Properties of Carbon

Carbon 是一種廣泛出現在自然界的元素，可以用於創造複雜的 macromolecules，如 DNA, RNA, sugars, fats 等。只要是由 carbon 和 hydrogen 組成的 organic molecules 都稱作 hydrocarbon，他們的 covalent bonds 可以儲存大量的 energy，使得 hydrocarbons 成為一種理想的燃料來源。Isomer 則是指 molecular formula 相同，但架構不同的 molecules，可以分成 structural isomers 和 stereoisomers 兩種。

Carbon

• Carbon 不只常出現在生活中 (pencil, briquettes, diamonds)
• Carbon 更在身體裡佔了 18% 的重量
  • backbone of many important molecules (DNA, RNA, sugars, fats)
  • 這些複雜的 biological molecules 又稱作 marcomolecules (organic molecules)
    • 因為他們都包含 carbon atoms

The bonding properties of carbon

• 因為 carbon-carbon bonds 非常的堅固，所以適合當作 molecular backbones
• 另外 carbon 也有很大的 covalent bonding capacity
  • Carbon atom 的原子序為 6 (代表在 neutral 時有 6 protons 和 6 electrons)
  • 6 electrons 分別有 2 個在 inner shell，而 4 個在 valence (outermost) shell
  • 所以 carbon atom 只有 4 個 valence electron ，還有 4 個空間可以和其他 atom 作用
• 舉個例子，在 methane $(\text{CH}_4)$ 中，carbon 和 4 個 hydrogen 產生 covalent bonds

Methane Structure

Hydrocarbons

• 只要是全由 carbon 和 hydrogen 組成的 organic molecules 都會稱作 hydrocarbon

  • 上面例子所舉的 methane $(\text{CH}_4)$ 就是一種 hydrocarbon

• 在生活中有許多 hydrocarbon 的例子

  • propane $(\text{C}_3\text{H}_8)$ 應用於燒烤
  • butane $(\text{C}_4\text{H}_{10})$ 應用於打火機

• 看起來都是非常好的燃料來源

  • 原因是 hydrocarbon 的 covalent bonds 可以儲存大量 energy
  • 透過燃燒來釋放能量 (react with oxygen to form $\text{CO}_2$ and water)

• 通常由一個 carbon atom 和四個其他 atoms 所組成的 molecules 都會形成 tetrahedral 的形狀

  • 由 carbon 在正中央，而四個 atoms 向四個完全不同方向散射出去
  • tetrahedral shape = 4 triangular faces
  • 例如 methane $(\text{CH}_4)$

• 這是因為生成 bonds 的 electron pairs 互相排斥彼此

  • 所以 pairs 間的 distance 都拉到最遠的距離，形成這樣四面體的形狀

• 大多數的 marcomolecules 不是 hydrocarbons

  • 因為他們雖然有包含 carbon, hydrogen
  • 但還和很多不同的 atoms 組合在一起 (e.g., nitrogen, oxygen, phosphorus)

• 但注意 carbon chain with attached hydrogens 是大多數 marcomolecules 的 key component

  • 所以了解 hydrocarbons 的 properties 能更了解 macromolecules 的 behaviors

Biological Marcomolecules

Representing structures of organic molecules

• 以下是幾種方式來表達 organic molecules 的架構
  • 通常會用直線而不用兩點來表達 covalent bonds
  • 也可以簡寫成單字 subscript 數量
  • 甚至使用直線直接表達 carbon chain

Organic Molecules Representation

Hydrocarbon structures and functional groups

• gasoline 當中的 hydrocarbons 可以有 4 至 12 的 carbon atoms
  • 這些的 hydrocarbons 有的是 straight line，有的是 branched structure
  • 有的 carbon-carbon bonds 是 single bonds 有的是 double, triple bonds
  • 還有 ring 狀的架構
  • 在 gasoline 的這些不同 hydrocarbons 都會有不一樣的 properties (melting, boiling points)

