H1 organische

# De ruimtelijke structuur van koolstofskeletten De ruimtelijke verdeling van atomen rondom koolstofatomen, bepaald door hun hybridisatietoestand, is cruciaal voor de stabiliteit en mogelijke vervorming van moleculen [1](#page=1). ### 1.1 Hybridisatietoestanden van koolstof De ruimtelijke structuur rondom een koolstofatoom wordt direct bepaald door de hybridisatietoestand van dat koolstofatoom. De belangrijkste hybridisatietoestanden die de ruimtelijke structuur beïnvloeden zijn $sp^3$, $sp^2$ en $sp$ [1](#page=1). * **$sp^3$-hybridisatie:** Kenmerkend voor verzadigde koolwaterstoffen (alkanen) en heeft een tetraëdrische ruimtelijke structuur [1](#page=1). * **$sp^2$-hybridisatie:** Aangetroffen in alkenen, waarbij het koolstofatoom deel uitmaakt van een dubbele binding. De geometrie is trigonaal planair [1](#page=1). * **$sp$-hybridisatie:** Te vinden in alkynen, waar het koolstofatoom deel uitmaakt van een drievoudige binding. De geometrie is lineair [1](#page=1). ### 1.2 Gevolgen voor moleculaire stabiliteit en vervorming De weergegeven ruimtelijke structuren representeren de stabiele, laagste-energie configuratie van een molecuul. Door energieopname uit de omgeving kan deze structuur echter voortdurend vervormd worden, wat uiteindelijk kan leiden tot het breken van bindingen [2](#page=2). > **Tip:** Begrijpen van de hybridisatietoestand is de sleutel tot het voorspellen van de moleculaire geometrie en daarmee ook de chemische reactiviteit en fysische eigenschappen van organische verbindingen. ### 1.3 Illustraties van ruimtelijke structuren De documentatie toont verschillende weergaven van koolstofskeletten en hun ruimtelijke structuren: * **Methaan:** Een $sp^3$-gehybridiseerd koolstofatoom omringd door vier waterstofatomen in een tetraëdrische opstelling [1](#page=1). * **Lineaire alkanen:** De ruimtelijke structuur van lineaire alkanen wordt getoond, met methaan als voorbeeld [2](#page=2). * **Vergelijking van verzadigde en onverzadigde vetzuren:** Stearinezuur (verzadigd) en oliezuur (onverzadigd) worden gepresenteerd met hun respectievelijke smeltpunten, wat impliceert dat de ruimtelijke structuur (geïnduceerd door de mate van onverzadigdheid) de fysische eigenschappen zoals smeltpunt beïnvloedt. Stearinezuur heeft een smeltpunt van 71º Celsius, terwijl oliezuur een smeltpunt van 16º Celsius heeft [2](#page=2). --- # Conformaties en conformationele isomerie van alkanen Dit gedeelte behandelt de verschillende ruimtelijke vormen die alkanen kunnen aannemen door rotatie rond s-bindingen, de energieverschillen tussen deze conformaties en het concept van conformationele isomerie [3](#page=3). ### 2.1 Basisprincipes van conformaties Conformaties zijn verschillende ruimtelijke structuren die een molecuul kan aannemen door rotatie rond één of meerdere enkelvoudige bindingen (s-bindingen). Deze rotatie verbreekt de binding niet en heeft geen effect op de verdeling van de elektrondensiteit. Omdat deze conformaties van elkaar te onderscheiden zijn en in elkaar overgaan door rotatie, spreken we van conformationele isomerie [3](#page=3) [4](#page=4) [5](#page=5). #### 2.1.1 Weergave van conformaties Conformaties kunnen worden weergegeven met behulp van Newmanprojecties. Hierbij wordt de kijkrichting langs de as van de te roteren binding gekozen. De bindingen aan het voorste koolstofatoom worden vanuit het centrum getekend, en de bindingen aan het achterste koolstofatoom worden vanuit een