Chemie für Humanmediziner I und Stomatologen I Organische …ƒ¤t/... · 2019-12-05 · Mesomerie...
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1
Dr. Martin Gericke
Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie,
Humboldtstraße 10, 07743, Jena
Telefon: (03641 9) 48229; e-mail: [email protected]
Folien: http://www.chemgeo.uni-jena.de/chemiefuermediziner.html
Chemie für Humanmediziner I und Stomatologen I-
Organische Chemie
• Wintersemester 2019/20
• Mo. 14:15-15:00 und Fr. 09:15-10:45 Uhr
• ab Mo 02.12.2018
2
Vorlesungstermine
Mo 02.12. 14:15 – 15:00
Fr 06.12. 09:15 – 10:45
Mo 09.12. 14:15 – 15:00
Sondervorlesung Prof. Bauer:
Fr 13.12. 09:15 – 10:45
Mo 16.12. 14:15 – 15:00
Fr 20.12. 09:15 – 10:45
Mo 06.01. 14:15 – 15:00
Fr 10.01. 09:15 – 11:00
Mo 13.01. 14:15 – 15:00
Fr 17.01. 09:15 – 11:00
Mo 20.01. 14:15 – 15:00
Fr 24.01. 09:15 – 11:00
Mo 27.01. 14:15 – 15:00
letzte Vorlesung:
Fr 01.02. 09:15 – 10:45
EINLEITUNG │ TERMINE
Klausur (Chemie/Physik)
Döbereiner Hörsaal, Am Steiger 3
Do 06.02 18:15 – 19:45
HM 1- 6: HS 1, Carl-Zeiss-Str. 3
HM 7- 12: HS 3, Carl-Zeiss-Str. 3
ZM 1- 3: HS, Eichplatz
3
EINLEITUNG │ LEHRBÜCHER
Chemie für Mediziner, 9. Auflage
A. Zeeck, S. Grond, S.C. Zeeck
ELSEVIER 2017
Bayer / Walter Organische
Chemie, 25. Auflage
T. Schirmeister, C.
Schmuck, P.R. Wich
Hirzel Verlag 2015
Chemie für Mediziner
H. Wachter, A. Hausen
De Gruyter Lehrbuch 2019
4
EINLEITUNG │ ORGANISCHE CHEMIE – WIESO, WESHALB, WARUM
Verständnis der Biochemie
http://www.quantumleapwellness.com/…; https://www.spektrum.de/...
5
EINLEITUNG │ ORGANISCHE CHEMIE – WIESO, WESHALB, WARUM
http://www.quantumleapwellness.com/…; https://www.spektrum.de/...
Verständnis der Biochemie
Alkoholverstoffwechselung
6
EINLEITUNG │ ORGANISCHE CHEMIE – WIESO, WESHALB, WARUM
(Neben-) Wirkungsmechanismen von Medikamenten
http://www.ijpsonline.com/...
7
EINLEITUNG │ ORGANISCHE CHEMIE – WIESO, WESHALB, WARUM
Chemisches Grundverständnis
Urea =
Harnstoff
Stoffklassen
Alkohol > Ethanol
https://www.woodlibrarymuseum.org/...
https://www.swity.de/...
Ether > Diethelether
erweitertes Alltagsgrundwissen
links- / rechtsdrehende Milchsäure
„Ein bekannter Joghurthersteller darf nun endlich seinen linksdrehenden
Joghurt auf dem fünften Kontinent anbieten. Grund für die
Verzögerungen waren Bedenken der australischen Abwasserbehörde,
dass es beim Spülvorgang mit übermäßig viel linksdrehendem Joghurt
im Stuhl zu Komplikationen mit dem rechtsdrehenden Abwasserstrudel
australischer Toiletten kommen könnte. [...]“
https://nonrelevant.de/...
