T.C ÇANAKKALE ONSEKĠZ MART ÜNĠVERSĠTESĠ EĞĠTĠM FAKÜLTESĠ FEN BĠLGĠSĠ ÖĞRETMENLĠĞĠ
DERS ADI: ORGANĠK KĠMYA DERS SORUMLUSU: YRD. DOÇ. DR. FATĠH DOĞAN HAZIRLAYAN: 100125039 GAMZE SAYAR (2.SINIF Ġ.Ö) TARĠH: 20.04.2012
ORGANĠK KĠMYA HAKKINDA GENEL BĠLGĠ Bir maddenin organik olup olmadığını nasıl tespit edersiniz? Karbon elementinin bileĢikleri organik bileĢikler olarak adlandırılır. Çünkü karbon bileĢiklerinin temel kaynağı canlı organizmalardır. Organik bileĢiklerde temel element karbondur. Organik bileĢik yakıldığında oluĢan CO2’nin kireçli suyu bulandırması ile karbonun varlığı tespit edilir. Organik bileĢiklerde karbon elementinin yanısıra çoğunlukla oksijen, hidrojen ve azot bulunur. Organik madde tüp içinde yakıldığında tüpün kenarında oluĢan su buharı ile hidrojen ve oksijen elementinin varlığı tespit edilir.Organik madde NaOH ile birlikte tüp içinde Ģiddetlice ısıtıldığında tüpün ağzına konulan kırmızı turnusol kağıdının rengi oluĢacak olan NH3’ten olayı mavi renk alır. Kırmızı turnusol kağıdının maviye çevrilmesi bazların karakteristik reaksiyonudur. Kimyasal bileĢikler,eski zamanlarda sağlandıkları kaynaklara göre organik ve anorganik (organik olmayan) olmak üzere iki iki sınıfta toplanmıĢtır.Bitkisel ve hayvansal kaynaklardan elde edilen ve yalnızca canlı organizmalar tarafından elde edilebileceğine inanılan bileĢikler için organik terimi kullanılmıĢtır.Bu grubun dıĢındaki bileĢikler ise anorganik bileĢikler olarak adlandırılmıĢtır. Ġlk defa 1828 yılında F. Wöhler,anorganik bir tuz olan amonyum siyanatı ısıtarak canlı organizma ürünü olarak bilinen üre'yi elde etmiĢtir.Bu yöntem ile organik bileĢiklerin yalnızca canlı organizmalardan elde edilebileceği inancını da yıkmıĢtır. HĠBRĠTLEġME Organik kimya, kimyanın bir alt baĢlığı olup karbon-karbon bağı içeren bileĢiklerin kimyasını inceler. Moleküller organik bileĢiklerin temel yapısını oluĢturur. Moleküller birbirlerine kovalent bağlarla bağlıdır. Erime ve kaynama noktaları düĢüktür, kolay buharlaĢırlar. Organik kimyayı anlayabilmek için öncelikle atomun yapısını ve kimyasal bağlanmasını çok iyi bilmek gerekir. 01. Atom Yapısı ve Orbitaller Atom, merkezinde (+) yüklü çekirdek ve etrafında elektronlardan meydana gelmiĢtir. Atomlar elektrikçe yüksüzdür ve temel tanecikleri protonlar, nötronlar ve elektronlardan oluĢmuĢtur. Taneciğin Adı
Sembolü
Bağıl Yükü
Yükü
Kütlesi (g)
Proton
p
+1
1,6x10-19
1,673x10-24
Nötron
n
0
0
1,675x10-24
Elektron
e
-1
-1,6x10-19
9,11x10-28
Bir elementin atom numarası (Z), proton sayısı (p) na eĢittir. Yüksüz atomalarda, proton sayısı (p) elektron sayısına (e) eĢittir. Kütle numarası (A) ise proton ve nötron sayılarının toplamınan eĢittir A= p + n
Elektronları çekirdek etrafında bir bulut Ģeklinde göstermek mümkündür. Bulutların yoğun olduğu yerlerde elektronların bulunma olasılığı fazladır ve bulutlar orbital olarak adlandırılır. Orbitaller s,p,d,f harfleriyle isimlendirilir.BaĢ kuantum sayısı (n) orbitalin temel enerji düzeyini, n2 ise orbital sayısını verir. Her orbitalde en fazla 2 elektron bulunur. n =1 ise sadece s orbitali n = 2 ise s ve p orbitali n = 3 ise s, p, d orbitali n = 4 ve yukarısında ise s, p, d, ve f orbitali bulunmaktadır. 01.01. Orbitaller 01.01.01. s orbitali S orbitali küresel simetrik bir yapı gösterir . En fazla 2 elektron alır. BaĢ kuantum sayısı büyüdükçe s orbitalinin enerjisi artar.
