S_8RB10_20160929_Onbekend

Summary Essential Organic Chemistry
Chapter 6
¶2
Chiral: An object’s mirror image is not the same image as the image of the object itself
(Nonsuperimposable). (Figure 1)
Achiral: Not chiral
¶3
The chirality of a molecule is often caused by an asymmetric centre.
Asymmetric centre: An atom which is bonded to four different groups.
(Such as molecule A in figure 1)
¶4
Stereoisomer: Molecules with the same amount and sequence of atoms,
yet having a different spatial structure.
Enantiomers: Molecules that are nonsuperimposable images of each
other, and thus chiral. (Example in figure 1)
Figure 1: The molecules A and B
are chiral and enantiomers.
¶5
Enantiomers are analysed /drawn as perspective formulas (as seen in figure 1).
¶9
When there is more than one asymmetric centre, the maximum amount of stereoisomers the
molecule can have is equal to 2n, where n equals the amount of asymmetric centres.
Diastereomers: Stereoisomers that are not identical and also not mirror images. In other words,
they are stereoisomers that are not enantiomers.
Enantiomers
Diastereomers
Physical properties
(e.g. melting/boiling points;
solubilities)
Identical
Different
Chemical properties
(e.g. reaction rates)
Identical
Different
¶ 10
Meso compounds: A molecule which has more than one asymmetric centre, and a plane of
symmetry. Its mirror image is the same as the molecule’s actual image.
Plane of symmetry: The image of one side of the plane is identical to the image of the other side.
Molecules which have a plane of symmetry are achiral and therefore do not have enantiomers.
Meso compounds are diastereomers to the enantiomers
¶ 12
Enantiomers have an S and an R form. This allows for either one to bind better to a specific receptor
than the other one.
Chapter 15
Carbohydrates are abundant in the biological world. They are often
represented in the Fischer projection (figure 2). The Fischer
represents the asymmetric carbon centres as a cross. The
horizontal lines come out of the plane (towards you) and the
vertical lines stick into the plane (figure 2).
¶1
Simple carbohydrates
- Monosaccharides (single sugars)
Complex carbohydrates
- Disaccharides (2 monosaccharides linked together)
- Oligosaccharides (3 to 10 monosaccharides linked together)
- Polysaccharides (more than 10 monosaccharides linked
together)
Figure 2: Fischer projection of D-glucose.
To the right is a representation of how
the projection is interpreted. The
topmost carbon atom is called the C-1.
The following carbon atoms are
numbered from there.
Aldose: Polyhydroxy aldehydes
Ketose: Polyhydroxy ketones
Triose: Sugar with 3 carbons in it.
Tetrose: Sugar with 4 carbons in it.
Pentose: Sugar with 5 carbons in it.
Hexose: Sugar with 6 carbons in it.
Heptose: Sugar with 7 carbons in it.
By this naming convention, D-glucose is an aldohexose.
¶2
In Fischer projections, the carbonyl group is placed as high as possible. Once this is done, it can be
determined whether a saccharide is in the D- or L- form. If the lowermost asymmetric centre in the
Fischer projection has the OH group on the right, it is in D-form. If the OH group is on the left, it is
in L-form. Almost all natural sugars are in D-form.
¶3
The maximum amount of enantiomers an aldose sugar has can be calculated by 2n, in which n equals
the amount of asymmetric centres the sugar has. If a sugar only differs in configuration of one
asymmetric centre to another sugar, these two sugars are called epimers.
¶4
--¶5
In a basic solution monosaccharides cannot undergo reactions due to epimerisation. Epimerisation
changes the configuration of the C-2 carbon by deprotonating and subsequently protonating it. Due
to this, an equilibrium is reached between two C-2 enantiomers. If instead of the C-2 carbon the C-1
carbon is protonated, this will lead to a rearrangement of an aldose to a ketose.
¶6
The reactions that aldehyde and ketone groups can undergo are similar to any other alcohol. The
reduction reaction is the formation of an alditol from an aldose or a ketose. An alditol has no double
bonds.
¶9
An open structure saccharide can
react to form a cyclic structure
saccharide. This happens by an
attack of the aldehyde group onto
the hydroxyl group on the second
to last carbon. This reaction yields
two cyclic forms: the α and the β Figure 3: A schematic representation of the formation of α- and β-Dform. This occurs because the
glucose. The red circles are occur in different configurations
aldehyde carbon becomes an
between the two.
asymmetric centre, and the sidegroups –OH and –H occur in two
configurations (figure 3). When the hydroxyl group is axial it is an α-saccharide, and when it is
equatorial it is a β-saccharide. The α- and β- structures are called anomers. The asymmetric carbon
is called the anomeric carbon. When converting a Fischer projection to a Haworth projection (planar
projection), the hydroxyl groups to the right in the Fischer projection, are down in the Haworth
projection. Those which are left in Fischer, are up in Haworth (figure 4).
Two anomers have different properties, such as specific
rotation. However, because of the same open structure,
the two anomers in aqueous solution will eventually
have the same equilibrium of rotation. This phenomenon
is called mutarotation.
Pyranoses: Six-membered-ring sugars
Furanoses: Five-membered-ring sugars
Figure 4: A representation of the conversion
of an open D-glucose to a closed β-D-glucose.
In colour is indicated which hydroxyl groups
go where.
¶ 10
--¶ 11
A cyclic saccharide can react with an alcohol to form an acetal or ketal. The acetal or ketal of a
saccharide is called a glycoside. The bond between an anomeric carbon and the alkoxy oxygen is
called a glycosidic bond. Because of the mechanism that does this, one anomer (say α) can form
both α- and β-glycosides.
¶ 14
Several polysaccharides are:
- Amylose: unbranched chains of D-glucose (α-1,4’-glycosidic linkage)
- Amylopectin: branched chains of D-glucose (“” + α-1,6’-glycosidic linkage)
-
Glycogen: similar to amylopectin, but with more side branches
Cellulose: unbranched chains of D-glucose (β-1,4’-glycosidic linkage)
Chitin: similar to cellulose, but NHCOCH3 instead of OH on the C-2 position.
Amylose forms into an α-helix and is soluble in water.
Cellulose are linear and promote intermolecular hydrogen bonds. It is insoluble in water.
471
Chapter 5
¶1
An electrophilic addition reaction (figure 5) is an addition reaction in which π-electrons add an
electrophile, after which a carbocation is formed. Then the electrons of a nucleophile attack on this
carbocation.
Figure 5: The electrophilic addition reaction. π-electrons attack a Br+, after which the
Br- attacks on the carbocation.
In general, the most stable intermediary will determine the major product.
¶2
The stability of a carbocation increases as the number of alkyl substituents bonded to the positively
charged carbon increases. In stability, tertiary > secondary > primary > methyl carbocation.
¶3
When an addition reaction yields two different products, these products are called constitutional
isomers. If one of these constitutional isomers is created more predominantly than the other, the
reaction is regioselective.
¶5
Alcohols can be used in an addition reaction to alkenes under influence of an acid.
¶16
Polymers are large molecules that are chains of repeated monomer building blocks.
- Biopolymers: synthesised by organisms (e.g. DNA, polysaccharides)
- Synthetic polymers: synthesised by scientists
o Step-by-step polymerisation
o Chain-growth polymerisation
Chain-growth polymers are synthesised by adding monomers to the end of a growing chain. The
created polymer is a chain of the repeated monomer units.
The mechanisms for achieving this are:
- Cationic polymerisation
o
-
Initiation: Under influence of BF3, an H+ atom is taken from water. The π-electrons of a
monomer will attack on this proton, creating a carbocation.
o Propagation: The π-electrons of other monomers will attack on the carbocation on the
latest monomer unit (i.e. the propagating site), creating a longer carbocation of more
monomer subunits.
o Termination: A nucleophile is added, which will attack on the last carbocation, finishing
the polymer.
Radical polymerisation
o Initiation: an RO-OR radical initiator is cleaved to form two RO∙ radicals. One of these
radicals will form a σ-bond with one of the π-electrons of a monomer, creating a new
radical.
o Propagation: Similarly, each new monomer shares one π-electron with the polymer
radical and becomes a radical itself.
o Termination: The polymer radical meets another radical, creating one σ-bond and thus
stopping propagation.
Branching can occur in radical polymerisation. When branching occurs, an H atom of one polymer is
used to stop the propagation of another polymer. This creates a radical group in the first polymer at
a location other than the ends of the chain. This can result in branching. Branched polymers are
more flexible than linear polymers.
Chapter 11
A carbonyl group is a carbon that is double bonded to oxygen (figure 6). Acyl groups,
in which group R of figure 6 is an alkyl or an aromatic ring, are a form of carbonyl
group. There are many derivatives of the carbonyl group, in which the B group is
different. The most common structure is a carboxylic acid, in which –COOH is the
defining group (B= OH). Carboxylic acid derivatives are similar to carboxylic acids in
that the nature of the difference in the two molecules is the nature of the different B
group.
Figure 6:
Carbonyl group.
¶1
The nomenclature of carbonyl groups is as follows:
Carboxylic Acids:
- The -e of the associated alkane is replaced with -oic acid. (Ethane  Ethanoic acid)
- The carbon of the –COOH group is indicated the number 1. The rest of the main chain is
numbered in ascending order: the C adjacent to the –COOH carbon is C-2, adjacent to that is C-3,
etc.
- If Greek letters are used, the C adjacent to the –COOH carbon (C-2) is called α, C-3 is β, etc.
NB: The last two rules are the same for all carboxylic acid derivatives.
Acyl Chlorides:
- B=Cl
- -ic acid  -yl chloride
Esters:
- B=OR
- First - Name of R
- Second – Name of acid with -ic acid  -ate
Salts of carboxylic acids:
- B=O- First – Name of cation
- Second – Name of acid with –ic acid  -ate
Amides:
- B=NH2, NHR, NR2
- First – N-(name of substituent) in alphabetical order
- Second – Name of acid with –(o)ic acid  -amide
¶2
In a carbonyl group, both the C and the O atoms are sp2 hybridised. Resonance structures can be
formed in the case of esters, carboxylic acids and amides.
¶5
A nucleophilic acyl substitution reaction
(figure 7) is a reaction in which a
nucleophile (:Nu) attacks on the slightly
positively charged C atom, after which a
tetrahedral intermediate forms. Because
this intermediate is instable, it will expel
one of the bases (X or Nu), preferentially
the weaker one.