8
1. Grundlagen
2. Alkane / Cycloalkane
3. Alkene / Alkine
4. Aromaten
5. Alkohole / Phenole / Ether / Thiole / Thioether
6. Amine / Heterozyklen
7. Substitution / Eliminierung
8. Aldehyde / Ketone
9. Carbonsäuren und Derivate
10. Derivate anorganischer Säuren
11. Chiralität
EINLEITUNG │ GLIEDERUNG
9
Kapitel 1
Grundlagen, Begriffe, Definitionen
wichtige Begriffe & Lernziele
- Hybridisierung und Orbitale (sp3, sp2, sp,)
- Arten chemischer Bindungen (σ- /π-Bindung ; Einfach- /Doppel- /Dreifachbindungen)
- Isomerie (Konstitutions-, Stereoisomerie)
- Mesomerie
- räumliche Struktur
- Darstellungsmöglichkeiten (Summen- /LEWIS- /Skelettformel)
- Grundlagen organischer Reaktionen
10
GRUNDLAGEN │ BEGRIFF: „ORGANISCHE CHEMIE“
Jöns Jacob Berzelius
(1779-1848)
Friedrich Wöhler
(1800–1882)
http://wikipedia.org
18. Jahrhundert: Isolierung von Reinstoffen
1769: Weinsäure
1773: Harnstoff
1806: erstmalig „Organische Chemie“ für Stoffe aus Organismen
Jakob Berzelius („vis vitalis“)
1828: Synthese von Harnstoff aus Ammoniumcyanat
Friedrich Wöhler
„Paragdigmenwechsel“
11
GRUNDLAGEN │ ORGANISCHE CHEMIE HEUTE
Medikamente
Kunststoffe
Farbstoffe
Lebensmittelzusatzstoffe
„Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten“
Kohlenhydrate
Proteine
DNS/RNS
12
GRUNDLAGEN │ CHEMISCHE ELEMENTE IN DER ORGANISCHE CHEMIE
13
GRUNDLAGEN │ BEGRIFF: „HYBRIDISIERUNG“ DES KOHLENSTOFF-ATOMS
http://www.scio-online.de/...
Modelvorstellung zur Erklärung der Bindungsverhältnisse in org. Molekülen
Kohlenstoff Elektronenkonfiguration im Grundzustand
- 1s2, 2s2, 3p2 4 Valenzelektronen / 2 Elektronenpaare
- theoretisch: Kohlenstoff zweibindig / Bindungswinkel = 180°
Oktettregel nicht erfüllbar
- experimentell: Kohlenstoff vierbindig / Bindungswinkel ≈ 109°
„Hybridisierung“: Kombinierung zu energetisch gleichen Hybridorbitalen
- 1 s-Orbital + 3 p-Orbitale 4 sp3-Hybridorbitale
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http://www.scio-online.de/...
GRUNDLAGEN │ BEGRIFF: „HYBRIDISIERUNG“ DES KOHLENSTOFF-ATOMS
Modelvorstellung zur Erklärung der Bindungsverhältnisse in org. Molekülen
Kohlenstoff Elektronenkonfiguration im Grundzustand
- 1s2, 2s2, 3p2 4 Valenzelektronen / 2 Elektronenpaare
- theoretisch: Kohlenstoff zweibindig / Bindungswinkel = 180°
Oktettregel nicht erfüllbar
- experimentell: Kohlenstoff vierbindig / Bindungswinkel ≈ 109°
„Hybridisierung“: Kombinierung zu energetisch gleichen Hybridorbitalen
- 1 s-Orbital + 3 p-Orbitale 4 sp3-Hybridorbitale
15
Einfachbindungen im Methan (CH4)
Einfachbindungen im Ethan (C2H6)
GRUNDLAGEN │ HYBRIDISIERUNG – BINDUNGSMODELLE (EINFACHBINDUNG)
sp3-hybridisierter Kohlenstoff
- vierbindig
- 4 sp3-Hybridorbitale (einfach besetzt)
Ausbildung von 4 „σ-Bindungen“
- rotationssymetrisch
- freie Drehbarkeit der Bindung
- tetraedrische Anordnung
Breitmaier/Jung, Organische Chemie, 4. Auflage 2001
16
Doppelbindungen im Ethen (C2H4)
GRUNDLAGEN │ HYBRIDISIERUNG – BINDUNGSMODELLE (DOPPELBINDUNG)
sp2-hybridisierter Kohlenstoff
- 3 sp2-Hybridorbitale + 1 p-Orbital
3 „σ-Bindungen“ und 1 „π-Bindung“
- keine freie Drehbarkeit der Bindung
- π-Bindung nicht rotationssymetrisch
und kürzer Abstand
- trigonal planare Anordnung
Breitmaier/Jung, Organische Chemie, 4. Auflage 2001
http://www.scio-online.de/...
