Universitaire scheikunde — jaar 1 · Bachelor Year 1

17Spectroscopie voor structuurbepaling

Een parfumeur bezorgt het laboratorium een kleurloze vloeistof die naar ananas ruikt en vraagt wat het is. Vijftig jaar geleden zou het antwoord weken van afbraakreacties gekost hebben. Vandaag kost het tien minuten: een elementanalyse geeft de formule, een infraroodspectrum benoemt de karakteristieke groep, en een spectrum van protonkernspinresonantie toont hoe de atomen verbonden zijn. Dit hoofdstuk legt uit hoe elk spectrum gelezen wordt — wat licht van elk gebied met een molecuul doet, en welke kenmerken van een spectrum welk stukje structuur dragen — en eindigt met dat ananasmolecuul.

Wat je al weet

Het schoolboek (jaar 11 en 12) mat absorbanties met een spectrofotometer en gebruikte de wet van Lambert-Beer om concentraties te bepalen, identificeerde karakteristieke groepen met tabellen van infraroodbanden, en las eenvoudige proton-NMR-spectra (aantal signalen, integratie, de $n + 1$ -regel). Enkele, dubbele en drievoudige bindingen en de $\pi$ -binding zijn die van Hoofdstuk 3.

17.1 UV-vis-spectroscopie: conjugatie en kleur

Definitie 17.1 (Absorbantie en de wet van Lambert-Beer)

Voor licht met intensiteit $I_0$ dat een oplossing binnenkomt en $I$ dat haar verlaat, is de absorbantie $A = \log(I_0/I)$ . Voor een verdunde oplossing van één absorberend deeltje is $A = \varepsilon\,\ell\,c$ (de wet van Lambert-Beer), waarin $\ell$ de weglengte is, $c$ de concentratie en $\varepsilon$ de molaire absorptiecoëfficiënt, een eigenschap van het deeltje bij die golflengte.

Een molecuul absorbeert ultraviolet of zichtbaar licht wanneer de energie van een foton overeenkomt met het verschil tussen de hoogste bezette en de laagste lege elektronenniveaus van zijn bindingen. Voor $\sigma$ -bindingen is dat verschil groot en ligt de absorptie ver in het ultraviolet; $\pi$ -bindingen absorberen dichter bij het zichtbare, en een keten van afwisselend dubbele en enkele bindingen absorbeert bij langere golflengten naarmate de keten langer is.

Definitie 17.2 (Geconjugeerd systeem, chromofoor, absorptiemaximum)

Een geconjugeerd systeem is een keten van atomen die elk een $p$ -orbitaal in een $\pi$ -systeem dragen, zoals bij afwisselend dubbele en enkele bindingen (buta-1,3-dieen, benzeen). De groep atomen die verantwoordelijk is voor een absorptie, is haar chromofoor; de golflengte waarbij de absorbantie ervan het grootst is, is het absorptiemaximum, $\lambda_{\max}$ .

De niveaus van een geconjugeerd systeem spreiden zich over de hele keten uit en komen dichter bij elkaar naarmate de keten groeit, zoals de niveaus van een deeltje in een langere doos: $\lambda_{\max}$ neemt toe met de conjugatie. Etheen en butadieen absorberen alleen in het ultraviolet; de elf geconjugeerde dubbele bindingen van $\beta$ -caroteen brengen de absorptie in het blauwe deel van het zichtbare. Een stof heeft de kleur die complementair is aan het licht dat ze absorbeert: caroteen, dat blauw en violet absorbeert, ziet er oranje uit.

Wortelen en tomaten danken hun kleuren aan lange geconjugeerde moleculen, carotenen en lycopeen, die blauw en groen licht absorberen en oranje en rood doorlaten.

Een kleurenwiel. De waargenomen kleur is het complement van de geabsorbeerde kleur: een oplossing die in het blauw absorbeert, ziet er oranje uit.

17.2 Infraroodspectroscopie verdiept

Definitie 17.3 (Golfgetal, transmissie, vingerafdrukgebied)

Infraroodspectra worden uitgezet tegen het golfgetal $\tilde\nu = 1/\lambda$ , in $\mathrm{cm}^{-1}$ , dat evenredig is met de energie van het foton. Op de verticale as staat de transmissie $T = I/I_0$ , in procent, zodat de banden naar beneden wijzen. Onder ongeveer $1500\,\mathrm{cm}^{-1}$ vormen veel overlappende banden, die kenmerkend zijn voor het hele molecuul en niet voor één binding, het vingerafdrukgebied.

