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Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
Prof. Dr. rer. nat. habil. Thomas HeinzeInstitut für Organische Chemie und Makromolekulare ChemieHumboldtstraße 1007743 Jena
03641/9 48270 03641/9 48271 (Sekretariat: Frau O. Lindig: Olivia.Linidg@uni-jena.de) thomas.heinze@uni-jena.de
Vorlesung und Seminar OC I: Grundlagen der Organischen Chemie
Dr. Andreas Koschella 03641/9 48277andreas.koschella@uni-jena.de
M. Sc. Agnes Sitterli 03641/9 48277 agnes.sitterli@uni-jena.de
Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
Friedrich Wöhler31. 07.1800 (Eschersheim, Frankfurt am Main) - 23.09.1882 (Göttingen)
Brief Wöhler an Berzelius 1828:
„Ich kann, so zu sagen, mein chemisches Wasser nicht halten und muss ihnen sagen, daß ich Harnstoff machen kann, ohne dazu Nieren oder überhaupt ein Thier, sey es Mensch oder Hund, nöthig zu haben. Ich fand, daß immer wenn man Cyansäure mit Ammoniak zu verbinden versucht, eine kristallisierte Substanz entsteht, die … weder auf Cyansäure noch Ammoniak reagiert …., und es bedurfte nun weiter Nichts als einer vergleichenden Untersuchung mit Pisse-Harnstoff, den ich in jeder Sicht selbst gemacht hatte, und dem Cyan-Harnstoff. Wenn nun … kein anderes Produkt als Harnstoff entstanden war, so mußte endlich … der Pisse-Harnstoff genau dieselbe Zusammensetzung haben, wie das cyansaure Ammoniak. Und dies ist in der Thatder Fall …“(Chemie heute, Schroedel Verlag, Klasse 9/10. Kapitel 3: Chemie der Kohlenwasserstoffe. Exkurs Seite 64, ISBN 978-3-507-86192-3)
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Definition Organische Chemie (OC)
Verbindungen, die der Kohlenstoff mit sich selbst und
anderen Elementen (häufig: H, O, N, S, Halogene, P) eingeht;
Ca. 40 Mio. Verbindungen sind bekannt (Stand 2012)
Ausnahmen: Oxide des Kohlenstoffs, Kohlensäure, Cyanide und Cyansauerstoffsäuren,
Carbide und Schwefelkohlenstoff)
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Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
Organische Chemie heute:
Struktur,Synthese undReaktionen von Verbindungen, die im Wesentlichen aus dem Element C aufgebaut sind
- C in der Erdrinde nur 0,1 Gew.-%, aber sehr bevorzugte Stellung in der Mitte des PSE
- Vierbindig- Große Vielfalt von BindungsmöglichkeitenEinzigartige Vielfalt der organischen Verbindungen
Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
O C
O
CH3
COOH
Acetylsalicylsäure
(Aspirin)
(H3C)2CH CH2 C COOH
CH3
H
Medikamente
Kunststoffe
Polyethylenterephthalat (PET)
2-(4-Isobutylphenyl)-propionsäure
(Ibuprofen)
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5
https://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/plastikmuell-wie-chinas-seeleute-das-meer-verschmutzen-a-1289365.html07.10.2019, 7:01
Interessant war, wie sich die Herkunft der Flaschen veränderte: Während in den Achtzigern zwei Drittel aus Südamerika stammten, lag 2009 Asien knapp vorn. Im Jahr 2018 kamen drei Viertel der Flaschen aus Asien, mehr als die Hälfte wurde in China gefertigt. Aus Südamerika stammten noch 20 Prozent, aus Afrika und Europa jeweils zwei Prozent.
Plastikflaschen aus Afrika und Südamerika würden durch den Südatlantischen Strudel zu der Insel gespült, was bei den meisten Ursprungsregionen an der Ostküste Südamerikas ein bis zwei Jahre dauere. Bei den Flaschen aus Asien dauere dies wesentlich länger; daher vermuten die Forscher einen anderen Eintragsweg: Sie stammen demnach wohl nicht aus den Ländern selbst, zumal Müll aus China, Japan, Taiwan und Korea überwiegend in den Nordpazifik treibe. Auch Exporte schließen sie als Quelle aus, da China kaum Wasser nach Südafrika und Südamerika liefere.