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Doppelbindungen im Ethen (C2H4)
GRUNDLAGEN │ HYBRIDISIERUNG – BINDUNGSMODELLE (DOPPELBINDUNG)
sp2-hybridisierter Kohlenstoff
- 3 sp2-Hybridorbitale + 1 p-Orbital
3 „σ-Bindungen“ und 1 „π-Bindung“
- keine freie Drehbarkeit der Bindung
- π-Bindung nicht rotationssymetrisch
und kürzer Abstand
- trigonal planare Anordnung
Breitmaier/Jung, Organische Chemie, 4. Auflage 2001
http://www.scio-online.de/...
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Doppelbindungen im Ethin (C2H2)
GRUNDLAGEN │ HYBRIDISIERUNG – BINDUNGSMODELLE (DREIFACHBINDUNG)
sp-hybridisierter Kohlenstoff
- 2 sp-Hybridorbitale + 2 p-Orbital
2 „σ-Bindungen“ und 2 „ π-Bindung“
- lineare Anordnunghttp://www.scio-online.de/...
sp-Hybridisierung am C-Atom
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Bindung
Bindende Orbitale sp3 sp2, pz sp, py, pz
Bindungstyp + z + y + z
Winkel zw. den Bindungen 109,5° 120° 180°
Geometrie tetraedrisch trigonal planar linear
Bindungslängen [pm] 154 134 120
Bindungsenergie [kJ*mol-1] 331 620 812
freie Drehbarkeit um C-C ja nein nein
GRUNDLAGEN │ HYBRIDISIERUNG – ZUSAMMENFASSUNG DER BINDUNGSTYPEN ZWISCHEN KOHLENSTOFFATOMEN
Ethan (C2H6) Ethen (C2H4) Ethin (C2H4)
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GRUNDLAGEN │ DARSTELLUNG ORGANISCHER MOLEKÜLE
Summen-
Formel
LEWIS-Formel
(Valenzstrich-Formel)Skelett-Formel Name
Methan
Ethen
n-Propanol
Protonierter
Acetaldehyd
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GRUNDLAGEN │ DARSTELLUNG ORGANISCHER MOLEKÜLE
22
https://viamedici.thieme.de/lernmodule/chemie/einteilung+und+nomenklatur+organischer+verbindungen
GRUNDLAGEN │ KLASSIFIZIERUNG VON KOHLENWASSERSTOFFEN
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Organisch-Chemische Reaktionen können meist einem von fünf Hauptreaktionstypen
zugeordnet werden:
• Addition A + B C
• Eliminierung C A + B
• Substitution A-B + C A-C + B
• Kondensation A + B C + D D = kleines Molekül (z.B. H2O)
• Umlagerung A B
GRUNDLAGEN │ ORGANISCHE REAKTIONEN
24
Unterscheidung zwischen organischem Rest „R“ (bleibt bei Reaktion
unverändert) und reaktivem Zentrum (hier erfolgt die Reaktion)
verschiedene Reaktionspartner:
Radikal: - Teilchen mit mind. einem ungepaarten Elektron
- (z.B. )
Nucleophil: - Elektronenpaar-Donator
(„kernliebend“) - Anion oder Gruppe mit freiem Elektronenpaar oder
elektronenreicher π-Bindung
- , , (z.B. , , )
Elektrophil: - Elektronenpaar-Akzeptor
(„elektronenliebend“) - Kation mit einer Elektronenlücke oder Gruppe mit
positiver Polarisierung
- (z.B. )
GRUNDLAGEN │ ORGANISCHE REAKTIONEN
25
Beispiel:
GRUNDLAGEN │ CHEMISCHE REAKTIONSGLEICHUNGEN
(Brutto-)Reaktionsgleichung: lediglich Aufzeichnung aller Ausgangsstoffe
(„Edukte“) und Produkte
Reaktionsmechanismus: genaue Abfolge ALLER Elementarschritte einer
chemischen Reaktion
- zeigt Umwandlung des Eduktes in das Produkt durch Brechen und
Neuknüpfen von Bindungen
- beinhaltet Zwischenschritte
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GRUNDLAGEN │ BEGRIFF: „ISOMERIE“ - ÜBERSICHT
