Kemisk bindning
- Atom- och molekylstruktur
Inläsningstips: Chang, kapitel 9.1-9.2, 9.6, 10.1, 10.3-10.5
Molekylers struktur
Hur ser molekylerna ut?
Varför ritar vi så här?
Hur går det här ihop med s-, p- och d-orbitalerna?
Vi behöver fler modeller för att förklara atomernas och molekylernas struktur!
Hur var det nu med s-, p- och d-orbitalerna?
Först en kort repetition!
Paracetamol
Kemisk bindning
• Repetition av orbitaler
• VSEPR
• Valensbindningsteori
• Hybridisering
• Resonans
• Funktionella grupper
Repetition
Orbitalteori vs Bohrs atommodell
Bohrs atommodell Orbitaler
K 2 e- 1s
L 8 e- 2s, 2px, 2py, 2pz
M 18 e- 3s, 3px, 3py, 3pz, 3dxy, 3dyz, 3dxz, 3dx2-y2, 3dz2
2 elektroner i varje orbital!
Repetition - Kvanttal
Översikt - samband mellan kvanttalen
n l ml Orbital
1 0 0 1s
2 0 0 2s
1 -1, 0 1 2px, 2py, 2pz
3 0 0 3s
1 -1, 0 1 3px, 3py, 3pz
2 -2, -1, 0, 1, 2 3dxy, 3dyz, 3dxz, 3dx2-y2, 3dy2 och så vidare…
Repetition - Orbitaler
s-orbitaler
p-orbitaler
d-orbitaler
Repetition - Elektronkonfiguration
Aufbau-processen
elektronkonfigurationen byggs upp stegvis...
C:
O:
1s2 2s2 2p2
1s2 2s2 2p4
Lewisstrukturer
Ett sätt att rita atomer är med hjälp av Lewisstrukturer.
Varje valenselektron illustreras med en prick.
En (kovalent) bindning bildas genom att två elektroner delas.
Li + F → Li + + F -
1s22s1 1s22s22p5 1s22s0 1s22s22p6
H + H → H H eller H-H
Periodiska systemet
Valence-Shell Electron-Pair Repulsion (VSEPR) model
Förutsäger geometrin hos en molekyl utifrån den
elektrostatiska repulsionen mellan elektronpar (bindande resp.
fria)
Valence-Shell Electron-Pair Repulsion (VSEPR) model
Förutsäger geometrin hos en molekyl utifrån den
elektrostatiska repulsionen mellan elektronpar (bindande resp.
fria)
AB2 2 0
Klass
# atomer bundna till centralatomen
# fria elektronpar
på central- atomen
Arrangemang av
elektronpar Geometri
linjär linjär
B B
Periodiska systemet
AB
2?
Valence-Shell Electron-Pair Repulsion (VSEPR) model
AB2 2 0
Klass
# atomer bundna till centralatomen
# fria elektronpar
på central- atomen
Arrangemang av
elektronpar Geometri
linjär linjär
B B
Cl Be Cl
2 atomer bundna till centralatomen 0 fria elektronpar på centralatomen
Valence-Shell Electron-Pair Repulsion (VSEPR) model
AB2 2 0 linjär linjär
Klass
# atomer bundna till centralatomen
# fria elektronpar
på central- atomen
Arrangemang av
elektronpar Geometri
AB3 3 0 trigonalt plan trigonalt plan
Periodiska systemet
AB
3?
Valence-Shell Electron-Pair Repulsion (VSEPR) model
AB2 2 0 linjär linjär
Klass
# atomer bundna till centralatomen
# fria elektronpar
på central- atomen
Arrangemang av
elektronpar Geometri
AB3 3 0 trigonalt plan trigonalt plan
Valence-Shell Electron-Pair Repulsion (VSEPR) model
AB2 2 0 linjär linjär
AB3 3 0 trigonalt plan trigonalt plan
AB4 4 0 tetraedrisk tetraedrisk
Klass
# atomer bundna till centralatomen
# fria
elektonpar på centralatomen
Arrangemang av
elektronpar Geometri
Valence-Shell Electron-Pair Repulsion (VSEPR) model
AB3E 3 1
AB4 4 0 tetraedrisk tetraedrisk
tetraedrisk trigonalt pyramidal
Klass
# atomer bundna till centralatomen
# fria
elektonpar på centralatomen
Arrangemang av
elektronpar Geometri
Valence-Shell Electron-Pair Repulsion (VSEPR) model
bindande e-par vs. bindande e-par
fritt e-par vs. fritt e-par
fritt e-par vs. bindande e-par
< <
Repulsionen mellan elektronpar påverkar bindningsvinkeln –
den stora repulsionen mellan fria e-par ger minskad bindningsvinkel mellan bindande e-par.
