ORGANİK KİMYA Dr. Serkan SAYINER [email protected] Prof. Dr. Meryem EREN’e teşekkürlerimle... Organik Bileşiklerin Karakteristik Özellikleri Özellikleri, Çizimleri, Fonksiyonel Gruplar Organik Bileşiklerin Karakteristik Özellikleri Tüm organik bileşikler karbon atomları içerir. Çoğu organik bileşik H atomları içerir. • Sayıların 10’un altında olan bazı bileşiklerde C—H bağı olmayabilir. C her zaman 4 kovalent bağ, hidrojen ise 1 kovalent bağ yapar. Karbon, periyodik tablonun 4A grubunda bulunur. Bu nedenle bir karbon atomunun bağ oluşumu için dört valans elektronu vardır. Organik Bileşiklerin Karakteristik Özellikleri Hidrojenin tek bir valans elektronu olması nedeniyle, metan (CH4), dört tek bağ içerir. Her biri hidrojen atomundan bir elektron ve karbon atomundaki bir elektron arasında olur. Organik Bileşiklerin Karakteristik Özellikleri C atomu, başka C atomları tek, çift ve triple(üçlü) bağlar yapabilir. Bir bileşik iki veya daha fazla karbon atomu içerdiğinde, bağlanma tipi karbon etrafındaki atom sayısıyla belirlenir. Organik Bileşiklerin Karakteristik Özellikleri Dört atomla çevrili bir C atomu, dört tekli bağ oluşturur. Etan’ daki (C2H6), her karbon atomu üç hidrojen atomuna ve bir karbon atomuna bağlanır. Bütün bağlar tek bağdır. Organik Bileşiklerin Karakteristik Özellikleri Üç atomla çevrili bir C atomu bir çift bağ oluşturur. Etilen (C2H4) 'de her karbon atomu üç atom ile çevrilidir (iki hidrojen ve bir karbon); Böylece, her C, her bir hidrojen atomuna tekli bir bağ oluştururken, karbona çift bağ oluşturur. Organik Bileşiklerin Karakteristik Özellikleri İki atomla çevrili bir C atomu genellikle bir üçlü bağ oluşturur. Asetilen (C2H2) 'de, her karbon atomu iki atom ile çevrilidir (bir hidrojen ve bir karbon); Böylece her C, hidrojene tekli bir bağ oluştururken, karbona üçlü bir bağ oluşturur. Organik Bileşiklerin Karakteristik Özellikleri Bazı bileşikler atom zincirleri halindedir, bazılarının ise halkaları vardır. Örneğin, üç karbon atomu, propan oluşturmak üzere bir sıra bağlanabilir veya siklopropan adı verilen bir halka yapı oluşturabilir. • Propan, gazlı ızgaralarda yakılan yakıttır. • Siklopropan ise bir anestezik maddedir. Organik Bileşiklerin Karakteristik Özellikleri Organik bileşikler C ve H dışında elementlerde içerebilir. • C ve H atomları dışındaki atomlar heteroatom olarak isimlendirilir. • Organik bileşiklerde en çok bulunan heteroatomlar N, O ve halojenlerdir (F, Cl, Br ve I). • Periyodik tablodaki yerine göre her heteroatom belli sayıda bağ oluşturabilir. • Çoğu heteroatomun başka atomla paylaşılmayan elektron çiftleri bulunur. Dolayısı ile her atom 8 elektron ile çevrilidir. Organik Bileşiklerin Karakteristik Özellikleri Azot (N), üç bağ oluşturur ve bir adet başka bir atomla eşleşmemiş elektron çifti (lone pair of electrons) vardır. Oksijen iki bağ oluşturur ve iki adet eşleşmemiş elektron çiftine sahiptir. Halojenler bir bağ oluştururlar ve üç adet eşleşmemiş elektron çiftine sahiptirler. Hidrojen dışında, organik bileşiklerdeki bu ortak elementler, birleşim kuralını izler: Organik Bileşiklerin Karakteristik Özellikleri • Oksijen ve Azot, Karbon ile hem