Chemie 7e ed - Hoofdstuk 10 - Koolstofchemie oefentoetsen & antwoorden

Het achterhalen van de molecuulstructuur van een stof.Massaspectrometrie vindt plaats in de volgende stappen:Ionisatie: moleculen van de onbekende stof worden beschoten met elektronen. Het molecuul verliest een elektron en wordt dan positief geladen.Fragmentatie: door verlies van het elektron is het molecuul verzwakt, waardoor het in fragmenten uiteen valt. Afbuiging: door de aanwezigheid van een elektrisch veld dat loodrecht op de bewegingsrichting van de ionen staat, buigen de elektronen af (afhankelijk van de massa en de lading van het ion).Scheiding: de verschillende fragmenten worden gescheiden op grond van de massa van de positief geladen fragmenten.Deze piek stelt het meest voorkomende fragment voor.De hoogte van de lijnen geeft aan hoe vaak een bepaald fragment voorkomt in vergelijking met fragmenten met andere waarden voor m/z.De bindingshoeken zijn 109,5o, 120o en 180o.Een belangrijk verschil is de grote gevoeligheid van aldehyden voor oxidatoren. Ketonen reageren niet of nauwelijks met oxidatoren. Een aldehyde is een goede reductor en kan vrij gemakkelijk reageren tot een carbonzuur. Ketonen zijn geen goede reductoren.De chemische reactie waarbij een molecuul met een estergroep wordt gevormd, is een condensatiereactie. Hierbij zijn twee beginstoffen nodig: één die een carbonzuur bevat en één die een alcoholgroep bevat. Een asymmetrisch C-atoom is een C-atoom in een molecuul dat met vier verschillende groepen verbonden is, waardoor er geen spiegelvlak rond dat C-atoom aanwezig is. Een verklaring voor de verschillen in kookpunt zou kunnen zijn dat de cis-variant een dipoolmoment heeft en de trans-variant niet. Door het dipoolmoment trekken de moleculen van de cis-variant elkaar sterker aan dan de  trans-variant. Daardoor heeft de cis-variant een hoger kookpunt dan de  trans-variant.In het massaspectrum zullen voor broom pieken te vinden zijn bij m/z = 79 en bij m/z = 81. Deze pieken hebben dezelfde intensiteit, omdat in BINAS Tabel 25 te vinden is dat er twee isotopen voor broom te vinden zijn in de natuur: 79Br en 81Br. Het voorkomen in de natuur is 50% voor de ene en 50% voor de andere variant. Vandaar dat de pieken een gelijke intensiteit zullen hebben. Het moleculair ion heeft de grootste m/z-waarde, omdat het moleculair ion nog niet gefragmenteerd is. De waarde die hierbij hoort voor nonaan is m/z = 128.De piek met de grootste intensiteit, heeft een intensiteit van 100%. Dat is in dit geval de piek bij m/z = 43. In BINAS Tabel 39D is te zien dat een piek bij m/z = 43 afkomstig kan zijn van CH3CO of van C3H7. Omdat er al duidelijk is dat het massaspectrum afkomstig is van nonaan, is de aanwezigheid van een O-atoom in de structuurformule niet mogelijk. Vandaar dat C3H7 hoort bij de piek met m/z = 43. Allereerst is het van belang te bedenken met welk molecuul je hier te maken hebt. Het is nonaan, dus een keten van negen C-atomen op een rij met enkele bindingen, maar zonder vertakkingen. In BINAS Tabel 39D is te zien welke reeks van pieken zichtbaar is bij onvertakte alkanen, namelijk: 29, 43, 57, 71, … Bij deze reeks wordt er telkens een m/z-waarde van 14 bij opgeteld, die afkomstig is van -CH2. De piek bij m/z = 43 is afkomstig van C3H7 heb je bij opdracht b gezien. Om bij een m/z-waarde van 99 te komen, moet er vier keer een m/z-waarde van 14 bijgevoegd worden, dus vier keer een -CH2. De piek bij m/z = 99 is dus afkomstig van C7H15.  