BÖLÜM III Bu ders notlarını indir (PDF)

ALKANLAR VE SIKLOALKANLAR (Halkalı bileşikler)

Organik kimya bilimine temel teşkil eden en önemli özelliğin, karbon atomlarının birbirleri ile uzun zincirli bileşikler oluşturabilmesi olduğundan daha önce bahsetmiştik. Bu farklı zincir uzunluğunda molekül oluşturabilme kabiliyeti organik kimyada sayısız molekül oluşmasına sebep olmuş ve bu molekülleri ayrı ayrı öğrenmeyi imkânsız kılmıştır. İyice bakıldığında birçok benzer molekülün benzer özellik gösterdiğinin anlaşılması üzerine organik molekülleri kimyasal davranışları ve fonksiyonel gurupları dikkate alınarak sınıflandırmalar yapmak mümkün olmuştur. Daha önce fonksiyonel gruplar adı altında tanıtılmış olan bu sınıflandırmalar dersimizin konusu olup tek tek incelenecektir.

İncelemeye en basit organik moleküller olan alkanlar ve siklo alkanlardan başlanacaktır.

Daha önceki konularda karbon-karbon arası tekli bağların SP3-SP3 hibritleşmesi yapmış orbitallerin üst üste çakışmasıyla oluştuğunu ve s-bağı olarak adlandırıldığını görmüştük.

Alkanlar karbonları arasında sadece tekli bağ içeren (s) ve hidrojenlerle doyurulmuş bileşiklerdir.

Şimdi sırası ile bunlardan bazılarını inceleyelim.

Eğer bir tek karbon atomunu dört hidrojenle doyurursak bir tek molekül yapısının mümkün olduğuna dikkat ediniz. Bu durum iki ve üç karbonlu yapılar için de geçerlidir.

Homolog (birbirini takip eden) seriden propan’a kadar yalnızca bir tek molekül yapısı yazılabilirken, kapalı formülü C₄H₁₀ olan butan ve sonrasında birden fazla molekül yapısı karşımıza çıkar ki bunlara İZOMER denir.

Butanın izomerleri

Butan için iki değişik formül ( izomer) yazabildik.

Pentan molekülü daha açık gözükmesi için çizgi formu ile incelenecektir.

NOT: Çizgi formülünde her bir uç ve kırım noktasının bir karbon atomunu gösterdiğini ve bunlarında hidrojenle doyurulduğunu hatırda tutunuz.

Pentanın Yapısal izomerleri

İZOMER-kavramı başka yapıların açıklanmasında da kullanılacağı için alkanlarda, yapı izomerligi olarak adlandırılır.

On karbonlu dekan a kadar çokça bilinen alkanları, 11 ile Undekan, 12 ile Dodekan ve 13 ile Tridekan takip eder.

3.1-Alkil grubu ve dallanma tanımları:

Alkanlardan bir hidrojen atomu çıkarılması ile oluşan yapılara genel olarak ALKİL GURUBU denir ve alkan isminin sonundaki -an eki yerine -il eki getirilerek adlandırılır.

Alkil grupları  çok daha basit bir şekilde alkilin ilk iki harfi kullanılarak ta belirtilir.

Örnek olarak, Metil alkol Me-OH, Etilamin Et-NH₂, Dietil eter Et-O-Et vb.

Dallanmış alkillerin isimlendirilmesinde dikkat edilmesi ve ezberlenmesi gereken özel isimlendirmeler de vardır. Bunlar sırası ile

propil için eğer dallanma son karbonda ise n-Propil veya sadece propil; orta karbondan bağlanma ise izo-propil diye tanımlanır. Örneğin n-Propil alkol ve izo-propil alkolü yazalım.

Şimdi de kapalı formülü C₄H₁₀O olan, butil alkol için mümkün tüm yapıları ve isimlendirmelerini açıklayalım

Butanol örneğinden de anlaşılacağı üzere alkanlarda dallanma dört şekilde mümkün olur. Bunlar sırası ile,

1- Düz zincirli olanlar ki - primer-birincil- olarak adlandırılır.

2-Iki karbona bağlı olanlar -sekonder-ikincil-olarak adlandırılır.

3-üç karbona bağlı olanlar-tersiyer-üçüncül-olarak adlandırılır.

