Organic Chemistry

# Nomenclatuur en structuur van carbonzuren en hun derivaten Dit onderwerp behandelt de naamgeving en structuur van carbonzuren, dicarbonzuren, onverzadigde carbonzuren, esters en amiden, inclusief zowel systematische als triviale benamingen [1](#page=1) [2](#page=2) [3](#page=3) [4](#page=4). ### 1.1 Carbonzuren: algemene principes en nomenclature #### 1.1.1 Systematische naamgeving De systematische naamgeving van carbonzuren is gebaseerd op de naam van het corresponderende alkaan [2](#page=2). * **Alkaanzuur:** Hierbij wordt het koolstofatoom van de carboxylgroep meegeteld in de alkanennaam. Bijvoorbeeld, $CH_3CH_2CH_2COOH$ heet butaanzuur [2](#page=2). * **Alkaancarbonzuur:** Hierbij wordt het koolstofatoom van de carboxylgroep *niet* meegeteld in de alkanennaam, maar wordt de "-carbonzuur" achtervoeging toegevoegd. Bijvoorbeeld, $CH_3CH_2CH_2COOH$ heet propaan carbonzuur [2](#page=2). #### 1.1.2 Triviale naamgeving Naast de systematische namen zijn triviale namen voor carbonzuren nog steeds wijdverbreid in gebruik [2](#page=2) [3](#page=3). > **Tip:** Het is belangrijk om de meest voorkomende triviale namen en hun bijbehorende structuren te kunnen reproduceren, zoals aangegeven in de tabellen [3](#page=3) [4](#page=4). #### 1.1.3 Naamgeving van gedissocieerde/ester vormen Wanneer carbonzuren dissocïeren of worden omgezet in esters of amiden, verandert de naamgeving: * Een alkaanzuur wordt een **alkanoaat** [2](#page=2). * Voorbeeld: Azijnzuur ($CH_3COOH$) wordt acetaat [4](#page=4). * Voorbeeld: Mierenzuur ($HCOOH$) wordt formiaat [4](#page=4). * Voorbeeld: Propionzuur ($CH_3CH_2COOH$) wordt propionaat [4](#page=4). * Een ester wordt een **alkylalkanoaat** [2](#page=2). * Voorbeeld: Propylacetaat (een ester van azijnzuur) wordt propylethanoaat [3](#page=3). * Voorbeeld: Pentylacetaat (een ester van azijnzuur) wordt pentylethanoaat [3](#page=3). * Een amide wordt een **alkaanamide** [2](#page=2). * Voorbeeld: Acetamide is de amide van azijnzuur, ook wel ethaanàmide genoemd [3](#page=3). #### 1.1.4 Prioriteit van functionele groepen Carbonzuren hebben de hoogste prioriteit ten opzichte van andere functionele groepen in de naamgeving. De hiërarchie is als volgt [4](#page=4): Carbonzuur ($R-COOH$) > esters ($RCOOR’$) > amiden ($RCONH_2$) > aldehyden ($RCHO$) > ketonen ($RCOR’$) > alcoholen ($ROH$) > thiolen ($RSH$) > aminen ($RNH_2$) > ethers ($ROR’$) > sulfiden ($RSR’$) > halogenen ($X$) [5](#page=5). ### 1.2 Specifieke klassen van carbonzuren en hun nomenclature #### 1.2.1 Verzadigde carbonzuren Dit zijn carbonzuren met een alkylketen die geen dubbele bindingen bevat. De tabellen geven een overzicht van hun triviale en IUPAC-namen, samen met fysische eigenschappen [3](#page=3). > **Voorbeeld tabel met verzadigde carbonzuren:** > > | Triviale Naam | Structuurformule | IUPAC | > | :------------ | :---------------- | :---- | > | Mierenzuur | $HCOOH$ | Methaanzuur | > | Azijnzuur | $CH_3COOH$ | Ethaanzuur | > | Propionzuur | $CH_3CH_2COOH$ | Propaanzuur | > | Boterzuur | $CH_3(CH_2)_2COOH$ | Butaanzuur | #### 1.2.2 Dicarbonzuren Dicarbonzuren bevatten twee carboxylgroepen in hun structuur [4](#page=4). > **Overzicht van dicarbonzuren:** > > | Triviale Naam | Structuurformule | IUPAC | > | :------------ | :---------------- | :---- | > | Oxaalzuur | $HOOC–COOH$ | Ethaandizuur | > | Malonzuur | $HOOC–CH_2–COOH$ | Propaandizuur | > | Barnsteenzuur | $HOOC–CH_2CH_2–COOH$ | Butaandizuur | > | Glutaarzuur | $HOOC-(CH_2)_3-COOH$ | Pentaandizuur | > | Adipinezuur | $HOOC-(CH_2)_4-COOH$ | Hexaandizuur | * De gedissocieerde vormen van deze zuren eindigen op "-aat", bijvoorbeeld oxaalzuur wordt oxalaat [4](#page=4). #### 1.2.3 Onverzadigde carbonzuren Onverzadigde carbonzuren bevatten één of meer dubbele koolstof-koolstofbindingen in hun structuur, vaak aangeduid als vetzuren. De IUPAC-naamgeving specificeert de positie en configuratie van de dubbele bindingen (bv. cis-Δ⁹-hexadeceenzuur) [4](#page=4). > **Overzicht van onverzadigde carbonzuren:** > > | Triviale Naam | Structuurformule | IUPAC | # Dubbele bindingen | > | :------------ | :---------------- | :---- | :----------------- | > | Palmiteenzuur | $CH_3(CH_2)_5CH=CH(CH_2)_7COOH$ | cis-Δ⁹-hexadeceenzuur | 1 | > | Oliezuur | $CH_3(CH_2)_7CH=CH(CH_2)_7COOH$ | cis-Δ⁹-octadeceenzuur | 1 | > | Linolzuur | $CH_3(CH_2)_4(CH=CHCH_2)_2(CH_2)_6COOH$ | cis, cis-Δ⁹, Δ¹² octadecadieenzuur | 2 | > | Linoleenzuur | $CH_3CH_2(CH=CHCH_2)_3(CH_2)_6COOH$ | all cis-Δ⁹, Δ¹², Δ¹⁵ octadecatrieenzuur | 3 | ### 1.3 Structuur en eigenschappen van carbonzuren #### 1.3.1 Structuurformules Carbonzuren hebben de algemene formule $R-COOH$, waarbij $R$ een alkylgroep of waterstofatoom is. De carboxylgroep ($COOH$) is polair en kan waterstofbruggen vormen [1](#page=1) [5](#page=5). #### 1.3.2 Fysische eigenschappen * **Kookpunt:** Carbonzuren hebben over het algemeen hoge kookpunten, vaak boven 100 graden Celsius, wat verklaard wordt door intermoleculaire waterstofbruggen [5](#page=5). * **Oplosbaarheid:** Kleinere carbonzuren zijn goed oplosbaar in water en alcoholen. Naarmate de alkylketen langer wordt, neemt de oplosbaarheid snel af. Zouten van carbonzuren zijn daarentegen goed oplosbaar in water en kunnen micellen vormen [5](#page=5). * **Interacties:** De fysische eigenschappen worden beïnvloed door Van der Waalse interacties tussen de alkylketens (R-R), elektrostatische interacties van de carboxylate ionen ($COO^-$), en intermoleculaire waterstofbrugvorming [5](#page=5). ### 1.4 Derivaten van carbonzuren: esters en amiden #### 1.4.1 Esters Esters worden gevormd uit carbonzuren en alcoholen, met de algemene formule $RCOOR’$. Hun naamgeving volgt het patroon alkylalkanoaat [1](#page=1) [2](#page=2). > **Voorbeeld:** Pentylacetaat, verantwoordelijk voor de bananengeur, is een ester van azijnzuur en pentanol [3](#page=3). #### 1.4.2 Amiden Amiden worden gevormd uit carbonzuren en amines, met de algemene formule $RCONH_2$. De naamgeving volgt het patroon alkaanàmide [1](#page=1) [2](#page=2). > **Voorbeeld:** Acetamide is de amide van azijnzuur, ook wel ethaanàmide genoemd. Amiden vormen de bouwstenen van peptiden en eiwitten [1](#page=1) [3](#page=3). --- # Chemische en fysische eigenschappen van carbonzuren Dit gedeelte behandelt de chemische en fysische eigenschappen van carbonzuren, met nadruk op hun zuursterkte, reactiviteit en typische fysieke kenmerken [5](#page=5) [6](#page=6). ### 2.1 Fysische eigenschappen van carbonzuren Carbonzuren vertonen enkele onderscheidende fysische eigenschappen [5](#page=5). #### 2.1.1 Kookpunt Een opvallende eigenschap van carbonzuren is hun relatief hoge kookpunt, dat doorgaans boven de 100 graden Celsius ligt. Dit wordt verklaard door de sterke intermoleculaire krachten die aanwezig zijn [5](#page=5). #### 2.1.2 Oplosbaarheid De oplosbaarheid van carbonzuren in water en alcoholen neemt snel af naarmate de alkylketen langer wordt. Zouten van carbonzuren zijn echter goed oplosbaar in water, mede door de vorming van micellen [5](#page=5). #### 2.1.3 Intermoleculaire krachten De hoge kookpunten en specifieke oplosbaarheidspatronen van carbonzuren zijn het gevolg van een combinatie van intermoleculaire krachten [5](#page=5): * Van der Waalse interacties tussen de alkylketens (R-R) [5](#page=5). * Elektrostatische interacties, met name door de geladen carboxylaatgroep (COO-) [5](#page=5). * Sterke intermoleculaire waterstofbrugvorming, die ontstaat door het waterstofatoom aan de hydroxylgroep en het zuurstofatoom van de carbonylgroep [5](#page=5). ### 2.2 Chemische eigenschappen van carbonzuren Carbonzuren vertonen diverse chemische reactiviteit, voornamelijk gerelateerd aan hun zure aard en de reacties van de carboxygroep [12](#page=12) [6](#page=6). #### 2.2.1 Zuursterkte Carbonzuren worden beschouwd als de sterkste natuurlijke organische zuren. Echter, in vergelijking met anorganische zuren, worden ze geclassificeerd als "zwakke zuren". De zuursterkte kan gekwantificeerd worden door de zuurconstante ($K_a$) of de pKa-waarde [6](#page=6). Een algemene reactie voor de dissociatie van een carbonzuur in water is: $$ RCOOH + H_2O \rightleftharpoons RCOO^- + H_3O^+ $$ De zuurconstante ($K_a$) wordt gedefinieerd als: $$ K_a = \frac{[RCOO^-][H_3O^+]}{[RCOOH]} $$ De pKa-waarde is gerelateerd aan de $K_a$ via de formule: $pKa = -\log_{10}(K_a)$ [6](#page=6). Voor een typisch carbonzuur geldt een $K_a$ van ongeveer $1 \times 10^{-5}$, wat resulteert in een pKa van ongeveer 5. Ter illustratie, een 0.1 M oplossing van azijnzuur in water is slechts voor 1.3% geïoniseerd [6](#page=6). #### 2.2.2 Vorming van zouten Carbonzuren kunnen zouten vormen door reactie met geschikte basen [6](#page=6). * **Reactie met sterke basen:** Met sterke basen zoals natriumhydroxide (NaOH) vindt een neutralisatiereactie plaats: $$ RCOOH + NaOH \rightarrow RCOO^-Na^+ + H_2O $$ * **Reactie met zwakkere basen:** Carbonzuren kunnen ook reageren met de geconjugeerde base van een zwakker zuur. Een voorbeeld hiervan is de reactie met natriumwaterstofcarbonaat ($NaHCO_3$): $$ RCOOH + NaHCO_3 \rightarrow RCOO^-Na^+ + H_2CO_3 $$ Aangezien $H_2CO_3$ snel ontbindt in water en koolstofdioxide, verloopt deze reactie gunstig. Hierbij is de pKa van het carbonzuur (ongeveer 5) lager dan die van koolzuur (ongeveer 6.4) [6](#page=6). #### 2.2.3 Reacties van carbonzuurderivaten Carbonzuren vormen de basis voor diverse derivaten zoals esters, amiden, zuurchloriden en zuuranhydriden. Een gemeenschappelijk kenmerk van deze derivaten is dat ze door hydrolyse weer kunnen worden omgezet in het oorspronkelijke carbonzuur. De algemene reactie hiervoor is [7](#page=7): $$ RCO-Y + H_2O \rightarrow RCOOH + HY $$ Hierbij kan Y de volgende groepen vertegenwoordigen: -OR (ester), -SR (thioester), -NH2, -NHR, -NR2 (amiden), -OCOR (zuuranhydride), of -Cl (zuurchloride). De bijbehorende HY-producten zijn ROH/RSH, NH3/RNH2/R2NH, R(CO)OH, of HCl [7](#page=7). Een specifiek voorbeeld is de hydrolyse van azijnzuuranhydride, wat leidt tot de vorming van twee moleculen azijnzuur [7](#page=7). #### 2.2.4 Vorming van carbonzuurderivaten De synthese van carbonzuurderivaten vanuit het carbonzuur zelf is niet altijd eenvoudig. Directe nucleofiele substitutie van de OH-groep door een ander nucleofiel is doorgaans niet mogelijk [12](#page=12). ##### 2.2.4.1 Vorming van esters (Fisher-esterificatie) Esters kunnen direct uit carbonzuren worden gevormd via de Fisher-esterificatie. Dit is een evenwichtsreactie die plaatsvindt onder zure katalyse [13](#page=13). $$ RCOOH + R'OH \stackrel{H^+}{\rightleftharpoons} RCOOR' + H_2O $$ De reactie kan naar rechts worden gedreven door de eliminatie van water of door een overmaat van een van de reagentia te gebruiken, meestal het goedkoopste reagens [13](#page=13). Het mechanisme van de Fisher-esterificatie omvat meerdere stappen [14](#page=14): 1. **Protonering van de carbonylgroep:** De carbonylgroep van het carbonzuur wordt geprotoneerd door de zure katalysator, wat de carbonylkoolstof gevoeliger maakt voor nucleofiele aanval [14](#page=14). 2. **Nucleofiele additie:** Het alcoholmolecuul gedraagt zich als een nucleofiel en valt de geprotoneerde carbonylkoolstof aan, wat leidt tot de vorming van een tetraëdrische intermediair [14](#page=14). 3. **Protonoverdracht:** Er vindt een interne protonoverdracht plaats binnen het intermediair [14](#page=14). 4. **Eliminatie van water:** De hydroxylgroep van het oorspronkelijke carbonzuur wordt geprotoneerd en elimineert vervolgens als water [14](#page=14). 5. **Deprotonering:** Het gevormde ester wordt gedeprotoneerd, en de zure katalysator wordt geregenereerd [14](#page=14). Het bewijs voor dit mechanisme, met name de rol van de hydroxylgroep van het carbonzuur en de waterstof van het alcohol bij de vorming van water, komt uit studies met de 18O-isotoop. Wanneer de 18O-isotoop in het carbonzuur wordt gebruikt, verschijnt deze in het gevormde water. Als de 18O-isotoop in het alcohol wordt gebruikt, verschijnt deze in het esterproduct [14](#page=14). ##### 2.2.4.2 Vorming van amiden De vorming van amiden uit carbonzuren is complexer en vereist doorgaans hogere temperaturen of activering van de carbonzuurgroep. Hoewel een directe reactie met ammoniak of amines in principe kan leiden tot de vorming van een amide, is dit via een aminezout intermediair en vereist het ontwatering [13](#page=13). ##### 2.2.4.3 Vorming van zuurchloriden Zuurchloriden worden doorgaans gesynthetiseerd uit carbonzuren met behulp van specifieke chloreringsmiddelen zoals thionylchloride ($SOCl_2$) of fosforpentachloride ($PCl_5$), en niet direct door reactie met HCl [12](#page=12). ##### 2.2.4.4 Vorming van zuuranhydriden Zuuranhydriden worden gevormd door de condensatie van twee carbonzuurmoleculen, waarbij een molecuul water wordt afgesplitst. Dit proces vereist doorgaans dehydratatiemiddelen of hoge temperaturen [7](#page=7). > **Tip:** Onthoud dat de Fisher-esterificatie een cruciaal voorbeeld is van een evenwichtsreactie waarbij de omstandigheden (zoals de concentratie van reagentia en waterverwijdering) de opbrengst aanzienlijk beïnvloeden. Controleer altijd of de mechanismen die de 18O-experimenten aantonen correct worden begrepen. > **Example:** De reactie van azijnzuur ($CH_3COOH$) met ethanol ($C_2H_5OH$) onder zure katalyse vormt ethylacetaat ($CH_3COOC_2H_5$) en water. Als de reactie met $H_2^{18}O$ wordt uitgevoerd, zal de 18O-isotoop in het water te vinden zijn. Gebruikt men daarentegen $CH_3C^{18}OOH$, dan zal de 18O-isotoop in het gevormde ethylacetaat verschijnen, wat de rol van de C=O-groep van het carbonzuur bevestigt [14](#page=14). --- # Reacties en synthese van carbonzuurderivaten Dit onderwerp behandelt de synthese en reacties van carbonzuurderivaten, met nadruk op hun vorming uit reactieve tussenproducten zoals zuurchloriden en hun stabiliteit [7](#page=7). ### 3.1 Overzicht van carbonzuurderivaten Carbonzuurderivaten hebben een gemeenschappelijke structuur waarin de hydroxylgroep (-OH) van een carbonzuur is vervangen door een andere functionele groep. De belangrijkste derivaten en hun kenmerkende groepen zijn [7](#page=7): * **Zuurchloriden:** -Cl [7](#page=7). * **Esters:** -OR [7](#page=7). * **Thioesters:** -SR [7](#page=7). * **Amiden:** -NH₂, -NHR, of -NR₂ [7](#page=7). * **Zuuranhydriden:** -OCOR [7](#page=7). #### 3.1.1 Chemische eigenschappen: hydrolyse Een gemeenschappelijk kenmerk van carbonzuurderivaten is hun hydrolyse, waarbij ze terugkeren naar het oorspronkelijke carbonzuur en een bijproduct