1

Dr. Martin Gericke

Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie,

Humboldtstraße 10, 07743, Jena

Telefon: (03641 9) 48229; e-mail: martin.gericke@uni-jena.de

Folien: http://www.chemgeo.uni-jena.de/chemiefuermediziner.html

Chemie für Humanmediziner I und Stomatologen I-

Organische Chemie

• Wintersemester 2019/20

• Mo. 14:15-15:00 und Fr. 09:15-10:45 Uhr

• ab Mo 02.12.2018

2

Vorlesungstermine

Mo 02.12. 14:15 – 15:00

Fr 06.12. 09:15 – 10:45

Mo 09.12. 14:15 – 15:00

Sondervorlesung Prof. Bauer:

Fr 13.12. 09:15 – 10:45

Mo 16.12. 14:15 – 15:00

Fr 20.12. 09:15 – 10:45

Mo 06.01. 14:15 – 15:00

Fr 10.01. 09:15 – 11:00

Mo 13.01. 14:15 – 15:00

Fr 17.01. 09:15 – 11:00

Mo 20.01. 14:15 – 15:00

Fr 24.01. 09:15 – 11:00

Mo 27.01. 14:15 – 15:00

letzte Vorlesung:

Fr 01.02. 09:15 – 10:45

EINLEITUNG │ TERMINE

Klausur (Chemie/Physik)

Döbereiner Hörsaal, Am Steiger 3

Do 06.02 18:15 – 19:45

HM 1- 6: HS 1, Carl-Zeiss-Str. 3

HM 7- 12: HS 3, Carl-Zeiss-Str. 3

ZM 1- 3: HS, Eichplatz

3

EINLEITUNG │ LEHRBÜCHER

Chemie für Mediziner, 9. Auflage

A. Zeeck, S. Grond, S.C. Zeeck

ELSEVIER 2017

Bayer / Walter Organische

Chemie, 25. Auflage

T. Schirmeister, C.

Schmuck, P.R. Wich

Hirzel Verlag 2015

Chemie für Mediziner

H. Wachter, A. Hausen

De Gruyter Lehrbuch 2019

4

EINLEITUNG │ ORGANISCHE CHEMIE – WIESO, WESHALB, WARUM

Verständnis der Biochemie

http://www.quantumleapwellness.com/…; https://www.spektrum.de/...

5

EINLEITUNG │ ORGANISCHE CHEMIE – WIESO, WESHALB, WARUM

http://www.quantumleapwellness.com/…; https://www.spektrum.de/...

Verständnis der Biochemie

Alkoholverstoffwechselung

6

EINLEITUNG │ ORGANISCHE CHEMIE – WIESO, WESHALB, WARUM

(Neben-) Wirkungsmechanismen von Medikamenten

http://www.ijpsonline.com/...

7

EINLEITUNG │ ORGANISCHE CHEMIE – WIESO, WESHALB, WARUM

Chemisches Grundverständnis

Urea =

Harnstoff

Stoffklassen

Alkohol > Ethanol

https://www.woodlibrarymuseum.org/...

https://www.swity.de/...

Ether > Diethelether

erweitertes Alltagsgrundwissen

links- / rechtsdrehende Milchsäure

„Ein bekannter Joghurthersteller darf nun endlich seinen linksdrehenden

Joghurt auf dem fünften Kontinent anbieten. Grund für die

Verzögerungen waren Bedenken der australischen Abwasserbehörde,

dass es beim Spülvorgang mit übermäßig viel linksdrehendem Joghurt

im Stuhl zu Komplikationen mit dem rechtsdrehenden Abwasserstrudel

australischer Toiletten kommen könnte. [...]“

https://nonrelevant.de/...

8

1. Grundlagen

2. Alkane / Cycloalkane

3. Alkene / Alkine

4. Aromaten

5. Alkohole / Phenole / Ether / Thiole / Thioether

6. Amine / Heterozyklen

7. Substitution / Eliminierung

8. Aldehyde / Ketone

9. Carbonsäuren und Derivate

10. Derivate anorganischer Säuren

11. Chiralität

EINLEITUNG │ GLIEDERUNG

9

Kapitel 1

Grundlagen, Begriffe, Definitionen

wichtige Begriffe & Lernziele

- Hybridisierung und Orbitale (sp3, sp2, sp,)

- Arten chemischer Bindungen (σ- /π-Bindung ; Einfach- /Doppel- /Dreifachbindungen)