4-Dört karbona bağlı olanlar-Quarter-dördüncül- dir ki bu çok sık karşılaşılan bir durum değildir ve sadece doymuş alkanlar için geçerlidir. Neden?

R- Gösterimi, Metil, Etil, Propil, Hekzil-vb gibi alkil guruplarının genel gösterimi için kullanılır ve fonksiyonel gurup içermeyen, kimyasal anlamda molekülün reaktivitesini çok etkilemeyen kısım olarak düşünülebilir.

Fonksiyonel gurup içeren organik moleküllerin isimlendirilmesinde, Primer, sekonder, Tersiyer tabirleri sıkça kullanılmaktadır. Örnek olarak aminleri incelersek,

Dikkatlice bakıldığında fonksiyonel grubun bağlı bulunduğu karbona sadece bir karbonun bağlı bulunduğu iki hidrojenin bağlı olduğu durum primer ( birincil), iki ayrı karbonun bir hidrojenin bağlı bulunduğu durum sekonder (ikincil), üç alkil gurubunun bağlı bulunduğu durum ise tersiyer (üçüncül) olarak adlandırılmaktadır.

3.2-IUPAC(-İnternational Union of Pure and Applied Chemistry-) İsimlendirme kuralları.

Organik kimyanın yeni ortaya çıktığı zamanlarda bulunan her hangi bir molekül onun keşfedicisi tarafından adlandırılıyordu. Fakat kimyadaki yeni bileşikler o kadar çoğaldı ki bu tür isimlendirmeleri hatırlamak mümkün olmaz oldu. Bunun üzerine kurulan uluslar arası bir kimya kurulu olan IUPAC-teşekkül etti ve bu isimlendirme karışıklığı için bir sıralama düzen getirilmiş oldu. Günümüzde tüm kimyacıların kullandığı bu adlandırma kurallarını basit olması açısından dallanmış alkanlarda bir bir örneklerle inceleyelim.

· Kimyasal formülün en uzun karbon zinciri bulunur ve ana isim olarak kullanılır.

Not: En uzun zincir her zaman çizgisel yazılmayıp, yanıltıcı olabilir.

Görüldüğü gibi molekül bir pentan türevi değil hekzan türevidir. En uzun zincir doğru seçildiğinde ana isim olarak hekzan kullanılacaktır.

· Eğer iki veya daha fazla dallanma varsa ve bunlardan en uzun zincirli olanı iki tane ise (birbirine eşit) çok dallanmış olanı ana yapı olarak kabul edilir.

Her ikisinde de en uzun zincir altılı olmakla birlikte birinci yapıda bir dallanma var iken, ikinci yapıda iki dallanma vardır ve çok dallanma olan ikinci yapı tercih dilecektir.

· Zinciri numaralandırırken dallanmaya yakın olan kısımdan başlayarak son karbona kadar yazınız.

Numaralama küçük sayılar olacak şekilde olmalıdır ve burada birinci durum geçerlidir.

Uç kısımlara en yakın dallanmalar aynı uzaklıkta iseler ikinci dallanmanın yakın olacağı şekilde numaralandırınız.

3-4-8 numaralı karbon atomları dallanmış

DOĞRU NUMARALANDIRMA

3-7-8 numaralı karbon atomları dallanmış

YANLIŞ NUMARLANDIRMA

Yukarıdaki dekan türevinde de görüldüğü gibi her iki açık yapıda da ilk dallanmada, eşit uzaklıkta (3) olmakla birlikte ikinci numaralar 4 ve 7’dir ki, küçük olanı 4- tercih edilecektir.

3- Substituentleri (dallanma) ve bağlı bulundukları karbon atomlarının numaraları ile tespit ediniz.

Eğer aynı substituent molekülde iki veya daha fazla bulunuyorsa bunları yan yana ( birleştirerek, iki tane için -di, üç için -tri, dört için -tetra, beş için -penta, altı için -hekza ön ekleri ile) yazınız.

4- Tüm molekül ismi tek bir kelime olarak yazılmakla birlikte “rakamlar virgül ile” “rakam ve yazılar ise çizgi ile” ayrılmalıdır. İki veya daha fazla dallanmanın olduğu durumlarda substituentleri alfabetik sıraya göre yazınız. Di, tri, tetra gibi ön ekler alfabetik sıralamada dikkate alınmaz.