Valence-Shell Electron-Pair Repulsion (VSEPR) model
AB2 2 0 linjär linjär
AB3 3 0 trigonalt plan trigonalt plan
AB4 4 0 tetraedrisk tetraedrisk
AB5 5 0 trigonalt
bipyramidal
trigonalt bipyramidal
Klass
# atomer bundna till centralatomen
# fria
elektonpar på centralatomen
Arrangemang av
elektronpar Geometri
Valence-Shell Electron-Pair Repulsion
(VSEPR) model
oktaedrisk
Valence-Shell Electron-Pair Repulsion (VSEPR) model
AB2 2 0 linjär linjär
AB3 3 0 trigonalt plan trigonalt plan
Tabell 10.1 i Chang
AB4 4 0 tetraedrisk tetraedrisk
AB5 5 0 trigonalt
bipyramidal
trigonalt bipyramidal
AB6 6 0 oktaedrisk
Klass
# atomer bundna till centralatomen
# fria
elektonpar på centralatomen
Arrangemang av
elektronpar Geometri
Valence-Shell Electron-Pair Repulsion
(VSEPR) model
Kovalent bindning
Ok, VSEPR-teorin förklarar varför vi ser dessa geometrier
→ för att minimera repulsionen mellan elektronparen.
Men, hur går de ihop med strukturerna hos s-, p- och d-orbitalerna?
C 1s22s22p2 – 2 oparade e i 2p = 90 graders vinkel?!
O 1s22s22p4 – 2 oparade e i 2p = 90 graders vinkel?!
Kol (C); AB4 tetraedrisk
Syre (O); AB2E2 tetraedrisk
Paracetamol
Kovalent bindning
Det är intramolekylära kovalenta bindningar som bygger ihop molekylerna.
För att få en kovalent bindning måste två orbitaler överlappa!
Paracetamol
Det är orbitalernas överlappning som utgör bindningen!
• På långt avstånd ingen attraktion.
• På lagom avstånd skapas bindning.
• Om atomerna kommer för nära överlappar kärnorna, vilket är mycket ogynnsamt.
Repetition - Kovalent bindning
Förändring i elektron- densitet när två
väteatomer närmar sig varandra
Energi
Avstånd
Valensbindningsteori (Valence bond theory)
Valence bond theory
• Elektronerna i en molekyl befinner sig i respektive atoms atomorbitaler.
• Bindningar skapas genom att de olika atomorbitalerna
överlappar varandra, det vill säga när två orbitaler delar ett gemensamt område i rymden.
• Varje individuell atom är en del i molekylen och
tillsammans skapar atomerna molekylens bindningar.
Det är orbitalernas överlappning som utgör bindningen!
Olika typer av orbitaler (s, p, …) kan överlappa.
Kovalent bindning
H H H2
+
+
F F F2
H +
HF F
H:
1s1
H:
1s1
F:
1s22s2 2px2 2py2 2pz1 F:
1s22s2 2px2 2py2 2pz1 F:
1s22s2 2px2 2py2 2pz1 H:
1s1
Hybridisering
Vilken struktur har metan?
AB4 → tetraedrisk geometri!
Hur många valenselektroner finns det för bindning?
I grundtillståndet kan C bara binda två H via överlappande atomorbitaler (jfr Pauliprincipen).
H C
H H
H
Cgrund
2s2 2px1 2py1 2pz0
1s2 Hgrund
1s1
Hybridisering
Vilken struktur har metan?
• Fyra orbitaler kan nu vara med och skapa kovalenta bindningar till väte: 2s plus tre stycken 2p
• Alla bindningar i metan är lika enligt experiment!
• p-orbitalerna är ortogonala → 90° bindningsvinkel.
• Bindningsvinkeln är 109,5° (tetraedrisk) enligt experiment!