Figure 7: A nucleophilic acyl substitution reaction. The
nucleophile :Nu attacks the δ+ C. The intermediary expells the
weaker base X.
The weaker a base, the better it is a
leaving group.
¶6
Weak bases in a carbonyl group make it more reactive. This is because the weaker the base, the
more electronegative it is. This gives the C in the carbonyl group a slightly higher δ+ charge,
therefore making it more reactive. Weaker bases are also easier to eliminate in tetrahedral form.
¶7
Acyl chlorides are most commonly used to react because they are the least stable. They can react:
- With an alcohol to form an ester
- With water to form a carboxylic acid
- With an amine to form an amide (twice as much amines as acyl chlorides are used because HCl
could react with yet unreacted amines, making them non-nucleophilic)
¶8
Hydrolysis reaction: Reaction with water, converting one compound into two compounds.
Alcoholysis reaction: Reaction with an alcohol, converting one compound into two compounds.
Aminolysis reaction: Reaction with an amine, converting one compound into two compounds.
Hydrolysis on an ester forms a carboxylic acid and an alcohol.
Alcoholysis on an ester forms a new ester and a new alcohol. One ester is converted into another,
making it a transesterification reaction. Hydro-/alcoholysis is relatively slow, but can be catalised by
an acid.
Aminolysis on an ester forms an amide and an alcohol. Not as slow as hydro-/alcoholysis. It cannot
be catalysed by an acid.
¶9
The rate of ester hydrolysis can be increased by adding acid: (figure 8)
- Acid protonates carbonyl (lone) oxygen
- H2O (nucleophile) attacks the carbonyl carbon
atom, creating a tetrahedral intermediate, and a
proton of the H2O dissociates
- This proton can attack an OH group or the OR
group
- If H2O is expelled, the original ester reforms. If ROH
is expelled, a carboxylic acid + alcohol is formed.
Figure 8: Mechanism of ester hydrolysis in acidic
environment.
The reaction forms an equilibrium, as H2O and ROH
have approximately the same basicity.
Acid is a catalyst in this reaction, as it increases the rate of the reaction. In this case, it actually
increases both the rate of forming a tetrahedral intermediate as well as the rate of the collapse of
this intermediate. It does so by protonating the carbonyl group and the leaving group respectively.
This reaction can also be executed with an alcohol ROH (alcoholysis), which will give a product of a
new alcohol and a new ester (transesterification)
¶11
Carboxilic acids can only react in an acidic environment. This is because the protonated version has a
leaving group OH, which is a good leaving group, while the deprotonated form has an O-, which will
not react. An O- group is even less reactive than an NH2 group.
The formation of an ester by reacting a carboxylic acid with an alcohol in an acid environment is
called a Fischer esterification.
A carboxylic acid will not react with an amine, instead it will yield a salt.
¶12+13
Amides will generally not react, because they are bad leaving groups. However, they will react with
water and alcohols if the reaction mixture is heated in the presence of an acid.
- Acid protonates carbonyl (lone) oxygen
- H2O (nucleophile) attacks the carbonyl carbon atom, creating a tetrahedral intermediate, and a
proton of the H2O dissociates
- This proton can attack an OH group or the NH2 group, though the latter is favoured (stronger
base)
- NH3 is expelled, forming a carboxylic acid
- NH3 is protonated to NH4+, which is not a nucleophile. The reverse reaction cannot take place
The base mechanism for this reaction is similar to the reaction found in figure 8. Without the use of
a catalyst, the intermediate would be much harder to form. If it was formed it would expel –OH as a
base, for it is stronger than –NH2.
¶14
In order to create a carboxylic acid derivative, a carboxylic acid is often converted to an acyl chloride.
The latter is more reactive than the first and can be used to synthesise the other derivatives. It is
synthesised under heat by the following reaction.
RCOOH  SOCl2 
 RCOCl  SO2  HCl

Chapter 16
Peptides and proteins are polymers of amino acids, linked by amide bonds. An amino acid is a
carboxylic acid which has an amino group on the C-2 (α) carbon. The repeating parts are called
amino acid residues.
- Dipeptide = 2 residues
- Tripeptide = 3 residues
- Oligopeptide = 3-10 residues
- Polypeptide = 10< residues
¶1
Amino acids differ only in the substituents (side chains) on the α-carbon. These side chains are what
make each amino acid different in structure and function. Each amino acid has its own three- and
one-letter abbreviation. There are 20 common amino acids in nature.
¶2
Except for glycine, all amino acids have an asymmetric α-carbon. This
means each of these 19 amino acids has two enantiomers. In Fischer
projection, this results in a D- and L-amino acid. In contrast to
saccharides, it is the L-amino acid that is the natural configuration.
Figure 9: Amino acids in Fischer projection.
¶3
Compounds of an amino acid occur primarily in their protonated forms (acidic) in a solution that is
more acidic than their pKa, and in their deprotonated (basic) forms in a solution that is more basic
than their pKa value. The pKa values of the carboxyl groups and protonated amino groups in an
amino acid are around 2 and 9 respectively. This means that in a neutral pH (≈7) the carboxyl groups
will be deprotonated while the amino group is protonated. An amino acid in neutral pH therefore
has a positive charge on one atom and a negative charge on another, and is therefore a zwitterion.
¶4
The isoelectric point (pI) of an amino acid is the pH value at which it has no net charge.
- Amino acids with a non-ionisable side chain have a pI of the average of the carboxyl group and
amino group pKa values.
- Amino acids with an ionisable side chain have a pI of the average of the pKa values of similarly
ionising groups.
¶5
Ways of separating amino acids.
Electrophoresis:
This is a separation technique based on pI values. A solution is added to a paper or gel and is than
attracted to a cathode (negative electrode) or anode (positive electrode). The further an amino acid
moves towards a certain electrode says something about its charge. The locations of amino acids are
made visible by ninhydrin, which gives a purple-coloured product.
Ion-exchange Chromatography:
A mixture of amino acids is loaded onto a resin-packed column. Then a series of buffers is poured
through the column. The rate at which a specific amino acid moves through the column depends on
its charge and polarity. This separating technique also gives information about the relative amounts
of amino acids present in the mixture.
¶6
Peptide bonds are formed between the amino group of one
peptide and the carboxyl group of another. This particular
bond has about 40% double bond character, as the C=O and
the N groups share their electrons as seen in figure 10. This
means that free rotation around an amide bond is
prevented, resulting in amino acids lying in a plane.
Figure 10: Peptide bonds show dubble
When identities of the amino acids in a peptide are known,
bond character by electron
but not the order, they are generally written with commas:
delocalisation.
Gly, Arg, Ala, Pro, Thr
If the order is known, then hyphens are used:
Ala-Pro-Arg-Thr-Gly
Where Ala is the N-terminal amino acid (having a free amino group) and Gly is the C-terminal amino
acid (having a free carboxyl group). Since Pro is on position 4, it can be denoted as Pro 4.
Amino acids can also form disulphide bonds (of the natural amino acids, only Cys can). This means
that two thiol groups (R-SH) form a disulphide (R-S-S-R). When two cysteines form a disulphide, it is
called a cystine. The cystine can form a disulphide bridge between two parts of a peptide (or two
different peptides).
¶7
When synthesising a peptide, one cannot just put all the amino acids together, as the will react at
random. If a specific peptide needs to be created, one will need to do several extra steps.
- Protect the N-terminal amino acid with a protecting group (usually di-tert-butyl dicarbonate). In
this way the amino group of this amino acid cannot react.
- Activate the carboxyl group of the protected amino acid (usually activated by DCC). This way the
carboxyl group of this amino acid is more likely to react than that of another amino acid.
- Add the next amino acid.
- Repeat the previous two steps until the desired peptide is created.
- Remove the protecting group.
This technique will not produce high yields of the desires peptide however.
Chapter 7
Delocalised electrons are not confined to one or two atoms, but are instead shared by three or
more atoms.
¶1
--¶2
Benzene is a planar molecule with formula C6H6. The molecule is
circular, and because all carbons are sp2 hybridised it lies in a
plane. The p-orbitals of each of the carbons are all perpendicular
to the plane and all parallel to the other p-orbitals. This forms a
continuous circular cloud of delocalised electrons above and below
the C-ring. (Figure 11)
Figure 11: Benzene has parallel
overlapping p-orbitals, creating a
circular cloud of delocalised
electrons.
¶3
To describe a molecule which has delocalised electrons the following is
done. The resonance contributors, which are approximate structures with
localised electrons, are used to describe the resonance hybrid, which is an
actual structure whit delocalised electrons. For benzene, this is represented
in figure 12. The reason resonance contributors are used, is because this
makes it possible to see how many and what electrons are involved in the
delocalised structure. Resonance is not equilibrium!!! The real structure
(the hybrid) is one actual structure. The resonance contributors do not
actually exist, but are merely used to describe the actual structure of the
molecule.
Figure 12: On top are the
[Resonance Contributors of
Benzene]. The lower structure
is the Resonance Hybrid
¶4
Drawing resonance contributors from a specific structure follows the following rules:
1. Only electrons move. Atoms never move.
2. Only π-electrons and free electrons can move. σ-electrons never move.
3. The total number of electrons in the molecule does not change between resonance
contributors.
By these rules, electrons always move towards a sp2 carbon. Electrons also move towards the most
electronegative atom.
¶5
Not all resonance contributors contribute equally to the resonance hybrid. As a rule, the greater
predicted stability of the resonance contributor, the more it contributes to the structure of the
resonance hybrid.
¶6
Delocalisation / resonance energy: energy gained by the increased stability caused by delocalised
electrons.
Resonance hybrids are by definition more stable than any of the resonance contributors. Also, the
more relatively stable resonance contributors a molecule has, the greater the resonance energy is.
¶7
Dienes: Hydrocarbons with two double bonds.
Isolated dienes: Dienes with isolated double bonds; double bonds are separated by more than one
single bond.
Conjugated dienes: Dienes with conjugated double bonds; double bonds are separated by one
single bond.
π-electrons in a conjugated diene are delocalised electrons.
The relative stabilities of carbocations are found in figure 13.
Figure 13: Relative stabilities of carbocations.
¶9
Loss of a proton can lead to an increase in delocalisation energy (e.g. in carboxylic acids or phenol).
This makes it more stable and therefore more acidic. Delocalised electrons can therefore affect pKa.
