Wired Chemist

De samenstelling van een verbinding wordt gegeven door de formule. Als de verbinding een ionische verbinding is, kan zij slechts één formule hebben. De ionische verbinding magnesiumchloride heeft de formule MgCl2, die ons vertelt dat de verbinding bestaat uit magnesium en chloor en dat er twee chlooratomen zijn voor elk magnesiumatoom. Voor de covalente verbinding benzeen zijn er een aantal formules. Ten eerste vertelt de empirische formule CH ons dat de verbinding alleen koolstof en waterstof bevat en dat voor elk koolstofatoom er een waterstofatoom is. Ten tweede vertelt de moleculaire formule ons hoeveel van elk type atoom aanwezig is in één molecuul. Voor benzeen is de molecuulformule C6H6, en dus zijn er zes koolstofatomen en zes waterstofatomen in één molecuul. Merk op dat de molecuulformule altijd een veelvoud is van de empirische formule (6 x CH = C6H6).

Ten derde, als we te maken hebben met moleculen, willen we ook graag weten hoe de atomen zijn gerangschikt. Dit wordt weergegeven door de structuurformule. Voor een molecuul met zes koolwaterstoffen en zes waterstofatomen zouden de atomen op de volgende manier gerangschikt kunnen zijn:

In feite zijn er een aantal manieren waarop de zes koolwaterstoffen en zes waterstofatomen gerangschikt zouden kunnen zijn, maar toen de structuur van benzeen experimenteel werd bepaald, bleek dat de koolwaterstoffen in een ring waren gerangschikt en dat aan elke koolstof een waterstof was vastgemaakt:

Het lijkt er misschien op dat we nu alles weten over de structuur van benzeen. Als je echter over het molecuul in 3-dimensies nadenkt, begin je vragen te stellen als: Is de ring planair? Wat zijn de hoeken tussen de koolstof-koolstof bindingen? Is de ring een perfecte zeshoek? Deze vragen kunnen beantwoord worden met experimentele technieken zoals röntgendiffractie, en de antwoorden kunnen gegeven worden als een reeks van bindingshoeken en -lengtes. Het is meestal handiger om de informatie over te brengen als een soort driedimensionale structuurformule. Driedimensionale formules nemen gewoonlijk een van de volgende drie vormen aan: a) structuurformules getekend om een driedimensionaal beeld te geven, b) computergegenereerde tekeningen die speciaal door röntgenkristallografen worden gebruikt en gewoonlijk ORTEP-diagrammen worden genoemd, en c) molecuulmodellen, gewoonlijk gegenereerd met de computer. Figuur 27 toont een driedimensionale structuurformule van benzeen en het aminozuur alanine.

Merk op dat een wig wordt gebruikt om aan te geven dat de groep zich buiten het vlak van de bladzijde naar de lezer uitstrekt, een ononderbroken lijn om een groep in het vlak van de bladzijde aan te geven, en een stippellijn (of omgekeerde wig) om een groep achter het vlak van de bladzijde aan te geven. Wanneer we in de volgende sectie de structuur bespreken, zal de reden voor het gebruik van deze hulpmiddelen duidelijker worden. Figuur 28 toont een bal- en stokmodel en een ruimtevullend model voor alanine.

De structuurformules van organische verbindingen kunnen bijzonder omslachtig zijn. Neem de verbinding 3-octeen, die de molecuulformule C8H16 heeft. Figuur 29 toont een aantal manieren om de structuurformule van 3-octeen te schrijven. In deel (a) zijn alle bindingen tussen de hydrogenen en de koolwaterstoffen uitgeschreven. Deze formule laat zien dat de derde koolstof een dubbele binding heeft die hem verbindt met de aangrenzende koolstof. De formule is eigenlijk een elektron-dot-formule, die we hieronder zullen bespreken, maar ze laat ook duidelijk zien welke atomen aan elkaar vastzitten. In deel (b) wordt de structuurformule enigszins gecondenseerd door de atomen in groepen bij elkaar te plaatsen. Bijvoorbeeld, de CH3 groep duidt drie hydrogenen aan die aan een koolstof vastzitten. Deze groep kan ook worden geschreven als H3C. In deel (c) wordt de structuurformule nog meer gecondenseerd door de koolstof- en waterstofatomen weg te laten. Dit type lijnformule wordt vaak gebruikt door organisch scheikundigen vanwege de complexiteit van de formules van veel organische verbindingen.

