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Ausgewählte funktionelle Gruppen Verbindungs- Funktionelle Beispiel, Lösl. in H20 typische klasse Gruppe übl. Name Dichte g/cm3 Reaktionen
I unbegrenzt Oxidation CH3CH20H Substitution Alkohol -C-OH Ethanol löslich
Eliminierung I 0,78 Säure-Base
I I CH3CH20CH2CH3 wenig Ether -C-0-C- Diethylether löslich Substitution
I I (Ether) 0,71
I CH3CH2CH2CH2NH2
unbegrenzt Substitution Amin -C-N- löslich
I I n-Butylamin 0,76 Säure-Base
0 unbegrenzt Oxidation
Aldehyd II CH3CH=O löslich Reduktion -C-H Acetaldehyd Addition
0,78 Substitution
0 CH3CCH3 unbegrenzt Reduktion I II I Keton -C-C-C- II löslich Addition
I I 0 Aceton 0,79 Substitution
0 CH3COOH unbegrenzt Säure-Base CarbonSäure II löslich
-C-OH Essigsäure 1,05 Substitution
Carbon- 0 CH3COCI Hydrolyse Substitution säure- II
chlorid -C-CI Acetylchlorid 1,10 Reduktion
0 wenig Carbonsäure- II I CH3COOCH2CH3 Substitution ester -C-0-C- Essigsäureethylester löslich Reduktion
I 0,90
Carbonsäure- 0 CH3CONH2 löslich Substitution II I amid -C-N- Acetamid 0,99 Reduktion
CH3CN unbegrenzt Addition Nitril -C;;;N löslich
Acetonitril 0,78 Reduktion
Springer-Lehrbuch
Hans Peter Latscha Helmut Alfons Klein
Organische Chemie Chemie - Basiswissen II
2., völlig neubearbeitete Auflage
Mit 125 Abbildungen, 62 Tabellen und 700 Formeln
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Professor Dr. Hans Peter Latscha Anorganisch-Chemisches Institut der Universität Heidelberg, Im Neuenheimer Feld 270, 6900 Heidelberg 1
Dr. Helmut Alfons Klein Bundesministerium für Arbeit- und Sozialforschung U.-Abt. Arbeitsschutz I Arbeitsmedizin Rochusstraße 1, 5300 Bonn
1. Auflage 1982 ist unter dem Titel "Organische Chemie" Heidelberger Taschenbücher, Band 211 erschienen
ISBN 978-3-540-51496-1
CIP·Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek Latscha, Hans P.: Chemie-Basiswissen I H. P. Latscha ; H. A. Klein. NE: Klein. HelmutA.: 2. Organische Chemie.- 2., völlig neu bearb. Auf!. -1990 (Springer-Lehrbuch) ISBN 978-3-540-51496-1 ISBN 978-3-662-09142-5 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-09142-5
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervie1fältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.
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Produkthaftung: Für die Richtigkeit und Unbedenklichkeit der Angaben über den Umgang mit Chemikalien in Versuchsbeschreibungen und Synthesevorschriften übernimmt der Verlag keine Haftung. Derartige Informationen sind den Laboratoriumsvorschriften und den Hinweisen der Chemikalien- und Laborgerätehersteller und-Vertreiber zu entnehmen.
Einbandgestaltung: W. Eisenschink, Reddesheim 215213145-543210- Gedruckt auf säurefreiem Papier
Vorwort zur zweiten Auflage
Die "Organische Chemie" ist der zweite Band der Reihe "Chemie Basiswissen". Er wurde völlig überarbeitet und aktualisiert. Anstelle der Kapitel "Trennmethoden" und "Spektroskopie", die in den dritten Band "Analytische Chemie" übernommen wurden, haben wir Übersichtstabellen zur "Chemie im Haushalt" aufgenommen, um die Anwendung der Chemie im Alltag zu verdeutlichen. In den stoffbezogenen Kapiteln wurden ältere, nicht mehr aktuelle Reaktionen gestrichen und neue Verfahren insoweit berücksichtigt, wie dies im Rahmen eines einführenden Kurzlehrbuches sinnvoll ist. Um den Besitzern älterer Auflagen von Band I und Band III die Arbeit mit dem Gesamtwerk zu erleichtern, wurde statt Basiswissen I der Hinweis HT 193 und statt Basiswissen III der Hinweis HT230 verwendet, weil die Bände in früherenAuflagen in der ReiheHeidelberger Taschenbücher unter diesen Nummern erschienen sind. Danken möchten wir schließlich vielen Lesern für Anregungen und konstruktive Kritik. Besonderen Dank schulden wir Herrn Prof. G. Opitz (Universität Heidelberg) für nützliche Hinweise und Korrekturvorschläge.