¶10+11+12
UV spectroscopy can be used to obtain information about the conjugated double bonds in a
compound. λmax is the wavelength corresponding to the highest point of the absorption band.
The higher λmax is, the more conjugated double bonds a compound has. A large conjugated system
therefore absorbs light, making it a functioning die.
Chapter 8
¶1
Compounds with unusually large delocalisation energies are called aromatic compounds. An
aromatic compound must meet these criteria:
- It must have an uninterrupted cyclic cloud of π-electrons (π cloud) above and below the plane of
the molecule.
o Molecule is cyclic.
o Every atom in the ring must have a p orbital.
o All p orbitals must overlap. In other words, the molecule must be planar.
- The π cloud must contain an odd number of pairs of π electrons.
¶2
--¶3
Aromatic rings are not exclusive to hydrocarbons. Heterocyclic compounds, i.e. a ring containing an
atom other than a carbon, can also be aromatic. The atom in question is called the hetero atom, and
they are commonly N, O or S.
¶4
A benzene ring is called a phenyl group if it is a substituent, and it is called a benzyl group if this
substituent is attacked via a methylene group. The general term for a (substituted) phenyl group is
called an aryl group (Ar), similar to an alkane (R).
Most mono-substituted benzenes are named by adding -benzene to the substituent. Others are:
- Toluene (-CH3)
- Phenol (-OH)
- Aniline (-NH2)
- Benzenesulfonic acid (-SO3H)
- Anisol (-OCH3)
- Styrene (-CH=CH2)
- Benzaldehyde (-CH=O)
- Benzoic acid (-COOH)
¶5
To substitute a hydrogen atom on a benzene ring with an electrophile, it can undergo electrophilic
aromatic substitution. This reaction is very similar to the addition reaction. 1) One pair of πelectrons attack an electrophile, creating a carbocation intermediate. In an addition reaction a
nucleophile would now react with the carbocation. If this would happen with the benzene it would
not be aromatic any more, which is unfavourable. Instead the nucleophile takes out a hydrogen
atom, and the benzene is once again aromatic.
¶6
There are several types of electrophilic aromatic substitution reactions:
- Halogenation:
Br or Cl substitutes for H
- Nitration:
NO2 substitutes for H
- Sulfonation:
SO3H substitutes for H
- Friedel-Crafts acylation:
RC=O substitutes for H
- Friedel-Crafts alkylation: R substitutes for H
¶7
Halogenation
A Lewis acid catalyst is used to do this reaction. Br2 or Cl2 will share protons with FeBr3 or FeCl3
respectively (or similar Lewis acids) to create a Br+ and -FeBr4 or Cl+ and -FeCl4 respectively. This
creates the better electrophiles Br+ and Cl+. The base required to remove a proton can be either the
solvent or the -FeBr4 or -FeCl4, creating HBr and FeBr3 or HCl and FeCl3 respectively.
¶8
Nitration
Sulphuric acid is used as a catalyst in this reaction. HNO3 (HO-NO2) has a free electron pair of the –
OH group attack a proton of the sulphuric acid (H2SO4), creating H2O+-NO2 and HSO4-. The bond of
the first product breaks and the electrons move towards the –H2O+ group, creating H2O and +NO2.
The latter is a good electrophile. The base required to remove a proton can be H2O, HSO4- or the
solvent.
¶9
Sulfonation
This reaction can occur with H2SO4 under heat. The reaction forming +SO3H is similar to the one
forming +NO2, except now two molecules of sulphuric acid are used.
¶10
Friedel-Crafts acylation
An acyl chloride dissociates its Cl atom and donates it to the Lewis acid AlCl3, creating R-C+=O and –
AlCl4. The carbocation formed can now act as the electrophile in the substitution reaction.
¶11
Friedel-Crafts alkylation
An alkyl halide (RF, RCl, RBr, RI) reacts with AlCl3 (or similar Lewis acids) in the same way as shown in
the Friedel-Crafts acylation, creating a carbocation as an electrophile. (Can also react with other
carbocations, such as ones created by an alkene with an acid.)
¶12
Any other substituents can be made by changing the substituent on one of the aforementioned
substituents:
- A –C(=O)R or -NO2 can be reduced by adding H2 under Pd/C conditions to get –CH2R and -NH2
respectively.
- A toluene (ArCH3) can be oxidized by chromic acid (H2CrO4) and heat to get a benzoic acid
(ArCOOH). Any -R side chain in ArR is oxidized to –COOH, regardless of its length and amoint of
carbons. However, if the –R side chain has the first carbon without hydrogen (i.e. Ar-CR3) then
this reaction will not occur at all.
¶13
Ortho-, Meta-, Para- locations for benzene rings with more than one
substituent. The location of the second is denoted by ortho-/o- for adjacent
carbons, meta-/m- for the carbons that are next to the o-carbons, and para/p- for the carbons directly opposite to the first substituent (figure 14).
In naming such molecules one can use the o-/m-/p- or the 1/2/3/etc.
naming. If two substituents are not the same, they are listed in alphabetical
Figure 14: The ortho
order, the first being the 1 position. If one of the substituents is part of a
trivial name (such as –OH for phenol) then this group is on the 1 position.
(red), meta (green) and
¶14
para (purple) locations
of a benzene ring with a
substituent (R).
Activating substituents are substituents that donate electrons into the
benzene ring, increasing the reactivity of the benzene.
Deactivating substituents are substituents that withdraw electrons from the benzene ring,
decreasing the reactivity of the benzene.
This can be achieved by donating and withdrawing electrons:
- Inductively (via σ-bond)
- By resonance (distributing charge by resonance)
For all except the halogen substituents, donating and withdrawing by resonance is dominant over
inductive donation or withdrawal. The level of activation of substituents can be found on the next
page (table 16.1).
¶15
The orientation of the second substituent on a benzene ring depends on the first substituent that it
has. The second substituent will be placed on the ortho or para location if the first substituent is an
activating substituent or it is a weakly deactivating halogen. It will be placed on the meta position if
the first substituent is a moderately or strongly deactivating group. This can be seen also in table
16.1 on the next page.
¶16
When synthesising a specific benzylic compound, one must take careful consideration of:
- What order each substitution must be made
- At what time a specific modification to a side chain must be made
- What reaction should go first regarding reactiveness
¶17
Electron donating substituents make a benzylic compound more stable and less acidic. Electron
withdrawing substituents make the compound more reactive and more acidic. The more
deactivating a substituent is, the lower is the pKa value of the compound.
Dicaat 19.22
The arenediazodium ion on a benzene (benzenediazonium) can also be used as an electrophile (ArN+≡N), but it can only be done if the substitution takes place on a highly activated benzene ring
(phenol, aniline, N-alkylaniline). It is placed preferentially on the para- position because of the steric
strain that would occur on the ortho- position. It will go to the ortho- position if the para- position is
blocked.
The reaction mechanism is similar for the Ar-N+≡N as any other electrophile (figure 15). A pair of π
electrons attacks the outermost N, moving one of the π pairs of the triple bond to the other N atom.
A base can then remove a proton from the compound. This creates a compound with two benzene
rings linked with an azo linkage (N=N), making it an azo compound. Because of the azo linkage, the
azo compound can have both a cis- and trans- forms, though trans is preferred (steric strain).
Figure 15: An electrophilic aromatic substitution reaction with Ar-N+≡N as the electrophile.
Chapter 12
The carbonyl compounds discussed earlier are called Class I carbonyl compounds (chapter
11). They are characterised by the fact that their unique group (B) can be replaced by a
nucleophile. Class II carbonyl compounds, aldehydes and ketones, do not have this
property. The B groups for aldehydes and ketones are B=H and B=R’ respectively.
¶1
The nomenclature for Class II carbonyl groups is as follows:
Aldehydes:
- The –e of the appropriate hydrocarbon is replaced with –al. For the common name, -(o)ic acid is
replaced with –aldehyde.
- The position of the aldehyde group does not need to be mentioned, as it is always on the end of
a chain.
Ketones:
- The –e on the appropriate hydrocarbon is replaced with –one.
- The position of the ketone group is made to be as low as possible. (2-hexanone, not 4-hexanone)
- A derived is also often used; the substituents of the ketone are listed in alphabetical order and
followed by ketone. (butyl methyl ketone)
¶2
An aldehyde is more reactive than a ketone, and formaldehyde is the most reactive aldehyde. This is
because hydrogen groups make the carbon atom slightly more positively charged than alkyl groups
do. Steric factors can also play a role, and makes it so that ketones with smaller side chains are more
reactive than ketones with larger side chains.
Relative reactivity of carbonyl compounds:
Acyl chloride > aldehyde > ketone > ester ~ carboxylic acid > amide > carboxylate ion.
¶3
Because the H- and R- groups are too strong bases to be
eliminated under normal conditions, aldehydes and ketones
undergo a different type of reaction to class I compounds.
Aldehydes and ketones will undergo nucleophilic addition
reactions instead (figure 16). A nucleophile attacks on the
ketone carbon, after which the π electrons of the double bond Figure 16: Nucleophilic addition.
migrate to the oxygen atom. In substitution, the weakest base
would be eliminated. However, in this reaction a lone pair of
electrons on the oxygen attack on and bond with a proton to make a tetrahedral carbon.
¶4
New carbon-carbon bonds can only be created if a carbon nucleophile is present to react with a
carbon electrophile. Grignard reagents can be used as carbon nucleophiles. An alkyl halide under
influence of magnesium shavings and diethyl ether inserts a magnesium between the carbon and
halogen:
Mg
CH 3CH 2 Br 
 CH 3CH 2 MgBr
Et2O
The product reacts as if it were +MgBr and -:CH2CH3, thus a reaction can take place with a carbon
nucleophile. Grignard reagents are such strong bases that they will react immediately with any trace
of any acid (even very weak acids such as water, alcohol, etc.). This reaction will immediately convert
the Grignard reagent into an alkane.
¶6
A hydride ion (:H-) can also be used to form a nucleophilic addition product. This is a reduction
reaction. These reactions are done by first adding sodium borohydride (NaBH4) as a source of
hydride ions. After hydride ion has reacted with the carbonyl compound, an acid is added. These
reactions yield alcohols as products.
Esters and acyl chloride can undergo two successive Grignard reactions. All class I carbonyl
compounds can undergo two successive reduction reactions. However, LiAlH4 needs to be used for
any compound less reactive than a ketone.