Een binding absorbeert infrarood licht bij de frequentie waarmee ze trilt. Zoals bij twee massa’s die door een veer verbonden zijn: hoe stijver de binding en hoe lichter de atomen, hoe hoger het golfgetal: bindingen met waterstof (O–H, C–H) boven $2800\,\mathrm{cm}^{-1}$ , drievoudige bindingen rond 2200, dubbele bindingen rond 1700–1600, enkele bindingen tussen zwaardere atomen onder 1300. De tabel geeft gemeten posities voor de moleculen van dit hoofdstuk, in de gasfase, waar de moleculen geïsoleerd zijn.

molecuul	binding	$\tilde\nu$ ( $\mathrm{cm}^{-1}$ )
ethanol	O–H	3666
ethanol	C–H	2978
ethanol	C–O	1060
propanon	C=O	1738
ethaanzuur	O–H	3582
ethaanzuur	C=O	1788
ethylethanoaat	C=O	1764
ethylethanoaat	C–O	1238

Bandmaxima in infraroodspectra in de gasfase. In vloeistoffen verbreden waterstofbruggen de O–H-banden en verschuiven ze ze naar lagere golfgetallen, en de C=O-banden van zuren schuiven naar beneden wanneer het zuur paren vormt.

Infraroodspectra van ethanol, propanon en ethaanzuur, gesimuleerd uit de gemeten bandposities van de tabel (hoogte en breedte van de banden schematisch). De C=O-band rond 1750\, cm-1 en de O–H-band boven 3500\, cm-1 onderscheiden de drie karakteristieke groepen in één oogopslag. — Infraroodspectra van ethanol, propanon en ethaanzuur, gesimuleerd uit de gemeten bandposities van de tabel (hoogte en breedte van de banden schematisch). De C=O-band rond $1750\,\mathrm{cm}^{-1}$ en de O–H-band boven $3500\,\mathrm{cm}^{-1}$ onderscheiden de drie karakteristieke groepen in één oogopslag.

17.3 Proton-NMR: chemische verschuiving en integratie

In een sterk magnetisch veld heeft een proton twee energieniveaus; radiogolven met de juiste frequentie laten het van het ene naar het andere omklappen. Die frequentie is evenredig met het magnetische veld dat het proton werkelijk voelt, en dat wordt door de elektronen eromheen licht verminderd. Protonen in verschillende chemische omgevingen resoneren daarom bij licht verschillende frequenties.

Definitie 17.4 (Chemische verschuiving, magnetische afscherming, equivalente protonen)

De chemische verschuiving van een proton is $\delta = (\nu - \nu_{\text{ref}})/\nu_0 \times 10^6$ , in $\mathrm{ppm}$ , waarin $\nu$ zijn resonantiefrequentie is, $\nu_{\text{ref}}$ die van de protonen van tetramethylsilaan en $\nu_0$ de werkfrequentie van de spectrometer. De verlaging van het veld bij een kern door zijn elektronen is zijn magnetische afscherming: elektronenzuigende buren (O, halogenen, C=O) ontschermen een proton en verhogen zijn $\delta$ . Equivalente protonen zijn protonen die door een symmetrie van het molecuul of door een snelle rotatie in elkaar overgaan; ze hebben dezelfde verschuiving.

Propositie 17.5 (De verschuiving hangt niet af van de spectrometer)

De chemische verschuiving van een proton is dezelfde op spectrometers met verschillende velden.

Bewijs. Zowel $\nu$ als $\nu_{\text{ref}}$ zijn evenredig met het aangelegde veld $B_0$ (elk vermenigvuldigd met zijn eigen afschermingsfactor), en dat geldt ook voor $\nu_0$ . De verhouding $(\nu - \nu_{\text{ref}})/\nu_0$ is dus onafhankelijk van $B_0$ . Verschillen in hertz daarentegen groeien met het veld. ∎

Definitie 17.6 (Integratie)

De integratie van een signaal is zijn oppervlakte, op het spectrum afgelezen als de hoogte van een trapcurve; de oppervlakten zijn evenredig met de aantallen protonen die de signalen geven.