Stattdessen gehen die Wissenschaftler davon aus, dass die Flaschen von Schiffen direkt ins Meer entsorgt wurden, insbesondere von Handelsschiffen. Der Handelsverkehr habe sich auf den Meeren von 1992 bis 2012 vervierfacht, schreiben sie. Demnach passierten 2016 mehr als 2400 Frachtschiffe den Tristan da Cunha-Archipel, zu dem die Insel gehört.
Wie Seeleute das Meer verschmutzen Plastikmüll erreicht selbst entlegenste Regionen. Nun haben Forscher Treibgut auf einer Insel im Südatlantik analysiert. Sie ziehen überraschende Schlüsse, woher der Abfall stammt - und wie er ins Meer gelangte
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KohlenhydrateProteineDNS/RNS
Organische Chemie: Chemie des Lebens
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Kohlenstoff-Element-Verbindungen: SauerstoffFunktionelle Gruppen
Ethansäure
Ethanal
Ethanol Diethylether
Acetaldehyddimethylacetal
Ethansäuremethylester
2-Propanol Propanon
Phenol Benzaldehyd Vanillin Benzoesäure
Salicylsäure Acetylsalicylsäure (Aspirin)
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Kohlenstoff-Element-Verbindungen: Stickstoff
Methylamin Dimethylamin Trimethylamin Trimethylam-moniumchlorid
Pyridin Imidazol Alanin(abgekürzt Ala oder A)nicht-essentielle α-Aminosäure,proteinogene Aminosäure =Bausteine der Protein
p-Aminoazobenzen(Anilingelb)
Trinitrotoluen(TNT)
CoffeinAlkaloid* aus der Stoffgruppe der Xanthine, psychoaktiven Substanzen mit stimulierender Wirkung
MorphinHauptalkaloid* des Opiums, Schmerzmittel bei starken und stärksten Schmerzen
Methamphetamin(Stoffgruppe der Phenylethylamine)Synthetischer Arzneistoff aber auch missbräuchlich als euphorisierende und stimulierende Rauschdroge = Crystal Meth, Meth, Crystal, Ice
Adenineine der vier Nukleinbasen in DNA und in RNA
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*Alkaloide sind natürlich vorkommende, chemisch heterogene, meist alkalische, stickstoffhaltige organische Verbindungen des Sekundärstoffwechsels, die auf den tierischen, also auch menschlichen Organismus wirken
Kohlenstoff-Element-Verbindungen: Schwefel
Methylthiolfarbloses, unangenehm nach verfaultem Gemüse riechendes Gas
Dimethylsulfid Dimethyldisulfid
p-Toluensulfonsäure
Dimethylsulfoxid Dimethylsulfon
Bis(2-chlorethyl)sulfid(Senfgas)
Senfgas ist ein Trivialname für die Chemikalie Bissulfid, einen hautschädigenden chemischen Kampfstoff aus der Gruppe der Loste.
Allicin(Knoblauch)
Thiophen
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Ermittlung der Summenformel eines Stoffes durch Verbrennungsanalyse
Vollständige Verbrennung zu
CO2 und H2O
Ermittlung der empirischen
Formel (CxHyOz)n
Ermittlung der Summenformel
CxHyOz
Molmasse
https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Kali-Apparat.jpghttps://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Liebigmuseum_Elementaranalyse.jpg
Entwickelt von: Antoine Laurent de Lavoisier Joseph Louis Gay-Lussac Jöns Jakob Berzelius Justus von Liebig
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Ermittlung der Summenformel eines Stoffes durch Verbrennungsanalyse (siehe Übungsaufgaben)
CH3OH + 1,5 O2 CO2 + 2 H2OVerbrennung von Methanol:
1 mol Methanol (32 g) liefert bei der vollständigen Verbrennung 1 mol CO2 (44 g) und 2 mol H2O (36 g)
Absorption der Verbrennungs-produkte mit: KOH CaCl2
M
mn
n
mM
M: Molare Masse (g/mol)m: Masse (g)n: Stoffmenge (Mol)
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Ermittlung der Summenformel eines Stoffes durch Verbrennungsanalyse
M
mn
n
mM
M: Molare Masse (g/mol)m: Masse (g)n: Stoffmenge (mol)
1:4:1
mol
g16
m:2
mol
g18
g36:
mol
g44
g44n:n:n O
OHC
1 Molekül H2O enthält 2 Atome Wasserstoff!
Sauerstoff??