¶8
The addition of water to an aldehyde or a ketone creates a
hydrate (a molecule with two –OH groups). This compound is
generally unstable. Electron withdrawing groups on an
aldehyde or a ketone increase the extent to which it is
hydrated, while electron donating groups decrease this
probability. In acid catalysed hydrate formation (figure 17) free
electrons of the carbonyl oxygen attack a hydrogen atom,
shifting the π electrons from its π bond onto the oxygen. Water
then attacks on the carbocation, after which it dissociates its
proton.
Figure 17: Acid catalysed hydrate
formation. The first attack on the
proton and the proton dissociation
are not shown.
Chapter 13
The carbon atoms adjacent to a carbonyl group are called α-carbons. The hydrogen atoms on these
α-carbons are called α-hydrogens. α-hydrogens are acidic enough to be removed by a base.
¶1
The reason why a carbonyl group causes a stable carbanion
is because of delocalized electrons (figure 18). The free
electrons the α-carbon attack on the σ-bond with the
carbonyl carbon, after which the π-electrons go to the
oxygen atom. This gets the negative charge on the oxygen
atom. This creates a stable compound.
Figure 18: Stable compound of the carbanion
because of resonance.
¶2
Ketones are in equilibrium with its enol tautomer. Tautomers are isomers that exist in rapid
equilibrium. Keto-enol tautomers differ in location of the electrons and a proton. Most enol
tautomers are less stable than the keto tautomers, though there are exceptions (e.g. phenol).
¶3
Keto-enol interconversion or tautomerisation is the conversion of a keto to an enol tautomer (figure
18). The enolate ion (resonance intermediate) can have one of the free electron pairs on the oxygen
attack a proton. This reaction can be catalysed by an acid as well as a base (donating a proton to the
carbonyl oxygen and withdrawing the α-proton respectively).
¶4
Both the α-carbon and the oxygen are electron rich sites. If the compound reacts with a proton, the
enol tautomer will always be formed, because oxygen is more electronegative. All other compounds
generally react on the α-carbon, because this is a better nucleophile. A reaction of the enolate ion
with an alkyl halide can therefore be used to create C-C bonds.
¶5
An aldol reaction is done as follows:
- An aldehyde or a ketone is deprotonated, creating an enolate ion.
- The enolate ion (electrons on the α-carbon) attacks the carbonyl carbon of another aldehyde or
ketone, creating a C-C bond.
- The O- of what was formerly a carbonyl group is protonated.
An aldol reaction only occurs between two molecules of the same carbonyl compound. The products
are β-hydroxyaldehydes and β-hydroxyketones for aldehydes and ketones respectively.
¶6
The products of the aldol reaction can be more easily hydrated than other compounds, because it
creates a conjugated double bond with the carbonyl group. The dehydration reaction is called the
aldol condensation. The condensation reaction happens under effect of heat an H3O+. It creates a
double bond between the α-carbon of the carbonyl group and the β-carbon (which has the –OH
group).
¶7
A similar condensation reaction can be done for two molecules of an ester. This reaction is called a
Claisen condensation.
- A strong base removes a proton from an α-carbon to form an enolate ion.
- The enolate ion attacks the carbonyl carbon, forming a new C-C bond.
- The negatively charged oxygen group reforms a π bond with the carbon and expels the –OR
group.
The Claisen condensation and the aldol condensation differ after the nucleophilic attack. The
negatively charged oxygen reforms a π bond in the former (expelling the –OR group) and recruits a
proton in the latter.
¶8
Carboxylic acids and carboxylate ions, which have a carbonyl group at the 3 position, lose CO2 when
heated. This reaction cannot take place normally, because this reaction has a carbanion as a leaving
group. A carbonyl group at the 3 position will however stabilise the carbanion by delocalised
electrons, thus making this reaction possible. The reaction is called decarboxylation. An acid can be
used to catalyse this reaction.
¶10
For an acetoacetic ester synthesis, an acetoacetic ester is used to create any methyl ester. This is
done by the following steps, illustrated by figure 19.
- A base removes a proton from the α-carbon in-between the two carbonyl groups, creating an
enolate ion.
- The carbanion reacts with any alkyl halide, in this case 1-bromo-isobutane, to create an αsubstituted acetoacetic ester.
- If the compound is heated under acidic aqueous conditions, the ester is hydrolysed to an acid.
- Further heating throws out the CO2, creating a ketone.
Figure 19: Acetoacetic ester synthesis.
Dictaat 18.21
Some examples of these carbonyl reactions in nature:
Aldol addition: Can be found in the synthesis of saccharides e.g. gluconeogenesis.
Aldol condensation: Can be found in the cross linkage of collagen molecules.
Claisen condensation: Can be found in the formation of fatty acids.
Decarboxylation: Can be found in the decarboxylation of acetoacetate, catalysed by an enzyme.
Chapter 14
¶1
Mass spectrometry:
- Molecular weight
- Molecular formula
- Structure compound (basic)
How it works (figure 20):
Small amounts of the compound are brought into the mass Figure 20: A schematic representation of a
spectrometer, where it is vaporised and bombarded with
mass spectrometer.
an electron beam. The electron beam knocks out some of
the compounds electrons, creating a molecular ion, having
an unpaired electron and a positive charge. Using the electron beam may or may not break the
compound into more stable products. All products that have a positive charge are then accelerated
into the tube, where the ions are deflected by an electromagnet. The size and charge of the ion
dictates the amount of deflection that happens. After deflection the ions reach the collector, where
they are detected. The detection is recorded as a mass spectrum, a graph in which relative
abundance of each fragment is plotted against its mass-to-charge ration (m/z).
¶2
The concept of fragmentation is explained using pentane
(figure 21) as an example.
The highest peak observable in the mass spectrum is the peak
that gives us the molecular mass of the compound. In this case
it is m/z = 72, which is indeed the molecular mass of pentane.
The other peaks with smaller m/z values are fragment ion
peaks. The base peak is the tallest peak, representing the
fragment with the highest relative abundance.
Figure 21: The mass spectrum of
pentane.
Fragmentation can be explained by the fact that the original
compound will break some of its bonds to form a set of more stable products. The pentane radical
cation, CH3CH2CH2CH2CH3∙+, can fragment into the following:
 CH3∙
+ +CH2CH2CH2CH3 (m/z = 57)
∙
 CH3CH2
+ +CH2CH2CH3 (m/z = 43)
 CH3CH2CH2∙
+ +CH2CH3
(m/z = 29)
∙
 CH3CH2CH2CH2 + +CH3
(m/z = 15)
Each of these cations has a specific m/z value, belonging to one of the peaks in the mass spectrum.
Also note that each molecular mass of each cation is obtained by subtracting the molecular mass of
the radical from that of the full compound. The set of most stable compounds will have the highest
relative abundance (in this case CH3CH2∙ + +CH2CH2CH3). In this way some isomers have a different
mass spectrum, allowing some information into the structure of the compound.
¶3
Isotopes can account for other peaks, such as the m/z = 73 of figure 21. This is because isotopes
have a slightly different molecular weight than the original atom. An example is 13C, which is one unit
heavier than 12C. The 13C occurs once in every 100 carbon atoms. As mass spectrometry measures
individual molecules, the compound containing this isotope is also measured. Carbon is one of the
three isotopic distributions in nature which occurs often enough, the others are 35Cl:37Cl (75:25) and
79
Br:81Br (50:50).
¶4
Each functional group has a characteristic pattern that helps to identify the compound. For example,
a ketone will yield R1∙ + R2C≡O:+ fragments. As a general rule, electron bombarding will more easily
remove a lone pair electron than a bonding electron.
¶5
A mass spectrometer can distinguish molecules up to 0.0001 amu, making it possible to distinguish
between two molecules which have an almost identical molecular mass.
¶6
Spectroscopy:
- Electromagnetic radiation
- Frequency v (number of waves per second)
- Wavelength λ (length in nm between two
corresponding waves)
- Wavenumber ṽ =104/λ (number of waves in one
centimetre)
High v = short λ = large ṽ = high energy
Figure 22: The electromagnetic spectrum.
¶7
Infrared:
- Functional groups
Each bond in a functional group vibrates at a characteristic frequency. If infrared radiation is used
that has the same frequency as the characteristic frequency of a specific functional group, this bond
will absorb the energy of the infrared radiation. This is registered in infrared spectroscopy.
¶8
The stronger a specific bond is, the higher its frequency is.
Resonance = electron delocalisation = less double bond character = weaker bond = lower frequency.
The more resonance a functional group has, the lower its frequency is.
¶9
The more polar a specific bond is, the more intense the absorption is.
¶10
The strength of a C-H bond depends on the hybridisation of the carbon: sp > sp2 > sp3 > carbonyl
¶11
The width and intensity of a peak can help determine what bond it represents. An N-H bond will be
less intense and narrower than a C-O. The C-O bond of an acid is wider than the C-O bond of an
alcohol. So even though all these bonds occur at around ṽ=3000 cm-1, they can still be distinguished.
¶12
The lack of a specific absorption band can be used to rule out possibilities of a certain functional
group.
¶13
--¶14
Spinning charged nuclei (1H or 13C) generate a magnetic field in a random orientation. When a
magnetic field B0 is applied to these nuclei, they will align with (α-spin) or against (β-spin) the
magnetic field. The β-spin has a higher energy, because more energy is needed to align it against
than with the B0 magnetic field. Nuclei are in resonance with the α- and β-spin. The frequency of this
resonance can be measured in NMR spectroscopy. For further study 1H (protons) will be discussed.
¶15
The magnetic field experienced by a proton dictates the signal in NMR. Electrons partially shield the
nuclei from the magnetic field, and this shielding varies for different hydrogen atoms in a molecule.
Thus, not all hydrogens experience the same magnetic field, and therefore do not give the same
signal.
Protons in an electron-rich environment are more shielded and sense a smaller effective magnetic
field. They will require a lower frequency to come into resonance, and are found upfield.
Protons in an electron-deficient environment are less shielded and sense a higher effective magnetic
field. They will require a higher frequency to come into resonance, and are found downfield.
¶16
Protons in the same environment are chemically equivalent protons. CH3CH2CH2Br has three sets of
chemically equivalent protons. Because of the free rotation around the bonds, the hydrogens on the
same carbon are equivalent protons. The protons are different (in this case) because of the distance
from the electron withdrawing Br atom. Because there are three different sets of equivalent
protons, the NMR spectrum will show three different peaks.