tek hem de çoklu bağlar yapabilir. • Bir karbon ile heteroatom arasında oluşan bağlar arasında en sık görüleni C=O bağıdır. Yani karbonil grubudur. • Bir atom çoklu bağın bir parçası olduğunda bile bağlanma kalıpları aynı kalır. • Örneğin: Metanol (CH3OH) ve Formaldehid (H2C=O). Organik Bileşiklerin Karakteristik Özellikleri Erime ve kaynama noktaları, iyon yapılı birçok inorganik bileşiklerin aksine fazla yüksek değildir, genelde 300°C’ nin altındadır. -OH, -COOH, -NH2 gibi hidrofil grup içermeyenler suda çözünmezler, ama eter, benzen, kloroform, karbontetraklorür gibi hidrofob nitelikte olan organik çözücülerde çözünürler. Organik Moleküllerin Çizimi Organik moleküller sıklıkla bir çok atom içerir, bu yüzden yapılarını basitleştirmek için kısa metodlara ihtiyaç duyarız. Organik bileşikler için kullanılan iki temel kısaltma şekli vardır; • Kondens yapılar (Zincir yapılar) ve • İskelet yapıları (Halka yapılar). Kondens Yapılar (Zincir Yapıları) Kondens yapılar, çoğunlukla, bir halka yerine, birbirine bağlı bir atom zincirine sahip bileşikler için kullanılır. Aşağıdaki kurallar uygulanır. • Tüm atomlar çizilir, ancak iki elektronlu bağ çizgileri genellikle atlanır. • Heteroatomlardaki eşleşmemiş elektron çiftleri gözardı edilir. Kondens Yapılar (Zincir Yapıları) Kondens bir formülü yorumlamak için molekülün sol tarafından başlanır ve karbon atomlarının dört bağa sahip olduğunu unutulmamlıdır. • 3 H'ye bağlanan bir karbon CH3 olur. • 2 H'ye bağlı bir karbon, CH2'ye dönüşür. • 1 H'ye bağlı bir karbon CH olur. Bazen bu yapılar, benzer gruplar çevresinde parantezler kullanılarak basitleştirilir. Birlikte bağlanan iki CH2 grubu (CH2) 2 olur. Aynı karbona bağlı iki CH3 grubu (CH3)2C olur. Örnek Problem Bileşikleri kondens yapıya çeviriniz. Çözüm İskelet Yapılar (Halka Yapılar) Halkalar, sikloheksan ve siklopentanol için gösterildiği gibi, her bir köşede bir "karbon atomu« nun olduğu şekilde anlaşılan poligonlar olarak çizilir. • Halka üzerinde tüm karbonlar ve hidrojenler yazılmaz. Ancak H‘ ler heteroatomlara bağlanırsa yazılır. Fonksiyonel Gruplar Organik moleküller C-C ve C-H bağlarına ek olarak, farklı yapısal bileşenleride içerebilir. 20 milyondan fazla organik bileşik olmasına rağmen, bu moleküllere yapısal karakterlerini veren ve fonksiyonel grup olarak isimlendirilen bileşenlerin sayısı kısıtlıdır. Fonksiyonel Gruplar Fonksiyonel grup, karakteristik kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip bir atom veya atom grubudur. Fonksiyonel grup, heteroatom, çoklu bağ veya bazen hem heteroatom hem de çoklu bağ bulundurur. Bir fonksiyonel grup, bulunduğu molekülün şeklini, fiziksel ve kimyasal özellikleri ile katıldığı reaksiyon türlerini belirler. Fonksiyonel Gruplar Bir fonksiyonel grup, ister 2 ister 20 kadar karbon atomuna sahip olan bir karbon omurgasına bağlı olsun aynı davranır. • Bu nedenler, simgesel gösterimde molekülün karbon ve hidrojen omurgası «R» ile gösterilir. • Fonksiyonel grubda «R» a bağlı olarak gösterilir. Fonksiyonel Gruplar Örneğin; • Etanol (CH3CH2OH), karbon omurgasında 2 adet karbon ve 5 adet hidrojen atomları içerir. Bunların yanında bir adet OH grubu