41
PharmaMatrix Workshop 2010 University of Alberta July 12, 2010 Jonathan Y. Mane and Melissa Gajewski

PharmaMatrixWorkshop2010 - University of Alberta

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

PharmaMatrix  Workshop  2010  University  of  Alberta  

July  12,  2010  

Jonathan  Y.  Mane  and  Melissa  Gajewski  

Ma3er  

Pure  substance  

Element  Composed  of  atoms  

Cannot  be  chemically  decomposed  

Compound  Combina?on  of    >1    elements  represented  by  chemical  formula  

Molecular/Covalent  Electrons  are  shared  between  atoms  (e.g.  H2O)  

Ionic  Electrons  not  shared  (e.g.  NaCl)  

Mixture  

Homogeneous  Uniform  

throughout  

Heterogeneous  

2  

Elements,  Compounds  and  the  Periodic  Table  

3  

English  name   Symbol   Non-­‐English  name   English  name   Symbol   Non-­‐English  name  

An?mony   Sb   s?bium   Potassium   K   kalium  

Copper   Cu   cuprum   Silver   Ag   argentum  

Gold   Au   aurum   Sodium   Na   natrium  

Iron   Fe   ferrum   Tin   Sn   stannum  

Lead   Pb   plumbum   Tungsten   W   wolfram  

Mercury   Hg   hydragyrum  

Element  (Naming  and  interna?onal  symbols)  

First  1-­‐2  dis?nguishing  le3ers  in  the  name  

Not  all  names  derived  from  English  language  

4  

The  Periodic  Table  of  Elements  Alkali  metals   Alkaline  earth  metals  

Halogens  

Noble  gases  

d-­‐transi?on  metals  

f-­‐transi?on  metals  

5  

Elements  and  their  common  ions  

caAons  (lose  e-­‐)   anions  (gain  e-­‐)  

hydride   H-­‐  

fluoride   F-­‐  

chloride   Cl-­‐  

bromide   Br-­‐  

oxide   O2-­‐  

sulfide   S2-­‐  

nitride   N3-­‐  

Elemental  anions  

6  

Compound  (=  combina?on  of  >1  element  represented  by  chemical  formula)  

Exercise  •  Write  the  formula  of  the  compound  formed  between  

barium  and  bromine?  •  Write  the  formula  of  the  compound  formed  between  

the  ammonium  ion  and  the  carbonate  ion?  •  Break  the  formula  Mg3(PO4)2  into  its  ions?  

Chemical/molecular  formula  =  specifies  the  number  of  atoms  of  each  element  in  one  unit/molecule  of  the  substance  

7  

ammonuim   NH4+  

nitrate   NO3-­‐  

sulfate   SO42-­‐  

carbonate   CO32-­‐  

phosphate   PO43-­‐  

cynanide   CN-­‐  

hydroxide   OH-­‐  

peroxide   O22-­‐  

Common  polyatomic  ions  

Molecular/covalent  compound  Electrons  are  shared  between  atoms  (e.g.  H2O)      

Ionic  compound  Electrons  are  not  shared  but  completely  transferred    (ca?on  +  anion  :  Na+  +  Cl-­‐      NaCl)  

Covalent  bonding  

8  

Covalent  bonding  –  sharing  of  electrons  between  atoms  

9  

Core  electrons  =  electrons  other  than  the  valence  

=  electrons  in  the  outermost  main  energy  level;  involved  in  chemical  reac?on  

Covalent  bonding  –  sharing  of  electrons  between  atoms  

Lewis  electron  dot  structure  (G.N.  Lewis,  1875-­‐1946)    –  a  symbolism  that  shows  the  number  of  valence  electrons  of  atoms  

Elements   Metal  ions  (for  ionic  bonding)  

Na+      Mg2+    Al3+      

Anions  

Bond  and  #  of  pairs  of  shared  electrons  Single  bond  =    one  (  2  dots  or  single  line)  

Double  bond  =  two  (  4  dots  or  2  lines)  Triple  bond  =  three  (  6  dots  or  3  lines)  

10  

Examples  

Covalent  bonding  –  Lewis  structure  Rules  for    wriAng  Lewis  structures:  1.  Count  the  number  of  outermost  electrons  on  each  atom  of  the  formula  before  bonding  and  obtain  the  

total  number  of  electrons.  2.  Arrange  the  atoms  by  designa?ng  a  central  atom  and  the  rest  surrounding  it.  (Hydrogen  cannot  be  a  

central  atom;    Oxygen  never  bond  to  another  oxygen  except  in  O2(g),  ozone  (O3),  and  peroxide  (O22-­‐).  