g16g4g12g32mmmm HCOHCHO 3
Empirische Formel: (C1H4O1)n
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Ermittlung der Summenformel eines Stoffes durch Verbrennungsanalyse
Bei der Verbrennung von 0,1 g einer sauerstoffhaltigen organischen Substanz entstehen 0,148 g Kohlendioxid und 0,06 g Wasser. Die Molmassenbestimmung ergibt 180 g/mol. Die Summenformel ist zu ermitteln.
g04,0
mol
g44
mol
g12g148.0
M
Mmm
2
2
CO
CCO
C
g0067,0
mol
g18
mol
g12g06.0
M
M2mm
OH
HOH
H
2
2
g0533,0g0067,0g04,0g1,0mmmm HCobePrO
0033,0:0067,0:0033,0
mol
g16
g0533,0:
mol
g1
g067,0:
mol
g12
g04,0
M
m:
M
m:
M
mn:n:n
O
O
H
H
C
COHC
1:2:10033,0
0033,0:
0033,0
0067,0:
0033,0
0033,0n:n:n OHC
Auf den kleinsten Wert normieren:Empirische Formel: (CH2O)n
Formelmasse 30 g/mol
6
mol
g30
mol
g180
eFormelmassEmpirische
Molmassen
Summenformel: (CH2O)6 = C6H12O6
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D-Glucose (links) und L-Glucose (rechts)Fischer-Projektion, offenkettige Darstellung
Zeichnen von Lewis-Formeln
1. Summenformel aufschreiben2. Summe der Valenzelektronen bilden (ggf. Ladung berücksichtigen: Anion: +1 Elektron, Kation: -1 Elektron)3. Zentralatom aufschreiben und die anderen Atome mit Einfachbindungen darum verteilen4. Übrige Elektronen so verteilen, dass möglichst jedes Atom eine voll besetzte Valenzschale besitzt; Oktettregel
beachten; ggf. Mehrfachbindungen bilden
Carbonation CO32-
Valenzelektronen: 4 (C) + 3*6 (O) + 2 (negative Ladung)= 24
2-
6 Elektronen (3 Elektronenpaare) sind verbraucht24 – 6 = 18 Elektronen sind noch zu verteilen
2-
Die Oktettregel ist für Sauerstoff, jedoch nicht für Kohlenstoff erfüllt
2-
Wird ein Elektronenpaar eines Sauerstoffs für die Bildung einer Doppelbindung genutzt, ist die Oktettregelfür alle Atome erfüllt
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Zeichnen von Lewis-Formeln (siehe Übungsaufgaben)
1. Summenformel aufschreiben2. Summe der Valenzelektronen bilden (ggf. Ladung berücksichtigen: Anion +1 Elektron, Kation -1 Elektron)3. Zentralatom aufschreiben und die anderen Atome mit Einfachbindungen darum verteilen4. Übrige Elektronen so verteilen, dass möglichst jedes Atom eine voll besetzte Valenzschale besitzt; Oktettregel beachten; ggf.
Mehrfachbindungen bilden
Methan CH4
Valenzelektronen: 4 (C) + 4*1 (H) = 8
8 Elektronen (4 Elektronenpaare) sind verbraucht
Die Oktettregel ist für alle Atome erfüllt
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• Moleküle sind ausschließlich aus C- und H-Atomen aufgebaut
• Gesättigt oder ungesättigt
• Ketten, Ringe (auch Kombination)
• Aromatisch
Kohlenwasserstoffe
Unverzweigte Ketten: n-Alkane
Verzweigte Ketten: iso-Alkane
n-Butan
iso-Butan
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Skelettschreibweise:
- C und H werden impliziert („vorausgesetzt“)
- Für jedes C-Atom eine Ecke
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Summenformel Mögliche Anzahl der Konstitutionsisomere
C3H8 1
C4H10 2
C5H12 3
C6H14 5
C7H16 9
C8H18 18
C9H20 35
C10H22 75
C15H32 4.347
C20H42 366.139
C30H62 4.111.846.763
C40H82 62.481.801.147.341
Butan
Hexan
Konstitutionsisomere sind alle Moleküle mit derselben Summenformel, die sich aber in ihrem strukturellen Aufbau unterscheiden.
