Organische Chemie für Biologie und Ernährungslehre - lern …€¦ · · 2016-10-04WORD ®...

BK_SekII_orgChem_BioEL.docx (c,p) 2009-2014 lern-soft-projekt: drews

Organische Chemie

für Biologie und Ernährungslehre

in der Sekundarstufe II

(Fachoberschule, Fachgymnasium, Gymnasium)

Autor: L. Drews

Bilder-Quellen (z.T. nachbearb.): commons.wikimedia.org (Algarech + Van Flamm); UD-Bildschirmschoner; …, lsp: dre

Version 1.3 (2014) teilredigierte Arbeitsversion!!!

BK_SekII_orgChem_BioEL.docx - 2 - (c,p) 2009-2014 lsp: dre

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Inhaltsverzeichnis: Seite

0. Vorbemerkungen ......................................................................................... 7 Exkurs: Labor-Arbeiten mit Lebensmitteln ................................................................ 10 Exkurs: Labor-Arbeiten mit lebenden Materialien ..................................................... 11

1. vorlaufende Betrachtungen ...................................................................... 12 1.1. Cohlenstoff .............................................................................................................. 12

1.1.1. Element Cohlenstoff ........................................................................................ 13 1.1.2. anorganische Verbindungen des Cohlenstoffs .............................................. 17

1.1.2.1. Cohlenmonoxid ........................................................................................... 17 1.1.2.2. Cohlendioxid ................................................................................................ 18 1.1.2.3. Cohlensäure / Carbonat............................................................................... 19

1.2. organische Verbindungen des Cohlenstoffs ........................................................ 21 historischer Exkurs: Organische Chemie oder die Chemie der zusammengesetzten Radikale ................................................................................................................... 21 Definition(en): organische Stoffe .............................................................................. 22 Definition(en): organische Chemie ........................................................................... 22

1.3. Braunkohle, Steinkohle und Antrazit ..................................................................... 23 1.3.x. Entstehung ....................................................................................................... 23 1.3.x. Gewinnung ........................................................................................................ 23 1.3.x. Verwendung ...................................................................................................... 23

1.4. Erdöl und Erdgas .................................................................................................... 24 1.4.x. Entstehung ....................................................................................................... 24 1.4.x. Gewinnung ........................................................................................................ 24 1.4.x. Aufbereitung ..................................................................................................... 24

Fraktionierte Destillation / Rektifikation ................................................................. 24 Cracking ............................................................................................................... 24 Reforming ............................................................................................................. 24

1.4.x. Verwendung ...................................................................................................... 24

2. Kohlenwasserstoffe (Cohlenstoffhydride) .............................................. 26 Definition(en): Cohlenwasserstoffe (Cohlenstoffhydride) .......................................... 26

2.1. gesättigte Kohlenwasserstoffe .............................................................................. 27 2.1.1. Alkane ............................................................................................................... 27

Definition(en): Alkane ............................................................................................... 27 2.1.1.1. Bau der Alkane ............................................................................................ 27

2.1.1.1.1. Molekül-Rümpfe – die Alkyle ................................................................ 35 2.1.1.1.2. verzweigte Alkane ................................................................................. 36 2.1.1.1.3. ringförmige Alkane – Cycloalkane ......................................................... 40

2.1.1.2. Eigenschaften der Alkane ............................................................................ 43 2.1.1.2.1. physikalische Eigenschaften ................................................................. 43

Exkurs: Elektronegativität nach PAULING ................................................................ 46 2.1.1.2.2. chemische Eigenschaften – Reaktionen der Alkane ............................. 47

Definition(en): Substitution ....................................................................................... 51 Definition(en): radikalische Substitution / SR-Reaktion .............................................. 51 Definition(en): Oxidation ........................................................................................... 52 Definition(en): vollständige Oxidation ....................................................................... 52 Definition(en): unvollständige Oxidation ................................................................... 52 Exkurs: Oktan-Zahl / ROZ-Kennung des Benzins ..................................................... 54

Reaktions-Verhalten innerhalb der homologen Reihe ........................................... 55 Exkurs: Struktur-Aufklärung mittels Elementar-Analyse ............................................ 56

2.1.1.2.3. Eigenschaften bei Isomeren ................................................................. 57 2.1.1.3. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkane ....................................... 59

2.1.1.3.1. Methan ................................................................................................. 59 2.1.1.3.2. Propan, Butan ....................................................................................... 59


2.1.1.3.3. Pentan, Hexan ...................................................................................... 59 2.1.1.3.4. Heptan, Octan, Nonan, Decan .............................................................. 59 2.1.1.3.5. Alkane mit 11 bis 17 Cohlenstoff-Atomen ............................................. 60 2.1.1.3.6. Alkane mit mehr als 17 Cohlenstoff-Atomen - Paraffine ........................ 60

2.2. ungesättigte Cohlenwasserstoffe .......................................................................... 61 Definition(en): ungesättigte Cohlenwasserstoffe ....................................................... 61

2.2.1. Alkene ............................................................................................................... 62 Definition(en): Alkene ............................................................................................... 62 2.2.1.1. Bau und Struktur .......................................................................................... 62 2.2.1.2. Eigenschaften der Alkene ............................................................................ 66

2.2.1.2.1. chemische Eigenschaften – Reaktionen der Alkene.............................. 67 Definition(en): Addition ............................................................................................. 69 Definition(en): elektrophile Addition; AE-Reaktion ..................................................... 69

Reaktions-Verhalten innerhalb der homologen Reihe ........................................... 73 2.2.1.3. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkene ....................................... 77

2.2.1.3.1. Ethen .................................................................................................... 77 2.2.1.3.2. Lycopen ................................................................................................ 77

2.2.2. Alkine ................................................................................................................ 78 Definition(en): Alkine ................................................................................................ 78 2.2.2.1. Bau und Struktur der Alkine ......................................................................... 78 2.2.2.2. Eigenschaften der Alkine ............................................................................. 80

2.2.2.2.1. chemische Eigenschaften – Reaktionen der Alkine ............................... 81 Nachweis von Mehrfachbindungen mittels BAEYERscher Probe / BAEYERschem Test: ..................................................................................................................... 82

2.2.2.3. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkine ......................................... 83 2.2.2.3.1. Ethin ..................................................................................................... 83

Exkurs: Festlegung von Oxidationszahlen ................................................................ 84 2.2.3. Aromaten - Arene ............................................................................................. 85

Definition(en): Arene / Aromaten .............................................................................. 85 2.2.3.1. Bau und Struktur der Aromaten ................................................................... 85

Beispiele für (einfache) Aromaten: ........................................................................ 87 2.2.3.2. Eigenschaften der Aromaten / Arene ........................................................... 89

2.2.3.2.1. chemische Eigenschaften – Reaktionen der Aromaten / Arene ............. 90 Definition(en): elektrophile Substitution; SE-Reaktion ................................................ 92

Zweit-Substitution an Aromaten ............................................................................ 94

3. Derivate der Kohlenwasserstoffe ............................................................. 95 Definition(en): Cohlenwasserstoff-Derivate ............................................................... 95

3.1. Halogenderivate ...................................................................................................... 96 Definition(en): Halogen-Derivate .............................................................................. 96

3.1.1. einfach halogenierte Kohlenwasserstoffe ...................................................... 96 3.1.1.1. Eigenschaften und Verwendung einfach halogenierter Kohlenwasserstoffe 98

3.1.2. mehrfache halogenierte Kohlenwasserstoffe ............................................... 100 Fluor-Chlor-Cohlenwasserstoffe ......................................................................... 101

3.1.2.1. Eigenschaften und Verwendung von mehrfach halogenierten Kohlenwasserstoffen .............................................................................................. 104

3.1.3. chemische Eigenschaften der Halogen-Kohlenwasserstoffe...................... 106 3.1.4. biologische und ökologische Probleme mit Halogen-Kohlenwasserstoffen109

3.1.4.x. ökologische Aspekte der Fluor-Chlor-Cohlenwasserstoffe (FCKW) ........... 109 Exkurs: Struktur-Aufklärung mittels Spektroskopie ................................................. 112

3.2. Sauerstoff-Derivate (organische Sauerstoff-Verbindungen) .............................. 113 Definition(en): Sauerstoff-Derivate.......................................................................... 113

3.2.1. Alkanole (Alkohole) ........................................................................................ 113 3.2.1.1. Bau und Struktur der Alkanole ................................................................... 113 Definition(en): funktionelle Gruppe ......................................................................... 114 Definition(en): Alkanole (Alkohole).......................................................................... 114


3.2.1.2. Herstellung der Alkanole ............................................................................ 117 3.2.1.3. physikalische und chemische Eigenschaften der Alkanole ........................ 118

Steuerung des Reaktions-Verlaufes bei Parallel-Reaktionen .............................. 125 3.2.1.4. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkanole ................................... 128

3.2.1.4.1. einwertige Alkanole ............................................................................. 128 3.2.1.4.1.1. Ethanol ............................................................................................ 128 3.2.1.4.1.2. Methanol .......................................................................................... 130 3.2.1.4.1.3. Amylalkohole ................................................................................... 130 3.2.1.4.1.4. Propan-2-ol (iso-Propanol, 2-Propanol) ........................................... 130 3.2.1.4.1.5. Phenol ............................................................................................. 131 3.2.1.4.1.6. Vitamin A ......................................................................................... 131 3.2.1.4.1.7. Cholesterol (Cholesterin) ................................................................. 132 3.2.1.4.1.8. weitere bedeutsame einwertige Alkohole (für die Biologie und Ernährungslehre) ................................................................................................ 132 3.2.1.4.2. wichtige mehrwertige Alkanole ............................................................ 133 3.2.1.4.2.1. Ethandiol (Glycol) und Diethylenglycol (Diglycol) ............................. 133 3.2.1.4.2.2. 1,2,3-Propantriol (Propan-1,2,3-triol, Glycerol, Glycerin, Glyzerin) ... 133 3.2.1.4.2.3. Pentite und Hexite ........................................................................... 134

3.2.2. Alkanale (Aldehyde) ....................................................................................... 136 3.2.2.1. Bau und Struktur der Alkanale ................................................................... 136 Definition(en): Alkanale (Aldehyde) ........................................................................ 136 3.2.2.2. Herstellung der Alkanale ............................................................................ 137 3.2.2.3. physikalische und chemische Eigenschaften der Alkanale ........................ 138 3.2.2.4. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkanale ................................... 143 3.2.2.5. Derivate der Alkanale ................................................................................ 145

3.2.3. Alkansäuren (Carbonsäuren) ........................................................................ 146 3.2.3.1. Bau und Struktur der Alkansäuren ............................................................. 146 Definition(en): Alkansäuren (Carbonsäuren)........................................................... 146 3.2.3.2. Herstellung der Alkansäuren ..................................................................... 147 3.2.3.3. physikalische und chemische Eigenschaften der Alkansäuren .................. 148 3.2.3.4. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkansäuren ............................ 150

3.2.3.4.1. einwertige Alkansäuren ....................................................................... 150 3.2.3.4.2. mehrwertige Alkansäuren ................................................................... 154 3.2.3.4.3. die besondere Gruppe der Fettsäuren ................................................ 155

3.2.3.5. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkansäure-Derivate ................ 156 3.2.3.5.1. Derivate der Alkansäuren ................................................................... 156 Seifen ................................................................................................................. 158 3.2.3.5.2. Derivate der Fettsäuren ...................................................................... 158 3.2.3.5.2.1. Wachse............................................................................................ 158 3.2.3.5.2.2. Fette - Triglyceride ........................................................................... 158 3.2.3.5.2.3. Phospholipide .................................................................................. 158

3.2.4. Ether ................................................................................................................ 159 Definition(en): Ether ............................................................................................... 159 3.2.4.1. Diethylether (Diäthyläther, Ether) ............................................................... 160

3.2.5. Ketone (Alkanone) .......................................................................................... 162 Definition(en): Alkanone (Ketone) ........................................................................... 162

3.2.6. Ester ................................................................................................................ 164 Definition(en): Ester ................................................................................................ 164

3.2.7. substituierte Aromaten mit Sauerstoff im Substituenten ............................ 167 3.2.8. sauerstoffhaltige Heterocyclen ..................................................................... 168 3.2.9. Kohlenhydrate (Saccharide, Zucker) ............................................................ 169

Definition(en): Kohlenhydrate (Saccharide, Zucker) ............................................... 169 ?Einfachzucker (Monosaccharide) ...................................................................... 169 ?Mehrfachzucker (Oligosaccharide) ................................................................... 170

3.3. Stickstoff-Derivate ................................................................................................ 173 Definition(en): Stickstoff-Derivate ........................................................................... 173


3.3.1. Amine .............................................................................................................. 173 Definition(en): Amine .............................................................................................. 173 3.3.1.1. aliphatische Amine .................................................................................... 173 3.3.1.2. aromatische Amine .................................................................................... 174

3.3.2. Aminosäuren .................................................................................................. 175 Definition(en): Aminosäuren ................................................................................... 175

3.3.3. Aminobasen .................................................................................................... 181 Definition(en): Aminbasen ...................................................................................... 181

3.3.4. Stickstoff-haltige Heterocyclen ..................................................................... 181 3.3.4. weitere Stickstoff-Derivate von Kohlenwasserstoffen ................................. 182

3.4. Schwefel-Derivate ................................................................................................. 185 Definition(en): Schwefel-Derivate ........................................................................... 185

3.5. diverse weitere gemischte Derivate der Kohlenwasserstoffe ............................ 186 3.5.x. Alkaloide ......................................................................................................... 186 3.5.x. Neurotransmitter ............................................................................................ 187 3.5.x. psychogene Stoffe ......................................................................................... 188 3.5.x. Medikamente................................................................................................... 190 3.5.x. Hormone ......................................................................................................... 191 3.5.x. Farbstoffe ........................................................................................................ 192 3.5.x. verschiedene "andere" Stoffe und Stoffgruppen ......................................... 193

Exkurs: Stoff-Erkennung über Farbstoff-Reaktionen ............................................... 194 3.6. ausgewählte technische Stoffgruppen ................................................................ 195

3.6.1. Tenside ............................................................................................................ 195 3.7. Alles Interessante, was noch keinen Platz gefunden hat! .................................. 196

unterschiedliche Wirkung von Stereo-Isomeren .................................................. 196

4. Makromoleküle ........................................................................................ 198 4.1. Bildungsreaktionen ............................................................................................... 198

Polyaddition ............................................................................................................ 198 Polymerisationen .................................................................................................... 198 Polysubstitutionen .................................................................................................. 198

Polykondensation ............................................................................................... 198 4.2. wichtige natürliche Makromoleküle ..................................................................... 200

4.2.1. Kohlenhydrate (Polysaccharide) ................................................................... 200 4.2.2. Polypeptide (Eiweiße) .................................................................................... 200 4.2.3. DNS ................................................................................................................. 201

4.3. künstliche Makromoleküle .................................................................................... 202 Eigenschaften und Verwendungsmöglichkeiten von Plasten / Elasten im Hauswirtschaftlichen bzw. Ernährungs-Bereich .................................................. 204

5. Tabellen, Zusammenfassungen, Begriffsbestimmungen .................... 205 5.1. Nomenklatur (Namensgebung) ............................................................................ 205

R/S-Stereo-Isomerie ........................................................................................... 205 Substitutive und radikalofunktionelle Nomenklatur der wichtigen funktionellen Gruppen ................................................................................................................. 206 organische Stoffe und ihre Namen ......................................................................... 209

5.2. Reaktionsarten in der organischen Chemie ........................................................ 210 5.3. Namen diverser Chemikalien in verschiedenen Sprachen usw. ........................ 212 5.4. Begriffe und Begriffsbestimmungen, Definitionen ............................................. 214

Literatur und Quellen: ................................................................................. 219


0. Vorbemerkungen Auswahl der Inhalte nach Bedeutung für Biologie bzw. Ernährungslehre deshalb systematisch unvollständig (Hinweise auf fehlende Gruppen im Einleitungstext zur Stoffgruppe) Gliederung so, wie Inhalte gebraucht werden (wenn keine Bedeutung für …, dann keine Auf-nahme in die Gliederung (selten nur Querverweise oder Links)); Gliederungsebenen sind chemisch orientiert aber doch didaktisch betont gewählt; praktische Verwendbarkeit und Übersichtlichkeit (für unseren Zweck) geht vor abstrater wissenschaftlicher Strenge, sonst besteht auch die Gefahr der ellenlangen Gliederungen (1.4.2.1.2.1. Irgendwas). Leider klappt das aber nicht immer. Kompromiß!!! Stoffe bzw. Stoffgruppen, die auch Inhalt des Faches sind, werden nicht weiter betrachtet – es sei denn, es gibt allgemeingültige Basisinhalte einheitliches Niveau für ein gutes bis sehr gutes Grundwissen, bei alternativer Benutzung von Schul-Lehrbücher, Internet-Plattformen usw. usf. muss man selbst einschätzen, ob das dargebotene Niveau dem eigenen Zweck entspricht Kursleiter der Zielkurse (Biologie bzw. Ernährungslehre) können den Umfang (mit-)bestimmen (Themenvorgabe od. Reduktion des Skripts (siehe Nutzungsbestimmungen / Lizenz) für Selbststudium und Nachschlagezwecke das Lösen der Aufgaben ist bei Selbststudium zu empfehlen; zuerst Abgleich mit Gleichge-sinnten und Gleichbetreffenen, günstig für Selbstkontrolle und selbstorganisiertes Lernen; Kursleiter der Zielkurse (Biologie bzw. Ernährungslehre) werden sicher bereit sein, die Lö-sungen nachzukontrollieren bzw. im Streitfall zu schlichten einige Soffgruppen (z.B. Kohlenhydrate) werden auf dem Minimal-Niveau (z.B. für Biologen) betrachtet. Für die Ernährungslehre erfolgt eine ausführliche Betrachtung in einem speziellen Skript (z.B. Skript: Ernährungslehre). Durch spezielle Zeichen an der Kapitel-Überschrift wird die Eignung für die einzelnen Inte-ressenten angezeigt. Der Erdball steht für Allgemeinwissen bzw. Grundwissen für die Biolo-gen wie die Ernährungswissenschaftler (Trophologen). Das DNS-Molekül steht für die Biolo-gie und der Löffel – na dreimal dürfen Sie raten – natürlich für die Ernährungswissenschaft (Trophologie). Im Kästen neben dem Interessenbereich ist die konkrete Bedeutung angege-

ben. Ein + steht für sehr wichtig, ein – für eine geringere Bedeutung. Den Durchschnitt – das

Mittelmaß kennzeichnen wir mit dem –Zeichen.

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Manche Themen sind hier in der allgemeinen, organischen Chemie so knapp dargestellt, dass sie für die Einzelwissenschaft völlig unzureichend sind. In solchen Fällen ist das Ge-bietssymbol dann durchgestichen und die Bedeutungsmaße fehlen.

Hier muss man sich in der speziellen Literatur der jeweiligen Wissenschaft genauer informie-ren. In speziellen Skripten zur Biologie und Ernährungslehre werden diese Sachverhalte


dann ausführlich dargestellt. Natürlich darf ein interessierter Leser die Kapitel auch durchar-beiten. Aber man darf nicht dem Irrglauben aufsitzen, der Inhalt würde dann auch für alle Fachfragen schon ausreichen. auf eigentlich wichtige Sachverhalte, wie z.B. ausführliche Reaktionsmechanismen, wird hier verzichtet, weil für den direkten Umgang in der Biologie oder Ernährungslehre solche Kennt-nisse meist nicht gebraucht werden (ev. Hinweise auf weiterführende Literatur oder Verwei-se, Stichwort z.B für Lexika, Internet etc.) Zum Verständnis gehen wir aber bei vielen Reaktionen / Reaktions-Typen auf die wesentlichen Abläufe ein. Zur Unterstützung verwen-den wir hier Formeln mit hinterlegten Farb-Kennungen. Die stehen für die Polaritäten oder besondere "chemische" Verhältnisse. Gleichzeitig geben wir bei den Reaktionen auch immer noch einige Hinweise oder Erläuterun-gen zu den Vorgängen in kursiv gesetzten Texten an. Auch sie sollen vorrangig dem Verständ-nis dienen. Neutrale Verhältnisse in Bindungen werden grün gekennzeichnet. Polare Bindungen und die resultierenden Ladungs-Verhältnisse werden durch rötliche (für positiv) und bläuliche Wolken-artige Hinterlegung dargestellt. Echte Ionen, wie hier z.B. das Natrium- und das Chlorid-Ion erhalten vollgefärbte Hintergründe. In der organischen Chemie treten häufig auch Radikale auf. Sie zeichnen sich durch ungepaarte Elektronen (dafür steht der Punkt ()) aus. Da sie besonders reaktiv sind, haben wir uns für eine orange Hintergrund-Wolke entschieden. Kommen in Stoffen an bestimmten Stellen gehäuft Elektronen vor, dann zeigen wir diese mit gelblichen Wolken an. Das entspricht auch der üblichen Kennzeichnen von solchen Bindungen (sogenannte "Bananen-Bindungen"). Mehr dazu aber später. Noch einige Hinweise zur Verwendung dieser Kennzeichnung: Die Wasserstoff-Atome bzw. deren Bindungen zum Cohlenstoff werden in den meisten Fällen einfach ignoriert. Wie der Leser noch sehen wird, ist Wasserstoff nur schmückendes beiwerk in der organischen Chemie. Die Abbildungen würden auch zu bunt werden und damit die Über-sichtlichkeit leiden. Die Ladungen usw. werden immer gleichgroß dargestellt. Das wesentlich kleinere Natrium-Ion bekommt bei uns die gleiche Kennzeichnung wie das wensentlich größere Chlorid-Ion. Wenn die Größen eine Rolle spielen dann benutzen wir andere Modelle.

Fachbegriffe und vor allem viele chemische Stoff-Namen sind echte Zungenbrecher. Wenn man bei vielen nicht weiss, wie sie in Silben zerlegt und wo betont werden muss, dann kön-nen sie zu echten Kommunikations-Hindernissen werden. Wir wollen hier eine neue Forma-tierung versuchen, um hier wenigstens ein wenig Abhilfe zu schaffen. Die Silben bzw. Wort-stämme einzelner Fachwörter werden mit unterschiedlichen Farbtönen hinterlegt. Die be-sonders zu betonenden Silben – zumeist die vorletzte – werden nochmals extra eingefärbt. Colorierung 5,7-Dichlorhexadecansäure

Aus Layout- und Aufwands-Gründen wird aber nicht jedes Fachwort und auch nicht jede Wiederholung so gestaltet. Vielmehr sollen neu eingeführte Wörter so charakterisiert werden und solche Begriffe, die lange nicht aufge-taucht sind oder nur selten benutzt werden. An Erfahrungen und Verbesse-rungs-Vorschlägen hinsichtlich dieser Formatierung bin ich immer interes-siert. Da ich erst in den neuen Texten ab der Version von 2012 mit dieser Forma-tierung anfange, werden ältere Text-Teile diese Formatierung erst nach ihrer Überarbeitung erhalten. Ich verstehe die Formatierung auch als Hilfsmittel und nicht als obligatorisches Mittel!

Echte "Chemiker" werden sicher auch die systematische Darstellung der verschiedensten speziellen Stoffe vermissen. Für die Herausbildung von verwertbaren Kenntnissen für die Ernährungslehre und die Biologie spielen solche Kenntnisse eine untergeordnete Rolle. Der aufmerksame Leser wird viele Darstellung in Ausgangsstoffklassen finden. Dort sind dann auch immer Links auf die dargestellte Stoffklasse angezeigt, obwohl dies didaktisch eigent-lich nicht immer sinnvoll ist. Aber dieses Skript will ja auch kein gewöhnliches Organik-Büchlein sein.


wo allgemeine Grundkenntnisse aus anderen Wissenschaften gebraucht werden, die von grundlegender Bedeutung für das Verständnis eines Sachverhaltes sind, dann werden diese meist als Exkurs näher erläutert. Die Sachverhalte sollen nicht nur einfach aufgezählt und gepredigt, sondern auch verstanden werden. Die Auswahl erfolgt nach meinen Lehr-Erfahrungen. Besonderer Wert wird auch auf solche Sachverhalte gelegt, die in der populä-ren Literatur zu oberflächlich oder vielleicht auch falsch dargestellt werden. Sollten wichtige Stoffe oder Stoffgruppen mit allgemeinem Interesse fehlen, dann ist ein Hinweis an die / den Autor(en) gewünscht. Spezialwissen gehört in spezielle Literatur. Deren Autoren sind weitaus kompetenter.

Experiment

Dieser Versuch kann mit Haushaltsmitteln und auch zuhause durchgeführt werden! Trotzdem bitte unbedingt die allgemeinen Regeln und Vorsichtsmaßnahmen beim Ex-perimentieren beachten!


Exkurs: Labor-Arbeiten mit Lebensmitteln In der "normalen" Chemie gelten viele Sicherheits-Vorschriften, die prinzipiell auch für unse-re Lebensmittel-Experimente gelten. Das Experimentieren mit Lebensmitteln kommt aber nicht ohne das Schmecken aus. Sollten solche Versuche durchgeführt werden sollen, dann müssen einige spezielle Regelungen getroffen werden, die für eine ausreichende Hygiene und Reinheit sorgen. Weiterhin müs-sen die Gefahren durch Reststoffe (Normal-Chemikalien, …) weitgehend ausgeschlossen werden. Für Untersuchungen von Lebensmitteln sollten unbedingt die folgenden Regelungen und Hinweise eingehalten werden:

Sollte bei Experimenten probiert werden oder die Lebensmittel später verwendet wer-den, dann sollte in einer Küche, Lobor-Küche oder zumindestens in einem vorher ge-reinigten und gelüfteten Labor gearbeitet werden!

Verwenden Sie extra Schutz-Kleidung (extra oder frisch gewaschener Kittel, Kopfbede-ckung (Haube, Kochmütze, …))

Verwenden Sie extra / neue Chemikalien-Sätze (Gefäße möglichst kennzeichnen z.B. mit einem "L")! Die angebrauchten Chemikalien können dann später im "Normal"-Labor aufgebraucht werden! Verwenden Sie – wenn verfügbar – extra saubere Chemikalien für die Lebensmittel!

Verwenden Sie extra Geräte (möglichst kennzeichnen z.B. mit einem "L")! Geräte kön-nen dann später im "Normal"-Labor weiterverwendet (endgenutzt) werden!

Geräte, die auch zu anderen Zwecken genutzt werden müssen vor der Nutzung für Le-bensmittel nochmals extra reinigen (abwischen, ausspülen, lüften, …)

Probieren Sie immer nur ihre eigenen Produkte und solche, die von anderen explizit freigegeben wurden (kleines Schildchen mit Beschriftung, um was es sich handelt!)!

Probieren Sie nach der optischen Prüfung zuerst immer nur kleine Mengen! Nur was einwandfrei aussieht und schmeckt, kann dann auch weiter probiert werden!


Exkurs: Labor-Arbeiten mit lebenden Materialien Im Biologie-Labor gelten die typischen Regeln für Chemie-Labore. Zum Schutz der Men-schen müssen noch einige hygienische Maßnahmen eingehalten werden. Aber auch der Tierschutz muß beachtet werden. Unnötiges Quälen von Tieren kann nicht geduldet wer-den. Für das Arbeiten mit lebenden Organismen oder frischen Teilen sollten unbedingt die fol-genden Regelungen und Hinweise eingehalten werden:

Mikroorganismen unter dem Abzug hantieren, PETRI-Schalen mit Nährmedien nach dem Beimpfen mit Klebeband sichern und im Beisein von Schülern, Auszubildenden od. Studenten nicht mehr öffnen

Tier-Versuche möglichst vermeiden und deren Anzahl auf ein Minimum reduzieren, Tie-re zum Sezieren möglichst schnell und Schmerz-los töten

für medizinische Untersuchungen möglichst kein Chemie- oder mikrobiologisches Labor benutzen

Geräte für Untersuchungen an Menschen oder zur Proben-Entnahme vorher desinfizie-ren, nur einmal (für eine Person) benutzen und nach dem Gebrauch zur Reinigung und erneuten Desinfektion geben

Untersuchungen mit menschlichen Materialien, Proben usw. möglichst immer auf eige-nes Gewebe / eigene Körper-Flüssigkeiten beschränken, kein Blut od. anderes Materi-al, was prinzipiell infiziert sein kann, von anderen Personen benutzen

alle biologischen Materialien ordnungsgemäß und sauber entsorgen (ev. Bestimmun-gen für größere Tierkörper oder Materialmengen beachten!)


1. vorlaufende Betrachtungen

1.1. Cohlenstoff Cohlenstoff – das ist doch bestimmt der Stoff aus dem Kohle ist. Ja genau so ist es. Aber Cohlenstoff ist noch viel mehr. Auch Diamanten sind seltsamerweise Cohlenstoff. Mal schwarz mal farblos, da ist schon interessant mal hinter die Kullissen zu schauen. In der or-ganischen Chemie wird uns der Cohlenstoff quasi als Rückrat der Verbindungen ständig be-gleiten. Cohlenstoff ist auf unserer Erde das 13.häufigste Element. Als solches wurde es aber erst im 18. Jahrhundert charakterisiert. Das lag vor allem an der großen Wandelbarkeit. Ob als schwarzes, relativ leichtes, weiches und elektrisch leitendes Graphit oder als harter, farblo-ser, kristalliner und nicht leitender Diamant – immer haben wir es mit Cohlenstoff zu tun. Man schätzt die Menge des Cohlenstoffs auf und in der Erde auf rund 30 Billiarden Tonnen (30 * 1015 t). Ungefähr die Hälfte (14 * 1015 t) stecken in Carbonat-Gesteinen. Dies sind z.B. Marmor, Kreide, Kalksandstein. In elementarer Form kommt rund 1 Billiarde in Schiefer-Gestein vor. In den Bereichen, die wir gewöhnlich mit viel Cohlenstoff assoziieren, wie Stein-kohle, Braunkohle, Erdöl, Erdgas und das Cohlendioxid in der Luft stellen einen eher gerin-gen Anteil an der Gesamt-Cohlenstoff-Menge. Das im Meerwasser gelöste Cohlendioxid stellt mit 30 Billionen Tonnen (30 * 1012 t) noch eine recht große Menge dar. Das sind aber von der Gesamtmenge aus gesehen nur ein 1.000stel – oder anders ausgedrückt 0,1%. In der Atmosphäre und in der belebten Natur finden wir gerade mal 600 Milliarden (600 * 109 t) bzw. 300 Milliarden Tonnen (300 * 109 t). Der Cohlenstoff, welcher der Biosphäre zugeordnet wird, steckt fast ausschließlich in Pflanzen (99%). Nur rund 1% machen die Tiere und Men-schen aus. Die "großen" Cohlenstoff-Speicher, wie Kohle, Erdöl und –gas machen gerade mal 600 Milli-arden Tonnen (600 * 109 t) aus. Trotzdem sind diese "wenigen" Tonnen mit ein Grund dafür, dass wir heute auf der Erde eine Sauerstoff-halte Atmosphäre haben und nicht in einer CO2-reichen Ur-Atmosphäre ersticken. Ökologisch und chemisch gesehen stellen die verschiedenen Cohlenstoff-Quellen (Gesteine, Cohlendioxid, …) komplizierte dynamische Gleichgewichte dar. So wird es bei einer weiter steigenden Durchschnitts-Temperatur auf der Erde (z.B. Treibhaus-Effekt) oder mit immer saureren Regen zur Verstärkung der CO2-Freisetzung aus Meerwasser und Gesteinen kommen. Die Pflanzen würden davon wahrscheinlich profitieren, für uns Menschen wäre es eher problematisch, auch wenn die Erhöhung nur vielleicht 0,01% ausmachen würde.


1.1.1. Element Cohlenstoff Das Element Cohlenstoff (Kohlenstoff) findet man im Periodensystem der Elemente (PSE) unter der Ordnungszahl 6 (6C). Dies bedeutet, dass jedes Atom 6 Protonen und 6 Elektronen beinhaltet. Im Atom-Kern können neben den Protonen noch 6 bis 8 Neutronen sein. Damit ergibt sich eine Massezahl von 12 bis 14 u (1 u … atomare Masseeinheit = 1,661 * 10-27 kg =

1,661 * 10-24

g). Somit geben sich die Isotope 12C, 13C und 14C. Davon ist das 14C-Isotop wegen seiner Radioaktivität und der dazu gehörenden Halbwertzeit von Jahren für viele Untersu-chungen interessant. C14-Messungen (exakt: 14C-Messungen) werden z.B. für die Alterbestimmung benutzt. Im Bereich von tausend bis einigen hundertausend Jahren lässt sich damit das Alter von biologischen Resten sehr gut bestimmen. Als Element der IV. Hauptgruppe sind die Möglichkeiten zur Ionen-Bildung sehr eingeschränkt. Die dafür notwendige Energie wäre beachtlich. Beim Cohlenstoff finden wir eine deuliche Tendenz zur Atombindung. , vier Außen-Elektronen Vierbindigkeit (sozusagen Grundregel der organischen Chemie) 1. Periode Möglichkeit von Mehrfachbindungen, keine d-Orbitale keine weiteren Bin-dungen über d-Valenzen Ionen-Bildung sehr aufwändig Normalerweise sind zwei Außen-Elektronen auf dem 2s-Orbital und zwei Elektronen auf zwei der drei 2p-Orbitale verteilt. Im angeregten Zustand (z.B. durch einfache Zusammenstöße der Atome

oder bei äußerer Energiezufuhr) verteilen sich die Elektronen gleichmäßig auf alle Orbitale der 2. Schale. Durch Hybridisierung (Verschmelzung) des s- und der drei p-Orbitale entstehen vier gleichartige sp3-Hybrid-Orbitale. Dadurch entstehen vier gleichartige Bindungs-Möglichkei-ten. Orbital

p Energiezufuhr Hybridisierung

s Energieabgabe De-Hybridisierung

Normal-Zustand angeregter Zustand

hybridisierter Zustand

Das kugelförmige s-Orbital und die drei hantelförmigen p-Orbitale ergeben im hybridisierten Zustand insgesamt vier ebenfalls hantelförmige Hybrid-Orbitale. Diese ordnen sich wegen der maximalen gegenseitigen Abstoßung (der negativ geladene Elektronen) im Raum so an, dass ein maximaler Abstand zwischen ihnen besteht (GILLESPIE-Modell, Elekt-ronenpaar-Abstoßungs-Modell). Es ergibt sich ein Tetraeder (Tetraeder-Modell). Im Zentrum befindet sich der Cohlenstoff-Atomkern. Die Spitzen entsprechen den Bin-dungsrichtungen. Der Raumwinkel zwischen den Bindungen beträgt 109°28'. Unter speziellen Bedingungen sind auch Doppel- oder Drei-fachbindungen zwischen Cohlenstoff-Atomen möglich. Diese beruhen auf spezielle Hybridisierungen und werden bei den ungesättigten Kohlenwasserstoffen ausführlich behandelt. Die Bindungswinkel weichen dann vom Tetraeder-Winkel ab.

Grundsätzlich gilt aber, dass sich die Bindungen (gemeinsam genutzte Elektronen-Paare) im Raum maximal abstoßen. Cohlenstoff nimmt eine Mittelstellung zwischen Lithium – einem gutem Elektronen-Donator (Elektronen-Abgeber) – und Fluor – einem starken Elektronen-Akzeptor (Elektronen-Aufnehmer) – ein. Die Atome des Cohlenstoff neigen kaum zur Aufnahme oder Abgabe ihrer Außenelektronen. Deshalb finden wir in organischen Verbindungen auch vorrangig


Cohlenstoff-Atome mit anderen Atomen über Atombindungen verbunden. Mit einigen Part-nern werden polare Atombindungen eingegangen. Sehr selten sind polare Bindungen (Io-nen-Beziehungen). keine Elektronenlücke (wie z.B. Bor (linker Nachbar im PSE) kein freies Elektronenpaar (z.B. wie rechter Nachbar im PSE: Stickstoff) Bindungen sehr stabil, allgemein wenig reaktionsfreudig Bindung mit anderen Atomen und zu sich selbst im Bereich von 200 – 400 kJ/mol ausgeprägte Bindungsfähigkeit zu sich selbst (also C-C-Bindungen, auch aus dem Element-bereich heraus), in verschiedenen Varianten Einfachbindungen (C-C), Doppelbindungen (C=C) und Dreifachbindungen (CC). Gute Bindungsmöglichkeiten zu anderen Atomen: H, O, S, N, P, Cl, Br, I, F, … irdische Bedingungen – sehr gute Bedingungen für C-Chemie kommt ein Element in mehreren Modifikationen vor, dann sprechen wir von Allotropie. Es handelt sich zwar um ein und dasselbe Element (Atome mit gleicher Protonen-Anzahl) aber unterschiedlichen Bau-Strukturen (Struktur-Formen). Cohlenstoff kommt in den allotropen Formen Graphit, Diamant, Fulleren, Graphen und Nano-röhren vor. natürliche Modifikationen / Allotrope Graphit Ruß entsteht normalerweise bei Verbrennung von organischen Verbindungen unter Sauer-stoff-Mangel, sonst vorrangig Cohlendioxid und bei einsetzendem Sauerstoff-Mangel auch Cohlenmonoxid) Schmelzpunkt 3800 °C Siedepunkt 4200 °C

Q: www.3dchem.com

Diamant natürlich nur unter extrem hohem Druck und Temperaturen (in Gesteinen), sehr hart, farblos, brennbar!, in Biologie und Ernährungslehre aber ohne Bedeutung

http://www.3dchem.com/


größte Härte Härtestufe 10 nach MOHS Handelsmaß ist Karat ( = 1/5 g) nur 5 % der Weltproduktion wird in der Schmuckindustrie umgesetzt Hauptnutzung in der Schleif- und Bohr-Industrie

Q: www.3dchem.com

Fullerene auch im Ruß enthalten, sehr stabil, brennbar, verhält sich chemisch wie Graphit, deshalb keine besondere Bedeutung für Biologie und Ernährungslehre

Q: www.3dchem.com

Graphen Graphen 3 Bindungen zu direkten Nachbarn, 4. Bin-dung als delokalisierte Doppel-Bindung am Rand ev. andere Atome od. Strukturen, die aber in der Gesamtheit untergehen

Q: de.wikipedia.org (Antom, Mattman723)




künstliche Modifikationen (Cohle-Fasern, …) keine Bedeutung in der Biologie, in der Ernäh-rungslehre nur sehr geringe Anknüpfungspunkte z.B. Kochgeschirr Cohlenstoff-Nanofasern


1.1.2. anorganische Verbindungen des Cohlenstoffs Zu den anorganischen Verbindungen des Cohlenstoff zählen seine Oxide, die Kohlensäure und deren Salze sowie die Carbide.

1.1.2.1. Cohlenmonoxid Dieses Oxid des Cohlenstoffs hat eher eine untergeordnete Bedeutung in Biologie und Ernährungslehre. Cohlenmonoxid (CO) entsteht bei der unvollständigen Verbrennung (unter Sau-

erstoff-Mangel) von elementaren Cohlenstoff.

bearb. drews;

Orig. "CO2": Q: www.3dchem.com

2 C + O2 2 CO ; RH = - 172 kJ / mol In der Industrie benutzt man auch die Redoxreaktion:

C + CO2 2 CO ; RH = + 173 kJ / mol Symproportionierung

zur Herstellung von Cohlenmonoxid (bei der Eisen-Herstellung im Hochofen-Prozeß). Außer als Syn-these-Gas wird es besonders als Brenn-Gas (Stadtgas; im Hochofenprozeß) verwendet. Die Verbrennung liefert sehr viel Energie:

2 CO + O2 2 CO2 ; RH = -566 kJ / mol Es ist ein farbloses, geschmackloses, geruchloses, wasserunlösliches und giftiges Gas. Sei-ne besondere Giftigkeit basiert auf seiner erhöhten Affinität zum Sauerstoff-Transporteur Hämoglobin in unserem Blut. Diese ist ungefähr 300x größer als die von Sauerstoff zu Hä-moglobin. Außerdem ist die Bindung von Cohlenmonoxid irreversibel, d.h. sie bricht nicht wieder auf. Bei Sauerstoff passiert dies in Abhängigkeit vom Partialdruck (anderes Maß für die Sauerstoff-Konzentration) in den Sauerstoff-bedürftigen Organen. Schon 0,2 % CO in der Umgebungsluft bewirken über einen längeren Zeitraum eine Vergiftung. Deshalb ist die re-gelmäßige Kontrolle von Öfen oder offenen Feuern (Kaminen) während der Benutzung und auch durch den Schornsteinfeger sehr wichtig und u.U. lebensrettend. Wenn Cohlenmonoxid als Stadtgas verwendet wird, dann werden Geruchsstoffe beigemischt, um eine versehentli-che Vergiftung zu verhindern. CO hat ein Litergewicht von 1,25 g. Damit ist es leichter als Luft. Die Bindung im CO-Molekül ist für Cohlenstoff recht ungewöhnlich. Sie ist nur dreibindig. Üblich sind sonst vier Bindungen. Desweiteren handelt es sich beim CO-Molekül um einen Dipol. Das Molekül besitzt zwei entgegengesetzte Ladun-gen.

|C ≡ O|



1.1.2.2. Cohlendioxid Wird Cohlenstoff vollständig oxidiert, dann entsteht Cohlendioxid (CO2):

C + O2 CO2 ; RH = -394 kJ / mol

Q: www.3dchem.com

Weiterhin eignet sich Cohlenmonoxid als Ausgangsstoff für die Herstellung von Cohlendioxid. Da Cohlenmonoxid noch nicht vollständig oxidiert ist, läßt es sich verbrennen:

2 CO + O2 2 CO2 ; RH = -566 kJ / mol Das farblose Gas Cohlendioxid ist wasserlöslich. Der größte Anteil an der Löslichkeit beruht dabei auf die physikalische Gas-Lösung im Wasser. Weiterhin bildet sich dabei die sehr in-stabile Cohlensäure (Kohlensäure, H2CO3; 1.2.3. Cohlensäure / Carbonat). Das Molekül des Cohlendioxids ist linear gebaut. Im Zentrum liegt das C-Atom. Die beiden Sauerstoff-Atome besitzen eine partielle negative Ladung, da sie durch ihre relativ hohe Elekt-ronegativität (3,5 im Vergleich zu 2,5 bei C) die Elektronen recht stark zu sich ziehen.

_- + -_ O = C = O

¯ ¯

Cohlendioxid ist die Cohlenstoff-Quelle der Pflanzen. Als Endprodukt der Zellatmung wird es beim Menschen hauptsächlich mit der Ausatemluft ausgeschieden. Hier beträgt die Konzetration den 140-fachen Wert des normalen Wertes in der Erdatmosphäre (rund 0,04%). Cohlendioxid ist nicht giftig – wirkt aber erstickend. Da es schwerer als Luft ist, ist besonders bei geschlossenen Räumen und Senken (kleine Täler, Kuhlen, …) mit einem geringen Luftaus-tausch erhöhte Vorsicht angebracht. Die normale Ausatemluft von Tieren und auch die des Menschen enthält 4 bis 5 % CO2. Mehrfaches Ein- und Ausatmen der gleichen Luft wirkt also auch erstickend. Deshalb dürfen z.B. Schnorchel eine bestimmte Länge (Innenvolumen) nicht überschreiten, da sonst die Menge der erneuerten Luft zu gering wird. Als "Erste Hilfe"-Maßnahme bei einer unwillkürlichen Hyperventilation (Hechelatmung) wird deshalb das Überstreifen einer Plastik-tüte genutzt. Durch mehrfaches Ein- und Ausatmen der gleichen Luft steigt der CO2-Gehalt und die natürliche Atemregulation kann wieder einsetzen.