3.  Distribute  the  electrons  by  placing  8  electrons  (dots)  around  all  atoms,  one  pair  on  each  side  (making  only  single  bonds  for  now),  except  for  any  hydrogen  (max.  2  dots).  

4.  Step  1  #e-­‐  =  Step  3  #e-­‐,  celebrate  your  structure  is  CORRECT!.  5.  Step  1  #e-­‐  ≠  Step  3  #e-­‐,  create  double  or  triple  bonds  between  the  central  atom  and  other  atoms.  6.  If  the  central  atom  is  phosphorus,  or  atoms  of  elements  to  the  right  and/or  below  phosphorus  in  PT,  the  

central  atom  may  accommodate  more  than  8  electrons,  if  necessary,  to  make  the  counts  in  Steps  1  and  4  match.  

O

H H C

Cl

Cl

ClCl

11  

Examples  

water   carbon  tetrachloride   nitrate  

resonance  structures  

Covalent  bonding  –  formal  charge  

The  following  must  be  saAsfied  to  get  zero  formal  charge  for  these  atoms  

C  =  4  bonds  |  N  =  3  bonds    |  O  =  2  bonds    |  Halogens  =  1  bond  

FC  =  group  number  –  #  e-­‐  in  lone  pairs  –  0.5(  #  e-­‐  in  bonding  pairs)    

O

H HC

Cl

Cl

ClCl

12  

How  to  calculate  formal  charge  (FC):  

Geometry  of  molecules  

13  

Valence  shell  electron-­‐pair  repulsion  theory  A  theory  that  helps  in  predic?ng  geometric  shapes  of  molecules  based  on  the  concept  that  the  electron  pairs,  be  it  bonding  or  non-­‐bonding  pairs,  will  repel  each  other.  

Prerequisite:  Knowledge  of  drawing  Lewis  electron-­‐dot  structure  

A  =  central  atom  X  =    number  of  sigma  bonds  between  the  

 central  atom  and  the  other  atom    (mul?ple  bond  counts  as  one  X)  

E  =    number  of  lone  electron  pairs    surrounding  the  central  atom  

14  

Exercise  –  Geometric  shapes  of  molecules  Draw  the  Lewis  electron  dot  diagram  and  predict  the  shape  of  the  following  molecules  using  VSEPR  theory:  

Carbon  dioxide   CO2  

Nitrite   NO2-­‐  

Carbonate   CO32-­‐  

Ammonia   NH3  

Phosphate   PO43-­‐  

Sulfur  tetrafluoride   SF4  

Xenon  tetrafluoride   XeF4  

Iodine  heptafluoride   IF7  

15  

Geometric  shapes  of  molecules  

16  

Geometric  shapes  of  molecules  

17  

Geometric  shapes  of  molecules  

18  

Atomic  Orbitals  

19  

Structure  and  QM  model  of  the  atom  Essence  of  the  QM  model:  •   Energies  are  quan?zed  •   Electrons  exist  in  principal  energy  levels,  n  (aka  shells),  in  energy  sublevels  (aka  subshells)  within  these  principal  levels,  and  in  regions  of  space  called  orbitals  within  the  sublevels  •   Each  orbital  can  hold  a  maximum  of  2  e-­‐  

•   Electrons  have  a  par?cular  spin  direc?on  

Shell,  n  =  1,  2,  3,  …   Max  number  of  e-­‐  possible  in  level  n  =  2n2  

 n   Max  #  of  e-­‐   #  orbitals   Orbital  types  

1   2   1   1s  

2   8   4   1s,  3p  

3   18   9   1s,  3p,  5d  

4   32   16   1s,  3p,  5d,  7f  

Number  of  orbitals  in  level  n  =  n2  Subshell  =  s,  p,  d,  f,  g,  etc.  

