Skelet formule

Terminologie

De skeletstructuur van een organische verbinding is de reeks atomen die aan elkaar zijn gebonden en die de essentiële structuur van de verbinding vormen. Het skelet kan bestaan ​​uit kettingen, takken en / of ringen van gebonden atomen. Andere skeletatomen dan koolstof of waterstof worden heteroatomen genoemd . ^[3]

Het skelet heeft waterstof en / of verschillende substituenten gebonden aan zijn atomen. Waterstof is het meest voorkomende niet-koolstofatoom dat aan koolstof is gebonden en, voor de eenvoud, niet expliciet wordt getekend. Bovendien worden koolstofatomen over het algemeen niet als zodanig direct gelabeld (dwz met een "C"), terwijl heteroatomen altijd expliciet als zodanig worden vermeld (dwz met "N" voor stikstof , "O" voor zuurstof , enz.)

Heteroatomen en andere groepen atomen die aanleiding geven tot relatief hoge snelheden van chemische reactiviteit, of specifieke en interessante kenmerken introduceren in de spectra van verbindingen, worden functionele groepen genoemd , omdat ze het molecuul een functie geven. Heteroatomen en functionele groepen zijn gezamenlijk bekend als "substituenten", aangezien ze worden beschouwd als een substituut voor het waterstofatoom dat aanwezig zou zijn in de moederkoolwaterstof van de organische verbinding in kwestie.

Basis structuur

Net als in Lewis-structuren worden covalente bindingen aangegeven door lijnsegmenten, waarbij een verdubbeld of verdrievoudigd lijnsegment respectievelijk dubbele of drievoudige binding aangeeft. Evenzo geven skeletformules formele ladingen aan die aan elk atoom zijn gekoppeld (hoewel alleenstaande paren meestal optioneel zijn, zie hieronder ). In feite kunnen skeletformules worden gezien als afgekorte Lewis-structuren die de volgende vereenvoudigingen in acht nemen:

• Koolstofatomen worden weergegeven door de hoekpunten (snijpunten of uiteinden) van lijnsegmenten. Voor de duidelijkheid: methylgroepen worden vaak expliciet uitgeschreven als Me of CH ₃ , terwijl (hetero) cumuleen koolstofatomen vaak worden weergegeven door een dikke stip in het midden .
• Waterstofatomen gehecht aan koolstof worden geïmpliceerd. Een ongelabeld hoekpunt vertegenwoordigt een koolstofatoom dat is gebonden aan het aantal waterstofatomen dat nodig is om aan de octetregel te voldoen , terwijl een hoekpunt dat is gelabeld met een formele lading en / of niet-bindende elektron (en) het aantal waterstofatomen heeft dat nodig is om te geven het koolstofatoom gaf deze eigenschappen aan. Eventueel kunnen acetylenische en formyl-waterstofatomen expliciet worden weergegeven ter wille van de duidelijkheid.
• Waterstofatomen gehecht aan een heteroatoom worden expliciet getoond. Het heteroatoom en de waterstofatomen die eraan vastzitten, worden meestal weergegeven als een enkele groep (bijv. OH, NH ₂ ) zonder expliciet de waterstof-heteroatoombinding te tonen. Heteroatomen met eenvoudige alkyl- of arylsubstituenten, zoals methoxy (OMe) of dimethylamino (NMe ₂ ), worden soms analoog op dezelfde manier weergegeven.
• Alleenstaande paren op carbeenkoolstoffen moeten expliciet worden aangegeven, terwijl alleenstaande paren in andere gevallen optioneel zijn en alleen worden getoond ter benadrukking. Daarentegen worden formele ladingen en ongepaarde elektronen op hoofdgroepelementen altijd expliciet getoond.

Bij de standaardafbeelding van een molecuul wordt de canonieke vorm (resonantiestructuur) met de grootste bijdrage getekend. De skeletformule wordt echter verondersteld de "echte molecule" te vertegenwoordigen, dat wil zeggen het gewogen gemiddelde van alle bijdragende canonieke vormen. Dus in gevallen waarin twee of meer canonieke vormen even zwaar bijdragen (bijvoorbeeld in benzeen of een carboxylaatanion) en een van de canonieke vormen willekeurig wordt gekozen, wordt aangenomen dat de skeletformule de ware structuur weergeeft, met equivalente bindingen van fractionele volgorde, ook al worden de gedelokaliseerde bindingen afgebeeld als niet-equivalente enkele en dubbele bindingen.