içerir ve bu molekülün fonksiyon grubudur, hidroksil grup. • Hidroksil grubu etanolun fiziksel özellikleri ve katıldığı reaksiyon tiplerini tayin eder. • Hidroksil grubu içeren herhangi bir organik molekülde etanole benzer özellikler gösterir. • Hidroksil grubu içeren bileşiklere «alkoller» denir. Fonksiyonel Gruplar En çok bulunan fonksiyonel gruplar; • Hidrokarbonlar • Yapılarında sadece C ve H elementleri bulunur. • Alifatik Hidrokarbonlar (Alkanlar, alkenler, alkinler) ve Aromatik hidrokarbonlar • Bir Heteroatoma Tek Bağ içeren Bileşikler • C-Z σ-bağı (Z bir elektronegatif elementtir.). • C=O (Karbonil) grubu içeren bileşikler. Hidrokarbonlar Hidrokarbonlar, yapısında sadece C ve H elementlerini içeren organik bileşiklerdir. • Alkanlar, yapısında sadece C—C tek bağları içeren ve fonksiyonel grubu olmayan bileşiklerdir. Ör. Etan (CH3CH3). • Alkenler, yapısında fonksiyonel grup olarak C=C çift bağı içeren bileşiklerdir. Ör. Etilen (CH2=CH2). • Alkinler, yapısında fonksiyonel grup olarak C≡C üçlü bağı içeren bileşiklerdir. Ör. Asetilen (HC≡CH). • Aromatik hidrokarbonlar, yapısında 3 çift bağlı 6 karbonlu benzen halkası içeren bileşiklerdir. Ethane Ethylene Acetylene Benzene Hidrokarbonlar Alkanlar dışında tüm hidrokarbonlar çoklu bağlar içerir. • Fonksiyonel grubu olmayan alkanlar çok sert koşullar dışında reaksiyona girmezler. • Örneğin sentetik plasit olan Polietilen yüksek molekül ağırlıklı bir alkandır ve —CH2— içeren çok uzun bir zincire sahiptir. Bu uzunluk yüzler hatta binleri bulabilir. Reaktif bölgesi olmadığı için oldukça kararlı bir bileşikdir ve kolayca parçalanmaz. Dolayısı ile depolama alanlarında yıllarca dayanabilir. Bir Heteroatoma Tek Bağ içeren Bileşikler Bir takım fonksiyonel gruplar, bir heteroatoma tek başına bağlanmış bir karbon atomu içerir. • Genel örnekler arasında alkil halojenürler, alkoller, eterler ve aminler bulunur. Bu işlevsel grupları içeren moleküller basit veya çok karmaşık olabilir. • Molekülün diğer bölümlerinde bulunan diğer unsurlar önemli değildir. Bir Heteroatoma Tek Bağ içeren Bileşikler Fonksiyonel grupları tanımlamak için küçük parçalara ayırmak en iyi yaklaşımdır. Örneğin; • İlk genel anestezik olan dietil eter bir eterdir çünkü iki C‘ ye bağlı bir O atomu vardır. • Esrar aktif bileşeni olan Tetrahydrocannabinol (THC) de bir eterdir, çünkü iki karbon atomuna bağlı bir O atomu içerir. • Bu durumda O atomu da bir halkanın parçasıdır. Bromomethane Methanol Dimethyl ether Methylamine Methanethiol Dimethyl sulfide C=O (Karbonil) grubu içeren bileşikler. Birçok farklı bileşik, bir karbon-oksijen çift bağ (C = O, karbonil grubu) içerir. Karbonil bileşikleri, aldehitler, ketonlar, karboksilik asitler, esterler ve amidleri içerir. Karbonil karbon—hidrojen, —karbon veya —bir heteroatoma bağlı atom tipi karbonil bileşiğinin spesifik sınıfını belirler. C=O (Karbonil) grubu içeren bileşikler. Aldehitleri, karboksilik asitleri ve esterleri çizmek için kondens yapı (zincir yapı) kullanılır. Bir aldehit, karbonil karbona doğrudan bağlı bir hidrojen atomuna sahiptir. C=O (Karbonil) grubu içeren bileşikler. Bir karboksilik asit, doğrudan karbonil karbona bağlı