Summenformel verrät wenig über die chemische Struktur einer Verbindung
Bsp. 1: C4H10 (Butan) kann linear oder verzweigt sein
Bsp. 2: für C30H62 (Triacotan) exisitieren 4.111.846.763 theoretische Verbindungen
„Isomerie“ bezeichnet das Vorhandensein verschiedener Strukturen bei gleicher
Summenformel
- griechisch: „isos“ für gleich und „meros“ für Teil
die entsprechenden Strukturen / Verbindungen werden als „Isomere“ bezeichnet
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GRUNDLAGEN │ BEGRIFF: „ISOMERIE“ - ÜBERSICHT
min. ein asymmetrisches
Zentrums (chirales C-Atom)
min. zwei asymmetrisches
Zentrums (chirales C-Atom)
min. eine Doppelbindung
(oder ein cyclisches System)
Stereoisomere
Isomere
• gleiche Summenformel:• unterschiedliche Struktur
Konstitutionsisomere
Konfigurationsisomere
cis/trans-Isomere (E/Z-Isomere)
Konformere (Rotamere)
Enantiomere Diastereomere
Bindungsmuster? gleichunterschiedlich
durch Rotation um eine Einfachbindung ineinander überführbar?
janein
C-C-Bindung asymmetrisches C-Atom
Bild und Spiegelbild?ja nein
unterschiedliche Funktionen
oder unterschiedliche Stellung
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C4H10
C5H12
n-Pentan Isopentan Neopentan
Beispiele:
C4H10 2 Konstitutionsisomere; C10H22 75 Isomere; C15H32 4347 Isomere
GRUNDLAGEN │ BEGRIFF „KONSTITUTIONSISOMERIE“
gleiche Summenformel (!) aber unterschiedliche Verknüpfung der Atome
- unterschiedliche funktionelle Gruppen (Funktionsisomerie)
- gleiche funktionelle Gruppen aber unterschiedliche Position (Stellungsisomerie)
Konstitutionsisomere haben unterschiedliche physikalische (und ggf.
chemische) Eigenschaften
Isobutan oder
Methylpropan
n-Butan
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Keto-Enol-Tautomerie
Oxo-Cyclo-Tautomerie
GRUNDLAGEN │ BEGRIFF „TAUTOMERIE“
Tautomere sind Konstitutionsisomere, die durch Wanderung von Atomen oder
Atomgruppen SCHNELL ineinander übergehen
- wandernde Gruppen sind häufig Protonen (Prototropie) oder einwertige Anionen
(Cl-, OH-, AcO-; Anionotropie)
Tautomere stehen in einem chemischen Gleichgeweicht
- oft ist Isolierung der getrennten Formen nicht möglich
- Beachte (!): „echte“ chemische Umwandlung / Reaktions(doppel)pfeil ( )
- KEINE Mesomerie ( )
Beispiele:
30
GRUNDLAGEN │ BEGRIFF „STEREOISOMERIE“ UND „KONFORMATIONSISOMERIE“
gleiche Summenformel (!) und gleiche Atomverknüpfung der Atome aber
unterschiedliche räumliche Anordnung der Substituenten
Konformationsisomerie ist EINE Sonderform der Stereochemie
- Isomere durch Drehung um eine Einfachbindung ineinander überführbar
- ausreichend hohe Rotationsbarriere (EA) Konformere stabil / isolierbar („Rotamere“)
Beispiel:
Rotation um C-C-Einfachbindung (frei drehbare σ-Bindung) im Ethanmolekül
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GRUNDLAGEN │ BEGRIFF „STEREOISOMERIE“ UND „KONFORMATIONSISOMERIE“
=
Torsionsenergie
Energiediagramm: Rotation um C-C-Einfachbindung im Ethanmolekül
32
GRUNDLAGEN │ BEGRIFF „KONFIGURATIONSISOMERIE“ UND „CIS/TRANS-ISOMERIE“