17.4 Spin-spinkoppeling

Definitie 17.7 (Spin-spinkoppeling, koppelingsconstante, multiplet)

Via de bindingen verandert de magnetische toestand van een proton licht het veld dat de protonen op de naburige koolstofatomen voelen: deze spin-spinkoppeling splitst elk signaal in een multiplet van lijnen die van elkaar gescheiden zijn door de koppelingsconstante $J$ , in hertz. Twee protonen die met elkaar koppelen, vertonen dezelfde $J$ ; equivalente protonen splitsen elkaars signaal niet.

Propositie 17.8 (De $n + 1$ -regel)

Een proton (of een groep equivalente protonen) dat met dezelfde $J$ gekoppeld is aan $n$ equivalente buren, geeft $n + 1$ lijnen, op afstand $J$ van elkaar, met als relatieve intensiteiten de binomiaalcoëfficiënten $\binom{n}{k}$ , $k = 0$ tot $n$ (de $n + 1$ -regel).

Bewijs. Elke buur bevindt zich in een van twee spintoestanden, die de waargenomen lijn verschuiven over $+J/2$ of $-J/2$ . Met $n$ buren is de verschuiving $(k - n/2)J$ , waarin $k$ het aantal buren in de eerste toestand is: $n + 1$ waarden, op gelijke afstanden $J$ . Omdat de twee toestanden bijna even sterk bezet zijn, zijn alle $2^n$ combinaties even waarschijnlijk, en $k$ buren in de eerste toestand komt op $\binom{n}{k}$ manieren voor. ∎

Splitsingsbomen. Elke buur splitst elke lijn in twee, op afstand J; samenvallende lijnen tellen op en geven de binomiale intensiteiten. — Splitsingsbomen. Elke buur splitst elke lijn in twee, op afstand $J$ ; samenvallende lijnen tellen op en geven de binomiale intensiteiten.

Proton-NMR-spectra van ethylethanoaat (boven) en ethanol (onder) in CDCl3, gesimuleerd bij 90\, MHz uit gemeten verschuivingen en koppelingsconstanten (J = 7.2\, Hz en 7.0\, Hz). Het OCH2-kwartet wordt door de zuurstof ontschermd; in ethanol koppelt het OH-proton, dat snel tussen moleculen uitgewisseld wordt, niet, en hangt zijn verschuiving af van de concentratie. — Proton-NMR-spectra van ethylethanoaat (boven) en ethanol (onder) in $\ce{CDCl3}$ , gesimuleerd bij $90\,\mathrm{MHz}$ uit gemeten verschuivingen en koppelingsconstanten ( $J = 7.2\,\mathrm{Hz}$ en $7.0\,\mathrm{Hz}$ ). Het $\ce{OCH2}$ -kwartet wordt door de zuurstof ontschermd; in ethanol koppelt het OH-proton, dat snel tussen moleculen uitgewisseld wordt, niet, en hangt zijn verschuiving af van de concentratie.

Een NMR-spectrometer: de hoge cilinder bevat een supergeleidende magneet die door vloeibaar helium gekoeld wordt; de monsterbuis wordt in het midden ervan neergelaten.

17.5 Een structuur oplossen

Definitie 17.9 (Onverzadigingsgraad)

De onverzadigingsgraad van een formule is het aantal ringen plus het aantal $\pi$ -bindingen in het molecuul.

Propositie 17.10 (Onverzadigingsgraad uit de formule)

Voor een molecuul $\mathrm{C}_c\mathrm{H}_h\mathrm{N}_n\mathrm{O}_o\mathrm{X}_x$ (X een halogeen) is de onverzadigingsgraad

D = \frac{2c + 2 + n - h - x}{2} .