- Isomerie (Konstitutions-, Stereoisomerie)

- Mesomerie

- räumliche Struktur

- Darstellungsmöglichkeiten (Summen- /LEWIS- /Skelettformel)

- Grundlagen organischer Reaktionen

10

GRUNDLAGEN │ BEGRIFF: „ORGANISCHE CHEMIE“

Jöns Jacob Berzelius

(1779-1848)

Friedrich Wöhler

(1800–1882)

http://wikipedia.org

18. Jahrhundert: Isolierung von Reinstoffen

1769: Weinsäure

1773: Harnstoff

1806: erstmalig „Organische Chemie“ für Stoffe aus Organismen

Jakob Berzelius („vis vitalis“)

1828: Synthese von Harnstoff aus Ammoniumcyanat

Friedrich Wöhler

„Paragdigmenwechsel“

11

GRUNDLAGEN │ ORGANISCHE CHEMIE HEUTE

Medikamente

Kunststoffe

Farbstoffe

Lebensmittelzusatzstoffe

„Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten“

Kohlenhydrate

Proteine

DNS/RNS

12

GRUNDLAGEN │ CHEMISCHE ELEMENTE IN DER ORGANISCHE CHEMIE

13

GRUNDLAGEN │ BEGRIFF: „HYBRIDISIERUNG“ DES KOHLENSTOFF-ATOMS

http://www.scio-online.de/...

Modelvorstellung zur Erklärung der Bindungsverhältnisse in org. Molekülen

Kohlenstoff Elektronenkonfiguration im Grundzustand

- 1s2, 2s2, 3p2 4 Valenzelektronen / 2 Elektronenpaare

- theoretisch: Kohlenstoff zweibindig / Bindungswinkel = 180°

Oktettregel nicht erfüllbar

- experimentell: Kohlenstoff vierbindig / Bindungswinkel ≈ 109°

„Hybridisierung“: Kombinierung zu energetisch gleichen Hybridorbitalen

- 1 s-Orbital + 3 p-Orbitale 4 sp3-Hybridorbitale

14

http://www.scio-online.de/...

GRUNDLAGEN │ BEGRIFF: „HYBRIDISIERUNG“ DES KOHLENSTOFF-ATOMS

Modelvorstellung zur Erklärung der Bindungsverhältnisse in org. Molekülen

Kohlenstoff Elektronenkonfiguration im Grundzustand

- 1s2, 2s2, 3p2 4 Valenzelektronen / 2 Elektronenpaare

- theoretisch: Kohlenstoff zweibindig / Bindungswinkel = 180°

Oktettregel nicht erfüllbar

- experimentell: Kohlenstoff vierbindig / Bindungswinkel ≈ 109°

„Hybridisierung“: Kombinierung zu energetisch gleichen Hybridorbitalen

- 1 s-Orbital + 3 p-Orbitale 4 sp3-Hybridorbitale

15

Einfachbindungen im Methan (CH4)

Einfachbindungen im Ethan (C2H6)

GRUNDLAGEN │ HYBRIDISIERUNG – BINDUNGSMODELLE (EINFACHBINDUNG)

sp3-hybridisierter Kohlenstoff

- vierbindig

- 4 sp3-Hybridorbitale (einfach besetzt)

Ausbildung von 4 „σ-Bindungen“

- rotationssymetrisch

- freie Drehbarkeit der Bindung

- tetraedrische Anordnung

Breitmaier/Jung, Organische Chemie, 4. Auflage 2001

16

Doppelbindungen im Ethen (C2H4)

GRUNDLAGEN │ HYBRIDISIERUNG – BINDUNGSMODELLE (DOPPELBINDUNG)

sp2-hybridisierter Kohlenstoff

- 3 sp2-Hybridorbitale + 1 p-Orbital

3 „σ-Bindungen“ und 1 „π-Bindung“

- keine freie Drehbarkeit der Bindung

- π-Bindung nicht rotationssymetrisch

und kürzer Abstand

- trigonal planare Anordnung

Breitmaier/Jung, Organische Chemie, 4. Auflage 2001

http://www.scio-online.de/...