01.01.02. p orbitalleri Ġkinci veya daha üst temel enerjidüzeylerinde bulunur. Px, Py ve Pz olarak 3 orbitali vardir ve toplam 6 elektrona sahiptir.
01.01.03. d orbitali Üçüncü ve daha üst temel enerji düzeylerinde bulunur. 5 orbitali ve toplam 10 elektronu vardır. 01.01.04. f orbitali Dördüncü ve daha üst temel enerji düzeylerinde bulunur7 orbitali ve toplam 14 elektronu vardır.
Elektronlar orbitallere doldurulurken yukarıdaki sıra takip edilir. Önce cekirdeğe en yakın olan en düĢük enerjili olan 1s orbitalinden baĢlanır (Aufbau kuralı) Bir orbitalde en fazla iki elektron olabilir. Bu elektronların spinleri (dönme yönleri) farklı olmalıdır (Pauli kuralı)
Hund kuralına göre eĢit enerjili orbitallerin (px, py, pz) herbiri bir elektron almadıkça ikinci elektronu almazlar Bundan sonra organik kimya'yı bitkisel ve hayvansal organik bileĢiklerin yanısıra, doğada bulunmayan fakat sentez yolu ile elde edilebilen organik bileĢikleri inceleyen bir bilim dalı olarak tanımlayabiliriz.Bu bileĢiklerin tümü karbon atomu içerdiklerinden, organik kimyayı karbon bileĢikleri kimyası olarak da tanımlayabiliriz. Organik
bileĢikleri
aĢağıdaki
gibi
öncelikle
sınıflandırabiliriz.
01. Hidrokarbonlar Yapısında sadece C (karbon) ve H (hidrojen) bulunan bileĢiklerdir. Karbonlar tek bağlıysa doymuĢ hidrokarbonlar (alkanlar), halkalı yapılarda ise sikloalkanlar adını alır. Alkanlar (CnH2n+2) genel formülü ile gösterebiliriz. Karbon atomu 1 veya 2 karbona bağlanmıĢĢsa buna düz zincirli hidrokarbon denir.
Açık formüldede görüldüğü gibi C atomu 4 tane bağını yapmıĢ. BileĢiğin sonunda ve baĢında CH3 ler var. 3 tane karbon atomu olduğu için propan olarak adlandırılır. Eğer karbon atomu 2 denfazla karbona bağlanmıĢ ise dallanmıĢ hidrokarbon denir. *Düz zincirli hidrokarbonun baĢtan veya sondan ikinci karbonunda metil grubu varsa izo dallanma denir
*BaĢtan veya sondan ikinci karbonda bağlı iki metil grubu neo dallanma denir.
01.02. Alkil Grupları Alkanlardan bir hidrojen çıkarılması ise oluĢan gruplara alkil grubu denir. Genel olarak CnH2n+1 Ģeklinde gösterilir. Formül Adlandırma CH3- Metil CH3- CH2- Etil CH3- CH2- CH2- propil CH3- CH2- CH2- CH2- Bütil 01.03. Alkenler Yapısında bir veya daha fazla çift bağ içeren hidrokarbonlara denir. Genel olarak CnH2n olarak gösterilir. Yapısındaki pi bağı C-C bağı arasındaki dönmeyi engellediği için cis-trans zomeri meydana gelir.
01.04. Alkinler Yapısında C-C üçlü bağı içeren doymamıĢ hidrokarbonlardır. Genel olarak CnH2n-2 formülü ile gösterilirler.