Bei – 78 °C (und erhöhtem Druck) wird Cohlendioxid fest. Dabei wird nicht erst der flüssige Aggretgatzustand eingenommen, sondern sofort der feste. Bei steigenden Temperaturen sublimiert festes Cohlendioxid wieder sofort in die Gas-Form. Festes Cohlendioxid wird we-gen seines besonderen Feststoff-Gas-Übergangs als Trockeneis bezeichnet. Früher ver-wendete man es häufig als Kühlmittel. Für die Nutzung in der Schweißtechnik (Schutzgas) oder in der Getränke-Industrie (sogenann-

te Kohlensäure) wird cohlendioxid unter erhöhtem Druck verflüssigt. Heute findet man es u.a. auch in speziellen Feuerlöschern. Bei deren Benutzung ist unbedingt darauf zu achten, dass durch die schlagartige Entspannung des komprimierten Cohlendioxids ein stark kühlender Schnee entsteht. Dieser hat eine Temperatur um die -70 °C und kann extreme Erfrierungen verursachen! Bei der Nutzung als Feuerlöschmittel nutzt man natürlich genau diese extreme Herunterkühlung des brennenden Objektes (unter den Flammpunkt) und die erstickende Wirkung des Gases.

Aufgaben:

1. Erklären Sie die besondere Eignung von Cohlendioxid für die Verwendung

in Feuerlöschern! (Beim Öffnen der unter Druck stehenden Stahl-Flasche

bildet sich fester CO2-Schnee. Warum eigentlich?)



1.1.2.3. Cohlensäure / Carbonat Cohlensäure entsteht bei der Lösung von Cohlendioxid in Wasser: CO2 + H2O H2CO3 Sie ist eine sehr instabile Substanz und ist nur unter Druck längere Zeit in Wasser haltbar. Bei normalem Druck (1 atm = 1013,25 hPa) zerfällt Cohlensäure wieder in Wasser und Cohlendioxid: H2CO3 H2O + CO2

Q: www.3dchem.com

In Lösung dissoziiert die Cohlensäure schrittweise in zwei Hydronium-Ionen und das Carbo-nat-Ion. Als Zwischenprodukt bildet sich das Hydrogencarbonat-Ion.

H2CO3 + H2O H3O+ + HCO3

-

HCO3- + H2O H3O

+ + CO32-

______________________________________

H2CO3 + 2 H2O 2 H3O+ + CO3

2- Wir sprechen bei der Cohlensäure von einer zweiwertigen (zweibasigen) Säure. Von einer gewissen biologischen und trophologischen Bedeutung sind die schwerlöslichen Carbonate, wie z.B. Calcium- und Magnesiumcarbonat. Gerade das Calciumcarbonat macht uns als Wasserhärte und Kesselstein zu schaffen. In vielen biologischen Systemen ist es Schutz- und Verstärkungsmittel aber nicht wegzudenken. Z.B. bestehen Schalen von Mu-scheln und Schnecken zu einem Großteil aus diesem Material. Aber auch in Knochen oder in den Chitin-Panzern von Insekten trägt es zur Verfestigung der Strukturen bei. Die Bildung von Carbonaten erfolgt über die üblichen Salzbildungsreaktionen. Eine Möglich-keit ist die Reaktion von Calcium-Ionen (z.B. aus der Base) mit gelöstem Cohlendioxid (Car-bonat-Ion): Ca2+ + 2 OH- + 2 H3O

+ + CO32- CaCO3 + H2O Neutralisation

Interessant ist, dass bei weiterer Zuführung von Cohlendioxid die Bildung von Hydrogencar-bonat-Ionen aus den Carbonat-Ionen gefördert wird. Die Hydrogencarbonate sind Salze, die eine wesentlich bessere Löslichkeit in Wasser zeigen, als Carbonate.

CaCO3 + H2O + CO2 Ca2+ + 2 HCO3-

So können Carbonate auch wieder aufgelöst werden. Zu beachten ist dabei aber, dass es sich um ein empfindliches Gleichgewicht handelt. Schon eine Temperatur-Erhöhung treibt das Cohlendioxid aus dem Gemisch. Es bildet sich sofort wieder schwerlösliches Carbonat. Noch besser geht das Auflösen von Carbonaten mit starken Säuren. Diese verdrängen die schwache Kohlensäure aus ihren Salzen. Das Auflösen von Kesselstein mit Essigsäure (od.ä.) ist nichts anderes. CaCO3 + 2 CH3 – COOH 2 CH3 – COOCa + H2O + CO2 Calciumcarbonat Essigsäure Calciumacetat (Kesselstein) (z.B.: Kaffeemaschinen- reiniger od. pur (Essig))



Aufgaben:

1. Vergleichen Sie die Oxide des Cohlenstoff in einer Tabelle!

2. Stellen Sie Gleichungen zur Bildung von Magnesiumcarbonat und der Auf-

lösung des Salzes mit Cohlendioxid (Cohlensäure) auf!

für das gehobene Anspruchsniveau:

3. Wieso kann es zur Bildung von Hydrogencarbonat-Ionen kommen, wenn

man Cohlendioxid in ein Carbonat-Wasser-System einbläst? Stellen Sie pas-

sende chemische Gleichungen auf!


1.2. organische Verbindungen des Cohlenstoffs Bis ins Mittelalter beschäfftigten sich die Allchimisten und Naturgelehrten hauptsächlich mit den Stoffen, die wir heute als anorganisch bezeichnen. Dazu gehörten die verschiedenen Metalle, Nichtmetalle, Oxide, Säuren, Basen usw. Nach und nach kamen dann auch erste Stoffe aus der belebten Natur dazu. Solche Stoffe waren z.B. Zucker, Essig, Harnstoff, Milchsäure, Stärke, Weinsäure, Cellulose. Bis ins 19. Jhd. teilte man sie nach der Herkunft in mineralische, vegetabilische und animalische Stoffe ein und ordnete diese dann der entspre-chenden Chemie zu. Durch Analysen konnte man als Bauelemente schon die Elemente Cohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, verschiedene Halogene und Phosphor ausmachen. Jeder Versuch die Natur-Stoffe im Labor wieder zu synthetisieren scheiterte aber. Scheinbar konn-ten nur Lebewesen (Organismen) solche Stoffe herstellen – so behauptete es zumindestens die "vis-vitalis"-Hypothese. Besonders die Synthese aus anorganischen – aus der unbeleb-ten Natur stammenden – Stoffen sollte nur mit einer besonderen Lebenskraft (vis-vitalis) möglich sein. Lebewesen / Orgnismen

vis-vitalis / Lebenskraft

anorganische Stoffe ▬▬▬▬▬▬▬▬► organische Stoffe

Der Begriff organische Stoffe wurde 1807 von schwedischen Forscher Jöns Jakob BERZE-LIUS (1779 – 1848) für solche Substanzen vorgeschlagen, die aus der belebten Natur stammten (und den aus der unbelebten - anorganischen – entgegenstanden). 1828 belehrte der deutsche Chemiker Friedrich WÖHLER die Naturwissenschaftler – und vor allem die Vitalisten – eines Besseren. Er stellte aus einer als anorganisch geltenden Sub-stanz den "organischen" Harnstoff her. trocknes Erhitzen

NH4OCN CO(NH2)2 Ammoniumcyanat Harnstoff

historischer Exkurs: Organische Chemie oder die Chemie der zusam-mengesetzten Radikale

Was verstehen wir im Allgemeinen unter organischer Chemie?

Wir verstehen darunter: entweder die chemische Untersuchung derjenigen Körper oder Theile

deseselben, welche wir durch den Lebensprozeß – das Leben – der Pflanzen und Thiere, als an-

fänglich kennen, mithin hervorgehen sehen; die Verfahrensweisen, mittelst welcher wir ihre Zu-

sammensetzung und Zusammensetzungsverhältnisse erforschen, ihre bestimmten Verbindungen

durch bestimmte Agentienunterscheiden und sondern und sie zu anderen Verbindungen disponibel

machen; oder wir betrachten ein für sich lebendes Individuum als Gegenstand einer chemischen

Werkstätte, in welchem eine Menge chemischer Prozesse vorgehen, deren Endresultat ist, alle die

Erscheinungen hervorzubringen, deren Gesammtheit wir Leben nennen, in dem wir uns mit den

Kenntnissen der anorganischen Chemie bemühen, die Prozesse dieser Werkstätte nach den Er-

scheinungen jener unorganischen Natur so zu erforschen, daß sie sich so zu sagen, von den einfa-

chen Atomen allmählig bis zur höchsten Vollkommenheit des Individuums verfolgen lassen. (Phy-

siologie der Chemie.) Endlich bestrebt sich die organische Chemie, die Bildung organischer Mate-

rien auf ächt chemisch-künstlichem Wege möglich zu machen

Q: JONAS: Katechismus der Chemie / Lehrbuch der Chemie in katechistischer Form.- Dritte gänzlich bearbeitete, dem gegen-wärtigen Standpunkt der Wissenschaft entsprechende, stark vermehrte Auflage.- Leipzig Baumgärtner's Buchhandlung, 1840


Damit war die erste "in-vitro"-Synthese ("im Glas") eines Naturstoffes gelungen. Dem Ammoniumcyanat haftete aber noch so ein gewisser "organischer" Hauch an. H. KOLBE gelang dann später die Synthese von Essigsäure aus eindeutig mineralischen (anorganischen) Stoffen (Cohlenstoff, Schwefel, Chlor und Wasser). Nach kurzer wissenschaftlicher Diskussion war der Damm gebrochen und der Vielzahl weite-rer organischer Synthesen war keine Grenze mehr zu setzen. Die Zahl der organischen Substanzen – und zwischen natürlicher und künstlicher Herkunft – wird nur noch selten un-terschieden – ist auf mehrere Millionen gestiegen. Im Vergleich dazu liegt die Zahl der anor-ganischen Stoffe bei nur wenigen Hunderttausenden. Organische Stoffe werden heute deshalb als die Verbindungen des Cohlenstoffs definiert (bei Ausschluß der Oxide, Mineralsäuren und ihrer Salze und einige wenige spezielle Ver-bindungen mineralischen Ursprungs). Die Definition als Chemie der Kohlenwasserstoffe und ihrer Derivate (Abkömmlinge) ist ebenfalls weit verbreitet.

Definition(en): organische Stoffe Organische Stoffe sind die Verbindungen des Cohlenstoff außer dessen Oxide und deren Lösungen sowie die verschiedenen Salze (Carbonate, Carbide).

Organische Stoffe sind die Cohlenwasserstoffe und deren Derivate.

Eine Trennung in anorganische und organische Chemie ist im Wesentlichen historisch be-dingt. Die Sonderstellung der (organischen) Cohlenstoff-Chemie läßt sich aber durch die Vielzahl von Verbindungen (2008: über 29.000.000) gegenüber den gerade mal 800.000 restlichen (anorganischen) Stoffen aufrechterhalten. Wichtige Teilbereiche der organischen Chemie sind u.a.:

Petrolchemie

Kunststoffchemie

Gartenbau-, Landwirtschafts- und Forstchemie

Farbstoffchemie

Arneimittelchemie

Waschmittelchemie

Biochemie

Lebensmittelchemie Allgemein kann man sagen, dass organische Stoffe beim Erhitzen weit eher sieden, schmel-zen oder sich zersetzten, als anorganische Verbindungen. Typisch ist auch ihre Brennbarkeit (bei anorganischen Stoffen wesentlich seltener).

Definition(en): organische Chemie Die organische Chemie ist der Teil der Chemie, der sich mit den organischenStoffen, ihren Eigenschaften und chemischen Reaktionen beschäftigt.

Organische Chemie ist die Chemie der Cohlenwasserstoffe und ihrer Derivate.


1.3. Braunkohle, Steinkohle und Antrazit

1.3.x. Entstehung

1.3.x. Gewinnung

1.3.x. Verwendung


1.4. Erdöl und Erdgas

1.4.x. Entstehung

1.4.x. Gewinnung

1.4.x. Aufbereitung

Fraktionierte Destillation / Rektifikation

Cracking

Reforming

1.4.x. Verwendung


2. Kohlenwasserstoffe (Cohlenstoffhydride) nur aus Cohlenstoff- und Wasserstoff-Atomen zusammengesetzt (KWS) modern als Cohlenstoffhydride bezeichnet werden (oft) als Stammverbindungen angesehen, abgewandelte Stoffe mit anderen Atomen sind dann Derivate (Abkömmlinge) Unterscheidung nach Bau:

Endform des Moleküls (I) o unverzweigt o verzweigt

Endform des Moleküls (II) o kettenförmig (aliphatisch) o ringförmig (cyclisch)

Art der enthaltenden Bindungen (zwischen den C-Atomen) o nur Einfachbindungen (gesättigt) o eine oder mehrere Mehrfachbindungen (ungesättigt)

Sonderform: aromatisch (cyclisch mit alternierenden Mehrfachbindun-gen (HÜCKEL-Regel!))

Unterscheidung nach Eigenschaften

…

Säuren

Basen

Farbstoffe

Tenside

…

Definition(en): Cohlenwasserstoffe (Cohlenstoffhydride) Cohlenwasserstoffe sind chemische Verbindungen, die sich nur aus Cohlenstoff und Was-serstoff zusammensetzen.


2.1. gesättigte Kohlenwasserstoffe

2.1.1. Alkane Alkane sind Kohlenwasserstoffe mit ausschließlich Einfachbindungen im Cohlenstoff-Gerüst. Alle weiteren Bindungen sind mit Wasserstoff belegt. Alkane wurden früher als Paraffine (parum affinis = lat. wenig verwandt) bezeichnet. Heute benutzt man den Begriff Paraffin meist eher für längerkettige Alkane.

Definition(en): Alkane Alkane sind Cohlenwasserstoffe, die zwischen den Cohlenstoff-Atomen nur über Einfach-Bindungen verfügen.

Alkane sind Cohlenwasserstoffe, die sich durch Hydrierung nicht weiter sättigen lassen.

2.1.1.1. Bau der Alkane Der Name eines Alkans setzt sich aus dem Stamm und einem Suffix (Endung) zusammen. Der Stamm beschreibt die Anzahl der enthaltenen Cohlenstoff-Atome in einem Molekül. Da-zu werden folgende Stämme benutzt:

Anzahl C-Atome

Namens-stamm

Anzahl C-Atome

Namensstamm Anzahl C-Atome

Namens-stamm

1 Meth- 21 Heneicos- / Henicos- 101 Henhect-

2 Eth- 22 Docos- 200 Dict-

3 Prop- 23 Tricos- 222 Docosadict-

4 But- 24 Tetracos- 300 Trict-

5 Pent- 25 Pentacos- 400 Tetract-

6 Hex- 26 Hexacos- 500 Pentact-

7 Hept- 27 Heptacos- 600 Hexact-

8 Oct- 28 Octacos- 700 Heptact-

9 Non- 29 Nonacos- 800 Octact-

10 Dec- 30 Triacont - 900 Nonact-

11 Undec- 40 Tetracont- 1000 Kili-

12 Dodec- 50 Pentacont- 2000 Dili-

13 Tridec- 60 Hexacont- 3000 Trili-

14 Tetradec- 70 Heptacont

15 Pentadec- 80 Octacont-

16 Hexadec- 90 Nonacont-

17 Heptadec-

18 Octadec-

19 nonadec-

20 Eicos- / Icos- 100 Hect-

einige Extrem-Beispiele:

C403H808 Tritetractan (Tri tetract an) Tritetractan C4728H9458 Octacosaheptactatetralian (Octa cosa heptacta tetrali an) Octacosaheptactatetralian C9999H20000 Nonanoncontanonactanonalian (Nona nonconta nonacta nonali an) Nonanoncontanonacta-

nonalian


Als Endung wird –an verwendet. Diese steht für gesättigte Kohlenwasserstoffe. Auch im Stoffgruppennamen Alkane kennzeichnet es den gesättigten Zustand aller Bindungen des Cohlenstoffs untereinander.

Die Namensstämme für die Cohlenstoff-Atom-Anzahl und die Endungen für die Stoffgruppen sind notwendig für das Verständnis vieler Begriffe und den Cha-rakter vieler organischer Stoffe. Ihre Beherrschung (1-10 bzw. fett gedruckte) ist deshalb als obligatorisch anzusehen!!!

Einfache lineare Alkane haben die allgemeine Formel CnH2n+2 , wobei n die natürlichen Zah-len (1, 2, 3, …) vertritt. Die organische Chemie kennt folgende wichtige (unverzweigte, lineare) Alkane:

Anzahl C-Atome

Name Summen-formel

Verwendung

1 Methan CH4 Stadtgas (Erdgas)

2 Ethan C2H6

3 Propan C3H8 Flaschen- / Camping-Gas

4 Butan C4H10 Feuerzeug-Gas, Flaschen- / Camping-Gas

5 Pentan C5H12 Feuerzeug-Benzin

6 Hexan C6H14 Leichtbenzin (Kerosin)

7 Heptan C7H16 Leichtbenzin

8 Octan C8H18 Benzin

9 Nonan C9H20 Benzin

10 Decan C10H22

11 Undecan C11H24

12 Dodecan C12H26 Diesel

13 Tridecan C13H28 Diesel

14 Tetradecan C14H30 Diesel

15 Pentadecan C15H32 Schweröl, Heizöl

16 Hexadecan C16H34 Schweröl, Heizöl

17 Heptadecan C17H36

18 Octadecan C18H38 Stearin, Kerzenwachs, Hartparaffin

19 Nonadecan C19H40 Hartparaffin

20 Eicosan C20H42 Hartparaffin

…

Neben den offiziellen Namen, die nach den Vorschriften der IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) gebildet werden, gibt es oft auch ältere, umgangssprachliche oder populäre Namen. Diese werden Trivialnamen genannt. Die meisten sind neben den offiziellen Namen zugelassen. Viele Chemiker – aber auch Techniker usw. – verwenden lie-ber die Trivialnamen. Sie sind kürzer, oft eingängiger und eindeutiger (in der Aussprache). Für lange und komplizierte Namen werden auch Abkürzungen benutzt. Auf diese kommen wir an geeigneter Stelle noch genauer zu sprechen. Die Nomenklaturvorschriften der IUPAC wurden 1980 weitgehend geregelt und für verbindlich erklärt. Sie sollten in der Schul-Chemie vorrangig benutzt werden. Die Summenformeln sind bei der Vielzahl organischer Verbindungen wenig informativ. Wie wir später sehen werden, gibt es sehr viele Summenformeln, die zu mehreren Stoffen pas-sen. Zum genauen Aufzeigen der molekularen Struktur haben sich mehrere Darstellungs-Modelle (Formeln) herauskristallisiert.


Die meist am übersichtlichste Variante ist die vollständigen Strukturformeln. Sie werden gern benutzt, wenn man die genauen Bau-Details eines Stoffes braucht oder man Reaktions-Abläufe genauer darstellen will.

Anzahl C-Atome

Name vollständige Strukturformel

1 Methan H

|

H – C - H

|

H

2 Ethan H H

| |

H – C – C - H

| |

H H

3 Propan H H H

| | |

H – C – C – C - H

| | |

H H H

4 Butan H H H H

| | | |

H – C – C – C – C - H

| | | |

H H H H

5 Pentan H H H H H

| | | | |

H – C – C – C – C – C - H

| | | | |

H H H H H

6 Hexan H H H H H H

| | | | | |

H – C – C – C – C – C – C - H

| | | | | |

H H H H H H

7 Heptan H H H H H H H

| | | | | | |

H – C – C – C – C – C – C – C - H

| | | | | | |

H H H H H H H

8 Octan H H H H H H H H

| | | | | | | |

H – C – C – C – C – C – C – C – C - H

| | | | | | | |

H H H H H H H H

9 Nonan H H H H H H H H H

| | | | | | | | |

H – C – C – C – C – C – C – C – C – C - H

| | | | | | | | |

H H H H H H H H H

10 Decan H H H H H H H H H H

| | | | | | | | | |

H – C – C – C – C – C – C – C – C – C – C - H

| | | | | | | | | |

H H H H H H H H H H

Man sieht schnell ein, dass solche Formeln für den täglichen Gebrauch etwas unpraktisch sind. Deshalb haben sich verschiedene Vereinfachungen durchgesetzt. In den verkürzten Struktur-Formeln (Halbstruktur-Formel) werden alle Anhänge an einem C-Atom – außer benachbarte C-Atome – zusammengefasst. Treten Wiederholungen von Zusammenfassun-gen auf, dann dürfen diese auch wieder zusammengefasst werden.


Anzahl C-Atome

Name verkürzte Strukturformel (Halbstrukturformel)

1 Methan CH4

2 Ethan CH3 – CH3

3 Propan CH3 – CH2 – CH3

4 Butan CH3 – CH2 – CH2 – CH3

CH3 [– CH2 ]2 – CH3

5 Pentan CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3

CH3 [– CH2 ]3 – CH3

6 Hexan CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3

CH3 [– CH2 ]4 – CH3

7 Heptan CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3

CH3 [– CH2 ]5 – CH3

8 Octan CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3

CH3 [– CH2 ]6 – CH3

9 Nonan CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3

CH3 [– CH2 ]7 – CH3

10 Decan CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3

CH3 [– CH2 ]8 – CH3

Wie man gut erkennen kann, unterscheiden sich zwei aufeinanderfolgende Alkane immer durch die Baugruppe – CH2– . Solche Stoffe bilden dann eine homologe Reihe (homo = lat.

gleich, logos = lat. Sinn, Lehre). Weitere Begriffs-bestimmende Merkmale für eine homologe Reihe sind eine charakteristische allgemeine Formel, gleiche chemische Eigenschaften (z.B. 2.1.1.2.1. chemische Eigenschaften – Reaktionen der Alkane), deren jeweilige Reaktionsfreudigkeit i.A. in der Reihe abnimmt sowie physikalische Eigenschaften (z.B. 2.1.1.2.1. physikalische Eigenschaften der Alkane), die sich kontinuierlich in der Reihe ändern oder auch bleiben. Aber auch die verkürzten Strukturformeln sind mit einem erheblichen Schreibaufwand ver-bunden. Und Chemiker sind insgeheim ein "faules" Völkchen. Also haben sie sich auf eine noch einfachere und z.T. klarere Schreibung geeinigt, die zudem Sparsamkeit und Über-sichtlichkeit in sich vereint. In Gitterstrukturformeln schreibt man nur noch das C-Atom-Gerüst auf. Selbst die C-Atome werden weggelassen. An jedem C-Stoff-Atom wird ein Knick in der Linie gemacht. Somit entspricht immer eine Ecke bzw. ein Knick einem C-Atom. Alle Wasserstoff-Atome, die direkt an ein C-Atom gebunden sind, werden ebenfalls einfach weg-gelassen. Jeder Chemiker weiss um die Vierbindigkeit des Cohlenstoffs und ersetzt die frei-en Bindungen dann einfach im Geist mit H-Atomen.

Anzahl C-Atome

Name Gitter-Struktur-formel (Linien-Formel)

Bemerkungen

1 Methan wird aber nicht genutzt, da eine Verwechslung mit ei-nem freien Elektron denkbar wäre

2 Ethan – wird aber selten genutzt, da z.B. eine Verwechslung mit einem freien Elektronpaar denkbar wäre

3 Propan /\

4 Butan /\/

5 Pentan /\/\

6 Hexan /\/\/

… … …

10 Decan /\/\/\/\/


Zur Darstellung der dreidimensionalen Molekülstruktur mittels Gitter-Strukturen kommen noch einige Darstellungsvereinbarungen dazu. Die beschreiben wir dann später, wenn sie wirklich gebraucht werden. Trotzdem ist die räumliche Anordnung für Chemiker sehr interessant, da erfahrungsgemäß die äußeren Strukturen besonders gut reagieren können. Die wichtigsten räumlichen Modelle sollen hier kurz vorgestellt werden: Kugel-Modell

Kugel-Stab-Modell

Q: lpmfs.lpm.uni-sb.de

Kalotten-Modell

Q: commons.wikimedia.org

(Algarech); bearb.: drews

elektrostatische Molekül-Oberfläche


wasserundurchdringliche Moleküloberfläche - Gitternetz sigma Elektronenbereich – elektrostatisch



Die räumlichen Modelle holen uns schnell aus der abstrakten zweidiemensionellen Papier-Ebene in die Realität zurück. Da sieht ein komplexeres Molekül schnell mal anders aus, als man es vielleicht vermuten würde. Deshalb werden wir ab und zu auch mal ein räumliches Molekül-Modell mit einstreuen. Bei den verschiedenen Darstellungen fällt auf, dass die Cohlenstoff-Atome nicht einfach eine Kette bilden, sondern eher eine Zick-Zack-Linie. Schauen wir uns dazu zuerst einmal das Methan-Molekül in einer anderen Darstellung an. Die Bindungen – es handelt sich ja um negativ geladene Elektronen-Paare – stoßen sich maximal voneinander ab. Im Raum entsteht ein Tetrader, in dessen Zentrum der Cohlenstoff-Atomkern steckt. Die Spitzen zeigen die Bindungs-Richtungen an. Hier sitzen die Wasserstoff-Atome. Auch deren positiv ge-ladenen Kerne (nur ein Proton) nehmen zueinander einen möglichst großen Abstand ein. Dieses Phänomen beruht auf der Hybridisierung ( 1.1. Element Cohlenstoff) der äußeren Orbitale eines Cohlenstoff-Atoms. Der Raumwinkel zwischen den Bindungen beträgt 109°28'. Die kugelförmigen s-Orbitale des Wasserstoff-Atoms (in der Abb. grünlich) verschmelzen mit den hantel- bzw. keulen-förmigen sp3-Hybrid-Orbitalen (ocker-gelblich) zu Bindun-gen (gemeinsam genutzte Elektronen-Paare). Modellhaft kann man sich die maximale Abstoßung der Bindungen an vier prallen Luftballons ( vier Bindungen) vorstellen, die alle mit ihren Öffnungen zusammengebun-den ( Atomkern) sind. Sie ordnen sich so an, dass jeder Ballon den gleichen Raum ( geringste Energie) einnehmen kann. Bei längeren Molekülen ordnen sich auch die Wasserstoff-Atome der Nachbar-Atome immer so an, dass sie sich ma-ximal voneinader abstoßen. Dies gilt auch für die Nachbar-Atome bzw. deren Anhänge.

Die Bindung zwischen den C-Atomen ist prak-tisch drehbar. Eine Drehung bedeutet aber erhöhte Absto-ßung bei den H-Atomen. Dazu wäre zusätzliche Energie not-wendig.

Q: www.3dchem.com

stabile und instabile Anordnung von zwei CH3-Gruppen zueinander



Moleküle neh-men – wie Ato-men usw. – im-mer die Konstel-lation ein, die mit einer möglichst geringen Ener-gie verbunden ist. So liegen praktisch immer – mehr oder we-niger - langge-streckte Molekü-le vor.

Die Wasserstoff-Atome bzw. andere angelagerte Atome sind immer leicht versetzt (gestaf-felt) angeordnet. Bei äußeren Einwirkungen (z.B. durch Erwärmung, Kontakt mit anderen Teilchen), kann es auch zur Verdrehung an der C-C-Achse kommen. Liegen die Wasser-stoff-Atome in Linie hintereinander (ekliptisch), dann liegt eine energetisch sehr ungünstige Konformation vor. Die Wasserstoff-Atome stoßen sich ab und nehmen wieder die normale gestaffelte Stellung ein. Zur Darstellung der Verdrehungsstrukturen nutzt man in der organischen Chemie gern die Sägebock- oder NEWMAN-Projektion. Bei dieser stellen Auge und die betrachtete C-C-Bindung eine gedacht Linie dar. Das Molekül wird nun so auf dem Blatt Papier positioniert, dass die Linie sektrecht auf der Projektionsebene (Blatt) steht. Das sichtbare C-Atom wird als Kreis angedeutet und die Substituenten außerhalb des Kreises ange-ordnet. Die Bindungen werden als Strahlen vom Kreismittelpunkt nach außen gezeich-net. Für das unsichtbare, hintere C-Atom werden nur die noch sichtbaren Bindungs-strahlenenden mit den Substituenten darge-stellt. Verdeckte Bindungen werden leicht verdreht aufge-zeichnet.

Für Butan in verschiedenen Konformationen sähe die NEWMAN-Projektion etwa so aus, wobei die gestaffelte Form energetisch stabi-ler ist.

Aufgaben:

1. Bauen Sie mit Hilfe eines Molekül-Baukasten ein Butan-Molekül nach!

2. Bringen Sie die Atome so in Position, dass die syn-periplanare bzw. eklipti-

sche Stellung der endständigen Gruppen erreicht ist!

3. Vollziehen Sie die anderen möglichen Stellungen (s.a. nachfolgendes Di-

agramm) nach! (Me .. Methyl-Rest = CH3-Gruppe)

4. Interpretieren Sie das nachfolgende Diagramm!


2.1.1.1.1. Molekül-Rümpfe – die Alkyle

Für unsere nachfolgenden Betrachtungen brauchen wir Molekül-Teile der Alkane. Besonders bei Reaktionen, aber auch bei Benennungs-Fragen spielen diese eine große Rolle in der or-ganischen Chemie. Bei der eigentlich nur theoretischen Stoffgruppe der Alkyle geht man davon aus, dass den Alkanen ein H-Atom fehlt. Meist ist dies ein endständiges. Das ist aber keine Bedingung. Statt der Endung –an erhalten Alkyle die Endung –yl. Der aufmerksame Leser wird es schon abgelei-

tet haben. Die ersten Alkyle sind also:

Anzahl C-Atome

Name verschiedene (Struktur-)Formel

1 Methyl H

|

H – C•

|

H

2 Ethyl H H

| |

H – C – C•

| |

H H

3 Propyl /\.

4 Butyl CH3 – CH2 – CH2 – CH2

5 Pentyl /\/\.

6 Hexyl CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2

7 Heptyl CH3 [– CH2 ]5 – CH2

8 Octyl CH3 [– CH2 ]6 – CH2

9 Nonyl CH3 [– CH2 ]7 – CH2

10 Decyl CH3 [– CH2 ]8 – CH2

…

Unter bestimmten Bedingungen (UV-Licht-Bestrahlung bzw. noch höhere Energien) bilden sich solche Molekül-Rümpfe auch wirklich. Die freien (ungepaarten) Elektronen sind aber so reaktionsfreudig, dass sie bei nachfolgenden Stoff-Kontakten möglichst schnell wieder zu Bindungen vereinigen. Moleküle oder Atome mit ungepaarten / freien Elektronen werden Radikale genannt. Diese entstehen bei einer gleichmäßigen Verteilung der Bindungs-Elektronen auf die Bruchstücke (homolytische Spaltung). Bei der heterolytischen Spaltung bekommt ein Bruchstück die beiden Bindungs-Elektronen, die sich als negatives Ion (Anion) stabilisieren. Das zweite Bruchstück bekommt keine Bindungs-Elektronen ab. Es wird ein Kation – also ein positiv geladenes Ion. Heterolytische Spaltungen sind bei Alkanen eher nicht zu erwarten!


2.1.1.1.2. verzweigte Alkane

Bei unseren bisherigen Betrachtungen sind wir davon ausgegangen, dass die C-Atome im-mer schön hintereinander aufgereiht sind. Solche unverzweigten Alkane sind nur ein Teil der Realität. Daneben gibt es verzweigte Alkane, bei denen ein C-Atom auch mal mit bis zu vier anderen C-Atomen verbunden ist. In der Zusammenfassung ändert sich zwar die Summen-formel nicht, aber Namen und Eigenschaften sind jeweils neu und oft deutlich anders. Ab vier C-Atomen im Molekül tritt das Phänomen der Isomerie (Struktur-Isomerie) auf. Die Substanzen haben die gleiche Summenformel, aber andere Namen, Eigenschaften usw. usf.

Namen

Summen- formel

Strukturformeln

n-Butan C4H10 H H H H

| | | |

H – C – C – C – C - H

| | | |

H H H H

iso-Butan, 2-Methyl-Propan C4H10 H H H

\ | /

H – C – C – C - H

/ | \

H C H

/ | \

H H H

Rein lineare Moleküle oder Molekül-Teile bekommen den Vorsatz n- (von: neo; steht für nor-

mal) vor dem Namen. Der Vorsatz iso- deutet auf eine symetrische Verzweigung des Mole-küls hin. Komplizierter sind die IUPAC-Namen. Dafür kann man aber aus den Namen später die Struktur ohne große Verränkungen erstellen. Die Namengebung folgt dabei den folgenden Regeln, die auch in dieser Reihenfolge ver-wendet werden müssen:

Regel Darstellung für das Beispiel

Namensbildung

1. Der Namenstamm ergibt sich aus der längsten möglichen C-Kette

H H H

\ | /

H – C – C – C - H

/ | \

H C H

/ | \

H H H

Propan

2. Bennung der alkylischen Anhänge H H H

\ | /

H – C – C – C - H

/ | \

H C H

/ | \

H H H

Methyl-Propan

3. Zusammenfassung gleicher Anhänge und Angabe eines Zahlensuffix (z.B.: 2 .. di; 3 .. tri; …)

entfällt hier

4. Sortierung der Anhänge nach dem Al-phabet

entfällt hier

5. Angabe der Positionen für die Anhänge (Hier gilt die Regel zur Verwendung der kleinsten Zahlen! Besonders für die quartiären und tertiären C-Atome sollte dies so sein!)

H H H

\ | /

H – 1C –2C – 3C - H

/ | \

H C H

/ | \

H H H

2-Methyl-Propan

fertiger Name 2-Methylpropan

gesprochen: zwei-Methylpropan


Ähnlich lassen sich die Namen in Strukturformeln umsetzen. Schauen wir uns das bei einem etwas komplizierteren Beispiel an: 3,5-Diethyl-5-propyloctan (3,5-Diethyl-5-propyloctan) Regel Namens-Teil Formel

1. Der Namenstamm ergibt die längsten mögliche C-Kette (Hauptkette)

3,5-Diethyl-5-propyloctan

- C – C – C – C – C – C – C – C -

2. Nummerierung der Kette

- 1C – 2C – 3C – 4C – 5C – 6C – 7C – 8C –

3. (schrittweise) Bildung und Positionierung der Anhänge (Seitenketten)

3,5-Diethyl-5-propyloctan 2x Ethyl an die Positionen 2 und 4

H H

| |

H– C-H H-C-H

| |

H– C-H H-C-H

| |

- 1C – 2C – 3C – 4C –5C – 6C – 7C – 8C –

3,5-Diethyl-5-propyloctan

H H

| |

H–C-H H-C-H

| |

H–C-H H-C-H

| |

- 1C – 2C – 3C – 4C –5C – 6C – 7C – 8C –

|

H-C-H

|

H-C-H

|

H-C-H

|

H

4. Auffüllen der restlichen Bindungen mit H ( Vier-bindigkeit des Cohlenstoffs)

H H

| |

H–C-H H-C-H

| |

H H H–C-H H H-C-H H H H

| | | | | | | |

H - C – C – C – C - C – C – C – C – H

| | | | | | | |

H H H H H-C-H H H H

|

H-C-H

|

H-C-H

|

H

fertige Formel

H H

| |

H–C-H H-C-H

| |

H H H–C-H H H-C-H H H H

| | | | | | | |

H - C – C – C – C - C – C – C – C – H

| | | | | | | |

H H H H H-C-H H H H

|

H-C-H

|

H-C-H

|

H

Summenformel C15H32


Kommen wir aber auf die Isomerie zurück. Die Eigenschaften der Isomere unterscheiden sich voneinander.

Namen

Summen- formel

Eigenschaften

n-Butan C4H10 Kp = –1°C

iso-Butan, 2-Methylpropan i-Butan

C4H10 Kp = –12°C

Mit steigender Kettenlänge wächst auch die Zahl der (Struktur-)Isomere. C-Atome Isomere C-A. Isom. C-A. Isomere C-A. Isomere

1 1 11 159 21 910'726 31 10'660'307'791

2 1 12 355 22 2'278'658 32 27'711'253'769

3 1 13 802 23 5'731'580 33 72'214'088'660

4 2 14 1'858 24 14'490'245 34 188'626'236'139

5 3 15 4'347 25 36'797'588 35 493'782'952'902

6 5 16 10'359 26 93'839'412 36 1'295'297'588'128

7 9 17 24'894 27 240'215'803 37 3'404'490'780'161

8 18 18 60'523 28 617'105'614 38 8'964'747'474'595

9 35 19 148'284 29 1'590'507'121 39 23'647'478'933'969

10 75 20 366'319 30 4'111'846'763 40 62'491'178'805'831

Isomere des Octans

Struktur-Formel

Name Struktur-Formel

Name

n-Octan

3,4-Dimethylhexan

2-Methylheptan

3-Ethylpentan

2-Methylheptan

2,2,3-Trimethylpentan

2-Methylheptan


2,2-Dimethylhexan


2,3-Dimethylhexan

3-Ethyl-2-methylpentan

2,4-Dimethylhexan

3-Ethyl-3-methylpentan

3,3-Dimethylhexan

2,2,3,3-Tetramethylbutan


2.1.1.1.3. ringförmige Alkane – Cycloalkane

Neben den Verzweigungen ist auch denkbar, dass sich ringförmige Strukturen bilden. Tat-sächlich gibt es auch solche Alkane, die als Cycloalkane (cyclus = lat.: Kreis) geführt werden. In der organischen Chemie gibt es auch den Namen Naphthene für gesättigte, cyclische Kohlenwasserstoffe. Die allgemeine Formel lautet CnH2n. In den Namen wird das cyclo- vor den Stammnamen (normales Alkan, lt. Anzahl der C-Atome) gesetzt. Dabei sind erst ab drei C-Atomen cyclische Strukturen denkbar.

Q: www.cem.msu.edu

Die die Bindungswinkel in den C-Ringen unter dem normalen Tetraeder-Winkel liegen sind die Bindungen gespannt, was sich in einer erhöhten Reaktivität zeigt. Erst ab sechs C-Atomen im Ring entstehen stabile Strukturen. Auch die Cycloalkane mit fünf bzw. sieben Cohlenstoff-Atomen weisen noch gewisse Ringspannungen auf, diese können aber schon vernachlässigt werden. Für das Cyclohexan C6H12 werden zwei verschiedene (stabile) Raumstrukturen beschrieben.

Q: www.3dchem.com

Wannenform, Bootform Sesselform

Die jeweils unteren Abbildungen zeigen die Gitterstruktur-Formeln mit 3D-Informationen. Di-cke Linien kennzeichnen die vorne liegenden Bindungen. Bindungen, die aus der Ebene

http://www.cem.msu.edu/



herauslaufen würden, sind durch dünner bzw. dicker werdende Linien angedeutet. Manch-mal werden nach hinten laufende – oder hinten liegende – Bindungen noch zusetzlich durch gestrichelte Linien dargestellt. Die Sesselform ist energetisch günstiger und somit häufiger anzutreffen. Treten bei einem Stoff verschiedene Raumstrukturen auf, dann nennen wir dies Konformationen. Je größer Moleküle werden, umso bedeutsamer wird die Konformation-Isomerie. In der Biologie spielen Konformationsunterschiede eine sehr große Rolle. Durch die Wärmebewegung der Teilchen kommt es bei entsprechender Anregung zu Umwandlungen der Raum-Strukturen ineinander:


Aufgaben:

1. Bilden Sie die Namen für folgende Alkane!

a) H H H H H H

| | | | | |

H – C – C – C – C – C – C - H

| | | | | |

H H H H H H

b) CH3 [– CH2 ]3 – CH3

c)

CH3 [– CH2 ]3 –CH [- CH3]2 d)

CH3 [– CH2 ]3 –CH [– CH2 ]3 – CH3

|

CH3

e) f)

2. Stellen zu folgenden Namen die Summen- und die vollständige Struktur-

Formeln auf!

a) n-Nonan b) 2-Methylhexan

c) 3-Ethylpentan d) 5-Butyldecan

e) 3,3-Diethylpentan f) 2,3,4-Triethyloctan

3. Skizzieren Sie die Isomere des Hexans in verkürzten oder Gitter-

Strukturformeln!

4. Finden Sie die Isomere des Heptans! Geben Sie jeweils eine Struktur-

Formel und den exakten Namen des Isomers an!

5. Geben Sie zu den folgenden Namen jeweils eine passende Struktur-Formel

an!

a) 4-Propylnonan b) 3,4-Diethylhexan

c) 4,4,6-Trimethyldecan d) 4-Ethyl-7-methyl-5-propyldecan

e) 5-Ethyl-4-methyl-7-propyldecan f) 2,3,4-Triethyl-2,4-dimethyloctan


6. Geben Sie zu folgenden Gitterstruktur-Formeln die IUPAC-Namen an!

7. Finden Sie eigene Gitterstrukturformel-"Tiere" bzw. –"Pflanzen"! Geben Sie

die exakten Namen an!

8. Jeder Kursteilnehmer Ihrer Gruppe denkt sich eine beliebige Strukturformel

eines Alkans aus! Die längste Kette sollte 10 C-Atome nicht überschreiten.

Als nächstes bilden Sie den Namen Ihres Alkans und veröffentlichen diesen

an der Tafel! Die anderen Kursteilnehmer bilden dann die Strukturformeln

aus den Namen! Am Schluß vergleichen Sie Ihre Struktur mit den Lösungen

der anderen!


2.1.1.2. Eigenschaften der Alkane In den folgenden Abschnitten gehen wir vornehmlich von einfachen kettenförmigen Alkanen aus. Wo andere Strkturformen eine Rolle spielen, wiesen wirdarauf explizit hin. Im Prinzip gelten die Aussagen zu den kettenförmigen auch für die verzweigten und ringförmigen Alka-ne. Meist ändern sich die Zahlenwerte. Die allgemeinen Regeln und Gesetzmäßigkeiten kel-ten für alle Formen.

2.1.1.2.1. physikalische Eigenschaften

Betrachten wir zuerst einmal die Aggregatzustände der Alkane. Ableiten kann man diese aus den Schmelzpunkten (Gefrierpunkt, Flusspunkt, Fp) und den Siedepunkten (Kochpunkt, Kondenspunkt, Kp). Für den Aggregatzustan wird standardmäßig der Zustand angegeben, in dem sich der Stoff bei 20 °C (293 K) (selten 25 °C (298 K)) befindet. Anzahl C-Atome

Name Sum-men-formel

Schmelz-Temp. Fp [°C]

Siede-Temp. Kp [°C]

Aggre-gatzu-stand

Geruch Dichte

[g/cm

3]

1 Methan CH4 -183 -162 gasförmig geruchlos 0,5547 #)

2 Ethan C2H6 -172 - 89 gasförmig geruchlos 0,509 ##

)

3 Propan C3H8 -187 - 43 gasförmig geruchlos 0,5005

4 Butan C4H10 -135 + 1 gasförmig geruchlos 0,5787

5 Pentan C5H12 -130 + 36 flüssig Benzin-artig 0,5572

6 Hexan C6H14 - 94 + 69 flüssig Benzin-artig 0,6603

7 Heptan C7H16 - 91 + 98 flüssig Benzin-artig 0,6837

8 Octan C8H18 - 57 +126 flüssig Benzin-artig 0,7026

9 Nonan C9H20 - 51 +151 flüssig Benzin-artig 0,7177

10 Decan C10H22 - 30 +174 flüssig Benzin-artig 0,7299

11 Undecan C11H24 - 26 +195 flüssig 0,7402

12 Dodecan C12H26 - 12 +215 flüssig 0,7487

13 Tridekan C13H28 - 6 +234 flüssig 0,7564

14 Tetradecan C14H30 + 5 +253 flüssig 0,7628

15 Pentadecan C15H32 + 10 +271 flüssig 0,7685

16 Hexadecan C16H34 + 18 +288 flüssig geruchlos 0,

17 Heptadekan C17H36 + 23 +303 fest 0,

18 Octadecan C18H38 + 28 +308 fest geruchlos 0,

19 Nonadecan C19H40 + 32 +330 fest 0,

20 Eicosan C20H42 + 36 +205 *) fest geruchlos 0,7886

60 Hexacontan C60H122 +331 *) fest geruchlos

0 Wasser H2O + 0 +100 flüssig geruchslos 1,0 *) im Vakuum bei 20 mbar; bei Normaldruck vorher zersetzlich #) bei 0 °C;

##) bei -60 °C

Aufgaben:

1. Erstellen Sie ein Diagramm, in dem die Dichte in Abhängigkeit von der C-

Atom-Anzahl dargestellt wird!