Subshell   Max  #  of  e-­‐  

s   2  

p   6  

d   10  

f   14  

20  

Atomic  orbitals  and  shapes  

21  

Rela?onship  between  atomic  orbitals  and  the  periodic  table  

•   Period  =  main  energy  level  •   Subshells  s,  p,  d,  f  =  block  or  group  of  elements  

22  

Filling  up  orbitals  and  electronic  configura?on  Hund’s  rule:  All  orbitals  within  a  given  sublevel  must  get  one  electron  before  any  get  two.  

Electronic  configuraFon  

1s   2s   2px   2py   2pz  

H   1s1    

He   1s2    

Li   1s22s1      

Be   1s22s2      

B   1s22s22p1        

C   1s22s22p2          

N   1s22s22p3            

O   1s22s22p4            

F   1s22s22p5            

Ne   1s22s22p6            

Na   [Ne]  3s1  

Paired  e-­‐  

Unpaired  e-­‐  

Core  e-­‐  

Valence  e-­‐  

23  

Filling  up  orbitals  and  electronic  configura?on  

24  

Molecular  Orbital  

25  

Molecular  Orbitals  

•   Regions  of  space  in  which  shared  electrons  reside  in  covalent  bonding  •   Overlap  of  atomic  orbitals  (end-­‐to-­‐end  and  side-­‐to-­‐side)  •   The  number  of  molecular  orbitals  is  EQUAL  to  the  number  of  atomic  orbitals  

End-­‐to-­‐end  overlap   Side-­‐to-­‐side  

σ-­‐bond  •   always  present  in  any  covalent  bond  •   one  of  the  bonds  in  double  or  triple  bond        (formed  from  two  p  orbitals)  

π-­‐bond  •   overlap  between  two  p  orbitals;  •   always  accompanied  by  a  σ-­‐bond  •   only  occur  in  double  or  triple  bonds  •   a  double  bond  =  1  π-­‐bond  •   a  triple  bond  =  2  π-­‐bond  

26  

Orbital  hybridizaFon    (the  concept  of  mixing  atomic  orbitals  to  form  new  hybrid  orbitals  suitable  for  the  qualita?ve  descrip?on  of  atomic  bonding  proper?es)  

sp3  hybridizaFon  -­‐   combinaAon  of  four  orbitals  (one  s  and  three  p-­‐orbitals)  forming  a  tetrahedral  geometry  

sp2  hybridizaFon  -­‐ one  s  and  two  p-­‐orbitals  from  each  C  are  used  to  construct  a  σ-­‐bond  network  forming  a  trigonal  geometry  -­‐   the  remaining  one  p-­‐orbital  from  each  C  are  orthogonal  to  the  σ-­‐bond  network  

used  to  construct  the  π-­‐bond  network  

Con?nuous  π-­‐cloud  above  and  below  the  σ-­‐bond  plane      

sp  hybridizaFon  -­‐ one  s  and  one  p-­‐orbital  from  each  C  are  used  to  construct  a  σ-­‐bond  network  forming  linear  geometry  

Con?nuous  π-­‐cloud  sur-­‐rounding  the  σ-­‐bond  plane      

H

H

H

H

H H

27  

Wri?ng  chemical  structure  

28  

Examples  using  acyclic  hydrocarbons  

#  of  C   Alkyl  name   Alkane  

1   methyl   methane  

2   ethyl   ethane  

3   propyl   propane  

4   butyl   butane  

5   pentyl   pentane  

6   hexyl   hexane  

7   heptyl   heptane  

8   octyl   octane  

9   nonyl   nonane  

CH2H3C

CH3

Explicit  C  and  H  

Explicit  C  and  H  terminals   H3C

CH3

Implicit  C  and  H  terminals  

Alkenes    (replace  alkane  suffix  –ane  with  –ene)  