afhankelijk van de aard van de functionele groep. De algemene reactie is [7](#page=7): $$ \ce{R-C(=O)-Y + H2O -> R-C(=O)-OH + HY} $$ Hierbij geldt: * Als $Y = -OR$ of $-SR$, dan is $HY = ROH$ (alcohol) of $RSH$ (thiol) [7](#page=7). * Als $Y = -NH_2$, $-NHR$, of $-NR_2$, dan is $HY = NH_3$ (ammoniak), $RNH_2$ (primaire amine), of $R_2NH$ (secundaire amine) [7](#page=7). * Als $Y = -OCOR$ (zuuranhydride), dan is $HY = R(CO)OH$ (carbonzuur) [7](#page=7). * Als $Y = -Cl$ (zuurchloride), dan is $HY = HCl$ (zoutzuur) [7](#page=7). **Voorbeelden van hydrolyse:** * Hydrolyse van een azijnzuuranhydride levert twee moleculen azijnzuur [7](#page=7): $$ \ce{CH3-C(=O)-O-C(=O)-CH3 + H2O -> CH3-C(=O)-OH + CH3-C(=O)-OH} $$ * Hydrolyse van een zuurchloride levert het carbonzuur en zoutzuur [8](#page=8): $$ \ce{CH3-C(=O)-Cl + H2O -> CH3-C(=O)-OH + HCl} $$ #### 3.1.2 Reacties van carbonzuurderivaten Carbonzuurderivaten kunnen onderling reageren via acyleringsreacties, waarbij een acylgroep ($RCO$-) wordt overgedragen. De reactiviteit van deze derivaten varieert, waarbij zuurchloriden over het algemeen het meest reactief zijn, terwijl amiden het minst reactief zijn [10](#page=10) [11](#page=11) [8](#page=8) [9](#page=9). **Reactiviteitsschaal (van meest naar minst reactief):** 1. Zuurchloriden 2. Zuuranhydriden 3. Esters 4. Amiden #### 3.1.3 Acyleringsreacties met zuurchloriden Zuurchloriden zijn zeer reactieve carbonzuurderivaten die gebruikt kunnen worden voor de synthese van andere derivaten via acyleringsreacties. Ze worden zelf vaak gevormd uit carbonzuren door reactie met reagens zoals thionylchloride ($SOCl_2$) [11](#page=11): $$ \ce{R-C(=O)-OH + SOCl2 -> R-C(=O)-Cl + SO2 + HCl} $$ Met zuurchloriden kunnen esters, amiden en anhydriden worden gevormd door reactie met respectievelijk alcoholen, amines en carbonzuren [11](#page=11). * **Vorming van esters:** Reactie van een zuurchloride met een alcohol levert een ester en zoutzuur [11](#page=11): $$ \ce{R-C(=O)-Cl + R'OH -> R-C(=O)-OR' + HCl} $$ Deze reactie kan ook plaatsvinden met een carbonzuur, waarbij het carbonzuur wordt geacyleerd om een zuuranhydride te vormen [11](#page=11): $$ \ce{R-C(=O)-Cl + R'COOH -> R-C(=O)-O-C(=O)-R' + HCl} $$ * **Vorming van amiden:** Reactie van een zuurchloride met een amine levert een amide en zoutzuur [11](#page=11): $$ \ce{R-C(=O)-Cl + R'NH2 -> R-C(=O)-NHR' + HCl} $$ Met ammoniak ontstaat een primair amide: $$ \ce{R-C(=O)-Cl + NH3 -> R-C(=O)-NH2 + HCl} $$ ### 3.2 Synthese van carbonzuurderivaten direct uit carbonzuren Hoewel directe nucleofiele substitutie van de OH-groep van een carbonzuur door een nucleofiel doorgaans niet mogelijk is, met uitzondering van esterificatie, zijn er specifieke methoden om derivaten te synthetiseren [12](#page=12) [13](#page=13). #### 3.2.1 Fisher-esterificatie De Fisher-esterificatie is een belangrijke methode voor de directe vorming van esters uit carbonzuren en alcoholen onder zure katalyse. Dit is een evenwichtsreactie, maar het evenwicht kan worden verschoven naar de productzijde door het elimineren van water of door een overmaat van een van de reactanten te gebruiken [13](#page=13). De reactie verloopt via een zuur-gekatalyseerd nucleofiele additie-eliminatiemechanisme [14](#page=14). * **Stap 1:** Protonering van de carbonylgroep van het carbonzuur, gevolgd door nucleofiele aanval van het alcohol op het carbonylkoolstofatoom [14](#page=14). * **Stap 2:** Protonoverdrachten en eliminatie van een watermolecuul om de ester te vormen [14](#page=14). > **Tip:** Het mechanisme van de Fisher-esterificatie kan worden bevestigd door het gebruik van isotopen, zoals 18O. Als het zuurstofatoom van de carbonzuurgroep wordt gemerkt met 18O, verschijnt dit gemerkte atoom in de gevormde ester, wat aantoont dat de oorspronkelijke OH-groep van het carbonzuur en de H van het alcohol het watermolecuul vormen [14](#page=14). #### 3.2.2 Vorming van amiden uit carbonzuren De directe vorming van amiden uit carbonzuren en ammoniak is doorgaans niet eenvoudig en vereist hoge temperaturen of specifieke activatiestappen, omdat het een evenwichtsreactie is waarbij water wordt gevormd [13](#page=13). #### 3.2.3 Vorming van carbonzuurderivaten uit carbonzuren Carbonzuren kunnen worden omgezet in andere derivaten, hoewel dit proces vaak minder direct is dan via reactieve tussenproducten zoals zuurchloriden. De reactie met een nucleofiel ($\text{Nu}$) op een ester ($RCOOR'$) kan leiden tot de vorming van een nieuw product en een alcohol, maar dit is afhankelijk van de relatieve stabiliteit van de groepen [12](#page=12). $$ \ce{R-C(=O)-OR' + Nu -> R-C(=O)-Nu + R'OH} $$ --- # Fosfo-anhydriden, fosfo-esters en hun rol in energieopslag Dit gedeelte behandelt de structuur, eigenschappen en biologische rol van fosforzuurderivaten, met name fosfo-anhydriden en fosfo-esters, essentieel voor energieopslag in cellen. ### 4.1 Vormen van fosforzuur en zijn derivaten Fosforzuur ($H_3PO_4$) is een meerbasisch zuur dat in verschillende vormen kan voorkomen, afhankelijk van de pH en het aantal gedeprotoneerde hydroxylgroepen [15](#page=15): * $H_3PO_4$ (ortho-fosfaat) * $H_2PO_4^-$ (mono-fosfaat) * $HPO_4^{2-}$ * $PO_4^{3-}$ (volledig gedissocieerd) In de celomgeving, bij een typische pH, bestaat fosforzuur meestal als een mengsel van volledig gedissocieerde en mono-basische vormen [16](#page=16). #### 4.1.1 Fosfo-anhydriden Fosfo-anhydriden zijn functionele groepen die ontstaan door de condensatie van twee fosforzuurmoleculen met eliminatie van water. Dit proces lijkt op de vorming van zuuranhydriden uit carbonzuren. Een voorbeeld is difosforzuuranhydride, ook wel pyrofosfaat genoemd [15](#page=15) [16](#page=16). * **Structuur:** Kenmerkend is de P-O-P binding. Pyrofosfaat en trifosfaat bevatten één respectievelijk twee fosfoanhydride functies [16](#page=16). * **Vergelijking met zuuranhydriden:** De reactiviteit van fosfo-anhydriden is vergelijkbaar met die van carbonzuuranhydriden, zoals azijnzuuranhydride. Ze kunnen acylgroepen overdragen in acyleringsreacties [16](#page=16) [17](#page=17). #### 4.1.2 Fosfo-esters Fosfo-esters worden gevormd wanneer een fosfaatgroep via een esterbinding (-O-) gekoppeld is aan een organische groep, vaak een alcohol. Dit proces wordt fosforylering genoemd [17](#page=17). * **Structuur:** De fosfaatgroep in een fosfo-ester is nog steeds potentieel meerbasisch [17](#page=17). * **Functie:** Het verhogen van de oplosbaarheid van organische moleculen wordt vaak genoemd als een effect van het koppelen van een fosfaatgroep [17](#page=17). * **Voorbeeld in de glycolyse:** Een belangrijk voorbeeld is de fosforylering van glucose tot glucose-6-fosfaat, een van de eerste stappen in de glycolyse. Hierbij wordt glucose gefosforyleerd door een enzym, wat leidt tot de vorming van glucose-6-fosfaat [18](#page=18). ### 4.2 Pyrofosfaat- en trifosfaat-esters: ATP en ADP De belangrijkste pyrofosfaat- en trifosfaat-esters die een cruciale rol spelen in energieopslag zijn adenosinetrifosfaat (ATP) en adenosinedifosfaat (ADP) [19](#page=19). * **ATP (Adenosinetrifosfaat):** Bestaat uit een adenosine-eenheid gekoppeld aan drie fosfaatgroepen via twee fosfo-anhydridebindingen en één fosfo-esterbinding [19](#page=19). * **ADP (Adenosinedifosfaat):** Bestaat uit een