H C
H H
H
Cexciterad
2s1 2px1 2py1 2pz1
1s2
Hybridisering
Vilken struktur har metan?
• En s- och tre p-orbitaler omvandlas till fyra sp3-orbitaler.
• Varje sp3-orbital består av 25% s-orbital och 75% p-orbital
• Fyra sp3-orbitaler med en elektron i varje kan nu ge upphov till de fyra lika C-H bindningarna i metan med tetraedrisk
geometri.
H C
H H
H
sp3-orbitaler
pz px s
py
Hybridisering
Vilken struktur har metan?
Kolatomen i metan är sp3-hybridiserad!
H C
H H
H
109,5°
Hybridisering
Hybridorbitalerna riktar in sig så att de är så långt ifrån varandra som möjligt i rymden (jfr VSEPR-teorin).
Hybridisering
Vilken struktur har ammoniak?
AB3E → tetraedrisk geometri!
N-H bindningar via p-orbitalerna?
Nej! För låg bindningsvinkel (90o) för att förklara molekylgeometrin hos NH3.
NH3 är tetraedrisk till formen, därför kan vi utgå från att N är sp3-hybridiserad.
Ngrund
2s2 2px1 2py1 2pz1
1s2
Nexciterad
2s1 2px1 2py1 2pz2
1s2
pz
px py
90 grader mellan orbitalerna!
Hybridisering
Vilken struktur har ammoniak?
En s- och tre p-orbitaler omvandlas till fyra lika
sp3-orbitaler. I en av orbitalerna finns två elektroner, d.v.s. det odelade (fria) elektronparet.
sp3-orbitaler
pz px s
py
Hybridisering
Vilken struktur har ammoniak?
Kväveatomen i ammoniak är sp3-hybridiserad!
<109,5°
Hybridisering
Vilken struktur har berylliumklorid?
AB2 → linjär geometri!
Begrund
2s2 2px0 2py0 2pz0
1s2 Beexciterad
2s1 2px1 2py0 2pz0
1s2
px s
Hybridisering
Vilken struktur har berylliumklorid?
En s- och en p-orbital kombineras till två sp-orbitaler. Be- atomen är sp-hybridiserad med linjär geometri (AB2).
3p-orbital (från Cl)
sp-orbital (från Be)
sp-orbitaler s
px
Cl Be Cl
Hybridisering
Bildning av sp-orbitaler
Hybridisering
Vilken struktur har bortrifluorid?
AB3 → trigonal plan geometri!
Bgrund
2s2 2px1 2py0 2pz0
1s2 Bexciterad
2s1 2px1 2py1 2pz0
1s2
px py
s
Hybridisering
Vilken struktur har bortrifluorid?
En s- och två p-orbitaler kombineras till tre sp2-orbitaler. B- atomen är sp2-hybridiserad med trigonal plan geometri (AB3).
2p-orbital (från F)
sp2-orbital (från B)
sp2-orbitaler px
py s
B
F F
F
Hybridisering
Hur vet man hybridiseringen?
Räkna antalet fria elektronpar och antalet atomer bundna till centralatomen
# fria e-par och
# bundna atomer
exempel 2 (AB2)
3 (AB3)
4 (AB4, AB3E, AB2E2)
sp sp2 sp3
BeCl2 BF3
CH4, NH3, H2O hybridisering
Varför ritar vi paracetamol så här?
Hur kan vi förklara de här geometrierna och hybridiseringarna?
AB3, trigonalt plan, sp2
AB3, trigonalt plan, sp2 AB4, tetraedrisk, sp3
ABE2, trigonalt plan, sp2 AB2E2, tetraedrisk, sp3
- Men kol är väl sp3? - Men kol är väl sp3?
- Men syre är väl sp3?
Övning
Gruppera följande strukturer i riktiga eller
omöjliga molekyler.