2. Erstellen Sie ein Diagramm, in dem die Schmelz- und die Siede-Temperatur

in Abhängigkeit von der C-Atom-Anzahl dargestellt wird!


Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit steigender C-Anzahl im Molekül sowohl Schmelz- als auch Siedepunkt regelmäßig zunimmt. Die sehr kurzkettigen Alkane (C1 – C4) sind auch noch gasförmig. Die mittelkettigen bis C17 von leicht- bis schwerflüssig. Ab C18 sind die Alkane dann fest. Man nennt sie auch Wachse, da sie in der Konsistenz dem Kerzen-wachs ähneln. Kerzenwachs ist auch nichts anderes als ein Gemisch langkettiger Alkane. Aber wie lassen sich die Schmelz- und Siedepunkte erklären? Ein sehr großen Einfluß auf den Siedepunkt haben zwei Faktoren. Einmal die Größe des Moleküls an sich – dies muss ja mit soviel Energie versorgt werden, dass es sich frei – im Gas – bewegen kann. Zum Ande-ren spielt der Zusammenhalt der Moleküle untereinander eine Rolle. Existieren nur schwa-che Adhäsions-Kräfte (Haftungskräfte, ), dann wird das Heraustrennen einzelner Moleküle leichter möglichsein. Bei starken Adhäsions-Kräften müssen diese ebenfalls durch die exter-ne Energiezufuhr überwunden werden, damit die Teilchen den flüssigen Zustand verlassen können. Die Molekülgrößen haben wir schon betrachtet, da ist uns das Verhalten schon klar. Nur müssten ja eigentlich die Schmelz- und Siedetemperaturen immer gleichmäßig steigen, da die Zunahme der Teilchengröße ja auch gleichmäßig erfolgt. Die Unregelmäßigkeiten zu Beginn der Schmelzpunktkurve lassen sich nur teilweise durch stark voneinander abweichenden Molekül-Geometrien erklären. Auch Zunahme-Effekte werden hier mit ins Spiel gebracht. Von Me-than zu Ethan verdoppelt sich fast das Molekulargewicht (100% Zuwachs), während von Ethan zu Propan nur noch ein Zuwachs von 50 % zu verzeichnen ist. Mit zunehmender Kettenlänge wird der Zuwachs-Effekt immer kleiner.

Je größer die Teilchen werden, umso mehr Kontaktflächen bieten sie den Nachbarn für Ad-häsions-Effekte. So sind die Unregelmäßigkeiten bei den Schmelz- und Siedepunkten z.T. zu erklären. Die Adhäsions-Kräfte sind hier sogenannte VAN-DER-WAALS-Kräfte (VAN-DER-WAALS-Wechselwirkungen, V-D-W-Bindungen). Diese basieren nicht auf Ladungen, sondern auf der gemeinsamen Nutzung von Elektronen – ähnlich wie bei Bindungen. Zwischen den Teil-chen, Molekülen usw. treten kurzzeitig sehr kleine Dipole auf, die die Haftung verursachen. Insgesamt sind die Kräfte hier rund 1000x geringer als bei Bindungen. Sie haben einen sehr kleinen Wirkungsradius und nehmen mit der Entfernenung sehr schnell ab (mit der sechsten

Potenz).

1 3 5 7 9 11 13 15 17

-200

-100

0

100

200

300

Fp.

Kp.

C-Anzahl

Temperatur [°C]


Deshalb nehmen die VAN-DER-WAALS-Kräfte bei höheren Temperaturen ebenfalls schnell ab, da die Abstände zwischen den Molekülen – durch die immer größer werden Bewegun-gen der Moleküle selbst – auch immer größer werden. Bei sehr langkettigen Alkanen kommt es beim Erhitzen dazu, dass die Moleküle durch die Bewegungen und die Haftungskräfte zu anderen Molekülen (VAN-DER-WAALS-Kräfte) eher brechen, als in den gasförmigen Zustand überzugehen. In der Praxis arbeit man dann in ei-nem Vakuum. Die Teilchen haben nicht so einen großen Gegendruck (sonst ja der Luftdruck) und gehen so eher in die gasförmige Phase über. Es reichen also schon kleinere Temperatu-ren aus, was wiederum weniger Teilchen-Eigenbewegung bedeutet. Prinzipiell könnten auch noch polare Kräfte zwischen den Molekülen wirken. Um die abzu-schätzen, betrachtet man die Elektronegativitätswerte der einzelnen Atome im Molekül und vergleicht sie mit den jeweiligen Bindungspartnern. Je größer die Differenz, umso größer ist die Fähigkeit des Partners mit dem größeren Elektronegativitätswert, die Elektronen aus der Bindung zu sich zu ziehen. Das Ergebnis wäre eine negative (Voll-)Ladung oder eine Partial-Ladung, wenn die Elektronen nur teilweise angezogen werden. Beim Betrachten der Elektronegativitäten in Alkanen finden wir nur zwei Fälle:

Bindung C – C C – H Elektronegativität (EN) 2,5 2,5 2,5 2,1

Differenz der EN-Werte 0 0,4

resultierende Polaritäten keine sehr schwach

+ - C H

resulierender Bindungs-Charakter Atom-Bindung kovalente Bindung

praktisch Atom-Bindung

Da die Differenz gleich Null oder sehr gering ist, liegen keine bzw. sehr geringe Polaritäten vor. Aus der Praxis wissen wir, dass man Differenzen in dieser Größenordnung vernachläs-sigen kann. Im Allgemeinen werden deshalb in den Kohlenwasserstoffen keine Polaritäten betrachtet. In der Reihe der Alkane verändern sich die Eigenschaften scheinbar relativ gleichmäßig und systematisch. Auch hierrüber lässt sich der Begriff der homologen Reihe (homo = lat. gleich, lo-

gos = lat. Sinn, Lehre) herleiten. Wie wir noch sehen werden, bezieht sich diese Homologizität nicht nur auf physikalsiche Eigenschaften, sondern ist ein allgemeines Prinzip in der organi-schen Chemie. Die Alkane lösen sich nicht in Wasser. Das unpolare Wasser hat im Prinzip keine Angriffs-Punkte an den unpolaren Molekülen. Lediglich Methan löst sich in Wasser. Dies liegt daran, dass die relativ kleinen Methan-Moleküle sehr gut in die Lücken zwischen den Wasser-Molekülen passen. Die Wasser-Löslichkeit von Methan ist ein sehr typisches Beispiel für ei-nen rein physikalischen Lösungs-Vorgang. Es kommt zu keinen Wechselwirkungen zwischen Methan- und Wasser-Molekülen. In organischen Lösungsmitteln, die genau wie Wasser polar gebaut sind, lösen sich die Alkane ebenfalls nicht. Solche Lösungsmittel sind z.B. Aceton ( Ketone) und Cohlensäure-Ester ( Ester). Sind dagegen im Lösungsmittel unpolare Moleküle oder Molekül-Teile dominierend, dann verbessert sich die Löslichkeit. Zwi-schen den unpolaren Lösungsmittel-Molekülen und den Alkan-Molekülen bilden sich VAN-DER-WAALS-Kräfte aus.

VAN-DER-WAALS-Kräfte (hellgrün) zwischen unpolaren Molekülen


Exkurs: Elektronegativität nach PAULING

Unter der Elektro-Negativität (Abk.: EN; Formel-Zeichen: (chi)) versteht man das Maß für die Fähigkeit eines Atoms die Bindungs-Elektronen zu sich zu ziehen. Diese Eigenschaft ist von den Ladungen innerhalb des Atoms (Anzahl der Protonen), der Größe des Atoms und seiner Ionisierungs-Energie abhängig. Die Elektronegativität nach Linus PAULING legt eine relative Skala an. Dabei erhält das elekt-ronegativste Element Fluor den willkürlichen Wert 4,0 (exakt 3,98 (Referenzwert)). Je weni-ger die Elemente in Bindungen die Elektronen-Paare zu sich ziehen können, als umso elekt-ropositiver gelten die Elemente. Die Elemente Cäsium und Franzium sind die elektropositivsten Elemente des PSE und be-sitzen den Wert 0,7. Mit der Elektronegativität lässt sich die Art der Bindung zwischen zwei Atomen relativ ein-fach charakterisieren. Berechnet wird dazu die absolute Differenz zwischen den Elektrone-gativitäten der beiden Bindungs-Atome.

EN = 0 kovalente Bindung (Atom-Bindung) bzw. Metall-Bindung

0 < EN < 1,7 kovalente Bindung mit polarem Charakter (Atombindung mit Ionen-

Charakter)

EN > 1,7 polare Bindung (Ionen-Bindung, Ionen-Beziehung)


2.1.1.2.2. chemische Eigenschaften – Reaktionen der Alkane

Die geringen Polaritäten und die vollständig abgesättigten Bindungen machen Alkane zu sehr reaktionsträgen Stoffen. Da sie insgesamt gesättigt sind, können keine zusätzlichen Atome oder Atom-Gruppen hinzukommen. Der Austausch und das Abspalten ist dagegen möglich. Austausch-Reaktionen werden in der organischen Chemie Substitutionen (lat.:

substituere = ersetzen) genannt, Abspaltungen sind hier Eliminierungen (lat.: eliminare = entfernen). Durch Licht-Energie kann an einzelnen Stellen eine Bindungen zerlegt werden. Dabei ent-stehen zwei Radikale:

CH3 – CH2 – CH3 CH3– CH2 + CH3 homolytische Spaltung

der Bindung

Die Strahlungs-Energie bewirkt eine Aktivierung der (einer) Bindung. Bei ausreichender Energie-Absorption wird die Bindung (homolytisch) aufgespalten. Es entstehen zwei Radikale, die mit ihren ungepaarten Elektronen sehr re-aktiv sind.

Weil es sich um Alkyl-Reste handelt, nennt man diese Alkyl-Radikale. Meist kombinieren sich die beiden Radikale sofort wieder (Rekombination). Die Alkyl-Radikale sind viel zu groß, um schnell genug vom zweiten Radiakal wegzudiffundieren. CH3 – CH2 + CH3 CH3 – CH2 – CH3

Die ungepaarten Elektronen der Radi-kale (orange Kennzeichnung) streben Energie-ärmere Zustände (z.B. eine Bindung) an. Sehr häufig reagieren deshalb die gerade gebildeten Radika-le gleich wieder zurück. (Die grüne Kennzeichnung steht für neutrale Verhältnisse bzw. geringe Polaritäten.)

Seltener induziert ein Radikal die Radikal-Bildung an einem Nachbar-Molekül. CH3 – CH2 – CH3 + CH3 CH3 – CH – CH3 + CH4

Ein Propan-Molekül reagiert mit einem Methyl-Radikal. Dabei entzieht dieses dem Propan ein Wasserstoff-Atom (quasi ein Wasserstoff-Radikal) und hinterläßt am Propan ein ungepaartes Elektron. Neben mittelständigen Radikalen können auch endständige entstehen. Entscheidend ist dabei das räumliche Zusam-mentreffen der beiden Moleküle.


Treffen dann zwei solcher Molekül-Radikale aufeinander, können sie sich u.U. unsymetrisch rekombinieren und es entstehen zwei verschiedene Produkte. CH3 – CH – CH3 + CH3 – CH – CH3 CH3 – CH2 – CH3 + CH3 – CH = CH2 Alkan Alken (Propen)

Je nach Zusammentreffen der Radikale kann das eine (/ reaktive) Radikal dem anderen (passiven) ein Wasserstoff-Atom entziehen. Am zweiten Radikal tritt kurzzeitig ein zweites ungepaartes Elektron auf (s.a. rechte Abbildung). Die beide ungepaarten Elektronen kombinieren sich sofort zu einer zu-sätzlichen Bindung. Zwischen den beteiligten Cohlenstoff-Atomen bestehen jetzt zwei Bindungen. Sie wird auch Doppel-Bindung genannt. Sie ist besonders Elektronen-reichen, aber nicht negativ geladen (gelbe Kennzeichnung).

Man nennt so einen Vorgang auch Disproportionierung (Dismutation). Bei der Disproportionierung bzw. bei der unsymetrischen Rekombination entstehen völlig neue Kohlenwasserstoffe (als die Ausgangsstoffe). Sie enthalten wegen des auftretenden Was-serstoff-Mangels (in den Radikalen) eine Doppelbindung zwischen den Cohlenstoff-Atomen. Die gleichen Kohlenwasserstoffe kann man aus Alkanen gewinnen, wenn man diese direkt dem Sonnenlicht aussetzt oder noch besser – einer sogenannten thermischen Pyrolyse. Bei sehr hohen Temperaturen (rund 800 °C) werden die Alkane dabei dehydriert, d.h. Wasser-stoff abgespalten. CH3 – CH2 – CH3 CH3 – CH = CH2 + H2 Propen (Damit die Dehydrierung nicht bis zum reinen Cohlenstoff (Ruß) führt, wird Wasserdampf hinzugefügt. Durch spe-zielle Katalysatoren lässt sich die Reaktion noch weiter gezielt durchführen.)

Bei der Dehydrierung wird also eine Atomgruppe abgespalten, deshalb gehört eine solche Reaktion zur Gruppe der Eleminierungen (eliminare = lat.: entfernen, über die Schwelle bringen). Bei der Eliminierung an Alkanen entstehen immer sogenannte Mehrfachbindungen. Dies können Doppel- oder Dreifachbindungen beim Cohlenstoff sein. Da nicht alle Bin-dungsmöglichkeiten abgesättigt sind, spricht man auch von ungesättigten Kohlenwasserstof-fen ( 2.2. ungesättigte Kohlenwasserstoffe). Die Pyrolyse bewirkt bei langkettigen Alkanen vielfach auch eine Spaltung in Radikale (s.a. oben) bzw. in zwei verschiedene kurzkettige Cohlenwasserstoffe (meist ein Alkan und ein Alken). z.B.: CH3 (– CH2)8 – CH3 CH3 (– CH2)2 – CH = CH2 + CH3 (– CH2)3 – CH3 Alkan (Decan) Alken (Penten) Alkan (Pentan)


Da wir in der Praxis mehr kurzkettige Cohlenwasserstoffe (z.B. Benzin, Diesel, Kerosin, …) brauchen als langkettige, werden die eher längerkettigen Alkane des Erdöls gerne durch die Pyrolyse passend gemacht.

Aufgaben:

1. Überlegen Sie sich, wieviele verschiedene Radikale des Propans möglich

sind! Begründen Sie Ihre Meinung!

2. Stellen mindestens drei weitere Reaktionen auf, die bei der Pyrolyse des

Decans auftreten könnten!

radikalische Substitution mit Halogenen: Recht gut reagieren Halogen (F, Cl, Br, I) mit Alkanen. Auch hier müssen aber zuerst Radi-kale gebildet werden. Gerade Halogen neigen unter Lichteinstrahlung sehr leicht zur Radi-kalbildung ( Fotochemie, fotoaktive Substanzen auf Filmen). Im Dunklen läßt sich die Spaltung auch ther-

misch induzierern. Dazu sind dann Temperaturen um 250 °C notwendig.

Cl2 2 Cl

Die eingestrahte Energie regt die Bindungs-Elektronen so stark an, dass es zum Bruch der Bindung kommt. Die gebilde-ten Chlor-Atome besitzen einzelne ungepaarte Elektronen, die nach einer Sättigung ( Achter-Schale) streben. Die Chlor-Atome können also auch als Chlor-Radikale gefasst werden.

Diese Radikal-Bildungs-Reaktion ist der Ausgangspunkt einer Kettenreaktion (Startreaktion, Kettenstart). Es folgen "produktive" Reaktionen, bei denen immer ein Radikal mit einem neutralen Teilchen reagiert: CH3 – CH2 – CH3 + Cl CH3 – CH2 – CH2 + HCl

Ein Chlor-Radikal interagiert mit dem Propan-Molekül. Dabei entreißt es dem Propan ein Wasserstoff-Atom. Aus Was-serstoff und Chlor bildet sich Chlorwasserstoff. Das zurückbleibende Propyl kann als Radikal in weitere Reaktionen eingehen. Reagiert es z.B. mit Chlor, dann wird dem Chlor-Molekül ein Atom entzogen, welches nun an der Position des verlorengegangenen Wasserstoff sitzt.

CH3 – CH2 – CH2 + Cl2 CH3 – CH2 – CH2Cl + Cl Normalerweise findet die Reaktion vorrangig an den Enden des Alkan-Moleküls statt, da die-se exponiert – der Chemiker sagt dazu: sterisch bevorteilt – sind. Neben Reaktionen in der Mitte der Moleküle sind auch mehrfache Austausch-Reaktionen an einem Alkan-Molekül möglich. Dabei sind Cohlenstoff-Atome ohne ausgetauschte jeweils bevorteilt (im Vergleich zu

solchen, die schon – meist größere – ausgetauschte Atome besitzen).


Die Kettenreaktionen können sich nun ständig wiederholen, da das reaktive Chlor-Radikal am Ende wieder vorliegt. Reagiert ein Radikal mit einem anderen Molekül, dann bleibt immer wieder ein Radikal übrig. Treffen aber zwei Radikale aufeinander, dann kommt die Radikal-Bildung – und damit auch die Kettenreaktion – zum Stillstand. Dies nennen wir Kettenabbruch. Dazu kommen alle möglichen Radikal-Kombinationen in Frage: 2 Cl Cl2

Das Zusammentrffen von zwei Chlor-Radikalen bewirkt in jedem Fall sofort eine Neuknüpfung der Atom-Bindung zwi-schen den beiden Atomen.

CH3 – CH2 – CH2 + Cl CH3 – CH2 – CH2Cl

Trifft ein Propyl-Radikal mit seiner reaktiven Seite auf ein Chlor-Radikal, dann bildet sich das gewünschte Produkt.

2 CH3 – CH2 – CH2 CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3

Zwei Propyl-Radikale können sich beim Zusammentreffen an ihren reaktiven Seiten zu einem neuen Alkan (hier: He-xan) kombinieren. Die beiden ungepaarten Elektronen bilden eine übliche C-C-Einfachbindung.

CH3 – CH2 – CH2 + CH3 – CH – CH3 CH3 – CH2 – CH3 + CH3 – CH = CH2

Andere Kollisions-Szenarien können auch andere Produkte entstehen lassen. Das gebildete Alken (hier: Propen) kann ebenfalls mit Chlor reagieren. Allerdings handelt es sich um einen anderen Reaktions-Mechanismus!

Kombinieren sich die Stoffe so, dass die gewünschten Produkte entstehen, dann sprechen wir von produktiven Reaktionen. Entstehen die Ausgangsstoffe zurück oder gar andere Ver-bindungen, dann werden sie den unproduktiven Reaktionen zugeordnet. In den meisten Fäl-len stellen neuartige Verbindungen dann Verunreinigungen oder Neben-Produkte dar. Praktisch wird bei den besprochenen Reaktionen am Propan (unserem Ausgangsstoff) ein Wasserstoff-Atom durch ein Chlor-Atom ersetzt.


H H H

| | |

H – C – C – C - H

| | |

H H H

+

Cl - Cl

H H H

| | |

H – C – C – C - Cl

| | |

H H H

+

H - Cl

____________________________________________________________________ CH3 – CH2 – CH3 + Cl2 CH3 – CH2 – CH2Cl + HCl Solche Reaktionen heißen Substitution (substituere = lat.: ersetzen). Wird die Substitution durch Radikale induziert, dann handelt es sich um eine radikalische Substitution. In der Literatur findet man häufig die Abkürzung Sr dafür. Vom Wasserstoff abweichende Anhänge an den Cohlenstoff-Atomen werden allgemein auch Substituent genannt. Oftmals sind sie über Substitutions-Reaktionen an die C-Kette gelangt. Die Anzahl der möglichen Reaktionsprodukte ist beachtlich ( 3.1.1. einfach halogenierte Kohlenwasserstoffe). Natürlich können bei entsprechenden Bedingungen alle Stoffe auch weiterreagieren ( 3.1.2. mehrfache halogenierte Kohlenwasserstoffe). So entstehen weite-re Substitutionsprodukte, die alle natürlich keine Kohlenwasserstoffe mehr sind. Sie sind so-genannte Derivate (Abkömmlinge; derivare = lat.: ableiten) ( 3. Derivate der Kohlenwas-serstoffe). Kommen neben Cohlenstoff und Wasserstoff noch Halogen-Atome (F, Cl, Br od. I) im Mole-kül vor, dann handelt es sich um Halogen-Derivate ( 3.1. Halogenderivate).

Definition(en): Substitution Substitutionen sind chemische Reaktionen, bei denen es zum Austausch von Atomen oder Atom-Gruppen kommt. Man unterscheidet radikalische, elektrophile und nucleophile Substitutionen.

Definition(en): radikalische Substitution / SR-Reaktion Bei einer radikalischen Substitution (SR) werden Atome oder Atom-Gruppen über Zwischen-Produkte bzw. –Schritte ausgetauscht, bei denen Radikale entstehen. Radikalische Reaktionen sind selten Orts-selektiv, vielmehr ist der Ort des zufälligen Zusammenstoßes der Reaktions-Partner entscheidend.

Oxidation (Verbrennung): Wie die meisten Kohlenwasserstoffe, brennen Alkane auch gut. Zumindestens von Methan (Erdgas), Propan (Camping-Gas) und Butan (Feuerzeug-Gas) ist dies den Meisten auch be-kannt. Wesentlich mehr Alkane werden aber in Benzin und Diesel verbrannt – beides Gemi-sche aus relativ kurzkettigen, flüssigen Alkanen und deren Isomeren. Chemisch sind dies Oxidationen – hier im Sinne der Reaktion mit Sauerstoff. Natürlich sind es praktisch Redox-reaktionen, d.h. Reaktionen mit Elektronen-Übergang. Dies betrachtet man im Allgemeinen bei den Verbrennungen aber nicht so vordergründig.

CH3 – CH2 – CH3 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O


Verbrennungen mit ausreichend Sauerstoff führt immer zu Bildung von Cohlendioxid und Wasser. Der Alkan verbrennt vollständig. Bei Mangel an Sauerstoff kommt es zur unvollständigen Verbrennung. Man erkennt dies an einer rußenden Flamme (reiner Cohlenstoff) bzw. an der Bildung eines mehr oder weniger großen Anteils an Cohlenmonoxid.

CH3 – CH2 – CH3 + 2½ O2 CO + 2 C + 4 H2O Je nach verfügbarer Sauerstoff-Menge entstehen unterschiedliche Anteile C, CO und CO2.

Die Bildung von Cohlenmonoxid ist bei einer Verbrennung meist nicht gewünscht, da noch reichlich Energie im Cohlenmonoxid verbleibt (CO ist brennbar) und vor allem, weil CO ein sehr giftiges Gas ist. Die Giftigkeit beruht auf der nichtreversiblen Blockierung des Hämo-globins (Hämoglobin = roter Blutfarbstoff). Das Bindungsvermögen (Affinität) von CO zum Hämoglobin ist 300x größer, als die von Sauerstoff. Schon geringe Mengen führen also zu nachhaltigen Beeinflussungen des Sauerstoff-Transportes in unserem Blut.

Definition(en): Oxidation Eine Oxidation ist eine Teil-Reaktion der Redox-Reaktion, bei der sich die Oxidationszahl (OZ) eines Elementes erhöht.

Eine Oxidation (im klassischen Sinne) ist eine Reaktion mit Sauerstoff – mit anderen Worten eine Verbrennung. .

Definition(en): vollständige Oxidation Bei einer vollständigen Oxidation erreicht das betreffende Element seine höchstmögliche Oxidations-Stufe (Oxidations-Zahl).

Die bei einer vollständigen Oxidation hergestellten Produkte können nicht weiter oxidiert werden. In der organischen Chemie entstehen als Verbrennungs-Produkte Cohlendioxid, Wasser (bei Kohlenwasserstof-fen) und bei Derivaten zusätzlich ev. Schwefeltrioxid, Distickstoffpentoxid, Diphosphorpentoxid, …

Definition(en): unvollständige Oxidation Bei einer vollständigen Oxidation erreicht das betreffende Element noch nicht seine höchstmögliche Oxidations-Stufe (Oxidations-Zahl).

Die bei einer unvollständigen Oxidation hergestellten Produkte können noch weiter oxidiert werden. In der organischen Chemie entstehen als unvollständige Verbrennungs-Produkte Cohlenstoff (Ruß) und Cohlenmonoxid bei reinen Kohlenwasserstoffen.


Aufgaben:

1. Zu welchen Reaktionen ist Ethan fähig? Stellen Sie die möglichen Reakti-

onsgleichungen auf!

2. Stellen sie folgende Reaktionsgleichungen auf!

a) Substitution mit Chlor an Methan

b) vollständige Verbrennung von Butan

c) unvollständige Verbrennung von Pentan im Stoffmengen-Verhältnis Pen-

tan : Sauerstoff = 1 : 6

d) Reaktion von Brom mit Ethan unter Verwendung von Struktur-Formeln

3. Welche Reaktionsprodukte können bei der Photolyse von Butan entstehen?

4. Definieren Sie den Begriff homologe Reihe (umfassend)!


5. Informieren Sie sich über den Kennwert Octan(-zahl) beim Benzin! Was

bedeutet er? Wie wird er ermittelt? …?

Anzahl C-Atome

Name Summen-formel

Flamm-punkt [°C]

1 Methan CH4 -

2 Ethan C2H6 -

3 Propan C3H8 -

4 Butan C4H10 -

5 Pentan C5H12 -48

6 Hexan C6H14 -22

7 Heptan C7H16 -4

8 Octan C8H18 12

9 Nonan C9H20 31

10 Decan C10H22 46

11 Undecan C11H24

12 Dodecan C12H26

13 Tridekan C13H28

14 Tetradecan C14H30

15 Pentadecan C15H32

16 Hexadecan C16H34 135

17 Heptadekan C17H36 148

18 Octadecan C18H38 154

19 Nonadecan C19H40 164

20 Eicosan C20H42 176

60 Hexacontan C60H122

/Daten-Q: http://www.chemieunterricht.de, /

http://www.chemieunterricht.de/


Exkurs: Oktan-Zahl / ROZ-Kennung des Benzins Die Oktan-Zahl ist das Maß für den Widerstand einer Substanz (/ eines Isomers) gegen die Selbstentzündung (Klopffestigkeit). Die Vergleich-Skala wir von zwei definierten Substanzen charakterisiert. Das n-Heptan hat die ROZ = 0 (ROZ .. Research-Oktanzahl; erforschte Oktan-Zahl) und das iso-Octan hat definitiongemäß ROZ = 100. Hat jetzt ein Stoff / Isomer / Stoff-Gemisch die Klopffestigkeit von 80, dann ver-hält er sich genauso, wie ein Stoff-Gemisch aus 80 % iso-Octan und 20 % n-Heptan, das eben definitionsgemäß auch ROZ = 80 besitzt. Früher wurde die Klopffestigkeit mit Blei-haltigen Substanzen (z.B.: Tetraethylblei) eingestellt.

n-Heptan

iso-Octan

Blei-haltiges Benzin ist wegen seiner Umwelt-Gefährdung seit vielen Jahren (ab 1988) verboten. Heute werden andere Sub-stanzen (z.B. Ethyl-tert-butylether (ETBE); exakt: tert-Butylethylether) zugegeben bzw. das Alkan- und Isome-ren-Gemisch anders einge-stellt. Die andersartigen Zusätze werden Additive bzw. Anti-klopf-Mittel genannt. Sie wer-den i.A. nur in sehr geringen Mengen (unter 1%) zugesetzt. Bei ETBE liegt der Volumen-Anteil allerdings deutlich hö-her. Zugelassen sind bis zu 15 %. ETBE kann aus Ethanol (Bio-Alkohol) gewonnen werden. Ein anderes Additiv – das MTBE – wird dagegen nur aus fossilen Rohstoffen gewon-nen. MTBE heißt exakt tert-Butylmethylether.

Q: de.wikipedia.org (Peter Krimbacher)

Aufgaben:

1. Welche Oktan-Zahl hätte ein Kraftstoff, der nur aus 2,3-Methylpentan be-

steht?

2. Wie sind überhaupt Kranftstoff mit ROZ über 100, wie z.B. "ultimate 102"

herstellbar? Machen Sie mögliche Vorschläge und diskutieren Sie die zu

erwartenden (z.B. ökologischen) Konsequenzen!

3. Welchen Einfluß auf die Oktan-Zahl hat der Zusatz von Ethanol zu einem

"ROZ 95"-Kraftstoff-Gemisch?

für die gehobene Anspruchebene:

4. Welche Oktan-Zahl ist eigentlich bei einem Additiv bzw. Antiklopf-Mittel zu

erwarten? Begründen Sie Ihre Meinung!


Reaktions-Verhalten innerhalb der homologen Reihe Für die Herstellung spezieller halogenierter Cohlenwasserstoffe ist es wichtig abzuschätzen, wo die Substitution stattfinden wird. Damit wir hier eine sinnvolle Analyse machen können vereinfachen wir die Angriffe auf die direkten und effektiven Kontakte. Praktisch finden immer auch indirekte Zusammenstö-ße – z.B. leicht seitlich usw. – statt. Dies können wir aber für jedes Wasserstoff-Atom annehmen. Ebenso verhält es sich mit den effektiven und uneffektiven Zusammenstößen. Die Chancen sind prinzipiell für alle Kontakte gleich. Bei Methan wird jeder Angriff (lt. unserem Modell) ei-nes Halogen einen Effekt haben. Es bildet sich immer ein einfach halogeniertes Molekül. Bei längeren Ketten kann es neben den terminalen (End-ständigen Halogenen) Substitutionen auch zu mittigen (zentralen) Reaktionen kommen. Hier kann es dann auch zu Isomerien kommen, welche die Vielzahl von gewünschten und ungewünschten Reaktions-Produkten beeinflusst. Die terminalen Angriffe sind in der nebenstehenden Abbildung mit orangen Pfeilen, die zentralen violett. Während bei einer einfachen Substitution bei den terminalen Substitutionen nur ein Produkt entsteht, können bei den zentralen Angriffen z.B. bei Propan ein zusätzliches Isomer, bei Heptan aber schon drei weitere Isomere entstehen. In den meisten Fällen sind aber reine Produkte gewünscht, was wiederum bei so diffusen Reaktions-Verläufen eine aufwändige nachträgliche Trennung der Isomere erfordert.

Aufgaben:

1. Skizzieren Sie die (Modell-)Angriffe für Ethan, Butan, Hexan und Octan mit

unterschiedlichen Farben für die Angriffs-Arten!

2. Ermitteln Sie, wieviele verschiedene Isomere bei der einfachen Bromierung

der Alkane in der Reihe bis Octan jeweils entstehen können! Geben Sie für

jedes Isomer die (Modell-)Häufigkeit an!

2. Stellen Sie die Verhältnisse von terminalen zu zentralen Angriffen für die

homologe Reihe bis Decan graphisch dar!


Exkurs: Struktur-Aufklärung mittels Elementar-Analyse für Ermittlung der Cohlenstoff- und Wasserstoff-Anteile Erhitzen / Glühen der (eingewogenen) Probe mit der 20 – 30x Masse an Cupferoxid CaHbOcNd + CuO x CO2 + y H2O + N Verbrennungs-/Glühgase werden durch eine Gas-Trocken-Einrichtung mit (frisch geglühtem und) eingewogenem Calciumchlorid (Chlorcalcium) und Gas-Waschflasche mit conc. und eingewogener Kalilauge (Calciumhydroxid) geleitet (die Einwaage erfolgt über die Gesamt-Masse der Gas-Reinigungsflaschen das Calciumchlorid bindet das Wasser CaCl2 + H2O die Kalilauge bindet das Cohlendioxid CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O die Rest-Gase der Verbrennung werden durch gereinigte Luft (wie für die Verbrennungs-Gase beschrieben) durch die Gas-Reinigungs-Flaschen geleitet auswiegen der Gas-Reinigungsflaschen; Masse-Differenzen ergeben das gebildete Wasser bzw. Cohlendioxid aus der Masse des Cohlendioxids lässt sich der Cohlenstoff-Masse-Teil berechnen

aus der Wasser-Masse lässt sich der Wasserstoff-Masse-Teil berechnen

für den Nachweis von Stickstoff und dann die Ermittlung des Stickstoff-Anteils wird mit Ätz-kali (vorher frisch mit Natronlauge gelöscht) erhitzt zur Absorption des gebildeten Ammoniaks wir Salzsäure verwendet NH3 + HCl NH4Cl hier auswiegen der Gas-Waschflasche (mit der Salzsäure), Masse-Differenz entspricht Ammoniak

Berechnung der Prozent-Anteile für Cohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff;

Rest zu 100% sind Sauerstoff bzw. weitere Bestandteile

Mit den Prozent-Angaben lässt sich unter Benutzung der Atom-Massen das Stoffmengen-Verhältnis / die Stoffmengen-Anteile berechen; Verhältniszahlen werden so gekürzt, dass


glatte Zähler herauskommen; die Summen-Formel ist dann die gefundene Anteils-Formel oder ein Viefaches (Multiplum); Ausprobieren verschiedener Struktur-Formeln ermitteln der Molekular-Formel (z.B. über die ermittelte molare Masse)

2.1.1.2.3. Eigenschaften bei Isomeren

Auf den ersten Verdacht hin geht wohl jeder davon aus, dass sich die Eigenschaften von Isomeren nicht wirklich unterscheiden. Dem ist aber nicht so. In Wirklichkeit sind es alles einzelne Stoffe mit individuellen Eigenschaften. Einige werden sich ähneln und vor allem der Stoff-Gruppe oder der Kettenlänge geschuldet sein. Aber viele Eigenschaften sind z.T. sogar deutlich verschieden. Allgemeigültige Regeln sind hierfür allerdings kaum zu finden und exis-tieren wohl auch nicht wirklich. Deshalb werden wir hier exemplarisch einzelne Beispiele herausziehen und zumindestens die Existens der Unterschiede und / oder Gemeinsamkeiten daran verdeutlich. Beispiel: Butan Isomer Struktur Schmelz-

punkt F. [°C]

Siede-punkt Kp. [°C]

n-Butan -135 - 1 - 0,5

2-Methylpropan (iso-Butan)

-145 -12 -10

Beispiel: Pentan Isomer Struktur Schmelz-

punkt F. [°C]


Dichte

[g/cm

3]

Flamm-punkt [°C]

Zünd-punkt [°C]

n-Pentan -130 36 0,63 -49 260

2-Methylbutan -159 28

2,2-Dimethylpropan - 20 9,5

Beispiel: Hexan Isomer Struktur Schmelz-

punkt F. [°C]


n-Hexan - 94 69

2-Methylpentan -154 60

3-Methypentan -118 63

2,2-Dimethylbutan - 98 50

2,3-Dimethylbutan -129 58

Beispiel: Heptan


Isomer Struktur Schmelz-punkt F. [°C]


n-Heptan - 91 98

2-Methylhexan -118 90

3-Methyhexan -119 92

2,2-Dimethylpentan -125 79

2,3-Dimethylpentan 90



3-Ethylpentan -119 93

2,2,3-Trimethylbutan - 25 81

allgemein wenig Unterschiede bei Dichte, Brechungs-Index und Dampfdruck


2.1.1.3. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkane Bei der Betrachtung wichtiger Vertreter beschränken wir uns auf solche, die im Bereich der Biologie oder der Ernährungslehre von herausragender Bedeutung sind. In Ausnahmefällen besprechen wir auch solche Vertreter, die zum tieferen Verständnis von Zusammenhängen oder Details beitragen. Sollte der Bedarf an anderen Beispielen bestehen, verweisen wir auf die typischen Chemie-(Lehr-)Bücher. In diesen wird weit systematischer vorgegegangen.

2.1.1.3.1. Methan

Hauptbestandteil im Erdgas und in den meisten Stadtgasen Brennwert von über 35.000 kJ / m³ es bilden sich nur Wasser und Cohlendioxid als Abgase bei Methan-Luft-Gemischen mit einem Methan-Anteil zwischen 6 und 12 % besteht Explosi-onsgefahr (im Bergbau: schlagende Wetter) im Dickdarm und Pansen von Wiederkäuern (Rinder, Schafe, …) gebildetes Darmgas ist ebenfalls sehr Methan-haltig Treibhausgas bei Fäulnis-Vorgängen unter Sauerstoff-Abschluß entsteht ebenfalls Methan (Sumpfgas, Bio-gas); etwas geringer Brennwert (rund 27.000 kJ / m³) wegen diverser anderer Gase im Ge-misch (Cohlendioxid, Stickstoff, andere Gase in Spuren); große Bedeutung bei geschlosse-nen Stoffkreisläufen, ökologischer und vorbildlicher energetischer Produktion

2.1.1.3.2. Propan, Butan

beliebte Gase für dezentralisierte Brennstellen (Camping, entlegene Häuser ohne Stadtgas-Anschluß, Handwerk (Dachdecker, …), …) Gase lassen sich schon bei geringen Drücken leicht verflüssigen ( Flüssiggas) schwerer als Luft, deshalb nicht in unterkellerten Räumen / Gebäuden; bilden mit Luft explo-sive Gemische

2.1.1.3.3. Pentan, Hexan

sehr leicht flüchtig, niedrige Siedepunkte, lassen sich gut verdampfen oder zerstäuben bilden sehr leicht entzündliche Brennstoff-Luft-Gemische gutes Lösungsmittel für unpolare Stoffe

2.1.1.3.4. Heptan, Octan, Nonan, Decan

gut als Treibstoff für Flugzeuge (Leicht-Benzin, Kerosin, leichtes Petroleum) geeignet typische Kerosin-Bestandteile; Kerosin beinhaltet daneben auch cyclische Alkane und aro-matische Cohlenwasserstoffe, insgesamt sind 8 bis 13 Cohlenstoff-Atome in den Molekülen typisch


2.1.1.3.5. Alkane mit 11 bis 17 Cohlenstoff-Atomen

typische Benzin-Bestandteile, für Benzin und Diesel sind 9 bis 22 Cohlenstoff-Atome in den Molekülen typisch

2.1.1.3.6. Alkane mit mehr als 17 Cohlenstoff-Atomen - Paraffine

Paraffin ist ein (recht variables) Gemisch aus verschiedenen verschiedenen Alkansäuren mit zumeist 18 bis 32 Cohlenstoff-Atome. allgemein fest, Wachs-artige Eigenschaften, auch in dünnen Schichten Wasser-abweisend und Luft-dicht, leicht zu entfernen und ungiftig Schutzschicht um Lebensmittel (z.B. Käse, …) brennbar und einfach zu händeln (Kerze, Teelicht, …) bei Kerzen wird häufig mehr auf Stearin als auf Paraffin gesetzt, Stearin ist ein Gemisch aus Triglyceriden (Fette od. Fett-ähnliche Stoffe), brennt etwas stabiler und weniger rußend als Paraffin Vaseline ist ebenfalls ein Gemisch aus Alkanen und anderen ähnlichen Stoffen mit einem Schmelzbereich von 38 – 58 °C. Basis für Kosmetika und Salben


2.2. ungesättigte Cohlenwasserstoffe Ungesättigte Cohlenwasserstoffe enthalten mindestens eine Mehrfachbindung zwischen zwei Cohlenstoff-Atomen. Wir kennen die Doppel- und die Dreifach-Bindung. Die Kohlen-wasserstoffe, die eine oder mehrere Doppelbindungen enthalten heißen Alkene ( 2.2.1. Alkene), die mit einer oder mehreren Dreifachbindungen Alkine ( 2.2.2. Alkine). Bei cyclischen Kohlenwasserstoffen kann dann noch eine besondere Situation auftreten. Bei manchen Ringen treten die Doppelbindungen scheinbar alternierend – also abwechselnd mit Einfachbindungen auf. Diese Konstellation bewirkt diverse besondere Eigenschaften. Be-sonders intensiv sind die Eigenschaften-Sprünge dann zu beobachten, wenn bestimmte Zah-len (3, 5, 7, …) an solchen Doppelbindungen auftreten. Die Stoffe mit so einer Konstellation stellen eine ganz besondere Stoffgruppe dar – die Aromaten ( 2.2.3. Aromaten). Ungesättigte Cohlenwasserstoffe begegnen uns in der biologischen Welt sehr häufig. So sind ungesättigte Cohlenwasserstoffe und deren Derivate z.B. in vielen Fetten, Vitaminen, Duft-, Farb- und Aroma-Stoffen enthalten. Besonders Pflanzen produzieren diese Verbin-dungen zu Genüge. In vielen Fällen sind Verbindungen mit ungesättigten Bindungen (meist aus pflanzlichen Quellen) für uns lebensnotwendig (essentiell).

Definition(en): ungesättigte Cohlenwasserstoffe Cohlenwasserstoffe, die zwischen den Cohlenstoff-Atomen neben den Einfach-Bindungen auch mindestens über eine Doppel- oder Dreifach-Bindung verfügen, nennt man ungesät-tigt.

Ungesättigte Cohlenwasserstoffe sind organische Stoffe, die sich durch Hydrierung zu ge-sättigten Cohlenwasserstoffen umwandeln lassen.


2.2.1. Alkene Charakteristisches Merkmal der Alkene ist die Doppelbindung (Zwei-fachbindung) zwischen zwei Cohlenstoff-Atomen. In Alkenen kommt mindestens eine dieser Doppel-Bindungen im Molekül vor. Der Klassen-suffix ist –en.

\ /

C = C

/ \

Früher wurden die Alkene auch als Olefine bezeichnet. Auch heute findet man diese Benen-nung noch im Bereich der technischen Chemie. Doppelbindungen finden wir in biologisch bedeutsamen Molekülen sehr häufig.

Definition(en): Alkene Alkene sind Cohlenwasserstoffe, die zwischen den Cohlenstoff-Atomen außer den üblichen Einfach-Bindungen über (mindestens) eine Doppel-Bindung verfügen.

Alkene sind Cohlenwasserstoffe, die sich durch einmalige Hydrierung sättigen lassen.

2.2.1.1. Bau und Struktur Auch die Alkene bilden eine homologe Reihe. Aus praktischen Gründen erwähnen wir hier nur die ersten vier Glieder. Die restlichen können Sie sich jederzeit mit ihren Kenntnissen ableiten. Außerdem ist die Bedeutung der reinen Alkene in Biologie und Ernährungslehre begrenzt. Wir wollen Sie hier nur etwas genauer besprechen, um die Doppelbindung ken-nenzulernen. Sie ist recht bedeutsam.