adenosine-eenheid gekoppeld aan twee fosfaatgroepen, met één fosfo-anhydridebinding en één fosfo-esterbinding [19](#page=19). #### 4.2.1 ATP en ADP als bron van chemische energie De energie die is opgeslagen in de fosfo-anhydridebindingen van ATP is essentieel voor veel cellulaire processen. De hydrolyse van ATP levert energie [20](#page=20). * **Hydrolyse reacties:** * $ATP + H_2O \rightarrow ADP + P_i + energie$ [20](#page=20). * $ADP + H_2O \rightarrow AMP + P_i + energie$ [20](#page=20). ($P_i$ staat hier voor anorganisch fosfaat) * **Reactief maar kinetisch vastgezet:** Hoewel de fosfo-anhydridebindingen "energierijk" zijn, is de hydrolyse in de cel bij 37 °C en neutrale pH (~7) niet spontaan en vindt deze niet plaats zonder de tussenkomst van enzymen. Dit fenomeen wordt beschreven als "kinetisch vastgezet" of een "chemische veer". De energie kan alleen worden vrijgesteld wanneer een geschikt enzym de reactie katalyseert [20](#page=20) [21](#page=21). * **Regulatie:** Het bestaan van specifieke enzymen die de hydrolyse van deze energierijke fosfo-anhydrideverbindingen katalyseren, maakt het metabolisme in staat de vrijstelling van chemische energie nauwgezet te reguleren. Dit voorkomt onnodige energieverliezen in het waterrijke celmilieu [21](#page=21). #### 4.2.2 Fosfo-anhydriden als fosforylerend reagens Fosfo-anhydriden fungeren als belangrijke fosforylerende reagentia in de cel en als moleculen voor de opslag van chemische energie. Ze kunnen energierijke fosfaatgroepen overdragen op andere moleculen, wat essentieel is voor het aandrijven van vele biochemische reacties [21](#page=21). > **Tip:** Onthoud dat de stabiliteit van energierijke fosfo-anhydridebindingen in de cel te danken is aan de specifieke enzymen die nodig zijn voor hun hydrolyse, waardoor ongewenste reacties met water worden voorkomen en energie efficiënt wordt beheerd. #### 4.2.3 Decarboxylatie-reacties Hoewel niet direct een fosfaatverbinding, wordt de context van chemische reacties waarin CO2 wordt afgesplitst ook aangestipt. Bij decarboxylatie-reacties verlaat de carbonzuurgroep het molecuul als koolstofdioxide (CO2) onder invloed van hitte. Malonzuur is hiervan een voorbeeld, waarbij een CH2-groep wordt afgesplitst, leidend tot de vorming van azijnzuur via tautomerie. Dit illustreert de diverse manieren waarop chemische energie kan worden uitgewisseld of vrijgegeven in biologische systemen [21](#page=21). --- # Amino-carbonzuren en amiden Dit onderwerp bespreekt de structuur van amino-carbonzuren onder verschillende pH-omstandigheden, hun dimerisatie en de eigenschappen van amiden, met nadruk op de stabiliteit en het dubbelbindingskarakter van de C-N binding. ### 5.1 Amino-carbonzuren Amino-carbonzuren, ook wel aminozuren genoemd, zijn moleculen die zowel een amino- ($\text{NH}_2$-) als een carbonzuur- ($\text{COOH}$-) groep bevatten. De algemene structuur van een amino-carbonzuur kan worden weergegeven als een centraal koolstofatoom (het $\alpha$-koolstofatoom) waaraan een waterstofatoom, een amino-groep, een carbonzuur-groep en een variabele restgroep (R) gebonden zijn [22](#page=22). #### 5.1.1 Zwitterionen en de invloed van pH De aard van amino-carbonzuren verandert significant afhankelijk van de pH van de omgeving [22](#page=22). * **Zuur midden (lage pH):** In een zuur milieu zal de amino-groep geprotoneerd worden en de carbonzuur-groep zal protoneren. Hierdoor krijgt het molecuul een netto positieve lading, doordat zowel de amino-groep als de carbonzuur-groep geladen zijn. De amino-groep wordt $\text{NH}_3^+$. * Structuur: $\text{H}_3\text{N}^+ - \text{CHR} - \text{COOH}$ [22](#page=22). * **~Neutraal midden (ongeveer pH 7):** Bij een neutrale pH bestaat het amino-carbonzuur voornamelijk als een zwitterion. Dit is een molecuul met zowel een positieve als een negatieve lading, maar met een netto lading van nul. De amino-groep is geprotoneerd ($\text{NH}_3^+$) en de carbonzuur-groep is gedeprotoneerd ($\text{COO}^-$). * Structuur: $\text{H}_3\text{N}^+ - \text{CHR} - \text{COO}^-$ [22](#page=22). * **Basisch midden (hoge pH):** In een basisch milieu zal de carbonzuur-groep gedeprotoneerd zijn ($\text{COO}^-$) en de amino-groep zal ook proton verliezen en de neutraal geladen vorm aannemen ($\text{NH}_2$). Hierdoor krijgt het molecuul een netto negatieve lading. * Structuur: $\text{H}_2\text{N} - \text{CHR} - \text{COO}^-$ [22](#page=22). #### 5.1.2 Vormen van amino-carbonzuren * **L- en D- $\alpha$-aminozuren:** Aminozuren kunnen in twee enantiomere vormen voorkomen, aangeduid als L- en D-vormen. In biologische systemen komen voornamelijk L- $\alpha$-aminozuren voor. De Fisherprojectie is een manier om de stereochemie van deze aminozuren weer te geven [22](#page=22). * **L- $\alpha$-aminozuur:** De amino-groep staat aan de linkerkant in de Fisherprojectie (bij de meeste aminozuren, behalve cysteïne en glycine) [22](#page=22). * **D- $\alpha$-aminozuur:** De amino-groep staat aan de rechterkant in de Fisherprojectie [22](#page=22). * **Glycine:** Glycine is het eenvoudigste aminozuur, waarbij de restgroep R een waterstofatoom is. Hierdoor heeft glycine geen chiraal centrum en bestaat het niet als L- of D-vorm [22](#page=22). * Structuur: $\text{H}_2\text{N} - \text{CH}_2 - \text{COOH}$ [22](#page=22). #### 5.1.3 Dimerisatie Amino-carbonzuren kunnen dimeriseren door middel van een condensatiereactie waarbij water wordt afgesplitst en een amidebinding wordt gevormd. Dit leidt tot de vorming van peptiden [22](#page=22). * Reactie: Twee aminozuren $\text{R}_1\text{H}_2\text{N-CHR-COOH}$ en $\text{R}_2\text{H}_2\text{N-CHR-COOH}$ kunnen reageren tot een dipeptide [22](#page=22). * Voorbeeld: $\text{H}_2\text{N-CH}(\text{R}_1)\text{-COOH} + \text{H}_2\text{N-CH}(\text{R}_2)\text{-COOH} \rightarrow \text{H}_2\text{N-CH}(\text{R}_1)\text{-CO-NH-CH}(\text{R}_2)\text{-COOH} + \text{H}_2\text{O}$ [22](#page=22). ### 5.2 Amiden Amiden zijn organische verbindingen die een carbonylgroep ($\text{C=O}$) bevatten die gebonden is aan een stikstofatoom. De amidebinding ($\text{-CO-NH-}$) is een functionele groep die centraal staat in de structuur van eiwitten (polyamideketens) [23](#page=23). #### 5.2.1 Eigenschappen van amiden * **Weinig basisch:** Amiden zijn over het algemeen weinig basisch. Dit komt door mesomere stabilisatie. Het vrije elektronenpaar op het stikstofatoom wordt gedeeltisch gedeeld met het zuurstofatoom van de carbonylgroep, wat de basisiteit van het stikstofatoom vermindert [23](#page=23). * **Dubbelbindingskarakter van de C-N binding:** De binding tussen het carbonylkoolstofatoom en het stikstofatoom in een amide vertoont een aanzienlijk dubbelbindingskarakter. Dit betekent dat er enige mate van dubbele binding aanwezig is, wat de volgende consequenties heeft [23](#page=23): * **Beperkte draaiing:** De draaiing rond de C-N as wordt bemoeilijkt. Dit zorgt voor een meer rigide structuur binnen de polypeptideketens [23](#page=23). * **Rigide polyamideketens:** Deze rigide structuur draagt bij aan de gecontroleerde ruimtelijke vorm van proteïnen (polyamideketens) [23](#page=23). * **cis-trans isomerie:** Er kan cis-trans isomerie optreden rond de C-N binding van de amidegroep, hoewel de trans-conformatie energetisch gunstiger is voor de meeste aminozuren [23](#page=23). * **Waterstofbrugvorming:** De aanwezigheid van waterstofatomen gebonden aan het stikstofatoom (N-H) en de carbonylgroep (C=O) maakt de vorming van waterstofbruggen mogelijk tussen amidegroepen in verschillende delen van een polypeptideketen of tussen verschillende ketens. Deze waterstofbruggen dragen significant bij aan de extra stabilisatie van de driedimensionale structuur van eiwitten [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 | |------|------------| | Carbonzuur | Een organische verbinding die een carboxylgroep (-COOH) bevat en als zuur kan reageren. Ze vertonen hogere kookpunten dan vergelijkbare koolwaterstoffen vanwege intermoleculaire waterstofbrugvorming. | | Ester | Een organische verbinding die wordt gevormd door de reactie van een carbonzuur met een alcohol, waarbij de waterstof van de hydroxylgroep van het zuur wordt vervangen door een alkyl- of arylgroep. | | Amide | Een organische verbinding die een aminogroep (-NH2, -NHR, of -NR2) bevat die is gebonden aan een carbonylgroep (C=O). Amiden hebben een dubbelbindingskarakter tussen de carbonylkoolstof en de stikstof, wat hun structuur rigiditeit geeft. | | Fosfo-anhydride | Een chemische binding tussen twee fosfaatgroepen, waarbij een zuurstofatoom de twee fosforatomen verbindt. Deze bindingen, zoals gevonden in ATP, slaan grote hoeveelheden energie op. | | Fosfo-ester | Een organische verbinding waarin een fosfaatgroep is gebonden aan een alcohol of fenol via een zuurstofatoom. Dit type binding is belangrijk in biologische systemen, zoals in DNA en RNA. | | Acylgroep | Een functionele groep die is afgeleid van een carbonzuur door verwijdering van de hydroxylgroep. Het bestaat uit een carbonylgroep verbonden met een alkyl- of arylgroep (RCO-). | | Hydrolyse | Een chemische reactie waarbij water wordt gebruikt om een verbinding te splitsen in twee of meer kleinere moleculen. Bij carbonzuurderivaten leidt hydrolyse vaak tot de vorming van het oorspronkelijke carbonzuur en een bijproduct. | | Fisher-esterificatie | Een methode voor de synthese van esters door de reactie van een carbonzuur met een alcohol onder zure katalyse. Het proces is een evenwichtsreactie die vaak wordt aangemoedigd door het verwijderen van water. | | pKa | Een maat voor de zuurgraad van een verbinding. Het is de negatieve logaritme van de zuurconstante ($K_a$). Een lagere pKa-waarde geeft een sterker zuur aan. | | Glycolyse | Een metabool proces dat begint met glucose en eindigt met pyrodruivenzuur. Het produceert energierijke moleculen zoals ATP en NADH, en vindt plaats in het cytoplasma van cellen. | | Decarboxylatie | Een chemische reactie waarbij een carboxylgroep (-COOH) wordt verwijderd uit een organische verbinding, meestal in de vorm van koolstofdioxide ($CO_2$). | | Dimerisatie | Een proces waarbij twee identieke moleculen zich combineren om een nieuw molecuul te vormen, een dimeer genaamd. Dit kan optreden bij aminozuren en andere verbindingen. |

# Radikaalreacties Dit hoofdstuk introduceert radikaalreacties, die ontstaan door de homolytische splitsing van chemische bindingen en gekenmerkt worden door de hoge reactiviteit van de gevormde radicalen [1](#page=1). ### 1.1 Wat zijn radicalen? Radicalen zijn chemische deeltjes die ontstaan door de symmetrische (homolytische) splitsing van een elektron van een binding. Bij deze splitsing krijgt elk van de twee gesplitste atomen één elektron. De kenmerkende eigenschap van radicalen is dat ze een onvolledige octetconfiguratie hebben, waardoor ze zeer reactief zijn [1](#page=1). ### 1.2 Ontstaan van radicalen Radicalen kunnen op verschillende manieren ontstaan: * **Onder invloed van licht:** Energie van licht kan de homolytische splitsing van een binding veroorzaken [1](#page=1). * **Door thermolyse:** Verhitting tot hoge temperaturen kan leiden tot de homolytische splitsing van bindingen [1](#page=1). * **Door andere radicalen:** Een reeds bestaand radicaal kan een reactie initiëren die leidt tot de vorming van nieuwe radicalen [1](#page=1). > **Tip:** De dubbele "vishaak" pijl wordt gebruikt om de homolytische splitsing aan te geven [1](#page=1). ### 1.3 Kenmerken van radicalen Het belangrijkste kenmerk van een radicaal is de aanwezigheid van een ongepaard elektron, wat resulteert in een onvolledige octetconfiguratie. Dit maakt radicalen extreem reactief en geneigd om snel te reageren om zo een stabielere toestand te bereiken [1](#page=1). --- # Halogenering van alkanen Halogenering is een proces waarbij een waterstofatoom in een alkaan wordt vervangen door een halogeenatoom, meestal chloor of broom, en dit gebeurt via een radicaalmechanisme. Hoewel alkanen over het algemeen als weinig reactief worden beschouwd ("paraffines" betekent weinig affiniteit), maakt functionalisatie onder invloed van licht (hν) de halogenering mogelijk. De reactie is exotherm [2](#page=2) [3](#page=3). ### 2.1 Reactiemechanisme van halogenering Het halogeneringsproces van alkanen verloopt in drie stappen: initiatie, propagatie en terminatie [2](#page=2) [3](#page=3). #### 2.1.1 Initiatie De eerste stap, initiatie, begint met de vorming van halogeenradicalen. Bij chlorering wordt chloor (Cl₂) onder invloed van UV-licht gesplitst in twee chloorradicalen (Cl•) [2](#page=2). **Reactie:** $Cl_2 \xrightarrow{h\nu} Cl\bullet + Cl\bullet$ [2](#page=2). #### 2.1.2 Propagatie Propagatie is de kettingreactiefase en omvat twee opeenvolgende reacties waarbij radicalen worden gevormd en verbruikt, maar er netto product ontstaat [2](#page=2). 1. Een halogeenradicaal (bijvoorbeeld Cl•) reageert met een alkaanmolecuul (bijvoorbeeld methaan, CH₄) om een alkylradicaal (CH₃•) en een waterstofhalide (HCl) te vormen [2](#page=2). **Reactie:** $CH_4 + Cl\bullet \rightarrow CH_3\bullet + HCl$ [2](#page=2). 2. Het gevormde alkylradicaal (CH₃•) reageert vervolgens met een nieuw halogeenmolecuul (Cl₂) om een gehalogeneerd alkaan (CH₃Cl) en een nieuw halogeenradicaal (Cl•) te genereren. Dit laatste radikaal kan de cyclus opnieuw starten [2](#page=2). **Reactie:** $CH_3\bullet + Cl_2 \rightarrow CH_3Cl + Cl\bullet$ [2](#page=2). Gedurende deze fase wordt het halogeenradicaal (Cl•) niet netto verbruikt en kan het tot wel 5000 tot 10.000 keer hergebruikt worden [2](#page=2). #### 2.1.3 Terminatie De derde stap, terminatie, beëindigt de kettingreactie doordat twee radicalen met elkaar recombineren. Er zijn drie mogelijke combinaties [3](#page=3): 1. Twee chloorradicalen recombineren tot een chloormolecuul [3](#page=3). **Reactie:** $Cl\bullet + Cl\bullet \rightarrow Cl_2$ [3](#page=3). 2. Twee alkylradicalen recombineren tot een groter alkaan [3](#page=3). **Reactie:** $CH_3\bullet + CH_3\bullet \rightarrow CH_3CH_3$ [3](#page=3). 