Uitwerkingen Bio-organische Chemie Werkcollege 1 1. Hoeveel protonen, neutronen en elektronen hebben de volgende elementen: a.
39K 19
c.
13C 6
b.
32S 16
d.
200Hg 80
a. 19 protonen, 19 elektronen, 20 neutronen. b. 16 protonen, 16 elektronen, 16 neutronen. c. 6 protonen, 6 elektronen, 7 neutronen d. 80 protonen, 80 elektronen, 120 neutronen. 2. Wat is het verschil en de overeenkomst tussen een ion en een isotoop? Verschil: een ion heeft van een specifiek atoom heeft een verschillend aantal elektronen als een neutraal isotoop van datzelfde atoom. Ook hebben dit ion en isotoop een verschillend aantal neutronen. Overeenkomst: beiden hebben hetzelfde aantal protonen. 3. Geef de elektronenconfiguratie van de volgende elementen/ionen en geef aan of het een element of ion is. a. C d. Ca b. Al e. Ca2+ c. Cl f. P a. [12C] = 1S22s22p2 = element b. [26Al] = 1S22s22p63s23p1 = element c. [35Cl]- = 1S22s22p63s23p6 = ion
d. [40Ca] = 1S22s22p63s23p64s2 element e. [40Ca]2+ = 1S22s22p63s23p6 ion f. [31P] = 1S22s22p63s23p3 element
4. Geef het aantal valentie-elektronen en teken de Lewisdots voor de elementen/ionen van vraag 3. a. 4 b. 3 c. 8 a)
C
d. 2 e. 0 f. 5 b)
Al
c)
Cl
d)
Ca
e)
2 Ca
a)
P
5. Teken een diagram van de elektronenconfiguratie van S en S2- volgens het Pauli principe, Hunds rule en het Aufbau principe. Pauli principe: een orbitaal kan maximaal 2 elektronen bevatten. Hunds rule: een elektron bezet eerst een leeg orbitaal van dezelfde energie voordat het een orbitaal bezet dat al een elektron bevat. Aufbau principe: elektronen bezetten eerst orbitalen van lagere energie voordat ze orbitalen van hogere energie gaan bezetten.
6. Zet de volgende atomen in volgorde van minst elektronegatief naar meest elektronegatief; F, N, Na, B, Cl Na, B, N, Cl, F (leer niet de getallen uit je hoofd maar schat dit in aan de hand van de positie in het periodiek systeem) 7. a. Welke vijf niet–covalente interacties zijn er? Licht ze toe. - Van der Waals krachten: zwakke tot zeer zwakke krachten tussen atomen of moleculen. Geïnduceerde dipool interactie. - Hydrofobe krachten: verbindingen met veel vd Waals interacties zijn apolair en hebben dus “een hekel aan water” (= hydrofoob). In water trekken hydrofobe verbindingen elkaar juist sterker aan (middels vd Waals krachten) waarbij dus de watermoleculen afgestoten worden. Doordat de hydrofobe moleculen elkaar opzoeken maken ze het oppervlak met de polaire watermoleculen zo gering mogelijk. - Waterstofbruggen: intermoleculaire kracht tussen een elektronenpaar van een sterk elektronegatief atoom (zuurstof, stikstof of fluor) en een naburig H-atoom gebonden aan een ander sterk elektronegatief atoom. - Dipool-dipool interacties: intermoleculaire krachten tussen permanente dipolen, het positieve deel van de dipool heeft een interactie met een negatief uiteinde van een polair molecuul. - Ionische krachten: Interactie tussen positief en negatief geladen moleculen b. Geef aan welke van de bij 1a. genoemde interacties tussen de volgende moleculen een rol spelen: i)
H 3C
H2 C
OH
H O H
ii)
H 3C
H2 C
OH
H 3C
Cl CH 2
O iii)
NH3
O
i) Waterstofbruggen en dipool-dipool interacties ii) dipool-dipool interacties, van der Waals krachten & iii) ionische krachten, dipool-dipool interacties en van der Waals krachten
8. a. Leg het begrip polarisatie uit. Polarisatie komt tot stand door een verschil in elektronegativiteit van twee atomen in een verbinding. Het meer elektronegatieve element trekt de elektronen in de binding meer naar zich toe. In een gepolariseerde binding is de elektronendichtheid dus niet eerlijk verdeeld tussen de twee atomen, maar groter in de buurt van het elektronegatievere atoom. b. Geef in de volgende polaire verbindingen de elektronen distributie weer met δ+ en δen de richting van het dipoolmoment (met een pijl): δ+ H ii) δ−O H δ+
δ+ δ− H Br
i)
iii)
δ+ δ− H3C F
H2 C δ− H3C δ+ OH
iv)
δ− δ− Cl δ− v) Cl C Cl δ+ Cl δ−
9. Geef van de onderstaande moleculen de hybridisatietoestand van de koolstofatomen aan en benoem de ruimtelijke structuur (e.g. tetraedrisch/trigonaal vlak/lineair) a.
O
b.
d.
c.
sp3 sp
a. sp
3
2
sp3 sp3 O
b.
sp sp
c.
sp3
sp
2
sp
2
sp3 sp2
d.
sp3
OH
sp2 sp2
sp3 sp3
OH
sp3
sp3 = tetraedrisch, sp2 = trigonaal planair en sp = lineair.
