring-
structuren, ten gevolge van de aanwezigheid van twee of meerdere stereogene centra, wat leidt
*
Etymologisch uit het oud Grieks: l = levo: links; d = dextro: rechts.
Hooffdstuk 12 : Organische
O
chhemie: struccturen en naaamgeving – pagina
p
43 vaan 50
tot diastereomeren diie soms ook onderscheidden worden als
a cis en traans.
Vooraaleer dit tee illustreren
n dienen de
d concepteen van con
nfiguratie en
e conform
matie
gedefinieeerd.
Tweee stereoisom
meren zijn verschillende
v
e moleculenn en kunnenn niet in elkaar
omgezet worden zon
nder bepaald
de bindingenn te breken. Anders gefformuleerd, chemische
c
sstalen
bestaandee uit een mengsel van stereoisomeree stoffen kun
nnen van elkaar gescheidden worden*. Dit
is te dank
ken aan verrschillende relatieve
r
ruim
mtelijke sch
hikkingen vaan substituennten op bepaaalde
atomen die
d volkomen star blijjven, zoals bij cis/tran
ns isomeriee of bij enaantiomerie.
De
ruimtelijkke starheid van
v stereoisoomeren, worrdt meestal bepaald
b
dooor wel gedeffinieerde atomen,
b.v. de C atomen van
n een C=C binding,
b
of eeen stereogeeen C atoom
m zoals in 2-b
broompentaaan of
alanine, die
d lokaal een wel omsschreven ruimtelijke sch
hikking van hun substitu
uenten vertoonen.
Deze starrre lokale stereochemie van een atooom wordt atoom
a
configu
uratie, of koort, configuratie
genoemdd.
Binneen een bepaaald bindingsspatroon kann een stereoiisomeer evennwel tijdelijjk verschilleende,
ruimtelijkke structurenn aannemenn die op labboratorium tijdschaal zzeer snel in elkaar omggezet
worden, tengevolge
t
van
v molecullaire flexibiliteit (zie 11..1.3) die vooortvloeit uit vrije of beperkte
draaibaarrheid van en
nkelvoudige C–C bindinngen, of bew
wegingen tusssen verschilllende moleccuuldelen. Deze verschillende, ruimttelijke structturen met exttreem korte levensduurr (typisch 10−−3 tot
10−12 s bij kamertem
mperatuur), die
d hierdoor nooit geschheiden kunnnen worden als afzonderrlijke
chemischhe stoffen, worden
w
molecculaire confoormaties off conformereen genoemd
d.
Ter illlustratie vaan al deze cooncepten voolgt een oveerzicht van alle
a mogelijkke isomerenn van
dichloorccyclopentaaan, voorafgeegaan door eeen korte beespreking vaan de confoormaties vann het
bindingsppatroon van
n de stamverrbinding, cyyclopentaan
n. De ruim
mtelijke strucctuur van cyyclopentaan is
i bijna vlakk, met slechtts 1 C atoom
m dat lichtjess uitsteekt boven het vlaak gevormd door
de 4 andeere C atomen van de vijjfring, waarddoor de cycllopentaan molecule
m
de structuur
s
vann een
envelop vertoont
v
mett de envelopfflap lichtjes buiten het envelopvlak.
e
*
Al kan daat soms moeilijjk uitvallen in de
d praktijk vooor stereoisomerren, omwille van hun gemeennschappelijke
constitutie die hen toch vrrij gelijkaardigg maakt !
Hooffdstuk 12 : Organische
O
chhemie: struccturen en naaamgeving – pagina
p
44 vaan 50
Door de hoge flexibiliteit gev
volg van w
weliswaar beeperkte draaaiingvrijheidd rond de C–C
bindingenn, “waggelt”” de moleculle voortdurennd* van de ene
e conform
matie naar de andere, waaarbij
uiteindeliijk elk van de 5 C atom
men continuu en om beuurt buiten hhet gemiddeelde vlak vaan de
ringstructtuur komt tee liggen. Deeze conform
mationele moobiliteit of flexibiliteit
f
, wordt hieroonder
geïllustreeerd voor 2 van
v de 5 C attomen van ccyclopentaan
n.
meren, is hhet verantwooord om het C
Gelet opp de korte levensduur van al deeze conform
atoomgerraamte van de
d cyclopenttaan molecuule, uitgemidddeld over tiijd en ruimtee, voor te sttellen
als een vllakke vijfrin
ng, hieronderr in perspectiief weergegeeven in zijaaanzicht.
d vraag geesteld worddt naar isom
merie voor dichloorcycclopentaan, wordt voorreerst
Als de
vastgesteeld dat drie constitutionele isomeerreeeksen mogeelijk zijn:
1,1-dichloorcyclo
opentaan
1,2-dichhloorcyclopeentaan
1,3-dichlooorcyclopenntaan
nkel isomeerr, met
Voor 1,1-dichloorcyclopentaaan is de toesstand eenvouudig, daar sleechts één en
één enkele configuuratie maar wel verschheidene confformaties, mogelijk
m
is..