3. Een alkylradicaal en een halogeenradicaal recombineren tot een gehalogeneerd alkaan [3](#page=3). **Reactie:** $CH_3\bullet + Cl\bullet \rightarrow CH_3Cl$ [3](#page=3). ### 2.2 Beperkingen van halogenering De halogenering van alkanen kent twee belangrijke problemen die het toepassingsgebied ervan beperken [3](#page=3). * **Vorming van mengsels:** Het mechanisme leidt vaak tot de vorming van een mengsel van producten, wat de isolatie van een specifiek product bemoeilijkt. Dit beperkt de toepassing voornamelijk tot kleine alkanen [3](#page=3). * **Meervoudige halogenering:** Het is moeilijk om de reactie te stoppen na de introductie van slechts één halogeenatoom. Naast het monosubstitutieproduct (bijvoorbeeld CH₃Cl) kunnen er ook producten met meerdere halogeenatomen ontstaan, zoals dichloormethaan (CH₂Cl₂), chloor- of trichloormethaan (CHCl₃) en tetrachloormethaan (CCl₄) [3](#page=3). --- # Ketenreacties en stabiliteit van radikalen Dit gedeelte behandelt ketenreacties, met polyvinylchloride synthese als illustratief voorbeeld, en de stabiliteit van radikalen, die vergelijkbaar is met die van carbokationen. ### 4.1 Ketenreacties Ketenreacties zijn een reeks chemische reacties die worden aangedreven door intermediaire deeltjes die zelf weer nieuwe reactieve intermediairen genereren, waardoor de reactie zich voortzet in een ketting. De synthese van polyvinylchloride (PVC) wordt aangehaald als een voorbeeld van een dergelijk proces [4](#page=4). ### 4.2 Stabiliteit van radikalen De stabiliteit van radikalen vertoont een opmerkelijke gelijkenis met de stabiliteit van carbokationen. Er zijn twee belangrijke factoren die bijdragen aan de stabiliteit van zowel carbokationen als radikalen [4](#page=4): #### 4.2.1 Invloed van omringing door elektrondonerende groepen De stabiliteit van een radicaal neemt toe naarmate het centraal koolstofatoom meer is omgeven door elektrondonerende groepen. Dit effect kan worden toegeschreven aan twee mechanismen [4](#page=4): * **Inductief effect:** Elektrondonerende groepen duwen elektronen naar het radicaalcentrum, wat helpt om de oneven elektronen te stabiliseren [4](#page=4). * **Overlap met omringende orbitalen:** De overlap tussen de p-orbitaal die het ongepaarde elektron bevat en de orbitaal van de omringende groepen draagt bij aan de stabilisatie [4](#page=4). De trend in stabiliteit op basis van de omringing is als volgt: primair < secundair < tertiair [4](#page=4). waarbij een tertiair radicaal het meest stabiel is, gevolgd door een secundair en vervolgens een primair radicaal. Dit kan worden weergegeven als: $$ \underset{\text{primair}}{\ce{R-CH2. }} < \underset{\text{secundair}}{\ce{R2-CH. }} < \underset{\text{tertiair}}{\ce{R3-C. }} $$ stabiliteit [4](#page=4). #### 4.2.2 Invloed van delocalisatie De stabiliteit van een radicaal neemt ook toe wanneer er een mogelijkheid tot delocalisatie bestaat. Dit betekent dat het ongepaarde elektron kan worden verspreid over meerdere atomen, waardoor de ladingsdichtheid op het radicaalcentrum wordt verminderd en het radicaal stabieler wordt [4](#page=4). > **Tip:** Denk aan de stabiliteit van radikalen op dezelfde manier als aan de stabiliteit van carbokationen; beide profiteren van elektronendonatie en delocalisatie om hun reactiviteit te verminderen. --- ## 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 | |------|------------| | Radikaal | Een molecuul of atoom met een ongepaard elektron, wat resulteert in een onvolledige octetconfiguratie en hoge reactiviteit. | | Homolytische splitsing | Een chemische reactie waarbij een covalente binding symmetrisch wordt verbroken, waarbij elk deel een elektron van het oorspronkelijke bindingselektronenpaar ontvangt, wat leidt tot de vorming van twee radicalen. | | Vishaakpijl | Een symbool dat een enkele elektronoverdracht of een homolytische splitsing aangeeft, anders dan de dubbele pijl die een reversibele reactie aanduidt. | | Thermolyse | De chemische afbraak van een stof door warmte, zonder toevoeging van andere chemicaliën. | | Octetconfiguratie | De neiging van atomen om elektronen te winnen, verliezen of delen om acht valentie-elektronen te bereiken, wat een stabiele elektronenschil vormt. | | Alkanen | Verzadigde koolwaterstoffen die uitsluitend enkele bindingen tussen koolstofatomen bevatten en de algemene formule $C_n H_{2n+2}$ volgen. | | Paraffinen | Een andere naam voor alkanen, die bekend staan om hun relatief lage reactiviteit en affiniteit. | | Functionalisatie | Het proces waarbij een functionele groep wordt geïntroduceerd in een organische molecule, waardoor de chemische eigenschappen van de molecule veranderen. | | Initiatie | De eerste stap in een ketenreactie waarbij de actieve deeltjes (bijvoorbeeld radicalen) worden gevormd die de kettingreactie starten. | | Propagatie | De opeenvolgende stappen in een ketenreactie waarbij de actieve deeltjes worden geregenereerd en de reactie voortduurt, zonder netto verbruik van het actieve deeltje. | | Terminatie | De laatste stap in een ketenreactie waarbij de actieve deeltjes worden vernietigd, waardoor de kettingreactie stopt. | | Meervoudige chlorering | Het proces waarbij een molecule meer dan één chlooratoom opneemt tijdens een reactie, wat kan leiden tot de vorming van diverse gechloreerde producten. | | Ketenreactie | Een reactie die verloopt via een reeks stappen waarbij intermediairen (vaak radicalen of ionen) worden geregenereerd, waardoor de reactie zichzelf in stand kan houden. | | Stabiliteit van radikalen | De mate waarin een radikaal stabiel is, beïnvloed door factoren zoals sterische hindering, inductieve effecten en elektronendelocalisatie. | | Carbokation | Een positief geladen ion met een koolstofatoom dat drie bindingen vormt en een positieve formele lading draagt. | | Primair radikaal | Een radikaal waarbij het ongepaarde elektron zich op een primair koolstofatoom bevindt (gebonden aan één ander koolstofatoom). | | Secundair radikaal | Een radikaal waarbij het ongepaarde elektron zich op een secundair koolstofatoom bevindt (gebonden aan twee andere koolstofatomen). | | Tertiair radikaal | Een radikaal waarbij het ongepaarde elektron zich op een tertiair koolstofatoom bevindt (gebonden aan drie andere koolstofatomen). | | Inductief effect | De overdracht van elektronendichtheid langs een sigma-binding in een molecule als gevolg van de elektronegativiteit van substituenten. | | Delokalisatie | De spreiding van elektronen over meer dan twee atomen, wat resulteert in een stabielere molecule, zoals in resonantie-gestabiliseerde radicalen of aromaten. |

# Nukleofiele additiereacties van aldehyden en ketonen Dit hoofdstuk behandelt de chemische eigenschappen van aldehyden en ketonen, met een focus op hun karakteristieke nukleofiele additiereacties aan de carbonylgroep [1](#page=1). ### 1.1 De carbonylgroep als reactief centrum De carbonylgroep, bestaande uit een koolstofatoom dubbel gebonden aan een zuurstofatoom ($C=O$), is polair door het verschil in elektronegativiteit tussen koolstof en zuurstof. Dit leidt tot een partiële positieve lading ($\delta+$) op het koolstofatoom en een partiële negatieve lading ($\delta-$) op het zuurstofatoom. Hierdoor kan het koolstofatoom van de carbonylgroep aangevallen worden door nukleofielen, terwijl het zuurstofatoom geprotoneerd kan worden door elektrofielen. Dit staat in contrast met alkenen, waar de dubbele binding reactief is voor elektrofiele additie [1](#page=1). Bij een nukleofiele additiereactie verandert de hybridisatie van het carbonylkoolstofatoom van sp2 naar sp3, wat leidt tot een tetraëdrische structuur [1](#page=1). ### 1.2 Nukleofiele additie van water De additie van water aan aldehyden en ketonen resulteert in de vorming van geminale diolen, ook wel hydraten genoemd. De evenwichtsconstante ($K$) voor deze reactie is afhankelijk