Konfigurationsisomerie ist EINE Sonderform der Stereochemie
- Isomere NICHT durch Drehung um eine Einfachbindung ineinander überführbar
cis/trans-Isomerie (genauer E/Z-Isomerie)
- tritt auf bei Doppelbind (oder cyclischen Molekülen)
- keine frei Rotation bei 25°C möglich erfordert sehr viel Energie (Bindungsbruch)
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GRUNDLAGEN │ BEGRIFF „KONFIGURATIONSISOMERIE“ UND „CIS/TRANS-ISOMERIE“
Konfigurationsisomerie ist EINE Sonderform der Stereochemie
- Isomere NICHT durch Drehung um eine Einfachbindung ineinander überführbar
cis/trans-Isomerie (genauer E/Z-Isomerie)
- tritt auf bei Doppelbind (oder cyclischen Molekülen)
- keine frei Rotation bei 25°C möglich erfordert sehr viel Energie (Bindungsbruch)
• Substituenten höchster Ordnung
stehen auf entgegengesetzten Seiten
der Doppelbindung
= E(ntgegen)-Isomer
• Substituenten höchster Ordnung
stehen auf der gleichen Seite
der Doppelbindung
= Z(usammen)-Isomer
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GRUNDLAGEN │ BEGRIFF „MESOMERIE“
Mesomerie (Resonanz): chemische Struktur (Molekül, Ionen, Übergangszustand)
kann durch eine einzige Valenzstrichformel (LEWIS-Formel) nicht befriedigend
beschrieben werden
- es existieren zwei oder mehrere Strukturen mit identischer Atom-, aber
unterschiedlicher Elektronenanordnung
- „Grenzformeln“ sind hypothetischer Natur beschreiben die Bindungs-
verhältnisse nur teilweise und sind nicht isolierbar!
- keine Konstitutionsisomerie; kein chemisches Gleichgewicht
(Mesomeriepfeil: )
ResonanzhybridGrenzformelnCarbonation
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GRUNDLAGEN │ BEGRIFF „MESOMERIE“
Regeln für Resonanzformeln bei nicht-äquivalenten Grenzformen
1. Resonanzstrukturen müssen gültige Lewis-Strukturen sein
2. größtmögliche Anzahl von Elektronenoktetts
3. negative Ladungen am Atom mit der größten EN /
positive Ladungen am Atom mit der geringsten EN
4. möglichst geringe Ladungstrennung
5. Oktettregel kann Ladungstrennung erzwingen
ResonanzhybridGrenzformelnCarbonation
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Kapitel 2
Alkane / Cycloalkane
wichtige Begriffe & Lernziele
- homologe Reihe
- allg. Nomenklaturregeln
- Nomenklatur von Alkanen / Cycloalkanen
- Konformation von Cylohexan (Sessel- / Boot-Konformation)
- radikalische Substitution
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Alkane
geradkettig(n-Alkane)
verzweigt
„Kohlenwasserstoffe“ (KWST) bestehen nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff
„Alkane“ sind KWST, die nur Einfachbindungen enthalten (gesättigte KWST)
- alles C-Atome sind sp3-hybridisiert
allgemeine Summenformel der Alkane: CnH2n+2 (n: ganze Zahl)
„Homologe Reihe“ ausgehend von Methan (CH4) durch zufügen von -CH2- Elementen
- physikalische Eigenschaften variieren systematisch
- chemische Eigenschaften ähnlich
ALKANE │ BEGRIFFSKLÄRUNG
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C-Zahl
(n)
Alkane
(unverzweigt)
Summenforme
l (CnH2n+2)
Kurzschreibweise
(kondensierte Formel)
Smp.
(°C)
Sdp.