¶17
A reference compound is often added to a sample, because positions of the signals in NMR are
compared to the position of the known compound. The most commonly used reference compound
is Si(CH3)4, a.k.a. TMS, because silicon is very electronegative. This means the TMS peak will appear
to the far right in an NMR spectrum. The chemical shift is a measure for how far the signal is from
the reference signal:
Chemical shift [ppm]   
distance downfield fromTMS [ Hz ]
operating frequency of the spectrometer [ MHz ]
Small δ values are found upfield, large δ values are found downfield. The δ values are independent
of the operating frequency used.
¶18
The closer protons are to electron withdrawing groups, the less it will be shielded by electrons, the
larger the δ value is.
¶19
More acidic protons give a larger δ value than less acidic protons. So the protons which are attached
to the carbon which has most electrons withdrawn from it (or the least electrons donated) will give a
higher δ value. Some characteristic bonds are given below.
| COOH / CH=O |
9.0 ~ 12 ppm
| Ph-H
|
6.5 ~ 8.5 ppm
| R2C=CH-R
|
4.5 ~ 6.5 ppm
| R2-CH-Z
|
2.5 ~ 4.5 ppm
Z= O, N, halogen
| R=C-CH-R2
|
1.5 ~ 2.5 ppm
| -C-C-H
|
0 ~ 1.5 ppm
In denoting the sets of protons in a structure, a is given to the lowest δ value, b to the second
lowest, etc.
¶20
The area under a signal is proportional to the number of protons giving rise to the signal. If the areas
are integrated, the heights of each step are proportional to the amount of protons that give that
particular signal. Because proportions are used, the area under a peak alone cannot tell the
difference between a 1:3 and a 2:6 proportion. Only relative values are given, not absolute values.
¶21
Splitting is a phenomenon that occurs when a single signal is represented as multiple peaks. It is
caused by protons on adjacent carbons, which interfere with their own magnetic field. The amount
of peaks is given by the N+1 rule. N is the number of equivalent protons on the adjacent carbons
(equivalent to each other, but not to the proton giving the signal). The number of peaks in a signal is
called multiplicity (e.g. singlet (1), doublet (2), triplet (3), quartet (4), etc.). If protons a cause
splitting for protons b, than protons b will cause splitting on protons a. This means protons a and b
are coupled protons. If protons a and b result in the same signal, than they will not cause splitting.
¶22
---
¶23
The distance (Hz) between two adjacent peaks of a split NMR signal is the couplings constant J.
Coupled protons have the same couplings constant.
Summary of NMR
1) The number of signals indicates the numbers of different kinds of protons in the compound.
2) The position of a signal indicates the kind of protons responsible for the signal and the kinds
of neighbouring substituents.
3) The integration of the signal tells the relative number of protons responsible for the signal.
4) The multiplicity of the signal tells the number of equivalent protons bonded to the adjacent
carbons.
5) The coupling constants identify coupled protons.
¶24
13
C spectroscopy works essentially the same as the 1H spectroscopy. Some differences are
mentioned here. The δ range for 13C is much larger than for 1H, so that overlap is much less likely and
different bonds can be more easily identified. Integration does not tell anything about the
proportion of carbon atoms. If proton-coupled 13C NMR spectra are used, the N+1 rule dictates the
multiplicity, with N the amount of hydrogen atoms that are bonded to the carbon.
Dictaat 7.12
Reviewing reactions is done by design synthesis. Each step of a reaction is reviewed individually. A
balance needs to be struck between the following aspects:
- Time (fewer / easier steps are preferred)
- Yield (highest yield is preferred)
- Costs (lowest cost is preferred)
In order to decide on the steps needed to get from a starting compound to the desired compound,
retrosynthetic analysis is used. Retrosynthetic analysis is the process of taking the product
compound and analyse what the last step was of creating it. Essentially one comes up with the
synthesis in opposite order. A retrosynthetic analysis used an open arrow =>.
Dictaat 10.11
Simple reactions do not have to be retro synthetically analysed. These can be done from the starter
to the target molecule in a few simple steps.
Dictaat 17.17
A useful tool for retrosynthetic analysis is disconnection. This breaks a bond of the target molecule
into two compounds (synthons). Often, one of the synthons is positively and one is negatively
charged. Synthons are often not real compounds because of the reactivity they would have. The
synthetic equivalent is the source of a synthon (and they often look alike).
Dictaat 18.20
---
Hoofdstuk 19
Lipids are organic compounds that are soluble in nonpolar solvents. This is because of their
significant hydrocarbon structure.
¶1
Fatty acids are carboxylic acids with long hydrocarbon chains. Because of the way they are
synthesised, they always consist of an even number of carbon atoms.
Fatty acids can be saturated (no π-bonds) or unsaturated (π-bonds). Polyunsaturated fatty acids
have more than one carbon-carbon double bonds.
Melting points are determined by the level Van der Waals forces act upon them. Therefore large,
tightly packing fatty acids have a high melting point.
Double bonds in natural unsaturated fatty acids are isolated and are in cis configuration. Because of
the kink this produces, unsaturated fatty acids have a lower melting point than saturated fatty acids.
¶2
Waxes are esters that consist of long chain carboxylic acids and long chain alcohols.
¶3
Triglycerides are compounds in which the –OH groups of glycerol have formed an ester with fatty
acids. If all chains of fatty acids are the same, it is a simple triglyceride. If the chains are different,
then it is a mixed triglyceride. Liquid triglycerides are oils. The side chains are typically unsaturated.
¶4
Phosphoglycerides do not only consist of fatty acids, but also of phospholipids. Phospholipids also
form an ester with glycerol. The phospholipid head of the glyceride is now polar, while the fatty acid
chains are nonpolar. This results in phosphoglycerides forming lipid bilayers. Unsaturated and
saturated fatty acids exist in a bilayer to make it more fluid and more rigid respectively. Radical
oxidation to unsaturated fatty acids of a phospholipid bilayer results in the degradation of the
membrane.
¶5
Terpenes are classes of lipids that consist of a multiple of five carbon atoms. Many terpenes exist in
nature. Terpenes are synthesised from isoprene (2-methyl-1,3-butadiene). The isoprene rule states
that two isoprene molecules are connected head to tail (opposite sides). An exception to this rule is
when two isoprenes form a cyclic structure, in that case the most stable linkage is made.
¶6
The biosynthesis of terpenes is not done by isoprene directly, but with a isoprenes with phosphate groups on
it. The synthesis can be seen in figure 23.
Figure 23: Biosynthesis of terpenes. Dimethylallyl pyrophosphate (top left) is attacked by isopentyl
pyrophosphate (top right).
¶7
Hormones are chemical messengers. Many hormones are steroids (figure 24). The four rings of the
steroids exist in “chair conformations”, meaning the rings lay equatorial to other rings. This prevents
ring flips. The steroid cholesterol is formed from squalene.
Figure 24: The general structure of steroids.
¶8
Anabolic steroids are not naturally occurring steroids that aid in the development of muscle.
Dictaat 25.18
-end-
Summary Lectures
Lecture 1
Koolhydraten / Sachariden
-
Veel aanwezig in biologische wereld
o Cellulose
o DNA / RNA
o Glycoproteïne
Veel voorkomende atomen: 1H, 6C, 7N, 8O, 9F
Elektronen / Orbitalen
Figure A: Een weergave van de eerste en de tweede
laag orbitalen.
Elektronen komen voor in orbitalen;
s orbitalen zijn bollen, p orbitalen zijn “zandlopers” (figuur A)
Per orbitaal twee elektronen met tegengestelde spin
Extra elektronen komen terecht in de meest stabiele orbitaal
o Indien er meerdere meest stabiele orbitalen zijn, dan komt een elektron terecht in een willekeurig
orbitaal.
Bij het bekijken van elektronen, zijn alleen de elektronen in de minst stabiele orbitalen van belang.
Orbitaal 
1s
2s
2px
2py
2pz
H
C
N
O
↑
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
↑
↑
↑↓
↑
↑
↑
↑
↑
Bij een binding van twee atomen worden elektronen gedeeld om zo de orbitalen te vullen.
Er zijn meerdere soorten orbitalen:
Bindend = zoals hierboven besproken. Bevatten elektronen.
Antibindend = bevatten geen elektronen.
σ bindingen  Enkele binding
π bindingen  Dubbele binding
2 π bindingen  Drievoudige binding
Orbitalen kunnen hybridiseren:
s p p p  sp3 sp3 sp3 sp3
o Meest stabiel in een tetraëder (figuur B)
Figure B: De 2s en 2p orbitalen worden
s p p p  sp2 sp2 sp2 p
samen vier gelijke sp3 orbitalen.
o sp2 orbitalen liggen in een vlak, de p orbitaal staat hier
loodrecht op. Elektronen in de p orbitaal kan π bindingen
aangaan.
s p p p  sp sp p p
o Twee p orbitalen blijven over. Elektronen in de p orbitalen kunnen π bindingen aangaan.
Zuur / Base reacties
-
Dit soort reacties zijn heel prominent in biologische wereld.
Hoe bepaal je of iets een sterk zuur is?
Meer elektronegatief
Groter atoom
o Geldt alleen als het verschil in grootte significant is.
o Grootte van atoom is belangrijker dan elektro negativiteit.
Meer resonantiestructuren
Elektro negatieve atomen dichter in de buurt van een zuurgroep
 Sterker zuur
 Sterker zuur
 Zwakker zuur
 Zwakker zuur
Sterk zuur ↔ Zwakke base ↔ Meer stabiel
Conformatie
-
Rotatie of vormverandering van hetzelfde molecuul
Hoe minder groepen elkaar afstoten, hoe stabieler de conformatie
is. (vb. figuur C / D)
Onder ring-/ hoek-spanning is een molecuul minder stabiel.
Cyclohexaan is (en andere zesringen zijn) het meest stabiel in de
stoelvorm (figuur D). Door afstoting van groepen, zijn equatoriale
zijgroepen stabieler en axiale groepen reactiever.
Figure C: Voorbeeld van
conformaties. Staggered is stabieler
dan eclipsed.
Configuratie/ Isomeren (figuur E)
Isomeren: Moleculen met dezelfde aantallen en soorten atomen,
maar die verschillend verdeeld en/ of verbonden zijn.
Constitutie isomeren: Zelfde structuurformule, compleet andere
opbouw. Bv. CH3CH2OH ↔ CH3OCH3 (C2H6O).