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Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
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Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
Konformationsisomere (bzw. Konformere) sind Isomere, die sich durch Drehung (Rotation) um C-C-Einfachbindungen unterscheiden
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Ethen
(Hemmendes Phytohormon*)
Myrcen Limonen a-Pinen
b-Carotin
Monoterpene:
• Bestandteile vieler ätherischen Öle Sesquiterpene:
• Pheromone bei Insekten
a-Farnesen
Lycopin („Tomatenfarbstoff“)
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*Phytohormone sind pflanzeneigene (endogene) organische Verbindungen, die als primäre Botenstoffe (sog. Signalmoleküle) Wachstum und Entwicklung der Pflanzen steuern und koordinieren
Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
Schematische Darstellung der Bildung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung.
2 sp2-Kohlenstoffatome bilden eine s-Bindung (Überlappung der Enden zweier sp2-
Orbitale) und einer p-Bindung (seitliche Überlappung zweier paralleler p-Orbitale)
aus
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Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
Ethen Propen
1-Buten
1-Penten
trans-2-Buten cis-2-Buten
trans-2-Penten cis-2-Penten
2-Methyl-propen (Isobuten)
→ nur je ein Konstitutionsisomer möglich
Buten → 3 Konstitutionsisomere: Position der Doppelbindung & Stereochemie der Doppelbindung
Penten → 4 Konstitutionsisomere: Position der Doppelbindung, Stereochemie der
Doppelbindung & Verzweigungen
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Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
Bromwasser Einleiten von Ethen Entfärbung
Nachweisreaktion für C-C Doppelbindungen
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Video: Bromierung von Cyclohexen
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Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
Orbitaldarstellungen der Bindungsverhältnisse in Benzol. Die s-Bindungen werden durch Überlappung der
Enden von sp2-Orbitalen gebildet. Zusätzlich steuert jedes Kohlenstoffatom durch seitliche Überlappung seines
p-Orbitals mit den p-Orbitalen seiner beiden Nachbarn ein Elektron zum p-System bei.
Benzol–p–Bindungen
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Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
1. Elektrophil greift die p-Bindung an
2. Carbeniunion wird durch ein Nucleophil abgefangen
Elektrophile Addition
Relative Stabilität der Carbeniumionen:
tertiär > sekundär > primär > Methyl
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Carbonsäuren
C-Atome Name Struktur Quelle
IUPAC Trivial
1 Methansäure Ameisensäure Ameisen
2 Ethansäure Essigsäure Essig
3 Propansäure Propionsäure Milch (grich. protos;
pion: erstes Fett)
4 Butansäure Buttersäure Butter
5 Pentansäure n-Valeriansäure Baldrianwurzel (lat.
stark sein)
6 Hexansäure Capronsäure Ziegen (lat. caper)
7 Heptansäure Önathsäure Weinblüten (grich.
cenanthe)
8 Oktansäure Caprylsäure Ziegen (lat. caper)
9 Nonansäure Pelargonsäure Pelargonium
10 Dekansäure n-Caprinsäure Ziegen (lat. caper) 31
Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
Name Formel pKS
Ameisensäure 3,68
Essigäure 4,74
Propansäure 4,85
Butansäure 4,80
Benzoesäure 4,18
Chloressigsäure 2,82
Dichloressigsäure 1,30
Trichloressigsäure 0,70
o-Chlorbenzoesäure 2,90
Ethanol 16,00
Phenol 10,00
Salzsäure -1,3 32
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Säure-Base-Reaktion
OHCOOHCH
COOCHOHK
23
33
[H2O] großer Überschuss,
Daher als konstant angenommen Säurekonstante:
COOHCH
COOCHOHK
3
33s
pKs= - log Ks Ethansäure (Essigsäure): pKs 4,75
Ethanol: pKs 16
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Carbonsäureester
Prinzip von Le Chatelier, auch das Prinzip des kleinsten Zwanges
Temperatur-, Volumen- und Druckänderung sowieStoffmengenänderung
Henry Louis Le Chatelier8. Oktober 1850 - 17. Juni 1936
Änderung bewirktZugabe von A bzw. B Zunahme der ProdukteZugabe von C bzw. D Zunahme der EdukteEntzug von A bzw. B Abnahme der ProdukteEntzug von C bzw. D Abnahme der Edukte
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Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