17

Doppelbindungen im Ethen (C2H4)

GRUNDLAGEN │ HYBRIDISIERUNG – BINDUNGSMODELLE (DOPPELBINDUNG)

sp2-hybridisierter Kohlenstoff

- 3 sp2-Hybridorbitale + 1 p-Orbital

3 „σ-Bindungen“ und 1 „π-Bindung“

- keine freie Drehbarkeit der Bindung

- π-Bindung nicht rotationssymetrisch

und kürzer Abstand

- trigonal planare Anordnung

Breitmaier/Jung, Organische Chemie, 4. Auflage 2001

http://www.scio-online.de/...

18

Doppelbindungen im Ethin (C2H2)

GRUNDLAGEN │ HYBRIDISIERUNG – BINDUNGSMODELLE (DREIFACHBINDUNG)

sp-hybridisierter Kohlenstoff

- 2 sp-Hybridorbitale + 2 p-Orbital

2 „σ-Bindungen“ und 2 „ π-Bindung“

- lineare Anordnunghttp://www.scio-online.de/...

sp-Hybridisierung am C-Atom

19

Bindung

Bindende Orbitale sp3 sp2, pz sp, py, pz

Bindungstyp + z + y + z

Winkel zw. den Bindungen 109,5° 120° 180°

Geometrie tetraedrisch trigonal planar linear

Bindungslängen [pm] 154 134 120

Bindungsenergie [kJ*mol-1] 331 620 812

freie Drehbarkeit um C-C ja nein nein

GRUNDLAGEN │ HYBRIDISIERUNG – ZUSAMMENFASSUNG DER BINDUNGSTYPEN ZWISCHEN KOHLENSTOFFATOMEN

Ethan (C2H6) Ethen (C2H4) Ethin (C2H4)

20

GRUNDLAGEN │ DARSTELLUNG ORGANISCHER MOLEKÜLE

Summen-

Formel

LEWIS-Formel

(Valenzstrich-Formel)Skelett-Formel Name

Methan

Ethen

n-Propanol

Protonierter

Acetaldehyd

21

GRUNDLAGEN │ DARSTELLUNG ORGANISCHER MOLEKÜLE

22

https://viamedici.thieme.de/lernmodule/chemie/einteilung+und+nomenklatur+organischer+verbindungen

GRUNDLAGEN │ KLASSIFIZIERUNG VON KOHLENWASSERSTOFFEN

23

Organisch-Chemische Reaktionen können meist einem von fünf Hauptreaktionstypen

zugeordnet werden:

• Addition A + B C

• Eliminierung C A + B

• Substitution A-B + C A-C + B

• Kondensation A + B C + D D = kleines Molekül (z.B. H2O)

• Umlagerung A B

GRUNDLAGEN │ ORGANISCHE REAKTIONEN

24

Unterscheidung zwischen organischem Rest „R“ (bleibt bei Reaktion

unverändert) und reaktivem Zentrum (hier erfolgt die Reaktion)

verschiedene Reaktionspartner:

Radikal: - Teilchen mit mind. einem ungepaarten Elektron

- (z.B. )

Nucleophil: - Elektronenpaar-Donator

(„kernliebend“) - Anion oder Gruppe mit freiem Elektronenpaar oder

elektronenreicher π-Bindung

- , , (z.B. , , )

Elektrophil: - Elektronenpaar-Akzeptor

(„elektronenliebend“) - Kation mit einer Elektronenlücke oder Gruppe mit

positiver Polarisierung

- (z.B. )

GRUNDLAGEN │ ORGANISCHE REAKTIONEN

25

Beispiel:

GRUNDLAGEN │ CHEMISCHE REAKTIONSGLEICHUNGEN

(Brutto-)Reaktionsgleichung: lediglich Aufzeichnung aller Ausgangsstoffe

(„Edukte“) und Produkte

Reaktionsmechanismus: genaue Abfolge ALLER Elementarschritte einer

chemischen Reaktion

- zeigt Umwandlung des Eduktes in das Produkt durch Brechen und

Neuknüpfen von Bindungen

- beinhaltet Zwischenschritte

26

GRUNDLAGEN │ BEGRIFF: „ISOMERIE“ - ÜBERSICHT

Summenformel verrät wenig über die chemische Struktur einer Verbindung

Bsp. 1: C4H10 (Butan) kann linear oder verzweigt sein

Bsp. 2: für C30H62 (Triacotan) exisitieren 4.111.846.763 theoretische Verbindungen