Stereo-isomeren: Moleculen met dezelfde volgorde en soorten
atomen, maar met verschillende ruimtelijke structuren.
Cis vorm: De belangrijkste groepen aan
beide kanten van een dubbele binding zitten aan dezelfde kant.
Trans vorm: De belangrijkste groepen aan beide kanten van een
dubbele binding zitten aan tegenovergestelde kant.
Figure E: Overzicht van isomeren.
Figure D: Cyclohexaan in stoelvorm.
Equatoriale zijgroepen in blauw,
axiale zijgroepen in rood.
Chiraal / Achiraal
Chirale moleculen hebben een stereocentrum, achirale moleculen niet. Wanneer moleculen een
stereocentrum hebben, dan is hun spiegelbeeld niet hetzelfde als het beeld van de molecuul zelf.
Enantiomeren zijn voorbeelden van chirale
moleculen. Enantiomeren kunnen benoemd
worden met een S of R. De vier groepen
worden benoemd op prioriteit. De laagste
prioriteit wordt “naar achter” gezet. De richting
waarin de drie groepen met hoogste prioriteit
draaien, bepaald of iets S of R is. (Figuur F)
S = tegen de klok in (linksom)
R = met de klok mee (rechtsom)
Figure F: In bovenstaand figuur is de prioriteit:
1. Br; 2. CH2CH3; 3. CH3; 4. H.
Op die manier is het linkse molecuul S en het rechtse R.
Een molecuul is linksdraaiend (L) (-) of
rechtsdraaiend (D) (+) afhankelijk van de solutie in welke deze zich bevindt. Een molecuul kan dus onder
verschillende omstandigheden L of D zijn. Dit staat los van of het molecuul S of R is.
enantiomer excess 
observed specific rotation
 100%
specific rotation of pure enantiomer
Buiten enantiomeren, welke dezelfde eigenschappen hebben, zijn er ook diastereomeren. Deze hebben
minstens twee stereocentra en hebben verschillende fysische en chemische eigenschappen.
Ook zijn er meso isomeren. Dit zijn twee moleculen met allebei twee
stereocentra, waarbij het molecuul een spiegelvlak heeft. Als de ene kant van dit
vlak hetzelfde is als het andere, dan is het een meso isomeer en dus niet chiraal.
Lecture 2
Sachariden / Koolhydraten in de vorm [C(H20)]n
Bestaan in open structuur (Fischer) en in gesloten structuur (Haworth).
Simpelste vorm van een sacharide is in glyceraldehyde (figuur G).
Wanneer bij een Fischer projectie op de C het dichtste bij de CH 2OH groep
De OH groep rechts zit, dan is het in de D vorm en komt het in de natuur voor.
De OH groep links zit, dan is het in de L vorm en komt het niet in de natuur
voor.
De volgende structuren moeten we uit het hoofd kennen: (figuur H)
Figure G: Fischer projectie
van D-glyceraldehyde.
Horizontaal steekt naar
voren, verticaal steekt
naar achteren.
Figure H: Van links naar rechts: D-glyceraldehyde; D-ribose, D-glucose; D-mannose; D-galactose; D-fructose.
Epimeren zijn diastereomeren, waarbij de configuratie van één asymmetrisch centrum omgekeerd is:
 D-glucose en D-mannose zijn epimeren (inverse configuratie van koolstof 2)
 D-glucose en D-galactose zijn epimeren (inverse configuratie van koolstof 4)
 D-mannose en D-galactose zijn geen epimeren (inverse configuratie van koolstof 2 en 4)
Open sachariden worden gesloten sachariden door de volgende reactie (figuur J). In dit geval bevat de open
sacharide zowel de aldehyde- en de alcohol-groep van de reactie. In figuur K staat nog een weergave van hoe
deze reactie plaatsvindt.
Figure J: De reactie van een aldehyde en een alcohol tot een hemi-acetaat.
Eenzelfde soort reactie vindt plaats wanneer een hemi-acetaat en een
alcohol reageren tot een acetaat. Ook kan i.p.v. een aldehyde-groep een
keton-groep reageren. Er wordt dan een hemi-ketal gevormd.
Figure K: De open vorm van D-glucose wordt een gesloten vorm (pyranose boven,
furanose onder).
Lecture 3
Twee processen van polymerisatie
Stap-bij-stap polymerisatie
Keten polymerisatie
Evenwichtsreacties geregeld door
Thermodynamica
Kinetiek
Een reaction coordinate system is een grafiek weergave
van de reactie Y
Z (figuur L)
De reagerende stoffen zijn de reactants (Y).
De geproduceerde stoffen zijn de products (Z).
De transition state is de overgangstoestand tussen
twee stoffen.
Figure L: Een reaction coordinate system.
-
Het intermediair is een aparte stof welke een tussenstap is tussen twee stoffen.
De Eact is de hoogte van de drempel van de overgangstoestand. Deze wordt geregeld door de kinetiek.
De G wordt bepaald door thermodynamica. Het bepaald hoeveel energie een reactie oplevert of kost.
Als geldt de energie van het product hoger is dan voor de reactanten, dan is de reactie endotherm. Als de
energie van het product lager is dan voor de reactanten, dan is de reactie exotherm.
Voor thermodynamica geldt:
G  H   T S
Er zijn drie soorten reacties:
Additie
(door nucleofiel δ-)
Eliminatie (door elektrofiel δ+)
Substitutie (door radicaal)
Pijltjes bij een reactie geven aan hoe de elektronen verplaatsen. (Van nucleofiel naar elektrofiel.)
Additie (figuur M)
De elektronen van de pi-binding
vallen aan op de H+ van de HCl. De
elektronen van de HCl binding
verplaatsen naar de Cl. De elektronen
van de Cl- vallen aan op de C+.
Substitutie
Figure M: Voorbeeld van een additiereactie. De intermediair is
(onhandig) weergegeven in lichtblauw.
SN1 en SN2 reacties.
SN2 reactie (figuur N):
Een nucleofiel (= sterke base) valt aan op het C atoom waar een goede vertrekkende groep (= geconjugeerde
base van een sterk zuur). Deze stappen vinden plaats zonder intermediair.
Figure N: De SN2 reactie. Een sterk nucleofiel (OH-) valt aan en een geconjugeerde base van
een sterk zuur (Br-) verlaat het C atoom. Het “intermediair” reageert gelijk verder en
bestaat dus niet echt.
SN1 reactie (figuur O):
Kan alleen plaatsvinden op een tertiair koolstof atoom. Een
geconjugeerde base van een sterk zuur verlaat het tertiaire
koolstof atoom, waardoor een intermediair wordt gevormd
met een positief geladen koolstof atoom. Hierop kan
daarna een nucleofiel aanvallen.
Figure O: De SN1 reactie. Een Br- verlaat
het tertiair koolstof atoom, waarna een
nucleofiel (I-) kan binden.
Eliminatie
Twee soorten, E1 en E2:
E2 eliminatie (figuur P):
Bij de E2 eliminatie valt een nucleofiel aan op een H atoom aan
een koolstof, dat naast een koolstof zit die een goede
vertrekkende groep heeft. Er is dus een voorwaarde, dat er twee
koolstoffen naast elkaar zitten, waarvan er op zijn minst één een
goede vertrekkende groep heeft en de ander een H atoom.
E1 eliminatie (figuur Q):
Bij de E1 eliminatie vertrekt een vertrekkende groep uit zichzelf,
waardoor er een positief geladen C atoom achterblijft. Op dit
intermediair kan een nucleofiel aanvallen. Deze vorm van
eliminatie is regio selectief en vindt dus niet zomaar plaats.
Figure P: De E2 eliminatie. Nucleofiel CH3CH2Ovalt aan en vertrekkende groep Br- verlaat het
molecuul. Nu vormen de overige elektronen
een π binding.
Figure Q: De E1 eliminatie. De vertrekkende groep (X)
verlaat het koostof atoom. Er wordt een intermediair
gevormd. Nu kan een nucleofiel (B) aanvallen op de H van
het α koolstof atoom.
Wanneer gebeurt welke reactie?
Voor dit vak geldt:
Primaire koolstof  SN2 of E2
Secundaire koolstof  SN2 of E2
Tertiaire koolstof  SN1 of E1
-
Lage / kamer temperatuur  SN1 of SN2
Hoge temperatuur  E1 of E2
Dit is een benadering die bij dit vak wordt aangehouden. In het echt is het niet zo zwart en wit.
Voor de stabiliteit van intermediairs (in SN1 of E1) geldt:
Tertiair > Secundair > Primair > Methyl
Waar methyl het minst stabiel is.
Carbonyl groepen
De algemene carbonyl groep ziet er uit zoals hiernaast is weergegeven. Er zijn
meerdere variaties op deze groep, zoals:
Aldehyde: A of B is een koolstof groep en de andere is een waterstof.
Keton: Zowel A als B zijn koolstof groepen.
Formaldehyde: Zowel A als B is een waterstof.
Een uitwisseling van zijgroepen op een carbonyl groep kan door additie + eliminatie (≠ substitutie). De additie
(figuur R) is gelijk aan de reactie uit figuur J (open  gesloten sacharide).
Nadat de additie heeft plaatsgevonden, kan een eliminatie
plaatsvinden om een van de zijgroepen te verwijderen.
Voor een carbonyl groep met een nucleofiel geldt, hoe sterker het
nucleofiel is, hoe minder reactief de carbonyl groep is.
De sterkte van een nucleofiel is als volgt:
O- > NHR > OH > OR > Cl > R > H
Een andere regel is:
Zuur maakt elektrofielen elektrofieler.
Base maakt nucleofielen nucleofieler.
Figure R: Additie van een nucleotide op
een carbonyl groep.
Lecture 4
Waar bij sachariden de D-vorm de natuurlijke configuratie is, is de
natuurlijke configuratie voor aminozuren de L-vorm (figuur S).
Een peptide (sequentie van aminozuren) kan bekeken worden door:
Chromatografie / Massa spectroscopie
o Geeft alleen de verhouding van het aantal aminozuren t.o.v.
elkaar aan, niet de sequentie van het peptide.
Knippen van het peptide m.b.v. enzymen en de kleine peptide
stukjes vergelijken.
o Geeft wel een idee van de sequentie van het peptide.
