ORGANIC CHEMISTRY AND BIOMOLECULES

PENGENALAN Kimia organik adalah kimia mengenai sebatian karbon. Alasan sejarah tentang pembahagian kimia organik dan bukan organik: Punca bahan kimia hanya penyelidikan awal tentang kimia adalah dari bahan hidup. Pada mulanya, bahan kimia organik adalah dari organisma hidup, sangat kompleks dan mengdanungi C, H dan N dan/atau O. Manakala bahan kimia bukan organik terdiri dari unsur yang biasanya tiada karbon (kecuali karbonat) dan ringkas. Bahan karbon bukan organik (karbonat, sianida, karbon dioksida dll) tidak boleh ditukar kepada bahan organik. Ini melahirkan teori tenaga penting (vital force).

Teori ini menyatakan bahawa hanya organisma hidup boleh menukarkan bahan bukan organik yang mengandungi karbon kepada bahan organik. Pada tahun 1828, Friedrich Wohler berjaya menukarkan ammonium sianat NH4OCN (bukan organik) kepada urea (NH2)2CO (organik). Dalam suratnya kepada Berzelius beliau mengatakan “ I must tell you that I can prepare urea without requiring kidney or an animal….” Selepas tahun 1850, adalah persetujuan umum bahawa kimia organik adalah kajian tentang sebatian karbon. Daripada 20 juta sebatian, 90% mengdanungi karbon. Untungnya, terdapat beberapa kelas sebatian organik, setiap satu dikategorikan berdasarkan kepada grup fungsi (functional groups).

RCH=CH2 RCH=CHR R2C=CHR R2C=CR2 Family Specific Example IUPAC Name Common Name General Formula Functional Group General Naming Rule Alkane Ethane RH C-H dan C-C bonds (carbons)ane Alkene Ethene or Ethylene Ethylene RCH=CH2 RCH=CHR R2C=CHR R2C=CR2 (carbons)ene Alkyne Ethyne or Acetylene Acetylene (carbons)yne Arene Benzene ArH Aromatic Ring

(carbons)(ane/ene/yne) nitrile Ester Methyl ethanoate Methyl acetate (alcohol) (acid)ate Amide Ethanamide Acetamide (carbons)amide Nitrile Ethananenitrile Acetonitrile (carbons)(ane/ene/yne) nitrile Anhydride Propanoic anhydride (acid name -acid) anhydride

(carbons)oxy(carbons) Haloalkane Bromoethane Ethyl bromide RX (halogen)o(carbons) Alcohol Ethanol Ethyl alcohol ROH (carbons)ol Ether Methoxymethane Dimethyl ether ROR (carbons)oxy(carbons) Amine Methanamine Methylamine RNH2 R2NH R3N (carbons)amine Aldehyde Ethanal Acetaldehyde (carbons)al Ketone Propanone Acetone (carbons)anone Carboxylic Acid Ethanoic Acid Acetic Acid (carbons)oic acid

Penghibridan sp3 Karbon yang mempunyai 6 elektron mempunyai 2 elektron pada peringkat 2 s dan 2 elektron pada 2 p. Dalam molekul methana, terdapat 4 ikatan sama (equivalent bonds) tersusun sekitar atom C. Oleh itu kita perlu menukarkan 4 atom orbital yang berlainan kepada 4 orbital molekul yang sama. Ini dilakukan dengan hybridization, campuran 4 orbital atom kepada 4 orbital molekul yang baru.

Kita telah menggabungkan 4 orbital atom, 2 s dan 3 p untuk membentuk 4 orbital molekul sp3. Ianya tersusun dalam bentuk tetrahedron dikeliling atom C. Setiap satu orbital sp3 mengandungi 1 elektron, akan bertindih dengan orbital s atom H, yang juga mengdanungi 1 elektron. Ketumpatan elektron (electron density) ikatan ini adalah antara kedua-dua atom yang terikat, maka ia dipanggil ikatan sigma (sigma bond) atau ikatan s. Hibrid sp3 juga berlaku pada NH3. Nitrogen mengandungi 5 elektron valen. Ini bermakna 2 elektron akan berpasangan pada 1 sp3 orbital molekul, sebagai pasangan sendirian, dan 3 elektron lagi salah satunya pergi kepada 3 molekul orbital yang masih tinggal setiap satu bertindih dengan orbital s atom H, punca kepada elektron kedua bagi ikatan. Semua ikatan ini adalah ikatan sigma (s).

Penghibridan sp2 Mari lihat kepada ethena (ethylene), C2H4: Setiap atom C bergabung dengan 3 kumpulan lain, dengan tiada pasangan sendirian. Oleh itu, diperlukan 3 molekul orbital yang sama (equivalent molecular orbitals), maka kita gabungkan 3 orbital atom, 1 s dan 2 p.

Sekarang terdapat 3 orbital ikatan yang sama, sp2 dan 1 unhybridized orbital p. Tiga orbital sp2 akan berada pada 120o satu sama lain. Dua daripadanya akan bertindih dengan orbital s atom H, membentuk ikatan C-H, ikatan sigma. Hibrid yang ke tiga pada setiap C akan membentuk ikatan C-C, juga ikatan sigma. Orbital p yang tidak menghibrid, terdapat pada setiap C, akan berada menegak dengan orbital sp2. Orbital ini akan bertindih, sisi sama sisi, dengan orbital tidak menghibrid p atom C yang satu lagi. Ini membentuk ikatan pi atau p, dipanggil kerana ia ujud dari pertindihan sisi orbital p. Maka dalam ethylene, atom Carbon dicantumkan oleh 2 ikatan, ikatan s dan p. Ini yang dimaksudkan dengan ikatan debel (double bond) yang dilukis antara 2 atom seperti C=C.

Cara yang biasa digunakan untuk melukis C2H4 adalah: yang menunjukkan sudut 120o ikatan s, juga ikatan p

Alkene General Reactions ionic additions, which are initiated by an electrophilic agent interacting with the alkene p-cloud, activating the alkene carbons to nucleophilic additions, syn addition reactions occurring on one side of the alkene p-cloud, by either radical or concerted mechanisms, and, oxidative cleavage reactions in which the carbon-carbon double bond is cleaved to form di-carbonyl derivatives.

Addition reaction of alkenes

Oxidation of alkenes

Reactions of alkynes

Oxidation of alkynes

Alkynes Anions as Nucleophiles

Conjugated Dienes: Ionic Addition Reactions

Conjugated Dienes: Cycloaddition Reactions

Arenes: Electrophilic Aromatic Substitution

Arenes: Nucleophilic Aromatic Substitution Arenes having strongly electron-withdrawing groups on the ring, and at least one potential leaving group (typically a halogen) can undergo substitution to strong nucleophiles, as shown below for 1-fluoro-2,4-dinitrobenzene.

Arenes: Reactions of Aryl Side-Chains

Reactions of Alcohols

Ether reactions: cleavage by HI

Ether reactions: Ring opening of epoxides

Reactions of Phenols

Reactions of aldehydes: Grignard reaction

Oxidation of aldehydes and ketones

Reactions of Carboxylic acids

Reactions of aliphatic amines