Organische Chemie

Vitalismus: nur lebende Organismen können „organische“Verbindungen hervorbringen

NH4OCN→H2N-CO-NH2

Heute: Lehre der Chemie der Kohlenstoffverbindungen

Ausnahmen: Kohlenstoff, CO, Metallcarbonyle, CO2, Kohlensäure und ihre Salze, Carbide, Blausäure (HCN) und ihre Metallsalze (Cyanide) sowie Cyansäurestoffsäure (HOCN) und ihre Metallsalze (Cyanate)

Mehr als 19 Millionen Verbindungen bekannt

Organische Chemie

Eigenschaften: • Zersetzung bei höheren Temperaturen• Eher niedrige Schmelz- und Siedepunkte• Brennbar• Meist löslich in organischen Lösungsmittel• Molekül bleibt im Gegensatz zu Salzen beim Lösen erhalten

Einteilung: • Verbindungen die nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen

(Kohlenwasserstoffe)• Verbindungen die auch andere, nichtmetallische Atome

(Heteroatome) enthalten – weitere Gruppierung über funktionelle Gruppen

• Verbindungen mit Metallen (Metallorganyle)

Kohlenwasserstoffe

• Nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff aufgebaut• Ab 3 C Atomen können sowohl kettenförmig (aliphatisch) als auch

ringförmig (cyclisch)

Einteilung: • Gesättigte Kohlenwasserstoffe (Alkane)• Ungesättigte Kohlenwasserstoffe (Alkene)• Cyclische Kohlenwasserstoffe: alicyclisch oder aromatisch

CH3

CH3

Alkane (Paraffine)

• Einfachsten Kohlenwasserstoffe• Nur Einfachbindungen• Kohlenstoff sp3 hybridisiert• Name endet auf –an• Allgemeine Summenformel: CnH2n+2

Alkane (Paraffine)

Homologe Reihe: Bildung durch Einfügen einer Methylen-Gruppe (-CH2-)

• Ketten nicht gerade sonder zickzackförmig angeordnet• Ab Butan können Konstitutionsisomere (Stellungsisomere) auftreten

Isomere: Verbindungen mit gleicher Summenformel aber verschiedener Struktur

n-ButanPropanEthanHHHHHHHHH⏐⏐⏐⏐⏐⏐⏐⏐⏐

H―C―C―C―C―C―C―CH―C―C―H⏐⏐⏐⏐⏐⏐⏐⏐⏐HHHHHHHHH

―HH―H

Alkane (Paraffine)Namensgebung (nach IUPAC):

•Längste Kette (oder die mit meisten Doppelbindungen) namensgebend•Bei mehreren gleichlangen Ketten zeichnet die mit den meisten Verzweigungen für den Namen verantwortlich

•Verzweigungsstellen erhält die kleinstmögliche Ziffer•Bei gleicher Entfernung zweier Substituenten von beiden Kettenenden erfolgt eine alphabetische Reihung

•Identische Seitenketten tragen die Präfixe di-, tri- , tetra-, …•Weiter verzweigte Seitenketten immer über 1 mit der Hauptkette verknüpft•Bei identischen weiter verzweigten identischen Seitenketten verwendet man die Präfixe bis-, tris-, tetrakis-, …

Alkane (Paraffine)

4,4-Bis-(1,1-dimethylpropyl)-2-methyl-nonan

CH3 9 8

76

54

3

2

CH3

CH31

CH3

CH3CH3

CH3

CH3CH3

Alkane (Paraffine)

• Siedepunkte der Konstitutionsisomere immer niedriger als der entsprechenden n-Alkane

CH3 CH3 CH3

CH3

CH3

CH3CH3

CH3CH3

n-Pentan (Sdpkt.:36,1°C) 2-Methylbutan, i-Pentan (Sdpkt.:28°C)

2,2-Dimethylpropan, neo-Pentan (Sdpkt.:9°C)