10. Zet de volgende moleculen op volgorde wat betreft de grootte van de hoeken, beginnend bij de grootste hoek: BH3, CH4, HCN en NH3. HCN>BH3 >CH4 >NH3. 180º
H
N C H 120º
B H
H
H 109.5º C H H H
106.6º
H
N H H H
H
11. De C-C binding in ethaan is vrij draaibaar; de twee CH3-groepen kunnen ten opzichte van elkaar draaien. De verschillende H C C H H H conformaties die door te draaien ontstaan hebben verschillende ethaan energieën. Tip: Gebruik de modellen bij deze vraag! a. Teken een kwalitatief energiediagram voor de conformaties van ethaan over een draaiing van 360º. Wat is de meest gunstige conformatie? zie bij b)
b. Teken in dezelfde figuur een energiediagram voor de conformaties van 1,2diioodethaan.
1,2-diiodoethaan
E
ethaan 30
60
90
120 150
180 210
240
270
300
330 360
torsiehoek (graden) c. Heeft 1,2-diioodethaan in de gunstigste conformatie een dipool moment? Nee, de dipolen “vallen samen” in het midden van het molecuul. d. En hoe zit dat met 1,1-diioodethaan? 1,1-diioodethaan heeft wel een dipoolmoment.
I
δ−
δ+ I
δ−
12. Vetzuren hebben een polaire kop en een lange lineaire staart. O OH
a. Waarom neemt de staart een lineaire vorm aan? De waterstofatomen zitten op die manier het verst van elkaar vandaan. H
O
H H
OH
H O H HH H
OH
I
δ+ δ−
I
δ−
δ+
b. Verklaar waarom als je een vetzuur in water oplost spontaan de onderstaande moleculaire structuren ontstaan? Dit proces heet self-assembly.
Door de hydrofobe interacties in de staarten zoeken deze elkaar op. Hierdoor wordt het contactoppervlak met de polaire watermoleculen minimaal. De zwakke dispersiekrachten (ofwel vd Waalskrachten) zorgen voor een zwakke binding tussen deze staarten. De polaire hydrofiele koppen keren zich juist naar water toe om daar polaire en H-brug interacties aan te gaan. Deze combinatie van niet-covalente interacties zorgt dat de bovenstaande 3 structuren kunnen ontstaan. 13.
Gamma-hydroxyboterzuur (GHB) was van oorsprong een narcosemiddel, maar tegenwoordig is het vooral bekend als een partydrug. De structuur van GHB is hieronder weergegeven: O OH HO GHB a. Verwacht je dat GHB goed oplost in water? Ja, want een CO2H groep is zeer polair en kan 4 H-bruggen accepteren en 1 doneren. Daarnaast is er ook de polaire OH groep aanwezig die 2 H-bruggen kann accepteren en 1 doneren. Het lipofiele gedeelte is realtief klein. b. Is de pH van een waterige oplossing van GHB kleiner of groter dan 7? Een CO2H groep ofwel carboxylzuur is zuur omdat het gemakkelijk een proton kan afstaan. De pH van een GHB oplossing is derhalve zuur en <7. c. Kun je GHB neutraliseren door toevoegen van NaOH of juist HCl? Omdat GHB zuur is heb je een base nodig om dit te neutraliseren. Hiervoor is dan de base NaOH geschikt. d. Geef de hybridisatietoestand van de koolstofatomen uit de figuur en benoem de ruimtelijke structuur. De CO2H groep heeft een 3-omringde C die dus sp2 gehybridiseerd. De resterende C’s zijn 4-omringd en dus sp3. Het heeft een lineaire structuur met een ruggegraat van sp3 C-atomen met daartussen dus enkele bindingen. Deze is flexibel maar neigt ernaar om toch lineair te zijn omdat dan alle atomen zo ver mogelijk van elkaar verwijderd zijn.
14. Benoem de functionele groepen van de onderstaande moleculen. Welke lost het beste op in water? O
O a.
OH
O
b. O
c.
O
H N
OH
d. H2N O
e.
O
NH2
f.
SH
Keton en alcohol, b)aldehyde en ester, c) ether en amine, d) carboxylzuur en amine, e) amide, f) thiol. Molecuul d lost het beste op in water omdat er een basisch amine evenals een zure carboxylgroep in zit. Hierdoor komt het molecuul ook voor als H2N+ en CO2- waardoor het een ionogeen en dus sterk polair karakter heeft. 15. Zet de volgende moleculen op volgorde wat betreft hun kookpunt, beginnend bij het hoogste kookpunt: a. CH4, CH3CH2CH3 en CH3CH2CH2CH3. Precies omgekeerd. Alles vd Waals. Hoe kleiner hoe minder dus hoe lager het kookpunt. b. CH3CH2OCH3, CH3CH2OH, CH3CH2CH3 en CH3CH2NH2. Eerst de alcohol want die is meest polair en vormt de sterkste H-bruggen, daarna het amine die dit alles ook heeft maar minder vanwege de mindere elektronegativiteit. Dan de ether die nog ietwat polair is. Propaan is met slechts zwakke vd Waals interacties de hekkensluiter. c. CH3CH2NH2, CH3CH2N(CH3)2 en CH3CH2NH(CH3). Eerst het primaire amine omdat deze het polairst is met de NH2 groep. Eveneens kan deze 2 H-bruggen doneren en eentje accepteren. Daarna die met een enkele CH3 groep want deze heeft een H-brug donor mogelijkheid minder. En degene met twee CH3 groepen sluit de rij af want hier geen H-bruggen meer. Het beetje vd Waals wat deze extra heeft is veel zwakker dan het opgeven van een H-brug.