ALKANLAR VE SIKLOALKANLAR (Halkalı bileĢikler) Organik kimya bilimine temel teĢkil eden en önemli özelliğin, karbon atomlarının birbirleri ile uzun zincirli bileĢikler oluĢturabilmesidir. Farklı zincir uzunluğunda molekül oluĢturabilme kabiliyeti sayısız molekül oluĢmasına sebep olmuĢ ve bu molekülleri ayrı ayrı öğrenmeyi imkansız kılmıĢtır. Dikkatlice bakıldığında bir çok benzer molekülün benzer özellik gösterdiğinin anlaĢılması üzerine, organik molekülleri kimyasal davranıĢları ve fonksiyonel gurupları dikkate alınarak sınıflandırmalar yapmak mümkün olmuĢtur. Daha önce fonksiyonel gruplar adı altında tanıtılmıĢ olan bu sınıflandırmalar dersimizin konusu olup tek tek incelenecektir.Ġncelemeye en basit organik moleküller olan alkanlar ve sikloalkanlardan baĢlanacaktır.Daha önceki konularda karbon-karbon arası tekli bağların SP3-SP3 hibritleĢmesi yapmıĢ orbitallerin üst üste çakıĢmasıyla oluĢtuğunu ve s bağı olarak adlandırıldığını görmüĢtük.Alkanlar ve hidrojenlerle doyurulmuĢ )s(karbonları arasında sadece tekli bağ içeren bileĢiklerdir. ġimdi sırası ile bunlardan bazılarını inceleyelim. Eğer bir tek karbon atomunun sp3 hibritleĢmiĢ dört orbitalini de hidrojenle doyurursak bir tek molekül yapısının mümkündür. Bu yapı alkanlar serisinin ilk üyesi en küçük molekülüdür, Metan diye adlandırılır. Çoğunlukla organik moleküllerin hidrojenli ortamda parçalanması sonunda ortaya çıkan uçucu bir gaz yapısındadır. Bu durum iki ve üç karbon zinciri içeren etan ve propan için de geçerlidir. Homolog ( birbirini takip eden) seriden propan’a kadar yalnızca bir tek molekül yapısı yazılabilirken, kapalı formülü C4H10 olan butan ve sonrasında ki moleküller için birden fazla molekül yapısı karĢımıza çıkar ki bunlara YAPISAL ĠZOMER denir. Bütan molekülünün yapısal izomerleri. Butan için iki değiĢik açık formül ( izomer) yazabildik. Organik moleküllerin uzun zincirli olması ve bir çok karbon ve hidrojen atomundan oluĢması çoğunlukla molekülü yazan kiĢi açısından zahmetli bir iĢ olduğundan kısaca çizgi formu diye adlandırılan yöntemle modelize edilir.
Pentan molekülü ve bundan sonraki moleküller zorunluluk gerekmediği durumlarda, daha açık gözükmesi ve yazımı zahmetsiz olduğu için çizgi formu ile incelenecektir. 3.2-IUPAC Ġsimlendirme kuralları Organik kimyanın yeni ortaya çıktığı zamanlarda bulunan her hangi bir molekül onun keĢfedicisi tarafından adlandırılıyordu. Fakat kimyadaki yeni bileĢikler o kadar çoğaldı ki bu tür isimlendirmeleri hatırlamak mümkün olmaz oldu. Bunun üzerine kurulan uluslar arası bir kimya kurulu IUPAC-oluĢturuldu. Bu isimlendirme karıĢıklığı için bir sıralama düzen getirilmiĢ oldu. Günümüzde tüm kimyacıların kullandığı bu adlandırma kurallarını basit olması açısından dallanmıĢ alkanlarda bir bir örneklerle inceleyelim. 1- Kimyasal formülün en uzun karbon zinciri bulunur ve ana isim olarak kullanılır. Not: En uzun zincir her zaman çizgisel yazılmayıp, yanıltıcı olabilir. 2-Eğer iki veya daha fazla dallanma varsa ve bunlardan en uzun zincirli olanı iki tane ise (birbirine eĢit) çok dallanmıĢ olanı ana yapı olarak kabul edilir.
3.3-SĠKLOALKANLAR Alkanlar, bu zamana kadar incelediğimiz gibi her zaman açık uçlu olmayabilirler. Bazen alkanların her iki ucu birleĢerek kapalı uçlu (-halkalı-) bileĢiklerde yapabilirler. Bunlara halkalı alkan anlamına gelen sikloalkanlar denir, ve alkanların adlandırılmasının önüne siklo- eki getirilerek yapılır.Tabiattaki bir çok doğal bileĢikler halkalar içeren molekül yapısına sahiptirler. Bunlara örnek olarak Krisantemum bitkilerinin çiçeklerinde ki böcek ilacı olarak da kullanılan Krisantemik asit siklopropan yapısını içermektedir.