Omdat dit type formule enigszins ongebruikelijk is, laten we enkele eenvoudige voorbeelden bekijken. De verbinding isopropylalcohol (wrijfalcohol) heeft de formule (CH3)2CHOH, wat zo moet worden geïnterpreteerd dat twee methylgroepen, een waterstof-, en een OH-groep aan een koolstof zijn verbonden:

In regelformule-notatie zou isopropylalcohol worden geschreven als:

Aannemelijk is dat de lezer herkent dat het eindpunt van elke regel en het snijpunt van de ene regel met de andere een koolstof voorstelt en voldoende aangehechte hydrogenen om vier bindingen rond elke koolstof te vormen.

Een ander voorbeeld is de verbinding ethylacetaat, die de formule CH3COOCH2CH3 heeft. Deze verbinding bevat de carboxylgroep (COO), waarvan één zuurstof dubbel aan de koolstof is gebonden, terwijl de andere zuurstof enkelvoudig aan de koolstof is gebonden. De volledige structuurformule met alle bindingen is dus:

De gecondenseerde formule is:

en de lijnformule is:

Nobelprijswinnaar Roald Hoffmann, een fysisch chemicus met belangstelling voor vele uiteenlopende onderwerpen, zegt over illustraties: “Wat zijn dit voor merkwaardige tekeningen, die de bladzijden van een wetenschappelijk artikel vullen? Ik stel de vraag nu vanuit het standpunt van een kunstenaar of tekenaar. Het zijn geen isometrische projecties, zeker geen foto’s. Toch zijn het duidelijk pogingen om een driedimensionaal object in twee dimensies weer te geven met het doel de essentie ervan over te brengen op een verre lezer.

“Het is fascinerend om de chemische structuren op de bladzijden van elk tijdschrift te zien en te beseffen dat mensen uit zulke minimale informatie werkelijk moleculen in hun geestesoog kunnen zien. De aanwijzingen voor driedimensionaliteit zijn minimaal. De moleculen zweven (zie hieronder), en je wordt meestal ontmoedigd om een referentieset van vlakken in te zetten om je te helpen ze te zien (midden).

“Sommige chemici vertrouwen zozeer op de code dat ze norbornaan niet tekenen zoals links op de illustratie hierboven, maar zoals rechts. Wat is het verschil? Eén lijn “gekruist” in plaats van “gebroken”. …

“Het beleid van tijdschriften, hun economische beperkingen, en de beschikbare technologie leggen niet alleen beperkingen op aan wat er gedrukt wordt, maar ook aan hoe we denken over moleculen. Neem norbornaan (zie hieronder). Tot ongeveer 1950 was geen enkel tijdschrift ter wereld bereid om deze structuur, zoals rechtsonder afgebeeld, te reproduceren. In plaats daarvan zag je het in het tijdschrift zoals links afgebeeld.

Nu wist iedereen al sinds 1874 dat koolstof tetrahedraal is, wat betekent dat de vier bindingen eraan worden gevormd langs de vier richtingen die vanuit het middelpunt van een tetraëder naar de hoekpunten uitstralen. Moleculaire modellen waren beschikbaar of konden betrekkelijk gemakkelijk worden gebouwd. Toch vermoed ik dat het beeld van norbornaan dat een doorsnee scheikundige rond 1925 in zijn hoofd had, het linkse beeld was, niet het rechtse. Hij was geconditioneerd door wat hij in een tijdschrift of leerboek zag – een beeld, en dan nog een plat beeld. Hij zou kunnen zijn – ik denk dat hij dat vaak was – bewogen om te handelen (bij het synthetiseren van een derivaat van dit molecuul, bijvoorbeeld) door dat onrealistische tweedimensionale beeld*.”

*Roald Hoffmann, The Same and Not the Same, Columbia University Press, New York, 1995, blz. 76-78.