Heidelberg, August 1990 H. P. Latscha H.A. Klein
Vorwort zur ersten Auflage
Dieses Buch ist der zweite Band der Reihe "Chemie-Basiswissen". Er enthält die Grundlagen der Organischen Chemie. Band 1 (HT, Bd. 193) bringt eine Einführung in die Allgemeine und Anorganische Chemie. Die Bände können unabhängig voneinander benutzt werden. Sie basieren auf den Büchern "Chemie für Mediziner" von LatschalKlein (5. Auflage 1980) und "Chemie für Pharmazeuten" von Latscha/Klein/Mosebach (2. Auflage 1979). Diese Bücher sind Be gleittexte zu den vom Institut für medizinische und pharmazeutische Prüfungsfragen (IMPP) in Mainz herausgegebenen Gegenstandskatalogen. Der Band "Organische Chemie" wurde so gestaltet, daßer-nach unserer Meinung- das Basiswissen in Organischer Chemie enthält für
- Chemiker vor dem Vorexamen -Biologen und andere Nebenfachstudenten -Studenten des höheren Lehramtes -Studenten der Ingenieurwissenschaften
Umfangreiche Literaturzitate bieten die Möglichkeit, sich über den Rahmen des Basistextes hinaus zu informieren. Bei der Abfassung des Manuskripts halfen uns viele Anregungen von Lesern unserer früher erschienenen Titel. Zu Dank verpflichtet sind wir für konstruktive Kritik und sorgfältiges Lesen einzelner Kapitel mehreren Kollegen von den Universitäten Heidelberg und Kiel. Unser weiterer Dank gilt dem SpringerVerlag, Heidelberg, insbesondere Herrn Dr. F. L. Boschke, für sein verständnisvolles Entgegenkommen bei der Ausführung unserer Ideen und seine wertvollen Hinweise während der Abfassung des Manuskripts.
Heidelberg, Januar 1982 H. P. Latscha H.A. Klein
Lieber Leser,
dieses Buch soll die organische Chemie so präsentieren, wie es uns aufgrund unserer langjährigen Erfahrung in der Ausbildung von Studenten wünschenswert erscheint.
Teil I Im Teil I werden die elementaren Stoffklassen besprochen. Es wird gezeigt, wie man sie durch Synthesen erhält. Von typischen Vertretern werden physikalische und chemische Eigenschaften genannt, und ihre charakteristischen Reaktionen werden an Beispielen vorgestellt. Die Einteilung nach Verbindungsklassen und Reaktionstypen hat den Vorteil, daß die Kapitel unabhängig voneinander studiert werden können.
Teil II bis IV Die Teile II und III enthalten hauptsächlich ausgewählte Stoffgruppen. Auch hier können die Kapitel je nach Bedarf und Interessenlage unabhängig voneinander gelesen werden. Für die Arbeit im Praktikum empfehlen wir die Kapitel über Reaktionsmechanismen aus Teil I und das Methodenregister in Teil IV.
Tips zum Lernen Das Springer-Lehrbuch "Organische Chemie" ist ein Kurzlehrbuch, das relativ viel Information auf engem Raum enthält. Dem Vorteil des handlichen Vademecums steht die hohe Informationsdichte gegenüber. Leser mit unzureichenden Vorkenntnissen sollten Teil I vollständig durcharbeiten (außer Kapitel31). Die Kapitel in Teil II-IV können anschließend nach Bedarf und Interesse hinzugenommen werden.