(°C)
1 Methan CH4 CH4 -184 -164
2 Ethan C2H6 CH3-CH3 -183 - 95
3 Propan C3H8 CH3-CH2-CH3 -190 - 45
4 n-Butan C4H10 CH3-(CH2)2-CH3 -135 - 0,5
5 n-Pentan C5H12 CH3-(CH2)3-CH3 -131 36
6 n-Hexan C6H14 CH3-(CH2)4-CH3 - 94 69
7 n-Heptan C7H16 CH3-(CH2)5-CH3 - 90 98
8 n-Octan C8H18 CH3-(CH2)6-CH3 - 57 126
9 n-Nonan C9H20 CH3-(CH2)7-CH3 - 54 150
10 n-Decan C10H22 CH3-(CH2)8-CH3 - 32 173
11 n-Undecan C11H24 CH3-(CH2)9-CH3 - 26 196
12 n-Dodecan C12H26 CH3-(CH2)12-CH3 - 12 216
15 n-Pentadecan C15H32 CH3-(CH2)13-CH3 10 270
18 n-Octadecan C18H38 CH3-(CH2)16-CH3 28 308
20 n-Eicosan C20H42 CH3-(CH2)18-CH3 37 -
30 n-Triacontan C30H62 CH3-(CH2)28-CH3 66 -
festflüssiggasförmig
ALKANE │ HOMOLOGE REIHE
Summenformelmögliche Anzahl der
Konstitutionsisomere
C3H8 1
C4H10 2
C5H12 3
C6H14 5
C7H16 9
C8H18 18
C9H20 35
C10H22 75
C15H32 4.347
C20H42 366.139
C30H62 4.111.846.763
C40H82 62.481.801.147.341
39
Primäre, sekundäre, tertiäre und quartäre Kohlenstoffatome
Trivialnamen für verzweigte Alkane / Alkylreste
Ebenso existieren
primäre, sekundäre
und tertiäre
Wasserstoffatome!
ALKANE │ NOMENKLATUR
40
ALKANE │ NOMENKLATURREGELN
Stammname einer Verbindung wird durch längste C-Kette bestimmt
- entsprecht Namen der n-Alkane gleicher Länge (Ausnahme: Alkene/Alkine)
Gruppe mit der höchsten Priorität bestimmt Endung
- längste C-Kette muss die Gruppe mit höchster Priorität enthalten
Anzahl C-Atome
(längste Kette)Stammname
1 Methan- (Meth-)
2 Ethan- (Eth-)
3 Propan- (Prop-)
4 Butan- (But-)
5 Pentan- (Pent-)
6 Hexan- (Hex-)
7 Heptan- (Hept-)
8 Octan- (Oct-)
9 Nonan- (Non-)
10 Decan- (Dec-)
11 Undecan- (Undec-)
12 Dodecan- (Dodec-)
13 Tridecan- / Tridec-
14 Tetradecan (Tetradec-)
… …
20 Eicosan- (Eicos-)
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Anzahl C-Atome
(längste Kette)Stammname
1 Methan- (Meth-)
2 Ethan- (Eth-)
3 Propan- (Prop-)
4 Butan- (But-)
5 Pentan- (Pent-)
6 Hexan- (Hex-)
7 Heptan- (Hept-)
8 Octan- (Oct-)
9 Nonan- (Non-)
10 Decan- (Dec-)
11 Undecan- (Undec-)
12 Dodecan- (Dodec-)
13 Tridecan- / Tridec-
14 Tetradecan (Tetradec-)
… …
20 Eicosan- (Eicos-)
Organische Chemie, 5. aktualisierte Auflage, P.Y, Bruice; Pearson Studium
ALKANE │ NOMENKLATURREGELN
richtig: Pentan-Stammname
(längste Kette: C-5)
falsch: Hexan-Stammname
richtig: 2-Aminoethanol
falsch: 2-Hydroxyethylamin
Stammname einer Verbindung wird durch längste C-Kette bestimmt
- entsprecht Namen der n-Alkane gleicher Länge (Ausnahme: Alkene/Alkine)
Gruppe mit der höchsten Priorität bestimmt Endung
- längste C-Kette muss die Gruppe mit höchster Priorität enthalten
42
Nomenklatur von Alkanen – Beispiel 1
Regeln (unverzweigte Seitenketten)
1) Benennung und Nummerierung der längsten Kohlenstoffkette (Hauptkette),
wobei die Durchnummerierung an dem Kettenende beginnt, so dass die Stellungen der
Seitenketten möglichst kleine Zahlen erhalten. Tridecan
2) Seitenketten (Substituenten) benennen, alphabetisch ordnen und dem
Stammnamen voranstellen; anstatt der Endung „–an“ wird die Endung „–yl“
verwendet. Ethyl, Methyl, Propyl
3) Anzahl der gleichen Seitenketten ermitteln und mit griechischem Zahlwort
dem betreffenden Seitenkettennamen voranstellen. Ethyl, Dimethyl, Propyl
(haben keinen Einfluss auf die alphabetische Reihenfolge)
4) Nummer, die die Stellung der Seitenkette bezeichnet, festlegen.