Övning
Gruppera följande strukturer i riktiga eller omöjliga molekyler.
riktig riktig
riktig
omöjlig
omöjlig
Övning
Vilken geometri och vinklar bör följande molekyler ha enligt VSEPR modellen?
a) AlCl3 b) CCl4 c) CO2 d) NF3
Övning
Vilken geometri och vinklar bör följande molekyler ha enligt VSEPR modellen?
a) AlCl3 b) CCl4 c) CO2 d) NF3
är trigonalt plan och vinkeln mellan bindningarna är 120.
har en tetraedrisk geometri och vinkeln mellan bindningarna är 109.5.
har en linjär geometri och vinkeln är 180.
har en triagonalt pyramidal geometri (tre F och ett fritt elektronpar) och vinkeln mellan det fria
elektronparet och N-F bindningen är >109.5 och vinkeln mellan N-F bindningarna är <109.5.
Hybridisering
Varför ritar vi paracetamol så här?
Kan samma atomslag ha flera olika hybridiseringar?
AB3, trigonalt plan, sp2
AB3, trigonalt plan, sp2 AB4, tetraedrisk, sp3
ABE2, trigonalt plan, sp2 AB2E2, tetraedrisk, sp3
- Men kol är väl sp3? - Men kol är väl sp3?
- Men syre är väl sp3?
Dubbelbindningar
Exempel: Eten
Liknar BF3 strukturmässigt, plan molekyl, bindningsvinkel 120o vilket ger trigonal plan geometri runt kolen
→ sp2-hybridiserade kol?
1s2 2s2 2px1 2py1 2pz0
1s2 2s1 2px1 2py1 2pz1
2pz1
Cgrund
Cexciterad
sp2
Chybridiserad
sp2 + en p-orbital som blir över!
C C H H
H H
1s2
Dubbelbindningar
Exempel: Eten
2pz-orbitalen ligger vinkelrätt mot sp2-planet
C C H H
H H
C
2p-orbital
sp2-orbital
Dubbelbindningar
Exempel: Eten
p-elektrondensitet ovanför och under kärnplanets-elektrondensitet mellan atomkärnorna
C C H H
H H
Trippelbindningar
Exempel: Etyn (acetylen)
Liknar BeCl
2strukturmässigt, bindningsvinkel 180
ovilket ger linjär geometri
→ sp-hybridiserade kol?
C C H
H
1s2 2s2 2px1 2py1 2pz0
1s2 2s1 2px1 2py1 2pz1
Cgrund
Cexciterad
sp
Chybridiserad
sp + två p-orbitaler som blir över!
2pz1 2py1
1s2
Trippelbindningar
Exempel: Etyn (acetylen)
H C C HValensbindningsteori (Valence bond theory)
Valence bond theory
• Elektronerna i en molekyl befinner sig i respektive atoms atomorbitaler.
• Bindningar skapas genom att de olika atomorbitalerna
överlappar varandra, det vill säga när två orbitaler delar ett gemensamt område i rymden.
• Varje individuell atom är en del i molekylen och
tillsammans skapar atomerna molekylens bindningar.
• Ju större överlapp desto starkare bindning och kortare bindningslängd.
Styrka:
enkelbindning < dubbelbindning < trippelbindning
Hybridisering
Hybridorbitalerna riktar in sig så att de är så långt ifrån varandra som möjligt i rymden (jfr VSEPR-teorin).
Hybridisering
Varför ritar vi paracetamol så här?
AB3, trigonal plan, sp2
AB3, trigonal plan, sp2 AB4, tetraedrisk, sp3
ABE2, trigonal plan, sp2 AB2E2, tetraedrisk, sp3
AB3E, tetraedrisk?! Mätningar säger trigonalt plan geometri, vilket ger sp2 - Varför?
