1 ORGANISCHE CHEMIE Chemie der Kohlenwasserstoffverbindungen Lavoisier: Zusammensetzung der Naturstoffe aus den lebenden Organismen: Kohlenstoff, Wasserstoff Sauerstoff, Stickstoff: organogene Elemente Antoine Lavoisier 1743-1794 Es dauert nur Sekunden, um einen Kopf abzuhacken, aber hunderte Jahre dürften keinen ähnlichen hervorbringen können wie diesen Lavoisier. (Lagrange)
96
Embed
ORGANISCHE CHEMIE...2 Berzelius (XVIII-XIX sz.): organische und anorganische Chemie 5 H C N N N N N H NH2 adenin Vis vitalis Prinzip: Naturstoffe aus den lebenden Organismen können
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
ORGANISCHE CHEMIE
Chemie der KohlenwasserstoffverbindungenLavoisier: Zusammensetzung der Naturstoffe aus den lebenden Organismen:
Kohlenstoff, Wasserstoff Sauerstoff, Stickstoff: organogene Elemente
Antoine Lavoisier1743-1794
Es dauert nur Sekunden, um einen Kopf abzuhacken,aber hunderte Jahre dürften keinen ähnlichenhervorbringen können wie diesen Lavoisier. (Lagrange)
2
Berzelius (XVIII-XIX sz.): organische und anorganische Chemie
5 H C NN
N N
N
H
NH2
adenin
Vis vitalis Prinzip: Naturstoffe aus den lebenden Organismen können nicht künstlichhergestellt werden
Wöhler (1828)
K OCN + NH4 Clmelegítés
H2N C
O
NH2 + K ClErhitzen
Jöns Jakob Berzelius(1779-1848)
3
Sonderstellung der Verbindungen des Kohlenstoffs:
Die Vielzahl der Kohlenstoffverbindungen
Isomerie: isomere Verbindungen weisen bei gleicher Summenformel verschidene chemische und physikalische Eigenschaften.
Konstitutionsisomerie:die Isomerie beruht auf der unterschiedlichen Atomordnung (d.h. unterschidlichen Reihenfolge der Atome innerhalb des Moleküls).
Die Anzahl der Konstitutionsisomere nimmt mit steigender Anzahl der C-Atome sehr stark zu.
Konstitutionsisomerie
5
KOHLENWASERSTOFFE
gesättigt ungesättigt aromatisch
CH3 CH3 CH2 CH2
ofenkettig oder cyclisch(aliphatisch oder alicyclisch)
cyclisch
6
KOHLENWASSERSTOFFE
Gruppen der Kohlenwasserstoffe:
Gruppe charact. Bindung allg. Formel
•Alkane -CH2–CH2- CnH2n+2
•Cycloalkane -CH2–CH2- CnH2n
•Alkene -CHCH- CnH2n
•Alkyne -CC- CnH2n-2
•Aromatische Benzol und polycyc- C6H6, C10H8, etc..Kohlenwasserstoffe lische Aromaten
7
ALKANE CnH2n+2
Methan CH4
Ethan CH3-CH3
Propan CH3-CH2-CH3
Butan CH3-CH2-CH2-CH3
Pentan CH3-CH2-CH2-CH2-CH3
Hexan CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
Heptan CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
Octan CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
Nonan CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
Decan CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3
CH4
C2H6
C3H8
C4H10
C5H12
C6H14
C7H16
C8H18
C9H20
C10H22
Homologe Reihe der Alkane:zwei aufeinanderfolgende Kohlenwasserstoffe differieren stets um eine –CH2 Gruppe.
8
Grundlagen der Nomenklatur in der organischen Chemie
Namen der organischen Verbindungen:
- systematische Namen (oder IUPAC-Namen) IUPAC = International Union of Pure and Applied Chemistry
- Trivialnamen (z.B. Oxalsäure anstelle Ethandisäure).(Anwendung der Trivialnamen ist von IUPAC-Nomenklatur also
genehmigt.)
9
verzweigte Alkane = substituierte Derivate der unverzweigten (geradkettigen) Alkane
Substitution = Ersetzen von H-Atomen eines Alkans durch Alkylgruppen
Alkylgruppen
Als Alkylgruppen bezeichnet man die Reste, die nach Entfernen eines H-Atoms aus den Alkanen zurückbleiben.Die unverzweigte Alkylgruppen werden in der systematischen Nomenklatur durch die Änderung der Endung -an -yl genannt.
Alkan Alkyl
Anwendung der IUPAC-Nomenklatur („Substitutions-Nomenklatur”)
Benennung der Alkane:
lateinische oder griechische Vorsilbe + -an Endsilbe (Suffix)
Pent + an Pentan
(Die Vorsilbe gibt die Anzahl der beteiligten C-Atome an.)