Een keton betekent dat er midden in de koolstofketen een C-atoom verbonden is met een O-atoom. De massa van C is 12,01 u en die van O is 16,00 u. Als tijdens de fragmentatie de bindingen tussen de C-atomen in de koolstofketen breken, blijft er ergens een fragment over van C=O. De m/z-waarde die daarbij hoort is 28 en dat duidt dus op een keton.De piek van m/z = 28 wordt bij de uitwerking van opdracht a beschreven. De piek met m/z = 57 kan als volgt worden verklaard: in BINAS Tabel 39D wordt een piek bij m/z = 57 beschreven als onderdeel van een reeks binnen een onvertakt alkaan. Vandaar dat de eerste gedachte zou zijn dat deze piek zou kunnen duiden op C4H9. Echter, in de tekst staat dat dit een keton is, dus ergens in het molecuul (maar niet op het eerste en laatste C-atoom) moet een O verbonden zijn. Vandaar dat de piek bij m/z = 57 duidt op het fragment C3H5O.Butan-2-onBij dit molecuul is geen spiegelbeeldisomerie mogelijk, omdat er geen asymmetrisch C-atoom aanwezig is. Ga de C-atomen van links naar rechts maar eens na op de aanwezigheid van vier verschillende zijgroepen:Het eerste C-atoom is verbonden met drie H-atomen en een CH2-groep. Het tweede C-atoom is verbonden met een methylgroep, een O-atoom en een ethylgroep.Het derde C-atoom is verbonden met een methylgroep, twee H-atomen en de CH3CO-groep.Het vierde C-atoom is verbonden met één C-atoom en drie H-atomen. Een alkoxyalkaan wordt ook wel een keton genoemd, bijvoorbeeld butan-2-on met de molecuulformule C4H8O. Een alkanol met dezelfde molecuulformule zou butaan-2-ol kunnen zijn. Een voorwaarde voor twee moleculen om isomeren van elkaar te zijn, is dat ze dezelfde molecuulformule hebben, maar een andere structuurformule. In dit geval van een alkoxyalkaan en een alkanol is dat zo.  PropylethanoaatVoorbeelden van goede antwoorden zijn:m/z = 102, afkomstig van het moleculair ion. m/z = 43, afkomstig van C3H7, dit fragment wordt gevormd doordat de binding tussen de propylgroep en de estergroep wordt verbroken. De m/z-waarde van 43 kan eventueel ook afkomstig zijn van het fragment CH3CO, wat wordt gevormd wanneer de binding tussen C=O en OC3H7 wordt verbroken.m/z = 73, afkomstig van CH3COOCH2, dit fragment wordt gevormd doordat de binding tussen CH2CH3 en de rest van het molecuul wordt verbroken.m/z = 59 , afkomstig van OC3H7, dit fragment wordt gevormd doordat de binding tussen O en C=O wordt verbroken.In etheen is er geen cis-trans isomerie mogelijk. Er is weliswaar een dubbele binding, maar doordat er vier H-atomen in het molecuul aanwezig zijn is er geen cis-trans isomerie mogelijk.EthanalEr is geen spiegelbeeldisomerie mogelijk, omdat er geen asymmetrisch C-atoom in dit molecuul aanwezig is. Het linker C-atoom is verbonden met drie H-atomen en een C-atoom, waardoor er een spiegelvlak mogelijk is. Het rechter C-atoom is maar verbonden met drie groepen, waardoor dit ook geen asymmetrisch C-atoom kan zijn. Er zijn 26 = 64 spiegelbeeldisomeren mogelijk van dit molecuul.De piek bij m/z = 14 kan alleen afkomstig zijn van CH2, wat 1x voorkomt in dit molecuul. De piek bij m/z = 29 kan afkomstig zijn van -NCH3 en -COH, dus deze krijgt een intensiteit die twee keer zo groot is als de piek bij m/z = 14.De piek bij m/z = 31 is afkomstig van het fragment -OCH3.Een voorbeeld van een goed antwoord is de piek bij m/z = 171 die afkomstig is van het moleculair ion.