Hedendaagse grafische conventies

Sinds skeletstructuren werden geïntroduceerd in de tweede helft van de 19e eeuw, heeft hun uiterlijk een aanzienlijke evolutie ondergaan. De grafische conventies die tegenwoordig worden gebruikt, dateren uit de jaren tachtig. Dankzij de acceptatie van het ChemDraw- softwarepakket als de facto industriestandaard (bijvoorbeeld door de publicaties van American Chemical Society , Royal Society of Chemistry en Gesellschaft Deutscher Chemiker ), zijn deze conventies sinds eind jaren negentig bijna universeel in de chemische literatuur. . Een paar kleine conventionele variaties, vooral met betrekking tot het gebruik van stereobonden, blijven bestaan ​​als gevolg van de verschillende Amerikaanse en Britse en continentale Europese praktijken, of als een kwestie van persoonlijke voorkeur. ^[4] Als een andere kleine variatie tussen auteurs kunnen formele beschuldigingen worden weergegeven met het plus- of minteken in een cirkel of zonder de cirkel. De reeks conventies die door de meeste auteurs worden gevolgd, wordt hieronder gegeven, samen met illustratieve voorbeelden.

(1) Bindingen tussen sp ² en / of sp ³ gehybridiseerde koolstof of heteroatomen worden conventioneel weergegeven door waar mogelijk hoeken van 120 ° te gebruiken, waarbij de langste ketting van atomen een zigzagpatroon volgt, tenzij onderbroken door een dubbele cis -binding. Tenzij alle vier de substituenten expliciet zijn, is dit waar, zelfs wanneer stereochemie wordt afgebeeld met wigvormige of onderbroken bindingen ( zie hieronder ). ^[5]

(2) Als alle vier de substituenten van een tetraëdrische koolstof expliciet worden weergegeven, komen de bindingen met de twee substituenten in het vlak nog steeds samen bij 120 °; de andere twee substituenten worden echter meestal weergegeven met wigvormige en onderbroken bindingen (om stereochemie weer te geven) en hebben een kleinere hoek van 60-90 °.

(3) De lineaire geometrie bij sp-gehybridiseerde atomen wordt normaal weergegeven door lijnsegmenten die samenkomen op 180 °.

(4) Carbo- en heterocyclische groepen (3- tot 8-ledig) worden in het algemeen weergegeven als regelmatige polygonen; grotere ringmaten worden meestal weergegeven door concave polygonen.

(5) Atomen in een groep zijn zo geordend dat de binding uitgaat van het atoom dat direct aan het skelet is bevestigd. De nitrogroep (NO ₂ ) wordt bijvoorbeeld aangeduid als —NO ₂ of O ₂ N—, afhankelijk van de plaatsing van de binding. Daarentegen wordt de isomere nitrietgroep aangeduid met ONO, waarbij de binding aan weerszijden verschijnt.

In de onderstaande afbeelding wordt bijvoorbeeld de skeletformule van hexaan weergegeven. Het koolstofatoom gemerkt C ₁ blijkt slechts één binding, dus moet er ook drie waterstofatomen gebonden aan het, teneinde het totale aantal bindingen vier maken. Het koolstofatoom met het label C ₃ heeft twee bindingen met andere koolstofatomen en is daarom ook gebonden aan twee waterstofatomen. Ter vergelijking wordt een ball-and-stick-model van de feitelijke moleculaire structuur van hexaan, zoals bepaald met röntgenkristallografie , getoond, waarin koolstofatomen worden weergegeven als zwarte ballen en waterstofatomen als witte.

OPMERKING: het maakt niet uit vanaf welk einde van de keten u begint met nummeren, zolang u maar consistent bent bij het tekenen van diagrammen. De verkorte formule of de IUPAC-naam zal de oriëntatie bevestigen. Sommige moleculen zullen vertrouwd raken, ongeacht de oriëntatie.

Alle atomen die geen koolstof of waterstof zijn, worden aangeduid met hun chemisch symbool , bijvoorbeeld Cl voor chloor , O voor zuurstof , Na voor natrium , enzovoort. In de context van de organische chemie staan ​​deze atomen algemeen bekend als heteroatomen (waarbij het voorvoegsel hetero- afkomstig is van het Griekse woord ἕτερος [héteros], dat "andere" betekent).

Alle waterstofatomen die aan heteroatomen zijn gebonden, worden expliciet getekend. In ethanol , C ₂ H ₅ OH, wordt bijvoorbeeld het waterstofatoom dat is gebonden aan zuurstof aangeduid met het symbool H, terwijl de waterstofatomen die zijn gebonden aan koolstofatomen niet direct worden weergegeven.