Hybridisering
Kolatomen
sp3-hybridisering:
2p __ __ __ 2p __ __ __ sp3 __ __ __ __
2s __ 2s __
1s __ 1s __ 1s __
grundtillstånd exciterat tillstånd sp3-hybridisering
Hybridisering
Kolatomen
sp
2-hybridisering:
2p __ __ __ 2p __ __ __ 2p __
sp2 __ __ __
2s __ 2s __
1s __ 1s __ 1s __
grundtillstånd exciterat tillstånd sp2- hybridisering
Hybridisering
Kolatomen
sp-hybridisering:
2p __ __ __ 2p __ __ __ 2p __ __
sp __ __
2s __ 2s __
1s __ 1s __ 1s __
grundtillstånd exciterat tillstånd sp-hybridisering
Hybridisering
Kväveatomen
sp
3-hybridisering:
2p __ __ __ 2p __ __ __ sp3 __ __ __ __
2s __ 2s __
1s __ 1s __ 1s __
grundtillstånd exciterat tillstånd sp3-hybridisering
Hybridisering
Kväveatomen
sp
2-hybridisering:
2p __ __ __ 2p __ __ __ 2p __
sp2 __ __ __
2s __ 2s __
1s __ 1s __ 1s __
grundtillstånd exciterat tillstånd sp2-hybridisering
Hybridisering
Kväveatomen
sp-hybridisering:
2p __ __ __ 2p __ __ __ 2p __ __
sp __ __
2s __ 2s __
1s __ 1s __ 1s __
grundtillstånd exciterat tillstånd sp-hybridisering
Hybridisering
Syreatomen
sp
3-hybridisering:
2p __ __ __ 2p __ __ __ sp3 __ __ __ __
2s __ 2s __
1s __ 1s __ 1s __
grundtillstånd exciterat tillstånd sp3-hybridisering
Hybridisering
Syreatomen
sp
2-hybridisering:
2p __ __ __ 2p __ __ __ 2p __
sp2 __ __ __
2s __ 2s __
1s __ 1s __ 1s __
grundtillstånd exciterat tillstånd sp2-hybridisering
Hybridisering
Resonans
• ”Skelettet” i en molekyl utgörs av s-bindningar.
• p-orbitaler som är riktade vinkelrätt mot s-bind- ningarna bildar ett gemensamt p-elektronsystem där elektronerna i dessa orbitaler kan röra sig fritt (= delokaliserade).
• Tre eller flera p-orbitaler i rad.
• Konjugerade dubbelbindningar
• Ex 1,3,5-Hexatrien
• Isolerade dubbelbindningar
• Konjugationsavbrott
• Ex 1,4-Hexadien H H
Resonans
Delokaliserade elektroner och resonansstukturer
• Hur kan vi rita en konjugerad molekyl och dess delokaliserade elektroner?
• Resonansstrukturer: olika strukturer som speglar en del av verkligheten.
• Verkliga molekylen är en ’hybrid’ av alla resonanstrukturer
• I resonansstrukturer bryter och skapar vi p-bindningar. Sigma (enkel) bindningar är inte involverade.
• 2 e- delade mellan 3 atomer, 4 e- delade mellan 3 atomer, kolet i mitten är mest e- rikt. syreatomerna är mest e- rika.
Resonans
Delokaliserade elektroner och resonansstukturer
Delokalisering av elektroner är stabiliserande.
Resonans i AMID
Omhybridisering av kväveatomen i amiden från sp3 till sp2 ger möjlighet till delokalisering av elektroner vilket
stabiliserar strukturen.
4 e-delade mellan 3 atomer, syreatomen är mest e-rikt.
Gynnsammaste resonansformen
Hybridisering
Varför ritar vi paracetamol så här?
AB3, trigonalt plan, sp2
AB3, trigonalt plan, sp2 AB4, tetraedrisk, sp3
ABE2, trigonalt plan, sp2 AB2E2, tetraedrisk, sp3 AB3E, MEN omhybridiserad till sp2 – med det fria
elektronparet i den ohybridiserade 2p-orbitalen.
Dominerande resonansform!
Dubbelbinding kräver sp2.
Övning
Vad har atomerna i föreningarna nedan för hybridisering?
Sufentanil, opioidanalgetikum (basisk anilid)
Övning
Vad har atomerna i föreningarna nedan för hybridisering?
Alla kol i
bensenringen
är sp2-hybridiserade
Övning
Vad har atomerna i föreningarna nedan för hybridisering?
Alla andra kol är sp3-hybridiserade.
Alla atomer som saknar markering är sp3-hybridiserade.
sp2
Övning
Hur många p- och s-bindningar?
1,1-Dikloreten innehåller både p- och s-bindningar. Hur många finns det av varje?
Beskriv hur de olika orbitalerna interagerar för att skapa alla bindningar i 1,1-dikloroeten.
H H Cl
Cl
1,1-dikloroeten
Övning
Hur många p- och s-bindningar?
1 p-bindning och 5 s-bindningar
1s (H) sp2 (C) 2p (C) 3p (Cl)
Funktionella grupper
Olika kombinationer av atomer ger olika funktionaliteter till molekylen, definieras som funktionella grupper.