cirkel getekend [3](#page=3). #### 2.1.2 Soorten conformaties Voor eenvoudige alkanen zoals ethaan zijn er twee hoofdtypes conformaties: * **Geëclipseerde conformatie:** De groepen aan het voorste en achterste koolstofatoom staan boven elkaar, waardoor sterische hinder ontstaat [3](#page=3) [4](#page=4). * **Geschrankte conformatie:** De groepen aan het voorste en achterste koolstofatoom staan zo ten opzichte van elkaar dat er minimale sterische hinder is [3](#page=3) [4](#page=4). #### 2.1.3 Energiediagrammen van conformaties De stabiliteit van verschillende conformaties wordt weergegeven in conformationele energiediagrammen. De energiebarrière voor rotatie wordt veroorzaakt door sterische hinder en torsiespanning. * **Ethaan:** De geëclipseerde conformatie van ethaan heeft een hogere energie dan de geschrankte conformatie. De sterische hinder tussen elk geëclipseerd C–H paar leidt tot een energieverhoging van ongeveer 4 kJ.mol$^{-1}$, wat voor ethaan een totaal energieverschil van ongeveer 12 kJ.mol$^{-1}$ cumuleert. De geschrankte conformatie is stabieler omdat sterische hinder minimaal is [5](#page=5). * **Propaan:** De beschrijving is analoog aan ethaan, waarbij één C–H binding wordt vervangen door een C–CH$_3$ groep. De sterische hinder tussen een C–CH$_3$ en een C–H op naburige koolstofatomen is groter (ongeveer 6 kJ.mol$^{-1}$) dan tussen twee C–H bindingen (ongeveer 4 kJ.mol$^{-1}$). De totale energiebarrière bedraagt ongeveer 14 kJ.mol$^{-1}$ [6](#page=6). * **Butaan:** Bij butaan worden twee C–H bindingen vervangen door C–CH$_3$ groepen. Door rotatie rond de centrale C–C binding ontstaan er verschillende geëclipseerde en geschrankte conformaties [7](#page=7). * De conformatie met de laagste energie is de **anti-conformatie**, waarbij de twee CH$_3$-groepen zo ver mogelijk van elkaar staan [7](#page=7) [8](#page=8). * De conformatie met de hoogste energie is de **maximaal-eclips conformatie**, waarbij de twee CH$_3$-groepen boven elkaar staan [8](#page=8). * De **gauche-conformatie** is een geschrankte conformatie waarbij de twee CH$_3$-groepen weliswaar niet boven elkaar staan, maar ook niet maximaal uit elkaar. Deze heeft een tweede laagste energie-inhoud en een interactie-energie van ongeveer 3.5 kJ.mol$^{-1}$. De eclipsconformatie, waarbij de CH$_3$-groepen en waterstofatomen boven elkaar staan, heeft een hogere energie dan de gauche-conformatie, ongeveer 3 kJ.mol$^{-1}$ meer dan de gauche-conformatie [10](#page=10) [8](#page=8). #### 2.1.4 Conformaties van grotere alkanen Bij alkanen groter dan butaan zal de meest stabiele conformatie steeds die zijn waarbij alle butaan-fragmenten een anti-conformatie hebben. Lineaire alkanen komen zelden voor als volledig lineaire ketens vanwege de vrije draaibaarheid rond de s-bindingen. Bij kamertemperatuur is er voldoende kinetische energie aanwezig om ook de gauche-conformaties te bevolken [10](#page=10). > **Tip:** Begrijpen hoe de sterische hinder tussen grotere groepen (zoals methylgroepen) de energie van verschillende conformaties beïnvloedt, is cruciaal voor het voorspellen van de meest stabiele ruimtelijke structuur van alkanen. > **Voorbeeld:** De anti-conformatie van butaan is stabieler dan de gauche-conformatie vanwege de verminderde sterische hinder tussen de twee methylgroepen. Dit vertaalt zich in een lager energieniveau voor de anti-conformatie. --- # Stereochemie van dubbele bindingen en cyclische verbindingen Dit hoofdstuk behandelt