10
Beispiele:
Alkan Alkylgruppe
Formel Name
CH4 (Methan) CH3- Methyl-
C2H6 (Ethan) CH3CH2- Ethyl-
C3H8 (Propan) CH3CH2CH2- Propyl-
Nomenklatur
11
Benennung der verzweigten Alkane nach den IUPAC Regeln
1./ Die längste C-Kette (Hauptkette ohne Verzweigung) wird durchnumeriert und nach der Anzahl ihrer C-Atome als eine geradkettige Verbindung genannt.
2./ Jede Verzweigung wird gesondert gekennzeichnet, und zwar so, daß man die Zählung an dem Kettenende beginnt, das der Verzweigungsstelle am nächsten steht.
3./ Die Alkylgruppen, die an die Hauptkette gebunden sind, werden identifiziert. Die Position der Alkylgruppen wird durch Nummern angegeben. Für jeweilige Substituenten muss gesonderte Nummer verwendet werden. Wenn eine Gruppe mehrmals auftritt, wird die Vorsilbe (Prefix) di-, tri-, tetra-, usw. vorangelegt.
4./ Schreiben des Namens der Verbindung!Nummer(n) + Alkylgruppe(n) (ABC Reihenfolge!) + Hauptkette
12
CH3 CH2 C
CH3
CH3
CH2 CH CH2 CH3
CH3
1 2 3 4 5 6 7
3,3,5-Trimethyl-heptan
Positions-nummer
Endsilbe
Name des Substituentes
Vorsilbe Name der Hauptkette
3-Methyl-pentanCH3 CH2 CH CH2
CH3
CH3
1 2 3 4 5
CH3 CH2 CH CH2
CH
CH2
CH3 CH3
CH3
1 2
3 4 5 63-Ethyl-2-methyl-hexan
Nomenklatur der Alkane
13
Unterschiedliche C-Atome in verzweigten Alkanen
(primäre, sekundäre, tertiäre und quartäre C-Atome)
C C C CC
C
C
C
primäres
sekundäres
tertiäresquartäres
14
Bindungsstruktur der Alkane
Die Elektronenkonfiguration des Kohlenstoffatoms
1s22s22p2 Promotion Hybridisierungsp3
Das sp3 hybridisierte Kohlenstoffatom bildet 4 equivalente kovalente Bindungenpl.: CH4, CH3-CH3
15
Struktur der Alkane
Methan
Überlappung von den 4 sp3 Hybridorbitalen des Kohlenstoffatoms mit den 4 s atomorbitalen der Wasserstoffatome
4 equvalente Bindungen (C-H)
Gleiche Bindungslängen (C-H 109 pm), und Bindungswinkel (109.5°)
KalottenmodelKugel-StabModelwedge-and-dash model
16
Konformation der Alkane
Als Konformation eines Moleküls bezeichnet man die räumlichen Strukturen,die sich nur durch Drehung um eine Einfachbindung unterscheiden und nichtmiteinander zur Deckung zu bringen sind.
Konformere (Konformationsisomere) sind im allgemeinen nicht isolierbar.
Derjenige Substituent bzw. die H-Atome, die in der einen Konformationaxial angeordnet sind, befinden sich nach dem Umklappen in äquatorialer Lageund umgekehrt.(ae, und ea).
Medizinische Anwendung:• Ligroin (Desinfection der Körperoberfläche)• Paraffinöl (Verw. in Dermathologie)• Vaseline (Verw. in Fabrikation von Salben)
36
Produkte aus Erdöl
37
Alkene (Olefine)
Benennung: -en Endsilbe
Kohlenwasserstoffe, die eine C = C Doppelbindung enthalten
R1-CH=CH-R2Summenformel: CnH2n
Homologe Reihe
Ethen
Propen1 2 3
1-Buten3 41 2
CH2 CH CH3
CH2 CH CH2 CH3
CH2 CH2
Alkenyl - Gruppe
Ethenyl-, Vinyl-
2-Propenyl- , Allyl-
3-Butenyl-
CH2 CH CH2
CH2 CH CH2 CH2
CH2 CH
38
Konstitutionsisomerie
CH3
3-Methyl-cyclohepten
1-Buten
CH2 CH CH2 CH3
2-Buten Lage der Doppelbindung
CH3 CH CH CH3
4-Methyl-2-hepten
CH3 CH CH CH CH2
CH3
CH2 CH3
Kettenverzweigung
2-Methyl-2-hepten
CH3 C CH CH2 CH2 CH2 CH3
CH3
39
Die C=C Doppelbindung
C Cp
s
133 pm
sp2 Hybridisierungs: 347 kJ/mols+p: 610 kJ/mol
Ethen
40
Die C=C Doppelbindung
41
Die cis-trans-Isomerie der Alkene
CIP - (Cahn-Ingold-Prelog) System
(E)-Formentgegen
(Z)-Formzusammen
Sdp. 4oCSchmp. -139
Sdp. 1oCSchmp. -106
C CH
CH3
H
CH3
trans-2-Buten
C CH
CH3
CH3
H
cis-2-ButenAbstoßung
stabiler
42
Isomerie
Konstitutionsisomerie:die Isomerie beruht auf der unterschiedlichen Atomordnung (d.h. unterschidlichen Reihenfolge der Atome innerhalb des Moleküls).