Vilka funktionella grupper finns i paracetamol?
Alkohol
Amid
Funktionella grupper
De funktionella grupperna bestämmer molekylens egenskaper;
t ex om molekylen är en syra, en neutral förening eller en bas.
Opolära och oreaktiva Alkaner (CnH2n+2) och
cykloalkaner (CnH2n)
saknar funktionella grupper
Funktionella grupper
De funktionella grupperna bestämmer molekylens egenskaper;
t ex om molekylen är en syra, en neutral förening eller en bas.
Funktionell grupp
Hydroxylgrupp
Etergrupp
Aldehydgrupp
Ketogrupp
O
H O
O OH
Klass
alkohol
eter
aldehyd
keton
Struktur Hybridisering
sp3
sp3
sp2
sp2
Funktionella grupper
De funktionella grupperna bestämmer molekylens egenskaper;
t ex om molekylen är en syra, en neutral förening eller en bas.
Funktionell grupp
Karboxylsyregrupp
Klorokarbonyl
Alkoxikarbonyl
Amidgrupp
Struktur Klass
karboxylsyra
syraklorid
ester
N amid
O O O
Cl O
OH O
Sur!
Hybridisering
sp2 (resonans)
sp2
sp2 (resonans)
sp2 (resonans)
Funktionella grupper
De funktionella grupperna bestämmer molekylens egenskaper;
t ex om molekylen är en syra, en neutral förening eller en bas.
Klass nitril
amin
merkaptan el. tiol
sulfid el. tioeter nitroförening Funktionell grupp
Nitril-/cyanogrupp
Aminogrupp
Merkapto/tiolgrupp
Sulfidgrupp
Nitrogrupp
C N
NH2
S SH
Struktur
NO2
Basisk!
Hybridisering sp (resonans)
sp3
-
-
sp2 (resonans)
Övning
Vilka funktionella grupper hittar du igen i dessa läkemedelsmolekyler?
CH2 O
H
OH O
H
N H2
CH3 O OH
O2N
O NH O
H
O
Cl Cl H
S O O N H2
Cl N
H N O
Vitamin D3 Metyldopa
Kloramfenikol
Metolazon
Övning
Vilka funktionella grupper hittar du igen i dessa läkemedelsmolekyler?
CH2 O
H
OH O
H
N H2
CH3 O OH
O2N
O NH O
H
O
Cl Cl H
S O O N H2
Cl N
H N O
Vitamin D3 Metyldopa
Kloramfenikol
Metolazon
Funktionella grupper
Syror och baser
Karboxylsyra – SUR!
Amid
Amin – Basisk!
Funktionella grupper
Syror och baser
Funktionella grupper
Syror och baser Syrastyrka
pK
a-värden för karboxylsyror i vattenlösning
Se kap. 16.2
Funktionella grupper
Syror och baser Syrastyrka
Karboxylatjonen har resonans
Funktionella grupper
Syror och baser
Aminer reagerar basiskt i vatten
Amin – Basisk!
Aminer är svaga baser i vatten.
Funktionella grupper
Syror och baser
Syra- och basstyrka
En protonerad amin reagerar surt i vatten
Ammoniumjoner (protonerade aminer) är svaga
syror i vatten.
Funktionella grupper
Syror och baser
Syra- och basstyrka
Protolyskonstanten pK
aför en protonerad amin i
vattenlösning.
Funktionella grupper
Syror och baser
Syra- och basstyrka
pKa-värden för några enkla protonerade aminer Starkaste motsvarande bas?
I vattenlösning gäller sambandet: pKa + pKb = pKw = 14
1
2 3
4
Funktionella grupper
Finns det några sura eller basiska grupper i dessa läkemedelsmolekyler?
CH2 O
H
OH O
H
N H2
CH3 O OH
O2N
O NH O
H
O
Cl Cl H
S O O N H2
Cl N
H N O
Vitamin D3 Metyldopa
Kloramfenikol
Metolazon
Funktionella grupper
Finns det några sura eller basiska grupper i dessa läkemedelsmolekyler?
CH2 O
H
OH O
H
N H2
CH3 O OH
O2N
O NH O
H
O
Cl Cl H
S O O N H2
Cl N
H N O
Vitamin D3 Metyldopa
Kloramfenikol
Metolazon