Anzahl C-Atome

Name Summen-formel

Strukturformel Verwendung

1

2 Ethen (Äthylen)

C2H4 H H

\ /

C = C

/ \

H H

Rohstoff für Polyethen (PE, Polye-thylen) z.B. Plas-tiktüten

3 Propen (Propylen)

C3H6 H H

\ /

C = C H

/ \ /

H C

/ \

H H

Rohstoff für Polypropen (PP, Polypropylen)

4 Buten C4H8 H H

\ /

C = C H H

/ \ / |

H C – C - H

/ |

H H

5 Penten C5H10 H H

\ /

C = C H H H

/ \ / | |

H C – C – C - H

/ | |

H H H

…


Bei längeren Ketten sind unterschiedliche Positionen für die Doppelbindung möglich. In den Namen wird die Position als arabische Ziffer vor dem en (für die Doppelbindung) im Namen an-gegeben.Bei Ethen und Propen ist dies nicht notwendig, da es jeweils nur ein Isomer gibt. Bei Buten wären die nachfolgenden (kettenförmigen) Möglichkeiten denkbar:

?

?

?

H H

\ /

C = C H H

/ \ / |

H C – C - H

/ |

H H

H H

\ /

H - C H

\ /

C = C

/ \

H C - H

/ \

H H

H H

| /

H – C – C H

| / \ /

H H C = C

/ \

H H

But-1-en But-2-en But-3-en Beim genauen Hinsehen stellen wir fest, dass die Struktur von But-3-en eigentlich der von But-1-en entspricht. Somit kann eine von ihnen gestrichen werden. Nun tritt wieder die Regel der kleinstmöglichen Zahlen in Kraft, so dass wir nur But-1-en und natürlich noch But-2-en über behalten.

!

!

!

H H

\ /

C = C H H

/ \ / |

H C – C - H

/ |

H H

H H

\ /

H - C H

\ /

C = C

/ \

H C - H

/ \

H H

But-1-en But-2-en 1-Buten

Buten-(1) 2-Buten

Buten-(2) alternative Schreibweisen

In Cohlenstoff-Doppelbindungen befinden sich die C-Atome im sp2-hybridiserten Zustand. Ein p-Orbital (gelblich) wurde nicht mit in die Hybridisierung einbezogen. Die drei hybridisier-ten Orbitale bilden eine planare (ebene) Strucktur. Der Bindungswinkel beträgt 120 °. Die freien p-Orbitale bilden zwei Elektronen-Wolken, die eine Drehung um die C-C-Bindung nun unmöglich machen. Die Elektronen-Wolken stellen sozusagen die zweite Bindung in der

Doppel-Bindung (-Bindung, = griech.: p (pi)) dar. Die Bananen-artige Form und die meist gelbliche Farbgebung haben dieser Bindung den Spitz-Namen "Bananen-Bindung" einge-bracht.

Die sp2-C-C-Bindung wird zur Unterscheidung -Bindung ( = griech.: s (sigma)) genannt.

sp2-hybridisiertes C-Atom Ethen mit Bindungs-Orbitalen "Bananen-Bindung"


Der Wegfall der Drehbarkeit in einer Doppelbindung führt zu neuen Isomeren. Betrachten wir den einfachsten Fall n-But-2-en:

?

H H

\ /

C = C

/ \

H - C C – H

/ \ / \

H H H H

H H

\ /

H - C H

\ /

C = C H

/ \ /

H C – H

/

H

But-2-en But-2-en Die Methyl-Reste links und rechts von der Doppel-Bindung können ihre Richtungen (oben bzw.

unten) nicht mehr tauschen. Im linken Fall stehen die Reste zur gleichen Seite - zusammen. Deshalb nennt man solch ein Isomer die cis-Form (Z-Form, Z .. zusammen). Das Gegen-stück (rechte Abb.) ist die trans-Form (E-Form, E .. entgegen).

H H

\ /

C = C

/ \

H - C C – H

/ \ / \

H H H H

H H

\ /

H - C H

\ /

C = C H

/ \ /

H C – H

/

H

Z-But-2-en E-But-2-en cis-But-2-en trans-But-2-en

Als Eselsbrücke kann man sich vielleicht merken, dass bei der cis-Form im gewissen Sinne der Buchstabe C an der Doppelbindung entsteht. Die trans-Form kann man sich aus dem Begriff Transit für Durchgang, Durchführung usw. ableiten. Man kann die Doppelbindung so-zusagen ohne Richtungsänderung passieren. Sind mehrere Substituenten an den Doppel-Bindungen zu beachten, dann gelten die Regel der CAHL-INGOLD-PRELOG-Konvention (CIP-Konvention, R-S-System, R-S-Isomerie)! Die Substituenten bekommen dabei Prioritä-ten, die sich nach Größe und Oxidationsgrad unterscheiden, und werden dann entsprechend geordnet.

Mehrere Doppelbindungen werden durch Angabe der griechischen Zahlwörter (di, tri, tetra, …) vor dem en im Namen angezeigt. Somit ergibt sich dann z.B. –dïen, -trïen. Beachten Sie, dass i und e ge-trennt gesprochen werden. Manchmal wird dies auch durch zwei i-Punkte gekennzeichnet. Für die Namengebung ist natürlich auch eine homologe Reihe der Alkylene konstruierbar. Nach der Stellung der Doppelbindungen zueinander unterscheidet man isolierte, konjugierte und kumulierte Systeme. Eine einzelne Doppelbindung wird als isoliert angesehen (oberste / erste Abb.). Bei kumulierten Doppelbindungen sind zwei Doppelbindungen di-rekt benachbart (zweite Abb.). Bei konjugierten Systemen liegt zwischen zwei Doppelbindungen genau eine Einfachbindung (dritte Abb.).

\ /

C = C

/ \

\ /

C = C

/ \\ C –

/

\ /

C = C

/ \ /

C = C

/ \


Sind mehrere Einfachbindungen dazwischen, dann sieht man die Doppelbindungen wieder als isoliert an (rechte Abb.). Besonders konjugierte Doppelbindungen sind für den Chemiker interessant, da diese meist mit dem Licht wechselwirken. Die Hauptnutzung solcher Stoffe ist deshalb auch bei Farbstoffen usw. zu finden. Die Bennennung verzweigter Alkene erfolgt ähnlich wie bei den Alkanen. Die Stamm-Verbindung ist hier die längste Cohlenstoff-Kette, die eine Doppel-Bindung enthält.

\ / \

C = C C -

/ \ / // Cn – C

/ \


2.2.1.2. Eigenschaften der Alkene In der homologen Reihe verändern sich die physikalischen Eigenschaften (z.B. Aggregatzu-stand) ähnlich schrittweise, wie bei den Alkanen. Die verschiedenen Isomere und deren Derivate haben z.T. auch sehr unterschiedliche Ei-genschaften. Diese aber im Detail auseinanderzupflücken ist für unsere Zwecke nicht sehr zweckmäßig. Bei Bedarf gehen wir auf Details und Spezialitäten an geeigneter Stelle ein. Anzahl C-A.

Name Summen-formel

Fp [°C]

Kp [°C]

Aggregat-zustand

Geruch

2 Ethen C2H4 gasförmig geruchlos

3 Propen C3H6 gasförmig geruchlos

4 But-1-en C4H8 -185 -6 gasförmig geruchlos

4 2- Methylprop-1-en C4H8 -139 +4 gasförmig geruchlos

4 cis-But-2-en, Z-But-2-en C4H8 -105 +1 gasförmig geruchlos

4 trans-But-2-en, E-But-2-en C4H8 -140 -7 gasförmig geruchlos

5 Penten C5H10

6 Hexen C6H12

7 Hepten C7H14

8 Octen C8H16

9 Nonen C9H18

10 Decen C10H20

11 Undecen C11H22

12 Dodecen C12H24

13 Trideken C13H26

14 Tetradecen C14H28

15 Pentadecen C15H30

16 Hexadecen C16H34

17 Heptadeken C17H34

18 Octadecen C18H36

20 Eicosen C20H40

60 Hexaconten C60H120

+) im Vakuum bei 20 mbar; bei Normaldruck vorher zersetzlich

Aufgabe:

1. Welche Aggregatzustände ergeben sich für die Buten-Isomere, wenn die

Normbedingungen mit 1013 hPa und 0 °C festgelegt werden, was in einigen

Tabellen-Büchern üblich ist!


2.2.1.2.1. chemische Eigenschaften – Reaktionen der Alkene

Bei ungesättigten Kohelnwasserstoffen kommt es normalerweise nicht zu Substitution, wenn man Halogen mit ihnen reeagieren lässt. Vielmehr wird die Doppelbindung aufgebrochen und die Halogen-Atome lagern sich an. Am Einfachsten ist die Addition von polaren Stoffen, wie z.B. Chlorwasserstoff oder Brom-wasserstoff zu erklären. Prinzipiell läuft die Addition von unpolaren, aber polarisierbaren Stoffen – wie z.B. Brom – ganz ähnlich. Die Doppelbindung ist recht Elektronen-reich. Damit haben wir dort eine Konzentration nega-tiver Ladungsträger. Diese ziehen nun widerum positive Ladungen (od. Partial-Ladungen) an bzw. polarisieren geeignete Bindungen. Im unten stehenden Beispiel wird die polarisierte Atombindung im Chlorwasserstoff noch weiter polarisiert. Die Doppelbindung wird zum posi-tiv geladenen Wasserstoff gezogen. aufgelöst und geht schließlich eine neue Bindung ein. H H

\ /

C + -

|| + H Cl C

/ \

H H

H H

\ /

C

| H⊕ + Cl⊖

C

/ \

H H

H

|

H – C - H

| + Cl⊖

C⊕

/ \

H H

H

|

H – C - H

|

H – C - Cl

|

H

Am anderen C-Atom der ehemaligen Doppelbindung entsteht eine positive Ladung (Carbo-Kation). Das bei der Spaltung des Chlorwasserstoffes übrig gebliebene Chlorid-Ion bindet dort. Das Produkt heißt Monochlorethan und ist ein typisches Halogen-Derivat der Alkane. Die ehemals ungesättigten Kohlenwasserstoffe enthalten nach der Addition nur noch gesättigte Bindungen. Insgesamt haben wir es mit einer Additions-Reaktion zu tun. Ein positiv geladenes Teil-chen, welches Elektronen-liebend (elektrophil) ist, greift die Doppelbindung zuerst an. Des-halb sprechen wir von einer elektrophilen Addition (Abk.: AE). Betrachten wir eine abgewandelte Variante dieser Reaktion. Es sollen Propen und Brom-wasserstoff miteinander reagieren. CH3 – CH2 = CH2 + HBr CH3 – CH2Br – CH3

Der teilweise positiv geladene Wasserstoff aus dem Bromwassertsoff-Molekül interagiert mit der Elektronen-reichen Doppel-Bindung des Propens. Die polarisierte Bindung des Bromwasserstoffs wird unsymetrisch aufgelöst. Die Dop-pel-Bindung übernimmt das Proton. In jedem Fall bildet sich ein – im inneren liegendes – Carbenium-Ion. Dieses rea-giert dann mit dem – vom Bromwasserstoff – übrig gebliebenen Bromid-Ion unter Bildung einer Atom-Bindung (siehe Abb. unten).


Bei Additionen bilden sich eher Verbindungen mit innen liegenden Substituenten. Wir sprechen

auch hier von Substituenten, da scheinbar aus einem gesättigten Molekül einzelne Wasserstoff-Atome durch an-dere Atome ausgetauscht wurden.

Durch die innere Lage wird das tempräre Carbenium-Ion während der Reaktion stabilisiert. Die nachfolgende Anlagerung des Halogen-Ions ist dann nur noch eine reine Formsache. Betrachten wir nun die Reaktion von einem Alken mit einem reinen Halogen. CH3 – CH2 = CH2 + Br2 CH3 – CH2Br – CH2Br

Das Brom-Molekül wird bei Annäherung an die Doppel-Bindung polarisiert. Es kommt letztendlich zur heterolytischen (unsymetrischen)Spaltung des Brom-Moleküls. Diese Spaltung wird durch Verwendung von polaren Lösungsmitteln (bei Brom z.B. Wasser) noch gefördert. Das Bromonium-Ion (Br

+) lagert sich an der Doppel-Bindung an und läßt ein

temporäres Carbenium-Ion entstehen.

Das Carbenium-Ion reagiert dann umgehend mit dem zurückgebliebenen Bromid-Ion (Br-).

Die Addition von Brom wird auch als Nachweis für Doppelbindungen benutzt. Dabei nutzt man die Entfärbung einer Brom-Lösung (z.B. Brom-Wasser, Br2H2O) aus. Das Bromwasser hat die typische rotbraune Brom-Farbe – die Additionsprodukte (Brom-Alkane) sind dagegen farblos. Diese Reaktion lässt sich sogar für semiquantitative Untersuchungen gebrauchen, indem man z.B. die verbrauchten (entfärbten) Brom-Wasser-Tropfen zählt. Für genauere quantitative Untersuchungen des Doppelbindungsgehaltes eigent sich die BAYERsche Probe ( Nachweis von Mehrfachbindungen mittels BAEYERscher Probe / BAEYERschem Test:). Leider ist diese nicht nur für Mehrfachbindungen spezifisch. Ethen lässt sich durch elektrophile Addition von Wasser in Ethanol (Alkohol) umwandeln. Als Katalsator werden Säuren verwendet, um ein Proton als elektrophile Agenz zu haben. H2C = CH2 + H2O H3C – CH2 –OH Ethanol (C2H5OH)

Die partiell positiv geladenen Wasserstoff-Atome des Wasser-Moleküls können sehr gut mit der Doppel-Bindung inter-agieren. Das Wasser-Molekül wird in ein Wasserstoff-Ion (Proton) und ein Hydroxid-Ion gespalten. Hier helfen Säuren besonders gut als Katalysator. Das Proton wird in das Ethen-Molekül eingebaut und es entsteht ein Carbenium-Ion.


Das Hydroxid-Ion kann nun im zweiten Schritt am Carbenium-Ion anlagern. Die quasi substi-tuierte OH-Gruppe wird in der organischen Chemie Hydroxyl- oder Hydroxi-Gruppe genannt. Praktisch ist auch die Bindung zwischen Cohlenstoff und Sauerstoff polarisiert (s.a. rechte Abb.). Da diese Bindung aber gewissermaßen geschützt im Inneren des Moleküls liegt und meist erst nach der Abspaltung des Wasserstoffs aus der Hydroxyl-Gruppe an Reaktionen teilnimmt, wird diese Bindung vorerst als unpolarisiert betrachtet (s.a. obere Abb.).

Dieser sogenannte technische Alkohol darf nicht für Trinkzwecke verwendet werden. Vorm in den Handelbringen muss dieses Alkohols vergällt (Veränderung des Geschmacks) werden. Da-zu wird Benzin oder Campher genutzt. Z.B. als Brennspiritus ist er dann noch gut für Lö-sungs- und Brennzwecke nutzbar. Trinken lässt er sich aber nicht mehr. Das Vergällen hat vor allem steuerrechtliche Gründe. Trinkalkohol (aus natürlichen Quellen) wird sehr hoch be-steuert.

Definition(en): Addition Additionen sind chemische Reaktionen, bei denen Atome oder Atom-Gruppen angelagert werden (, ohne dass dafür andere Atome oder Atom-Gruppen abgespalten werden). Additionen finden vornehmlich an Mehrfachbindungen statt. Man unterscheidet radikalische, elektrophile und nucleophile Substitutionen.

Eine Addition ist die Vereinigungs-Reaktion von mindestens zwei Molekülen. Dabei wird ei-ne Mehrfachbindung aufgespalten.

Definition(en): elektrophile Addition; AE-Reaktion Elektrophile Additionen (AE) sind Additions-Reaktionen, bei denen der Elektronen-liebende Reaktions-Partner (er selbst besitzt eine verringerte Elektronen-Dichte) – auch Elektrophil genannt – an einer Elektronen-reichen Stelle des anderen Reaktions-Partners (dieser ist eher nucleophile /

Kern-liebend / hat vergrößerte Elektronen-Dichte) angreift und reagiert.

Elektrophile Reaktionen sind Orts-selektiv, da sie an Orte mit hoher Elektronen-Dichte – z.B. Mehrfach-Bindungen – gebunden sind.

Aufgaben:

1. Stellen Sie die Gleichungen für den Mechanismus der elektrophilen Additi-

on von Wasser bei Verwendung einer Säure (also Hydronium-Ionen) als

Katalysator jeweils an Ethen und Propen auf!

2. Informieren Sie sich darüber, warum man Benzin oder Campher als Vergäl-

lungs-Mittel benutzt! Gibt es eine Chance aus billigem technischen (und

vergällten) Alkohol den guten Trink-Alkohol zu machen (und damit viele

Steuern zu sparen)?


In der technischen Chemie spielt aber eine ganz andere Reaktion ein viel größere Rolle. An speziellen Katalysatoren reagiert Ethen auch mit sich selbst. Der Reaktionsmechanismus verläuft als Kettenreaktion. Als Startreaktion werden meist Radikalbildungen verwendet. Gut geeignet sind hierfür orga-nische Peroxide (enthalten – O – O – ). R' – O – O – R'' R' – O + O – R''

Peroxid sind im Allgemeinen sehr reaktiv, d.h. sie zerfallen symetrisch in zwei Radikale. Die Teilung erfolgt also sym-metrisch an der Sauerstoff-Sauerstoff-Brücke. Für die Symmetrie-Betrachtung spielt es keine Rolle. ob die beiden Reste (R) gleich oder unterschiedlich sind.

Das R steht in der organischen Chemie für Rest. Für unterschiedliche Reste werden R', R'', R''', … oder R1, R2, R3 usw. verwendet. Die letzte Schreibung ist leicht mit der Anzahl-Kennung in chemischen Formeln zu verwechseln, so dass man lieber die erste Variante wählen sollte oder z.B. eine Kennzeichnung mit Buchstaben als Indize (RA, RB, RC, …). Res-te können Alkyle oder auch andere unvollständige Kohlenwasserstoffe bzw. deren Derivate sein. Beide Radikale können nun mit dem Haupt-Ausgangsstoff Ethen weiterreagieren: R – O + H2C = CH2 R – O – CH2 – CH2

Ein Starter-Radikal reagiert mit dem ersten Molekül Ethen. Das ungepaarte Elektron interagiert mit der Elektronen-reichen Doppel-Bindung und "entzieht" ihr quasi ein Elektron. Damit wird eine Bindung zwischen dem Radikal-Rest und dem Ethen aufgebaut. Von der Doppel-Bindung bleibt ein ungepaarte Elektron über, welches am anderen C-Atom ein Radikal ausbildet.

Die Doppelbindung wird aufgebrochen und ein ungepaartes Elektron bleibt am Moleküle-Ende erhalten. Dieses Radikal kann nun wieder mit Ethen reagieren, wobei sich die Kette immer weiter verlängert:

R – O – CH2 – CH2 + n H2C = CH2 R – O – CH2 [– CH2 – CH2 ]n– CH2

Das radikalische Reaktions-Prinzip wiederholt sich jetzt ständig. Das Radikal entzieht der Doppel-Bindung ein Elektron für eine Atom-Bindung und am zweiten Doppen-Bindungs-Atom manifestiert sich ein ungepaartes Elektron.


Erst wenn zwei Radikale zusammentreffen, dann kommt es zum Abbruch der Kettenreaktion. Betrachten wir hier hur ein Beispiel. Die anderen Kombinationen der Reaktionspartner sind leicht abzuleiten.

R – O – CH2 [– CH2 – CH2 ]n– CH2 + O – R R – O [– CH2 – CH2 ]n+1 – O – R

Bei jedem Reaktions-Schritt verlängert sich die Kette um eine Ethylen-Einheit (-CH2-CH2- bzw. -C2H4-). Um etwas Schreib-Arbeit zu sparen kann man auch die untere Schreibweise benutzen.

Bei der Polymerisation sind eine Vielzahl von Ketten-Abbrüchen möglich. Wir zeigen hier zwei der prinzipiellen Möglichkeiten. Zum Einen kann eine Kette mit ihrem radikalischen En-de mit einem übergebliebenen Starter-Radikal reagieren:

R – O – CH2 [– CH2 – CH2 ]n– CH2 + O – R R – O [– CH2 – CH2 ]n+1 – O – R

Die beiden ungepaarten Elektronen bilden bei Kontakt sofort eine (polarisierte) Atom-Bindung aus.

Die zweite Möglichkeit besteht darin, dass zwei der radikalischen Ketten miteinander reagie-ren.

R – O – CH2 [– CH2 – CH2 ]n– CH2 + CH2 [– CH2 – CH2 ]m– CH2 – O – R

R – O [– CH2 – CH2 ]n+m+2 – O – R

Eine wesentlich seltenere Variante des Ketten-Abbruchs ist die Interaktion von zwei radikalischen Enden der gebildeten Po-lyethylen-Ketten. Beide Ketten vereinen sich unter Ausbildung einer C-C-Einfach-Bindung.

Die Reaktionsprodukte unterscheiden sich in der jeweiligen Kettenlänge. Durch eine geeig-nete Prozessführung (z.B. hoher Druck) und ausgewählte Katalysatoren kann man recht ein-heitliche Kettenlängen erreichen. Das Mischprodukt heiß übrigens Poly-Ethen (Poly-Ethylen,


Hochdruck-Polyethylen, Poly-Äthylen). Die Start-Radikale können u.U. auch noch chemisch entfernt werden. In den meisten Fällen machen diese kleinen "Verunreinigungen" im Produkt nichts aus. Dafür sind die hergestellten Ketten einfach zu groß (zu lang). Poly-Ethen (PE, HDPE) ist das Material, welches die moderne "westliche Kaufkultur" so ausmacht – die Ein-kaufstüte aus Plastik. Weiterhin wird Polyethen auch für Lebensmittelgefäße (Plastedosen) und Verpackungen aller Art verwendet. Die Verwendung von Polyethylen für Wegwerf-Artikel und Verpackungen ist ökologisch sehr bedenklich. Durch natürliche Prozesse dauert es Jahrzehnte bis Jahrhunderte, bis das Material auf Halden abgebaut wird. Der Reaktionstyp für die oben besprochene Reaktion ist hier ebenfalls eine Addition. Da die-se vielfach hintereinander abläuft, spricht man auch von Polyaddition oder weil die Doppel-bindungen aufgespalten und zu Einfachbindungen gewandelt werden, auch von Polymerisa-tion. Im Allgemeinen entstehen bei Polymerisations-Reaktione sehr große Moleküle, die auch Makro-Moleküle genannt werden. Ein weiteres Polymerisations-Produkt ist das Polypropylen (Polypropen). Es wird aus Propen hergestellt. In Molekülen mit konjugierten Doppel-Bindungen – z.B. bei Buta-1,3-dien – kommt es bei der einfachen / ersten Bromierung (elektrophile Addition von Brom) zu einem interessanten Isomerie-Effekt. Zum Einen entsteht das erwartete 1,2-Dibrombut-3-en (ganz exakt: 3,4-Dibrombut-1-en):

H2C=CH-CH=CH2 + Br2 BrCH2-CHBr-CH=CH2 ; RH = -??? kJ/mol

Desweiteren entsteht ein Produkt mit verlagerter (gewanderter) Doppel-Bindung – das 1,4-Dibrom-2-en:

H2C=CH-CH=CH2 + Br2 BrCH2-CH2=CH2-CH2Br ; RH = -??? kJ/mol

Beide Produkte bilden sich ungefähr zu gleichen Anteilen – sind also energetisch gleich stabil. Eine Erklärung dieses seltsamen Geschehens kann über die LEWIS-Formeln von kon-jugierten Doppel-Bindungen gegeben werden. Es sind mesomere Strukturen möglich, die eine "temporäre" Doppel-Bindung zwischen den beiden ursprünglichen Doppel-Bindungen stabilisiert: H H

\ /

⊕C - C H

/ \\ / H C – C|⊖

/ \

H H

H H

\ /

C = C H

/ \ /

H C = C

/ \

H H

H H

\ /

⊖|C - C H

/ \\ / H C – C⊕

/ \

H H


Reaktions-Verhalten innerhalb der homologen Reihe Auch innerhalb der Alkene hat die Cohlenstoff-Atom-Anzahl einen Einfluß auf das Reaktions-Geschehen. Mit steigender Kettenlänge wird quasi die Doppel-Bindung immer seltener im Molekül. Immer weniger Zusammenstöße kön-nen zu einer Addition führen (grüne Pfeile in der nebenstehenden Abb.). Die nicht-wirksamen Zusammenstöße (pink) nehmen immer mehr zu. Unter Additions-Bedingungen kommt es hier zu keiner Reaktion. Die Reaktions-spezifischen Zusammenstöße sind zudem schon dadurch beschränkt, dass eine sehr gerichtete Annäherung des elektrophilen Reaktions-Partners an die – immer seltener werdende – Doppel-Bindung erfolgen muß. Unter geeigneten Bedingungen (z.B. Strahlung) sind bei kurz- und längerkettigen Alkenen (ab C3) aber auch Substitutionen möglich. Vom sta-tistischen (kinetischen) Standpunkt steigt die Chance für Substitutionen mit der Kettengröße stark an. Im Allgemeinen findet die Reaktion aber an dem C-Atom statt, dass der Doppelbin-dung direkt benachbart ist (Allyl-Stellung, Allyl-Position). Dies ist aber thermodynamisch be-dingt. Hier ist das C-Atom besonders "empfind-lich" für einen radikalischen Angriff.

Induktions-Effekte (I-Effekt) +I-Effekt durch Alkyl-Gruppen, drücken Elektronen in benachbarte Molekül-Teile, das Carbenium-Ion wird dadurch schwächer (ev. nur noch partiell geladen) und stabilisiert sich so besser; Erhöhung der Elektronen-Dichte am substituierten C-Atom (das angebundene Atom hat eine geringere Elektronegativität) mit steigender Alkyl-Rest-Anzahl / steigendem +I-Effekt(en) wird die elektrophile Addition umso besser möglich, tertiäre Carbenium-Ionen sind stärker als sekundäre und diese eben-falls stärker als primäre stabilisiert -I-Effekt Verringerung der Elektronen-Dichte am substituierten C-Atom (das angebundene Atom hat eine größere Elektronegativität) Mesomerer Effekt (M-Effekt) -M-Effekt wenn der Substituent Elektronen aufnehmen kann +M-Effekt wenn der Substituent Elektronen abgegeben kann (+ … bewirkt Erhöhung der Elektronen-Dichte am Zentrum; - … bewirkt Senkung der Elekt-ronen-Dichte am Zentrum) MARKOVNIKOV-Regel Die elektrophile Addition von unsymmetrischen Reagenzien (Stoffen) an unsymmetrischen Alkenen bildet vorrangig solche Isomere, bei denen der elektrophile Teil der Reagenz an


dem dem Doppel-Bindungs-Cohlenstoff-Atom bindet, welches den längeren Alkyl-Rest / den Rest mit mehr Wasserstoff-Atomen enthält. besonders einfach auch die Addition bei konjugierten Doppel-Bindungen im Vergleich der Hydrierung von 1,3-Butadien und 1,4-Pentadien liegt die Hydrierwärme im konjugierten Fall (Butadien) um 8 kJ/mol niedriger als im quasi isolierten Fall (Pentadien)

H2C=CH-CH=CH2 + 2 H2 H3C-CH2-CH2-CH3 ; RH = -239 kJ/mol

H2C=CH-CH2-CH=CH2 + 2 H2 H3C- CH2-CH2-CH2-CH3 ; RH = -231 kJ/mol

beim Vergleich der Hydrierung von 1,3.Pentadien und 1,4-Pentadien:

H2C=CH-CH=CH-CH3 + 2 H2 H3C- CH2-CH2-CH2-CH3 ; RH = -??? kJ/mol

H2C=CH-CH2-CH=CH2 + 2 H2 H3C- CH2-CH2-CH2-CH3 ; RH = -231 kJ/mol

??? Reaktionsgeschwindigkeit bei längeren Ketten besondere Reaktionsfähigkeit allylständiger C-Atome z.B. radikalische Oxidation über Pero-xid-Bildung Europa-Buch S. 64 bzw. EL-Skript (Fette, chem. E.)

-I-Effekt +I-Effekt

Formel Name Formel Name

nur induktiv -[NR3] -CF3

-CR3

-SiR3

-[CO2]

Carbonat, Carbonsäu-re

induktiv und mesomer

-I + -M +I + +M

-CN -CO-R -CO-X -NO2 -SO2R

Cyanid Keton Nitro-

-O

-I < +M -I > +M

-NR2 -OR -NHCOR -SR -Ph

Ether Phosphat

-F -Cl -Br -I

Fluorid Chlorid Bromid Iodid


!!! Reihenfolgen / Abstufungen nicht geprüft oder beachtet!

Br2 2 Br

CH3 – CH2 – CH2 + Cl CH3 – CH2 – CH2Cl


Aufgaben:

1. Die nachfolgenden Reaktions-Gleichungen mit Darstellung der Polaritäten

sind irgendwie durcheinander gekommen. Ordnen Sie diese logisch hinter-

einander an und erläutern Sie die ablaufenden Vorgänge und Mechanismen!

A)

B)

C)

D)

E)

F)

G)

2.

für die gehobene Anspruchsebene:

x. Stellen Sie mindestens drei Reaktionsgleichungen auf, in denen n-Dec-3-en

pyrolysiert wird!


2.2.1.3. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkene

2.2.1.3.1. Ethen

Hormon für viele Pflanzen, spielt große Rolle bei Fruchtreife Begasung von grünen Bananen (Transportform) kurz vor Umschlag oder Auslieferung Industrie-Rohstoff für Plaste / Elaste (Polyethen (Polyethylen)

2.2.1.3.2. Lycopen

Lycopen (Tomate)

Q: www.3dchem.com



2.2.2. Alkine Kohlenwasserstoffe mit einer Dreifach-Bindung (Alkine) spielen in Biologie und Ernährungs-lehre eher eine untergeordnete Rolle. Da wir aber auch ab und zu auf so eine Bindung tref-fen, wollen wir die Alkine – auch wegen der Vollständigkeit - hier ganz kurz behandeln.

Definition(en): Alkine Alkine sind Cohlenwasserstoffe, die zwischen den Cohlenstoff-Atomen außer den üblichen Einfach-Bindungen über (mindestens) eine Dreifach-Bindung verfügen.

Alkine sind Cohlenwasserstoffe, die sich erst durch eine doppelte Hydrierung an einer C-C-Bindung sättigen lassen.

2.2.2.1. Bau und Struktur der Alkine

Die Dreifachbindung basiert auch sp-hybridisierten C-Atomen, die eine -Bindung ("normale

Einfachbindung") und zwei -Bindungen zwischen sich aufrechterhalten. Das Ergebnis ist eine lineare Struktur, die nur jeweils eine Bindungsmöglichkeit zu einem anderen Atom zu-läßt.

Die beiden "Bananen-Bindungen" liegen um 90 ° gedreht – senkrecht aufeinander - um die

-Bindung. Alkine besitzten die allgemeine Formel CnH2n-2. Die Endung an den Stammnamen ist das –in. Der wichtigste Vertreter ist das Ethin (Äthin, Azetylen), dass bei der Reaktion von Calciumcarbid und Wasser entsteht.

CaC2 + 2 H2O HC CH + Ca(OH)2 ; RH = -146 kJ / mol Ethin wird vorrangig als Synthese-Gas (80 %) und als Brennstoff verwendet. In kleinen Schmieden und Schweißereien stehen kleine Gasentwickler, in deren Druckkörper vorsichtig festes Carbid in Wasser getaucht wird. Das gebildete Gas wird zum Schweißen (Azetylen-Schweißen) verwendet. Eine andere Verwendung sind die Karbid-Lampen, die Bergleute früher mit in die Stollen genommen haben. Bis in die 50er Jahre des letzten Jahrhunderts wurde Ethin im Gemisch mit 60 % Sauerstoff als Narkosegas (Handelsname: Narcylen) ver-wendet.


Heute wird das Gas auch in Stahlflaschen angeliefert. Bindungs-Enthalpie einer C-C-Dreifach-Bindung mit 840 kJ/mol ist geringer als das Dreifa-che einer C-C-Einfach-Bindung (3x 348 kJ/mol = 1.044 kJ/mol)


2.2.2.2. Eigenschaften der Alkine Die Alkine unterscheiden sich in ihren Eigenschaften nicht so sehr von den Alkenen. Anzahl C-A.

Name Summen-formel

Fp [°C]

Kp [°C]

Aggregat-zustand

Geruch

2 Ethin C2H4 -81 * gasförmig schw. süßl.

3 Propin C3H6 -103 -23 gasförmig

4 But-1-in C4H8 -126 +8 gasförmig

5 Pent-1-in C5H10 -106 +40 flüssig

6 Hexin C6H12

7 Heptin C7H14

8 Octin C8H16

9 Nonin C9H18

10 Decin C10H20

11 Undecin C11H22

12 Dodecin C12H24

13 Tridecin C13H26

14 Tetradecin C14H28

15 Pentadecin C15H30

16 Hexadecin C16H34

17 Heptadecin C17H34

18 Octadecin C18H36

20 Eicosin C20H40

60 Hexacontin C60H120

+) im Vakuum bei 20 mbar; bei Normaldruck vorher zersetzlich * … sublimiert Ethin löst sich Wasser, Dreifach-Bindung ist lokal sehr Elektronen-reich und damit ist das Molekül polar will man Ethinbei der Darstellung pneumatisch auffangen, dann verwendet man eine gesät-tigte Kochsalz-Lösung als Sperr-Flüssigkeit, in dieser löst sich deutlich weniger Ethin als im reinen Wasser


2.2.2.2.1. chemische Eigenschaften – Reaktionen der Alkine

Im Prinzip kommt es bei Alkinen nur zu elektrophilen Additionen. So führt z.B. die Hydrierung (Addition von Wasserstoff) zu Alkenen: HC CH + H2 H2C = CH2 Mit Halogenen oder Halogenwasserstoff reagieren Alkine direkt durch zu Halogen-Alkanen, da auch die zwischenzeitlich erhaltene Doppelbindung ebenfalls nucleophil ist und somit ei-nen elektrophilen Angriff offen gegenüber steht: HC CH + 2 HCl H2C = CHCl + HCl ClH2C – CH2Cl HC CH + 2 Cl2 ClHC = CHCl + Cl2 Cl2HC – CHCl2 Bei der Verbrennung von gasförmigen Alkinen treten unter guter Frischluft- oder Sauerstoff-Zufuhr sehr heiße Flammen (bis 3200 °C) auf:

HC CH + 2½ O2 2 CO2 + H2O ;RH = - kJ / mol Die Verbrennung entspricht einer vollständigen Oxidation. Dies ist praktisch auch eine Re-doxreaktion – also eine Reaktion mit Elektronen-Übergang. Bei organischen Stoffen kommen neben den üblichen Regeln für die Festlegung einer Oxida-tionszahl (Abk.: OZ) noch eine spezielle Regel dazu. Zur Berechnung der einzelnen Oxidati-onszahlen werden immer die C-Atome einzeln betrachtet. Die Summe muss 0 bzw. die

Ladung eines ev. Ion's ergeben. Insgesamt gelten die Regeln in ihrer Reihenfolge. +1-1 -1+1 0 +4-2 +1 -2

H C C H + 2½ O2 2 C O2 + H2 O Für Wasserstoff ändert sich in unserem Beispiel keine OZ. Damit fällt aus weiteren Betrach-tungen heraus. Der Cohlenstoff hatte im Ethin die OZ -1 und im Cohlendioxid die +4. Wären diese C-Atome nun Ionen – wie es das Oxidationszahlen-Modell annimmt, dann müsste das Cohlenstoff insgesamt 5 Elektronen abgeben haben. Die Elektronenabgabe entspricht der Oxidation – einer der Teilreaktionen bei einer Redoxreaktion. Da für Sauerstoff eine Veränderung von 0 zu -2 zu verzeichnen ist, können wir hier die Reduktion (Elektronen-Aufnahme) zuordnen: Nun muss noch die Stöchiometrie mit beachtet werden: für einmal Ethin mit zwei C-Atomen kommt es also zur Abgabe von insgesamt 10 Elektronen. | H C C H 2 CO2 + 10 e- | Elektronenabgabe Oxidation Genau 10 Elektronen werden auch gebraucht, um insgesamt fünf Sauerstoff-Atome (aus 2½ Sauerstoff-Molekülen) mit jeweils zwei Elektronen zu versorgen. Hierfür lässt sich auch eine Teilgleichung aufstellen: 2½ O2 + 10 e- 10 O2- Elektronenaufnahme Reduktion Neben der vollständigen gibt es auch die teilweise oder unvollständige Oxidation. Hier rea-giert der Stoff selten direkt mit Sauerstoff. Vielmehr wird der Sauerstoff aus irgendwelchen


Verbindungen genutzt. Sachlich können aber auch nur Redoxreaktionen gemeint sein, wenn von einer (unvollständigen) Oxidation die Rede ist. Ein gutes Beispiel für eine Redoxreaktion ist die Reaktion von Mehrfachbindungen mit BAEYER's Reagenz.

Nachweis von Mehrfachbindungen mittels BAEYERscher Probe / BAEYERschem Test: In der Test-Lösung (BAEYERs Reagenz; BAEYER-Reagenz) ist neben Kaliumpermanganat (K2MnO4) noch Natriumcarbonat (Na2CO3) in wässriger Lösung enthalten. Bei Anwesenheit von Mehrfachbindungen kommt es zur Ausfällung von Braunstein (Mn2O). | HC CH + K2MnO4 + H2O H3C – COO- + K+ + Mn2O | (violett) Acetat-Ion (braun) (Säurerest-Ion der Essigsäure)

Bei Doppelbindungen führt die Oxidation nur bis zum Diol (zweiwertiger Alkohol): | H2C = CH2 + K2MnO4 + H2O HO– H2C – CH2 –OH + K+ + Mn2O | Ethandiol Mittels einer geeichten Lösungen (Maß-Lösung) und einer eingemessenen (Masse od. Vo-lumen) Probe kann auch eine quantitative Bestimmung erfolgen. Dazu muss der Verbrauch an BAEYERs Reagenz bis zur ausbleibenden Verfärbung (des Kaliumpermanganates) genau verfolgt werden. Natriumcarbonat hat in diesem Test Puffer-Funktion. D.h. es hält den pH-Wert relativ kon-stant. Führt man die BAEYERsche Probe im sauren Milieu durch, dann kommt es nur zur Ent-färbung des Kaliumpermanganates. | HC CH + K2MnO4 + H+ + H2O H3C – COO- + K+ + Mn2+ | (farblos) Zum Untersuchung wasserunlöslicher Proben wird eine alkoholische Kaliumpermanganat-Lösung verwendet. Wenn man Ethin durch eine ammoniakalische Silbernitrat-Lösung leitet, dann fallen in der Lösung weiße Kristalle von Silberacid (Silberacetylid) aus:

2 [Ag(NH3)2]+ + H-CC-H Ag2C2 + 2 NH4

+ Die Kristalle bestehen aus Silber-Ionen und Acetylid-Ionen (C2

2-). Im getrockneten Zustand reagieren die Kristalle bei Schlag oder Erwärmung explosiv (Spreng-Silber).

Aufgabe für die gehobene Anspruchsebene:

1. Um welche Art von chemische Reaktion (Säure-Base- oder Redox-

Reaktion) handelt es sich bei der Reaktion von Ethin mit ammoniakischer

Silbernitrat-Lösung? Begründen Sie Ihre Meinung!


2.2.2.3. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkine

2.2.2.3.1. Ethin

Azethylen, Acethylen brennbar mit Luft explosive Gasgemische mit reinem Sauerstoff können sehr heiße, wenig rußende Flammen erzeugt werden Schweißbrenner; Temperaturen bis zu 3.000 °C möglich Rohstoff für Plaste (PVC, Polystyren (Polystyrol), Plexiglas, Kunstkautschuk, …) zur Vermeidung von möglichen Explosionen und der steigenden Selbstzersetzung wird rei-nes Ethin mit max. 15 bar in Stahl-Flaschen abgefüllt verwendet man in den Flaschen Aceton als Lösungsmittel, dann wird so viel Ethin in den Flaschen untergebracht, wie in einer theoretisch mit 200 bar gefüllten Druck-Flasche Ethin ist auch deshalb von herausragender Bedeutung, weil es sich aus Stoffen produzieren lässt, die nicht organischer Herkunft sind, damit wird und ist eine organische Chemie auch für Länder ohne Erdöl möglich z.T. auch schon gut großtechnisch realisiert, z.B. im Dritten Reich, da Deutschland und spä-ter nach dem II. Weltkrieg auch die DDR mit wenig Erdöl auskommen mussten Herstellung von Calciumcarbid: aus Löschkalk und Koks im Lichtbogen-Ofen

CaO + 3 C CaC2 + CO Herstellung von Ethin

CaC2 + H2O C2H2 + Ca(OH)2 so hergestelltes Ethin riecht wegen diverser Nebenprodukte (versch. Phosphine) Knoblauch-artig in einem sehr neuen Verfahren (2010) geht man von einem Koks-Kunststoffabfall-Gemisch als C-Quelle aus, damit Recycling von Kunststoff-Abfällen möglich und damit Wiedereinbrin-gung in die organische Chemie und nicht nur Nutzung als Energie-Quelle (Verbrennung)


Exkurs: Festlegung von Oxidationszahlen Die Oxidationszahl (Abk. OZ) ist ein Modell der Chemie, dass fiktiv davon ausgeht, dass je-der Stoff (außer Elementen) aus Ionen aufgebaut ist. Die Oxidationzahl entspricht der fikti-ven Ladung dieser Ionen. Oxidationszahlen werden als arabische Ziffern mit vorrangestellten Ladungssinn aufge-schrieben. Für Null wird zusätzlich die Kennung plus-mins () angegeben. (In älterer Litera-tur findet man auch römische Zahlen.) Die nachfolgenden Regeln zur Bildung / Berechnung von Oxidationszahlen müssen im Zweifelsfall in der angegebenen Reihenfolge beachtet werden. Die obersten Regeln haben die höchste Priorität. Haupt-Regeln: 1. Elemente bzw. Atome im elementaren Zustand (z.B. O2, P4, S8) erhalten die OZ: 0 2. einatomige Ionen erhalten immer die Ionenladung als OZ 3. die Summe der Oxidationszahlen muss bei zusammengesetzten Ionen oder Molekülen

die Ladung des Teilchens ergeben 4. bei Formeln, die wegen des kovalenten Charakters der Bindungen mit Valenzstrichen ge-

schrieben werden, sollen die einzelnen Bindungen den Atomen entprechend der Elektro-negativität verteilt werden, so dass formal Ionen entstehen

Hilfs-Regeln: 1. Fluor (in Verbindungen) erhält stets die OZ: -1 2. Wasserstoff erhält (in Verbindungen) normalerweise die OZ: +1 (Ausnahme: in Metallhydriden: -1)

3. Sauerstoff erhält (in Verbindungen) normalerweise die OZ: -2 (Ausnahmen: in Peroxiden: -1; bei Fluor-Sauersoff-Verbindungen: +2; in Hyperoxiden: -½ )

4. alle Metalle, Bor und Silicium erhalten in Verbindungen positive Oxidationszahlen, die zahlenmäßig dem Wert des Ion's entspricht

5. in organischen verbindungen wird jedes C-Atom mit seinen Substituenten (außer C) se-parat betrachtet

6. die OZ kann maximal den Zahlenwert der Haupt- od. Nebengruppen-Nummer des Ele-mentes ergeben


2.2.3. Aromaten - Arene Ursprünglich wurde der Begriff Aromat für aus Pflanzen gewonnene organische Stoffe mit "aromatischen" Geruch benutzt. In Mitte des 19. Jahrhunderts meinte man dann immer mehr die Stoffe aus dem Steinkohle-Teer, die sich ebenfalls durch besondere "aromatische" Gerü-che auszeichneten. Jetzt waren es nicht mehr ätherische Gerüche, sondern eher Benzin-ähnliche, die man hierunter verstand. Im 20. Jahrhundert kamen dann – mit der verstärkten Erdöl-Destillation – weitere Stoffe dazu, die aus dem Teer und verschiedenen Rückständen (z.B. Bitumen) extrahiert wurden. Heute sind mit Aromaten Stoffe gemeint, die sich vom Benzen ableiten. Dazu gehören auch seine Derivate und viele der sogenannten Heterozyklen ( 3.2.8. sauerstoffhaltige Heterocyclen + 3.3.3. stickstoffhaltige Heterocyclen).