„Isomerie“ bezeichnet das Vorhandensein verschiedener Strukturen bei gleicher

Summenformel

- griechisch: „isos“ für gleich und „meros“ für Teil

die entsprechenden Strukturen / Verbindungen werden als „Isomere“ bezeichnet

27

GRUNDLAGEN │ BEGRIFF: „ISOMERIE“ - ÜBERSICHT

min. ein asymmetrisches

Zentrums (chirales C-Atom)

min. zwei asymmetrisches

Zentrums (chirales C-Atom)

min. eine Doppelbindung

(oder ein cyclisches System)

Stereoisomere

Isomere

• gleiche Summenformel:• unterschiedliche Struktur

Konstitutionsisomere

Konfigurationsisomere

cis/trans-Isomere (E/Z-Isomere)

Konformere (Rotamere)

Enantiomere Diastereomere

Bindungsmuster? gleichunterschiedlich

durch Rotation um eine Einfachbindung ineinander überführbar?

janein

C-C-Bindung asymmetrisches C-Atom

Bild und Spiegelbild?ja nein

unterschiedliche Funktionen

oder unterschiedliche Stellung

28

C4H10

C5H12

n-Pentan Isopentan Neopentan

Beispiele:

C4H10 2 Konstitutionsisomere; C10H22 75 Isomere; C15H32 4347 Isomere

GRUNDLAGEN │ BEGRIFF „KONSTITUTIONSISOMERIE“

gleiche Summenformel (!) aber unterschiedliche Verknüpfung der Atome

- unterschiedliche funktionelle Gruppen (Funktionsisomerie)

- gleiche funktionelle Gruppen aber unterschiedliche Position (Stellungsisomerie)

Konstitutionsisomere haben unterschiedliche physikalische (und ggf.

chemische) Eigenschaften

Isobutan oder

Methylpropan

n-Butan

29

Keto-Enol-Tautomerie

Oxo-Cyclo-Tautomerie

GRUNDLAGEN │ BEGRIFF „TAUTOMERIE“

Tautomere sind Konstitutionsisomere, die durch Wanderung von Atomen oder

Atomgruppen SCHNELL ineinander übergehen

- wandernde Gruppen sind häufig Protonen (Prototropie) oder einwertige Anionen

(Cl-, OH-, AcO-; Anionotropie)

Tautomere stehen in einem chemischen Gleichgeweicht

- oft ist Isolierung der getrennten Formen nicht möglich

- Beachte (!): „echte“ chemische Umwandlung / Reaktions(doppel)pfeil ( )

- KEINE Mesomerie ( )

Beispiele:

30

GRUNDLAGEN │ BEGRIFF „STEREOISOMERIE“ UND „KONFORMATIONSISOMERIE“

gleiche Summenformel (!) und gleiche Atomverknüpfung der Atome aber

unterschiedliche räumliche Anordnung der Substituenten

Konformationsisomerie ist EINE Sonderform der Stereochemie

- Isomere durch Drehung um eine Einfachbindung ineinander überführbar

- ausreichend hohe Rotationsbarriere (EA) Konformere stabil / isolierbar („Rotamere“)

Beispiel:

Rotation um C-C-Einfachbindung (frei drehbare σ-Bindung) im Ethanmolekül

31

GRUNDLAGEN │ BEGRIFF „STEREOISOMERIE“ UND „KONFORMATIONSISOMERIE“

=

Torsionsenergie

Energiediagramm: Rotation um C-C-Einfachbindung im Ethanmolekül

32

GRUNDLAGEN │ BEGRIFF „KONFIGURATIONSISOMERIE“ UND „CIS/TRANS-ISOMERIE“

Konfigurationsisomerie ist EINE Sonderform der Stereochemie

- Isomere NICHT durch Drehung um eine Einfachbindung ineinander überführbar

cis/trans-Isomerie (genauer E/Z-Isomerie)

- tritt auf bei Doppelbind (oder cyclischen Molekülen)

- keine frei Rotation bei 25°C möglich erfordert sehr viel Energie (Bindungsbruch)

33

GRUNDLAGEN │ BEGRIFF „KONFIGURATIONSISOMERIE“ UND „CIS/TRANS-ISOMERIE“

Konfigurationsisomerie ist EINE Sonderform der Stereochemie

- Isomere NICHT durch Drehung um eine Einfachbindung ineinander überführbar

cis/trans-Isomerie (genauer E/Z-Isomerie)

- tritt auf bei Doppelbind (oder cyclischen Molekülen)

- keine frei Rotation bei 25°C möglich erfordert sehr viel Energie (Bindungsbruch)