bir OH grubunu içerir. Bir ester, karbonil karbona doğrudan bağlı bir OR grubunu ihtiva eder Acetaldehyde Acetone Acetic acid Methyl acetate Acetamide Örnek problem Bileşiklerde yer alan fonksiyonel grupları tanımlayınız. C=C çift bağı içeren bir hidrokarbon bileşikdir. Dolayısı bir alkendir. Hidroksil (OH) grubuna bağlı bir C atomu bulunur. Dolayısı bir alkoldür. C=O (karbonil grup) çift bağı içerir ve buda halkada bulunan iki farklı C atomuna bağlıdır. Dolayısı ile bir ketondur. Organik Bileşiklerin İsimlendirilmesi Trival İsimlendirme, Sistematik İsimlendirme Trival İsimler Uzun zamandır varlığı bilinen organik bileşikler için çoğu kez bileşiğin kökeninden ya da niteliklerinden türetilen isimler kullanılmaktadır. Örneğin; karınca asidi (formik asit), şarap asidi (tartarik asit) Bugün de sistematik isimlendirilmesi çok kullanışsız olan bileşikler için trival isimlendirme kullanılmaktadır. Trival İsim: Kortizon Sistematik İsim:17α,21-dihidroksi-4-pregnen-3,11,20-trion Sistematik İsimlendirme Yapı formüllerinden köken alan belirli kurallara göre bir bileşiğin isimlendirilmesini ya da tersine bir bileşiğin isminden yapı formüllerinin ortaya konulmasını hedefler. Bir başka deyişle; Organik bileşiklerin yapı formüllerinden isimlerinin ya da isimlerinden yapısal formüllerinin oluşturulması hedeflenmiştir. International Union of Pure and Applied Chemistry • Uluslararası Temel ve Uygulamalı Kimya Birliği Sistematik İsimlendirme Organik bileşiklerin yapı elementleri iki gruba ayrılır. • Temel Karbon İskeleti: Dallanmamış asiklik ya da siklik veya dallanmış siklik ya da asiklik hidrokarbonlardan oluşmuştur. • Substitüentler: Küçük hidrokarbon gruplarından ya da fonksiyonel gruplardan oluşur. Temel Karbon İskeleti Substitüentler Siklik (Halka Yapılı Hidrokarbonlar) Siklopropan Benzen Siklobütan Naftalin Siklopentan Siklohekzan Antrasen Steran Benzipiren Sistematik İsimlendirme Temel karbon iskeletindeki H atomlarının başka substitüentlerle yer değiştirmesi ile oluşan bileşiklere organik bileşiğin türevleri adı verilir. İsimlendirmede temel C-iskeletinin önüne ya da sonuna önek- (prefix) ya da –sonek (suffix) halinde substitüentlerin adı eklenir. Sistematik İsimlendirme Bu isimlendirme şu kurallara göre yapılır; • En uzun ve dallanmamış C-zinciri temel C-iskeletinin ismini belirler. • Dallanma noktalarının verilmesinde, atom ya da atom grubunun bağlandığı C atomu mümkün olduğunca düşük numara alabilecek şekilde numaralandırma yapılır. • Çift bağların bulunduğu yerlerin de belirtilmesi zorunludur. • Birden fazla bulunan substituentler di, tri, tetra gibi örneklerle verilir. • İki atom ya da atom grubunun bağlandığı aromatiklerde atom ya da atom gruplarının bağlanma yerleri sayılarla ya da o-(orto-), m-(meta-), P- (para-) harfleri ile gösterilir. Tek bir substitüent varda bağlanma noktasını belirtmeye gerek yoktur. • Bir atom grubunda N bulunuyorsa, bu substituent N-kullanılarak belirtilir. Sistematik İsimlendirme Açık yapılı hidrokarbonların isimlendirilmesinde ana iskelet; • ön ek (prefix) + kök adı (parent) + son ek (suffix) Sistematik İsimlendirme Moleküldeki en uzun C zinciri ve bu zincirdeki