van het type carbonylverbinding [2](#page=2): * Formaldehyde: $K \approx 18$ [2](#page=2). * Aldehyden: $K \approx 0.01$ [2](#page=2). * Ketonen: $K \approx 10^{-5}$ [2](#page=2). De lagere stabiliteit van hydraten van ketonen en de aanwezigheid van elektronengifende groepen (+I effect) dragen bij aan de lagere evenwichtsconstante [2](#page=2). #### 1.2.1 Mechanisme van wateradditie **Niet-gekatalyseerde reactie:** De niet-gekatalyseerde additie van water is een trage reactie waarbij een interne protonentransfer optreedt [3](#page=3). **Zuur-gekatalyseerde reactie:** Zure katalyse versnelt de additie van water. Het mechanisme omvat de protonering van het carbonylzuurstofatoom, wat het koolstofatoom nog elektrofieler maakt (#page=3, 4). Vervolgens valt het watermolecuul aan, gevolgd door deprotonering en een interne protonentransfer om het gem-diol te vormen (#page=3, 4) [3](#page=3) [4](#page=4). **Base-gekatalyseerde reactie:** In een basisch milieu is de directe additie van water niet efficiënt. Het mechanisme begint met deprotonering van water door een base, waardoor een hydroxylion ($OH^-$) ontstaat dat als nukleofiel kan optreden. Dit leidt tot de vorming van een alkoxidaanion. Echter, de hydroxylgroep in het gevormde intermediair is een slechte vertrekkende groep, waardoor verdere reactie bemoeilijkt wordt [10](#page=10) [5](#page=5). ### 1.3 Nukleofiele additie van alcoholen De additie van alcoholen aan aldehyden en ketonen is analoog aan die van water. Dit leidt tot de vorming van hemi-acetalen (uit aldehyden) of hemi-ketalen (uit ketonen) (#page=6, 7). Deze intermediairen zijn, net als gem-diolen, weinig stabiel [6](#page=6) [7](#page=7). #### 1.3.1 Vorming van acetalen en ketalen Hemiacetalen en hemiketalen kunnen verder reageren met een alcohol in zuur milieu om acetalen en ketalen te vormen. Dit proces omvat een nukleofiele substitutie in de tweede stap. Het mechanisme omvat protonering van de hydroxylgroep, waardoor deze een goede vertrekkende groep wordt (water). Vervolgens valt een tweede alcoholmolecuul aan op het gevormde carbokation, gevolgd door deprotonering [8](#page=8) [9](#page=9). > **Tip:** Acetalen en ketalen zijn stabiel in neutraal en basisch milieu, wat ze nuttig maakt als beschermgroepen voor carbonylverbindingen [8](#page=8). **Verklaring waarom acetal/ketal vorming niet doorgaat in basisch milieu:** In basisch milieu is de hydroxylgroep in het hemi-acetal of hemi-ketal een slechte vertrekkende groep, waardoor de tweede stap van de reactie (nukleofiele substitutie) niet plaatsvindt [10](#page=10). #### 1.3.2 Intramoleculaire nukleofiele additie van alcoholen Bij verbindingen die zowel een carbonylgroep als een hydroxylgroep bevatten, kan intramoleculaire additie optreden. Dit is de basis voor de cyclische structuur van suikers, waarbij een aldehydefunctie met een interne hydroxylgroep een cyclisch hemi-acetal vormt. Bij intramoleculaire vorming ligt het evenwicht sterk in de richting van de cyclische vorm [10](#page=10). > **Voorbeeld:** Glucose bestaat in een open (lineaire) vorm en een cyclische vorm, waarbij de cyclische vorm een intramoleculair gevormd hemi-acetal is [10](#page=10). ### 1.4 Nukleofiele additie van amines De additie van amines aan aldehyden en ketonen leidt tot de vorming van imines (ook wel Schiffse basen genoemd). Dit proces bestaat uit twee stappen [11](#page=11): 1. **Nukleofiele additie:** De amine valt aan op de carbonylkoolstof, gevolgd door interne protonentransfer. Deze stap vereist geen katalyse, omdat de nucleofiliciteit van de stikstof ($N$) groter is dan die van zuurstof ($O$) [11](#page=11). 2. **Eliminatie reactie:** Na de additie vindt een eliminatie van water plaats. Deze stap is essentieel en wordt versneld door zure katalyse [11](#page=11). > **Tip:** De vorming van imines verloopt het vlotst in een zwak zuur milieu [11](#page=11). > **Vraag voor zelfstudie:** Waarom is een zwak zuur milieu optimaal voor de vorming van imines uit amines en carbonylverbindingen? (Hint: Denk aan de protonering van de carbonylgroep en de stabiliteit van het intermediair) [11](#page=11). --- # Keto-enol tautomerie en de aldol condensatie Dit deel van het document behandelt keto-enol tautomerie in aldehyden en ketonen, de stabilisatie van het enolaat anion, en de aldol condensatie inclusief de reactiemechanismen en verschillende reactieomstandigheden. ### 2.1 Keto-enol tautomerie Keto-enol tautomerie is een chemisch evenwicht tussen een keto-vorm (met een carbonylgroep) en een enol-vorm (met een dubbele binding naast een hydroxylgroep) van een molecuul. Deze tautomerie treedt op in aldehyden en ketonen die minstens één α-waterstofatoom bezitten [12](#page=12). #### 2.1.1 Het evenwicht Het evenwicht ligt doorgaans sterk aan de keto-zijde, wat betekent dat de keto-vorm de stabielere is. Dit is te zien aan de evenwichtsconstanten ($K$) die voor de omzetting van de keto- naar de enol-vorm veel kleiner zijn dan 1 [12](#page=12) [13](#page=13). * **Acetaldehyde:** `O OH` `// |` `CH3-CH <-> CH3-C` ` |` ` H` `K ~ 3x10^-7` [12](#page=12). * **Aceton:** `O OH` `// |` `CH3-C-CH3 <-> CH3-C=CH2` ` |` ` CH3` `K ~ 2.6` [12](#page=12). Bij de meeste ketonen is de enol-vorm verwaarloosbaar aanwezig ten opzichte van de keto-vorm [13](#page=13). #### 2.1.2 Mechanisme van tautomerie De omzetting van de keto- naar de enol-vorm vindt plaats via een mechanisme dat katalyse door een base vereist [13](#page=13). 1. **Deprotonering:** Een base (zoals hydroxide, OH$^–$) onttrekt een α-waterstofatoom, waarbij een enolaat anion wordt gevormd [13](#page=13). 2. **Protonering:** Het enolaat anion wordt vervolgens geprotoneerd door water, wat leidt tot de vorming van de enol [13](#page=13). De vorming van het enolaat anion is in essentie een zuur/base reactie waarbij aldehyden en ketonen optreden als 'koolstof-zuren' met pKa-waarden tussen 18 en 24 [15](#page=15). #### 2.1.3 Stabilisatie van het enolaat anion De vorming van het enolaat anion wordt gestabiliseerd door mesomerie. Het negatieve ladingscentrum kan verdeeld worden over het zuurstofatoom en het α-koolstofatoom [14](#page=14). $$ \begin{aligned} \text{O}^- \quad \quad \quad \quad \quad &\quad \quad \quad \quad \text{O} \\ | \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad & \quad \quad \quad \quad || \\ \text{C} \quad \leftrightarrow \quad \quad \quad \text{C} \\ \text{R(H)C} \quad \quad \quad \quad \quad & \quad \quad \quad \text{R(H)C}^- \\ \text{R}_1 \quad \quad \quad \quad \quad & \quad \quad \quad \text{R}_1 \end{aligned} $$ Deze stabilisatie verklaart waarom de αC-H binding relatief gemakkelijk gebroken kan worden in aanwezigheid van een base. Het gevormde carbanion is een nucleofiel en kan leiden tot nucleofiele addities op de carbonylfunctie, wat resulteert in de vorming van een nieuwe C-C binding [15](#page=15). ### 2.2 De aldol condensatie De aldol condensatie is een organische reactie waarbij twee moleculen van een aldehyde of keton met elkaar reageren om een β-hydroxy-aldehyde of β-hydroxy-keton te vormen. Deze reactie wordt gekatalyseerd door zuren of basen [15](#page=15). #### 2.2.1 Mechanisme van de aldol condensatie (basis katalyse) Het mechanisme kan in drie stappen worden onderverdeeld: **Stap 1: Vorming van het enolaat anion** Een