Reacties en mechanismen (Scheikunde vwo), les 1: Uitleg

• newEditor
• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 4-6

Introduction

Uitleg over organische reacties en mechanismen op vwo-niveau: additie (ook 1,2- en 1,4-additie), condensatie en hydrolyse met structuurformules, reactiemechanisme en snelheidsbepalende stap, krommepijlen met nucleofiel en elektrofiel, radicalen en grensstructuren. Met 23 dia's, 2 animaties, 4 controlevragen en een exit. Docent: de radicaalpolymerisatie staat in de les Polymeren en materialen.

Glasapparatuur voor een vacuümdestillatie in een lab (foto: KiveVictor, CC BY 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · MECHANISMEN

Reacties en mechanismen

Examenstof scheikunde vwo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: R1.15-R1.17, R2.4, R2.5. Image credit: KiveVictor / Wikimedia Commons, CC BY 4.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · MECHANISMEN

Wat ga je kunnen?

Ik kan bij organische reacties bindingen aanwijzen, vergelijkingen in structuurformules geven en een gegeven mechanisme met elektronenparen beschrijven.

Wat gebeurt er met de elektronen als een binding breekt en een nieuwe ontstaat?

Verwachte woorden: elektronenpaar, binding, dubbele binding, ion, radicaal, pijl, additie, ester, water. Schrijf ze op en sorteer ze: reactietype (additie, condensatie, hydrolyse, substitutie) en wat de elektronen doen. Koppel aan de les: eerst welke bindingen verdwijnen en ontstaan (R1.15 tot en met R1.17), daarna hoe elektronenparen verschuiven in een gegeven mechanisme (R2.4 en R2.5). Veelgemaakte misvatting: dat atomen "overspringen"; in een mechanisme beweegt altijd een elektronenpaar, bij radicalen één elektron.

Etheen en broom geven 1,2-dibroomethaan, met lewisstructuren (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · MECHANISMEN

Additie aan een C=C binding

• Bij additie voegt een molecuul zich toe aan een C=C: er ontstaat één product.

• Van de dubbele binding breekt één binding; elk C-atoom krijgt een nieuwe enkele binding.

• Etheen + broom: de Br–Br binding breekt en er ontstaan twee C–Br bindingen.

• In de lewisstructuur wordt de C=C een C–C; alle vrije elektronenparen blijven staan.

Syllabus R1.15: bij organisch-chemische reacties aangeven welke bindingen verbroken en gevormd worden, zo nodig met lewisstructuren (additie aan C=C). R1.16: reactievergelijking in structuurformules en lewisstructuren. Reactie: C₂H₄ + Br₂ → C₂H₄Br₂ (1,2-dibroomethaan): links 2 C, 4 H en 2 Br, rechts 2 C, 4 H en 2 Br. Magenta gestippeld is verbroken, magenta doorgetrokken is gevormd. Veelgemaakte fout: denken dat beide bindingen van de dubbele binding breken; er blijft een enkele C–C binding over. Kijkvraag: hoeveel bindingen verdwijnen en hoeveel ontstaan? Antwoord: twee verdwijnen (één van de C=C en de Br–Br), twee ontstaan (twee C–Br). Image credit: Eigen figuur

Ester en amide ontstaan met H₂O; hydrolyse is het omgekeerde (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · MECHANISMEN

Condensatie en hydrolyse

• Bij condensatie koppelen twee moleculen onder afsplitsing van H₂O: een ester of een amide.

• Ester: de C–OH van het zuur en de O–H van de alcohol breken, er ontstaat C–O.

• Amide: de C–OH van het zuur en een N–H van het amine breken, er ontstaat C–N.

• Hydrolyse is het omgekeerde: H₂O splitst de ester- of amidebinding weer.

Syllabus R1.15 en R1.16: condensatiereacties (ester, amide/peptide) en hydrolysereacties in structuurformules. CH₃COOH + C₂H₅OH → CH₃COOC₂H₅ + H₂O: links C₄H₁₀O₃ (C₂H₄O₂ + C₂H₆O), rechts C₄H₈O₂ + H₂O is ook C₄H₁₀O₃. Amide: CH₃COOH + CH₃NH₂ → CH₃CONHCH₃ + H₂O: links C₃H₉NO₂, rechts C₃H₇NO + H₂O is ook C₃H₉NO₂. Het water bestaat uit de OH van het zuur en een H van de alcohol of het amine; de O in de ester komt dus van de alcohol. Bij hydrolyse breekt de binding tussen de carbonyl-C en de O (ester) of de N (amide). Veelgemaakte fout: de OH van de alcohol laten afsplitsen. Image credit: Eigen figuur

Lege zijdecocons: zijde is een eiwit (foto: Kuebi, CC BY-SA 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · MECHANISMEN

Peptidebinding: vormen en breken

• Een peptide is een keten van aminozuren, verbonden door amidebindingen (peptidebindingen).

