MCC Organic Chemistry

de hierboven beschreven methoden voor het tekenen van Lewis-structuren en het bepalen van formele ladingen op atomen zijn een essentieel uitgangspunt voor een beginnende organische chemicus en werken vrij Willig wanneer het gaat om kleine, eenvoudige structuren. Maar zoals je je kunt voorstellen, worden deze methoden onredelijk vervelend en tijdrovend wanneer je met grotere structuren te maken krijgt. Het zou bijvoorbeeld onrealistisch zijn om je te vragen om de Lewis-structuur hieronder te tekenen (van een van de vier nucleoside-bouwstenen waaruit DNA bestaat) en alle formele ladingen te bepalen door op atoom-voor-atoom basis de valentie-elektronen op te tellen.

en toch, als organische chemici, en in het bijzonder als organische chemici die zich bezighouden met biologische moleculen, wordt van u verwacht dat u binnenkort de structuur van grote moleculen zoals deze op regelmatige basis tekent. Het is duidelijk dat je de mogelijkheid moet ontwikkelen om snel en efficiënt grote structuren te tekenen en formele kosten te bepalen. Gelukkig is dit vermogen is niet erg moeilijk om te komen door – alles wat nodig is een paar snelkoppelingen en wat oefening in het herkennen van gemeenschappelijke bindingspatronen.

laten we beginnen met koolstof, het belangrijkste element voor organische chemici. Koolstof zou tetravalent zijn, wat betekent dat het vier bindingen heeft. Als je kijkt naar de eenvoudige structuren van methaan, methanol, ethaan, etheen en ethyn in de figuren uit de vorige sectie, zou je snel moeten herkennen dat in elk molecuul, het koolstofatoom vier bindingen heeft, en een formele lading van nul.

dit is een patroon dat geldt voor de meeste organische moleculen die we zullen zien, maar er zijn ook uitzonderingen.

in kooldioxide heeft het koolstofatoom aan beide zijden dubbele bindingen met zuurstof (O=C=O). Later in dit hoofdstuk en in dit boek zullen we voorbeelden zien van organische ionen genaamd ‘carbocaties’ en carbanionen’, waarin een koolstofatoom respectievelijk een positieve of negatieve formele lading draagt. Als een koolstof slechts drie bindingen heeft en een ongevulde valentieschaal (met andere woorden, als het niet aan de octetregel voldoet), zal het een positieve formele lading hebben.

als het daarentegen drie bindingen plus een enkel paar elektronen heeft, zal het een formele lading van -1 hebben. Een andere mogelijkheid is een koolstof met drie bindingen en een enkel ongepaarde (vrije radicalen) elektron: in dit geval heeft de koolstof een formele lading van nul. (Een laatste mogelijkheid is een zeer reactieve soort genaamd een ‘carbeen’, waarin een koolstof twee bindingen en een enkel paar elektronen heeft, waardoor het een formele lading van nul krijgt. U kunt carbenen tegenkomen in meer geavanceerde scheikunde cursussen, maar ze zullen niet verder worden besproken in dit boek).

u moet zeker de methoden gebruiken die u hebt geleerd om te controleren of deze formele kosten correct zijn voor de voorbeelden hierboven. Nog belangrijker is dat u, voordat u veel verder gaat in uw studie van de organische chemie, deze patronen (en de patronen hieronder beschreven voor andere atomen) eenvoudig moet herkennen en in staat moet zijn om koolstoffen te identificeren die positieve en negatieve formele ladingen dragen door een snelle inspectie.

het patroon voor waterstofatomen is eenvoudig: waterstofatomen hebben slechts één binding en geen formele lading. De uitzonderingen op deze regel zijn het proton, H+, en het hydride– ion, H -, dat een proton plus twee elektronen is. Omdat we ons in dit boek concentreren op organische chemie zoals toegepast op levende dingen, zullen we echter geen ‘naakte’ protonen en hydriden als zodanig zien, omdat ze te reactief zijn om in die vorm in waterige oplossing aanwezig te zijn. Niettemin zal het idee van een proton zeer belangrijk zijn wanneer we zuur-base chemie bespreken, en het idee van een hydride-ion zal veel later in het boek zeer belangrijk worden wanneer we organische oxidatie en reductiereacties bespreken. In de regel hebben alle waterstofatomen in organische moleculen echter één binding en geen formele lading.

laten we het nu hebben over zuurstofatomen. Meestal zie je een zuurstofbinding op drie manieren, die allemaal voldoen aan de octetregel.

als het twee bindingen en twee eenzame paren heeft, zoals in water, zal het een formele lading van nul hebben. Als het één binding en drie eenzame paren heeft, zoals in hydroxide ion, zal het een formele lading van-1 hebben. Als het drie bindingen en één enkel paar heeft, zoals in hydronium ion, zal het een formele lading van +1 hebben.

wanneer we onze discussie over de chemie van vrije radicalen in latere secties beginnen, zullen we andere mogelijkheden zien, zoals waar een zuurstofatoom één binding, één enkel paar en één ongepaarde (vrije radicalen) elektron heeft, waardoor het een formele lading van nul krijgt. Voor nu echter, concentreren op de drie belangrijkste niet-radicale voorbeelden, want deze zullen verantwoordelijk zijn voor vrijwel alles wat we zien tot veel later.

stikstof heeft twee belangrijke bindingspatronen, die beide voldoen aan de octetregel:

als een stikstof drie bindingen en een enkel paar heeft, heeft het een formele lading van nul. Als het vier bindingen heeft (en geen enkel paar), heeft het een formele lading van +1. In een vrij ongewoon bindingspatroon heeft negatief geladen stikstof twee bindingen en twee eenzame paren.

twee derde rij elementen worden vaak gevonden in biologische organische moleculen: zwavel en fosfor. Hoewel beide elementen andere bindingspatronen hebben die relevant zijn in de laboratoriumchemie, volgt zwavel in een biologische context bijna altijd hetzelfde bindings -/formeel ladingspatroon als zuurstof, terwijl fosfor aanwezig is in de vorm van fosfaation (PO43 -), waar het vijf bindingen heeft (bijna altijd aan zuurstof), geen eenzame paren, en een formele lading van nul. Vergeet niet dat elementen in de derde rij van het periodiek systeem zowel d-orbitalen als s-en p-orbitalen in hun valentieschaal hebben, en dus niet gebonden zijn door de octetregel.

tenslotte zijn de halogenen (fluor, chloor, broom en jodium) zeer belangrijk in laboratorium-en medicinale organische chemie, maar minder gebruikelijk in natuurlijk voorkomende organische moleculen. Halogenen in organische verbindingen worden meestal gezien met één binding, drie eenzame paren, en een formele lading van nul. Soms, vooral in het geval van broom, komen we reactieve soorten tegen waarbij het halogeen twee bindingen heeft( meestal in een drie-ledige ring), twee eenzame paren, en een formele lading van +1.

deze regels, als ze geleerd en geïnternaliseerd zijn, zodat je er niet eens over hoeft na te denken, zullen je in staat stellen om grote organische structuren te tekenen, compleet met formele ladingen, vrij snel.

als je eenmaal de tekening van Lewis structuren onder de knie hebt, is het niet altijd nodig om eenzame paren op heteroatomen te tekenen, omdat je kunt aannemen dat het juiste aantal elektronen rond elk atoom aanwezig is om de aangegeven formele lading (of het ontbreken daarvan) te matchen. Af en toe, echter, eenzame paren worden getrokken als dit helpt om een verklaring duidelijker te maken.