Ananas (S)-2-Methylbutter-säure-ethylester
Äpfel2-Methylbutter-säureethylester, Buttersäure-ethylester, Essigsäure-2-methylbutylester, Essigsäure-n-butylester und Essigsäure-hexylester
Birnen Essigsäure-amylester, (2E,4Z)-Deca-2,4-diensäure-ethylester
Passionsfrucht Buttersäure-ethylester, Hexansäure-ethylester, Buttersäure-hexylester, Hexansäure-hexylester
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Methanal
(Formaldehyd)
Ethanal
(Acetaldehyd)
2-Propanon
(Aceton)
2-Butanon
(Ethylmethylketon)36
Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
Halbacetal(Zwischenstufe auf dem Weg zu Acetalen)
D-Glucose(0,003 %)
α-D-Glucofuranose β-D-Glucofuranose
β-D-Glucopyranose(63,6 %)
α-D-Glucopyranose(36,4 %)
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Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
Amylose (Stärke) Celluloseα/β-Glycosid
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Christian Friedrich Schönbein: deutsch-schweizerischer Chemiker und Physiker(18. Oktober 1799 - 29. August 1868)
Entdecker des Ozons (1839), des Prinzips der Brennstoffzelle (1838) und derNitrocellulose (1846)
Baumwolle Nitrocellulose, Cellulosenitrat, Schießbaumwolle
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Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
Baumwolle Nitrocellulose
Schießbaumwolle 40
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Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
Fehlingprobe
Fehling I - Lösung:
Kupfer(II)-sulfatlösung(7g CuSO4 • 5 H2O in 100 ml Wasser)
Fehling II - Lösung:
alkalische Tartratlösung
(34g KNaC4H4O6 • 4 H2O [„Seignettesalz“, ein Salz der Weinsäure] und 10g NaOH in 100 ml Wasser)
Beide Lösungen werden zu gleichen Anteilen in ein Reagenzglas gegeben (daumenbreit hoch). Die Kupfer(II)-sulfat-Lösung bildet beim Zusammenschütten mit der Kaliumnatriumtartrat-Lösung einen tiefblauen Tartrato-Kupfer(II)-Komplex.
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Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
Oxidation:
Reduktion:
Glucose
Stärke mit kleiner Molmasse
Analysis of reducing end groups: Fehling-Test
Fehling I: Copper(II)-sulfate in water (5.6 %)
Fehling II: Sodium potassium tartrat (23.6 %)/
sodium hydroxide (6.9 %) in water
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Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
Glucoseamoniaklischen
Silbernitratlösung Silberspiegel+ +Gluconat
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Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
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Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
• Abspaltung von Wasser
• Säurekatalyse (z.B. H2SO4 oder H3PO4)
• Erhöhte Temperatur
Mechanismus der säurekatalysierten Dehydratisierung
Aktivierung der OH-Gruppe durch Protonierung:
Erzeugung einer potentiell guten Abgangsgruppe (H2O)
H3O+ wird durch Deprotonierung des
Carbokations zurückgebildet und steht für
weitere Dehydratisierungen wieder zur
Verfügung
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Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
Stereoisomere
Isomere
• gleiche Summenformel:• unterschiedliche Struktur
Konstitutionsisomere
Konfigurationsisomere
E/Z-Isomere (cis/trans-Isomere)
Konformere
Enantiomere Diastereomere
Bindungsmuster? gleichunterschiedlich
Bindungsmuster?
durch Rotation um eine Einfachbindung ineinander überführbar?
janein
C-C-Bindung asymmetrisches C-Atom
Bild und Spiegelbild?ja nein
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Chiralität
• Chiralität: Griechisches Kunstwort („Händigkeit“),
abgeleitet vom Wortstamm χειρ~, ch[e]ir~ – handchiral
achiral
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Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
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Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
L-Alanin D-Alanin
Bei WW mit polarisiertem Licht wird die Ebene der Schwingung gedreht
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Organische Chemie - Vorkurs • Th. Heinze
S-(+)-Carvon R-(-)-Carvon
R-(+)-Thalidomid S-(-)-Thalidomid
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