• Substituenten höchster Ordnung

stehen auf entgegengesetzten Seiten

der Doppelbindung

= E(ntgegen)-Isomer

• Substituenten höchster Ordnung

stehen auf der gleichen Seite

der Doppelbindung

= Z(usammen)-Isomer

34

GRUNDLAGEN │ BEGRIFF „MESOMERIE“

Mesomerie (Resonanz): chemische Struktur (Molekül, Ionen, Übergangszustand)

kann durch eine einzige Valenzstrichformel (LEWIS-Formel) nicht befriedigend

beschrieben werden

- es existieren zwei oder mehrere Strukturen mit identischer Atom-, aber

unterschiedlicher Elektronenanordnung

- „Grenzformeln“ sind hypothetischer Natur beschreiben die Bindungs-

verhältnisse nur teilweise und sind nicht isolierbar!

- keine Konstitutionsisomerie; kein chemisches Gleichgewicht

(Mesomeriepfeil: )

ResonanzhybridGrenzformelnCarbonation

35

GRUNDLAGEN │ BEGRIFF „MESOMERIE“

Regeln für Resonanzformeln bei nicht-äquivalenten Grenzformen

1. Resonanzstrukturen müssen gültige Lewis-Strukturen sein

2. größtmögliche Anzahl von Elektronenoktetts

3. negative Ladungen am Atom mit der größten EN /

positive Ladungen am Atom mit der geringsten EN

4. möglichst geringe Ladungstrennung

5. Oktettregel kann Ladungstrennung erzwingen

ResonanzhybridGrenzformelnCarbonation

36

Kapitel 2

Alkane / Cycloalkane

wichtige Begriffe & Lernziele

- homologe Reihe

- allg. Nomenklaturregeln

- Nomenklatur von Alkanen / Cycloalkanen

- Konformation von Cylohexan (Sessel- / Boot-Konformation)

- radikalische Substitution

37

Alkane

geradkettig(n-Alkane)

verzweigt

„Kohlenwasserstoffe“ (KWST) bestehen nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff

„Alkane“ sind KWST, die nur Einfachbindungen enthalten (gesättigte KWST)

- alles C-Atome sind sp3-hybridisiert

allgemeine Summenformel der Alkane: CnH2n+2 (n: ganze Zahl)

„Homologe Reihe“ ausgehend von Methan (CH4) durch zufügen von -CH2- Elementen

- physikalische Eigenschaften variieren systematisch

- chemische Eigenschaften ähnlich

ALKANE │ BEGRIFFSKLÄRUNG

38

C-Zahl

(n)

Alkane

(unverzweigt)

Summenforme

l (CnH2n+2)

Kurzschreibweise

(kondensierte Formel)

Smp.

(°C)

Sdp.

(°C)

1 Methan CH4 CH4 -184 -164

2 Ethan C2H6 CH3-CH3 -183 - 95

3 Propan C3H8 CH3-CH2-CH3 -190 - 45

4 n-Butan C4H10 CH3-(CH2)2-CH3 -135 - 0,5

5 n-Pentan C5H12 CH3-(CH2)3-CH3 -131 36

6 n-Hexan C6H14 CH3-(CH2)4-CH3 - 94 69

7 n-Heptan C7H16 CH3-(CH2)5-CH3 - 90 98

8 n-Octan C8H18 CH3-(CH2)6-CH3 - 57 126

9 n-Nonan C9H20 CH3-(CH2)7-CH3 - 54 150

10 n-Decan C10H22 CH3-(CH2)8-CH3 - 32 173

11 n-Undecan C11H24 CH3-(CH2)9-CH3 - 26 196

12 n-Dodecan C12H26 CH3-(CH2)12-CH3 - 12 216

15 n-Pentadecan C15H32 CH3-(CH2)13-CH3 10 270

18 n-Octadecan C18H38 CH3-(CH2)16-CH3 28 308

20 n-Eicosan C20H42 CH3-(CH2)18-CH3 37 -

30 n-Triacontan C30H62 CH3-(CH2)28-CH3 66 -

festflüssiggasförmig

ALKANE │ HOMOLOGE REIHE

Summenformelmögliche Anzahl der

Konstitutionsisomere

C3H8 1

C4H10 2

C5H12 3

C6H14 5

C7H16 9

C8H18 18

C9H20 35

C10H22 75

C15H32 4.347

C20H42 366.139

C30H62 4.111.846.763

C40H82 62.481.801.147.341

39

Primäre, sekundäre, tertiäre und quartäre Kohlenstoffatome

Trivialnamen für verzweigte Alkane / Alkylreste

Ebenso existieren

primäre, sekundäre

und tertiäre

Wasserstoffatome!