C sayısı esas alınır. Kök adı buna göre belirlenir. Uzun zincirdeki C atomlarına numara verilir. • Molekülde üçlü bağ varsa, üçlü bağın yakın olduğu uçtan numaralandırmaya başlanır. • Üçlü bağ yoksa, ikili bağa dikkat edilir. • İkili bağ da yoksa, uzun zincire bağlı olan grupların yerleri mümkün olduğu kadar küçük sayılarla belirtilebilecek şekilde numara verilir. Önce grubun bağlı olduğu C numarası yazılır. "–" işaretinden sonra da grubun adı yazılır. Sistematik İsimlendirme Molekülde benzer gruplar varsa, grupların bağlandıkları karbonların numaraları ayrı ayrı yazılır. • Aynı alkil grupları, aynı C üzerinde iseler bu karbonunun numarası, grup sayısı kadar tekrarlanır. Ayrıca benzer grupların sayısını belirtmek üzere di-, tri-, tetra- ........ gibi ön ekler kullanılır. Gruplar alfabetik sıraya göre yazılmalıdır. Z; Zincir üzerindeki C sayısı esas alınarak kök adı söylenir. (Prop, büt, pent, hekz, hept ... hecelerinden biri). Sistematik İsimlendirme İskelet üzerinde bir tane üçlü bağ varsa kökten sonra – in eki getirilir. Üçlü bağ uçta değilse hangi numaralı karbondan sonra geliyorsa o rakam kökten önce yazılır. İskelette iki yerde üçlü bağ varsa hangi numaralı karbondan sonra geldikleri kökten önce yazılır. Kökten sonra ise di- -in son eki getirilir. Sistematik İsimlendirme Karbon iskeletinde üçlü bağ yok, fakat çift bağ varsa, eğer bir yerde ise –en veya –ilen eki getirilir. Çift bağ başta değil ise, hangi numaralı karbondan sonra geliyorsa, o rakam kökten önce yazılır. İskelette birden fazla çift bağ varsa yerleri kökten önce belirtilir. Kök heceden sonra ise di- -en, tri- -en ... gibi uygun son ek getirilir. Sistematik İsimlendirme Karbon iskeletinde üçlü bağ veya çift bağ yoksa, yani molekül doymuş bir hidrokarbon ise kök heceden sonra sadece –an eki getirilir. Bileşik halkalı ise "SİKLO" ön eki getirilir. Alkan bileşiklerinde 2'inci C atomunda yalnızca bir –CH3 dallanması varsa izo, 2 tane –CH3 bağlı ise neo ön ekiyle isimlendirme yapılır. Sistematik İsimlendirme Hem ikili bağ, hem de üçlü bağ içeren bir bileşikte bu grupları içeren en uzun zincir en düşük ön ek sayısı verecek şekilde numaralanır. Eğer bir seçim yapılacaksa, ikili bağ en düşük sayıyı alır. Adlandırmada ikili bağ için son ek üçlü bağ için olandan önce gelir. CH≡CCH=CHCH3 2-penten-4-in CH2=CH-C≡C-CH3 1-penten-3-in 6 5 4 3 2 1 Metil Grubu 3-metilhekzan Etil Metil 1 2 3 4 5 6 7 8 oktan Metil 5-etil-2,6-dimetiloktan Metil Grubu Benzen Metilbenzen (Toluen) etil siklopentan 5 4 3 1 2 propil 1-etil-2-propilsiklopentan Soru Bağlanmayı oluşturan C atomlarındaki H atomlarının her ikisinin de halka düzleminin aynı yanında bulunması ....izomerizm olarak tanımlanır. a. Trans b. Cis c. Konformasyon d. Delta e. Konstitüsyon Cevap : b SORULARINIZ ? Kaynaklar Eren, M. 2015. Organik Kimya Ders Notları • Prof. Dr. Meryem EREN’e teşekkürlerimle... Serpek, B. 2015. Organik Kimya. Nobel Akademik Yayıncılık Smith JG (2010). Organic Chemistry, 3rd Edition, McGraw-Hill. Smith JG (2012). General, Organic, & Biological Chemistry 2nd Edition, McGraw-Hill. Bir sonraki konu; Hidrokarbonlar Alkanlar, Alkenler, Alkinler, Aromatik Bileşikler