*
typisch 1009 tot 1012 maaal per seconde, afhankelijk vaan de temperatuuur.
De andeere 8
Hooffdstuk 12 : Organische
O
chhemie: struccturen en naaamgeving – pagina
p
45 vaan 50
atoomsitees van de rinngstructuur worden
w
uiterraard bezet door
d
H atomeen.
Voor 1,2-dichlooorcyclopentaaan is de toestand ingewikkelderr, daar nu 3 verschilllende
stereoisom
meren mogeelijk zijn, tw
wee chirale aals één enanttiomerenpaar, en één achiraal
a
.
achiraal
ch
hiraal enantiiomerenpaaar
cis
tran
ns
sy
ymmetrievlaak
binn
nen de moleccule
geen symmetrievlak
spiegelvlak
k beeldt 1 enantiomeer af
a op het and
der
achiraal
chiiraal
m
meso
derivaaat
dl-m
mengsel
stereog
gene C atom
men met
stereogenee C atomen m
met dezelfdee configurattie
tegengesstelde configguraties
binnen elk enantiomeeer
De 3 isomeren zijn
z
wel deggelijk onderrling stereoiisomeren, omdat
o
zij allle drie dezeelfde
constituttie, of bindin
ngspatroon bezitten.
b
Het achiraal
a
stereoisomeer wordt ook cis genoemdd, omdat dee 2 Cl atom
men aan dezeelfde
ringvlak, terrwijl de tweee chirale enantiomerenn trans genooemd
kant staaan van het gemiddelde
g
worden, omdat
o
de 2 Cl
C atomen aaan weerskan
nten van hett ringvlak staaan.
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 46 van 50
Het stereoisomeer, ook meso derivaat genoemd, is achiraal, omdat interne spiegelsymmetrie de twee stereogene centra op elkaar afbeeldt, wat vastlegt dat de 2 stereogene C
atomen identieke constituties maar tegengestelde configuraties bezitten.
De twee chirale trans isomeren van 1,2-dichloorcyclopentaan zijn onderling enantiomeren,
maar diastereomeren t.o.v. het cis isomeer. Samen vormen ze een zgn. een dl-mengsel, waarbij
de symbolen d en l respectievelijk verwijzen naar het grieks “dextro” en “levo” (zie p. 44,
inclusief voetnota).
Algemeen geldt altijd in een achiraal medium of oplosmiddel dat chirale reactieproducten
steeds in een reactie voortgebracht worden als racemisch mengsel, d.w.z., met enantiomeren in
equimolaire hoeveelheid, indien de uitgangstoffen achiraal zijn. M.a.w., een dl-mengsel met
ongelijke hoeveelheden aan de enantiomeren, of in de limiet, met slechts één enkel van die
enantiomeren, kan slechts voortgebracht worden uit een reactie wanneer uitgegaan wordt van een
optisch actieve, chirale verbinding en/of een chiraal medium.
De verklaring is dat
enantiomeren identieke fysische en chemische eigenschappen bezitten in een achiraal medium,
en daardoor volkomen identieke ontstaanswaarschijnlijkheden moeten vertonen in een dergelijk
medium met spiegelsymmetrie. Om dezelfde redenen kunnen enantiomeren niet rechtstreeks
gescheiden worden in een achiraal medium. M.a.w., enantiomeren kunnen enkel gescheiden
worden in een chemische omgeving die zelf geen spiegelsymmetrie bezit.
D. Scheiding van enantiomeren
De scheiding van een racemisch dl-mengsel van enantiomeren van een verbinding A
gebeurt door dit mengsel te laten reageren met een zuiver enantiomeer, b.v. d’, van een andere
verbinding B, tot een additiecomplex AB. Dit additiecomplex AB wordt bekomen als mengsel
van twee stereoisomeren, dd’ en ld’, die wel chemisch gescheiden kunnen worden, omdat de
stereoisomeren dd’ en ld’ geen enantiomere verwantschap meer bezitten en per definitie dus
diastereomeren zijn. De twee diastereomere additiecomplexen van AB, dd’ en ld’, worden dus
gescheiden met standaard scheidingstechnieken (selectieve kristallisatie, destillatie, enz…) en
overgebracht naar aparte reactiekolven. In elke aparte reactiekolf wordt dan het respectieve
additiecomplex AB weer ontbonden, in de ene kolf tot het gewenste zuiver d enantiomeer van A
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 47 van 50
naast B, dat na afzondering weer als zuiver d’ enantiomeer gerecupereerd wordt voor eventueel
later hergebruik, en in de andere kolf tot het gewenste zuiver l enantiomeer van A naast opnieuw
B, dat ook hier als zuiver d’ enantiomeer teruggewonnen wordt.