Lijnen die heteroatoom-waterstofbindingen voorstellen, worden meestal weggelaten voor duidelijkheid en compactheid, dus een functionele groep zoals de hydroxylgroep wordt meestal als −OH geschreven in plaats van −O − H. Deze banden worden soms volledig uitgetrokken om hun aanwezigheid te accentueren wanneer ze deelnemen aan reactiemechanismen .

Hieronder ter vergelijking wordt een ball-and-stick-model (boven) weergegeven van de feitelijke driedimensionale structuur van het ethanolmolecuul in de gasfase, zoals bepaald met microgolfspectroscopie , de Lewis-structuur (midden) en de skeletformule (onder) .

Er zijn ook symbolen die symbolen van chemische elementen lijken te zijn , maar die bepaalde veel voorkomende substituenten vertegenwoordigen of een niet-gespecificeerd lid van een groep elementen aanduiden. Deze staan ​​bekend als pseudo-element symbolen of organische elementen en worden behandeld als univalente "elementen" in skeletformules. ^[6] Hieronder vindt u een lijst met veelgebruikte pseudo-symbolen:

Algemene symbolen

• X voor elk ( pseudo ) halogeenatoom (in de verwante MLXZ-notatie staat X voor een één-elektron-donorligand)
• L of L _n voor een ligand of liganden (in de gerelateerde MLXZ-notatie vertegenwoordigt L een donorligand met twee elektronen)
• M of Met voor metaal voorstelt ([M] wordt gebruikt om een geligeerde metaal geven, ML _n , wanneer de identiteit van de liganden onbekend of irrelevant)
• E of El voor elk elektrofiel (in sommige contexten wordt E ook gebruikt om een p-blokelement aan te duiden )
• Nu voor elke nucleofiel
• Z voor het vervoegen van elektronenzuigende groepen (in de gerelateerde MLXZ-notatie staat Z voor een nul-elektronendonorligand; in niet-gerelateerd gebruik is Z ook een afkorting voor de carboxybenzylgroep .)
• D voor een deuterium ( ² H) -atoom
• T voor een tritium ( ³ H) atoom

Alkylgroepen

• R voor elke alkylgroep of zelfs elke organylgroep (Alk kan worden gebruikt om ondubbelzinnig een alkylgroep aan te duiden)
• Ik voor de methylgroep
• Et voor de ethylgroep
• Pr, n -Pr of ⁿ Pr voor de ( normale ) propylgroep ( Pr is ook het symbool voor het element praseodymium . Echter, aangezien de propylgroep monovalent is, terwijl praseodymium bijna altijd driewaardig is, komt dubbelzinnigheid zelden of nooit voor in de praktijk. )
• i-Pr of ⁱ Pr ( i veelal scheef gedrukt) voor isopropyl groep
• Alles voor de allylgroep (ongebruikelijk)
• Bu, n -Bu of ⁿ bu het ( normale ) butyl groep
• i-Bu of ⁱ Bu ( i veelal scheef gedrukt) voor isobutyl- groep
• s -Bu of ^s Bu de secundaire butyl- groep
• t -Bu of ^t Bu de tertiaire butyl- groep
• Pn voor de pentylgroep ( of Am voor de synonieme amylgroep , hoewel Am ook het symbool is voor americium . )
• Np of Neo voor de neopentylgroep ( Waarschuwing: organometaalchemici gebruiken vaak Np voor de verwante neofylgroep , PhMe ₂ C–. Np is ook het symbool voor het element neptunium . )
• Cy of Chx de cyclohexyl- groep
• Advertentie om 1- adamantyl groep
• Tr of Trt voor de trityl- groep

Aromatische en onverzadigde substituenten

• Ar staat voor elke aromatische substituent (Ar is ook het symbool voor het element argon . Argon is echter inert onder alle gebruikelijke omstandigheden die in de organische chemie voorkomen, dus het gebruik van Ar om een ​​arylsubstituent weer te geven, veroorzaakt nooit verwarring.)
• Het voor elke heteroaromatische substituent
• Bn of Bzl voor de benzylgroep ( niet te verwarren met Bz voor benzoylgroep ; oude literatuur kan echter Bz gebruiken voor benzylgroep. )
• Dipp voor de 2,6-diisopropylfenylgroep
• Mes voor de mesityl- groep
• Ph, Φ of φ voor de fenylgroep ( het gebruik van phi voor fenyl neemt af )
• Tol voor de tolyl groep
• Is of Tipp voor de 2,4,6-triisopropylfenylgroep ( het eerste symbool is afgeleid van het synoniem isityl )
• Cp voor de cyclopentadienylgroep ( Cp was het symbool voor cassiopeium, een vroegere naam voor lutetium )
• Cp * voor de pentamethylcyclopentadienylgroep groep
• Vi voor de vinylgroep (ongebruikelijk)