Als Konformation eines Moleküls bezeichnet man die räumlichen Strukturen,die sich nur durch Drehung um eine Einfachbindung unterscheiden und nicht miteinander zur Deckung zu bringen sind.
cis-trans Isomerie:Stereoisomerie - KonfigurationsisomerieStereoisomere haben grundsätzlich die gleiche Struktur (Konstitution),unterscheiden sich aber durch die räumliche Anordnung der Atome.
43
Darstellung der Alkene
b./ aus Alkylhalogeniden durch Dehydrohalogenierung
Elektronendonatoren stabilisieren das Carbenium-Ion
R2C=CH2 + HX R2CX-CH3,
Regioselektivität
Markownikow-Regel: besitzen die beiden C-Atome der Doppelbindung eineverschiedene Anzahl von H-Atomen, so wandert das Halogen vorzugsweisean das wasserstoffarmere C-Atom .
Beim Inhalieren führt es zu Schwindel und Teilnahmlosigkeit
Beim Komprimieren explodiert
Kieselgur (Kieselerde) – Aceton, Acetylen: Dissous-GasSchweißung (3200 C)
Karbidlampe, Monomere in der Kunststoffherstellung,wichtige Ausgangsstoffe der chemischen Industrie
67
Acetylen
Darstellung: CH41500 oC
0,01 - 0,1 sec CH CH + 3H22
CaO + 3C2500 oC
CaC 2 + CO
CH CH+CaC 2 + H 2O CaO
KalciumacetylidKalciumkarbid
R CH CH R
X X
KOH- 2HX
R C C R
68
Chemische Eigenschaften
CH CH H2 CH3 CH3Hydrierung
HCl Addition
CH CH HClCH2 CH Cl
VinylchloridAE
Wasseraddition
CH CH H2O CH2 CH OH CH3 CO
H
VynilalkoholEnol
AcetaldehydOxo
Tautomerie
69
Acidität von Acetylen, Bildung von Acetylide
NatriumacetylidNa+
-:C - Na+ :C NaNH2 or NaH
C C HH
C C HR pKa = 25 +
R HC C NaNH2 or NaH
C CR : Na+-
Polymerisierung von Acetylen
2-Chlorbutadiene
HC CH + HC CH C CH2C=CH HHCl (Cu+)
H2C=CH-C=CH2
ClPolymerisierung
synthetische Gummi- Herstellung
70
Polyethin
Isolator
Durch Dotierung mit Oxidationsmitteln elektrisch leitfähiges Polimer
(1976)
71
KOHLENWASERSTOFFE
gesättigt ungesättigt aromatisch
CH3 CH3 CH2 CH2
ofenkettig oder cyclisch(aliphatisch oder alicyclisch)
cyclisch
72
Aromatische Kohlenwasserstoffe
- im 19. JahrhundertVerbindungen, die aus Aromapflanzen in reiner kristallinen Form isoliert wurden.
- moderne Interpretation des Begriffes „aromatisch”:aromatische Verbindungen: Derivate des Benzols bzw. anderer aromatischen Kohlenwasserstoffe, unabhängig von den Aromaeigenschaften
Aromatische Kohlenwassestoffe = Arene
Stammverbindung: Benzol, C6H6
erste Isolierung: aus dem Leuchtgas (Faraday, 1825)erste Herstellung: aus Benzoesäure (Mitscherlich, 1834)
C6H5-COOH + CaO C6H6 + CaCO3
73
Struktur des Benzols
erste Struktur-Hypothese von Kekulé (1866)
- sechs C-Atome in einem 6-Ring- die C-H Gruppen abwechselnd durch C-C und C=C Bindungen verknüpft
Kekulé-Formel des Benzols
H
H
H
H
H
H
74
In 1,2-Stellung disubstituierte Isomere (d.h. I und II) sind nicht aufgefunden worden
Argumente gegen die Kekulé-Formel
X
H
H
H
H H H
H
H
X XX
I II
1 12 2
Oszillationstheorie: die Bindungen im Benzolkern sind nicht fixiert(schneller Platzwechsel)
H
H
H
H
H
H
HH
H
H
H
H
75
Weitere Besonderheiten des Verhaltens von Benzol:
- Benzol ist relativ reaktionsträg,
keine Reaktion mit Br2 und HBr, mit Kaliumpermanganat (KMnO4)
Das Benzol-Molekül enthält keine Doppelbindungen von Alken-Typ.
- Das Benzol-Molekül muss sehr stabil sein.
Struktur des Benzols
76
Orbitalhybridisierungs-Modell des Benzols
Ergebnisse der modernen Strukturaufklärung (z.b. Röntgen-strahlbeugung):