Definition(en): Arene / Aromaten Arene / Aromaten sind Cohlenwasserstoffe, die sich vom Benzen ableiten. Sie besitzen eine bestimmte Anzahl alternierender Doppel-Bindungen in zyklischen Cohlenstoff-Gerüsten.

Arene / Aromaten sind zyklische Cohlenwasserstoffe, die sich durch abweichendes chemi-sches Verhalten von üblichen Alkenen unterscheiden.

2.2.3.1. Bau und Struktur der Aromaten Bleiben wir erst aber einmal beim Benzen (veralt.: Benzol). Hieran lassen sich die wesentlichen Struktur- und Verhaltens-Merkmale am Einfachsten erläutern. Der alte Name Benzol leitete sich wohl aus dem arabischen "luban dschawi" für "Weihrauch aus Java" ab. Benzen wurde erstmals von Michael FARADAY (1791 – 1867) im Jahre 1825 isoliert und "Benzin" genannt. Als Rohstoff verwendete Leuchtgas, welches er durch Erhitzen von Wal-Öl erhielt. Er ordnete die intensiv riechende Substanz den "aromatischen Verbindungen" zu. FARADAY beschrieb auch schon das auffällige C-H-Verhältnis von 1:1. Mit seiner Summen-formel C6H6 entspricht es einem cyclischen Trien. In den chemischen Eigenschaften müsste es sich also weitgehend wie ein kettenförmiges Trien verhalten. Praktisch weichen aber die meisten Eigenschaften deutlich von diesem ab. Z.B. kommt es nicht zur Addition von Brom-wasserstoff. Den lange gültigen Namen "Benzol" erhielt die Verbindung 1834 von Justus VON LIEBIG. Für die Summenformel C6H6 sind über 200 verschiedene Struktur-Möglichkeiten (Isomere) denkbar.

Aufgabe:

Wieviele theoretisch mögliche Strukturen für die Summen-Formel C6H6 finden

Sie? Zeichnen Sie diese in einfachen Gitterstruktur-Formeln!

Zuerst erkannte man dann die Ringstruktur des Moleküls. Als nächstes sagte Friedrich Au-gust KEKULÉ V. STRADONITZ (1829 – 1896) (kurz: KEKULÉ) voraus, dass es sich bei Benzen wohl um ein ebenes Molekül handeln müsse. Dies wurde später auch durch RÖNTGEN-Strukturanalysen bestätigt.


KEKULÉ beschrieb 1865 zwei mesomere Strukturen (Angeblich sind ihm die Formeln im Traum er-

schienen.)

H

|

H C H

\ // \ / C C

| || C C

/ \\ / \ H C H

|

H

H

|

H C H

\ / \\ / C C

|| | C C

/ \ // \ H C H

|

H

KEKULÉ-Formel

für Benzen

(Die Gitterstruktur-Darstellung (Abb. rechts) ist heute ein Sinnbild für die Chemie geworden) Zwar konnte diese Formel einige Besonderheiten des Benzen's erklären, aber einige chemi-sche Eigenschaften stimmen nicht mit den Erwartungen aus den Formeln überein: So fehlen Isomere, wenn man an benach-barten Positionen substituiert. Wird z.B. zwei-mal mit Brom substituiert, was bei Ben-zen seltsamerweise besser funktioniert als die eigentlich erwartete Addition an den Doppel-Bindungen, dann müsste man meh-rere verschiedene Produkte erhalten.

Eigentlich müssten auch die Bindungsabstände alternieren (ungleichseitiges Sechseck). Bei Messungen wurden sie aber als gleichgroß (gleichseitiges Sechseck) ermittelt. Der Bin-dungsabstand (139 pm) liegt fast mittig zwischen Einfach- (154 pm) und Doppelbindung (134 pm). Bei der vollständigen Hydrierung stimmen die praktisch gemessenen Energiedifferen-zen nicht mit den theoretischen Vorhersagen (Standardberechnungen) überein (Hydrierwärme

nur knapp doppelt so hoch, wie für eine Doppelbindung (hätte aber rund 3x so groß sein müssen)!). Weiterhin reagiert Benzen schwerer mit Brom (theor. sollte es Addition sein). Praktisch handelt es sich um eine Substition. Mit Bromwasserstoff reagiert Benzen überhaupt nicht. 1867 versuchte James DEWAR (1842 – 1923) mit seinem Vorschlag einige un-geklärte Probleme zu lösen. Für einen sechseckigen Ring gab er drei mesomere Formeln an. Die von ihm vorgeschlagene Substanz konnte erst 1962 wirklich hergestellt werden und ist ein vom Benzen abweichender Stoff. DEWAR zu Ehre wurde der Stoff DEWAR-Benzen genannt.

THIELE schlug 1899 eine Auflösung der Doppelbindungen vor und verteilte die freien Bindungen gleichmäßig auf den Sechseck-Körper. Die von THIELE vor-geschlagene Partialvalenz-Formel war der entscheidende weiterführende Schritt zur Aufklärung der Verhältnisse im Benzen-Molekül.

Die Elektronen sind im regelmäßigen C-Sechseck scheinbar gleichmäßig verteilt. Durch spe-zielle Untersuchungen und Messungen konnte man die Existenz von Elektronen-Wolken ober- und unterhalb der Ringebene nachweisen. 1925 erarbeitete der amerikanische Chemiker R. ROBINSON () dann eine völlig neue Schreibung für den aromatischen Zustand. Die besondere Elektronen-Anordnung wurde in einem – zur aufgeklärten Struktur passenden – Ring in das Cohlenstoff-Sechseck (Cohlenstoff-6er-Ring) eingezeichnet. Die ROBINSON-Formel ist mitlerwiele eines der verbreitesten Sinnbilder für die Chemie geworden.

Heute wissen wir, dass die Elektronen-Wolken von den sechs delokalisierten -Elektronen gebildet werden. Es entsteht ein Elektronen-Sextett, die den besonderen aromatischen Zu-stand mit allen chemischen Konsequenzen ausmachen. Die theoretisch zwischen den C-Atomen alternierenden "Bananen"-Bindungen werden zu Ringen.


Allgemein versteht man unter einem aromatischen Zustand heute solche Systeme, die aus cyclisch angeordneten, vollkonjugierten Polyenen bestehen. Sie besitzen ein Mesomerie-

stabilisiertes -Elektronen-System. Nach Erich HÜCKEL (1896 – 1980) sind solche cycli-

schen Polyene aromatisch, die mit 4n+2 -Elektronen ausgestattet sind (HÜCKELsche Re-gel, 1931).

Auch der Sonderfall n=1 in der HÜCKEL-Regel mit zwei -Elektrone ist wirklich bekannt (Cyclopropenyl-Kation).

Lange hat man angenommen, dass sich über die Regel 4n -Elektronen sicherstellen läßt, dass ein solcher Stoff keine armoatischen Eigenschaften (anti-aromatischer Zustand). Dies musste aber revidiert werden. Bei der Vielzahl organischer Stoffe war das Finden der Aus-nahmen nur eine Frage der Zeit. (So wurden z.B. für das [30]-Annulen keine aromatischen Eigenschaften

nachgewiesen.)

In der modernen Chemie benutzt man weitere Mess-Verfahren zur Bestätigung einer Aromatizität. So kann man im magnetischen Feld bei Aromaten einen diamagnetischen Ringstrom messen. Auch die zusätzliche Energie-Stabilisierung (deutlich Energie-ärmer als theoretisches Cyclohexatrien, Energievorteil rund 150 kJ / mol) wird als Kriterium für Aroma-ten verwendet. Der aromatische Zustand ist stabiler als theoretische konjugierte Doppelbin-dungen an der gleichen Stelle. Eine abschließende Definition ist bei der Vielzahl von Struktur-Möglichkeiten und Derivate aber nicht möglich. In den meisten Fällen nutzt man heute spektroskopische und magnetochemische Untersuchungen zur Charakterisierung eines Stoffes als möglichen Aromaten. Viele heterocyclische Verbindungen ( 3.2.8. sauerstoffhaltige Heterocyclen + 3.3.3. stickstoffhaltige Heterocyclen) zeigen aromatische Eigenschaften.

Beispiele für (einfache) Aromaten:

Benzen

Naphthalen (Naphthalin)

Anthracen Phenanthracen


Pyren

3,4-Benzpyren

Dibenzanthracen

[14]-Annulen


Neben der KEKULÉ-Schreibweise (Abb. rechts oben) findet man sehr häufig auch Formeln in ROBINSON-Schreibung. Als Beispiel ist der Stoff Anthracen dargestellt. Dabei haben sich zwei Varianten eingebürgert. Einmal werden die aroma-tischen Ringe einfach einzeln eingezeichnet (Abb. rechts mit-tig). Etwas realistischer ist die Darstellung (Abb. rechts un-

ten) aller delokalisierten -Elektronen als ein gemeinsames "Ring"-System.

Die einfachen bzw. reinen Aromaten kann man auch als Grundelemente verstehen. Durch Substitution eines oder mehrerer H-Atome sind Unmengen weiterer aromatischer Subtanzen realisierbar:

Toluen, Methylbenzen (Toluol, Methybenzol)

Ethylbenzen Cumen, Isopropylbenzen

(Cumol, Isopropylbenzol)

Styren (Styrol, Vinylbenzol)

2.2.3.2. Eigenschaften der Aromaten / Arene Allgemein sind Aromaten gut in organischen Lösungsmitteln (Alkohole, Ether, Ketone, Ester) löslich und meist auch in jedem Verhältnis mischbar. Recht typisch ist auch eine geringe oder fehlende Wasserlöslichkeit. Bei Benzen liegt sie unter 1%. Sehr häufig sind die aroamtischen Stoffe auch giftig und z.T. auch krebserregend (cacerogen). Im Umgang sollte man also immer eine besonderer Vorsicht walten lassen. Benzen schädigt Knochenmark, Leber und Nieren; führt zur Senkung der Anzahl roter Blut-körperchen. Es ist als sehr giftig (toxisch) und gilt ebenfalls als krebserregend. Schon bei Zimmertemperatur bilden sich leicht entzündliche Dämpfe, die bei einem günstigen Luft- oder Sauerstoffanteil auch explosionsartig abbrennen können.


2.2.3.2.1. chemische Eigenschaften – Reaktionen der Aromaten / Arene

Betrachten werden wir hier vornehmlich Benzen. Prinzipiell lassen sich die Reaktionen auf andere Aromaten 1 : 1 übertragen. Die Verbrennung liefert uns keine neuen Erkenntnisse:

C6H6 + 7½ O2 6 CO2 + 3 H2O ;RH = - kJ / mol Bei der Struktur-Vorstellung sind wir schon darauf eingegangen, dass Benzen keine Additi-ons-Reaktionen zeigt. Dafür sind aber Substitutionen möglich. Der Ablauf ähnelt der elektrophilen Addition bei den Alkenen. Durch geeignete Katalysatoren (z.B. FeBr3) kommt es zur hetrerolytischen Spaltung z.B. von Brom. Br2 + FeBr3 Br+ + FeBr4

- Das elektrophile Br+-Ion (Brom??-Ion) dockt sofort an einem C-Atom des Benzen's an. Die positive ladung stabilisiert sich am benachbarten C-Atom (Arenium-Ion) und führt zeitweise zu einem Verlust der Aromatizität (nur noch 4 freie -Elektronen im Ring).

Das überschüssige Wasserstoff-Atom gibt ein Elektron an das benachbarte positiv geladene C-Atom und dessen Wasserstoff ab und wandert als Proton ab.

Dadurch regeneriert sich der aromatische Zustand am Brom-Benzen. Das Proton reagiert mit dem FeBr4

--Ion unter Bildung von Bromwasserstoff und FeBr3. Dies steht nun wieder für wei-tere katalytische Vorgänge zur Verfügung. Ganz ähnlich läuft die Nitrierung von Benzen. Neben Benzen wird Nitriersäure (c HNO3 + c H2SO4) verwendet. In der Nitriersäure bildet sich das Nitronium-Ion (NO2

+, Nitryl-Kation), das der eigentliche elektrophile Reaktionspartner für das Benzen ist. Eine weitere Substitution ist mit rauchender Schwefelsäure möglich. Dies führt zu Benzensulfonsäure. Bei der sogenannten Alkylierung mit Alkenen arbeitet man ebenfalls mit Säuren, aber nur als Katalysator. Die Alkene bilden unter sauren Bedingungen Carbo-Kationen, die dann mit Benzen eine elektrophile Substitution eingehen. Neben der Substitution sind aber auch radikalische Additionen an Benzen möglich. Von bio-logischer Bedeutung ist die Herstellung von Lindan® - einem Insektizid. In einem Überschuß an Chlor wird das Reaktionsgemisch UV-Strahlung ausgesetzt. Nur mit deren Energie ist ei-ne Überwindung des Energie-Vorteils des aromatischen Zustands möglich. Chlor wird in Ra-dikale gespalten, die dann mit Benzen reagieren. UV-Licht

Cl2 2 Cl


Da die radikalische Anlagerung immer ein -Elektron bindet, wird das andere (aus der

mesomeren Doppel-Bindung) zu einem Radikal am benachbarten C-Atom. Hier kann dann das nächste Chlor-Radikal ankoppeln.

Dichlorcyclohexadien Nach dreifacher Addition entsteht Hexachlorcyclohexan. Als Kürzel hat sich hierfür HCH un-ter den Chemikern etabliert. Solche Buchstaben-Codes werden für sehr viele organische Substanzen verwendet (Abk. wie: DDT … Dichlordiphenyltrichlorethan oder DNS …Desoxyribonucleinsäure

kennen Sie ja vielleicht schon). Besonders bei neuen Stoffen mit halsbrecherischen Namen für die es keine Trivialnamen gibt sind die Buchstaben-Codes sehr beliebt.

In der Praxis treten drei Isomere auf, von denen nur das -HCH insektizid wirkt. Hexachlorcyclohexan-Isomere (in verschiedenen Formel-Darstellungen):

-HCH

-HCH -HCH

Dicke Linien bzw. ausgefüllte Pleilspitzen stellen Bindungen dar, die zum Betrachter hin aus der Bildebene ver-laufen. Die Bindungen die hinter der Blattebene verschwinden würden, sind gestrichelt oder sehr dünn dargestellt. So kommt es gewisser 3D-Effekt zustande.

Es muß über spezielle Extraktions-Vorgänge aus dem Reaktionsgemeisch herausgelöst werden.


Definition(en): elektrophile Substitution; SE-Reaktion Elektrophile Substitutionen (SE) sind Substitutions-Reaktionen, bei denen der Elektronen-liebende Reaktions-Partner (er selbst besitzt eine verringerte Elektronen-Dichte) – auch Elektrophil genannt – an einer Elektronen-reichen Stelle des anderen Reaktions-Partners (dieser ist eher

nucleophile / Kern-liebend / hat vergrößerte Elektronen-Dichte) angreift und reagiert.

Elektrophile Reaktionen sind Orts-selektiv, da sie an Orte mit hoher Elektronen-Dichte – z.B. Mehrfach-Bindungen – gebunden sind.

Mit geeigneten Reaktionspartnern kann es am Benzen auch zu Oxidationen kommen. Wenn die Oxidation am Ring stattfindet, dann kommt es dabei zu Auflösung der Aromazität. Oxida-tionen am Substituenten haben dagen kaum Auswirkungen auf die armatischen Eigenschaf-ten des Stoffes. Betrachten wir die Umsetzung von Benzen in Luftsauerstoff. Die Reaktion benötigt einen speziellen Katalysatoren und recht hohe Temperaturen (500 °C).

Die Reaktion führt zuerst zu einem Chinon (p-Benzochinon) und in weiteren Schritten zur Dicarbonsäure (cis-Butendisäure, Maleinsäure) bzw. derem Anhydrid (Maleinsäureanhydrid).

Aufgaben:

1.

2. Von KEKULÉ wurden 216 verschiedene Struktur-Formeln zusammenge-

stellt, die zur Summen-Formel C6H

6 passen. Wieviele finden Sie?

3. Skizzieren Sie für Lindan die fehlenden Keilschrift-Formeln mit den enthal-

tenen Wasserstoff-Atomen!

3. Bauen Sie die Lindan-Moleküle mit einem Mokül-Baukasten nach! Über-

prüfen Sie, ob sie sich durch Drehungen ineinander überführen lassen!


3.


Hinweise zu den Gitterstrukturformeln (Minigrafiken):

Q: de.wikipedia.org bzw. commons.wikimedia.org verschiedene Autoren: NEUROtiker, Bryan Derksen, Kamil Filip Ulryk, Dschanz, Cacycle, Leyo, … Wegen der im Allg. fehlenden Schöpfungshöhe, der meist als public domain freigebenen Grafi-ken und der Sperrigkeit der Quellen-Angaben verzichten wir hier auf einen Einzelnachweis für jede einzelne Abbildung.

komplexe Übungs-Aufgaben (z.B. zur Vorbereitung auf Klausuren usw.)

1. Vergleichen Sie Alkane, Alkene und Alkine in einer geeigneten Tabelle!

2. Wie groß sind die charakteristischen Bindungs-Winkel bei den Alkanen, Al-

kenen und Alkinen? Welche Konsequenzen resultieren aus den Bindungs-

Winkeln für die Molekül-Struktur?

3. Geben Sie alle Struktur-Isomere des Pentens mit einer Strukturformel und

dem exakten Namen an!

4. In einem Versuch will man 2,3-Dimethylbut-2-en mit Chlorwasserstoff rea-

gieren lassen. Welche Produkte kann man erwarten? Wenn es mehrere sein

könnten, dann machen Sie Aussagen zur Rang-mäßigen Abstufung der An-

teile! Sollte nur ein Produkt entstehen können, dann begründen Sie dies!

5. Vergleichen Sie die Alkene mit den Aromaten (Arenen)!

6. In einem Reaktions-Gefäß befindet sich ein Gemisch aus Isomeren von Z/E-

Isomeren von Pent-2-en.

a) Wieviele verschiedene Isomere sind im Gemisch enthalten? Begründen

Sie mit Hilfe von Struktur-Formeln!

b) Wieviele verschiedene Isomere findet man nach der Hydrierung aller

Ausgangsstoff-Moleküle? Begründen Sie Ihre Meinung!

7.



Zweit-Substitution an Aromaten Bezeichnung der Positionen ortho, meta und para

Induktions-Effekte ist bei allen Substituenten vorhanden +I-Effekt durch Substituenten, die Elektronen eher in Richtung neuer Bindungsstelle drücken durch Atome oder Atom-Gruppen mit eher kleinerer Elektronegativität der Gesamtstruktur Mesomerie-Effekte kann zusätzlich zum I-Effekt eintreten Substituenten, die Elektronen von der neuen Bindungsstelle abziehen durch Atome oder Atom-Gruppen mit eher größerer Elektronegativität der Gesamtstruktur I- und M-Effekt können gleichgerichtet oder konkurierend sein Substituenten 1. Ordnung bewirken vorrangig eine Aktivierung und Bindung an der ortho- oder para-Position (direkte oder übernächste Nachbar-Stellung, Position 2 bzw. 4) besonders dann, wenn M- und I-Effekt gleichgerichtet sind und ein positives Vorzeichen ha-ben Substituenten 2. Ordnung bewirken vorrangig eine Aktivierung und Bindung an der meta-Position (Position 3, indirekte Nachbar-Stellung) besonders dann, wenn M- und I-Effekt negative Vorzeichen haben


3. Derivate der Kohlenwasserstoffe Derivate sind Abkömmlinge (lat.: derivare = ableiten, abfließen). In der organischen Chemie meint man dabei Stoffe, die durch Austausch eines oder mehrerer Wasserstoff-Atome ent-standen sind. In einem weiter gefassten Derivat-Begriff kann man auch den Austausch beliebiger Atome oder Atomgruppen einbeziehen. Die abgeleiteten Stoffe haben oft noch eine ähnliche Struk-tur, ev. sogar noch ähnliche Eigenschaften wie die Grundsubstanz. In der Pharmazie spielt die Derivatisierung von Wirkstoffen eine große Rolle. Auf diese Wei-se werden neue – ev. noch besser wirlkende oder mit weniger Nebenwirkungen behaftete – Wirkstoffe hergestellt. Bei Derivaten ist dann u.U. auch ein Patenzschutz möglich. Wir betrachten hier vornehmlich die:

Halogen-Derivate

Sauerstoff-Derivate

Stickstoff-Derivate der Kohlenwasserstoffe. Dabei kommt den Sauerstoff-Derivaten eine besonders große Be-deutung zu. Einzelne weitere Stoffe mit ausgewählten anderen Atomen (P, S, …) erwähnen wir als ge-sonderte Stoffe oder Stoffgruppen. Bei ihnen ist eine Ableitung aus anderen Stoffgruppen nur mit großem Aufwand oder nur theoretisch möglich. Eine analoge Betrachtung der Derivate – vor allem auch als homologe Reihen – erleichtert das Verständnis für die Stoffeigenschaften bzw. deren Veränderungen bei größer werdenden Molekülen.

Definition(en): Cohlenwasserstoff-Derivate Cohlenwasserstoff-Derivate sind organische Stoffe, die von der Grundstruktur Cohlenwasserstoffen entsprechen, bei denen aber einzelne oder mehrere Wasserstoff-Atome durch andere ersetzt wurden.

Derivate der Cohlenwasserstoffe sind Abkömmlinge von (reinen) Cohlenwasserstoffen. Sie enthalten außer Cohlenstoff und Wasserstoff noch weitere Elemente.


3.1. Halogenderivate

Die Elemente der VII. Haupt-gruppe des Periodensystems (… der Elemente; Abk.: PSE) werden Halogene genannt. Der Wortstamm halos stammt aus dem griechischen und be-deutet so viel, wie Salzbildner. In der anorgansichen Chemie werden Sie die Halogene auch schon als solche kennen ge-lernt haben. Am Bekanntesten ist sicher das Natriumchlorid – unser Haushaltssalz.

Element Symbol

Fluor F farbloses Gas

Chlor Cl

Brom Br

Q: de. wikipedia.org (Tomihahndorf)

Iod I

Q: commons.wikimedia.org (Ondřej Mangl)

Astat At

Definition(en): Halogen-Derivate Halogen-Derivate (der Cohlenwassrstoffe) sind organische Stoffe, die von der Grundstruktur Cohlenwasserstoffen entsprechen, bei denen aber einzelne oder mehrere Wasserstoff-Atome durch Halogen-Atome ersetzt wurden.

Halogen-Derivate der Cohlenwasserstoffe sind Abkömmlinge von (reinen) Cohlenwasser-stoffen. Sie enthalten außer Cohlenstoff und Wasserstoff noch Halogene.

3.1.1. einfach halogenierte Kohlenwasserstoffe Bei einfach halogenierten Kohlenwasserstoffen wurde ein Wasserstoff-Atom gegen ein Ha-logen-Atom ausgestauscht. Als Herstellungsmöglichkeit haben wir bei den Alkanen ( 2.1.1. Alkane) schon die radikalische Substitution ( 2.1.1.2.1. chemische Eigenschaften – Reakti-onen der Alkane) kennen gelernt. Ausgangspunkt ist die Radikal-Bildung z.B. durch Lichteinstrahlung.

Cl2 2 Cl Diese Radikalbindungs-Reaktion ist der Ausgangspunkt einer Kettenreaktion (Startreaktion, Kettenstart). Nun folgen die produktiven Reaktionen: CH3 – CH2 – CH3 + Cl CH3 – CH2 – CH2 + HCl CH3 – CH2 – CH2 + Cl2 CH3 – CH2 – CH2Cl + Cl Normalerweise findet die Reaktion an den Enden des Alkan-Moleküls zuerst statt, da diese exponiert – der Chemiker sagt dazu: sterisch bevorteilt – sind.


Die Kettenreaktionen können sich nun ständig wiederholen, da das reaktive Chlor-Radikal am Ende wieder vorliegt. Reagiert ein Radikal mit einem anderen Molekül, dann bleibt immer wieder ein Radikal übrig. Treffen aber zwei Radikale aufeinander, dann kommt die Radikal-Bildung – und damit auch die Kettenreaktion – zum Stillstand. Dies nennen wir Kettenabbruch. Dazu kommen alle möglichen Radikal-Kombinationen in Frage: 2 Cl Cl2 2 CH3 – CH2 – CH2 CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH3 2 CH3 – CH2 – CH2 CH3 – CH2 – CH3 + CH3 – CH = CH2 CH3 – CH2 – CH2 + Cl CH3 – CH2 – CH2Cl Praktisch wird bei den besprochenen Reaktionen am Propan (unserem Ausgangsstoff) ein Wasserstoff-Atom durch ein Chlor-Atom ersetzt.

H H H

| | |

H – C – C – C - H

| | |

H H H

+

Cl - Cl

H H H

| | |

H – C – C – C - Cl

| | |

H H H

+

H - Cl

____________________________________________________________________ CH3 – CH2 – CH3 + Cl2 CH3 – CH2 – CH2Cl + HCl Als zweite Möglichkeit haben wir bei den ungesättigten Kohlenwasserstoffen ( 2.2. unge-sättigte Kohlenwasserstoffe) die elektrophile Addition kennen gelernt ( 2.2.1.2.1. chemi-sche Eigenschaften – Reaktionen der Alkene). Der elektrophile Teil eines Moleküls greift die Elektronen-reiche Doppelbindung am Alken an. H H

\ /

C + -

|| + H Cl C

/ \

H H

H H

\ /

C

| H+ + Cl

-

C

/ \

H H

H

|

H – C - H

| + Cl-

C+

/ \

H H

H

|

H – C - H

|

H – C - Cl

|

H

Am anderen C-Atom der ehemaligen Doppelbindung entsteht eine positive Ladung (Carbo-Kation). Das bei der Spaltung des Chlorwasserstoff übrig gebliebene Chlorid-Ion bindet dort. Das Produkt heißt Monochlorethan und ist ein typisches Halogen-Derivat der Alkane. Die ehemals ungesättigten Kohlenwasserstoffe enthalten nach der Addition nur noch gesättigte Bindungen.


3.1.1.1. Eigenschaften und Verwendung einfach halogenierter Kohlen-

wasserstoffe Einfach halogenierte Kohlenwasserstoffe bilden typische homologe Reihen. Chlor- bzw. Brom-Alkane sind bis ungefähr C15 flüssig. Chlorethan wird als Kühlmittel (Vereisungsmittel) und Lokalanästhetikum verwendet. Die Flüssigkeit verdampft knapp unter der Zimmertemperatur. Dabei entzieht es der Umgebung (Gewebe) reichlich Energie. Durch das starke Abkühlen entsteht eine gewisse Schmerzun-empfindlichkeit.


Beispiele für einfach halogenierte Kohlenwasserstoffe (systhematisch):

C1 C2 C3 C4

F

Fluormethan

Cl

Chlormethan

(Methylchlorid)

2-Chlorbutan (sek. Butylchlorid)

Br

2-Brombutan

I

2-Iodbutan

weitere Beispiele für einfach halogenierte Kohlenwasserstoffe:

Chlorethen

Bromcyclohexan Brombenzen


3.1.2. mehrfache halogenierte Kohlenwasserstoffe Bei geeigneter Wahl der Ausgangsstoffe kann man Substitutionen auch mehrfach durchfüh-ren lassen. Hierfür sind größere Moleküle natürlich eher prädestiniert, da nach der einfachen Substitution von den recht großen Halogen-Atomen eine sterische Behinderung ausgeht. Für Additionen lassen sich auch reine Halogene verwenden, wobei dann immer gleich der Einbau von zwei Halogen-Atomen zu beobachten ist: H2C = CH2 + Cl2 ClH2C = CH2Cl Bei Alkinen sind u.U. zwei aufeinanderfolgende Additionen notwendig: HC CH + 2 HCl H2C = CHCl + HCl ClH2C – CH2Cl HC CH + 2 Cl2 ClHC = CHCl + Cl2 Cl2HC – CHCl2 Bei gesättigten Halogen-Kohlenwasserstoffen ist die C-C-Bindung wieder frei drehbar. Die relativ großen Halogen-Atome behindern sich sterisch. Die Halogen-Atome sind immer so angeordnet, dass möglichst weit von einander entfernt stehen. Dies stellt dann auch die energetisch stabilste Molekül-Konformation dar. In der NEWMAN-Projektion versucht man die Stellung der Substituenten darzustellen. Man stellt sich dazu das Auge und die beiden betrachteten C-Atome auf einer Gerade vor. Das vordere C-Atom wird in seinem Umfang angedeutet und die Bindung vom Kern aus gezeich-net. Vom dahinterliegenden C-Atom sieht man nur die strahlenförmig angeordneten Substi-tuenten.

1,2-Dichlorethan 1,1,2-Trichlorethan Um eine Drehung in der C-C-Achse durchzuführen, bedarf es einer beachtlicher Energie-Zufuhr (um 50 kJ / mol). Erst mit dieser kann die sterische Behinderung der Halogen-Atome untereinander überwunden werden. Bei einem Alkan wäre nur ¼ der Energie notwendig ge-wesen, um die relativ schwache – aber vorhandene – sterische Behinderung der H-Atome zu überwinden.


Beispiel: Dichlorethen Isomer Struktur Schmelz-

punkt

F. [°C]


Dipol-Moment

[TD]

C-C-Abstand

[nm]

Dichte

[g/cm

3]

Dampf-druck [hPa]

cis-1,2-Dichlorethen Z-1,2-Dichlorethen

Cl Cl

\ /

C = C

/ \

H H

- 81 +60 1,89 0,34 1,28 216

trans-1,2-Dichlorethen E-1,2-Dichlorethen

Cl H

\ /

C = C

/ \

H Cl

- 50 +48 0,0 0,47 1,26 361

1,1-Dichlorethen

Cl H

\ /

C = C

/ \

Cl H

-122 32 1,25 660

Fluor-Chlor-Cohlenwasserstoffe Die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) stellen eine besondere Gruppe der Halogen-Derivaten der Cohlenwasserstoffe dar. Sie sind zum Einem mehrfach halogneiert und zum Anderen sind es zwei genau definierte Halogene die substituiert sein müssen. Wie der Name es schon sagt sind es die Halogene Fluor und Chlor. Bei den Alkan-Rümpfen der Fluor-Chlor-Cohlenstoffe sind alle Wasserstoff-Positionen ent-weder mit Chlor oder mit Fluor belegt. Sie stellen also nochmal eine besondere Gruppe der FCKW und der hologenierten Cohlenwasserstoffe dar. technische Herstellung aus den chlorierten Alkanen, katalytische Substitution mit Fluorwas-serstoffsäure Verwendung: Treibmittel zur Herstellung von Schäumen oder in Spray-Flaschen Kühl-Mittel (in Kälte-Anlagen / Haushalts-Kühlschränken) Brandschutz- und Schutz-Atmosphären-Gas Die Menge der möglichen Derivate ist sehr groß, so dass man sich für technische Zwecke eine verkürzte Namensgebung entwickelt hat. Damit geht man auch die IUPAC-Namens-Monstern aus dem Weg, die zudem auch noch Verwechselungsgefahren beinhalten. Halon-Bezeichnung besitzt 4 Positionen Halon ist Marke der US-amerikanischen Firma Du Pont Position 1 2 3 4 entspricht C F Cl Br (Atom-Anzahl) nachlaufende Nullen werden weggelassen Frigen-Bezeichnung (auch mit vorlaufendem R für Refrigerant (Kühlmittel) Frigen ist eine Marke der Firma Hoechst (Deutschland) letzte Ziffer gibt die Anzahl der Fluor-Atome an vorletzte Ziffer um 1 vermindert ergibt die Anzahl der Wasserstoff-Atome erste Ziffer um 1 erhöht ergibt die Anzahl Cohlenstoff-Atome


alle anderen Substituenten sind Chlor-Atome

Struktur-Formel IUPAC-Name Kurz-Bezeich-nung

CHCl2F Dichlor(mono)fluormethan Frigen 21

CHClF2 (Mono-)Chlordifluormethan Frigen 22

CCl3F Trichlor(mono)fluormethan Frigen 11

CCl2F2 Dichlordifluormethan Frigen 12

CClF3 Monochlortrifluormethan Frigen 13

ClF2C – CCl2F 1,2,2-Trichlor-1,1,2-trifluorethan Frigen 113

ClF2C – CClF2 1,2-Dichlor-1,1,2,2-tetrafluorethan Frigen 114

Brom-haltige FCKW werden in Feuerlöschern als Löschmittel eingesetzt (Halone).

Struktur-Formel IUPAC-Name Kurz-Bezeich-nung

CF2ClBr Bromchlordifluormethan Halon 1211 in Handfeuer-Löschern

CF3Br Bromtrifluormethan Halon 1301 in Feuerlösch-Anlagen

Halon

für Kühl-Mittel und Spray-Flaschen heute diverse andere – meist gar nicht teurere - Alternati-ven bekannt für Spray-Flaschen z.B. einfache mechanische Aerosol-Erzeuger (Selbstpumper) oder als Treibmittel Propan-Butan-Gemische (allerdings jetzt zusätzlich noch mehr Feuer-gefährlich) Beispiele für mehrfach halogenierte Kohlenwasserstoffe:

Dichlormethan

Trichlormethan (Chloroform)

Tetrachlormethan (Tetrachlorkohlenstoff,

Tetra)

Trichlorethen


Triiodmethan

Bromchlorfluor-methan


3.1.2.1. Eigenschaften und Verwendung von mehrfach halogenierten

Kohlenwasserstoffen Mehrfach hologenierte Kohlenwasserstoffe haben meist eine größere Dichte als Wasser und sind in diesem nicht löslich. Sie sind aber ausgesprochen gute Lösungsmittel für Fette, Li-poide und eine Vielzahl unpolarer Stoffe. Dichlormethan (CH2Cl2) ist ein nichtbrennbares, aber gesundheitschädliches Lösungsmittel für sehr viele Stoffe. Es bildet auch keine explosiven Gemische mit der Luft, wie das sonst ähnliche Benzin (als Lösungsmittel).

Chloroform (CHCl3) ist eine süßlich riechende, klare Flüssigkeit. In der Lebensmittelchemie wird es gerne als Extraktionsmittel für Fette und Lipoid-artige Stoffe ver-wendet.

Auch Tetrachlorkohlenstoff (CCl4, Tetra, Tetrachlormethan) zeigt ein besonders gutes Löusngsvermögen für Fette und Fett-ähnliche Substanzen (z.B. Harze und Teer). Tetra wurde lange Zeit auch als chemisches Reinigungsmittel verwendet (nicht brennbar). Heute ist dies wegen der hohen Giftigkeit (Lebergift) ausge-schlossen. Als Bestandteil vieler Feuerlöscher war es so-gar namensgebend für die "Tetra"-Löscher. Tetrachlormethan ist selbst eine flüssige, leicht flüchtige, stark Licht-brechende, süßlich riechende Substanz. Laut Gefahrstoffverordnung zählt es auch zu den umweltge-fährlichen Stoffen.

Q: www.3dchem.com

Triiodmethan, Iodoform (CHI3) sind gelbe Plättchen mit einem charakteristischen Geruch (Safran-ähnlich). Es ist neben Tetraiodmethan die einzige bekannte farbige organische Sub-stanz, deren Farbe nicht mit Mehrfachbindungen assoziert ist. Wegen seiner desinfizieren-den und trocknenden Wirkung wurde es früher als Antiseptikum verwendet. Heute wird es durch andere Stoffe ersetzt, weil es relativ teuer ist und bei Überdosierung auch Probleme bereiten kann. 2-Brom-2-chlor-1,1,1-trifluorethan, Halothan (CF3 – CHClBr) ist chemisch weitgehend inert (reaktionsträge). Es ist ein farbloser, leicht süßlich riechender, flüssiger und leicht flüchti-ger Stoff, der beim Einatmen Bewusstlosigkeit auslöst. Es zählt zu den Giften. Mit Lachgas (N2O) gemischt, ergibt es ein sehr gut handhabbares Narkosemittel. In der Anästhesie hat es vor vielen Jahren (ab 1956) den schwerer handhabbaren – und bei Überdosierung zu Tode führenden – Ether (CH3 – O – CH3) abgelöst. Heute wird Halothan nur noch selten benutzt. In der Schweinezucht wird es für die Beurteilung der Stressanfälligkeit verwendet (Halothan-Test). Dichlordifluormethan (CF2Cl2) wird wegen seiner hohen Verdampfungswärme und der niedrigen Siedetemperatur als Kühlmittel in Kühlanlagen und als Treibgas in Sprayflaschen verwendet. Es ersetzt dort das giftige Ammoniak. Dichlordifluormethan gehört mitlerweile zu den geächteten FCKW (Fluorchlorkohlenwasserstoffe; auch: CFK (Chlorfluorkohlenwasserstoffe)), die nachgewiesenermaßen die Ozon-Schicht unserer Erde zerstören. Dichlorethan (1,2-Dichlorethan; C2H4Cl2)



Lindan ()

Q: www.3dchem.com

Teflon ()

Q: www.3dchem.com




3.1.3. chemische Eigenschaften der Halogen-Kohlenwasserstoffe Die Bindung zwischen Cohlenstoff und den Halogen-Atomen ist meist wesentlich stärker po-larisiert, als bei Cohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen. Besonders bei Fluor und Chlor treten sehr starke Polarisierungen auf.

Element H C F Cl Br I

Elektronegativität 2,1 2,5 4,0 3,5 2,8 2,5

An den Halogen-Atomen kommt es deshalb zur Ausbildung von partiellen negativen Ladun-gen. Die gebundenen Cohlenstoff-Atome tragen entsprechend eine mehr oder weniger gro-ße positive Partial-Ladung. Halogenisierte Kohlenwasserstoffe sind im Allgemeinen sehr reaktionsfreudig. Die außenlie-genden negativen Partial-Ladungen sind für alle vollständig oder teilweise positiv geladenen Teilchen gute Reaktionspartner. Mit Metallen reagieren Halogen-Kohlenwasserstoffe zu Metall-organischen Verbindungen. Auch diese sich sehr reaktiv und deshalb in der chemischen Industrie von großem Interesse. Bevorzugtes Metall als Reaktionspartner ist Magnesium.

R – Br + Mg R - MgBr Die entstehende Verbindungsklasse mit Magnesium zwischen den Alkylrest und dem Halo-gen-Substituenten nennt man GRIGNARD-Verbindungen (Alkylmagnesiumhalogenid). Die Bil-dungs-Reaktion entsprechend GRIGNARD-Reaktionen, nach ihrem Entdecker Victor GRIG-NARD (1871 – 1935). Besonders bedeutend ist diese Reaktionsart bei der Herstellung von Alkoholen. Durch die gezielte Wahl des Reaktionspartners kann man verschiedene Arten von Alkoholen herstellen. H3O

+, H2O

| R – MgBr + H – CHO R – CH2 – OH + Mg2+ + Br - |

Formaldehyd, Methanal prim. Alkohol

H3O

+, H2O

| R – MgBr + R1 – CHO R – HCOH – R1 + Mg2+ + Br - |

Aldehyd sek. Alkohol

H3O

+, H2O

| R – MgBr + R1 – CO – R2 R – COH – R1 + Mg2+ + Br - |

| R2

Keton tert.. Alkohol

GRIGNARD erhielt für seine Arbeiten mit den Metall-organischen Verbindungen 1912 den NOBEL-Preis für Chemie.

Gut nachvollziehbar ist die Reaktion von Halogenalkanen mit metallischem Natrium. Bei die-ser Reaktion bilden sich längerkettige Alkane:

2 R – Cl + 2 Na R – R + 2 NaCl Die Liste möglicher Reaktionen und Reaktionsprodukte läßt sich lange fortsetzen. Wir deuten hier nur die Reaktionspartner für die Halogenalkane und die resultierende Produkte bzw. Stoffklassen an. Genauere Informationen zu diesen folgen dann später.


Reaktionspartner für die Halogenkohlenwasserstoffe

Reaktionsprodukte Stoffklassen

Verweise weitere Informationen bei …

Ammoniak (NH3) Amine

Alkoholate (R –OM) Ether

verd. Kalilauge (KOH) Alkohole

alkohol. Kalilauge Alkene

(KSH) Thiole

Mercaptid Sulfide

Natriumcyanid (NaCN) Nitrile

Die GRIGNARD-Verbinden können wiederum zur Bildung weiterer Stoffklassen herangezo-gen werden. Da wird einem die Bedeutung dieser beider Stoffklassen für die organische Chemie bewusst. In Organismen spielen sie aber eine untergeordnete Rolle.

Q: de.wikipedia.org (Calvero)

Die einzelnen Stoffklassen (hier meist Sauerstoff-Derivate der Kohlenwasserstoffe) werden wir erst noch kennen lernen und dann auf diese Stelle (der Bildung) zurückverweisen. Vergleicht man die Reaktionsfreudigkeit von Alkyl-Chloriden, -Bromide und –Iodide, dann kann man feststellen dass diese bei den Iodiden am Größten ist. Weiterhin sind kurzkettige Halogen-Kohlenwasserstoffe immer reaktionsfreudiger, als längerkettige. Neben dem Halogen-Atom ist aber auch das durch das Halogen positivierte Cohlenstoff-Atom ein geeigneter Angriffs-Punkt für passende Stoffe. In diesem Fall müssen die Stoffe natürlich eher Elektronen-reich sein, damit sie am eher "kernigen" Rest des Halogenalkans (- partiell positiv geladenen C-Atom -) angreifen können. Einen solchen Angriff nennt man nucleophil. Im Falle der Halogenalkane kommt es zur nucleophilen Substitution (SN-Mechanismus). Ein mögliches Angriffs-Teilchen könnte das Hydroxid-Ion sein. Es ist mit seiner negativen La-dung selbst sehr Elektronen-reich:


NaOH Na+ + OH-

Für den nucleophilen Angriff werden Kern-liebende Teilchen benötigt. Dies können z.B. die Hydroxid-Ionen sein. Es wird hier also unter basischen Bedingungen gearbeit.

Das negativ geladene Hydroxid-Ion nähert sich dem – durch das Elektronen-ziehende Halogen-Atom – partiell positiv geladenen Cohlenstoff-Atom.

CH3 – CH2Br + OH- [CH3 – CH2BrOH]

-

Im Übergangszustand bildet sich im Bereich des angegriffenen C-Atoms ein instabiler Überschuß an einem Elektron. Das Brom-Atom nimmt im weiteren Verlauf dieses Elektron auf und löst sich als Bromid-Ion ab. Zwischen dem Sauer-stoff-Atom und dem angegriffenen C-Atom stabilisiert sich eine polare Atom-Bindung.