Ġnsan vücudundaki bir çok fizyolojik özellikleri kontrol eden Prostaglondinlerin yanında Stereoidler de halkalı doğal yapılara iyi birer örnektir.Sikloalkanların adlandırılmasında da IUPAC kuralları geçerli olmakla beraber, dikkat edilmesi gereken bazı hususlar Ģunlardır. Halkave açık zincirin ayrı ayrı uzunluklarına bakılır. alkilin karbon sayısı halkadan fazla ise ana yapı açık zincir, az ise ana yapı halkalı yapı olarak kabul edilir. 3.4-SIKLOALKANLAR DA CĠS-TRANS ĠZOMERLĠĞĠ Sikloalkanlar bir çok yönüyle alkanlara benzemekle beraber bazı farklılıkları da vardır. Örnek olarak iki atom arasındaki tekli bağlar aĢağıda gösterildiği gibi bağ etrafında dönebilirken, bu durum sikloalkanlarda halkalı yapıdan dolayı mümkün olmamaktadır. Halka yapısı bağın kendi etrafında dönmesini engellediği için sikloalkanların sabit bir yapısı vardır. Bu yapıyı oluĢturmak ve tanımlamakta önceden anlatılan ĠZOMER kavramını hatırlamak gerekmektedir. Halkalı bileĢiklerde halka yapısı büyüdükçe bu bileĢiklerin özellikleri açık uçlu olanlara daha fazla benzerler. Karbon sayısı 7 ( yedi) ye kadar olan yapılar hem halkalı bileĢiklerin spesifik özelliklerini gösterdiğinden hem de tabiatta çok bulunduklarından daha dikkate değerdirler.Halkalı bileĢikler çoğunlukla düzleme yayılan karbon atomları içerirler ve üç
boyutlu halinde bu düzlemin altında ve üstünde bağlı gurup bulundurabilirler bu üç boyutlu sıralanıĢtan kaynaklanan farklı yapılara birbirinin izomeri denir. 3.5- Alkanların genel özellikleri ve bazı reaksiyonları. Alkanların genel eldesi çoğunlukla doğal maddelerdendir. Örneğin doğal gazlar çoğunluğu metan olmak üzere, etan, propan ve butan içermektedirler. Petrol ise karbon sayısı 4 ten 25’e kadarı rafinerilerde tüp gaz, petrol türevleri ( benzin-mazot-gaz yağı), asfalt gibi maddelere ayrılmaktadır. Kömürde belli ortamda ( sulu ve metal katalizörlü ) metan gazı üretmektedir. Alkanlar kimyasal reaksiyonlara oldukça isteksizdirler ve belirgin bazı reaksiyonları vardır. 1-Yanma reaksiyonları: Daha öncede anlatıldığı gibi alkanlar çoğunlukla enerji kaynağı (yakıt) olarak kullanılmaktadır. Yanma oksijenli ortamda olurken iyi bir yanmada karbondioksit ve su ortaya çıkmaktadır. Tam bir yanma sonucunda evlerde kullanılan tüp gaz (LPG- Liquid Petrolium Gas) yada arabalarda kullanılan benzin (Oktan) sonucunda molekülde bulunan karbon sayısı kadar karbondioksit ve hidrojen atomlarının yarısı kadar da su oluĢur. 2-Halojenleme reaksiyonları : IĢıklı ortamda alkanların hidrojenleri halojenlerle yer değiĢtirme tepkimesi vermektedirler.Butan durumunda daha sonra açıklanacağı üzere 1-Bromobutan yerine daha kararlı ürün olan 2-Bromobutan oluĢmaktadır. 3-Alkan eldesi: a) Alkanlar nikel ve paladyum gibi metallerin katalizörlüğü yardımı ile alkenlerden katılma reaksiyonu sonucu elde edilebilirler.Çözücü olarak genelde etanol kullanılır 01. Alkanların elde ediliĢleri 01.01. Wurt reaksiyonu Ġki alkil halojenürlerin sodyum metaliyle reaksiyonu sonucunda elde edilir. 2R-X + 2Na
R-R + 2 NaX
(R= CH3- veya CR3)
Halojenürün bağlı olduğu bağ kırılarak C-C bağı oluĢmaktadır. 01.02. Corey- House Alkan Sentezi Lityum dialkil küprat bileĢikleri alkil halojenürleriyle reaksiyona girerek alkan oluĢturur. Reaksiyonda verim çok yüksektir.
01.03. Grignard Reaksiyonları Kuvvetli nükleofilik bileĢiklerdir. Zayıf asidik hidrojen içeren bileĢiklerle reaksiyona girerek hidrokarbonları oluĢtururlar.
3.DoymamıĢ hidrokarbonlardan: DoymamıĢ hidrokarbonların katalizör yardımıyla H’ile doyurulmasından alkanlar elde edilir
4.Organik Asit tuzlardan;Karboksilik asit tuzlarının, sodyum hidroksitle tepkimelerinden alkanlar elde edilir. (Dekarboksilasyon)
METANIN ÖZEL ELDESĠ
Yine metan CO in H2 ile tepkimesinden elde edilir.
Bu tepkimenin tersi yüksek sıcaklıkta gerçekleĢir ve bu olayda oluĢan ürünlerin karıĢımına Su gazı (CO + 3H2) denir.