de stereochemie van alkenen, met de focus op cis-trans isomerie, en de ruimtelijke structuur en spanningen in cycloalkanen, inclusief de stoelconformatie van cyclohexaan. ### 3.1 Stereochemie van dubbele bindingen (alkenen) Draaien rond een koolstof-koolstof dubbele binding ($C=C$) is niet vrij mogelijk, omdat dit het breken van de $\pi$-binding vereist, wat aanzienlijke energie kost (ongeveer 240 kJ.mol-1). Deze beperkte draaibaarheid leidt tot cis-trans isomerie bij alkenen, wat een vorm van diastereoisomerie is. Dit betekent dat moleculen met dezelfde chemische formule en dezelfde connectiviteit van atomen, maar met een verschillende ruimtelijke rangschikking, diastereomeren zijn [11](#page=11). #### 3.1.1 Cis-trans isomerie Cis-trans isomerie treedt op wanneer aan beide koolstofatomen van de dubbele binding twee verschillende groepen zijn gebonden. * **Cis-isomeer:** De twee belangrijkste groepen bevinden zich aan dezelfde kant van de dubbele binding. * **Trans-isomeer:** De twee belangrijkste groepen bevinden zich aan tegenovergestelde zijden van de dubbele binding. Een voorbeeld hiervan is CH3—CH=CH—CH3, dat voorkomt als cis- en trans-isomeer [11](#page=11). ### 3.2 Stereochemie van cyclische verbindingen Cyclische verbindingen, zoals cycloalkanen, hebben ook een specifieke ruimtelijke structuur die wordt beïnvloed door ringgrootte en de aard van de substituenten. #### 3.2.1 Spanning in cycloalkanen Verschillende soorten spanning dragen bij aan de onstabiliteit van kleine cycloalkanen: * **Hoekspanning (Bayer-spanning):** Ontstaat wanneer de bindingshoeken afwijken van de ideale tetraëdrische hoek van 109.5°. Kleine ringen, zoals cyclopropaan (bindingshoeken van 60°) hebben significant hoekspanning. In cyclobutaan zijn de hoeken ongeveer 90°, en in cyclopentaan ongeveer 108°. Cyclohexaan heeft ideale tetraëdrische hoeken (109.5°) en kent dus geen hoekspanning [13](#page=13) [14](#page=14) [16](#page=16). * **Pitzerspanning (torsionale spanning):** Ontstaat door de eclipsstand van naburige C-H bindingen. Dit is significant in cyclopropaan en cyclobutaan. In grotere ringen neemt de Pitzerspanning toe, maar de ringen nemen vaak niet-vlaktige structuren aan om deze spanning te verminderen [13](#page=13) [15](#page=15). De verbrandingswarmte per CH2 groep is hoger voor gespannen cyclische alkanen dan voor lineaire alkanen, wat de aanwezigheid van spanning aangeeft [13](#page=13). > **Tip:** Hoe kleiner de ring, hoe groter de hoekspanning, omdat de bindingshoeken verder afwijken van de ideale tetraëdrische hoek. #### 3.2.2 Conformaties van cycloalkanen Om spanning te vermijden, nemen cycloalkanen specifieke driedimensionale vormen aan (conformaties). * **Cyclopropaan:** Heeft slechts één conformatie waarin alle drie de koolstofatomen coplanair zijn [13](#page=13). * **Cyclobutaan:** Neemt een "vlinder"-conformatie aan om de Pitzerspanning te verminderen [15](#page=15). * **Cyclopentaan:** Neemt een "envelop"-conformatie aan, waarbij één koolstofatoom iets buiten het vlak van de andere vier ligt, om de Pitzerspanning te reduceren tot slechts twee geëclipseerde C-H bindingen [15](#page=15). #### 3.2.3 Stoelconformatie van cyclohexaan Cyclohexaan is een zeer stabiele cycloalkaan, voornamelijk dankzij de **stoelconformatie**. Deze conformatie heeft geen hoekspanning en minimale Pitzerspanning, omdat alle naburige C-H paren geschrankt (staggered) zijn. De stoelconformatie is de energetisch meest