[CH3 – CH2BrOH]- CH3 – CH2OH + Br

-

interessante Links: http://www.kkgwhv-schule.kwe.de/kkg_chem/ag_allg/grignard/grignard.htm ausführliche Darstellung der GRIG-

NARD-Verbindungen (Synthese, Nomenklatur, Reaktionen, …)

http://www.kkgwhv-schule.kwe.de/kkg_chem/ag_allg/grignard/grignard.htm


3.1.4. biologische und ökologische Probleme mit Halogen-Kohlen-wasserstoffen

Bei der Verbrennung von Halogen-haltigen Kohlenwasserstoffen können verschiedene gifte Verbindungen als Nebenprodukt entstehen. Dazu gehört das sehr giftige Dioxin (2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-dioxin). Dieses ist z.B. 500x giftiger als Strychnin. DDT

Q: www.3dchem.com

Polyvinylchlorid (PVC)

Q: www.3dchem.com

3.1.4.x. ökologische Aspekte der Fluor-Chlor-Cohlenwasserstoffe

(FCKW) Alle FCKW sind ungiftig, unbrennbar und geruchlos. Sie galten lange als völlig ungefährlich. Bei Untersuchungen in den verschiedenen Labors hatte man keine Probleme feststellen können. Dabei hatte man aber nicht die besonderen Verhältnisse in der höheren Atmosphäre (Stratosphäre, 15 – 50 km Höhe) beachtet. Hier herrschen völlig andersartige Bedingungen. So ist die Strahlung (vor allem die UV-Strahlung) wesentlich intensiver (härter). Auch die Temperaturbedingungen unterscheiden sich enorm. Man beobachtet Temperaturen von – 60 °C bei Drücken um hPa ( atm). Im Bereich der Ozonschicht kommt es zu einem Temperatur-anstieg bis fast 0 °C. Die UV-Strahlung wird hier von dem Ozon absorbiert und als Wärme-Energie wieder emitiert. Sauerstoff-Moleküle werden durch die UV-Strahlung in Sauerstoff-Radikale zerlegt.




O2 2 O Diese sind sehr reaktionsfähig und reagieren normalerweise mit anderen Sauerstoff-Molekülen zu Ozon-Molekülen. O2 + O O3 Die aufgestiegenen FCKW (wegen einer geringeren Dichte als Luft) werden ebenfalls durch die UV-Strahlung zerlegt. Die Reaktionen laufen – wie wir es schon bei den Alkanen kennge-lernt haben – als radikale Kettenreaktion.

CF2Cl2 CF2Cl + Cl Die Radikale können nun mit dem Ozon reaagieren: Cl + O3 ClO + O2 (Ozon-Killer-Reaktion) Dabei werden – die eigentlich schützenden – Ozon-Moleküle zerstört. Daneben kommen aber auch diverse Reaktionen mit Chlor ins Spiel, die gefährliche Gase (z.B. Chlor) freisetzen. 2 ClO Cl2O2 Cl2 + O2 Im Ergebnis kam es zu einem starken Rückgang der Ozon-Schicht und im Bereich der Ant-arktis sogar zu Herausbildung eines großen Ozon-Loches. ====== erste Warnungen zur Gefährlichkeit der FCKW gab es schon 1974, erst nach 1985 gab es ein Umdenken, als in den Jahren bekannt wurde, dass FCKW sehr wahrscheinlich ein gigan-tisches Ozon-Loch über der Antarktis erzeugt hatten, seit 1987 wird der Einsatz immer mehr beschränkt reagieren unter atmosphärischen Bedingungen (hohe Temperaturen und intensive Strah-lung) mit Ozon, dabei wir Ozon zu Sauerstoff-Molekülen und Sauerstoff-Radikalen abgebaut Ozon – und nur diese Sauerstoff-Modifikation – kann in den höheren Atmosphären-Schichten die gefährliche UV-Strahlung der Sonne absorbieren

CCl2F2 CClF2• + Cl• Ketten-Start

Cl2 2 Cl• (Herkunft des Chlor siehe Ketten-Reaktionen)

mögliche Ketten-Reaktionen (Auswahl): Cl• + O3 ClO• + O2 Schad-Reaktion 2 ClO• Cl2O2 Cl2 + O2 Kat. M

ClO• + NO2… …•ClONO2

•ClONO2 Cl• + NO3 Cl• + CH4 HCl + •CH3 HCl + •OH Cl• + H2O ClO• + HO2… …HOCl• + O2 Cl2O2… …2 ClO•


mögliche Ketten-Abbrüche: 2 CClF2• F2ClC – CClF2 CClF2• + Cl• CCl2F2 2 Cl• Cl2 Kat. M 2 ClO Cl2O2 Wie man gut sieht kommt es praktisch nur zum Abbau von Ozon. Ansonsten bleiben die ge-fährlichen Stoffe ewig im System, vermehren sich höchstens (zusätzliches Chlor) und nehmen noch in ihrer Variabilität zu (Ketten-Verlängerung). Die praktische Verweildauer der FCKW be-trägt zwischen 40 und 180 Jahren.


Exkurs: Struktur-Aufklärung mittels Spektroskopie

optische Spektroskopie (Licht-Spektroskopie)

Infrarot-Spektrospkopie

Ultraviolett-Spektroskopie

Raman-Spektroskopie

Kernresonanz-Spektroskopie

Massen-Spektroskopie

3


3.2. Sauerstoff-Derivate (organische Sauerstoff-Verbindun-

gen) Sauerstoff-Derivate enthalten im Molekül ein oder mehrere Atome Sauerstoff. Da Sauerstoff zweibindig ist, kann es neben den üblichen Substitutionen von Wasserstoff auch Sauerstoff-Brücken zwischen zwei Cohlenstoff-Atomen geben. Dies erweitert die Möglichkeiten enorm. Mit dem Sauerstoff im Molekül kann auch immer mit polaren Eigenschaften gerechnet wer-den, da sich die Elektronegativität doch deutlich von denen der Cohlenstoff- bzw. Wasser-stoff-Atome abweicht. Die resultierenden Ladungen reichen – vor allem bei kleinen Molekü-len – zumeist dazu aus, dass der Stoff in Wasser oder anderen polaren Lösungsmitteln lös-lich ist.

Definition(en): Sauerstoff-Derivate Sauerstoff-Derivate (der Cohlenwasserstoffe) sind organische Stoffe, die von der Grund-struktur Cohlenwasserstoffen entsprechen, bei denen aber einzelne oder mehrere Wasser-stoff-Atome durch Sauestoff ersetzt wurden.

Derivate der Cohlenwasserstoffe sind Abkömmlinge von (reinen) Cohlenwasserstoffen. Sie enthalten außer Cohlenstoff und Wasserstoff noch Sauerstoff.

3.2.1. Alkanole (Alkohole) Der Alkohol ist sicher einer der bekanntesten organischen Stoffe. Eigentlich sind die Alkoho-le eine ganze Gruppe von Stoffen. Der von uns getrunkene Alkohol ist nur ein Vertreter aus dieser Stoff-Klasse. Wegen der Verwechslungsgefahr mit vielen giftigen Vertretern sollte der Begriff Alkohol nur für Ethanol (Trinkalkohol) verwendet werden. Der Name Alkohol leitet sich aus dem arabischen al kuhül ab, was soviel wie "das Feinste" bedeutet.

3.2.1.1. Bau und Struktur der Alkanole Alkanole basieren auf einem Alkan-Grundgerüst. Mindestens einmal ist ein Sauerstoff-Atom zwischen einem Cohlenstoff- und einem Was-serstoff-Atom eingeschoben. Der Substituent an einem Cohlenstoff-Atom wird als Hydroxyl-Gruppe bezeichnet. Wie wir sehen werden, bestimmt diese Gruppe entscheidet über die physikalischen und chemischen Eigenschaften.

R – O – H

Hydroxyl-Gruppe

Die Gruppe hat somit eine (besondere) Funktion für den Stoff bzw. die Stoffgruppe. Die Chemiker sprechen bei solchen Atom-Gruppen von funktionellen Gruppen. Praktisch kann man die Alkanole als Hydroxyl-Derivate der Kohlenwasserstoffe (bzw. Alkyl-Derivat des Wassers) auffassen, je nachdem was man als den zentralen Teil betrachtet und was als Substituenten. Die Position der Hydroxyl-Gruppe kann über das gesamte Molekül verteilt sein. In den meis-ten Fällen ergeben sich unterschiedliche Eigenschaften. Wir müssen deshalb die Stellungs-


Isomere genau unterscheiden und namentlich exakt kennzeichnen. Betrachten wir zuerst einmal die endständige Anordnung der Hydroxyl-Gruppe. In einem solchen Fall geben wir die Position nicht extra an, da das endständige Cohlenstoff-Atom mit der Hydroxyl-Gruppe die Positionsnummer 1 bekommt. Diese kann üblicherweise im Namen wegfallen.

Definition(en): funktionelle Gruppe Eine funktionelle Gruppe ist ein Atom oder eine Atom-Gruppe, welche die chemischen Ei-genschaften eines Stoffes oder einer Stoffgruppe charakteristisch bestimmen.

Definition(en): Alkanole (Alkohole) Alkanole sind Sauerstoff-Derivate (der Cohlenwasserstoffe), die von der Grundstruktur Cohlenwasserstoffen entsprechen und (mindestens) eine Hydroxyl- bzw. OH-Gruppe ent-halten.

Alkanole sind Abkömmlinge von (reinen) Cohlenwasserstoffen, die eine Hydroxyl- bzw. OH-Gruppe als funktionelle Gruppe enthalten.


Anz. C-A.

Name Summen-formel


1 Methanol CH3OH H

|

H – C – O - H

|

H

2 Ethanol (Äthanol, Trink-

Alkohol)

C2H5OH H H

| |

H – C – C - O - H

| |

H H

3 Propanol (Propylalkohol)

C3H7OH H H H

| | |

H – C – C – C - O - H

| | |

H H H

4 Butanol (Butylalkohol)

C4H9OH H H H H

| | | |

H – C – C – C – C - OH

| | | |

H H H H

5 Pentanol (Amylalkohol)

C5H11OH H H H H H

| | | | |

H – C – C – C – C – C - OH

| | | | |

H H H H H

6 Hexanol (Hexylalkohol)

C6H13OH H H H H H H

| | | | | |

H – C – C – C – C – C – C - OH

| | | | | |

H H H H H H

…

16 Hexadekanol (Cetylalkohol)

C16H33OH

CH3-(CH2)14-CH2-OH

…

Exakterweise müsste man aber immer n- vor den Namen mit angeben, um zu kennzeichnen, dass es sich um eine lineare (native, normale, von: neo) Struktur handelt. Aus der Tabelle können wir sehen, dass die linearen Alkanole zumindestens von der Struktur her eine homo-loge Reihe bilden. Verzweigte Alkanole bilden weitere homologe Reihen, die aber schwerer systematisch zu erfassen sind. Ist an dem C-Atom (rot), an dem die Hydroxyl-Gruppe gebunden ist (maxi-mal) noch ein weiteres C-Atom (blau) gebunden, dann nennen wir solche Alkanole primäre Alkohole (Alkanole). Sind dagegen zwei weitere Cohlenstoff-Atome an diesem C-Atom gebunden, dann handelt es sich um einen sekundä-ren Alkohol (Alkanol). Dies ist schon im-mer Fall, wenn die Hydroxyl-Gruppe im zentralen Teil der Cohlenstoff-Kette des Alkan-Körpers gebunden ist. Von einem tertiären Alkohol (Alkanol) spricht man, wenn alle (drei) restlichen Bindungen zu einem C-Atom gehen.

Alkohol

H H H H

| | | |

H – C – C – C – C - OH

| | | |

H H H H

H H H H

| | | |

H – C – C – C – C - H

| | | |

H H OH H

H H H

\|/

H C H

\ | /

H – C – C – C – H

/ | \

H OH H

primärer

Butan-1-ol (n-Butanol,

Butanol-1)

sekundärer

Butan-2-ol (Butanol-2)

tertiärer

2-Methyl-propan-2-ol

(2-Methyl-

propanol-2)


Die Namensgebung primär, sekundär und tertiär leitet sich aus der Anzahl der Nicht-Wasserstoff-Nachbarn (blau) des Hydroxyl-Gruppe-tragenden Cohlenstoff-Atoms (rot) ab.

Für die einfachen Alkanole ergibt sich die allgemeine Formel CnH2n+1OH mit n = 1, 2, 3, …. Die Zahl isomerer Verbindungen steigt – wie üblich – mit der Anzahl der C-Atome. Dabei sind nicht nur die verschiedenen Stellungen der OH-Gruppe zu beachten, sondern auch noch die verschiedenen linearen oder verschweigen Cohlenstoff-Gerüste. Auch wenn man es vielleicht nicht erwartet, beide Abwandlungs-Möglichkeiten beeinflussen sehr stark die Stoff-Eigenschaften. Am Beispiel der Schmelz- und Siede-Punkte wollen wir das hier kurz aufzeigen: Stoff Fp.

[°C] Kp. [°C]

Stoff Fp. [°C]

Kp. [°C]

1-Propanol -126 97

2-Propanol -90 82

1-Butanol -80 117

2-Butanol -114 99 1,2,3-Propantriol (Glycerol)

2-Methyl-1-propanol -108 108

2-Methyl-2-propanol 24 83

Beispiel: Propanol Isomer Struktur Schmelz-

punkt F. [°C]


Propan-1-ol n-Propanol

-126 97

Propan-2-ol i-Propanol

- 88 - 90

82


3.2.1.2. Herstellung der Alkanole Die Herstellung von Methanol ist seit dem 17.Jhd. als trockne Destillation von Holz bekannt. Dabei geht der sogenannte Holzgeist – eben das Methanol – über. In der Synthese-Chemie nutzt man Synthese-Gas als Ausgangsstoff für eine großvolumige Methonal-Produktion. Synthese-Gas enthält Cohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Das Gas wird über einen Kata-lysator geleitet: Kat.

CO + H2 CH3-OH Bis auf Methanol lassen sich Alkanole direkt aus Alkenen gewinnen. Durch katalytische Addi-tion von Wasser bilden sich verschiedene Alkohole, die dann u.U. noch getrennt (gereinigt) werden müssen. Im einfachsten Fall nutzt man Ethen zur Gewinnung von Ethanol. Kat.

H2C = CH2 + H2O H3C – CH2-OH Dieser technische Alkohol ist sachlich nicht von Trink-Alkohol zu unterscheiden, darf aber aus rechtlichen Gründen nicht für den menschlichen Verzehr genutzt werdden. Technischer Alkohol wird deshalb in den allermeisten Fällen vergällt. D.h. im wird ein Stoff (meist Benzin, Campher, …) zugesetzt, der den Alkohol ungenießbar macht und sich nicht so einfach oder gar nicht abtrennen lässt. Vergällter Alkohol muß dann auch nicht extra versteuert werden und ist z.B. als Spiritus billig zu haben. Den Spezialfall "Ethanol für menschliche (Trink-)Zwecke" betrachten wir direkt bei der Behandlung von Ethanol als Stoff ( 3.2.1.4.1.1. Ethanol).

Ab drei Cohlenstoff-Atomen ergeben sich verschiedene Möglichkeiten bei der Stellung der gebildeten OH-Gruppe. Kat.

H3C – CH = CH2 + H2O H3C – CH2 – CH2OH Propen primäres Alkanol: n-Propanol

Kat.

H3C – CH = CH2 + H2O (H3C –)2 CHOH Propen sekundäres Alkanol: iso-Propanol (Propan-2-ol)

Bei der Reaktion treten also immer isomere Reaktions-Produkte auf, die dann noch getrennt oder gereinigt werden müssen. Langkettige Alkohole werden entweder aus Fetten gewonnen oder durch die Oxosynthese (auch: Hydroformulierung) erzeugt. Bei dieser werden entsprechend große Alkene mit Syn-these-Gas in Anwesenheit von Katalysatoren (Cobalt, Rhodium, …) zur Reaktion gebracht. In einem ersten Schritt reagieren die Alkene mit Cohlenmonoxid: Kat.

R – CH = CH2 + CO R – CH – CH2 – CHO (lineares) Alkanal

Kat.

R – CH = CH2 + CO R – CH(CHO) – CH3 verzweigtes Alkanal


Im nachfolgenden Schritt werden die Alkanale mit Wasserstoff reduziert: Kat.

R – CH – CH2 – CHO + H2 R – CH – CH2 – CH2OH primäres Alkanol

Kat.

R – CH(CHO) – CH3 + H2 R – CH(CH2OH) – CH3 verzweigtes Alkanal sekundäres Alkanol

Die Reaktion muss zwar bei 120 – 300 °C und einem Druck von rund 150 bar geführt wer-den. Trotzdem ist sie energetisch recht effektiv, da die Reaktionen exotherm sind und die Abwärme zur Erwärmung der Ausgangstoffe genutzt wird.

3.2.1.3. physikalische und chemische Eigenschaften der Alkanole Ähnlich wie bei Wasser-Molekülen bilden sich ausgehend von der Hydroxyl-Gruppe Wasser-stoff-Brückenbindungen zwischen den Molekülen aus. Da mit steigender Kettenlänge die Abstände zwischen möglichen Partnern (Hydroxyl-Gruppen) immer größer werden, verrin-gert sich die Anzahl reel aufgebauter Brücken entsprechend. Schon hiermit haben wir ge-zeigt, dass es sich bei den kettenförmigen Alkanolen um eine typische homologe Reihe han-delt.

Alkohol Siede-Temperatur [°C]

Wasser-Löslichkeit [g/100 ml]

Methanol +65 unbegrenzt

Ethanol +78,5 unbegrenzt

Propan-1-ol unbegrenzt

Butan-1-ol 8

Pentan-1-ol 2

Hexan-1-ol

Ethan-1,2-diol +197

Propan-1,2,3-triol +290

Die homologe Reihe der Alkanole zeigt die üblichen Abstufungen und Tendenzen bei ver-schiedenen Eigenschaften. Besonders die Siedetemperaturen zeigen ein schönes kontinu-ierliches Bild. Der


noch umformulieren: Die Schmelz- und Siedetemperaturen steigen kontinuierlich an – liegen aber wegen der Wasserstoff-Brücken deutlich über der, vergleichbarer (gleichschwerer) Moleküle.

Q: de.wikipedia.org (Peter Krimbacher)

Entgegen ersten Erwartungen haben Alkanole eher höhere Siede-Punkte. Auch die Schmelz-Temperaturen sind leicht über den ersten Voraussagen gelegen. Besonders deut-lich wird dies bei den ersten Gliedern der homologen Reihe.

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

1 2 3 4 5 6

T [°C]

C-Atome

homologe Reihen der Alkane und der Alkanole Alkane Fp

Alkane Kp

Alkanole Fp

Alkanole Kp


Stoff Schmelz-Temperatur

[°C]

Siede-Temperatur

[°C]

Methan -162

Methanol +65

Ethan -89

Ethanol +78,5

Propan

Propan-1-ol

Butan

Butan-1-ol

Ursache für dieses Phänomen sind die Sauerstoff-Atome. Sie depolarisieren vorrangig die Bindung zum Wasserstoff. Der Sauerstoff ist in den Molekülen partiell negativ – das an ihnen anhängende Wasserstoff-Atom ist dagegen partiell positiv – geladen. - + - + H3C - CH2 - O - H H3C - CH2 - O ► H H3C - CH2 – O| H

partielle Ladungen aufgrund der Elektronegativität

teilweise Verschiebung des Bindungselektronenpaares

vollständige Verschiebung des Bindungselektronenpaares

(Ionen-Bildung)

Die alkylischen Reste sind unpolar. Die unterschiedliche Verteilung der polaren Eigenschaf-ten sorgt nun dafür, dass sich die Moleküle so ausrichten, dass immer zusammengehörende Molekül-Eigenschaften sich annähern. Die polaren Kräfte sorgen für sich schon für eine rund 10x stärke Anziehungskraft, als es die VAN-DER-WAALSschen Kräfte an den alkylischen Resten können. Nun kommt aber noch ein weiterer Effekt dazu, der die Anziehungskräfte an den Hydroxyl-Gruppen weiter verstärkt. Die Wasserstoff-Atome der Hydroxyl-Gruppe sind so polar, dass sie auch von den negativ geladenen Sauerstoff-Atomen anderer – nahe liegen-der – Moleküle angezogen werden. Die Anziehung kann so stark sein, dass das "fremde" Sauerstoff-Atom dem "eigenen" das Wasserstoff-Atom (als Wasserstoff-Ion) entwendet.

Nun ist das eigene Molekül negativ und das andere Molekül positiv geladen. Beiden ziehen nun noch stärker an, was wiederum die Rückgabe des "geliehenen" Wasserstoff's ermög-licht. Beide Moleküle nutzen gewissermaßen das Wasserstoff-Atom (Wasserstoff-Ion) ge-meinsam. Das Wasserstoff-Ion (Proton) bildet gewissermaßen eine Brücke zwischen den zwei Molekülen. Wir sprechen von einer Wasserstoff-Brücken-Bindung. Diese ist recht stark und ist z.B. auch für eine Vielzahl von besonderen Eigenschaften bei Wasser verantwortlich.


Durch die Wasserstoff-Brücken-Bindung wird die Siedetemperatur nochmals erhöht, weil nun nochmals mehr Energie für das Herausreißen eines Moleküls aus dem flüssigen Molekül-Verband notwendig ist. Die Alkanole bis C5 sind leichtgängige Flüssigkeiten. Mit steigender Kettenlänge werden sie immer dickflüssiger. Ab C12 sind sie bei Zimmertemperatur fest und ab C16 von einer fettig kristallinen Konsistenz (vergleichbar mit den Parafinen). Alkanole mit einer Cohlenstoff-Anzahl von 6 bis 22

werden wegen ihrer Zähflüssigkeit (aber auch wegen ihrer Herstellung aus Fettsäuren) als Fettalkohole bezeich-net. Ähnlich ist die Namensgebung der Wachsalkohole auf die vergleichbare Konsistenz der Alkane (Wachse, Parafine) zurückzuführen. Hier sind Alkanole mit C24 bis C36 gemeint. Die Löslichkeit in Wasser nimmt mit steigender Moleküllänge. Die polarisierende Wirkung der Hydroxylgruppe wird bezogen auf das Gesamt-Molekül immer geringer. Bei den niedermole-kularen Alkanolen (C1 – C3) werden die Moleküle fast lückenlos in die Wasser-Molekül-Cluster eingebaut. Damit ergibt sich eine unbegrenzte Mischbarkeit des Alkanols mit Was-ser. Vor allem die kurzkettigen Alkanole sind gute Lösungsmittel für polare und unpolare Stoffe. In der Praxis werden sie deshalb oft als Reinigungmittel verwendet. Z.B. sind Fester- oder Glas-Reiniger zu einem großen Anteil aus Alkanolen zusammengesetzt. Erhitzt man ein Wasser-Ethanol-Gemisch, dann müssten sich die beiden Bestandteile eigentlich durch Destillation voneinander trennen lassen. Die einzelnen Siedetempe-raturen liegen rund 20 K auseinander. Selt-samerweise passiert dies nicht. Wasser und Alkanol bilden ein sogenanntes azeotropes Gemisch (konstant siedendes Gemisch). Egal von welchem Ausgangsgemisch man ausgeht, man erhält am Ende immer ein Gemisch von Ethanol (96 %) und Wasser (4 %), welches bei 78 °C siedet.

Somit ist auch die maximal eine Ethanol-Lösung mit 96 Vol%. Ursache für die Bildung des azeotropen Gemisches sind die starken Wasserstoff-Brücken-Bindungen und doch relativ dichte Lage der Siedepunkte der Einzelkomponenten zueinan-der. Für die Herstellung (Absolutierung) von reinem Ethanol (100 %ig) ist z.B. die Trocknung (Wasser-Entzug) mit Calciumoxid oder Calciumcarbid notwendig. Durch chemische Umset-zungen binden die Trocknungstoffe das Wasser. Übrig bleibt fast reiner Ethanol (über 99 %). Großtechnisch nutzt man einen anderen Trick. Durch Zusatz eines dritten Stoffes (ein sogenanntes Schleppmit-tel) erhält man ein ternäres Gemisch (drei Bestandteile). Der dritte Stoff wird so ausgewählt, dass sich im Bereich des azeotropen Siedepunktes eine Mischungslücke auftut. Dort mischt sich einer der beiden – eigentlich zu tren-nenden – Stoffe nicht mit dem Schleppmittel. Meist geht an dem azeotropen Punkt ein Zweistoff-Gemisch über, das dann aufgrund der Nichtmischbarkeit einfach getrennt werden kann. Dabei gewinnt man das Schleppmittel zurück. Ein solches Verfahren nennt man in der technischen Chemie Azeotropretifikation.

Ein weiterer interessanter Effekt tritt ein, wenn man kurzkettige Alkanole und Wasser ver-mengt. Mischt man z.B. reinen Ethanol mit reinem Wasser im Verhältnis 1 : 1, dann kommt es zu einem Volumen-Verlust. Dieser liegt in unserem Beispiel bei rund 2 %.


Die Erklärung ist realtiv einfach. Bei beiden Stoffen unterscheiden sich die Teilchengrößen. Die kleineren Teilchen (hier Wasser) können sich im Gemisch gut in die Lücken zwi-schen die großen Teilchen verteilen (verstecken). Dadurch ergibt sich ein geringeres Gesamt-Volumen. Zu-sätzlich tritt bei Ethanol und Wasser noch ein ähnlich gelagerter Effekt durch die Vermehrung der Wasser-stoff-Brücken im Gemisch auf. Im Vergleich zum reinen Ethanol können sich mehr Brücken (zum Wasser) bilden.

+

Wenn man die Hydroxyl-Gruppe betrachtet, dann könnte man annehmen, dass die Alkanole basisch reagieren. Die OH-Gruppe wird aber beim Lösen im Wasser gar nicht frei. Ganz im Gegenteil – Alkohole sind eher schwache Säuren.

C2H5OH + H2O C2H5O- + H3O

+

So lässt sich auch die Reaktion von Alkoholen mit Natrium erklären. Natrium reagiert unter Gasbildung realtiv langsam ab.

C2H5OH + Na C2H5O- + Na+ + H2

Das gebildete Salz ist ein Alkoholat – so nennt man die Salze der Alkanole. In unserem Fall wäre das Reaktionprodukt Natriumethanat. Alkoholate reagieren mit Halogen-Kohlenwasserstoffen unter Abspaltung eines (anorgani-schen) Salzes zu Ethern ( 3.2.4. Ether). Die Alkanole verfügen – wie wir gesehen haben – durch die Hydroxyl-Gruppe über neue Ei-genschaften. Der Hydroxyl-Gruppe kommt also gewissermaßen eine Funktion zu. Sie beein-flußt die ursprünglichen Eigenschaften der Alkane (reaktionsträg, nur in unpolaren Lösungs-mitteln löslich, …). Man spricht deshalb von einer funktionellen Gruppe. Die Hydroxyl-Gruppe ist die funktionelle Gruppe der Alkanole. Andere Eigenschaften scheinen unverändert. So sind auch die Alkanole brennbar. Viele Ver-treter – vor allem die kurzkettigen – sind gut brennbar.

C3H7OH + 4 ½ O2 3 CO2 + 4 H2O ;RH = - kJ / mol Neben der vollständigen Oxidation (Verbrennung) ist auch eine teilweise Oxidation (z.B. mit

Metalloxide) möglich: R – CH2 – OH + CuO R – CHO + Cu + H2O prim. Alkohol Cupfer(II)-oxid Alkanal Verwendet man primäre Alkohole so erhält man erhält man sogenannte Alkanale ( 3.2.2. Alkanale (Aldehyde)) – eine weitere Gruppe der Sauerstoffderivate von Alkanen. Bei weiterer bzw. stärkerer Oxidation können auch Alkansäuren ( 3.2.3. Alkansäuren (Carbonsäuren)) entstehen. Als Oxidationsmittel lassen sich z.B. auch Kaliumdichromat oder Kaliumpermanganat ver-wenden: 3 C3H7OH + K2Cr2O7 + 8 H+ C2H5CHO + 2 Cr3+ + 2 K+ + 7 H2O Kaliumdichromat Propanal


C2H5OH + KMnO4 + H+ CH3CHO + Kaliumpermanganat Ethanal Hierbei entstehen Alkanale (Aldehyde, 3.2.2. Alkanale (Aldehyde)). Gearbeit wird meist bei schwefelsauren Bedingungen. Es reicht also schon eine relativ schwache Säure aus, um genügend Protonen für die Oxidation bereitzustellen. Ist der Ausgangsstoff für die Oxidation ein sekundärer Alkohol, dann bildet sich ein Keton ( 3.2.5. Ketone). CH3-HCOH-CH3 + K2Cr2O7 + CH3-CO-CH3 + Tertiäre Alkohole reagieren unter den genannten einfachen oxidierenden Bedingungen nicht. Bei ihnen ist nur die vollständige (zerstörende) Oxidation zu Cohlendioxid und Wasser mög-lich. Die teilweise Oxidation von Ethanol an farbigen anorganischen Substanzen nutzt man für die Anwendung als Atemalkohol-Teströhrchen. 3 C2H5OH + K2Cr2O7 + 4 H2SO4 3 CH3CHO + Cr2(SO4)3 + 7 H2O + K2SO4 (gelb) (grün)

Je länger die grüne Säule ist, umso mehr Alkohol war in der Ausatem-Luft. Als Maß wird eine bestimmte Luftmenge verwendet (aufzublasender Luftsack). Heute werden zur Atem-Alkehol-Probe immer mehr elektronische Geräte verwendet. Sie sind mit speziellen Senso-ren ausgestattet sind. Setzt man erhitzten Alkanolen konzentrierte Schwefelsäure (als wasserentziehenden Stoff (im gewissen Sinne eine Trocknung)), dann bilden sich verschiedene Stoffe. Betrachten wir beispielhaft das Ethanol. Bei Temperaturen bis 140 °C entsteht zuerst einmal ein sogenann-ter Ester ( 3.2.6. Ester). < 140 °C

CH3-CH2OH + H2SO4 CH3-CH2-SO3H + H2O Schwefelsäureethylester

Die Reaktionen, bei denen eine Säure mit einem Alkohol unter Bildung eines Esters reagiert, heißen auch Veresterung. Praktisch handelt es sich auch um eine Substitution. Im konkreten Fall wird aus dem Ethanol die Hydroxyl-Gruppe durch den Säure-Rest der Schwefelsäure ausgetauscht. Wer will kann das Ganze aber auch der Sicht der OH-Gruppe sehen. Dann wird eben der Alkyl-

Rest gegen ein Proton von der Schwefelsäure ausgetauscht. Der völlig offene Chemiker sieht hier auch eine Säu-re-Base-Reaktion, bei der die schwache Säure Ethanol – die hier als Base fungiert – mit der starken Säure Schwefelsäure "neutralisiert" wird. Zumindestens sind Protonen-Abgabe (bei der Schwefelsäure) und Protonen-Aufnahme (beim Alkohol, mit anschließender Abspaltung von Wasser) gut nachzuvollziehen. Man könnte die Reaktion aber auch als Kondensations-Reaktionen charakterisieren, da bei dieser Art der Substitutions-Reaktion ein kleines Molekül – hier Wasser – abgespalten wird. Bei ungefähr 140 °C kommt es vorrangig zu einer anderen Kondensations-Reaktion. Ethanol reagiert dabei mit sich selbst unter Bildung eines Ethers ( 3.2.4. Ether). c H2SO4, 140 °C

2 CH3-CH2OH CH3–CH2 – O – CH2–CH3 + H2O Diethylether

Ether sind durch die typische Sauerstoff-Brücke zwischen zwei Cohlenstoff-Atomen gekenn-zeichnet. Verwendet man noch höhere Temperaturen (um 170 °C), dann kommt es zur Eliminierung von Wasser aus dem Alkohol: c H2SO4, 170 °C

CH3-CH2OH CH2=CH2 + H2O


Das Gleiche kann man auch bei anderen Alkoholen durch starkes Erhitzen erreichen:

c H2SO4, 200 – 300 °C

CH3-CHOH-CH3 CH3-CH=CH2 + H2O Die Reaktion nennt sich allgemein Dehydatisierung, da Wasser (hydrat) entfernt (De-) / abge-spalten wird. Dehydratisierungen sind ein Spezialfall der Eliminierungen. Zur Bestimmung, um welchen Substitutions–Grad es sich bei einem Alkohol handelt, ver-wendet man den LUCAS-Test. Hierbei wird die Probe mit LUCAS-Lösung (Zinkchlorid in

konzentrieter Salzsäure) versetzt. Tertiäre Alkohole reagieren bei Zimmer-Temperatur umgehend, während sekundäre Alkohole erst nach rund 5 min umgesetzt werden. Um primäre Alkohole reagieren zu lassen, ist immer ein Erwärmen notwendig.

ZnCl2;

R–OH + HCl R–Cl + H2O

negativ und positiv verlaufener LUCAS-Test

Q: de.wikipedia.org (Talos & Andel)

Der Test lässt sich allerdings nur für Alkohole mit bis maximal 6 C-Atome benutzen, da eine Lösung der Probe in der LUCAS-Lösung notwendig ist. Außerdem reagieren z.B. Benzyl- und Allyl-Alkohol sofort mit der LUCAS-Reagenz. Beim Allylalkohol kann man desweiteren keine Trübung beobachten.

Aufgaben:

1. Stellen Sie für die nachfolgenden Reaktionen die chemischen Gleichungen

auf!

a) Reaktion von n-Propanol mit Natrium b) vollständige Verbrennung von Ethanol c) Bildung von Natriumbutanat

2. Vergleichen Sie die Hydroxyl-Gruppe mit dem Hydroxid-Ion!

3. Vermischen Sie 100 ml Seesand oder Senfkörner mit 100 ml Pfefferkörner

oder Wachaolderbeeren! Messen Sie das gebildete Volumen exakt aus! Wie

lässt sich die Beobachtung erklären?


Steuerung des Reaktions-Verlaufes bei Parallel-Reaktionen

Lässt man ein Alkohol (z.B. Ethanol) mit (konzentrierter) Schwefelsäure reagieren, dann könnten ver-schiedene Produkte entstehen. Neben einem Ester und einem Ether ist auch die Bildung eines Alkens (Ethen) möglich:

C2H5OH + cH2SO4 C2H5-O-SO3H + H2O Ethanol conc. Schwefelsäure Schwefelsäureethylester

C2H5OH + cH2SO4 C2H5-O- C2H5 + H2O + H2SO4 Ethanol conc. Schwefelsäure Diethylether

C2H5OH + cH2SO4 C2H4 + H2O + H2SO4 Ethanol conc. Schwefelsäure Ethen

Für jedes Produkt ist ein anderer Reaktions-Verlauf charakteristisch. Die einzelnen Reaktionen sind durch spezielle Aktivierungs-Energien und Reaktions-Energien gekennzeichnet. Für die technische Umsetzung ist es nun interessant, welche der Reaktionen im Reaktor abläuft. Sollten es mehrere sein, dann interssiert natürlich der jeweilige Anteil am Gesamt-Reaktions-Geschehen und damit die zu er-wartende Ausbeute.

Zusammenfassung der oberen Diagramme


Aufgabe:

1. Überlegen Sie, welche Reaktion(en) in einem Reaktor mit Ethanol und kon-

zentrierter Schwefelsäure wirklich ablaufen! Begründen Sie Ihre Entschei-

dung!

Wird eine Reaktion z.B. über die Temperatur beeinflusst, dann gibt es die Möglichkeit die Arbeits-Temperatur so zu wählen, dass die Reaktion am stärksten gefördert wird, die kine-tisch bevorteilt ist. Dabei meint man solche Reaktionen, die schon bei möglichst geringer Temperatur-Erhöhung – od. vielleicht sogar Kühlung – schon mit guter Ausbeute laufen. Mit anderen Worten die Aktivierungs-Energie dieser Reaktion ist so gering, dass schon bei klei-nen Temperaturen genügend Teilchen reagieren können. Eine solche Beeinflussung des Reaktions-Geschehens nennen wir kinetische Kontrolle. Anders herum kann man den Reaktions-Verlauf in einem Reaktor auch thermodynamisch kontrollieren. Dabei werden die unterschiedlichen Energie-Niveaus der Reaktions-Produkte ausgenutzt. Durch Temperatur-Erhöhung fördert man die Bildung des thermodynamisch stabilsten Produktes – also dasjenige, welches das geringste Energieniveau hat. Dieses Produkt liegt in einer so tiefen Energie-Senke, dass nur wenige Teilchen den Rückweg über den Aktivierungs-Energie-Berg schaffen.

Aufgabe:

2. Welche weiteren Möglichkeiten zur Kontrolle des Reaktions-Geschehens

hat man noch? Geben Sie an, wie genau die Reaktion geführt werden müss-

te, dass ein von Ihnen gewähltes Endprodukt vorrang gebildet wird!


3. Ist es möglich, durch Temperatur-Erhöhung oder –Erniedrigung eine

100%ige Ausbeute nur eines Produktes zu erreichen? Begründen Sie Ihre

Meinung!


Oxidation von Ethanol mit Cupferoxid (Reinigung von Cupfer)

Hinweise: Spiritus ist brennbar! Deshalb einen sicheren Abstand zwischen Wärme-Quelle zum Erhitzen des Cupfer und dem

Materialien / Geräte: oxidiertes (dunkelbraunes) Stück Cupfer (CuO); Becherglas od.ä., in welches das Stück Cupfer passt; Ethanol (z.B. Spiritus); Wärme-Quelle (möglichst keine offene Flamme!)

Durchführung / Ablauf: - Becherglas mit Spiritus füllen - das Stück Cupfer erhitzen und dann in den Spiritus eintauchen - ev. Prozedur mehrfach wiederholen alternativ: - Cupferstück mindestens ein paar Tage in Spiritus legen (Gefäß abdecken, damit nicht un-

nötig viel Ethanol verdunstet)


3.2.1.4. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkanole

3.2.1.4.1. einwertige Alkanole

3.2.1.4.1.1. Ethanol Ältere Namen für diese Substanz sind Weingeist, Äthylal-kohol, Ethylalkohol, Trinkalkohol. Alle sind mehr oder we-niger gebräuchlich. Im Bereich der Chemie sollte man wegen der Eindeutigkeit bei Ethanol bleiben. Gerne wird die Abkürzung Etol (Et … Ethyl-Rest) genutzt. In der Me-dizin spricht man auch von C2. Aus menschlicher und biologischer Sicht ist Ethanol der bedeutsamste einwertige Alkanol.

Q: commons.wikimedia.org (Benjah-bmm27)

Die Herstellung kann auf biologischen oder technischen Weg erfolgen. Die Herstelungsart entscheidet auch über die mögliche weitere Verwendung.Die technische Darstellung erfolgt z.B. aus Ethen durch katalytische Wasser-Anlagerung (s.a. 3.2.1.2. Herstellung der Alkanole): Kat.

C2H4 + H2O C2H5OH Für Trinkzwecke ist nur natürlich entstandener Alkohol zulässig. Der Herstellungsweg ist die alkoholische Gärung. Neben Hefe-Pilzen können viele andere – vor allem anaerob (ohne Sauerstoff) lebende Einzeller – die alkoholische Gärung durchführen. Sie benötigen dafür einige bestimmte Enzyme. Enzyme

C6H12O6 C2H5OH + 2 CO2 ; RH = - 104 kJ / mol Praktisch steckt der Prozess der Glycolyse (diesen Prozess können alle Zellen) dahinter, der durch spezielle Reaktionen abgeschlossen wird. Diese sind zur Entsorgung des Endprodukts der Glycolyse – der Brenztraubensäure (BTS 3.2.3.3.3. Derivate der Alkansäuren) – notwen-dig. Hefen geben den produzierten Ethanol in die Umgebung ab (Gärballon). Mit steigendem Al-koholgehalt vergiften sich die Hefen selbt und sterben ab. Normalerweise hört die Gärung bei 12 – 14 % Ethanol auf ( Wein). Selten können speziele Hefen (z.B. Dessert-Weinhefen) bis 18 % Ethanol-Gehalt erreichen. Höhere Alkohol-Konzentrationen werden durch Destillation (Brennen) erreicht ( Wein-brand). Hierbei ist besondere Vorsicht walten zu lassen, da z.B. das giftige Methanol zuerst übergeht. Brennspiritus ist meist technischer Alkohol. Wegen der Besteuerung von Trinkalkohol wird technischem Alkohol Vergällungsmittel zugesetzt, um ihn ungenießbar zu machen. Typische Vergällungsmittel sind Campher, Benzin, Petrolether oder Pyridin. Diese Stoffe lassen sich nicht durch Destillation abtrennen, da sie einen ähnlichen Siedpunkt haben, wie der Alkohol. Ethanol brennt mit heißer, bläulicher Flamme. Die wasserhelle (klarere) Flüssgkeit hat einen beißenden Geschmack. Ethanol ist ein Nervengift. Die Giftigkeit (LD50 (letale Dosis für 50 % der

Menschen)) liegt bei mg/kg (Körpergewicht). Als Orientierung werden auch die folgenden Wer-te (alles LD50-Werte) gegeben. Die Aufnahme von 260 ml 100 %igem bzw. 650 ml 40 %igem Ethanol ist tödlich. Für Kinder liegt der die tödliche Dosis bei 40 %igem Alkohol schon bei 100 – 200 ml. 3 ‰ (Promille, 1/1000, 1 ‰ = 0,1 %) bedeuten i.A. Lebensgefahr. Neben ei-nem Kreislaufzusammenbruch kommt es bei höheren Konzentrationen in Blut zum Ausset-zen des Kleinhirns. Zu beachten ist bei diesen Werten, dass bei einer Gewöhnung die Zah-len weit nach oben steigen können. Besonders gefährlich sind Kombinationen mit anderen Stoffen (z.B. Medikamenten, Drogen, …). Selbst ist Ethanol eigentlich weitgehend ungefähr-lich. In den Zellen wird es aber weiter abgebaut. Das Zwischenprodukt (Ethanal 3.2.2.3. wichtige Vertreter der Alkanale) ist dagegen sehr giftig. In einem weiteren Oxidationsschritt


wird aus dem Ethanal dann Essigsäure (Ethansäure; 3.2.3.3.1. einwertige Alkansäuren). Die Essigsäure wird als coenzymgebundene Substanz (Acetyl-Coenzym A, AcCoA) in den Citronensäure-Cyclus eingeschleust und dann in Energie (ATP) umgesetzt. Aus physiologi-scher Sicht steckt recht viel Energie im Alkohol, was wohl auch seinen wärmenden Effekt erklärt. Besonders gefährlich ist Ethanol durch seine Wirkung auf das Lust- und Befriedigungs-Zentrum in unserem Gehirn. Es kommt zu Veränderungen in den Stoffwechsel-Vorgängen. Dieser wird auf den Abbau von Ethanol spezialisiert. Als kleines Molekül wird es sehr schnell resorbiert. Desweiteren kommt es zu einer Desensibilisierung des Organismus. Es müssen immer größere Mengen aufgenommen werden, um einen vergleichbaren Effekt zu erreichen. Insgesamt ergibt sich ein großes Suchtpotential für Ethanol. Im Lebensmittelbereich ist Ethanol ein beliebter Nahrungsbestandteil. Durch seine Lösungs-eigenschaften ist er ein idealer Geschmacksträger. Dazu kommen mazerierende Effekte beim Einwirken auf Obst und Fleisch. Bei anderen Lebensmitteln bzw. in der Produktion werden auch die desinfizierenden und konservierenden Eigenschaften ausgenutzt. Alkohol findet man selbst in unscheinbaren und als Baby-freundlich eingestuften Nahrungs-mitteln. So enthalten reife Bananen bis zu 1 % Ethanol. Ob Baby's deshalb so gerne Bana-nen essen? Aber auch in Brot, Kuchen, Sauerkraut, Riegeln und vielen Säften findet man bis zu 0,5 % Ethanol.

Aufgaben:

1.