29  

CH3CH2CH3  

cis-­‐2-­‐butene   trans-­‐2-­‐butene  

propane  

Examples  using  cyclic  hydrocarbons  

#  of  C   Cycloalkane  

3   cyclopropane  

4   cyclobutane  

5   cyclopentane  

6   cyclohexane  

…   …  

n   n-­‐cycloalkane  

30  

Isomerism  and  Chirality  

31  

Conforma?onal  Isomerism  

ConformaAonal  isomers  =  molecules  with  the  same  structural  formula  and  connec?vity  but  differs  in  their  3D  structures  due  to  rota?ons  about  one  or  more  σ  bonds.  •   gauche,  an?,  and  eclipse  conformers  of  butane  •   boat  and  chair  conformers  of  cyclohexane  

32  

Configura?onal  Isomerism  

cis-­‐2-­‐butene   trans-­‐2-­‐butene  

Cis-­‐trans  isomers  =  a  form  of  stereoisomerism  describing  the  orienta?on  of  groups  (func?onal  groups)  within  a  molecule.    

33  

E  =  entgegen  means  opposite(=trans)  Z  =  means  together  zusammen  (=cis)  

3D  Structures  on  paper  and  chirality  

34  

C

Cl

BrH

F

C

Cl

BrH

F

Lines  and  wedges   EnanAomers  or  opAcal  isomers  =  mirror  images  of  a  molecule  that  cannot  be  superposed  onto  each  other  

R/S  Configura?on  •   An  important  nomenclature  system  for  deno?ng  enan?omers  •   Labels  a  chiral  center  according  to  a  system  by  which  its  subs?tuents  are  each  assigned  a  priority  based  on  atomic  number  •   R  =  priority  decreases  in  clockwise  direc?on  •   S  =  priority  decreases  in  counterclockwise  (S)-­‐alanine   (R)-­‐alanine  

Chiral  center  =  an  atom  that  is  bonded  to  four  different  atoms  or  groups  of  atoms  in  such  a  manner  that  it  has  a  non-­‐superimposable  mirror  image  

Func?onal  Groups  

35  

Common  Func?onal  Groups  (R,  R’,  R”  =  hydrocarbon  radicals  or  H)  

36  

R X

Alkyl  halide  

CH3CH2Br  

bromoethane  

R OH

CH3CH2OH  

Alcohol  

ethanol  

R O R'

Ether  

O CH3H3C

dimethyl  ether  Phenol  

OH

Phenol  

R C

O

H

Aldehyde  

butanal  

CH3CH2CH2 C H

O

C

O

R

R'

Ketone  

H3C C CH3

O

propanone  

R C

O

OH

Carboxylic  acid  

H3C C OH

O

propanoic  acid  

Ester  

R C

O

O R'

H3C C O

O

CH3

methyl  acetate  

Common  Func?onal  Groups  (R,  R’,  R”  =  hydrocarbon  radicals  or  H)  

37  

1o  Amine  

R NH2

CH3NH2  

methylamine  

2o  Amine  

R N H

R'

3o  Amine  

R N R"

R'

Nitrile  

acetonitrile  

R C N

CH3C N

Nitro  

R N

O

O

nitromethane  

CH3NO2  

1o  Amide   2o  Amide   3o  Amide  

R C

O

NH2

R C

O

NH

R'

R C

O

N

R'

R"

C

O

NH2

acetamide  

Common  Func?onal  Groups  (R,  R’,  R”  =  hydrocarbon  radicals  or  H)  

38  

Sulfide  

dimethyl  sulfide  

Sulfoxide   Sulfone   Thiol  

methanethiol  

R S R'

H3C S CH3

H3C S CH3

O

R S R'

O

dimethyl  sulfoxide  

R R'

O

O

S2+

H3C CH3

O

O

S2+

dimethyl  sulfone  

R S H

H3C S H

Introduc?on  to  chemical  reac?on  

39  

Reactant/s    Product/s  

Law  of  ConservaAon  of  Mass  “in  a  chemical  reac?on,  mass  can  be  neither  created  nor  destroyed”  

Balanced  chemical  equaAon  

                                                   Δ  2H2(g)  +  O2(g)    2H2O(l)  

                           elect    2H2O(l)            2H2()  +  O2()    

Stoichiometric  number,  states,  special  symbols  

         3N2(g)  +  5H2O(g)  +  7CO(g)  +7C(s)  2  

Chemical  Reac?on  –  Amino  acids  and  pep?des