Bewijs. Een open keten van $c$ koolstofatomen met alleen enkele bindingen draagt $2c + 2$ waterstofatomen. Elke ring of $\pi$ -binding neemt er twee weg. Een tweewaardig zuurstofatoom dat in een keten ingevoegd wordt, verandert niets; een driewaardig stikstofatoom brengt één waterstofatoom extra mee; een halogeen neemt de plaats in van één waterstofatoom. De ontbrekende waterstofatomen tellen en door twee delen geeft $D$ . ∎

Methode 17.11 (Een structuur oplossen)

Bereken $D$ uit de formule.
Bepaal uit het IR-spectrum de karakteristieke groepen (C=O, O–H, N–H, C–O) en de afwezigheid van andere.
Uit het NMR-spectrum: aantal signalen (groepen equivalente protonen), integraties (protonen per groep), verschuivingen (naburige groepen), multipliciteiten (aantal buren volgens de $n + 1$ -regel), koppelingsconstanten (welke signalen buren zijn).
Bouw fragmenten, verbind ze, en controleer elke piek aan de voorgestelde structuur; verwerp de isomeren die niet kloppen.

17.6 Oefeningen

Oefening 17.1 ★

Een oplossing van een kleurstof van $2.0 \times 10^{-5}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ in een cuvet van $1.00\,\mathrm{cm}$ heeft bij haar absorptiemaximum een absorbantie van 0.64. Bereken $\varepsilon$ , en de absorbantie van een oplossing die drie keer zo geconcentreerd is.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.1.

$\varepsilon = A/(\ell c) = 0.64/(1.00 \times 2.0 \times 10^{-5}) = 3.2 \times 10^{4}\,\mathrm{L}/(\mathrm{mol}\,\mathrm{cm})$ . Drie keer de concentratie: $A = 1.92$ , als de wet bij die absorbantie nog geldt.

Oefening 17.2 ★

Bereken de onverzadigingsgraad van $\ce{C6H6}$ , $\ce{C4H8O2}$ , $\ce{C3H7NO}$ , $\ce{C2H3Cl}$ en $\ce{C10H14O}$ (carvon). Stel voor elk één structuur voor.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.2.

$\ce{C6H6}$ : $D = (12 + 2 - 6)/2 = 4$ , benzeen (een ring en drie $\pi$ -bindingen). $\ce{C4H8O2}$ : 1, ethylethanoaat of butaanzuur. $\ce{C3H7NO}$ : $(6 + 2 + 1 - 7)/2 = 1$ , propaanamide. $\ce{C2H3Cl}$ : 1, chlooretheen. $\ce{C10H14O}$ : $(20 + 2 - 14)/2 = 4$ : carvon heeft één ring, twee C=C en één C=O.

Oefening 17.3 ★

Hoeveel protonsignalen, met welke integraties, geven propanon, ethaanzuur, 2-methylpropaan en 1,2-dichloorethaan?

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.3.

Propanon: één signaal (6H). Ethaanzuur: twee (3H, 1H). 2-Methylpropaan: twee (9H, 1H). 1,2-Dichloorethaan: één (4H).

Oefening 17.4 ★

Een signaal ligt op een spectrometer van $400\,\mathrm{MHz}$ $1460\,\mathrm{Hz}$ van tetramethylsilaan. Wat is zijn verschuiving? Hoe ver, in hertz, zou het bij $90\,\mathrm{MHz}$ liggen? Waarom scheiden hoge velden multipletten beter?

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.4.

$\delta = 1460/400 = 3.65\,\mathrm{ppm}$ ; bij $90\,\mathrm{MHz}$ ligt het signaal $3.65 \times 90 = 329\,\mathrm{Hz}$ van de referentie. Koppelingsconstanten blijven in hertz dezelfde, terwijl verschillen in verschuiving met het veld groeien: multipletten die bij een laag veld overlappen, raken bij een hoog veld gescheiden.

Oefening 17.5 ★★

Voorspel de multipliciteit van elk signaal van 1-broompropaan, $\ce{CH3CH2CH2Br}$ , in de veronderstelling dat de koppelingsconstanten gelijk zijn, en de relatieve intensiteiten van de lijnen van het middelste signaal.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.5.

$\ce{CH3}$ : triplet (3H); middelste $\ce{CH2}$ : vijf buren, sextet 1 : 5 : 10 : 10 : 5 : 1 (2H); $\ce{CH2Br}$ : triplet (2H), het sterkst ontschermd.