• Vorming: de C–OH van het ene aminozuur en een N–H van het andere breken; er ontstaat C–N.

• Hydrolyse: H₂O splitst juist die C–N; de OH gaat naar het C-atoom, de H naar het N-atoom.

• De restgroepen doen niet mee: alleen de peptidebinding wordt gevormd of verbroken.

Syllabus R1.15 en R1.16: amide/peptide, bindingen verbroken en gevormd. Zijde bestaat uit eiwit: lange peptideketens. Voorbeeld: glycine (C₂H₅NO₂) + alanine (C₃H₇NO₂) → dipeptide (C₅H₁₀N₂O₃) + H₂O: links C₅H₁₂N₂O₄, rechts C₅H₁₀N₂O₃ + H₂O is ook C₅H₁₂N₂O₄. Bij hydrolyse is het omgekeerd: dipeptide + H₂O → glycine + alanine. Het tellen van H₂O bij lange ketens staat in Polymeren en materialen en Biomoleculen. Veelgemaakte fout: bij hydrolyse de C=O in plaats van de C–N laten breken. De peptidebinding is een amidebinding: C(=O)–NH. Image credit: Armin Kübelbeck (Kuebi) / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Etheen ontkleurt broomwater (foto). Welke bindingen verdwijnen?

A

Eén van de C=C bindingen en de Br–Br binding

B

De C–H bindingen en de Br–Br binding

C

Beide C=C bindingen en de Br–Br binding

D

Eén van de C=C bindingen en een C–H binding

Syllabus R1.15. C₂H₄ + Br₂ → C₂H₄Br₂: de C=C wordt een enkele binding (één binding minder), de Br–Br verdwijnt en er ontstaan twee C–Br bindingen. Het oranje Br₂ is weg, dus het broomwater ontkleurt. Verwachte fouten: beide bindingen van de C=C laten breken, of de C–H bindingen erbij betrekken. Image credit: Madowiki / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Energiediagram van een reactie in twee stappen (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · MECHANISMEN

Reactie in stappen

• Veel reacties verlopen in meer dan één stap: samen noem je dat het reactiemechanisme.

• Na een stap ontstaat een tussenproduct, zoals een deeltje met C⁺, dat snel verder reageert.

• De langzaamste stap is de snelheidsbepalende stap: welke dat is, staat in de opgave.

• In het energiediagram heeft die stap de hoogste piek (hoogste activeringsenergie).

Syllabus R2.4: reacties verlopen vaak in een aantal stappen; reactiemechanisme en snelheidsbepalende stap. De som van de stappen is de totaalvergelijking: tussenproducten staan links en rechts en vallen weg. Voorbeeld (gegeven mechanisme): stap 1 C₂H₄ + HBr → C₂H₅⁺ + Br⁻, stap 2 C₂H₅⁺ + Br⁻ → C₂H₅Br; totaal C₂H₄ + HBr → C₂H₅Br (lading: 0 + 0 links, +1 − 1 = 0 na stap 1). In dit mechanisme is stap 1 de langzame stap. De syllabus vraagt niet dat leerlingen zelf bepalen welke stap langzaam is: dat staat in de opgave of volgt uit een gegeven energiediagram. Veelgemaakte fout: denken dat de snelste stap de snelheid bepaalt. Vergelijk met het langzaamste onderdeel van een lopende band: dat bepaalt het tempo. Activeringsenergie komt ook terug bij reactiesnelheid en katalyse; hier alleen het vergelijken van de hoogte van de pieken. Image credit: Eigen figuur

Etheen + HBr in twee stappen, met krommepijlen (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · MECHANISMEN

Krommepijlen: elektronenparen

• Een krommepijl begint bij een elektronenpaar en eindigt waar dat paar naartoe gaat.

• Een nucleofiel levert een elektronenpaar, bijvoorbeeld OH⁻, NH₃, Br⁻ of een C=C.

• Een elektrofiel neemt een elektronenpaar op: een deeltje met C⁺ of H⁺, of een δ+ atoom.

• Animatie: de C=C levert een paar aan H van HBr; daarna levert Br⁻ een paar aan C⁺.