gunstige conformatie voor cyclohexaan en wordt beschouwd als een belangrijk cyclisch basismotief in de chemie van het leven [16](#page=16). ##### 3.2.3.1 Axiale en equatoriale posities In de stoelconformatie van cyclohexaan zijn er twee soorten posities voor substituenten: * **Axiale posities:** Deze bindingen wijzen recht omhoog of omlaag, parallel aan de 'as' van de ring [17](#page=17). * **Equatoriale posities:** Deze bindingen wijzen naar buiten, min of meer in het vlak van de ring [17](#page=17). Elk koolstofatoom in de ring heeft één axiale en één equatoriale waterstofatoom (of substituent) [17](#page=17). ##### 3.2.3.2 Omklappen van de stoelconformatie De stoelconformatie kan snel omklappen (in de orde van duizenden keren per seconde) naar een energetisch gelijkwaardige stoelvorm. Tijdens dit omklappen wisselen de axiale en equatoriale posities van plaats: een axiale substituent wordt equatoriaal, en een equatoriale substituent wordt axiaal. Dit proces leidt tot de vorming van conformationele isomeren [17](#page=17). ##### 3.2.3.3 Invloed van substituenten op conformaties Wanneer substituenten aanwezig zijn op de cyclohexaanring, ontstaan er energetisch niet-equivalente conformaties [18](#page=18). * **Methylcyclohexaan:** De twee conformaties van methylcyclohexaan (met de CH3 groep in axiale versus equatoriale positie) hebben verschillende energie-inhouden. De equatoriale positie is energetisch gunstiger dan de axiale positie [18](#page=18) [19](#page=19). * De axiale methylgroep ondervindt gauche butaan-achtige interacties met de twee axiale waterstoffen op posities 3 en 5 van de ring. Deze interacties zorgen voor een hogere energie-inhoud (+7 kJ.mol-1) in de axiale conformatie vergeleken met de equatoriale conformatie [19](#page=19) [20](#page=20). * De equatoriale methylgroep ondervindt geen van deze gauche interacties, wat leidt tot een lagere energie-inhoud [20](#page=20). > **Tip:** Bij monosubstituutie op een cyclohexaanring zal de substituent zich voornamelijk in de equatoriale positie bevinden, omdat dit de energetisch meest gunstige conformatie is. Hoe groter de substituent, hoe ongunstiger de axiale positie wordt [20](#page=20). * **Di-gesubstitueerde cyclohexaan derivaten:** Deze kunnen aanleiding geven tot verschillende vormen van isomerie, waaronder keten isomerie (positie van substituenten) en cis-trans diastereoisomerie. De relatieve posities van de substituenten (axiaal/equatoriaal) bepalen de stabiliteit van de verschillende conformaties. Bijvoorbeeld, in cis-1,3-dimethylcyclohexaan kunnen beide methylgroepen equatoriaal zijn in één van de stoelvormen, wat een relatief stabiele conformatie oplevert. In trans-1,3-dimethylcyclohexaan is dit niet mogelijk, waardoor de beide methylgroepen in elke conformatie één axiale en één equatoriale positie innemen [21](#page=21) [22](#page=22) [23](#page=23). #### 3.2.4 Conformationeel homogene verbindingen Sommige cyclische verbindingen zijn "conformationeel homogeen", wat betekent dat ze vrijwel uitsluitend in één enkele conformatie voorkomen. Dit gebeurt wanneer alle andere mogelijke conformaties energetisch zeer ongunstig zijn [21](#page=21) [23](#page=23). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Hybridisatietoestand | De toestand van een atoom waarbij de atoomorbitalen van het valentieniveau (s en p) worden gemengd om nieuwe orbitalen te vormen (hybride orbitalen) met specifieke ruimtelijke oriëntaties, die de bindingshoeken en moleculaire geometrie bepalen. | | Conformatie | Een specifieke driedimensionale rangschikking van atomen in een molecuul die verkregen wordt door rotatie rond enkele bindingen, zonder het breken van bindingen. | | Geëclipseerde vorm | Een conformatie waarbij de substituenten op twee naburige atomen zich voor elkaar bevinden wanneer gezien langs de as van de binding tussen deze atomen, wat leidt tot sterische hinder. | | Geschrankte vorm | Een conformatie waarbij de substituenten op twee naburige atomen zo gerangschikt zijn dat ze tussen elkaar uitsteken wanneer gezien langs de as van de binding tussen deze atomen, wat de sterische hinder minimaliseert. | | Newmanprojectie | Een grafische weergavemethode die gebruikt wordt om de ruimtelijke structuur van moleculen te visualiseren, specifiek gericht op de oriëntatie van substituenten rond een centrale koolstof-koolstof binding. | | Sterische hinder | De afstotende interactie tussen atomen of groepen in een molecuul die veroorzaakt wordt door hun ruimtelijke omvang, wat invloed heeft op de stabiliteit en reactiviteit van het molecuul. | | Conformationele isomerie | Een type isomerie waarbij isomeren (conformereren) verschillen in hun ruimtelijke rangschikking als gevolg van rotatie rond enkele bindingen, en waarbij deze isomeren bij kamertemperatuur in elkaar over kunnen gaan. | | Torsiehoek | De hoek tussen de vlakken die twee groepen op naburige atomen definiëren, gemeten langs de binding die deze atomen verbindt. | | P-binding | Een covalente binding gevormd door de zijdelingse overlap van twee p-orbitalen, wat resulteert in een symmetrie-as loodrecht op de as van de atomen. Deze binding is stijver en vereist meer energie om te breken dan een s-binding. | | Cis-trans isomerie | Een vorm van diastereoisomerie die optreedt in alkenen en cyclische verbindingen wanneer er twee verschillende groepen aan elk van de twee koolstofatomen van de dubbele binding of ring gehecht zijn, resulterend in twee verschillende ruimtelijke rangschikkingen. | | Diastereoisomerie | Een type stereoisomerie waarbij isomeren niet elkaars spiegelbeelden zijn en verschillende fysische en chemische eigenschappen hebben. Dit staat tegenover enantiomerie waarbij de isomeren spiegelbeelden van elkaar zijn. | | Bayer spanning | De hoekspanning in cyclische verbindingen die ontstaat wanneer de interne bindingshoeken afwijken van de ideale tetraëdrische hoek van ongeveer 109.5°. | | Pitzer spanning | De torsiestress die optreedt in cyclische verbindingen door de geëclipseerde rangschikking van waterstofatomen op naburige koolstofatomen, vergelijkbaar met de energie in geëclipseerde conformaties van alkanen. | | Stoelconformatie | De meest stabiele conformatie van een cyclohexaanring, waarbij de ring niet vlak is en de substituenten zich in axiale of equatoriale posities bevinden. | | Axiale positie | Een positie in de stoelconformatie van een cyclohexaanring waarbij de substituenten parallel aan de ringas georiënteerd zijn, afwisselend naar boven en naar beneden gericht. | | Equatoriale positie | Een positie in de stoelconformatie van een cyclohexaanring waarbij de substituenten min of meer evenwijdig aan het equatoriale vlak van de ring georiënteerd zijn, naar buiten gericht. | | Conformationeel homogeen | Een molecuul dat slechts in één stabiele conformatie kan voorkomen, vaak door de aanwezigheid van rigide structuren of substituenten die specifieke oriëntaties afdwingen. |