Blut-Alkohol-Gehalt []

Wirkungen

0,3 entpannend erhöhtes Selbstbewußtsein erste Geh-Störungen Veringerung des Konzentrations-Vermögen

0,4

0,5 eingeschränktes Sichtfeld

0,6 leichte Sprach-Störungen

0,7

0,8 Einschränkung der Fähigkeit zur Benutzung von Kraftfahrzeugen

0,9

1,0 mittlerer Rauschzustand

1,2 vermehrt auftretende Übelkeit

1,4 Grenze für koordinierte Reaktio-nen

1,6

1,8

2,0 – 3,0 gestörtes Erinnerungs-Vermögen ("Film-Riß")

3,0 – 4,0

4,0 – 5,0 tödlich


3.2.1.4.1.2. Methanol Ursprünglich wurde der Stoff Holzgeist genannt (Bildung bei

der trocknen Destillation von Holz). Der ältere Name Methyalkohol sollte nicht verwendet werden, da er für Un-wissende trügerisch ist. Besser und sicherer ist die Ver-wendung des Namens Methanol. Der Begriff Alkohol sollte nur für den echten Trink-Alkohol (Ethanol) benutzt wer-den. Wenig verwendlich ist der alte Name Carbinol. Methanol ist wasserhell, aromatisch riechend, brennbar und geschmacklich nicht vom Ethanol zu unterscheiden

Q: commons.wikimedia.org (Benjah-

bmm27)

Er siedet vor Ethanol (64,5 °C; geht also auch bei Destillation mit über). Methanol ist ein sehr giftiger Stoff. Seine Wirkung ist weniger berauschend. Schon geringe Mengen (8 – 10 g) können zu dauernder Blindheit führen. Dazu kommen Gehirn- und diverse Organschäden. 20 ml Methanol sind für einen 75 kg schweren Menschen tödlich (zum Vergleich 60 ml Etha-nol würde gerade 1 ‰ Blutalkohol bedeuten dies ist noch rel. ungefährlich) eingeatmet führen 10 – 100 g leicht zu Bewusstlosigkeit, auch Resorption über die Haut möglich technische Herstellung aus Synthese-Gas (CO + H2O), Jahres-Produktion über 1.000.000.000 Liter, hauptsächlich für die Herstellung von Methanal (Formaldehyd) und an-derer Synthese-Produkte verwendet, aber auch als technisches Lösungsmittel Methanol entsteht auch bei Gärprozessen z.B. aus den enthaltenen Pektinen. Zur Reinigung werden deshalb die meisten Gärprodukte rektifiziert (destilliert). Zu Anfang und bei Siede-temperaturen unter 78 °C geht vor allem das Methonal ins Destillat über. Diese Vorlage wird dann unbedingt verworfen! Erste Hilfe / Gegenmittel: Magenspülung mit Natron (Natriumhydrogencarbonat), Gabe von Kohle und Karlsbader Salz (GLAUBER-Salz, Natriumsulfat), Anregungsmittel Kaffee, Wärme und Sauerstoff zur Aktivierung des Stoffwechsels

3.2.1.4.1.3. Amylalkohole verschiedene Pentanole; entstehen bei der alkoholischen Gärung als Nebenprodukte durch Vergärung von Aminosäuren, Peptiden und Eiweißstoffen auch Fuselöle genannt, vor allem in billigem und selbst gebranntem Alkohol, unangenehmer Geruch, reizen die oberen Verdauungsorgane (Mundhöhle, Rachen), sind giftig, verursachen Kopfschmerzen und Übelkeit "Fusel" im Labor bei der Milchfett-Bestimmung verwendet

3.2.1.4.1.4. Propan-2-ol (iso-Propanol, 2-Propanol) Lösungsmittel in der Kosmetik-Industrie Desinfektionsmittel Zusatz in Scheiben-Reinigungsmittel und als Frost-schutzmittel bzw. Scheiben-Enteiser

Herstellung durch Addition von Wasser an Propen Ausgangsstoff für die Produktion von Aceton ( )


3.2.1.4.1.5. Phenol eigenartig riechend (wie Krankenhaus) wenig wasserlöslich, wässrige Lösung schwach sauer Carbolsäure

Q: www.3dchem.com

Wasserstoff der Hydroxyl-Gruppe leichter abspaltbar als bei Ethanol einfachere Alkoholat-Bildung z.B. mit Natrium Salze heißen Phenolate Wasserstoff-Atome am Phenol lassen sich leichter substituieren als beim Benzen diverse Derivate (Pentachlorphenol (PCP) 3.2.7. substituierte Aromaten mit Sauerstoff im Substi-tuenten; Pikrinsäure (2,3,6-Trinitrophenol) ) ebenfalls zwei- und dreiwertige Phenole bekannt, lösen sich gut in Wasser Derivate des Phenols finden als Ätzmittel, Pflanzenschutzmittel (Lindan, DNOC, …), Fungi-zide (PCB's), Kühlmittel, Hydrauliköle (PBB's) usw. Verwendung; allgemein alle giftig, viel-fach auch cancerogen, bei (einfacher) Verbrennung entstehen hochgiftige Dioxine und Fura-ne

3.2.1.4.1.6. Vitamin A Vitamin A

Q: www.3dchem.com




3.2.1.4.1.7. Cholesterol (Cholesterin) Cholesterol

Q: www.3dchem.com

Propofol

Q: www.3dchem.com

3.2.1.4.1.8. weitere bedeutsame einwertige Alkohole (für die Biologie und Ernä-

hrungslehre) Cerylalkohol und Myricylalkohol C26H53OH bzw. C30H61OH im Bienenwachs enthalten, für den angenehmen bzw. typischen Geruch verantwortlich




3.2.1.4.2. wichtige mehrwertige Alkanole

stabiler ist die vicinale Stellung der Hydroxyl-Gruppen (direkt nebeneinander) theoretisch möglich auch geminale Stellung (zwei Hydroxyl-Gruppen an einem C-Atom) nach ERLENMEYER-Regel ist diese Stellung nur selten existenzfähig (reagiert weiter

3.2.1.4.2.1. Ethandiol (Glycol) und Diethylenglycol (Diglycol) einfachster mehrwertiger Alkohol dickflüssig, süßlicher Geschmack, giftig Glycol (Monoglykol, Ethylenglycol, EG, …); Frostschutz-mittel im Kühlwasser Mischung 1 : 1 mit Wasser gefriert erst bei -40 °C

Q: de.wikipedia.org (NEUROtiker)

namentlich bekanntgeworden durch den Glycol-Skandal, gemeint war aber Diglycol (Diethylenglycol, Dihydroxydiethylether, …) vor allem östereichische Weinbau-ern (Winzer) haben den Wein bzw. Wein-Konzentrate wegen fehlender Süße mit Diglycol gestreckt, Gemacks-verbessernder Effekt (süsslich und auch andere Geschmack-stoffe betonend), keine Beeinflussung der Zuckermessungen, so dass ein ungespritzter Wein (ohne den verbotenen Zucker-zusatz) vorgetäuscht wird eigentlich auch Frostschutzmittel; farblos, geruchlos,

Q: de.wikipedia.org (Yikrazuul)

Herstellung über die Oxidation von Ethen zu Ethenoxid und dann weiter über eine Addition von Wasser Verwendung für die Herstellung von PET-Kunststoffen (Polyethylenterephthalat)

3.2.1.4.2.2. 1,2,3-Propantriol (Propan-1,2,3-triol, Glycerol, Glycerin, Glyzerin) früher auch Propit, Ölsüß

Q: commons.wikimedia.org (Benjah-bmm27)


Gewinnung bei der Verseifung von Fetten technische Herstellung aus Propen

Q: commons.wikimedia.org (Einrotsch)

Frostschutzmittel (Glysantin (60 %ig wässrige Lösung von Glycerol: Frostschutz bis -40 °C)) Verwendung für die Herstellung von Nitroglycerol (Nitroglycerin), einem sehr starken Sprengstoff in der Kosmetik-Industrie für die Herstellung von Salben hygroskopische Eigenschaften werden bei der Verwendung als Feuchthaltemittel (z.B. für Druckerschwärze, Tabak, Seife, …)

3.2.1.4.2.3. Pentite und Hexite fünf- bzw. sechswertige Alkohole, Verstufen der Kohlenhydrate (eine Hydroxyl-Gruppe dann oxidiert zu Aldehyd- bzw. Keto-Gruppe) Sorbit Zuckerersatzstoff für Diabetiker (Diabetikersüße)


Aufgaben:


?. in der nachfolgenden Tabelle sind verschiedene Stoffe mit ihren Molekular-

gewichten sowie den Schmelz- und Siedepunkten zusammengestellt. Die

Stoffe wurden absichtlich in Gruppen mit relativ ähnlichen Molekularge-

wichten zusammengefasst.

Wie erklären Sie sich die doch stark abweichenden Schmelz- bzw. Siede-

temperaturen in den Molekulargewichts-Gruppen? Stellen Sie eine ausführ-

lich begründete Hypothese auf!

Stoff Formel / Struktur Molekular-gewicht [g/mol]

Schmelz-temperatur

[°C]

Siede-temperatur

[°C]

Methan CH4 16 -161

Wasser H2O 18 0 100

Ethan C2H6 30 -89

Methanol CH3OH 32 65

Ethanol C2H5OH 46 78

Dimethylether CH3-O-CH3 46 -24


3.2.2. Alkanale (Aldehyde) Alkanale bzw. Aldehyde sind Oxidationsprodukte der Alkanole. In der Natur finden wir Alkanale vorrangig als Aroma- und Duftstoffe. Sie kommen dort zwar nur in geringen Men-gen vor, sind aber für viele natürliche Aromen charakteristisch. Von der Menge und Wirkung kennen wir das Ethanal (Acetaldehyd) bestimmt am Besten. Es entsteht beim (oxidativen) Ab-bau von Trink-Alkohol (Ethanol) in unserem Körper. Das Ethanal ist auch der eigentlich ge-fährliche Stoff mit einer recht starken Gift-Wirkung. Auch die typische Alkohol-Fahne ist vor-rang vom Ethanal geprägt. Der Name Aldehyd leitet sich von dem lateinischen Ausdruck alcoholus dehydrogenatus ab. Dies heißt so viel wie: dehydrierter Alkohol, oder mit anderen Worten, es ist Alkohol, dem Wasserstoff entzogen worden ist. Bei der Beschreibung der Herstellung werden wir sehen, dass sowohl der Ansatz des dehydrierten, wie auch des oxidierten Alkohols seine Berechti-gung hat.

3.2.2.1. Bau und Struktur der Alkanale Die charakteristische Baugruppe (funktionelle Gruppe) der Alkanale ist die Carbonyl-Gruppe. Sie besteht aus einem Cohlenstoff-Atom mit einem doppelt gebundenen Sauerstoff-Atom. Im Falle der Alkanale ist die letzte (4.) Bindung mit einem Wasserstoff-Atom belegt (Aldehyd-Gruppe, Formyl-Gruppe). Bei den recht ähnlichen Ketonen ( 3.2.5. Ketone) ist an der vier-ten Bindung ein weiteres C-Atom gebunden. Eine endständige Carbonyl-Gruppe führt also immer zu den Alkanalen. Diese funktionelle Gruppe kann natürlich – im Falle eines ver-zweigten Grundkörpers – auch relativ gesehen in der Mitte lie-gen. Carbonyl-Gruppen im Inneren der Cohlenstoff-Ketten füh-ren immer zur Stoffgruppe der Ketone. Die Alkanale bilden als Derivate der Alkane eine homologe Rei-he. In dieser ist das Methanal mit zwei Wasserstoff-Atomen an der Carbonyl-Gruppe mit einer Sonderstellung versehen. Das Cohlenstoff-Atom ist in der Carbonal-Gruppe sp2-hybridisiert. Je ein Orbital wird von den drei angebundenen

Atomen genutzt (-Bindungen). Dadurch ergibt sich eine Aus-richtung der Atome in einer Ebene. Der Bindungs-Winkel liegt bei °. Das nicht hybridisierte p-Orbital bildet mit dem Sauerstoff

eine -Bindung (zweite Bindung der Doppel-Bindung). Die Bindungslänge bei einer C-O-Doppelbindung ist mit 122 pm (= 1,22 Å) als bei einer C-C-Doppelbindung (134 pm) und kleiner (19 pm) als die C-O-Einfachbindung mit ihren 141 pm z.B. in Alkanolen.

O

// R - C

\

H

Carbonyl-Gruppe in einem Alkanal

O

// R - C

\

H

Aldehyd-Gruppe

O

// R1 - C

\

R2

Carbonyl-Gruppe in einem Keton

Definition(en): Alkanale (Aldehyde) Alkanale sind Sauerstoff-Derivate (der Cohlenwasserstoffe), die von der Grundstruktur Cohlenwasserstoffen entsprechen und (mindestens) eine endständige Carbonyl- bzw. Alde-hyd-Gruppe enthalten.

Alkanole sind Abkömmlinge von (reinen) Cohlenwasserstoffen, die eine endständige Carbonyl- bzw. Aldehyd-Gruppe als funktionelle Gruppe enthalten.


Anzahl C-Atome

Name Summen-formel


1 Methanal (Formaldehyd)

HCHO O

// H – C

\

H

chemischer Grund-stoff (Amino- und Pheno-Plaste); De-sinfektions-Mittel

2 Ethanal (Acetaldehyd)

C2H5CHO H O

| // H – C – C

| \

H H

3 Propanal (Propylaldehyd, Propionaldehyd)

C3H7CHO H H O

| | // H – C – C – C

| | \

H H H

4 Butanal (n-Butyraldehyd)

C4H9CHO H H H O

| | | // H – C – C – C – C

| | | \

H H H H

5 Pentanal (Amylaldehyd, n-Pentaldehyd, n-Valeralde-hyd)

C5H11CHO H H H H O

| | | | // H – C – C – C – C – C

| | | | \

H H H H H

6 Hexanal (n-Hexalde-hyd, Capronaldehyd)

C6H13CHO H H H H H O

| | | | | // H – C – C – C – C – C – C

| | | | | \

H H H H H H

…

3.2.2.2. Herstellung der Alkanale Die Herstellung eines Alkanals kann durch Dehydrierung – also dem Entzug von Wasserstoff – erfolgen. Kat.: Pt

C2H5OH CH3CHO + H2 Praktisch ist dies eine Redox-Reaktion. Dies wird auch deutlich, wenn man an den einfachen Struktur-Formeln die Oxidationszahlen notiert. +1 -3 -2 +1 -2 +1 +1 -3 +1 +1 -2 0

H3C – CH2 – OH H3C – C H O + H2 Langkettige Alkohole werden entweder aus Fetten gewonnen oder durch die Oxosynthese (auch: Hydroformulierung) erzeugt. Bei dieser werden entsprechend große Alkene mit Syn-these-Gas in Anwesenheit von Katalysatoren (Cobalt, Rhodium, …) zur Reaktion gebracht. In einem ersten Schritt reagieren die Alkene mit Cohlenmonoxid: Kat.

R – CH = CH2 + CO R – CH – CH2 – CHO (lineares) Alkanal


Kat.

R – CH = CH2 + CO R – CH(CHO) – CH3 verzweigtes Alkanal

Die Herstellung von Methanal erfolgt großtechnisch durch die Oxidation von Methanol an Silber- oder speziellen Metalloxid-Katalysatoren. Kat.

CH3OH + ½ O2 CH3CHO Prinzipiell lassen sich natürlich auch alle anderen Alkanale herstellen. Voraussetzung sind natürlich primäre Alkohole als Ausgangsstoffe.

3.2.2.3. physikalische und chemische Eigenschaften der Alkanale Im Vergleich zur C-C-Doppelbindung ist die C-O-Doppelbindung polar. Dies macht auch ihre hohe Reaktivität aus. Die Polarität und die damit verbundenen höheren zwischenmolekula-ren Kräfte sind die Ursache für höhere Siede-Temperaturen (im Vergleich zu den Alkanen mit

vergleichbarer Kettenlänge und Molekül-Oberfläche). Bezüglich ähnlicher Alkanole haben Alkanale aber kleinere Siedepunkte. Dieses liegt an den fehlenden Wasserstoff-Brücken-Bindungen. Alkanale besitzen keine polarisierten Wasserstoff-Atome, die an benachtbare Moleküle aus-geliehen oder von diesen geliehen werden könnten. Die Schmelz-Temperaturen sind eben-falls niedriger, als die vergleichbarer Alkanole. Mit anderen Stoffen, welche polarisierbare Wasserstoff-Atome besitzen, kann die Carbonyl-Gruppe dann aber doch Wasserstoff-Brücken-Bindungen aufbauen. Ein solcher Stoff ist z.B. Wasser. Kurzkettige Alkanale lösen sich deshalb auch besonders gut in Wasser. Allgemein werden Alkanale als recht Reaktions-freudig eingestuft. Natürlich nimmt auch hier innerhalb der homologen Reihe die Reaktions-Freudigkeit stark ab. Eine sehr ausgeprägte Reaktion ist hier – bedingt durch die C-O-Doppelbindung – die Addi-tion. Dabei kommt es zur Auflösung der Doppelbindung am Sauerstoff und Bildung z.B. von Alkoholen od.ä. Verbindungen (z.B. Ether ( 3.2.4. Ether)). In der Chemie der Nährstoffe finden wir sehr häufig eine spezielle Variante der Addition. Bei den Kohlenhydraten reagieren die Carbonyl-Gruppe inter- oder intra-molekular mit den reich-lich vorhandenen Hydroxyl-Gruppen. Das Ganze läuft als nucleophile Addition ab. Mittels zusätzlicher Protonen wird die Reaktion gefördert: H

/

R – C

\\ O

+

H+

H

/

R – C

\\ O – H


Nach der Protenierung bildet sich eine mesomere Struktur mit einer positiven Ladung entwe-der am Carbonyl-Sauerstoff oder am Carbonyl-Cohlenstoff. H

/

R – C

\\ O – H

H

/

R – C \

O – H

Die positive Ladung des Carbonyl-Colenstoffs ermöglicht nun den nucleophilen Angriff eines Hydroxyl-Sauerstoff-Atoms. Dieses übernimmt die positive Ladung und bildet gleichzeitig ei-ne Sauerstoff-Brücke (Ether-Gruppe) zum Carbonyl-Cohlenstoff. H

/

R – C \

OH

+

O – R'

/

H

H

| R – C – O – R'

| |

OH H

Am Schluß wird das katalytische Proton wieder abgespalten. H

| R – C – O – R'

| |

OH H

H

|

R – C – O – R'

|

OH

+

H+

Übrig bleibt eine Struktur aus Ether- und Hydroxyl-Gruppe, die man Halbacetal nennt. Halbacetale sind weiterhin durch einen angenehmen Geruch und "Geschmack" charakterisiert. Fasst man die Gleichungen zusammen, dann wird der Reaktions-typ "Addition" auch wirklich deutlich:

H

|

R - C – O - R

|

OH

H

/

R – C

\\ O

+

O – R'

/

H

H

|

R – C – O – R'

|

OH

An der Reaktivität habt das Halbacetal wenig gegenüber dem Ausgangs-Alkanal verloren. So kann es mit einer weiteren Hydroxyl-Gruppe zu einem Acetal (Vollacetal) reagieren: H

|

R – C – O – R'

|

OH

+

H+

H

|

R – C – O – R'

||

O – H /

H


Unter Abspaltung von Wasser bildet sich ein Carbenium-Ion, welches dann wieder von ei-nem Hydroxal-Sauerstoff-Atom (nucleophil) angegriffen werden kann. H

|

R – C – O – R'

||

O – H /

H

H

|

R – C – O – R'

+

H2O

H

|

R – C – O – R'

+

O – R'' /

H

H

|

R – C – O – R'

|

O

/ \

H R''

H

|

R – C – O – R'

|

O / \

H R''

H

|

R – C – O – R'

|

O

|

R''

+

H+

Das (Voll-)Acetal ist nun durch zwei Ether-Strukturen (zwei Sauer-stoff-Brücken) gekennzeichnet. Auch in diesem Fall können wir über die zusammengefasste che-mische Gleichung den Reaktionstyp gut erkennen. Es handelt sich um eine typische Substitution. Es werden Atome bzw. Atom-Gruppen ausgetauscht. je nach Sichtweise ist es z.B. die OH-Gruppe des Halbacetals, die gegen den O-R-Rest eines Alkohols getauscht wurde.

H

|

R - C – O - R

|

O

|

R

H

|

R – C – O – R'

|

OH

+

O – R'' /

H

H

|

R – C – O – R'

|

O

|

R''

+

H2O

Acetale sind ebenfalls vielfach sehr charakteristisch und angenehm riechende Stoffe. Sie bestimmen häufig die Basisnote von Frucht-Aromen. Acetal- und Halbacetal-Bildungen finden wir später bei den Reaktionen der Monosaccharide (Einfachzucker) bei deren Ringbildung. Hier findet die Halbacetal-Bildung intramolekuler statt. Reagieren mehrere Monosaccharide untereinander, dann entstehen Vollacetale, die wir noch als Oligo- und Poly-Saccharide kennenlernen werden.


Kurzkettige Alkanale neigen zur Autoaddition. Beim Formaldehyd (Methanal) führt dies zu Polymeren mit bis zu 100 addierten Bausteinen (Monomeren). Das Produkt wird als Para-formaldehyd (Paraform, p-Formaldehyd, Polyformaldehyd) bezeichnet. Der Polymerisationsgrad liegt zwischen 8 und 100.

HCHO + HCHO H3C – O – CHO H3C – O – CHO + HCHO H3C – O – CH2 – O – CHO H3C – O – CH2 – O – CHO + HCHO H3C – O [– CH2 – O]2 – CHO H3C – O [– CH2 – O]n – CHO + HCHO H3C – O [– CH2 – O]n+1 – CHO Polymethanal Das Paraformaldehyd setzt sich z.B. in Formaldehyd-Lösungen ab, wenn diese lange Zeit stehen gelassen werden. Praktisch handelt es sich um einen Poly-Ether. Paraformaldehyd kann unter Zusatz von Methanol stabilisiert werden und findet in der präparativen Cytologie Anwendung. Setzt man dagegen Wasser zu und erhitzt das Ganze, dann wird das Paraformaldehyd wieder stufenweise (vom Ende her) abgebaut. Der Abbau lässt sich chemisch durch eine Veresterung oder Veretherung verhindern. Dabei wird die andständige Aldehyd-Gruppe blockiert bzw. chemisch gewandelt, so dass die "normale" endständige Eleminierung eines Formaldehyd-Monomeres nicht mehr möglich ist. Das stabi-lisierte Paraformaldehyd wird dann als Polyoxymethylen – einem Kunststoff – gehandelt. Acetaldehyd (Ethanal) reagiert in Anwesenheit von Schwefelsäure zur cyclischen Ethern. Je nach den Temperatur-Bedingungen bilden sich mehr Di-, Tri- oder Tetramere. Das tetramere Acetaldehyd wird als Trockenbrennstoff (Trockenspiritus) und wegen seiner Giftigkeit auch als Schnecken-Korn eingesetzt. Trockenbrennstoffe auf Acetaldehyd-Basis enthalten meist auch noch höhere Oligomere – allesamt cyclische Ether. Kondensationsreaktion von Aldehyd mit Alkohol; führt zu Kunststoffe und Kunstharzen (Al-dehyd mit Phenol(en)) Polykondensation Möglich sind bei Alkanalen auch Reduktionen (Redoxreaktionen). Dabei werden – zumindestens in der ersten Stufe – Alkohole gebildet: R – CHO + R – CH2-OH + teilweise Oxidation zur Säure +1 +1 -2 +3 -2 -2 +1

R – C H O + 2 OH- R – C O O H + H2O + 2 e

- Oxidation

Als Reduktions-Mittel nimmt z.B. ein Cupfer-II-Ion die zwei Elektronen auf und wird zuerst einmal zum gelben Cupferhydroxid oxidiert: +2 +1

2 Cu2+ + 2 OH- + 2 e

- 2 CuOH Reduktion


Aus Cupfer-II-Ionen werden somit Cupfer-I-Ionen. Danach folgt eine Abspaltung von Wasser, so dass rotes Cupfer-I-oxid entsteht. 2 CuOH Cu2O + H2O Fasst man nun Oxidation und Reduktion zu einer gemeinsamen Gleichung zusammen, dann erhält man:

R – CHO + 2 Cu2+ + 5 OH- R – COO

- + Cu2O ↓ + H2O Redox

Zur Beschleunigung der Reaktion wird bis zum Sieden erhitzt. In der Praxis reicht es Erfahrungs-gemäß aus, die Probe im Wasserbad auf knapp unter 100 °C zu erwärmen. Dabei verhindert man, dass es im Reaganzglas zu einem Siede-Verzug kommt und u.U. Proben-Lösung aus dem Probengefäß herausspritzt.

Die gerade besprochene Redox-Reaktion lässt sich sehr gut als Nachweis-Reaktion benutzen. Unter dem Namen FEHLINGsche Probe wird sie praktisch sehr häufig einge-setzt. Bei der FEHLINGschen Probe wird mit zwei Reagenzen gearbeitet, die kurz vor der Verwendung im Verhältnis 1 : 1 gemischt werden. Dabei wird aus der hellblauen FEHLINGschen Lösung I (FEHLING I) und der farblosen FEHLINGschen Lösung II (FEHLING II) eine tiefblaue Test-Reagenz. Chemisch gesehen ist FEHLING I eine Cupfersulfat-Lösung, die hydratisierte – hellblaue – Cupfer-II-Ionen enhält. In der FEHLINGschen Lösung II ist neben einer Base (Natriumhydroxid) noch Kalium-Natriumtartrat enthalten. Kalium-Natriumtartrat ist ein Mischsalz der Weinsäure, die positive Kalium- und Natri-um-Ionen enthält. Beide Lösungen sind sehr stabil und gut haltbar.

Versuchsaufbau für die FEHLINGsche und die TOLLENSsche Probe

Q: de.wikibooks.org (Benedikt.Seidl)

Mischt man sie, dann bilden die hydratisierten Cu2+-Ionen und die Tartrat-Ionen (Säure-Rest der Weinsäure) einen Komplex: Zwei Tartrat-Ionen gruppieren sich dabei um das Cupfer-II-Ion herum und halten das Cu2+-Ion gewissermaßen in der Zange. In dieser speziellen Bindung (Komplex-Bindung) hat das Cu2+-Ion eine tiefblaue Farbe. Weitere Nachweise für Alkane sind die Silberspiegel-Probe (Reaktion mit ammoniakalischer Silbernitrat-Lösung) und die TOLLENSsche Probe (Reaktion mit Fuchsin-schwefliger Säure). Beide Tests basieren ebenfalls auf Redoxreaktionen: Silberspiegel-Probe: TOLLENSsche Probe: Alle Alkane sind auch vollständig oxidierbar, d.h. brennbar. Besonders gut gelingt die Ver-brennung bei festen Alkanalen. H3C – CH2 – CH2 – CH2 – CHO + 7 O2 5 CO2 + 5 H2O ;


??? Einige kurzkettige Alkanale führen untereinander – wie wir schon gesehen haben – Mehr-fachadditionen durch, so dass größere Moleküle entstehen. Diese sind dann fest. Ein gutes Beispiel aus der Praxis ist , welches als Brennstoff (Brennpaste) z.B. bei Warmhalteplatten oder einem Fondue genutzt wird.

3.2.2.4. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkanale Formaldehyd einfachste organische Verbindung mit doppelt gebunde-nem Sauerstoff.

Kp = -19 °C rein also Gas gut Wasser-löslich wässrige Lösung heißt Formalin; wird als Desinfektions- und Konservierungsmittel (für Prä-parate) verwendet; läßt Eiweiße gerinnen stark giftig und gilt als Krebs-erregend (cacerogen), bei Ratten führten 25 mg/m3 in der Atemluft zum frühzeitigen Tod, noch bis 7 mg/m3 lassen sich Schädigungen feststellen Konzentrationen darunter werden von den Ratten schadlos ertragen, hier sind es die Körper-eigenen Schleim-Proteine, die eine Bindung des Formaldehyd ermöglichen für den Menschen sind die zulässigen Höchstwerte bei 0,6 mg/m3 (MAK-Wert) festgelegt worden oft in qualitativ minderwertigen Möbeln, Textilien und Auslegware verwendet oder enthalten, am Ende der Produktion zu wenig gereinigt oder aus minderwertigen (verunreinigten) Roh-materialien hergestellt in Textilien und ähnlichen Produkten aus Fernost, die ev. auf dem langen Schiffs-Transport von Schad-Organismen (Nager, Insekten, Pilze, …) geschützt werden sollen Ethanal als Kondensations-Produkt Metaldehyd (praktisch ein zyklischer Mehrfach-Ether (CH3-CHO)4) bekannt. Trockenspriritus (!!! kein Ethanol); strukturell Tetramer (Esbit) neben der Verwendung als Trockenbrennstoff auch im Schneckenkorn enthalten Paraldehyd ist Trimer zur Herstellung wird bei niedrigen Temperaturen mittels konzentrierter Schwefelsäure Was-ser entzogen anderes Verfahren zur Herstellung von Trockenspiritus (hier Urotropin (Hexamin)) durch Ein-leiten von Ammoniak ind Formalin



Benzaldehyd (Benzencarbaldehyd, Benzolcarbaldehyd, Phenylmethanal) in Pfirsich- Mandel-, Kirsch-Kernen als synthetisches Bittermandel-Aroma ver-wendet

Q: de.wikipedia.org (Benjah-bmm27)

Tetradecanal (C13H27CHO) ist an der Er-zeugung von Licht bei den Leuchtbakterien (a ) Achromobacter fischeri beteiligt.


3.2.2.5. Derivate der Alkanale Testosteron

Q: www.3dchem.com

Nondralon

Q: www.3dchem.com

? Citral Citronellal (3,7-Dimethyl-6-octen-1-al, Rhodonal) ist ein Monoter-pen-Aldehyd. Es gehört zu den Stoffen, die Pflanzen besonders intensiv unter sehr guten Wachstumsbedingungen bilden (im soge-

nannten Tertiärstoffwechsel (Luxusstoffwechsel)). Es ist der Hauptbestand-teil des Citronell(a)-Öls, das aus den Blättern verschiedener Cit-rus–Pflanzen gewonnen wird. Aber auch in den Früchten des (A ) Gemeine Wacholder und der Limette findet man sehr viel Citronellal. Viele Ameisen verwenden es als Alarmstoff. Es verscheucht viele Insekten (z.B. Mücken Duftkerzen mit Citronella).

Q: de.wikipedia.org (Yikrazuuk)

Vanillin

Zimtaldehyd




3.2.3. Alkansäuren (Carbonsäuren) Die Alkansäuren gehören neben den Nährstoffen (Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße) zu den organischen Stoffen, die am bekanntesten sind. Schon als Kinder hatten wir mit den Alkansäuren viele unangenehme Kontakte, die zumeist sehr prägend sind. Denken wir nur an den ersten Kontakt mit Ameisen oder Brennesseln. Die Ameisensäure an bzw. in unserer Haut sorgten für intensive Gefühle. Aber auch der starke Geruch und der saure Geschmack von Essigsäure bleibt einem ewig in Erinnerung. Überhaupt sind die vielen Säuren in unseren Lebensmitteln zumeist Alkansäuren bzw. deren Derivate (Milchsäure, Citronensäure, Apfelsäure, Fette, ). In den Zellen spielen Fettsäuren als Bausteine für Fette und Phospholipide ( Zellmembran) eine herausragende Bedeutung.

3.2.3.1. Bau und Struktur der Alkansäuren typisch am –COOH zu erkennen beschreibt auch die funktionelle Gruppe – die Carbonsäure-Gruppe. Wobei unter Chemikern einfach nur von der Säure- od. COOH-Gruppe gesprochen wird. Mehrwertige Carbonsäure enthalten mehr als eine Säure-Gruppe. Monocarbonsäuren enthalten eine Carbonsäu-re-Gruppe Sind zwei Säure-Gruppen in einem Molekül verbaut, dann spricht man von Dicarbonsäuren usw. usf. Aus dem Rhabarber, Klee, Sauerampher und den Sternfrüchten kennen wir die Oxalsäure (früher auch: Kleesäure). Sie ist eine Dicarbonsäure.

O

// R - C

\

OH

Carbonyl-Gruppe in einer Alkansäure

O

// R - C

\

OH

(Carbon-)Säure-Gruppe

O

// R - C

\

O⊖

Carboxylat-Gruppe

Definition(en): Alkansäuren (Carbonsäuren) Carbonsäuren / Alkansäuren sind Sauerstoff-Derivate (der Cohlenwasserstoffe), die von der Grundstruktur Cohlenwasserstoffen entsprechen und (mindestens) eine Carboxyl- bzw. COOH- bzw. (organische) Säure-Gruppe enthalten.

Alkanole sind Abkömmlinge von (reinen) Cohlenwasserstoffen, die eine Carboxyl- bzw. COOH- bzw. (organische) Säure-Gruppe als funktionelle Gruppe enthalten.


Anz. C-A.

Name Summen-formel


1 Methansäure (Ameisensäure)

HCOOH O

// H – C

\

OH

2 Ethansäure (Essigsäure)

C2H5CHO H O

| // H – C – C

| \

H OH

3 Propansäure (Propionsäure)

C3H7CHO H H O

| | // H – C – C – C

| | \

H H OH

4 Butansäure (Buttersäure)

C4H9CHO H H H O

| | | // H – C – C – C – C

| | | \

H H H OH

5 Pentansäure (Valeriansäure)

C5H11CHO H H H H O

| | | | // H – C – C – C – C – C

| | | | \

H H H H OH

6 Hexansäure ()

C6H13CHO H H H H H O

| | | | | // H – C – C – C – C – C – C

| | | | | \

H H H H H OH

…

3.2.3.2. Herstellung der Alkansäuren aus natürlichen Fetten durch Verseifung (Reaktion mit Kalium- od. Natriumhydroxid) Spal-tung der Fette in Glycerol und jeweils drei Fettsäuren Spezialfall Essigsäure Ethansäure lässt sich biotechnisch aus Ethanol bzw. Kohlenhydrat-reichen Rostoffen und Abfällen gewinnen. Essigsäure-Bakterien setzen Ethanol zu Ethansäure um. Dazu wird Sau-erstoff benötigt. Die damit durchgeführte Oxidation liefert ausreichend Energie für die Auf-rechterhaltung der Lebensprozesse. C2H5OH + O2 H3C-COOH + H2O Unter sehr Natur-nahen (biogenen) Produktions-Bedingungen wird eine alkoholische Roh-Lösung über einen lockeren Haufen (in einer Holzsäule) von Sägespänen getropft. An der Ober-fläche der Späne leben die Essigsäure-Bakterien, die nun Essigsäure produzieren. Das Pro-duktionsgerät nennt man deshalb auch einen Oberflächen-Fermenter. Die durchgelaufene


Lösung, die noch immer Ethanol enthält, wird nun noch mehrfach über die Späne geleitet. Wenn dann aller Alkohol verbraucht ist und die Essigsäure-Konzentration ungefähr , dann kann das Produkt nach einer einfachen Reinigung abgefüllt werden. Technische Essigsäure wird heute durch katalytische Addition von Cohlenmonoxid an Me-thanol hergestellt (Monsanto-Verfahren): H3C-OH + CO H3C-COOH

3.2.3.3. physikalische und chemische Eigenschaften der Alkansäuren intermolekulare Wasserstoff-Brücken, besonders zwischen jeweils zwei Moleküle sehr stabil entgegengesetzte Lage genau passend energetisch sehr stabiler Zustand ansonsten linear bzw. netzartig mehrere Moleküle miteinander über H-Brücken verbunden

links oben: einzelnes Ethansäure-Molekül (Struktur-Formel)

rechts oben: Ethansäure-Dimer mit Wasserstoff-Brücken-Bindungen (z.B. im flüssigen oder festen Aggregatzustand)

mitte unten: mehrere vernetzte Ethansäure-Moleküle (im flüssigen Aggregatzustand); grau: VAN-DER-WAALS-Kräfte

Säure-Base-Reaktion schwache bis sehr schwache Säuren Salz-Bildung


Namen der Salze und Säurerest-Ionen von Monocarbonsäuren

Anz. C-A.

Name der Salze Name des Säu-rerest-Ions

Anz. C-A.

Name der Salze Name des Säu-rerest-Ions

1 Formiate Formiat-Ion 12

2 Acetate Acetat-Ion 14

3 Propionate Propiat-Ion 16 Palmitate Palmitat-Ion

4 Butyrate Butyrat-Ion 18 Stearate Stearat-Ion

5 Valerate Valerat-Ion

6

7

8

9

10

Puffer-Bildung Reduktion Veresterung Ester mit aromatischen – an Früchte erinnernde – Gerüche (Frucht-Aromen). Deshalb auch gerne als Frucht-Ester bezeichnet. verbreitete Verwendung in Lack- und Klebstoff-Industrie

Name der Verbindung Frucht Name der Verbindung Frucht

Butansäuremethylester Ananas

Ethensäurepenthylester Birne

Verseifung als Rückreaktion


3.2.3.4. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkansäuren

3.2.3.4.1. einwertige Alkansäuren

Ameisensäure schwache Säure in Giftdrüsen der Ameisen (bis %), Nesselzellen der Nes-seltiere (Quallen, Blumentiere, …), Brennnessel, aber auch in den Giftdrüsen der Bienen und Wespen Konservierungsmittel der Bienen für ihren Honig Salze Formiate in der Lebensmittelindustrie als Konservierungsmittel durch Sorbinsäure ersetzt heute noch Konservierungsmittel für Silagen durch abgesenkten pH-Wert und aus Nitriten und Nitraten freigesetzte Stickstoffoxid keimtötend und regulierend auf die Zusammensetzung der Mikroorganismen-Kulturen (Verhinderung von Fehlgärungen)

Ethansäure, Essigsäure stechender Geruch, schwache Säure Würz- und Konservierungsmittel Salze Acetate (Azetate) Grünspan an Cupfer-Geschirr Cupferacetat, giftig, basisch Aluminiumacetat (essigsaure Tonerde) im Haushalt als Kühlmittel oder mildes Desinfektionsmittel

Propansäure, Propionsäure Konservierungsmittel fürr Feuchtgetreide (vorrangig Kör-nermais); Silierhilfsmittel wird auch in Wiederkäuer-Mägen gebildet


Butansäure, Buttersäure typischer, ranziger Geruch, durchdringend; menschliche Nase schon sehr empfindlich, die von Hunden noch ext-remer (Geruchsspuren-Verfolgung) immer Anzeichen für Verderb

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Octansäure

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Oenanthylsäure

Tetradecansäure

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Octadecansäure

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Ölsäure

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Caprylsäure

Omega-3-Fettsäure (Linolensäure)

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epa—Eicosapentaenoic ??? säure

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Myristolsäure

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Oleocanthal Oliven-Öl

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Benzoesäure (Benzolcarbonsäure) weiß, fest, aromatischer Geruch, nur in heißem Wasser löslich natürlich vorkommend in Harzen, Harn, Obstschalen, Preiselbeeren Konservierungsmittel (vorrangig Obst- und Fisch-Konserven) Natriumbenzoat besser löslich in Wasser als die reine Säure

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Dopamin

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3.2.3.4.2. mehrwertige Alkansäuren

C-Anzahl

Name Strukturformel Trivialname Name des Säu-re-Rest-Ions

1 - -

2 Oxalsäure Oxalat

3 Malonsäure

4 Bernsteinsäure Fumerat

5 Glutarsäure

6 Adipinsäure

7 Pimelinsäure

8 Korksäure

9 Azelainsäure

10 Sebacinsäure






Oxalsäure stärkste natürliche organische Säure natürlich vorkommend in Rhabarber, Sauerampfer, Toma-ten, Johannesbeeren, Calcium-Salz schwer löslich Bestandteil von (Nieren-)Steinen

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3.2.3.4.3. die besondere Gruppe der Fettsäuren

hierzu gehören Alkan- und Alkensäuren, die üblicherweise natürlich in Fetten vorkommen alle natürlichen Fettsäuren besitzen immer eine gerade Anzahl an C-Atomen dies ist durch die Bio-Synthese aus C2-Resten (Acetyl-Rest) bedingt Alkansäuren werden als gesättigte Fettsäuren geführt ungesättigte Fettsäuren enthalten eine oder mehrere Mehrfachbindungen (meist Doppel-Bindungen), meist an charakteristischen Positionen im Molekül ungesättigte Fettsäuren mit mehreren Doppel-Bindungen sind für den Menschen essentiell, d.h. sie müssen dem Körper von außen (durch die Nahrung) zugeführt werden der menschliche Stoffwechsel kann diese Fettsäuren nicht selbst herstellen, sie werden aber unbedingt gebraucht als Quelle kommen nur pflanzliche Fette (Öle) in Frage, einzige tierische Quelle für ungesätigte Fettsäuren sind einige Fisch-Sorten die Fette der einzelnen Pflanzen oder Tiere sind nicht homogen aufgebaut. sie beinhalten verschiedene Fettsäuren, zumeist aber in relativ stabilen Verhältnissen die einzelnen Fett-Moleküle sind ebenfalls nicht einheitlich, sachlich sind die natürlichen Fet-te also Stoff-Gemische der Geschmack der Fette wird vorrangig durch eingelagerte (gelöste) Stoffe bestimmt, aber auch die Kombination der Fettsäuren spielt eine Rolle



3.2.3.5. Eigenschaften und Verwendung wichtiger Alkansäure-Derivate

3.2.3.5.1. Derivate der Alkansäuren

Brenztraubensäure Ketocarbonsäure Wasser-löslich (Pyrovat-Ion) größere Säure-Stärke (pKS=2,49) als vergleichbare unsubstituierte Carbonsäure (hier: Propansäure pKS=4,86)

Milchsäure, 2-Hydroxypropansäure

Hydroxy-Derivat der Propionsäure (auch -Hydroxypropionsäure) D-Milchsäure entsteht bei der Vergärung von Zuckern (durch Hefen), kann vom Menschen nur geringfügig weiter verwertet werden bei Schweinen kann es Streß-bedingt (z.B. beim Treiben oder Schlachten) zu einer Übersäuerung (mit D-Milchsäure) im Blut und Muskelfleisch kommen mindere Qualität (PSE-Fleisch (pale (blaß), soft (weich), wäß-rig (exudative)) L-Milchsäure entsteht bei der Muskeltätigkeit durch Tätigkeit von Milchsäure-Bakterien (Dickmilch, Kefir, Joghurt, Schwedenmilch) entstehen (außer bei Reinkulturen) Racema-te (1:1-Mischung beider Milchsäuren) Milchsäure-Gärung C6H12O6 2 C3H6O3


(Trichloressigsäure, TCA) Herbizid auch das Na-Salz von TCA ist als Herbizid aktiv; Natriumtrichlor (NaTa)

Q: www.3dchem.com

Weinsäure, 2,3-Dihydroxybutandisäure

Stereoisomer (+)-Weinsäure (-)-Weinsäure meso-

Weinsäure

Weinsäure-

Racemat Konfiguration (2R,3R) (2S,3S) (R,S) (2R,3R) und (2S,3S)

weitere Namen L-Weinsäure D-Weinsäure

Traubensäure

Strukturformel

Schmelzpunkt (°C) 168 - 170 168 - 170 146 - 148 206

Drehwert [α]D (grad) + 12 - 12 0 0

Dichte (g/ml) 1,7598 1,7598 1,6660 1,7880

Löslichkeit bei 20°C (g/100

ml H2O) 139,0 139,0 125,0 20,6

Q: www.chemgapedia.de (korrig. u. erw. Dre)

Salicylsäure Hydroxy-Derivat der Benzoesäure



Seifen 2 nm große Moleküle ursprünglich war der hydrophobe Teil eine Fettsäure – Herstellung aus tierischen Fetten und Fettresten Verseifung (Hydrolyse der Fette (Triglyceride)) Spaltungen / chemische Lösung (Lyse) der Fette durch konzentrierte Natrium-Lauge (Natriumhydroxid) es bilden sich die Nartrium-Salze der Fettsäuren und Glycerol Natrium-Salze der Fettsäuren (besser der längerkettigen Alkansäuren) heißen Seifen bilden z.B. in Wasch-Lösungen oder in Seifen-Blasen (Seifen-Schaum) Doppelschichten aus, die sehr stabil sind kleine Gebilde heißen Micellen wahrscheinlich hydrophober Teil nach außen, hydrophile Teile innen ??? können durch äußere Einflüsse zerteilt werden (Anblasen mit Luft, Zerstäuben, Zerrühren), verschmelzen unter normealen Bedingen aber wieder gern miteinander, da Oberflächen-Spannung wirkt (bei großen Blasen kleiner (geringerer Radius)) heute spricht man allgemein eher von Tensiden, haben chemisch nur im Groben noch etwas mit Fettsäuren usw. zu tun

3.2.3.5.2. Derivate der Fettsäuren

3.2.3.5.2.1. Wachse

3.2.3.5.2.2. Fette - Triglyceride

3.2.3.5.2.3. Phospholipide rund 3 nm lang (im Vergleich Seifen-Moleküle rund 2 nm groß)


3.2.4. Ether mit den Alkanolen verwandt statt dem terminalen Wasserstoff am Sauerstoff finden wir hier jetzt einen Alkyl-Rest

R1 – O – R2

Ether-Gruppe

Definition(en): Ether Ether sind Sauerstoff-Derivate (der Cohlenwasserstoffe), die von der Grundstruktur Cohlenwasserstoffen entsprechen und (mindestens) ein Sauerstoff-Atom (als Brücke) in der Cohlenwasserstoff enthalten.