C2H6

C10H22

Cykloalkane

Cykloalkane

Cholsterin

Konformationsisomerie

Newmanprojektion

E

Degrees of Rotation θ30060 120 180 2400 360

HH

HH

HH

H

HH

H

H H

A ekliptisch

B gestaffelt

A

B

A A A

B B

Konformationsisomerie

Gewinnung von Alkanen

Gewinnung von Alkanen

Trennung durch fraktionierte Destillation (Erdölraffination) in Erdölfraktionen

Reaktionen von Alkanen und Cycloalkanen

RadiaklischeSubstitutionsreaktion

Reaktionen in der organischen Chemie

Nukleophil: Ion oder Molekül mit einem Elektronenüberschuss (freies Elektronenpaar)

Elektrophil: Ion oder Molekül mit einem Elektronenmangel

Reaktionen in der organischen Chemie

Substitutionsreaktionen:

• Radikalisch

• Nukleophil

• Elektrophil

Reaktionen in der organischen Chemie

Additionsreaktionen:• Nukleophil

• Elektrophil

Reaktionen in der organischen Chemie

Eliminationsreaktionen:

Erster Reaktionsschritt entspricht einer SN Reaktion (Konkurrenzreaktion)

Alkene (Olefine)

• Ungesättigte Kohlenwasserstoffe• Kohlenstoff sp2 hybridisiert• Eine sp2-sp2-σ Bindung und eine p-p-π Bindung• Bindung ist eben und nicht drehbar• Name endet auf –en• Allgemeine Summenformel: CnH2n

• Homologe Reihe: Ethen, Propen, Buten, …

Additionsreaktionen

Alkene (Olefine)

CH2

CH3

CH3

CH3

CH2 CH3

CH3

1-Buten 2-Buten 2-Methyl-1-propen

Konstitutionsisomerie:• Doppelbindung kann an verschiedenen Stellen in der C-Kette sein

• Lage durch kleinstmöglichste Ziffer angegeben

Stereoisomerie (räumlich unterschiedliche Anordung):• Konformationsisomerie (durch Drehung überführbar)• Konfigurationsisomere (geometrische Isomerie)

Alkene (Olefine)

E-Z-Isomerie (Cis-trans Isomerie):

• Bei unterschiedlichen Substituenten CIP (Cahn-Ingold-Prelog) Regeln:

– Höhere Ordnungszahl höherer Rang (Cl>O>C>H)– Bei gleicher OZ ist die Kettenlänge oder das nächste Atom

bestimmend (CH2OH>CH2CH3>CH3)

cis-Ölsäure (FP=13,5°C)

trans-Ölsäure (FP=46,5°C)

Transfettsäuren (Entstehung bei der Fetthärtung)

Linolsäure (FP=-5°C)

Partielle Hydrierung

Einteilung der Alkene

Monoalkene (1DB)

Diene (2DB)

Polyene (mehrere DB)

Aromatische Verbindungen

• Sind ringförmig • Besitzen ein delokalisiertes π-Elektronensystem• Enthalten (4n+2) π-Elektronen (n=0,1,2,3,…) (Hückelsche Regel)• Stellen Besonders stabil Systeme dar• Bsp. Benzol:

Aromatische Verbindungen

Benzen (6 e-) Naphtalin (10 e-) Anthracen (14 e-)

ON

Pyridin (6 e-)

N trägt ein e- bei

Furan (6 e-)

O trägt 2 e- bei

Mesomerie:• Bindungsverhältnisse nicht durch eine Strukturformel beschreibbar• Angabe durch mehrer Grenzformeln

Aromatische Verbindungen

Konstitutionsisomere:

Alkine

Alkine

Zusammenfassung

Substitutionsreaktionen

Phenyl-(Aryl)

-en Konstitutionsisomerie E/Z-Isomerie

C6H6C10H8

Aromaten (Arene)