De methodologie wordt hieronder schematisch samengevat.
zuiver B
AB(dd’)
scheiding van de
enantiomeer d’
A(dl) + B(d’)
A(d) + B(d’)
vervolgens
AB(dd’) + AB(ld’)
scheiding van
racemisch
diastereomeren
dl-mengsel
dd’ en ld’
A en B
AB(ld’)
A(l) + B(d’)
E. Conformeren als Newmanprojecties
Om het begrip Newman projectie in te voeren, wordt het eenvoudig voorbeeld van de C2H6
molecule (ethaan), aangegeven in de conformatie hieronder, aangehaald.
H6
H1
K
C1
H3
H2
H4
C2
H5
Wordt de C2H6 molecule bekeken vanuit gezichtspunt K, dan ziet men een projectie,
Newman projectie genoemd, zoals hieronder aangegeven, waarin de 3 H atomen H1, H2 en H3
op het linker C1 atoom, die in projectie een gelijkzijdige driehoek vormen, met 1 hoekpunt
verticaal naar boven (H1) gericht, geschrankt liggen t.o.v. de driehoekige projectie van de
andere 3 H atomen H6, H4 en H5 op het rechter C2 atoom die in projectie eveneens een gelijkzijdige driehoek vormen, met 1 hoekpunt verticaal naar beneden (H5) gericht. Deze Newman
projectie is een voorstelling van een conformatie van de C2H6 molecule, waarin de 6 H atomen
het verst uit elkaar liggen; deze conformatie is dan ook de stabielste, vermits de 6 elektrondomeinen van de C–H bindingen minimale onderlinge afstotingenergie ondervinden (cf.
VSEPR theorie (zie 10.2)). De torsiehoek θ tussen het H1–C1–C2 vlak en het C1–C2–H4 vlak
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 48 van 50
bedraagt precies 60º.
H1
torsiehoek θ = 60°
H6
H4
H3
H2
H5
Deze stabielste conformatie is de geschrankte conformatie.
De onstabielste conformatie heeft als torsiehoek θ = 0º. Hierin ondervindt elk van de 3 C–H
bindende elektronenparen op één van de C atomen maximale afstotingenergie van zijn
tegenhanger op het ander C atoom.
Deze onstabielste conformatie is de geëclipseerde
conformatie.
torsiehoek θ = 0º
H1 H4
H6
H3
H2
H5
Het enthalpieverschil tussen de geëclipseerde en de geschrankte conformaties, d.w.z., de
activeringenthalpie (zie 6.4.2) voor de inwendige draaiing rond de C1-C2 bindingsas, is zeer
klein, van de grootte orde van ca 12 kJ/mol bij 25 °C. Dit houdt in dat deze conformaties zeer
snel in elkaar omgezet worden in het reactiepad van de volledige inwendige draaiing van 360º
van de ene CH3 groep t.o.v. de andere, waar afwisselend driemaal een enthalpieminimum, bij de
geschrankte conformatie, en driemaal een enthalpiemaximum, bij de geëclipseerde
conformatie, doorlopen worden. Afhankelijk van de temperatuur is de frequentie van zo een
inwendige rotatie van een stabiele geschrankte conformatie naar een andere, van de orde van
109–1012 s−1.
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 49 van 50
H1 H 4
H6
H1 H6
H2
H5
H3
H5
Enthalpie (kJ/mol)
H2
H4
H3
X1
H1 H5
H4
X2
X3
X3
X2
X1
H2
H6
H3
12
geëclipseerd
A1
A2
A3
0
geschrankt
0
60
120
180
240
300
360
Torsiehoek θ (º)
H1
H1
H1
H6
H4
H5
H6
H4
H5
H3
H2
H3
H2
H3
H2
H5
A1
H4
A2
H6
A3
Hoofdstuk 12 : Organische chemie: structuren en naamgeving – pagina 50 van 50
zijaanzicht
draaien
geschrankt
zijaanzicht
draaien
geëclipseerd