Ether sind Abkömmlinge von (reinen) Cohlenwasserstoffen, die eine Sauerstoff-Brücke (in-nerhalb des C-Gerüstes) enthalten.

Anz. C-A.

Name Summen-formel


1

2 Dimethylether (Ether)

C2H6O H H

| |

H – C – O - C - H

| |

H H

früher Narkose-Mittel

3 Ethylmethylether ()

C3H8O H H H

| | |

H – C – O - C – C - H

| | |

H H H

4 Methylpropyl-ether ()

C4H10O H H H H

| | | |

H – C – O -C – C – C - H

| | | |

H H H H

5 Butylmethyl-ether ()

C5H12O H H H H H

| | | | |

H – C – O - C – C – C – C - H

| | | | |

H H H H H

6 Methylpenthyl-ether ()

C6H14O H H H H H H

| | | | | |

H – C – O - C – C – C – C – C - H

| | | | | |

H H H H H H

…

lt. IUPAC auch Alkoxyalkane


ähnlich Alkanole, aber keine Wasserstoffbrückenbindung, da das eine Wasserstoff-Atom am Sauerstoff-Atom durch einen Alkylrest substituiert ist niedrige Siedepunkte leicht flüch-tig; fehlende Wasserstoff-Brücken und innenliegender Sauerstoff keine Löslichkeit in pola-ren Lösungsmitteln wie Wasser mit Sauerstoff bilden sie Etherperoxide hochexplosiv niedermolekulare Ether sind gute Lösungsmittel für die unterschiedlichsten organischen Ver-bindungen. Früher wurde sie häufig zur Herauslösung (Extraktion) von ätherischen Ölen, Geschmacks-, Farb- und Geruchs-Stoffen verwendet. Bei Säure-Base-Reaktionen verhalten sich Ether wie schwache Basen. Sie können deshalb von starken Säuren (z.B. Iodwasserstoff-Säure) angegriffen werden.

In der analytischen Praxis werden solche Reaktionen zur Strukturaufklärung kompliziert ge-bauter Stoffe verwendet. Aus der Bildung von gut bekannten Halogen-Kohlenwasserstoffen kann man auch die ursprünglichen Alkylreste an einer Ether-Gruppe schließen. Ether sind schwache LEWIS-Säuren (Elektronen-Donatoren, Reduktionsmittel). Sie bilden mit LEWIS-Basen (Elektronen-Akzeptoren, Oxidationsmittel) Salze.

C2H5-O-C2H5 + BF3 [C2H5-O -C2H5] + [B F3 ]

Systhematisch gehört auch das Vanillin (Hauptaromastoff der Vanille) zu den Ethern. In der Abbildung kann man rechts unten (bei 4:00 Uhr) die Methyl-Ether-Gruppe erken-nen. Weiterhin finden wir eine Carbonyl- (bei 7:00 Uhr) und eine Hydroxyl-Gruppe (bei 1:00 Uhr). Vanillin ghört zu den am meisten produzierten Aromastoffen. Technisch hergestelltes Vanillin darf mit Zucker gemischt nicht als Vanille-Zucker verkauft werden. Dies ist dem echten Produktgemisch aus Vanille-Samen und Zucker vorbehalten. Das Mischprodukt mit Vanillin heißt üblicherweise Vanillin-Zucker.

Q: www.3dchem.com

3.2.4.1. Diethylether (Diäthyläther, Ether)

C2H5-O-C2H5 geringe Reaktionsfähigkeit Ether + Luft od. Sauerstoff bilden explosive Gemische (enthalten Diethyletherperoxid, wel-ches durch Sauerstoff-Anwesenheit und unter Licht-Einwirkung entsteht; zerstzt sich bei hö-heren Temperaturen (Zündfunken) Explosions-artig; reichert sich bei der Destillation oder



durch Verdunsten im Rückstand an (höherer Siedpunkt); Rückstände besonders Explosions-gefährdet) Dämpfe wirken narkotisierend früher Narkosemittel Oligosaccharide Halbacetal Vollacetal


3.2.5. Ketone (Alkanone) erinnern Struktur-mäßig an die Aldehyde statt dem terminalen Wasserstoff ist am Sauerstoff ein weiterer Alkyl-Rest gebunden

O

// R - C

\

R'

Keto-Gruppe

Definition(en): Alkanone (Ketone) Ketone / Alkanone sind Sauerstoff-Derivate (der Cohlenwasserstoffe), die von der Grund-struktur Cohlenwasserstoffen entsprechen und (mindestens) eine nicht-endständige Carbonyl-Gruppe enthalten.

Alkanone / Ketone sind Abkömmlinge von (reinen) Cohlenwasserstoffen, die (mindestens) eine nicht-endständige Carbonyl-Gruppe als funktionelle Gruppe enthalten.

Anz. C-A.

Name Summen-formel


1

2

3 Propanon (Aceton)

C3H6O O

|| H C H

\ / \ /

H - C C - H

/ \

H H

Lösungsmittel

4 Butan-2-on ()

C4H8O O

|| H C H H

\ / \ / /

H - C C – C - H

/ | \

H H H

5 Pentan-2-on ()

C5H10O O

|| H C H H H

\ / \ / / /

H - C C – C – C - H

/ | | \

H H H H

6 Hexan-2-on ()

C6H12O O

|| H C H H H H

\ / \ / / / /

H - C C – C – C – C - H

/ | | | \

H H H H H

…


hydrophile C=O-Struktur und lipophile (hydrophobe) Alkyl-Reste bewirken sowohl Lösungs-vermögen für polare (hydrophile) Stoffe, wie auch für hydrophobe (unpolare) Stoffe besonders bei Molekülen mit kürzeren Alkyl-Ketten gut ausgeprägt. Aceton wird deshalb auch als Lösungmittel für Fette, Teer usw. usf. genutzt. Bekannt auch als "Nagel-Lack-Entferner". Zerstört auch viele Kunststoffe (löst sie an). Oxidationsprodukte sekundärer Alkanole Endung –on oder -keton systhematisch auch nahe bei den Aldehyden anzusiedeln weniger reaktionsfähig als die Aldehyde; lassen sich nicht so leicht oxidieren keine positi-ve FEHLINGsche oder TOLLENSsche Probe Kohlenhydrate Propanon (Aceton, Dimethylketon) farblos, leicht ölige (schwerflüssig), typisch riechende Flüssigkeit Wasser- und auch Fett-löslich Lösungsmittel bei gestörtem Stoffwechsel bei Diabetikern und Rindern riechbar Muscon (3-Methylcyclopentadecanon, Moschus) Moschus-Duft herber Duft (männlich) Wegen Tierschutz-Gründen ist man heute fast aus-schließlich auf die synthetische Produktion umge-stiegen.

Q: de.wikipedia.org (Edgar181 + Velandur)

Zibeton (9-Cycloheptadecen-1-on, Cycloheptadec-9-en-1-on, Civeton) ist der bestimmende Duftstoff aus den Duftdrüsen der Zi-bet-Katze. Der gesamte Duftstoff wird als Zibet bezeichnet.

Q: de.wikipedia.org (Ayacop)


3.2.6. Ester Bildung aus Alkanol und (Alkan-)Säure Veresterung besondere Form der Kondensation, somit wiederum eine besondere Form der Substitution Rück-Reaktion ist die Verseifung sie ist besondere Form der Hydrolyse und somit auch wieder eine besondere Form der Sub-stitution; nucleophil

Definition(en): Ester Ester sind Sauerstoff-Derivate (der Cohlenwasserstoffe), die von der Grundstruktur Cohlenwasserstoffen entsprechen und eine Ester-Gruppe enthalten.

Ester sind Abkömmlinge von (reinen) Cohlenwasserstoffen, die eine nicht-endständige Carboxyl-Gruppe als funktionelle Gruppe enthalten.

Ester sind die Reaktions-Produkte der Reaktion von Carbonsäuren mit Alkoholen.

Benennung: Säure-Name + Alkohol-Alkyl-Rest-Name + "ester" ev. auch Trivialname genutzt Alkohol-Alkyl-Rest-Name + Säure-Grundkörper-Name + "oat" diverse Verwendungen Ethansäuremethylester (Methylacetat) Klebstoff (Uhu) Ethansäureethylester Lösungsmittel; Tötungsmittel für Insekten (Sammler) PET Polyterephthalsäureethylenester (Polyethylenterephthalat) Milchsäure-Ester Polylactide (Kunststoff) Geschmacksstoffe im Bier rund 90 verschiedene Ester bekannt im Wein rund

Q: www.3dchem.com

Ameisensäureamylester; Ameisensäureethylester; Propionsäureethylester Rum-Aroma Essigsäureamylester; Isoamylbutyrat; Essigsäurepentylester (Pentylethanoat); Essigsäurehexylester Birnen-Aroma Buttersäureethylester (Ethylbutyrat, Ethylbutanoat); Butansäuremethylester; Ethansäurebutylester Ananas-Aroma Valeriansäureamylester; Methansäurebutylester (Methylbutyrat, Methylbutanoat); Octansäureethylester; Hexansäureethylester; Pentansäurepentylester Apfel-Aroma Penthylethanoat; Ethansäure-2-methyl-1-propylester (Isobutylacetat) Bananen-Aroma



Butansäurebencylester (Benzylbutanoat); Butansäurepropylester (Propylbutanoat); Ethansäure-2-butylester; Ethansäure-2-hexylester Erdbeer-Aroma Ethyl-2-methylbutanoat; Ethyl-3-hydroxyhexanoat; Ethansäureoctylester Orangen-Aroma Benzylsalicyat Nelken-Aroma Capronsäureethylester Käse-Aroma 2-Methylbuttersäureethanoat fruchtiges Aroma des griechischen Oliven-Öls Eugenolacetat Gewürz-Nelke Benzoesäureethylester allgemein fruchtiges Aroma Salicylsäuremethylester Pfefferminz-Aroma Propansäureethylester allgemein erfrischendes Aroma (Gletscher-Eis-Bonbon) Salicylsäuremethylester (Benzylsalicylat) Wintergrün-Öl (Z)-Hex-3-enylbutanoat Passionsfrucht-Aroma Butansäureethylester; Ethansäurebencyl Pfirsich-Aroma Methansäureethylester Himbeer-Aroma Essigsäure-2-phenylethylester Rosen-Aroma Benzoesäuremethylester Marzipan 3-Methylbutanal Kartoffel-Aroma, Malz-Aroma

Aufgaben:

x. Warum gehört 3-Methylbutanal nicht in die Reihe der Ester? Begründen Sie

Ihre Meinung!

Lipide Fette Triglycerid (Fett) Molekül aufgebaut aus Glycerol (dreiwertiger Alkohol) und drei Fettsäuren

Q: www.3dchem.com

Lipoide Begriff bedeutet Fett-ähnliche praktisch sehr häufig Fett-Begleiter, in Fetten gelöst, wie z.B. Geschmacksstoffe, Farbstoffe, Cholesterol (früher Cholesterin) bestehen aus Glycerol-Rest und ein bis zwei Fettsäuren, sowie einem besonderen Molekül-Rest, dieser bestimmt sehr wesentlich die besonderen igenschaften, häufig besonders pola-re Molekül-Reste



wesntlicher Baustein der Zell-Membranen, des inneren Membran-System der Zellen (Endo-plasmatisches Retikulum) und den Hüllen vieler Zell-Organellen (z.B. Mitochondrien und Chloroplasten)

Simulation einer Phospho-Lipoid-Doppelschicht (PO4 - grün, N(CH3)3 - violett, H2O - blau, -CH3 - gelb, O - rot, Glycerol-Cohlenstoff - braun, Cohlenstoff – grau)

Q: commons.wikimedia.org (Hfastedge (National Institutes of Health (US)))


3.2.7. substituierte Aromaten mit Sauerstoff im Substituenten Phenol 3.2.1.3.1.3. Phenol

Q: www.3dchem.com

Wasserstoff-Atome am Phenol lassen sich leichter substituieren als beim Benzen diverse Derivate (Pentachlorphenol (PCP); Pikrinsäure (2,3,6-Trinitrophenol)) zweiwertige Phenole: Benzkatechin Resorcin Hydrochinon

dreiwertige Phenole: Pyrogallol Phoroglucin Hydroxyhydrochinon Benzylalkohol Benzaldehyd Benzoesäure Anilin



Zimtsäure Vanillin Benzaldehyd (Bittermandelöl) Phthalsäure Acetylsalicylsäure Pentachlorphenol (PCP)

Q: www.3dchem.com

3.2.8. sauerstoffhaltige Heterocyclen vielfach aromatische Eigenschaften



3.2.9. Kohlenhydrate (Saccharide, Zucker)

Definition(en): Kohlenhydrate (Saccharide, Zucker) Kohlenhydrate (Saccharide, Zucker) sind Sauerstoff-Derivate (der Cohlenwasserstoffe), die von der Grundstruktur Cohlenwasserstoffen entsprechen und die neben einer Carbonyl-Gruppe an jedem anderen C-Atom eine Hydroxyl-Gruppen enthalten.

Kohlenhydrate (Saccharide, Zucker) sind mehrwertige Alkohole, die noch eine Carbonyl-Gruppe als funktionelle Gruppe enthalten.

?Einfachzucker (Monosaccharide)

Galctose

Q: www.3dchem.com

Glucose

Q: www.3dchem.com




Mannose

Q: www.3dchem.com

Talose

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

?Mehrfachzucker (Oligosaccharide)

?Zweifachzucker (Disaccharide)

Q: www.3dchem.com








Maltose

Q: www.3dchem.com

Lactose

Q: www.3dchem.com

Sucrose

Q: www.3dchem.com





?Dreifachzucker (Trisaccharide) Acarbose Rafinose Vielfachzucker (Polysaccharide)


3.3. Stickstoff-Derivate

Definition(en): Stickstoff-Derivate Sauerstoff-Derivate (der Cohlenwasserstoffe) sind organische Stoffe, die von der Grund-struktur Cohlenwasserstoffen entsprechen, bei denen aber einzelne oder mehrere Wasser-stoff-Atome durch Stickstoff ersetzt oder ein oder mehrere Cohlenstoff-Atome durch Stick-stoff ersetzt wurden.

Stickstoff-Derivate (der Cohlenwasserstoffe) sind Abkömmlinge von (reinen) Cohlen-wasserstoffen. Sie enthalten außer Cohlenstoff und Wasserstoff noch Stickstoff.

3.3.1. Amine leiten sich von Ammonik (NH3) ab

Definition(en): Amine Amine sind Stickstoff-Derivate (der Cohlenwasserstoffe), die sich vom Ammoniak ableiten und bei denen einzelne oder mehrere Wasserstoff-Atome des Ammoniaks durch Alkyl-Reste ersetzt wurden.

Alkanole sind Abkömmlinge von (reinen) Cohlenwasserstoffen, die (mindestens) ein Stick-stoff in der Oxidations-Stufe -3 enthalten.

3.3.1.1. aliphatische Amine wir unterscheiden nach der Anzahl der substituierten Wasserstoff-Atome primäre, sekundäre und tertiäre Amine reagieren Amine mit Halogenalkanen, dann bilden sich quartäre (quarternäre) Ammonium-Verbindungen

(CH3)3N + CH3Cl (CH3)4NCl (CH3)4N⊕ + Cl⊖


3.3.1.2. aromatische Amine auch hier werden trimäre, sekundäre und tertiäre Amine betrachtet, es muß aber nicht jeder Rest aromatisch sein Anilin primäres Amin bildet mit starken mineralischen Säuren Salze es bildet sich eine Ammonium-ähnliches Ion mit einem durch Aninlin substituiertes Wasser-stoff-Atom Ausgangsstoff für Herstellung von Stoffen mit Azo-Gruppe (–N=N–), bedeutsam sind die Azo-Farbstoffe N-Methylalanin sekundäres Amin N,N-Dimethylalanin tertiäres Amin


3.3.2. Aminosäuren

Definition(en): Aminosäuren Aminosäuren sind kombinierte Sauerstoff- und Stickstoff-Derivate (der Cohlenwasserstoffe), die neben einer Amino-Gruppe (primäres Amin) noch eine Säure- bzw. COOH- bzw. Carboxyl-Gruppe enthalten.

Aminosäuren sind organische Verbindungen, die (neben ev. nach anderen Gruppen) eine basische Amino-Gruppe und eine saure Carboxyl-Gruppe (als funktionelle Gruppen) enthal-ten.

Alanin

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Arginin

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Asparagin

Q: www.3dchem.com

Asparaginsäure

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Cystein

Q: www.3dchem.com





Glutaminsäure

Q: www.3dchem.com

Glutamin

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Glycin

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Leucin

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Lysin

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Methionin

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Phenylalanin

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Prolin

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Serin

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Threonin

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Tryptophan

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Thyrosin

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Valin

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Isoleucin

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3.3.3. Aminobasen

Definition(en): Aminbasen Aminobasen sind Stickstoff-Derivate (der Cohlenwasserstoffe), die.

Aminobasen sind Abkömmlinge von (reinen) Cohlenwasserstoffen, die.

3.3.4. Stickstoff-haltige Heterocyclen Nicotin

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Urotropin (Hexamethylentetramin, 1,3,5,7-Tetraazaadamantan, Hexamin, Methenamin) Trockenspiritus Herstellung durch Einleitung von Ammoniak in Formalin




Harnsäure

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Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

3.3.4. weitere Stickstoff-Derivate von Kohlenwasserstoffen Metformin

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Nitromethan

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Dopamin

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Kreatin

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Phenol-Derivate: Pikrinsäure (pikros: bitter)

Harnstoff

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3.4. Schwefel-Derivate

Definition(en): Schwefel-Derivate Schwefel-Derivate (der Cohlenwasserstoffe) sind organische Stoffe, die von der Grundstruk-tur Cohlenwasserstoffen entsprechen, bei denen aber einzelne oder mehrere Wasserstoff-Atome durch Schwefel ersetzt oder ein oder mehrere Cohlenstoff-Atome durch Schwefel ersetzt wurden.

Stickstoff-Derivate (der Cohlenwasserstoffe) sind Abkömmlinge von (reinen) Cohlen-wasserstoffen. Sie enthalten außer Cohlenstoff und Wasserstoff noch Schwefel.

Saccharin

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???



3.5. diverse weitere gemischte Derivate der Kohlenwasser-

stoffe

3.5.x. Alkaloide Nikotin

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Solanin

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Theobromin

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Strychnin

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3.5.x. Neurotransmitter

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Dopamin

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3.5.x. psychogene Stoffe Ecstasy

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Heroin

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LSD

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Morphin

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Methamphetamin

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3.5.x. Medikamente Penicellin

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Prednisolon

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Rosaglitazon

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Relenza





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Tamiflu

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Viagra

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3.5.x. Hormone Progesteron

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3.5.x. Farbstoffe Melatonin

Q: www.3dchem.com

Luminol

Q: www.3dchem.com




3.5.x. verschiedene "andere" Stoffe und Stoffgruppen Oxytocin

Q: www.3dchem.com

Ritalin

Q: www.3dchem.com

Tetracyclin

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com






Exkurs: Stoff-Erkennung über Farbstoff-Reaktionen

Fluoreszenz

Nilblau (freie Base) bei Tageslicht (obere Reihe) und UV-Licht (366 nm, untere Reihe) in verschiede-nen Lösungsmittels. V.l.n.r.: 1. Methanol, 2. Ethanol, 3. tert-Butylmethylether, 4. Cyclohexan, 5. n-Hexan, 6. Aceton, 7. Tetrahydrofuran, 8. Ethylacetat, 9. Dimethylformamid, 10. Acetonitril, 11. Toluol, 12. Chloroform

Q: commons.wikimedia.org (Armin Kübelbeck)


3.6. ausgewählte technische Stoffgruppen hier solche Stoffgruppen betrachtet, die Vertreter aus den verschiedensten funktionellen Stoff-Gruppen haben haben aber ähnliche oder gleiche Verwendungen und Reaktions-Prinzipien

3.6.1. Tenside strukturell geteiltes Molekül, eine Seite unpolar (meist aliphatisch) und damit lipophil (Fett-freundlich, Wasser-feindlich, hydrophob), andere Seite polar (hydrophil, Wasser-freundlich, Fett-feindlich, lipophob) bilden um nicht-wasser-lösliche "Schmutz-Partikel" eine Hülle, Tensid-Moleküle richten sich so aus, dass unpolarer Teil zum Schmutz zeigt und der polare Teil zum Wasch-Wasser Tensid ist also Lösungs-Vermittler auch Schäume und der Lösungs-Vermögung über Flotation spielen beim Waschen eine wichtige Rolle, allerdings sind Schäume in modernen Waschmaschinen nicht mehr er-wünscht anionische Tenside kationische Tenside amphotere Tenside nicht-ionische Tenside

böse Frage zwischendurch:

Wie geht den der restliche Schmutz aus der Wäsche?


3.7. Alles Interessante, was noch keinen Platz gefunden hat!

Kategorie Variante Gemeinsam-

keiten Unterschiede

Unterschied-liche

chem./phys. Eigenschaften

Überführen nur durch Lösen von Bindungen

Konstitutionsisomere Summenformel Struktur ja ja

Stereoiso-mere

Diastereomere

Summenformel +

Struktur

räumliche An-ordnung

ja ja

Enantiomere

räumliche An-ordnung, aber wie Bild und Spiegelbild

optisch aktiv, Unterschiede bei chiralen Reakti-

onspartnern (Enzyme)

ja

Konformations-isomere

räumliche Stel-lung

ja nein

Q: www.chemie.de/lexikon/Isomer.html

unterschiedliche Wirkung von Stereo-Isomeren

Name des Stof-fes

Stoffgruppe(n) Wirkungen / Eigenschaften

linksdrehende Form

rechtsdrehende Form

Asparagin Aminosäure schmeckt bitter schmeckt süß

Babitursäure Arneistoff

löst Krampfan-fälle aus

narkotisch

Contergan Thalidomid

Schlafmittel

extrem Frucht-schädigend (te-ratogen)

nicht Frucht-schädigend

Ethambutol Arneistoff

wirkt gegen Tu-berkulose

führt zu Erblin-dung

Limonen Naturstoff

riecht nach Zit-rone

riecht nach Orange

Milchsäure Naturstoff

wird nur lang-sam verdaut

besonders gut bekömmlich

Penicillamin Arzneistoff

wirkt gegen Reuma

extrem toxisch

Propranolol Arneistoff

wirkt gegen Bluthochdruck

wirkt Empfäng-nis-verhütend

Thyroxin Aminosäure Schildrüsen-Hormon

enkt Cholesterol-Spiegel


4. Makromoleküle

4.1. Bildungsreaktionen

Polyaddition

Polymerisationen Polyaddition auf der Basis von Mehrfach-Bindungen

Q: www.3dchem.com

Lignin-Bildung: Die gebildeten Radikale der Monolignole bilden nach Quervernetzung Lignin

Q: commons.wikimedia.org (Yikrazuul)

Polysubstitutionen

Polykondensation

sehr typisch im Bereich der biochemischen Vorgänge Monomere (Bausteine) besitzen typischerweise zwei verschiedene funktionelle Gruppen, die untereinander unter Abspaltung eine kleine Molekül (hier typischerweise: Wasser) miteinan-der reagieren da an den Enden immer noch freie funktionelle Gruppen vorliegen, können z.T. sehr lange Ketten (Polymere) gebildet werden kommen auch drei oder noch mehr funktionelle Gruppen (von den oben gemeinten Typen) vor, dann kann es auch zu Verzweigungen im Polymer kommen (häufig bei: Polysacchari-den)



+

+

Monomer Monomer Dimer Wasser

+

+

Dimer Monomer Trimer Wasser

+

+

Trimer Monomer Tetramer

+

+

Tetramer Oligomer

+ +

Oligomer Oligomer

+ n +

Oligomer Polymer


4.2. wichtige natürliche Makromoleküle

4.2.1. Kohlenhydrate (Polysaccharide)

4.2.2. Polypeptide (Eiweiße) Thyrosin-Phosphatase

Q: www.3dchem.com

Botox

Q: www.3dchem.com

Collagen1

Q: www.3dchem.com





Collagen2

Q: www.3dchem.com

Hämoglobin (Haemoglobin)

Q: www.3dchem.com

Insulin

Q: www.3dchem.com

Q: www.3dchem.com

4.2.3. DNS

Q: www.3dchem.com







4.3. künstliche Makromoleküle biologisch direkt kaum eine Bedeutung. ökologisch bedenklich wegen fehlender biologischer Abbaubarkeit Träger von diversen Zusatzstoffen (Weichmacher, Farbstoffe, …), bei denen einige unter Verdacht stehen cancerogen zu wirken oder Hormon-ähnlich zu wirken in der Nahrungsmittel-Produktion ( Ernährunglehre) vielfach für Lebensmittelverpackungen verwendet Plaste Elaste Elastomere bei Zimmertemperatur Gummi-weich / -ähnlich Thermoplaste verformen sich beim Erwärmen (relativ langestreckte Faser-förmige Moleküle mit wenig oder keinen Querverbindungen zwischen den Molekülen) Kristall-ähnliche Strukturen möglich Duroplaste bleiben bei Wärme-Einwirkung lange Form-stabil Moleküle relativ kurzkettig bzw. mit vielen Querverbindungen oder Verzweigungen Polyethylen (PE)

Q: www.3dchem.com



Polypropylen

Q: www.3dchem.com

Polyvenylchlorid (PVC)

Q: www.3dchem.com

Teflon

Q: www.3dchem.com





Eigenschaften und Verwendungsmöglichkeiten von Plasten / Elasten im Hauswirtschaftlichen bzw. Ernährungs-Bereich

Hitze- und Flamm-Eigenschaften

Name Kürzel Erweich-barkeit

Brenn-barkeit

Geruch häufige Zusatzstoffe Verwendung Hw- bzw. Ern.-Bereich

Bemerkungen zur Verwendbarkeit im Hw- bzw. Ernähr.-Bereich

Aminoplaste nein kaum stechend nach Ammoniak

Phenoplaste neine ja stechend früher Elektroschalter

Polyamid PA ja brennbar stechend, nach verbrannten Haaren

Aufbewahrungsgefäße, übliche "Plastegefäße" Frischhaltegefäße, Ge-frierdosen

Polyethen Polyethylen

PE ja ja (leicht entflamm-bar)

nach gelöschter Kerze

Einkaufstüten Aufbewahrungsbeutel Gefrierbeutel Frischhalte-Folie

Polystyren Polystyrol

PS ja ja (leicht entflamm-bar)

süßlich

Polyvinylchlorid PVC ja ja (schwer entflamm-bar)

stechend nach Chlorwasserstoff

Weichmacher wegen auslösbarem Chlor und vielen Zusatzstoffen wird es als bedenklich eingestuft (wenig geeingnet für Kinder-spielzeug usw.)


5. Tabellen, Zusammenfassungen, Begriffsbestim-mungen

5.1. Nomenklatur (Namensgebung)

R/S-Stereo-Isomerie

Bezeichnungs-System für Moleküle mit asymetrischen C-Atomen 1. asymetrisches C-Atom wird so gedreht, dass der leichteste Substituent (üblicherweise H)

hinter dem C-Atom verschwindet 2. die restlichen 3 direkten Substituenten werden hinsichtlich ihrer Masse betrachtet: WENN die Masse der Substituenten rechts herum abnimmt, DANN erfolgt die Kenn-

zeichnung mit R für rectus (lat.: rechts) SONST mit S für sinister (lat.: links) (Masse der

Substituenten nimmt links herum ab) 3. WENN direkte Substituenten gleich sind DANN werden die direkten Nachbarn dieser Ato-

me betrachtet 4. WENN Atome doppelt gebunden sind DANN zählen sie auch doppel (2x) R und S werden optimalerweise als Großbuchstaben in verkleinerter Schriftgröße notiert


Substitutive und radikalofunktionelle Nomenklatur der wichtigen funkti-

onellen Gruppen

(nach fallender Priorität)

Stoff-Klasse Funktionelle Gruppe

Präfix Suffixe typische Vertreter / Stoffgruppen

Carbonsäuren -COOH -(C)OOH

Carboxy- -

-carbonsäure -säure

Alkansäuren (Carbon-säuren) (inkl. Fettsäu-ren) Aminosäuren

Cyanide -CN -cyanid

Sulfone R'-SO2- R''

Sulfonsäuren -SO3H Sulfo- -sulfonsäure

Cyanate -OCN -cyanat

Thiocyanate -SCN -thiocyanat

Aldehyde -CHO -(C)HO

Formyl- Oxo-

-carbaldehyd -al

Akanale (Aldehyde) Kohlenhydrate (Sac-charide)

Ketone >CO >(C)O

Keto- Oxo-

-on -keton

Alkanone (Ketone) Kohlenhydrate (Sac-charide)

Alkohole, Phenole -OH Hydroxy- -ol -alkohol

Alkanole (Alkohole) Kohlenhydrate (Sac-charide)

Thiole -SH Mercapto- -thiol

(primäre) Amine -NH2 Amino- -amin

Ether R'-O-R'' Alkyloxy- cycl.: Epoxy-

-ether

Kohlenhydrate (Sac-charide) [Ring-Strukturen + ab Disacch.]

Sulfide R'-S-R'' Alkylthio- -sulfid

(sekundäre) Amine >NH -amin

(tertiäre) Amine >N- -amin

Nitroverbindungen -NO2 Nitro-

Halogenverbindungen Alkylhalogenide

-F -Cl -Br -I

Fluor- Chlor- Brom- Iod-

-fluorid -chlorid -bromid -iodid

Nitrile -CN

(org.) Phosphate -PO4H2 Phospho- -phosphat AMP Nucleotide Nucleïnsäuren

Diphosphate -PO4H-PO4H2 Diphoaspho- -diphosphat ADP

Triphosphate -(PO4H-)2-PO4H2 Triphospho- -triphosphat ATP

(C) bedeutet, dass das C-Atom zum Stamm der Verbindung gezählt wird (und nicht zum Substituenten)


(weitere) Gruppen (alphabetisch nach Präfix)

Stoff-Klasse Funktionelle Gruppe Präfix Suffixe typische Ver-treter / Stoff-gruppen

CH2-CO- Acetyl-

CH2=CH-CH2- Allyl-

C5H11- Amyl-

-N=N- Azo-

C6H5-CH= Benzal-

C6H5-CH2- Benzyl-

C6H5-CH= Benzyliden

C4H9- Butyl-

OC= Carbonyl-

HOOC- Carboxyl-

C16H33- Cetyl-

C10H21- Decyl-

HON2- Diazo-

C12H25- Dodecyl-

C2H5O- Ethoxy-

C2H5- Ethyl-

C2H5NH- Ethylamino-

-CH2-CH2- Ethylen

CH2-CH= Ethyliden-

OHC- Formyl-

H2N-CH2-CO- Glycyl-

C7H15- Heptyl-

C16H33 Hexadecyl-

C6H13- Hexyl-

H2N-NH- Hydrazino-

-NH-NH- Hydrazo-

HO- Hydroxy-

HONH- Hydroxylamino-

HN= Imino-

C12H25- Lauryl-

(CH3)2-CH-CH2-CH(NH2)-CO-

Leucyl-

-CO-CH2-CO- Malonyl-

HS- Mercapto-

H3C- CH3- Methyl-

CH2= Methylen-

C30H61- Myricyl-

C10H7- Naphthyl-

O2N- Nitro-

ON- Nitroso-

C9H19- Nonyl-

C8H17- Octyl-

HO- -OH Oxy- Hydroxy-

CH3-(CH2)14-CO- Palmitoyl-

C5H11- Pentyl-

C6H5- Phenyl-

-C6H4- Phenylen

C3H7- Propyl-

(C5H4N)- Pyridyl-

HS- Sulfhydryl--

(HO)O2S- Sulfo-

-S- Thio-

CH2-C6H4-CO- Toluoyl-


CH3-C6H4- Tolyl-

CH2=CH- Vinyl-

-CH=CH- Vinylen

CH2=C= Vinyliden

Ester R-CO-O-R' Carbalkoxy- -säure-alkylester -carbonsäure alkylester

Harnstoff-Derivate

Ureido- -harnstoff

Hydrazin-Derivate

Hydrazino- -hydrazin

(C) bedeutet, dass das C-Atom zum Stamm der Verbindung gezählt wird (und nicht zum Substituenten)


organische Stoffe und ihre Namen

Gebrauchsname exakter IUPAC-Name

Trivialname weitere Namen oder Abkürzungen


5.2. Reaktionsarten in der organischen Chemie

nach den übergehenden Elementar-Teilchen (klassische Einteilung aus der anorg. Chemie)

Name / Bezeichnung Wesen Bemerkungen

Säure-Base-Reaktionen Reaktionen mit Protonen-Übergang bestehen immer aus Proto-nen-Abgabe und Protonen-Aufnahme

p+ entspricht H+

Redoxreaktionen Reaktionen mit Elektronen-Übergang bestehen immer aus Oxida-tion (Elektronen-Abgabe) und Reduktion (Elektronen-Aufnahme)

Redoxreaktionen innerhalb eines Moleküls oder von gleichen Molekülen mitei-nander werden Disproportio-nierung genannt

Komplex-Reaktionen Bildungen, Umwandlungen und Zerstörung von bzw. an Komplexen

photochemische Reaktionen Aktivierung einer Umwand-lung durch Licht(-Energie) / Photonen

nach Veränderung am Cohlenstoff-Gerüst


Aufbau-Reaktionen Verlängerung der Cohlenstoff-Kette

z.B. Polymerisationen

Abbau-Reaktionen Verkürzung der Cohlenstoff-Kette

Umlagerungen Umlagerung von Ketten-Abschnitten

Reaktionen ohne Verände-rung des C-Gerüstes

z.B. Umsetzungen an den funktionellen Gruppen

nach Brutto-Umsatz


Additions-Reaktionen Anlagerungen an ungesättig-ten Bindungen A + B C

Eliminierungs-Reaktionen Eliminations-Reaktion

Abspaltung von Atomen od. Atomgruppen (Molekülen) A B + C

Substitutions-Reaktionen Austausch von Atomen od. Atomgruppen A + B C + D

Umlagerungen A B

Einschub-Reaktionen A-B + C A-C-B praktisch Additions-Reaktion


nach der Art der reagierenden Teilchen


ionische Reaktionen

radikalische Reaktionen

nach der Angriffs-Art


elektrophile Reaktionen

nukleophile Reaktionen

nach Reaktions-Mechanismus


radikalische Substitution SR-Mechanismus

elektrophile Addition AE-Mechanismus

nukleophile Substitution SN-Mechanismus

besondere Reaktions-Arten


pericyclische Reaktionen synchrone Veränderungen / Umlagerungen in armatischen bzw. cyclischen Verbindungen

photochemische Reaktionen Aktivierung einer Umwand-lung durch Licht(-Energie) / Photonen

treten häufig an Doppelbin-dungen auf es folgen meist radikalische oder pericyclische Reaktio-nen


5.3. Namen diverser Chemikalien in verschiedenen Spra-

chen usw. regulärer Name IUPAC-Name

engl. Benennung Trivialname(n), Bezeichnung im Bereich der Kosmetika, …

Formel Bemerkungen

Kalium-Natrium-Tartrat-Tetrahydrat

Tartarated soda, Salt of seignette

SEIGNETTE-Salz; Tartarus natronatus, Natrokali tartaricum, Kalium tartaricum natronatum

KNaC4H4O6 * 4 H2O

E 337


5.4. Begriffe und Begriffsbestimmungen, Definitionen

Ziffern und

Zeichen

A

Aktiniden sind die Elemente mit den Ordnungs-Zahlen ab 90. Ihre Atome

sind durch Außen-Elektronen auf 5f-Orbitalen gekennzeichnet.

B

C

Carbanium-Ion ist ein sp3-hybridisiertes C-Atom mit einer negati-ven Ladung. Es besitzt ein "überzähliges" Elekt-ron.

H

|

R – C – R

Carbenium-Ion ist ein sp2-hybridisiertes C-Atom mit einer positi-ven Ladung. Es fehlt gewissermaßen das Bin-dungs-Elektron für die 4. Bindung.

H

|

R – C - R

D

Deuterium ist ein Isotop des (Elementes) Wasserstoff(s). Es besitzt im Atom-

Kern neben dem Proton noch ein Neutron Das Symbol lautet: D, was 2H entspricht.

E

elektrophil ist die Eigenschaft von Teilchen atomarer Größe, die Elektronen

im Mangel haben und deshalb Elektronen-liebend (Wort-Sinn) sind bzw. Elektronen-anziehend wirken Elektronen-Akzeptor; Gegenteil heißt nucleophil


Elektronenaffinität ist ein Maß für Fähigkeit eines freien Atoms oder eines Moleküls Elektronen an sich zu binden / zu sich zu ziehen

Elektronegativität (nach PAULING)

ist ein Modell-Maß für die Fähigkeit eines Atoms Elektronen zu sich zu ziehen (willkürliche Grenzen: max.: EN [Fluor] = 4,0; kleinste: EN [Cäsium] = 0,7)

Element ist ein Stoff, der ausschließlich aus Atomen mit der gleichen Pro-

tonen-Anzahl besteht Die Protonen-Zahl definiert die Ordnungs-Zahl eines Elementes. Elemente las-sen sich chemisch nicht weiter zerlegen.

Energie-Prinzip Jedes System (z.B. auch ein Elektron) strebt immer den Energie-

ärmsten Zustand an. In diesem Zustand ist das System am stabilsten.

F

G

H

Hauptgruppen-Elemente

sind die Elemente, die ihre Außen-Elektronen nur auf s- oder p-Orbitalen haben.

heterolytische Spaltung

ist der ungleichmäßige Bruch einer Bindung unter Bildung von Io-nen

A – B A+ + B-

homolytische Spaltung

ist der gleichmäßige Bruch einer Bindung unter Bildung von Radi-kalen

A – B A + B

HUNDsche Regel Bei der Besetzung Energie-gleicher Orbitale werden diese zuerst

einzeln (und parallel) belegt. Erst wenn alle energetisch gleichen orbitale einfach besetzt sind kommt es zur Paarung mit Elektronen (, die den entgegengesetzten Spin haben müssen).

I

Ionisierungs-Energie ist die Energie, die notwendig ist um ein bestimmtes bzw.

soundsoviele Elektronen aus der Elektronen –Hülle zu entfernen. 1. Ionisierungs-Energie: ist die Energie, die notwendig ist um ein äußerstes

Elektron (Außen-Elektron) aus der Atom-Hülle zu entfernen.


Isoptope sind (vollständige) Atome eines Elementes, die sich von anderen

Atomen des gleichen Elementes durch die Anzahl der Neutronen im Atom-Kern unterscheiden

J

K

L

Lanthaniden sind die Elemente mit den Ordnungs-Zahlen 58 bis 71. Ihre Atome sind durch Außen-Elektronen auf 4f-Orbitalen gekennzeichnet.

M

N

Nebengruppen-Elemente

sind solche Elemente, deren Außen-Elektronen auf d-Orbitalen liegen

Nuklid ist eine (Atom-)Kern-Art, die durch eine bestimmte Anzahl an Pro-

tonen und Neutronen charakterisiert ist

Nukleonen-Zahl ist die Summe der Anzahlen von Protonen und Neutronen in ei-nem Atom-Kern

nucleophil ist die Eigenschaft von Teilchen atomarer Größe, die Elektronen im Überschuß besitzen und deshalb Kern-liebend (Wort-Sinn) sind bzw. Kern-anziehend wirken Elektronen-Donatoren; Gegenteil heißt elektrophil

O


Orbital ist die Aufenthalts-Wahrscheinlichkeit eines Elektrons innerhalb

der Elektronen-Hülle (negative Ladungs-Wolke)

P

PAULI-Prinzip

PAULI-Verbot in der Atom-Hülle eines Atoms dürfen zwei Elektronen niemals in

allen vier Quanten-Zahlen übereinstimmen. Sie müssen sich immer in

mindestens einer Quanten-Zahl unterscheiden.

Polarisierbarkeit ist ein Maß für Veränderung der Elektronen-Hülle eines Atoms

durch ein äußeres elektrisches Feld

Polarität ist die ungleichmäßig Verteilung der Elektronen-Dichte um ein Ob-jekt (atomarer Größe)

Q

R

Reagenz das kleinere oder das bewegliche von zwei an einer Reaktion be-teiligten Stoffe (größere oder feste werden Substrat genannt)

S

Substrat das größere von zwei oder mehreren an einer Reaktion beteiligten

Stoffe (andere (kleinere) werden Reagenz genannt) bei Enzym-Reaktionen ist das Substrat der zu bearbeitende Stoff

T

U


V

W

X

Y

Z

Ä - Ü


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Chemie kompakt – Formeln, Regeln, Gesetze.-München: R. Oldenburg Verl.; 1994; 1. Aufl. ISBN 3-486-88567-7

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Fundamentum CHEMIE – Sekundarstufe I – Lehr- und Arbeitsbuch.-Bonn: Ferd. Dümmlers Verl.; 1994 ISBN 3-427-43101-0

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/A/ Wikipedia http://de.wikipedia.org Die originalen sowie detailliertere bibliographische Angaben zu den meisten Literaturquellen sind im Internet unter http://dnb.ddb.de zu finden.

http://de.wikipedia.org/

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Abbildungen und Skizzen entstammen den folgende ClipArt-Sammlungen: /A/ 29.000 Mega ClipArts; NBG EDV Handels- und Verlags AG; 1997 /B/ andere Quellen sind direkt angegeben. Alle anderen Abbildungen sind geistiges Eigentum: /I/ lern-soft-projekt: drews (c,p) 2006-2014 lsp: dre verwendete freie Software:

Programm Hersteller:

Inkscape inkscape.org (www.inkscape.org)

CmapTools Institute for Human and Maschine Cognition (www.ihmc.us)

ChemSketch ACD Labs (Advanced Chemistry Development, Inc.) (www.acdlabs.com)

http://www.inkscape.org/

http://www.ihmc.us/

http://www.acdlabs.com/

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