Syllabus R2.5: van een gegeven reactiemechanisme (in het examen staat het mechanisme in de opgave) de verplaatsing van elektronen en elektronenparen beschrijven; elektrofiel en nucleofiel. De pijl begint bij een elektronenpaar (een binding of een vrij paar), nooit bij een atoomkern. Stap 1: een elektronenpaar van de C=C vormt een binding met H, terwijl het bindingspaar van H–Br naar Br gaat (Br⁻); er blijft C⁺ achter als tussenproduct. Stap 2: een vrij elektronenpaar van Br⁻ vormt de C–Br binding. Totaal: C₂H₄ + HBr → C₂H₅Br. Kijkvraag: waar begint en waar eindigt de eerste pijl? Antwoord: begint bij de C=C, eindigt bij het H-atoom van HBr. Veelgemaakte fout: de pijl van het atoom naar het paar tekenen (andersom). Een stof is niet altijd hetzelfde: in een ander mechanisme kan een deeltje juist elektrofiel zijn. Image credit: Eigen animatie

OH⁻ vervangt Br⁻ in broomethaan: twee krommepijlen (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · MECHANISMEN

Nucleofiele substitutie

• Bij substitutie vervangt een atoom of groep een ander: hier Br door OH.

• OH⁻ is het nucleofiel: een vrij paar van O valt het C-atoom aan, dat δ+ is door de Br.

• Tegelijk breekt C–Br en gaat het bindingspaar naar Br: Br⁻ verlaat het molecuul.

• CH₃CH₂Br + OH⁻ → CH₃CH₂OH + Br⁻: de ladingsbalans klopt (−1 links, −1 rechts).

Syllabus R1.15, R1.16 en R2.5: substitutie in structuurformules en lewisstructuren, nucleofiel en elektrofiel. Atoombalans: links C₂H₅Br + OH⁻ is C₂H₆OBr met lading −1, rechts C₂H₅OH + Br⁻ is C₂H₆OBr met lading −1. In dit gegeven mechanisme verloopt de reactie in één stap: de nieuwe binding ontstaat terwijl de oude breekt. De C is δ+ omdat Br elektronegatiever is dan C (zoek de elektronegativiteiten op in Binas). Veelgemaakte fout: denken dat OH⁻ een H van de koolstof afhaalt, of dat Br eerst als ion los moet zijn. Image credit: Eigen figuur

Vul in

Een nucleofiel levert een elektronenpaar; een elektrofiel neemt dat paar op.

nucleofiel

elektrofiel

radicaal

katalysator

Syllabus R2.5. Nucleofiel: levert een (vrij of bindend) elektronenpaar, bijvoorbeeld OH⁻ of Br⁻. Elektrofiel: neemt een elektronenpaar op, bijvoorbeeld H⁺ of C⁺. Verwachte fout: de twee omdraaien omdat "elektro" aan elektronen doet denken: de elektrofiel zoekt juist elektronen.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · MECHANISMEN

Radicalen: een ongepaard elektron

• Een radicaal is een deeltje met een ongepaard elektron, in een lewisstructuur een stip: Cl• en •CH₃.

• Een radicaal ontstaat als een binding zo breekt dat elk atoom één elektron van het paar meekrijgt.

• Daarvoor is energie nodig: warmte, uv-licht of een initiator zoals een peroxide.

• Radicalen zijn zeer reactief: ze reageren met een molecuul en laten daarbij weer een radicaal ontstaan.

• Een halve pijl (vishaak) laat één elektron verschuiven, een hele krommepijl een elektronenpaar.

Syllabus R2.5: radicalen in een gegeven reactiemechanisme. Een radicaal is een deeltje met een ongepaard elektron (lewisstructuur van radicalen). De radicaalpolymerisatie met initiatie, propagatie en terminatie (R2.2) staat in de les Polymeren en materialen; in deze les gaat het om substitutie via radicalen. Veelgemaakte fout: een radicaal verwarren met een ion: Cl• is neutraal, Cl⁻ heeft een extra elektron.

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl via radicalen (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · MECHANISMEN

Methaan en chloor: een kettingreactie

• Initiatie: uv-licht splitst Cl₂ in twee chloorradicalen (Cl•).

• Propagatie: Cl• haalt H van CH₄ af (HCl + •CH₃); •CH₃ pakt Cl van Cl₂ (CH₃Cl + Cl•).

• Het nieuwe Cl• begint opnieuw: één initiatie kan veel moleculen laten reageren.