Hydrocarbons are diverse

• 單看 gasoline 的例子就可以知道 hydrocarbons 的多樣性
  • differ in length, branched or unbranched, linear or ring shape
  • single, double, triple carbon-carbon bonds
  • 會有相同的 molecular formula 但是完全不同的架構，稱作 isomer
• 這些不同的改變使得 hydrocarbons 的 3D shape (molecular geometry) 有所不同
  • 在人體中也影響了 DNA, proteins 等 biological molecules 的運作

Branching, multiple bonds, and rings in hydrocarbons

• Hydrocarbon 的主要部分為 carbon atoms 所組成的 carbon chain

  • Chains 可長可短
  • e.g., ethane 包含 2 個 carbons，而 decane 包含 10 個 carbons

• 這些 chain 不一定是一條線，有可能是任何形狀

  • e.g., decane $(\text{C}_{10} \text{H}_{22})$ 的 10 carbons 連成一條線
  • 但有其他相同 molecular formula $(\text{C}_{10} \text{H}_{22})$ 的 hydrocarbons 是含有 branches 的
  • 實際上，$\text{C}_{10} \text{H}_{22}$ 共有 75 種可能的架構

• Hydrocarbons 還有各種不同的 carbon-carbon bonds (single, double, triple)

  • 分別為 ethane, ethene, ethyne

Hydrocarbon with different bonds

• Ethane $(\text{C}_2\text{H}_6)$

  • C 和 C 是 single bond
  • 有著 2 個 tetrahedron shape (1 個 carbon 為 1 個核心)
  • 重點是可以兩個 tetrahedron 可以旋轉

• Ethene $(\text{C}_2\text{H}_4)$

  • C 和 C 是 double bond (所有的 atoms 都在同個平面)
  • 跟 single bond 不同，double bond 的 molecules 是無法旋轉的 !

• Ethyne $(\text{C}_2\text{H}_2)$

  • C 和 C 是 triple bond
  • 和 ethene 一樣無法旋轉

• Hydrocarbon 也包含多種 ring structure

  • 也就是 carbon 之間形成一個 cycle
  • carbon 間允許有 branches 和 double bonds

• 有些 rings with conjugated atoms 非常 stable

  • 這些 ring 又稱作 aromatic rings
  • 常在 amino acids (e.g., hormones, testosterone, estrogens) 看見

Ring Hydrocarbon

Isomers

• Hydrocarbon 的架構 (molecular geometries) 會直接影響 physical, chemical properties
• 有相同的 molecular formula 但又不同架構的 molecules 稱作 isomers
  • isomer 又可以分成 structural isomers 還有 stereoisomers

Structural isomers

Structural Isomers

• Atoms 的連結方式完全不同
  • 例如上圖的 butane 和 isobutane 都是 4 carbons + 10 hydrogens $(\text{C}_4\text{H}_{10})$
  • 但有 butane 是 linear
  • 而 isobutane 是 branched
  • 所以他們兩個的 melting, boiling points 是完全不同的
  • butane 適合用作 ligter, torch 的燃料
  • isobutane 用作 refrigerant, spray cans 的 propellant

Stereoisomers

• Atoms 的連結方式一模一樣，但是方向完全相反
  • Stereoisomers 可以分成兩種 : enantiomers 和 diastereomers
• Enantiomers 就像 mirror image，enantiomers 間是不可以疊加在一起的

Enantiomers

• 上圖是一組 enantiomer pair
  • 兩者都有相同的 molecular formula 且都是由 fluorine, bromine, hydrogen 和 carbon bond 在一起所組成
  • 但兩者是鏡像成對，就像左右手一樣是不能完美疊在一起的

Amino Acid Alanine

• 大多數的 amino acids (用於組成 proteins)

  • 都包含了 asynmmetric carbon
  • 上圖就是一個包含 2 個 enantiomers 的 amino acid alanine
    • 在 biology 中，通常會用 L/D prefix 來命名兩者
    • 但更精確應該用 R/S 來命名