ERGEBNIS: 4-Ethyl-8,8-dimethyl-5-propyl-tridecan
ALKANE │ NOMENKLATURREGELN
43
ALKANE │ NOMENKLATURREGELN
Nomenklatur von Alkanen – Beispiel 2
Regeln (verzweigte Seitenketten)
1) Hauptkette Heptan
2) Angabe der Seitenkettenverknüpfung 4-(
3) Zahl des Kohlenstoffs angeben, an dem sich die Verzweigung in der Seitenkette befindet
4-(1-
4) Den Namen des Alkylrests in der Verzweigung der Seitenkette benennen
4-(1-Methyl
5) Die vermeintliche Haupkette in der Seitekette ebenfalls als Alkylrest anfügen
4-(1-Methylethyl)
ERGEBNIS: 4-(1-Methylethyl)heptan Trivialname: 4-Isopropylheptan
44
Cycloalkane
Cycloaliphaten
(Alicyclen, Carbocyclen)Polycyclen
Cyclohexan = wichtige Struktureinheit in der organischen Chemie!
CYCLOALKANE │ KLASSIFIZIERUNG
„Cycloalkane“ enthalten einen (o. mehrere) gesättigte, ringförmige C-Ketten
Einteilung:
Cycloaliphaten (unsubstituiert): allgemeine Summenformel CnH2n
- Nomenklatur analog zu den entsprechenen Alkanen
- Vorsilbe: Cyclo-
45
Ringspannung: 3-Ring > 4-Ring > 5-Ring > 6-Ring
Die Ringspannung bedingt die gegebenenfalls abweichende
Reaktivität gegenüber offenkettigen Alkanen.
CYCLOALKANE │ RINGSPANNUNG
Offenkettige Alkane in gestaffelter Konformation besitzen optimale
(spannungsfreie) Bindungswinkel (Tetraederwinkel = 109°)
Beispiel:
Die Konformation kleiner Ringe wird durch die RINGSPANNUNG beinflusst!
Energetisch ungünstige Konformation(en)
Ethan Butan
46
Ebene Struktur
(hypothetisch)VS.
Sessel-Konformation
alle C-Atome in einer Ebene
C-C-Bindungswinkel: 120°
(6-fache Winkelspannung)
12 ekliptisch stehende H-Atome
C-Atome 1 und 4 entgegengesetzt aus der
Ebene geklappt ( Sessel)
nahezu ideale Bindungswinkel
gestaffelte Stellung der Wasserstoffatome
Frei von Winkel- und ekliptischer Spannung –
In Übereinstimmung mit der Verbrennungswärme!
Cyclohexan ist so inert wie ein normales Alkan!
CYCLOALKANE │ KONFORMATION IM CYCLOHEXAN
47
NEWMAN-Projektion
Weitere Konformationen des Cyclohexanrings
neben der Sesselform existieren noch mehrere
energetisch ungünstigere Konformationen
- Sessel (1)
- Twist-Formen (3) (5)
- Wanne (4)
- Halbsessel (2)
Energie
gestaffelte
Stellung der
H-Atome.
http://de.wikipedia.org/...
CYCLOALKANE │ KONFORMATION IM CYCLOHEXAN
48
Konformationsanalyse des Cyclohexans
Cyclohexan liegt hauptsächlich in der Sesselform und nur sehr wenig in der Twistform vor.
Wannen- und Halbsesselform sind nicht isolierbare Übergangsstrukturen.