VIII
Vorschläge <D Überfliegen Sie zunächst den Inhalt eines Kapitels, bevor Sie
sich in Einzelheiten vertiefen. - Lesen Sie aufmerksam den Text und beachten Sie auch die
Abbildungen und Tabellen. Es ist nicht erforderlich, alle physikalischen Daten oder dergl. zu lernen. Versuchen Sie lieber, Ihre Stoffkenntnis allgemein zu erweitern.
@ Machen Sie sich Randbemerkungen (unter Benutzung des Sachregisters). Beachten Sie auch die Querverweise im Text. - Üben Sie sich in der Nomenklatur mit Hilfe von Kap. 45 und
den im Text angegebenen Beispielen (Tabellen verwenden). @ Üben Sie die Formulierung von Reaktionsmechanismen schrift
lich. Geben Sie mit Pfeilen an, wohin Elektronen verschoben werden bzw. welche Zentren miteinander reagieren.
@ Wählen Sie auch kompliziertere Verbindungen für die Formulierung chemischer Reaktionen.
® Benutzen Sie, wenn möglich, Molekülmodelle, um Ihr räumliches Vorstellungsvermögen zu fördern. Dies gilt besonders für das Kapitel Stereochemie.
® Versuchen Sie nicht, möglichst viele Kapitel in einem Zug durchzulesen. Machen Sie öfter eine Pause und wiederholen Sie das Gelesene.
<V Arbeiten Sie aktiv mit, d. h. stellen Sie sich Fragen und versuchen Sie, diese zu beantworten. Benutzen Sie dabei das Sachregister.
@ Verschaffen Sie sich von Zeit zu Zeit einen Überblick über zusammenhängende Gebiete. Das Inhaltsverzeichnis kann dabei eine Hilfe sein.
Inhaltsverzeichnis
Teill
1
1.1 1.2 1.2.1
1.2.2 1.3
1.3.1 1.3.2 1.3.2.1 1.3.2.2
2
2.1 2.2 2.2.1 2.2.2
2.2.3 2.2.3.1 2.2.3.2
Grundwissen der organischen Chemie
Chemische Bindung in organischen Verbindungen . . . . . Einleitung . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen der chemischen Bindung . WellenmechanischesAtommodell des Wasserstoff-Atoms, Atomorbitale Mehrelektronen-Atome . . . . . . . DieAtombindung (kovalente oder homöopolare Bindung) MO-Theorie der kovalenten Bindung . VB-Theorie der kovalenten Bindung Moleküle mit Einfachbindungen . Moleküle mit Mehrfachbindungen
Ungesättigte Kohlenwasserstoffe III. Alkine .......... .
Elektrophile Additionen an Alkene . Die Addition von Halogenen an Alkene Die Addition von Halogenwasserstoffen (Markownikow-Regel) .. Die Addition von Wasser (Hydratisierung)
Aromatische Kohlenwasserstoffe (Arene) Chemische Bindung in aromatischen Systemen . Elektronenstrukturen cyclisch-konjugierter Systeme nach der MO-Theorie . . . . Beispiele für aromatische Verbindungen; Nomenklatur . . . . . . . . Vorkommen, Darstellung und Verwendung . Elektrophile Substitutions-Reaktionen aromatischer Verbindungen . Nitrierung Sulfonierung Halogenierung Ozonisierung Hydrierung Alkylierung nach Friedel-Crafts Acylierung nach Friedet-Crafts Folgereaktionen der Friedel-Crafts-Alkylierung Nucleophile Substitutions-Reaktionen
Die aromatische Substitution . . Die elektrophile aromatische Substitution (SE) Allgemeiner Reaktionsmechanismus Mehrfachsubstitutionen . . .
80
86 86
89 90
92 92
94
96 99
100 101 102 104 105 105 106 106 107 108
110 110 110 112
10.1.2.1 Substitutionsregeln . . . . 112 10.1.2.2 Wirkung von Substituenten auf die Orientierung
bei der Substitution . . . . . 113 10.1.2.3 Auswirkung von Substituenten auf die Reaktivität
bei der Substitution . . . 117 10.1.2.4 Wirkung von Halogen-Atomen als Substituenten
bei der SE-Reaktion . . . 117 10.1.2.5 Sterische Effekte bei der Substitution . . . 119 10.2 Die nucleophile aromatische Substitution (SN,Ar) 119
am Aromaten- SN2,Ar . . . . . Weitere nucleophile aromatische Substitutionsreaktionen . . . . .