Een peptide kan gevormd worden door:
Reductieve aminering
Strecker synthese
Figure S: D- en L- aminozuren in
Fischer projectie (boven) en in wedgeand-slash (onder).
Om succesvol twee aminozuren te kunnen koppelen, moeten een paar dingen gebeuren:
De groepen die niet mogen reageren, moeten worden beschermd zodat een reactie niet mogelijk is.
Soms is het nodig om een van de groepen die wel moet reageren te activeren.
Een manier van hoe dit vaak gedaan wordt is weergegeven in figuur T.
Twee soorten polymerisatie: keten en stap-bij-stap.
Keten polymerisatie
o D.m.v. additie (dus alleen met monomeren met π bindingen).
o M.b.v. radicalen / kationen / anionen
o 3 stappen (figuur U)
 Initiatie
 Propagatie
 Terminatie
Stap-bij-stap
o De essentie is steeds water te verdampen.
Figure U: De drie stappen van keten
polymerisatie.
Figure T: 1) Een aminozuur reageert met een tBOC anhybride om een tBOC aminozuur te vormen. De BOC
groep beschermt de NH2 zijde van het aminozuur. 2) Een tBOC aminozuur reageert met een molecuul (m.b.v.
DCC) om een goede vertrekkende groep aan de C zijde te plaatsen. Dit activeert deze kant. 3) Een aminozuur
reageert en zet een groep aan de C zijde, zodat deze niet meer kan reageren. 4) Onder invloed van CF3COOH
wordt de BOC groep verwijderd van het product van reactie 3. 5) Door additie en eliminatie vervangt product 4
de goede vertrekkende groep van product 2. Dit nieuwe product ditzelfde proces (additie + eliminatie) blijven
aangaan om zo het gewenste peptide te synthetiseren. 6) Onder invloed van HF kunnen beide beschermende
groepen van het peptide worden verwijderd. Het uiteindelijke peptide blijft over.
NB: Er wordt hier geen bescherming toegepast op de R groepen. Dit zal in realiteit wel moeten gebeuren.
Lecture 5
De farmaceutische industrie is ontstaan vlak na, en als gevolg van, kleurstoffen. Deze komen overeen in het
feit dat er veel elektronen shift is. De moleculen in kwestie hebben resonantiestructuren en bevatten vaak
benzeen groepen.
Regels voor resonantiestructuren:
1) Alleen elektronen kunnen verplaatsen
2) Alleen π- of vrije- elektronenparen
3) Het totaal aantal elektronen blijft gelijk (= geen ladingsverschil)
4) Sp3 koolstofatomen doen niet mee (voldoen al aan octet regel en accepteren dus geen elektronen)
5) Er worden geen σ-bindingen verbroken
Zoals eerder is behandeld, is een positieve koolstof
stabieler als deze zijn lading kan verdelen over
zoveel mogelijk atomen. Daarom geldt dat:
Een molecuul is aromatisch wanneer er in een doorlopende ring vorm:
Alle koolstoffen sp2 gehybridiseerd zijn.
Het aantal elektronen paren (π en vrij) oneven is
De substitutie van een substituent aan een benzeen gaat zoals in figuur U.
Figure U: Een substitutie aan een benzeen.
Bij dit soort reacties wordt veel gebruik gemaakt van een katalysator (zoals FeCl3). Eerst gebeurt een additie
van een elektrofiel (Cl+) op een van de π-bindingen, daarna zal een nucleofiel (FeCl4-) aanvallen op de H+,
omdat de ring graag zijn aromatisiteit terug wil krijgen. Gebruikelijke elektrofielen zijn: Br+, Cl+, NO2+, SO3+,
+
CH2CH3, O=C+CH3
In sommige gevallen moet voor een substitutie gebruik gemaakt worden van de
Friedel-Crafts reactie. Dit is eenzelfde soort reactie als in figuur U, maar hier wordt
gebruik gemaakt van een acyl of alkyl reagerende groep (deze hebben stabielere
carbocationen).
Wanneer een zij groep (R in figuur V) een elektronendonor is, maakt dit een
aromatische ring reactiever. Verdere reacties zullen substituenten op de ortho- en
para- posities zetten. (Figuur W)
Als deze R een elektronenacceptor (-zuiger) is, dan maakt dit de ring minder reactief.
Verdere reacties zullen substituenten op de meta- posities zetten. (Figuur X)
Figure W: Resonantiestructuren van een benzeen met een elektronen-donerende groep.
Figure X: Resonantiestructuren van een benzeen met een elektronen-zuigende groep.
Lecture 6
Niets nieuws besproken.
Figure V: Een benzeen
met zijgroep R. Rood =
ortho, groen = meta,
paars = para.
Lecture 7
Een carbonyl verbinding is polair. Het zuurstof atoom heeft een δ- lading en het koolstof atoom heeft een δ+
lading. Bij carbonyl groepen die zijn afgeleid van een zuur, zitten er als zijgroepen altijd atomen met
extra elektronen. Bij deze stoffen treedt resonantie op: ze zijn stabieler en minder reactief. Aldehydes en
ketonen hebben respectievelijk een H en C atoom als zijgroep. Bij deze stoffen treedt geen resonantie op: ze
zijn reactiever. Een koolstof kan nog enigszins elektronen delen, waterstof kan dit niet. Daarom zijn
aldehydes reactiever dan ketonen. Een carbonyl groep is goed voor het vormen van waterstof bruggen.
Wanneer een zwak nucleofiel aanvalt op een keton ontstaat er een evenwicht. Enkele voorbeelden van
nucleofielen:
Hydride (H-) van Na+BH4-, Li+AlH4-, NADH (in vivo)
Alkyl ion (R-) van Grignard moleculen
Deprotoneerde alcoholen
Amines
Zie figuur Y. Een hydride ion kan verkregen worden
door een hydride donor (Na+BH4-, Li+AlH4-, NADH). Het
hydride ion valt aan op de carbonyl koolstof en de π
binding tussen C en O verhuist naar de zuurstof. Dit
creëert een tetraëder, waarbij de negatieve lading op
de zuurstof wordt gestabiliseerd door de positieve
lading van Na+, Li+ of NAD+.
Als dit gedaan wordt op aldehydes en ketonen,
dan zal in een zure omgeving een alcohol worden
geproduceerd. Dit is een reductie reactie.
Als dit gedaan wordt op een afgeleide van een
zuur, dan zal de zwakste base van de (voorheen)
carbonyl koolstof worden geëlimineerd en wordt
de carbonyl verbinding hervormd.
Figure Y: Een hydride ion valt aan op de carbonyl koolstof.
Eerst op een zuurafgeleide (X is een goede vertrekkende
groep) en daarna op een aldehyde.
Een alkyl ion dat aanvalt op een carbonyl verbinding heeft hetzelfde mechanisme als voor het hydride ion. Het
alkyl ion wordt verkregen door een alkyl halide te behandelen met magnesium en diethylether. De magnesium
gaat tussen het alkyl en de halogeen zitten en zo wordt een Grignard molecuul verkregen. Een Grignard
molecuul reageerts als een R- en +MgBr. Op deze manier wordt een alkyl ion verkregen.
Als het alkyl ion aanvalt op een carbonyl verbinding zal dit leiden tot een alcohol. De carbonyl koolstof is nu
een asymmetrisch centrum en levert beide enantiomeren (wanneer in vivo een enzym deze reactie
katalyseert, wordt er maar één enantiomeer verkregen.
Wanneer aldehydes of ketonen met water in een zure omgeving worden behandeld, hydrateren deze.
Hydraten zijn echter heel reactief, dus vaak reageren ze gelijk terug naar een aldehyde of een keton. Hoe
reactiever een aldehyde of een keton is, hoe gemakkelijker een hydraat vormt.
Het waterstof atoom op de α koolstof (die naast de carbonyl
koolstof), het α waterstof atoom, is relatief zuur voor ketonen.
Basen kunnen dit proton dus verwijderen en een carbanion
maken. Dit carbanion heet een enolaat ion. Het enolaat ion
heeft resonantie, waarin hij de min lading op de zuurstof zet.
Nu kan ook een proton binden op de zuurstof. Het molecuul
wat nu gevormd is, is een alcohol.
De alcohol en de keton vorm zijn tautomeren (figuur Z). De
keton vorm is de keto tautomeer en de alcohol is de enol
tautomeer. Tautomeren ≠ resonantie, want ook een proton
verplaatst.
Figure Z: Keto-enol tautomerie.
Lecture 8
Recties op carbonyl koolstoffen zijn cruciaal in het maken van C-C verbindingen in de natuur. Deze kunnen
worden gemaakt door een aldol additie (condensatie reactie) zoals in figuur AA. De aldol reactie kan alleen
met ketonen en aldehyden. Een soortgelijke reactie kan voor esters. Dit heet een Claisen Condensatie (figuur
AB).
Figuur 1: Aldol condensatie reactie.
Figuur 2: Claisen condensatie reactie.
Wanneer een zuur groep een carbonyl groep op de β koolstof heeft, dan kan onder verhitting CO2 worden
uitgescheden (figuur AC). Het molecuul kan een ringvormige conformatie aannemen, waardoor het
gemakkelijk wordt voor het OH proton om terecht te komen op de dubbel gebonden zuurstof. Deze reactie
vormt CO2 en een enol tautomeer, welke snel omgezet wordt naar een keto tautomeer.
Figure AC: Een decarboxylerings reactie.
Robinson annulering:
Dit is een reactie waarin nieuwe ringstructuren worden gesynthetiseerd (door nieuwe C-C bindingen te
vormen), zie figuur AD. A) Een base wordt gebruikt om cyclohexanon te deprotoneren. B) De nieuw gevormde
π binding van A) valt aan op de plus lading (resonantie) van een methyleen aceton. Het protoneren van dit
product levert het product van C). C) Het uiteinde van de staart wordt gedeprotoneerd met een base, zodat de
terminale C een π binding vormt. D) De π elektronen vallen aan op de carbonyl koolstof, waardoor een nieuwe
ring wordt gevormd. De negatieve zuurstof wordt geprotoneerd. E) De hydroxy groep wordt geëlimineerd en
het molecuul wordt gedeprotoneerd (op eenzelfde wijze als in stap A)). Dit levert het product F).
Figure AD: Robinson annulering.