• Terminatie: twee radicalen vormen een binding, bijvoorbeeld •CH₃ + Cl• → CH₃Cl.

Syllabus R2.5 (radicalen) en R1.16 (substitutie). CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl. De som van de propagatiestappen Cl• + CH₄ → HCl + •CH₃ en •CH₃ + Cl₂ → CH₃Cl + Cl• geeft CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl; Cl• valt weg. Verwijzing: dezelfde drie fasen als bij additiepolymerisatie (R2.2, les Polymeren en materialen); daar groeit een keten door C=C te openen, hier wordt een H vervangen. Kijkvraag: welk deeltje komt in beide propagatiestappen terug? Antwoord: Cl•, het wordt verbruikt en weer gevormd. De halve pijlen geven één elektron aan. Veelgemaakte fout: Cl• en Cl⁻ door elkaar halen, of vergeten dat een radicaal na een propagatiestap altijd een nieuw radicaal oplevert. Image credit: Eigen animatie

Ozon boven Antarctica op 3 oktober 1985: blauw is weinig ozon (foto: NASA)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · MECHANISMEN

Radicalen in de atmosfeer

• Uv-licht splitst in de stratosfeer CFK-moleculen en maakt chloorradicalen (Cl•).

• Cl• + O₃ → ClO• + O₂: het radicaal breekt ozon af.

• ClO• reageert verder en geeft weer Cl• terug: het radicaal wordt niet verbruikt.

• Zo kan één Cl• vele O₃-moleculen afbreken: een radicaalketen in de ozonlaag.

Syllabus R2.5 (radicalen), als context. Cl• + O₃ → ClO• + O₂: links 1 Cl en 3 O, rechts 1 Cl en 1 + 2 = 3 O. ClO• reageert met een O-atoom: ClO• + O → Cl• + O₂; totaal O₃ + O → 2 O₂, waarbij Cl• steeds terugkomt. Het gebruik van CFK's is wereldwijd sterk teruggebracht. Veelgemaakte fout: denken dat Cl• wordt opgebruikt. Image credit: NASA Goddard Scientific Visualization Studio / Wikimedia Commons, publiek domein

Zet de chlorering van methaan op volgorde

1

Twee radicalen binden aan elkaar

2

Cl• haalt een H af van CH₄: HCl en •CH₃

3

•CH₃ pakt Cl van Cl₂: CH₃Cl en Cl•

4

Uv-licht splitst Cl₂ in twee Cl•

Syllabus R2.5. Volgorde: initiatie, propagatie 1, propagatie 2, terminatie. Verwachte fout: terminatie te vroeg zetten, of propagatie 2 vóór propagatie 1 (•CH₃ bestaat pas na stap 1).

Twee grensstructuren van het kation CH₃–CH⁺–CH=CH₂ (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · MECHANISMEN

Lading verdeeld: grensstructuren

• Staat een C⁺ naast een C=C, dan kun je het elektronenpaar van de C=C naar de C⁺ verschuiven.

• Zo ontstaan twee grensstructuren: de plus zit op C2 of op C4.

• Het echte deeltje is geen van beide: de lading is verdeeld over C2 en C4 (mesomerie).

• Alleen elektronen verschuiven; alle atomen blijven op dezelfde plaats.

Syllabus R2.5: grensstructuren en lewisstructuren (zie ook M1.15: grensstructuren en mesomerie). Het kation CH₃–CH⁺–CH=CH₂ en CH₃–CH=CH–CH₂⁺ hebben beide formule C₄H₇⁺ en lading +1. Tussen grensstructuren staat een dubbele pijl (niet het evenwichtsteken): het is één deeltje. Veelgemaakte fout: grensstructuren zien als twee losse stoffen die snel wisselen, of een atoom in plaats van een elektronenpaar verplaatsen. Image credit: Eigen figuur

HBr aan buta-1,3-dieen: 1,2-additie en 1,4-additie (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · MECHANISMEN

1,2- en 1,4-additie

• Buta-1,3-dieen, CH₂=CH–CH=CH₂, heeft twee C=C met één enkele binding ertussen.

• H van HBr bindt aan C1; de plus zit op C2 en C4, dus Br⁻ kan op beide plaatsen binden.

• 1,2-additie: H op C1, Br op C2; de C=C tussen C3 en C4 blijft.

• 1,4-additie: H op C1, Br op C4; de C=C zit nu tussen C2 en C3.