Additionsreaktionen

-inyl-in Konstitutionsisomerie E/Z-Isomerie

CnH2n-2Alkine

Additionsreaktionen Polymerisation

-enyl-en Konstitutionsisomerie E/Z-Isomerie

CnH2nAlkene

wie Alkane Cyclo+ Stammname + yl

Cyclo....-an

Konstitutionsisomerie Konformationsisomeriecis/trans-Isomerie

CnH2nCycloalkane

Verbrennung; Halogenierung

Stammname + yl

-an Konstitutionsisomerie Konformationsisomerie

CnH2n+2Alkane

Wichtige chemische Reaktionen

IUPAC-NamePräfix

IUPAC-NameSuffix

Mögliche Arten der Isomerie

Summen-formel

Verbindungs-klasse

Funktionelle Gruppen

Funktionelle Gruppen

Alkylhalogenide

Alkylhalogenide

Gewinnung:• Aus Alkoholen mit Halogenwasserstoffesäuren

• Aus Alkenen mit Halogenwasserstoffen

• Aus Alkanen durch radikalische Halogenierung

CH4

+Cl2

-HClCH3Cl

+Cl2

-HClCH2Cl2

+Cl2

-HClCHCl3

+Cl2

-HClCCl4

Alkohole

• Hydroxygruppe als funktionelle Gruppe• Allgemeine Formel R-OH• Name endet auf –ol• Können Wasserstoffbrücken ausbilden• höhere Siedepunkte als entsprechende Alkane• Je nach Anzahl der –OH Gruppen unterscheidet man Mono(alkohole),

Diole, Triole, …(einwertig, mehrwertig)• Ab Butanol Konstitutionsisomerie

Alkohole

Säure-Base Reaktionen

Redox Reaktionen

Alkohole

Phenole

Aromatische Hydroxy Derivate

Mesomeriestabilisiert

Phenole

CH2 O

OHOCH3

COHHHC

CH2OH

OH CH2OHCO

H3CO

C O

CH

CH

H

CH

CHOH2

HOH

CH

OCH3

OH

C

OH2C

CHO

O

C

CH2OHH3C

O

O

COH

O CH

H3CCH2OH

HHCOH

1

2

3

4

5

6

7

HHC CH

OO CH

CH2O

C

OCH3

O

CHO

H2C

H3C

8

OHC CH CH2OH

CH2OH

OO

C

OH

H3C 9

10

OHC CH

COHH2

CH2O

CH

OOH

H3C

11

H3C12

HO

CH2OHH3C13

O

C

O

CH

O CH

O

H3C

H

CH3

CH

OHO

CH

H3C

CHH2COH

15

16

Carbohydrate

CH2OH

OH

OCH3

HC 14

H2COHHC

CHO

17

HOCHO

O

C O CH2

H3C18

HCHO

O

H

H3C

19

O

CH

OCH

O

CH

O

COHH2

OHOCH3

COHHCOHH2

20

H

CHH2COH

OCH3

O

HC O

C

OCH3

CHCHCHO

22

21

O

H2COHCH2

CH2

H

C O

C

OCH3

24

25

26CH

28

27

O

CH2OHH

CH3

CH

O

O

H2COHH

H2COH

H3C

H3C

H2COH

O

CH

CH

OHC

O

O

O

H

23

COH

OCH3

LIGNIN

Ether

Verbindungen der allgemeinen Formel R-O-R

Symmetrische, unsymmetrische (gemischte), cyclische Ether

Ether

Gewinnung• durch Kondensation (Wasserentzug) von z.B. Ethanol

• Bei Diolen erhält man cyclische Ether

Ether

Bildung von Peroxiden beim Stehen an Luft (Licht induzierte Reaktion => immer unter Lichtschutz aufbewahren!!! z.B. In braunen Glasflaschen in Ex-geschütztem Kühlschrank).