Vetzuren worden opgebouwd zoals in figuur AE. Eerst wordt een Claisen condensatie ondergaan tussen een
hoofd molecuul en een bouwsteen molecuul (boven de pijl, in dit geval malonyl). Het product van deze reactie
gooit de zwavel rest groep eruit, waarna er een “dubbel keton” ontstaat. Deze wordt daarna gereduceerd,
gedehydreerd en weer gereduceerd. Hierna ontstaat een molecuul, waaraan weer een bouwsteen kan worden
gezet.
Figure AE: Een vetzuur opbouw mechanisme. A staat voor reductie, B staat voor dehydratie.
Terpenen zijn moleculen die uit een meervoud van 5 koolstoffen zijn gemaakt. Terpenen
komen veel voor in het menselijk lichaam. De meest voorkomende bouwsteen hiervoor is
isopreen, welke rechts staat aangegeven.
Squaleen is ook een terpeen, en wordt gebruikt om
steroiden mee te steroïden mee te synthetiseren
(figuur AF). Squaleen “vouwt” dichter bij elkaar,
waardoor elektronen nieuwe bindingen kunnen
vormen onder invloed van enzymen.
Figure AF: Squaleen vouwt en vormt een steroïd.
Lecture 9
Er zijn meerdere manieren om moleculen te karakteriseren:
Elementen analyse:
-
Alleen verhoudingen van verschillende elementen worden gemeten.
Zegt niks over de samenstelling van een stof.
Massa spectrometrie:
-
Zegt iets over de molecuul massa van een stof.
Er is geen verschil te merken tussen verschillende isomeren.
-
Een molecuul wordt een positieve lading gegeven (ofwel door te protoneren, of een elektron weg te
schieten). De stof wordt dan als gas door een buis weggeschoten, waarna het door een magneet (Lorentz
kracht) wordt afgebogen. De plaats waar de stof terecht komt en wordt gemeten is specifiek voor die
massa: lading verhouding.
-
Pieken kunnen betekenen
o Echte molecuul
o Vervuiling
o Extra lading op het originele molecuul
o Fragmentatie
o Isotopen
Infrarood spectroscopie:
-
Elektromagnetisch spectrum wordt gemeten.
Metingen worden gedaan door de frequentie van de bindingvibraties te identificeren.
Bepaalde soorten bindingen / functionele groepen kunnen hierdoor geïdentificeerd worden.
-
Hoe hoger de energie, hoe hoger de frequentie, hoe lager de golflengte.
De frequentie is hoger wanneer:
o Elektronen gedoneerd worden door resonantie.
o Elektronen weggezogen worden door inductie.
o Er geen waterstofbruggen worden gevormd.
Absorptie (UV) spectroscopie:
-
-
Absorptie spectrum wordt gemeten.
π elektronen worden van de hoogste bezette orbitaal naar de laagst onbezette orbitaal geplaatst. Dit zorgt
voor een shift van π elektronen in het π systeem, waardoor licht wordt uit geabsorbeerd (en dus (niet)zichtbaar licht uitgezonden wordt.
Licht uit het UV/zichtbaar spectrum.
-
Chromofoor: het deel van het molecuul wat zorgt voor het UV/Vis spectrum. (π systeem)
Hoe langer het π systeem, hoe groter de golflengte wordt (en dus hoe meer naar het zichtbare spectrum).
Lecture 10
Fluorescentie:
-
Elektronen worden aangeslagen van de hoogste bezette orbitaal naar de laagste onbezette orbitaal. Dit
geeft energie aan het molecuul.
Het gepromote elektron valt terug naar zijn oorspronkelijke toestand. Energie wordt vrijgelaten als licht.
Kan alleen in moleculen met een (groot) π systeem.
NMR:
-
Identificeert het koolstof-waterstof framework (verhouding / aantal / locatie)
Wanneer moleculen in een magnetisch veld worden gebracht, kunnen sommige elementen ( 1H, 13C, 31P)
gebruikt worden om een signaal te genereren. De (up- / down-) spins van de kernen van deze elementen gaan
mee met / in tegen de richting van het magneetveld, respectievelijk parallel en antiparallel. Kernen die
antiparallel liggen zijn hoger in energie dan parallelle kernen, dus kan het energieverschil gemeten worden. Op
deze manier kunnen verschillende kernen met elkaar vergeleken worden. Het aangebrachte magneetveld B 0, is
niet gelijk aan het effectieve magneetveld op deze kernen, omdat de spins zorgen voor een eigen mee-/
tegenwerkende magneetveld. Beffectief  Baangebracht  Blokaal De rest van de uitleg zal gaan over het 1H
element.
Een NMR spectrum kan eruit zien zoals in figuur AG. In een dergelijk
spectrum geeft de y-as de intensiteit weer, en de x-as de
frequentie/chemical shift. Pas op: hoe hoger de frequentie, hoe
verder links het staat op de y-as.
Elke soort H’tje heeft bepaalde chemische eigenschappen, die
specifiek één bepaalde piek geven. Wanneer twee H’tjes niet
chemisch gelijk zijn, zullen ze een andere piek geven. Wanneer ze wel Figure AG: Een voorbeeld van een
gelijk zijn, zullen ze de zelfde piek geven en deze dus versterken. Hoe
NMR spectrum.
hoger de intensiteit van een piek is, hoe meer H’tjes met dezelfde
chemische eigenschappen aanwezig zijn. De verhoudingen van de
pieken komen overeen met de verhouding in H’tjes. Omdat met verhoudingen wordt gewerkt, zal een 2:6
verdeling een 1:3 spectrum geven. Er wordt altijd een referentie verbinding gebruikt om metingen van
verschillende NMR apparaten te kunnen vergelijken. De frequentie van deze verbinding wordt gelijk gesteld
aan 0 ppm. De meest voorkomende is TMS { Si(CH3)4 }.
Protonen hebben verschillende chemische eigenschappen afhankelijk van de zijgroepen van het C-atoom
waaraan ze vastzitten, of er wel of geen elektronen donatie plaatsvindt, of er wel of geen stereocentrum is
enz. Verschillende chemische verbindingen zorgen voor verschillende zuurgraad voor de protonen, welke op
zijn beurt zorgt voor een verschillende frequentie. Hoe zuurder het proton, hoe hoger de frequentie in
NMR.
Bij een NMR spectrum kunnen verschillende termen worden gebruikt:
Frequentie: Dit geeft de frequentie t.g.v. het effectieve magneetveld.
(De)shielded: Hoe meer elektronen een kern heeft, hoe meer tegenveld er wordt gegeven. Hoe meer
tegenveld er is, hoe lager het effectieve magneetveld (hoe lager de frequentie). Shielded komt van het
aantal elektronen dat de kern “beschermt” tegen het magneetveld.
Up-/down-field: Upfield is verder naar rechts in een NMR spectrum, downfield verder naar links.
Chemische verschuiving: Chemical shift. De verschuiving van een kern t.o.v. het referentiemolecuul
gegeven in δ [ppm].
Table 1: De bovengebruikte termen staan nu bij elkaar. In elke kolom staan woorden die met elkaar overeen
komen, terwijl woorden in een rij met elkaar verschillen.
Elektronen deficient
Deshielded protons
Downfield
High frequency
Large δ
Elektronen rich
Shielded protons
Upfield
Low frequency
Low δ
Splitting is het fenomeen dat ervoor zorgt dat een piek bestaat uit meerdere kleinere pieken. Dit gebeurt
wanneer de protonen van de ene koolstof niet gelijk zijn aan de protonen op de α koolstof. Op deze manier
verstoren de protonen van de ene koolstof die van de ander, en worden er meerdere kleine fluctuaties
gemeten. Deze fluctuatie zorgt voor de splitting van de pieken. Het aantal pieken dat je ziet is gelijk aan N+1,
waarin N gelijk is aan het aantal protonen op de α koolstof, dat chemisch verschilt met de protonen op de
huidige koolstof.
Lecture 11
Wanneer moleculen ontworpen moeten worden, moet rekening gehouden worden met hoe het molecuul
gesynthetiseerd moet worden. Hierbij moet gedacht worden aan de functie van het molecuul als gevolg van de
structuur. Er zijn twee manieren van molecuul ontwerp:
Begin bij een beginmolecuul en kijk hoe je vanuit daar naar het eind molecuul kan komen.
Retrosynthese: Probeer het molecuul theoretisch stap bij stap af te bouwen.
Figure AH: Een voorbeeld van een retrosynthese. Bij retrosynthese wordt gebruik gemaakt van een dubbele
pijl.
Bij retrosynthese moet je denken aan:
1) Transformeren van een functionele groep.
2) Groep aan een C-skelet zetten
3) C-skelet vergroten
4) Functionele groep van plaats veranderen*
5) Omlegging in C-skelet*
* = niet zo belangrijk
Lecture 12
Figure AJ: Synthese van ibuprofen.
Figure AK: Bescherming van een keton groep.
Voor acetoacetic esther synthesis, zie figuur 19.
Voor Robinson annulering, zie figuur AD.
Lecture 13
Lipiden:
 Lossen niet op in polaire omgeving.
 Lossen op in non-polaire omgeving.
Vetzuren
 Hydrofoob en hydrofiel deel
 Verhouding van deze delen bepaalt soort oplossing
o Verhouding ong. hetzelfde  bilaag
o Meer hydrofiel dan hydrofoob  micel
o Meer hydrofoob dan hydrofiel  omgekeerde micel
Verzadigde vetzuren:
Lager membraan fluïditeit
Geen π-bindingen
Rechte conformatie
-
Pakken dicht op elkaar
Onverzadigde vetzuren:
Hoger membraan fluïditeit
Wel π-bindingen
Conformaties met kinken
Kunnen niet dicht op elkaar pakken
Omega vetzuren = π-bindingen na 9e koolstof = moeilijk af te breken
Vetzuren + glycerol  triglyceride (figuur AL)
Lecture 14
Figure AL: Triglyceride. R bepaald
eigenschappen.
Terpenen = meervoud van 5 koolstoffen
Meestal (indien niet altijd?) opgebouwd uit isopreen (figuren AM, AN)
Figure AM: Koppeling van twee isoprenen. Dit gebeurt bijna altijd kop tot staart.
Figure AN: Koppeling van isoprenen. Merk op de analogie met vetzuur opbouw.
Steroïden, zoals cholesterol, hebben een bepaalde nummering (zie figuur AO). De zesringen komen het liefst
voor in hun “stoelvorm”, waarin andere ringen equatoriaal liggen.
Figure AO: Nummering steroïden.