Bu kuralları pekiştirmek için bazı örneklendirmeler aşağıda verilmekle beraber öğrencinin kendi yazacağı bazı molekülleri isimlendirmesi veya isimlerini yazıp molekül formülünü çıkarmaya çalışacağı düşünülmüştür.

3.3-SİKLOALKANLAR

Alkanlar, bu zamana kadar incelediğimiz gibi her zaman açık uçlu olmayabilirler. Bazen alkanların her iki ucu birleşerek kapalı uçlu (-halkalı-) bileşiklerde yapabilirler. Bunlara halkalı alkan anlamına gelen sikloalkanlar denir ve alkanların adlandırılmasının önüne siklo- eki getirilerek yapılır.

Tabiattaki birçok doğal bileşikler halkalar içeren molekül yapısına sahiptirler. Bunlara örnek olarak Krisantemum bitkilerinin çiçeklerinde ki böcek ilacı olarak da kullanılan “Krisantemik asit” siklopropan yapısını içermektedir.

İnsan vücudundaki birçok 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 şunlardır.

1- Halkaya bağlı alkilin karbon sayısı halkadan fazla ise ana yapı açık zincir az ise ana yapı halkalı yapı olarak kabul edilir.

İsimlendirmeye ilginç bir örnek aşağıda verilmiştir.

3.4-SIKLOALKANLAR DA CİS-TRANS İZOMERLİĞİ ( Stereo izomerlik)

Sikloalkanlar birçok yönüyle alkanlara benzemekle beraber bazı farklılıkları da vardır. Örnek olarak iki atom arasındaki tekli bağlar aşağıda 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 ve stereo kimyasal durumu önemlidir. Bu yapıyı oluşturmak ve tanımlamakta önceden anlatılan İZOMER kavramını hatırlamak gerekmektedir.

Halkalı bileşiklerde halka yapısı büyüdükçe bu bileşiklerin özellikleri açık uçlu olanlara daha fazla benzerler. Karbon sayısı 7 ( yedi) ye kadar olan yapılar hem halkalı bileşiklerin spesifik özelliklerini gösterdiğinden hem de tabiatta çok bulunduklarından daha dikkate değerdirler.

Halkalı bileşikler çoğunlukla düzleme yayılan karbon atomları içerirler ve üç boyutlu halinde bu düzlemin altında ve üstünde bağlı gurup bulundura bilirler bu üç boyutlu sıralanıştan kaynaklanan yapıya da stereoizomer denir.

Örnek olarak iki metil bağlı siklopropanı inceleyelim.

Sikolopropanın halkalı yapısının halkayı oluşturan C-C bağları etrafında dönemediğini ve bu nedenle stereo yapısının önemli olduğunu söylemiştik, yukarıda görünen yapıda siklopropana bağlı olan gurupların 3 tanesinin bir düzlemin üstünde 3 tanesinin ise bu düzlemin altında kaldığı görülmektedir.

Böylece de bağlı yapıların durumu için iki ihtimal ortaya çıkmaktadır.

Bu durum siklobutan ve siklopentanda da yaklaşık olarak aynıdır. Her ikisi için de siz moleküler yapıyı inceleyiniz. 1,2- 1,3- bağlanma durumlarını göz ardı etmeyiniz.

Siklohekzan da iki farklı durum vardır. Bunlar Koltuk ve Kayık şekilleri olarak isimlendirilir ve şekilleri aşağıda gösterilmiştir.

3.5- Alkanların genel özellikleri ve bazı reaksiyonları.

Alkanların genel elde edilmesi 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. 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.

Örnek olarak,

2-Halojenleme reaksiyonları: Işıklı (UV-hn) ortamda alkanların hidrojenleri halojenlerle yer değiştirme tepkimesi vermektedirler.

Butan durumunda daha sonra açıklanacağı üzere 1-Bromobutan yerine daha kararlı ürün olan 2-Bromobutan vermiştir.

3-Alkan elde edilişi:

3a) Alkanlar nikel ve paladyum gibi metallerin katalizörü yardımı ile alkenlerden katılma reaksiyonu sonucu elde edilebilirler.

Çözücü genelde etanol olarak alınır ve tepkime hidrojen gazı basıncı altında yapılır. Ayrı tepkime halkalı alkenler içinde geçerlidir.

3b) Alkanlar, alkil halojenürlerin asidik çinko çözeltisinde ısıtılması ile de elde edilebilir.