base onttrekt een α-waterstofatoom van een aldehyde- of ketonmolecuul, waardoor het corresponderende enolaat anion ontstaat [16](#page=16). $$ \begin{aligned} &\qquad \text{O} \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \text{O}^- \\ &\qquad || \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad | \\ \text{RCH}_2\text{C}\text{H} + \text{OH}^- \quad \leftrightarrow \quad \text{RCH}^-\text{C}\text{H} + \text{H}_2\text{O} \end{aligned} $$ **Stap 2: Nucleofiele aanval op de carbonylgroep** Het gevormde enolaat anion fungeert als een nucleofiel en valt de elektrofilische carbonylkoolstof van een ander aldehyde- of ketonmolecuul aan. Dit resulteert in de vorming van een nieuw C-C binding en een alkoxidaanion [16](#page=16). $$ \begin{aligned} &\qquad \text{O} \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \text{O}^- \\ &\qquad || \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad | \\ \text{RCH}^-\text{C}\text{H} + \text{RCH}_2\text{C}\text{H} \quad \rightarrow \quad \text{RCH}_2\text{C}\text{H}-\text{CH}^-\text{C}\text{H} \\ \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad | \\ \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \text{R} \end{aligned} $$ **Stap 3: Protonering** Het alkoxidaanion wordt geprotoneerd door water, wat leidt tot de vorming van het β-hydroxy-aldehyde of β-hydroxy-keton. Dit intermediair wordt het "aldol" genoemd (van aldehyde en alcohol) [17](#page=17). $$ \begin{aligned} &\qquad \text{O}^- \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \text{OH} \\ & | \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad | \\ \text{RCH}_2\text{C}\text{H}-\text{CH}\text{R} + \text{H}_2\text{O} \quad \rightarrow \quad \text{RCH}_2\text{C}\text{H}-\text{CH}\text{R} + \text{OH}^- \end{aligned} $$ #### 2.2.2 Reactieomstandigheden en producten De omstandigheden van de reactie bepalen het eindproduct. * **Lage temperatuur (0-10 °C):** Bij lage temperaturen wordt de aldolcondensatie gestopt bij de vorming van het β-hydroxy-aldehyde of β-hydroxy-keton. Dit intermediair kan ook een retro-reactie ondergaan, bekend als de retro-aldolcondensatie, wat belangrijk is bij de afbraak van suikers zoals in de glycolyse [17](#page=17). > **Voorbeeld:** Reactie van twee moleculen acetaldehyde bij lage temperatuur vormt 2-hydroxy-butanal [17](#page=17). > ``` > H3C-CHO + H3C-CHO --(0°C)--> CH3-CH(OH)-CH2-CHO > ``` * **Hoge temperatuur (80-100 °C):** Bij hogere temperaturen vindt er dehydratie (eliminatie van water) plaats, wat leidt tot de vorming van een α,β-onverzadigd aldehyde of keton. Deze eliminatie wordt sterk bevorderd door de vorming van een geconjugeerd π-systeem met de carbonylfunctie, wat het stabieler maakt [18](#page=18). > **Voorbeeld:** Bij verwarming van 2-hydroxy-butanal ontstaat 2-butenal (crotonaldehyde) door eliminatie van water [18](#page=18). > ``` > CH3-CH(OH)-CH2-CHO --(80-100°C)--> CH3-CH=CH-CHO + H2O > ``` #### 2.2.3 Acetaldehyde en aceton als voorbeelden * **Acetaldehyde (ethanal):** Kan met zichzelf reageren om 2-hydroxy-butanal te vormen bij lage temperatuur, of 2-butenal bij hogere temperatuur [18](#page=18). * **Aceton (2-propanon):** Kan met zichzelf reageren om 4-hydroxy-2-pentanon te vormen, en bij dehydratie 4-methyl-penteen-2-on [18](#page=18). > **Tip:** Bij de aldol condensatie van symmetrische ketonen zoals aceton, is er slechts één type α-koolstof, waardoor er geen mengsel van producten ontstaat door de keuze van het α-waterstofatoom. > **Tip:** Onthoud dat de aldol condensatie een C-C bindingsvormende reactie is, wat het een zeer belangrijke reactie maakt in de organische synthese. --- ## 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 | |------|------------| | Nukleofiele Additiereactie | Een chemische reactie waarbij een nukleofiel zich bindt aan een elektrofilisch centrum, wat leidt tot een toevoeging aan een meervoudige binding. Bij carbonylverbindingen vindt dit plaats op het carbonylkoolstofatoom. | | Carbonylfunctie | Een functionele groep bestaande uit een koolstofatoom dubbel gebonden aan een zuurstofatoom (C=O). Deze functie komt voor in aldehyden en ketonen en is kenmerkend voor hun reactiviteit. | | Aldehyden | Organische verbindingen die een carbonylgroep bevatten die aan ten minste één waterstofatoom is gebonden. Ze hebben de algemene formule RCHO. | | Ketonen | Organische verbindingen die een carbonylgroep bevatten die aan twee alkyl- of arylgroepen is gebonden. Ze hebben de algemene formule RCOR. | | Nukleofiel | Een chemische soort die een elektronenzuiver is en in staat is om een elektronenzuiver atoom aan te vallen. Nukleofielen bezitten een negatieve lading of een vrij elektronenpaar. | | Elektrofiel | Een chemische soort die een elektronenarm is en in staat is om een elektronenrijk atoom aan te vallen. Elektrofielen bezitten een positieve lading of een positief gedeeltelijk geladen atoom. | | Gem-diol | Een verbinding die twee hydroxylgroepen aan hetzelfde koolstofatoom bevat. Dit zijn de hydratatieproducten van aldehyden en ketonen. | | Acetaal | Een organische verbinding met de algemene formule $RC(OR')_2R"$. Ze worden gevormd door de reactie van een aldehyde of keton met twee equivalenten alcohol in aanwezigheid van een zuur. | | Ketal | Een organische verbinding met de algemene formule $RC(OR')_2R"$, waarbij R en R" alkyl- of arylgroepen zijn. Ze worden gevormd door de reactie van een keton met twee equivalenten alcohol in aanwezigheid van een zuur. | | Hemiacetaal | Een organische verbinding die een hydroxylgroep en een alkoxygroep aan hetzelfde koolstofatoom bevat. Ze zijn tussenproducten bij de vorming van acetalen uit aldehyden en alcoholen. | | Hemiketaal | Een organische verbinding die een hydroxylgroep en een alkoxygroep aan hetzelfde koolstofatoom bevat. Ze zijn tussenproducten bij de vorming van ketalen uit ketonen en alcoholen. | | Imine | Een organische verbinding die een koolstof-stikstof dubbele binding bevat ($C=N$). Ze worden gevormd door de reactie van een aldehyde of keton met een primair amine. | | Schiffse Base | Een term die vaak synoniem wordt gebruikt voor imine, gevormd uit de reactie van een carbonylverbinding (aldehyde of keton) met een primair amine. | | Keto-enol tautomerie | Een chemisch evenwicht tussen een keto-vorm en een enol-vorm van een organische verbinding. Dit fenomeen treedt op wanneer een molecuul een waterstofatoom op een α-koolstofatoom bezit ten opzichte van een carbonylgroep. | | Enolaat anion | Het geconjugeerde base-anion gevormd na deprotonering van een α-waterstofatoom van een carbonylverbinding. Dit anion is gestabiliseerd door resonantie. | | Aldol condensatie | Een chemische reactie waarbij twee carbonylverbindingen, meestal aldehyden of ketonen, reageren om een β-hydroxycarbonylverbinding (aldol) te vormen. Onder dehydratatie wordt een α,β-onverzadigde carbonylverbinding verkregen. | | α-koolstofatoom | Het koolstofatoom dat direct gebonden is aan een functionele groep, zoals een carbonylgroep. De waterstofatomen aan dit koolstofatoom worden α-waterstofatomen genoemd. | | Mesomerie | Een concept in de chemie dat de delokalisatie van elektronen beschrijft binnen moleculen met meerdere bindingen. Het is nauw verwant aan resonantie en helpt bij het stabiliseren van moleculen en ionen. |