Functionele groepen

• Ac voor acetyl groep (Ac is het symbool voor het element actinium echter actinium bijna nooit aangetroffen in organische chemie, zodat het gebruik van Ac de acetylgroep nooit leidt tot verwarring vertegenwoordigen.) ;
• Bz voor de benzoylgroep ; OBz is de benzoaat groep
• Piv voor de pivalyl ( t- butylcarbonyl) groep; OPiv is de pivalate groep
• Bt voor de 1-benzotriazolylgroep
• Ik ben voor de 1-imidazolylgroep
• NPhth voor de ftaalimide-1-yl-groep

Sulfonyl / sulfonaatgroepen

Sulfonaatesters verlaten vaak groepen in nucleofiele substitutiereacties. Zie de artikelen over sulfonyl- en sulfonaatgroepen voor meer informatie.

• Bs voor de brosyl ( p- broombenzeensulfonyl) groep; OBs is de brosylaatgroep
• Ms voor de mesyl (methaansulfonyl) groep; OMs is het mesylaat groep
• Ns voor de nosyl ( p- nitrobenzeensulfonyl) groep (Ns was het voormalige chemische symbool voor bohrium , toen niels bohrium genoemd ) ; ONs is de nosylate-groep
• Tf voor de triflyl (trifluormethaansulfonyl) groep; OTf is het triflaat -groep
• Nf voor de nonaflyl (nonafluorbutaansulfonyl) groep, CF ₃ (CF ₂ ) ₃ SO ₂ ; ONf is de nonaflate- groep
• Ts voor tosyl ( p- tolueensulfonyl) groep (Ts is ook het symbool voor het element tennessine . Tennessine komt echter nooit voor in de organische chemie, dus het gebruik van Ts om de tosylgroep weer te geven veroorzaakt nooit verwarring) ; OTS de tosylaat groep

Groepen beschermen

Een beschermende groep of beschermende groep wordt in een molecuul geïntroduceerd door chemische modificatie van een functionele groep om chemoselectiviteit te verkrijgen in een volgende chemische reactie, wat de meerstaps organische synthese vergemakkelijkt.

• Boc voor t- butoxycarbonyl groep
• Cbz of Z de carboxybenzyl groep
• Fmoc voor fluorenylmethoxycarbonyl groep
• Alloc voor de allyloxycarbonylgroep
• Troc voor de trichloorethoxycarbonylgroep
• TMS, TBDMS, TES, TBDPS, TIPS, ... van verschillende silylether groepen
• PMB voor de 4-methoxybenzylgroep
• MOM voor de methoxymethylgroep
• THP voor de 2-tetrahydropyranylgroep

Twee atomen kunnen worden gebonden door meer dan één paar elektronen te delen. De gemeenschappelijke bindingen met koolstof zijn enkele, dubbele en drievoudige bindingen. Enkele bindingen komen het meest voor en worden weergegeven door een enkele, ononderbroken lijn tussen twee atomen in een skeletformule. Dubbele bindingen worden aangegeven door twee parallelle lijnen en drievoudige bindingen worden weergegeven door drie parallelle lijnen.

In meer geavanceerde theorieën over bonding bestaan ​​niet- gehele waarden van bindingsorde . In deze gevallen geeft een combinatie van ononderbroken en onderbroken lijnen respectievelijk de gehele en niet-gehele delen van de bindingsorde aan.

• 

  Hex-3-een heeft een interne dubbele koolstof-koolstofbinding
• 

  Hex-1-een heeft een terminale dubbele binding
• 

  Hex-3-yne heeft een interne koolstof-koolstof drievoudige binding
• 

  Hex-1-yne heeft een terminale koolstof-koolstof drievoudige binding

Opmerking: in de galerij hierboven zijn dubbele bindingen in rood weergegeven en drievoudige bindingen in blauw. Dit is voor de duidelijkheid toegevoegd: meerdere bindingen worden normaal gesproken niet gekleurd in skeletformules.