Die gebildeten Peroxide sind hochexplosiv!!!!! Da die Radikale wenig flüchtig sind reichern sie sich beim Abdestillieren des Ethers im Destillationsrückstand an, was das Explosionsrisko noch erhöht

Carbonylverbindungen

Aldehyde:

•Bezeichnung: -al• teilweise auch -carbaldehyd

Ketone:

•Bezeichnung: -on•Konstitutionsisomerie

Falls Carbonylfunktion ein Substituent an einer Seitenkette so wir sie als Alkanoyl (Methanoyl, Ethanoyl, …) bezeichnet

CarbonylverbindungenFormaldehyd

H2CO

Carbonylverbindungen

Keto-Enol Tautomerie

C O

Carbonylgruppe

δ δ

Carbonylverbindungen

Carbonylverbindungen

Aceton (Dimethylketon, Propanon)

Carbonsäuren und Carbonsäurederivate

C

O

H

C

O

OH

Oxidation

Aldehyd-Gruppe Carboxyl-Gruppe

Carbonsäuren:

•organische Säure

•entstehen aus einer Aldehydgruppe durch Oxidation

•Name: KW plus –säure (bei mehreren Carboxylgruppen di-, tri-, tetra-)

•Seitenketten mit Carboxylgruppe: Carboxy-

Carbonsäuren und Carbonsäurederivate

• Carbonsäuren sind schwache Säuren

• Dissoziationskonstanten entsprechend niedrig

(z.B. Ks (CH3COOH) = 1,8.10-5)

Resonanz-stabiliesiertesAnion!

Carbonsäuren und Carbonsäurederivate

Carbonsäuren und Carbonsäurederivate

Carbonsäuren und Carbonsäurederivate

Säure-Base-Reaktionen:

Reduktion:

Veresterung

Decarboxylierung

Carbonsäuren und Carbonsäurederivate

H2O

Carbonsäuren und Carbonsäurederivate

16

Carbonsäuren und Carbonsäurederivate

O

C

OH

R HO C2H5(H+)

O

C

O

R

C2H5

H2O

Essigsäureethylester(Ethylacetat)

Ester entstehen durch die Reaktion von Alkohols und Säure

Carbonsäure Alkoholz.B. Ethanol

Diese Methode der Estergewinnung vom Nobelpreisträger Emil Fischer (1902) entwickelt.

Alkohol und Carbonsäure

Carbonsäuren und Carbonsäurederivate

Darstellung:• Aus Carbonsäuren und Alkohol

• Aus Alkylhalogeniden

Carbonsäuren und Carbonsäurederivate

Carbonsäuren und Carbonsäurederivate

Carbonsäuren und Carbonsäurederivate

Verseifung = alkalische Hydrolyse:Spaltung eines Esters in Alkohol und Carboxylat

Seifen = Salze höherer Fettsäuren

Carbonsäuren und Carbonsäurederivate

Alkaliseifen

Fett + NaOH → Kernseife + Glycerin

Fett + KOH → Schmierseife + Glyerin(nur Seifen der Alkalimetalle sind gut lölich)

Waschwirkung von Alkaliseifen:

Hydrophober Teil (Alkanrest) lagerst sich an hydrophoben Schmutz an

Wird aus dem Wasser an die Oberfläche transportiert ("ausgetragen")

Seifen setzen die Oberflächenspannung des Wassers herab ("Tenside", "grenzflächenaktiv", Schaumbildung)

weitere Seifen z.B. Al-, Zn-, Ca-, Mg-Stearate

Carbonsäuren und Carbonsäurederivate

Carbonsäureanhydride• -COOCO-

Carbonsäuren und Carbonsäurederivate

Acetylierung von Holz:

C

H 3 C

O H

O

O

CH 3 C

CH 3 C

O

w ood

O

H

O

O

H 3 C

C w oodO

Essigsäure

acetyliertesHolz

Acetanhydrid

Holz

O

CH 3C

CH 3C

O

O O

w o odH

O

C

O

C

O

H3C

H3C

+H2OC

O

H3C

OH

2

Essisäureanhydrid(Acetanhydrid)

Essigsäure