Oefening 17.6 ★★

Hoe verschillen de IR-spectra van ethanol, propanon en ethaanzuur tussen 1700 en $3700\,\mathrm{cm}^{-1}$ ? Welke verbinding geeft zowel een C=O- als een O–H-band?

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.6.

Ethanol: O–H (3666) en geen C=O; propanon: C=O (1738) en geen O–H; ethaanzuur: beide, O–H (3582) en C=O (1788).

Oefening 17.7 ★★

Twee isomeren $\ce{C4H8O2}$ : ethylethanoaat en methylpropanoaat. Voorspel hun NMR-spectra (verschuivingen bij benadering, multipliciteiten, integraties) en zeg hoe je ze van elkaar onderscheidt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.7.

Ethylethanoaat: kwartet (2H) rond 4.1, singlet (3H) rond 2.0, triplet (3H) rond 1.3 ppm. Methylpropanoaat: singlet (3H) van $\ce{OCH3}$ , ontschermd door de zuurstof (rond 3.7 ppm), kwartet (2H) van $\ce{CH2C=O}$ (rond 2.3), triplet (3H) rond 1.1. Het kwartet is in het eerste het sterkst ontschermde signaal en in het tweede niet: een kwartet rond 4 ppm betekent $\ce{O-CH2CH3}$ .

Oefening 17.8 ★★

Lees op het gesimuleerde spectrum van ethylethanoaat de afstand tussen twee lijnen van het kwartet af in ppm en reken die om naar hertz (het spectrum is gesimuleerd bij $90\,\mathrm{MHz}$ ). Vergelijk met het triplet.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.8.

Lijnen op $0.080\,\mathrm{ppm}$ van elkaar, dat is $0.080 \times 90 = 7.2\,\mathrm{Hz}$ : de koppelingsconstante. Het triplet heeft dezelfde afstand: de $\ce{CH2}$ en de $\ce{CH3}$ zijn met elkaar gekoppeld.

Oefening 17.9 ★★

Een verbinding $\ce{C3H6O}$ vertoont een sterke IR-band bij $1738\,\mathrm{cm}^{-1}$ en één enkel NMR-signaal. Identificeer ze. Welk isomeer zou een band rond $2720\,\mathrm{cm}^{-1}$ en een signaal rond $9.8\,\mathrm{ppm}$ vertonen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.9.

Een C=O-band en één enkel signaal: propanon, $\ce{CH3COCH3}$ . Het aldehydische isomeer, propanal $\ce{CH3CH2CHO}$ , vertoont de C–H-strekvibratie van de $\ce{CHO}$ -groep en zijn zeer sterk ontschermde proton.

Oefening 17.10 ★★★

Bewijs de $n + 1$ -regel in de vorm: een proton dat gekoppeld is aan twee verschillende groepen buren, $n_1$ met $J_1$ en $n_2$ met $J_2$ , geeft $(n_1 + 1)(n_2 + 1)$ lijnen. Hoeveel verschillende lijnen blijven er over als $J_1 = J_2$ ? Pas toe op de middelste $\ce{CH2}$ van 1-broompropaan.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.10.

De eerste groep splitst de lijn in $n_1 + 1$ lijnen; elk daarvan wordt door de tweede groep gesplitst in $n_2 + 1$ : $(n_1 + 1)(n_2 + 1)$ lijnen. Als $J_1 = J_2$ , hangt de positie van een lijn alleen af van $k_1 + k_2$ , dat $n_1 + n_2 + 1$ waarden aanneemt: de $n + 1$ -regel met $n = n_1 + n_2$ . Middelste $\ce{CH2}$ van 1-broompropaan: in het algemeen $4 \times 3 = 12$ lijnen, zes (een sextet) wanneer de twee constanten gelijk zijn.

Oefening 17.11 ★★★

Een verbinding $\ce{C4H10O}$ geeft geen IR-band bij 1700–1800 maar wel een brede band rond $3350\,\mathrm{cm}^{-1}$ in de vloeistof, en een NMR-spectrum met een doublet (6H), een multiplet (1H), een doublet (2H) en een brede singlet (1H). Bepaal de structuur.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.11.