Thiele-stijl: verenigde cirkel

Kekulé-stijl: afwisselende dubbele bindingen

Vertegenwoordigingen van aromatische benzeenring

In de afgelopen jaren wordt benzeen over het algemeen afgebeeld als een zeshoek met afwisselende enkele en dubbele bindingen, net zoals de structuur die oorspronkelijk door Kekulé in 1872 werd voorgesteld . Zoals hierboven vermeld, zijn de afwisselende enkele en dubbele bindingen van "1,3,5-cyclohexatrieen" opgevat als een tekening van een van de twee equivalente canonieke vormen van benzeen, waarin alle koolstof-koolstofbindingen dezelfde lengte hebben en een bindingsorde van 1,5 hebben. Voor arylringen in het algemeen leveren de twee analoge canonieke vormen bijna altijd de belangrijkste bijdrage aan de structuur, maar ze zijn niet equivalent, dus de ene structuur kan een iets grotere bijdrage leveren dan de andere, en de ordening van bindingen kan enigszins verschillen van 1.5.

Een alternatieve weergave die deze verplaatsing benadrukt, maakt gebruik van een cirkel, getekend binnen de regelmatige zeshoek van enkele bindingen. Deze stijl, gebaseerd op een stijl voorgesteld door Johannes Thiele , was vroeger heel gebruikelijk in inleidende handboeken over organische chemie en wordt nog steeds vaak gebruikt in informele omgevingen. Omdat deze afbeelding echter geen elektronenparen bijhoudt en niet de precieze beweging van elektronen kan weergeven, is het grotendeels achterhaald door de Kekuléan-afbeelding in pedagogische en formele academische contexten. ^[7]

Verschillende afbeeldingen van chemische bindingen in skeletformules

Stereochemie wordt handig aangegeven in skeletformules: ^[8]

• 

  Ball-and-stick-model van
  ( R ) -2-chloor-2-fluorpentaan
• 

  Skeletformule van
  ( R ) -2-chloor-2-fluorpentaan
• 

  Skeletformule van
  ( S ) -2-chloor-2-fluorpentaan
• 

  Skeletformule van amfetamine , die een mengsel van twee stereo-isomeren aangeeft: ( R ) - en ( S ) -

De relevante chemische bindingen kunnen op verschillende manieren worden weergegeven:

• Ononderbroken lijnen vertegenwoordigen verbindingen in het vlak van het papier of het scherm.
• Massieve wiggen vertegenwoordigen verbindingen die vanuit het vlak van het papier of scherm naar de waarnemer wijzen.
• Afgehakte wiggen of stippellijnen (dik of dun) vertegenwoordigen verbindingen die in het vlak van het papier of scherm wijzen, weg van de waarnemer. ^[9]
• Golvende lijnen vertegenwoordigen ofwel onbekende stereochemie of een mengsel van de twee mogelijke stereo-isomeren op dat punt.
• Een verouderde ^[10] afbeelding van waterstofstereochemie die vroeger gebruikelijk was in de steroïdechemie, is het gebruik van een gevulde cirkel rond een hoekpunt (soms respectievelijk H-punt / H-streepje / H-cirkel genoemd) voor een naar boven gericht waterstof atoom en twee hekjes naast hoekpunt of een holle cirkel voor een naar beneden wijzend waterstofatoom.
  

  Een kleine gevulde cirkel vertegenwoordigde een naar boven wijzende waterstof, terwijl twee hekjes een naar beneden wijzende waterstof vertegenwoordigden.

Een vroeg gebruik van deze notatie is terug te voeren op Richard Kuhn die in 1932 stevige dikke lijnen en stippellijnen gebruikte in een publicatie. De moderne vaste en gehashte wiggen werden in de jaren veertig geïntroduceerd door Giulio Natta om de structuur van hoge polymeren weer te geven , en uitgebreid gepopulariseerd in het leerboek Organic Chemistry uit 1959 door Donald J. Cram en George S. Hammond . ^[11]

Skeletformules kunnen cis- en trans- isomeren van alkenen weergeven. Golvende enkele bindingen zijn de standaardmanier om onbekende of niet-gespecificeerde stereochemie of een mengsel van isomeren weer te geven (zoals bij tetraëdrische stereocentra). Soms is een gekruiste dubbele binding gebruikt; wordt niet langer beschouwd als een acceptabele stijl voor algemeen gebruik, maar kan nog steeds vereist zijn voor computersoftware. ^[8]

Stereochemie van alkeen

Gebruik stippellijnen (groen) om waterstofbinding in azijnzuur aan te tonen .

Waterstofbindingen worden over het algemeen aangeduid met stippellijnen of stippellijnen. In andere contexten kunnen stippellijnen ook gedeeltelijk gevormde of verbroken bindingen in een overgangstoestand voorstellen .

• Organische moleculen tekenen van chemguide.co.uk