CYCLOALKANE │ KONFORMATION IM CYCLOHEXAN
49
http://www.chemieseite.de/organisch/img/cyclohexan3d.png
- Axial = parallel zur Drehachse
- Äquatorial = senkrecht zur Drehachse
- Mono-substituierte Cyclohexane: 1 Isomer (Axial / Äquatorial)
- Di-substituierte Cyclohexane: cis/trans-Isomerie
CYCLOALKANE │ KONFORMATION IM CYCLOHEXAN
50
CYCLOALKANE │ KONFORMATION IM CYCLOHEXAN
51
Alkane sind wenig reaktiv da sie keine funktionellen Gruppen tragen
- unpolare C-C- / C-H-Bindungen
- viel Energie für Bindungsbruch nötig: heterolytisch (kaum) o. homolytisch (bevorzugt)
keine Reaktion mit Mineralsäuren, Basen, Oxidations- und Reduktionsmitteln
Oxidation und Halogenierung bei hohen Temperaturen möglich!
- radikalische Reaktionen mit hoher Aktivierungsenergie (EA)
ALKANE │ CHEMISCHE REAKTIONEN
52
exotherme Reaktion (Energie wird frei) mit radikalischem Kettenmechanismus
- Verbrennungsenthalpie Δ H ≈ ∑ BindungsenergienEdukte – ∑ BindungsenergienProdukte
Bindungsenergien: C-H 413 kJ/mol
(Dissoziationsenergien) C-C 498 kJ/mol
C=O 803 kJ/mol
O-H 463 kJ/mol
Beispiel: Δ HMethan (theor.) = 4 • 413 + 2 • 498 – 2 • 803 – 4 • 463 = -810 kJ/mol
jede CH2-Gruppe steuert etwa 650 kJ/mol zur totalen Verbrennungsenergie bei
Verbrennungswärmen für viele organische Verbindungen experimentell ermittelt
(Kalorimetrie) und tabelliert
Δ H = -810 kJ/mol
Δ H = -1542 kJ/mol
muss aufgewendet werden
wird frei
ALKANE │ CHEMISCHE REAKTIONEN: OXIDATION
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Austausch von H-Atomen gegen Halogenatome
wichtigste Methode zur Synthese von Halogenalkanen
Herstellung von Radikalen (Startreaktion):
- thermische Bindungspaltung
- photochemische Bindungsspaltung (Voraussetzung: Absorption von Strahlung)
- Verbindungen mit niedriger Bindungsdissoziationsenergie werden oft als
Initiatoren (Radikalstarter) eingesetzt
ALKANE │ CHEMISCHE REAKTIONEN: RADIKALISCHE SUBSTITUTION
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ALKANE │ CHEMISCHE REAKTIONEN: RADIKALISCHE SUBSTITUTION
Reaktionsmechanismus:
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ALKANE │ CHEMISCHE REAKTIONEN: RADIKALISCHE SUBSTITUTION
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ALKANE │ CHEMISCHE REAKTIONEN: RADIKALISCHE SUBSTITUTION
Video: Bromierung von Pentan
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ALKANE │ HALOGENALKANE ALS NARKOTIKA
Chloroform als Narkotikum
- 1847: im Selbstversuch mit 2 Freunden Entdeckung der Chloroform-Anästhesie
- 1853: Geburt des 9. Kindes von Queen Victoria (unter CHCl3-Narkose)
- ca 1900: Entdeckung der Lebertoxizität
Heute: gasförmige Halogenalkane als Inhalationsanästhetika
- Halothan (Halogen-KWST)
- alternativ: halogenierte Ether (Flurane)
James Young Simpson
(1811 – 1870)
http://wikipedia.org
ChloroformHalothan
Enfluran
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Welche der folgenden Aussagen stimmt NICHT?
A [ ] Es handelt sich um eine radikalische Substitution.B [ ] 1-Chlor-Propan ist das Hauptprodukt der Reaktion.C [ ] 2-Chlor-Propan entsteht über eine besser stabilisierte Zwischenstufe.D [ ] Die Reaktion könnte auch thermisch initiiert werden.E [ ] Es können auch mehrfach chlorierte Produkte entstehen.
ALKANE │ KONTROLLFRAGEN