• 雖然 enantiomers 間看起來非常像，但一對 enantiomers 對生物的影響非常非常不同

  • 例如 D form of ethambutol 可以製成藥片治療 tuberculosis (肺結核)
  • 但是 L form 卻可以致盲

• 又或者某些 enantiomers 只有其中一邊出現在身體中

  • L form of amino acids 用於生產 proteins (但 D form 不常見)
  • D form of sugar glucose 是 photosynthesis 的主要產物 (但 L 幾乎不會出現在自然界)

• 其他不是 enantiomers 的 stereoisomers 就是 diastereomers

  • cis-trans isomer 是一個經典的 diastereomer
  • 發生於 atom 或 functional group 錯位在 carbon-carbon double bond 的兩邊
  • 因為 double bond 無法旋轉的關係，導致他們的架構不同

Cis Trans Isomers

• 例如 2-butene $(\text{C}_4\text{H}_8)$ 中的 2 個 methyl groups $(\text{CH}_3)$
  • 若都在同一邊，稱作 cis configuration of 2-butene
  • 若在相反邊，稱作 trans configuration

Cis Trans 2 Butene

• 在 trans configuration 中 carbon backbone 大多是 linear 的

• 而 cis configuration 中 backbone 多為 bend, kick 的

• fatty acids (脂肪酸) 通常包含 double bonds

  • 也就會有 cis / trans configuration

• Cis fatty acids 在室溫下通常為正常的 oils

  • 因為 backbone 是 bend 的關係，讓 molecules 不會被 pack tightly together

• Trans fatty acids (trans fatty, 反式脂肪) 在室溫下則為固態的脂肪

  • 因為 backbone 相對 linear 關係，molecules pack tightly together

Functional Group

• Hydrocarbons 很適合作為 combustion fuels 使用

  • 但要組成 living organism 似乎還不夠

• 大部份的 biological molecules 包含非常多 carbon, hydrogen 以外的 atoms

  • 這些 atoms 能夠給予更多樣性的 functionality

• 大多的 biological molecules 由 carbon skeleton 和其他 atoms (oxygen, nitrogen, sulfur, etc) 組成

  • 這些"其他 atoms" 通常會以 functional groups 角色出現
  • functional groups 是一些 atoms 組成的 pattern, motif
  • functional groups 會表示出一致的 function (properties, reactivity)
  • 所以 biological molecules = carbon skeleton + many different functional groups

• 最常見的 functional groups 在下表列出

  • 其中 methyl $(\text{CH}_3)$ group 是 hydrophobic (nonpolar)
  • 而其他六種 functional groups 皆為 hydrophilic (polar)

Functional Group	Structure	Properties
Hydroxyl		Polar
Methyl		Nonpolar
Carbonyl		Polar
Carboxyl		Polar, Acidic
Amino		Polar, Basic
Phosphate		Polar, Acidic
Sulfhydryl		Polar

• Carboxyl group $(\text{COOH})$ 是一個非常 hydrophilic 的 functional group

  • 可以失去一個 proton 來形成負電的 carboxylate ion $(\text{COO}^-)$
  • 所以他除了 polar 還是酸性
  • 通常可以在 amino acids, fatty acids 等 biomolecules 看到他

• Carbonyl group $(\text{C=O})$ 則是 less hydrophilic 的 functional group

  • 他是 uncharged 但有 partial positive/negative charges 所以 polar
  • 通常可以在 proteins, peptides, carbohydrates 等地方看到他

• 在表中可以看到 letter R 用來表達一大串的 molecules

  • R 可能是 ethyl $(\text{CH}_2\text{CH}_3)$ group
    • 可以跟第一個 entry 形成 ethanol
  • R 也可能拿來表達非常大的 molecule (e.g., protein)
  • R 的用法會在 biology, chemistry 常見到
    • 用來簡化 chemical structures 並只強調重要的部分 (通常為 functional groups !)