Verbindung mit einfachen funktionellen Gruppen
Halogen-Verbindungen . . Chemische Eigenschaften . Verwendung . . . . . . . Darstellungsmethoden . . Substitutions-Reaktionen von Halogen-Verbindungen . Reaktionen mit N-Nucleophilen (N-Alkylierung und N-Arylierung) Reaktionen mit S-Nucleophilen (S-Alkylierung) Reaktionen mit 0-Nucleophilen (0-Alkylierung und 0-Arylierung) ..... . Reaktion mit Hydrid-Ionen ......... . Reaktion mit C-Nucleophilen (C-Alkylierung)
Die nucleophüe Substitution am gesättigten C-Atom (SN) SN 1-Reaktion (Racemisierung) SN2-Reaktion (Inversion) ... SwReaktionen mit Retention . Das Verhältnis SN 1/SN2 und die Möglichkeiten der Beeinflussung einer SwReaktion . Konstitution des organischen Restes R Die Art der Abgangsgruppe Das angreifende Nucleophil Y Lösungsmitteleffekte . . Ambidente Nucleophile
Die Eliminierungs-Reaktionen (El, E2) 1,1- oder a-Eliminierung 1,2- oder ß-Eliminierung ....... .
Eliminierung nach einem EI-Mechanismus . Eliminierung nach einem ElcB-Mechanismus Eliminierung nach einem E2-Mechanismus . Das Verhältnis von Eliminierung zu Substitution Isomerenbildung bei Eliminierungen Beispiele für wichtige Eliminierungs-Reaktionen . anti-Eliminierungen Dehalogenierungvon 1,2-Dihalogen-Verbindungen . Biochemische Dehydrierungen Syn-Eliminierungen
Sauerstoff-Verbindungen I. Alkohole (Alkanole) Beispiele und Nomenklatur . Synthese einfacher Alkohole Mehrwertige Alkohole: Beispiele und Synthesen Reaktionen mit Alkoholen . . . . . . . . . . .
in Gegenwart von Säuren Eliminierungen . . . . . . Substitutionen . . . . . . Esterbildung unter Spaltung der C-O-Bindung Esterbildung unter Spaltung der 0-H-Bindung Darstellung von Halogen-Verbindungen Reaktionen von Diolen . . . . . . Redox-Reaktionen ....... . Berechnung von Oxidationszahlen in der organischen Chemie . . . .
Sauerstoffverbindungen: II. Ether Eigenschaften und Reaktionen Ether-Synthesen . . . . Ether-Spaltung . . . . . Umlagerungsreaktionen
Sauerstoffverbindungen: 111. Phenole Darstellung von Phenolen Eigenschaften von Phenolen Reaktionen mit Phenolen . .
Carbonsäuren . Eigenschaften von Carbonsäuren . . . . Substituenteneinflüsse auf die Säurestärke Darstellung von Carbonsäuren Reaktionen von Carbonsäuren . . .
Kohlensäure und ihre Derivate Darstellung einiger Kohlensäure-Derivate Harnstoff .... Synthese von Harnstoff . Eigenschaften und Nachweis Verwendung von Harnstoff Synthesen mit Harnstoff Derivate des Harnstoffs . . . Cyansäure und ihre Derivate Schwefel-analoge Verbindungen der Kohlensäure . . . .