Syllabus R1.15: additie aan C=C met 1,2- en 1,4-additie. Product 1,2: CH₃–CHBr–CH=CH₂ (3-broombut-1-een). Product 1,4: CH₃–CH=CH–CH₂Br (1-broombut-2-een). Beide zijn C₄H₇Br, de som van C₄H₆ en HBr. Bij 1,4-additie verschuift de dubbele binding: dat volgt uit de grensstructuur met de plus op C4. Veelgemaakte fout: denken dat de dubbele binding bij 1,4-additie op zijn plek blijft. Kijkvraag: welke C=C blijft over bij 1,4? Antwoord: die tussen C2 en C3. Image credit: Eigen figuur

Glasapparatuur voor een vacuümdestillatie in een lab (foto: KiveVictor, CC BY 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · MECHANISMEN

Een analoge reactie beschrijven

• Bij een analoge reactie verlopen dezelfde bindingswijzigingen met andere stoffen.

• Stap 1: markeer in de gegeven reactie welke bindingen breken en ontstaan.

• Stap 2: zoek dezelfde groepen in de nieuwe stoffen. Stap 3: voer dezelfde wijzigingen uit.

• Voorbeeld: gegeven etheen + HBr; analoog geeft cyclohexeen + HBr broomcyclohexaan.

Syllabus R1.17: aan de hand van een gegeven reactie een reactie met analoge verbindingen beschrijven. Gegeven: CH₂=CH₂ + HBr → CH₃–CH₂Br. Analoog: C₆H₁₀ (cyclohexeen) + HBr → C₆H₁₁Br (broomcyclohexaan): links 6 C, 11 H en 1 Br, rechts ook. Ook hier breekt één binding van de C=C en de H–Br, en ontstaan C–H en C–Br. Cyclohexeen is symmetrisch, dus er is maar één product. Pas hetzelfde idee toe bij substitutie (OH⁻ naar NH₃) en hydrolyse. Veelgemaakte fout: de groepen niet herkennen omdat de koolstofketen anders is; kijk naar de karakteristieke groep. Image credit: KiveVictor / Wikimedia Commons, CC BY 4.0

HBr voegt zich 1,4 toe aan buta-1,3-dieen. Welk product ontstaat?

A

CH₃–CHBr–CH=CH₂

B

BrCH₂–CH₂–CH=CH₂

C

CH₃–CH₂–CH=CHBr

D

CH₃–CH=CH–CH₂Br

Syllabus R1.15. H op C1, Br op C4 en de C=C tussen C2 en C3: CH₃–CH=CH–CH₂Br (C₄H₇Br). CH₃–CHBr–CH=CH₂ is het 1,2-product. De andere twee volgen niet uit het kation. Verwachte fout: het 1,2-product kiezen.

Wat vond je het lastigst in deze les?

1

Bindingen verbreken en vormen aangeven

2

Krommepijlen en elektronenparen

3

Radicalen en halve pijlen

4

1,4-additie en grensstructuren

Gebruik de uitslag om te bepalen welk blok je herhaalt. Bij krommepijlen: laat leerlingen de pijl hardop "van ... naar ..." beschrijven.

Verschil tussen nucleofiel en elektrofiel?

Een goed antwoord: een nucleofiel levert een elektronenpaar (vrij paar of bindingspaar), een elektrofiel neemt een elektronenpaar op; noem een voorbeeld van elk, zoals OH⁻ en H⁺. Verwachte fout: de twee omdraaien.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · MECHANISMEN

Begrippen (1/2)

• additie: een molecuul voegt zich toe aan een C=C; de dubbele binding wordt enkel (ook 1,2- en 1,4-additie)

• condensatie: twee moleculen koppelen onder afsplitsing van H₂O, bijvoorbeeld ester of amide

• hydrolyse: een binding wordt gesplitst door H₂O, het omgekeerde van condensatie

• substitutie: een atoom of groep wordt vervangen door een ander atoom of een andere groep

• reactiemechanisme: de stappen waarin een reactie verloopt, met de verschuiving van de elektronen

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · MECHANISMEN

Begrippen (2/2)

• snelheidsbepalende stap: de langzaamste stap, die de snelheid van de hele reactie bepaalt

• elektrofiel: deeltje of atoom dat een elektronenpaar opneemt, bijvoorbeeld H⁺ of C⁺

• nucleofiel: deeltje dat een elektronenpaar levert, bijvoorbeeld OH⁻ of NH₃

• radicaal: deeltje met een ongepaard elektron, zoals Cl• of •CH₃

• grensstructuur: een van de lewisstructuren waarmee je een deeltje met verdeelde lading beschrijft