$D = 0$ ; een alcohol (O–H-band, geen C=O). Doublet (6H): twee equivalente $\ce{CH3}$ op één CH; multiplet (1H): die CH; doublet (2H): een $\ce{CH2}$ naast de CH die de OH draagt; brede singlet: OH. 2-Methylpropaan-1-ol, $\ce{(CH3)2CH-CH2-OH}$ .

Oefening 17.12 ★★★

Toon aan dat de absorbantie van een mengsel van twee deeltjes gehoorzaamt aan $A = \ell(\varepsilon_1c_1 + \varepsilon_2c_2)$ , en leg uit hoe metingen bij twee golflengten beide concentraties opleveren.

Oplossing

Oplossing van Oefening 17.12.

Elk deeltje absorbeert onafhankelijk: $A = A_1 + A_2 = \ell(\varepsilon_1c_1 + \varepsilon_2c_2)$ . Bij twee golflengten, met de vier coëfficiënten bekend, geven twee lineaire vergelijkingen $c_1$ en $c_2$ .

17.7 Probleem: het ananasmolecuul

Probleem 17.1

Weekendprobleem — verbrandingsanalyse en dampdichtheid, het infraroodspectrum, het proton-NMR-spectrum, en de structuur en molaire massa van de naar ananas ruikende ester

De onbekende stof is een vloeistof die alleen C, H en O bevat. De verbranding van $0.2500\,\mathrm{g}$ geeft $0.5690\,\mathrm{g}$ koolstofdioxide en $0.2328\,\mathrm{g}$ water. Haar damp heeft een dichtheid van $3.74\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ bij $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ en $1.000\,\mathrm{bar}$ . IR-banden in de gasfase: 2982, 1754, $1182\,\mathrm{cm}^{-1}$ (sterk), geen boven $3100\,\mathrm{cm}^{-1}$ . Proton-NMR ( $\ce{CDCl3}$ ): 4.13 (q, 2H, $J = 7.2\,\mathrm{Hz}$ ), 2.28 (t, 2H), 1.66 (sextet, 2H), 1.25 (t, 3H, $J = 7.2\,\mathrm{Hz}$ ), 0.95 (t, 3H) ppm. $M$ : C 12.0, H 1.0, O $16.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $R = 8.314\,\mathrm{J}/(\mathrm{K}\,\mathrm{mol})$ .

Deel I — De formule.

Bereken de massa koolstof in het monster.
Bereken de massa waterstof.
Leid de massa zuurstof af.
Bereken de massapercentages van C, H en O.
Bepaal de verhoudingsformule.
Bereken uit de dampdichtheid de molaire massa (ideaal gas).
Geef de molecuulformule en haar onverzadigingsgraad.

Deel II — Het infraroodspectrum.

Wijs de band bij $1754\,\mathrm{cm}^{-1}$ toe.
Wat sluit de afwezigheid van banden boven $3100\,\mathrm{cm}^{-1}$ uit?
Wijs de sterke band bij $1182\,\mathrm{cm}^{-1}$ toe.
Wijs de band bij $2982\,\mathrm{cm}^{-1}$ toe.
Welke familie van verbindingen blijft over, met de onverzadigingsgraad erbij? Waarom geen carbonzuur, geen keton met een ether, en geen cyclisch diol?

Deel III — Het NMR-spectrum.

Hoeveel groepen equivalente protonen zijn er? Controleer de totale integratie.
Interpreteer het kwartet bij 4.13 ppm: buren en omgeving.
Interpreteer het triplet bij 1.25 ppm. Waarom hebben de twee dezelfde $J$ ?
Interpreteer het triplet bij 2.28 ppm.
Interpreteer het sextet bij 1.66 ppm.
Interpreteer het triplet bij 0.95 ppm.
Bouw de twee fragmenten die deze signalen beschrijven.
Waarom zijn de signalen bij 4.13 en 2.28 ppm het sterkst ontschermd?

Deel IV — De structuur.

Verbind de fragmenten via de estergroep: twee mogelijkheden. Welke is in overeenstemming met de verschuivingen?
Leg uit waarom propylpropanoaat niet past.
Leg uit waarom butylethanoaat niet past.
Benoem de verbinding en teken haar structuur.
Controleer elke IR-band en elk NMR-signaal aan de structuur.
Geef de molaire massa van het ananasmolecuul.