Element-organische Verbindungen Bindung und Reaktivität Synthetisch äquivalente Gruppen . Eigenschaften von element-organischen Verbindungen . . . . . . Beispiele für element-organische Verbindungen (angeordnet nach dem Periodensystem) I. Gruppe: Lithium . . . . . II. Gruppe: Magnesium . . . Addition an Verbindungen mit aktivem Wasserstoff . . . . . . Addition an Verbindungen mit polaren Mehrfachbindungen . . . . . . . Addition an Verbindungen mit C = C-Bindungen Substitutionsreaktion . . . 111. Gruppe: Aluminium, Bor . IV. Gruppe: Blei, Zinn, Silicium V. Gruppe: Phosphor . I. Nebengruppe: Kupfer II. Nebengruppe: Zink, Cadmium, Quecksilber
Tautomerie der Heteroaromaten . . . . . Darstellung von Heterocyclen als Beispiel für eine chemische Syntheseplanung Synthesen von Heterocyclen über Dicarbonyl-Verbindungen . . . . . . . . . Weitere Synthesen für heterocyclische Fünfringe Synthese von sechsgliedrigen Heterocyclen .
Aminosäuren . . Einteilung und Struktur . Aminosäuren als Ampholyte Chemische Reaktionen von Aminosäuren Synthesen von Aminosäuren Peptide ... Hydrolyse von Peptiden Peptid-Synthesen Proteine . . . . . Struktur der Proteine Beispiele und Einteilung der Eiweißstoffe Eigenschaften der Proteine
457 457 459 461 462 464 465 467 469 469 475 477
Biochemisch wichtige Ester (Lipide, Nucleotide) . 479 Überblick über die Lipid-Gruppe . 479 Wachse . . . . 480 Fettsäuren und Fette Komplexe Lipide . . . . . . Nucleotide und Nucleinsäuren Nucleotide . . . . . Energiespeicherung mit Phosphorsäureverbindungen Nucleotide in Nucleinsäuren Nucleinsäuren
481 483 487 487
488 491 494
XXI
35.2.4.1 Aufbau der DNA 35.2.4.2 Aufbau der RNA
36 36.1 36.2
37
38
39
Terpene und Carotinoide Biogenese von Terpenen Beispiele für Terpene
Polyaddition . . Metathese-Reaktion Polymer-Technologie Durchführung von Polymerisationen Verarbeitung von Kunststoffen . . . Charakterisierung von Makromolekülen Strukturen von Makromolekülen . . . . Polymere aus gleichen Monomeren . . . Polymere mit verschiedenen Monomeren Polymere mit Chiralitätszentren Reaktionen an Polymeren Gebrauchseigenschaften von Polymeren Beispiele zu den einzelnen Kunststoffarten Bekannte Polymerisate . . Bekannte Polykondensate Formaldehydharze Polyester ...... . Polyamide ..... . Polysiloxane (Silicone) Bekannte Polyaddukte Halbsynthetische Kunststoffe
Farbstoffe . . . . . . . . . . Theorie der Farbe und Konstitution der Farbmittel . . . . . . Einteilung der Farbstoffe nach dem Färbeverfahren . . . . . . . . . . . . . Einteilung der Farbstoffe nach dem Chromophoren . . . . . . . . . . . . .
Neuere Entwicklungen Chitin-Synthese-Inhibitoren und Antijuvenilhormone . . Pheromone ........ . Natürlich vorkommende Insektizide Wesentliche Bestandteile wichtiger Haushaltsprodukte Holz- und Möbelbehandlung Behandlung von Textilien . . Körperpflegemittel und Luftverbesserer Gebrauchsgegenstände für Haushalt und Hobby Pflanzenschutz und Schädlingsbekämpfung; Düngemittel . . . . . . . . . . . . . Reinigungs- und Putzmittel für Küche, Sanitär und Haushalt . . . . . . . . . . . . . . .
Teil IV Methodenregister nnd Nomenklatur
44 Methodenregister . 44.1 Substitution eines H-Atoms
durch eine funktionelle Gruppe . 44.2 Ersatz funktioneller Gruppen durch H-Atome 44.3 Umwandlung funktioneller Gruppen ineinander 44.4 Kettenverlängerungs-
und Kettenverzweigungsreaktionen 44.5 Spaltung von C-C-Bindungen 44.6 Oxidationsreaktionen . 44.7 Reduktionsreaktionen
45 Zur Nomenklatur organischer Verbindungen .
46 Literaturnachweis und Literaturauswahl an Lehrbüchern .