Oplossing

Oplossing van Probleem 17.1.

1. $0.5690 \times 12.0/44.0 = 0.1552\,\mathrm{g}$ . 2. $0.2328 \times 2.0/18.0 = 0.025\,87\,\mathrm{g}$ . 3. $0.2500 - 0.1552 - 0.0259 = 0.0689\,\mathrm{g}$ . 4. C $62.1\,\%$ , H $10.3\,\%$ , O $27.6\,\%$ . 5. C $0.1552/12.0 = 0.01293$ , H $0.02587$ , O $0.0689/16.0 = 0.00431$ mol: verhouding $3.00 : 6.00 : 1$ , $\ce{C3H6O}$ . 6. $M = \rho RT/p = 3740 \times 8.314 \times 373.15/(1.000 \times 10^5) = 116\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ (dichtheid in $\mathrm{g}/\mathrm{m}^{3}$ ). 7. $116/58 = 2$ : $\ce{C6H12O2}$ , $D = (12 + 2 - 12)/2 = 1$ . 8. Een C=O-strekvibratie. 9. Elke O–H: geen zuur, geen alcohol. 10. Een C–O-strekvibratie, sterk: de C–O van een ester. 11. C–H-strekvibraties van $\ce{CH2}$ - en $\ce{CH3}$ -groepen. 12. Eén $\pi$ -binding, gebruikt door de C=O; met een sterke C–O en geen O–H een ester. Een zuur heeft een O–H nodig; een diol heeft geen C=O. Een keton met een ethergroep zou zijn C=O rond de $1738\,\mathrm{cm}^{-1}$ van propanon hebben, terwijl de waargenomen $1754\,\mathrm{cm}^{-1}$ dicht bij de $1764\,\mathrm{cm}^{-1}$ van ethylethanoaat ligt; de NMR van Deel III bevestigt de ester. 13. Vijf; $2 + 2 + 2 + 3 + 3 = 12$ , de twaalf waterstofatomen. 14. Een $\ce{CH2}$ met drie buren (een $\ce{CH3}$ ), gebonden aan de zuurstof (ontschermd): $\ce{-O-CH2-CH3}$ . 15. De $\ce{CH3}$ van die ethylgroep, met twee buren; de twee signalen zijn met elkaar gekoppeld, vandaar één $J$ . 16. Een $\ce{CH2}$ met twee buren, naast de C=O. 17. Een $\ce{CH2}$ met vijf buren: tussen een $\ce{CH2}$ en een $\ce{CH3}$ . 18. Een $\ce{CH3}$ met twee buren, ver van de karakteristieke groep. 19. $\ce{CH3CH2O-}$ en $\ce{-CH2CH2CH3}$ . 20. De protonen bij 4.13 ppm zitten op het koolstofatoom dat aan zuurstof gebonden is, die bij 2.28 ppm naast de C=O: beide groepen zijn elektronenzuigend. 21. $\ce{CH3CH2-O-CO-CH2CH2CH3}$ of $\ce{CH3CH2-CO-O-CH2CH2CH3}$ . Alleen de eerste plaatst de $\ce{CH2}$ met drie buren op de zuurstof (het kwartet bij 4.13 ppm). 22. Propylpropanoaat is de tweede: zijn $\ce{OCH2}$ zou een triplet zijn en het kwartet zou rond 2.3 ppm liggen. 23. Butylethanoaat, $\ce{CH3CO-O-C4H9}$ , zou een singlet (3H) rond 2.0 ppm vertonen en geen kwartet. 24. Ethylbutanoaat, $\ce{CH3CH2CH2-CO-O-CH2CH3}$ . 25. IR: C=O 1754, C–O 1182, C–H 2982, geen O–H. NMR: $\ce{OCH2}$ 4.13 (q), $\ce{CH2CO}$ 2.28 (t), middelste $\ce{CH2}$ 1.66 (sextet), $\ce{CH3}$ van de ester 1.25 (t), $\ce{CH3}$ van de keten 0.95 (t), integraties 2, 2, 2, 3, 3. 26. $116\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ : ethylbutanoaat, $\ce{C6H12O2}$ .

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 852 begrippen in de begrippenlijst