ALKANE │ NOMENKLATUR

40

ALKANE │ NOMENKLATURREGELN

Stammname einer Verbindung wird durch längste C-Kette bestimmt

- entsprecht Namen der n-Alkane gleicher Länge (Ausnahme: Alkene/Alkine)

Gruppe mit der höchsten Priorität bestimmt Endung

- längste C-Kette muss die Gruppe mit höchster Priorität enthalten

Anzahl C-Atome

(längste Kette)Stammname

1 Methan- (Meth-)

2 Ethan- (Eth-)

3 Propan- (Prop-)

4 Butan- (But-)

5 Pentan- (Pent-)

6 Hexan- (Hex-)

7 Heptan- (Hept-)

8 Octan- (Oct-)

9 Nonan- (Non-)

10 Decan- (Dec-)

11 Undecan- (Undec-)

12 Dodecan- (Dodec-)

13 Tridecan- / Tridec-

14 Tetradecan (Tetradec-)

… …

20 Eicosan- (Eicos-)

41

Anzahl C-Atome

(längste Kette)Stammname

1 Methan- (Meth-)

2 Ethan- (Eth-)

3 Propan- (Prop-)

4 Butan- (But-)

5 Pentan- (Pent-)

6 Hexan- (Hex-)

7 Heptan- (Hept-)

8 Octan- (Oct-)

9 Nonan- (Non-)

10 Decan- (Dec-)

11 Undecan- (Undec-)

12 Dodecan- (Dodec-)

13 Tridecan- / Tridec-

14 Tetradecan (Tetradec-)

… …

20 Eicosan- (Eicos-)

Organische Chemie, 5. aktualisierte Auflage, P.Y, Bruice; Pearson Studium

ALKANE │ NOMENKLATURREGELN

richtig: Pentan-Stammname

(längste Kette: C-5)

falsch: Hexan-Stammname

richtig: 2-Aminoethanol

falsch: 2-Hydroxyethylamin

Stammname einer Verbindung wird durch längste C-Kette bestimmt

- entsprecht Namen der n-Alkane gleicher Länge (Ausnahme: Alkene/Alkine)

Gruppe mit der höchsten Priorität bestimmt Endung

- längste C-Kette muss die Gruppe mit höchster Priorität enthalten

42

Nomenklatur von Alkanen – Beispiel 1

Regeln (unverzweigte Seitenketten)

1) Benennung und Nummerierung der längsten Kohlenstoffkette (Hauptkette),

wobei die Durchnummerierung an dem Kettenende beginnt, so dass die Stellungen der

Seitenketten möglichst kleine Zahlen erhalten. Tridecan

2) Seitenketten (Substituenten) benennen, alphabetisch ordnen und dem

Stammnamen voranstellen; anstatt der Endung „–an“ wird die Endung „–yl“

verwendet. Ethyl, Methyl, Propyl

3) Anzahl der gleichen Seitenketten ermitteln und mit griechischem Zahlwort

dem betreffenden Seitenkettennamen voranstellen. Ethyl, Dimethyl, Propyl

(haben keinen Einfluss auf die alphabetische Reihenfolge)

4) Nummer, die die Stellung der Seitenkette bezeichnet, festlegen.

ERGEBNIS: 4-Ethyl-8,8-dimethyl-5-propyl-tridecan

ALKANE │ NOMENKLATURREGELN

43

ALKANE │ NOMENKLATURREGELN

Nomenklatur von Alkanen – Beispiel 2

Regeln (verzweigte Seitenketten)

1) Hauptkette Heptan

2) Angabe der Seitenkettenverknüpfung 4-(

3) Zahl des Kohlenstoffs angeben, an dem sich die Verzweigung in der Seitenkette befindet

4-(1-

4) Den Namen des Alkylrests in der Verzweigung der Seitenkette benennen

4-(1-Methyl

5) Die vermeintliche Haupkette in der Seitekette ebenfalls als Alkylrest anfügen

4-(1-Methylethyl)

ERGEBNIS: 4-(1-Methylethyl)heptan Trivialname: 4-Isopropylheptan

44

Cycloalkane

Cycloaliphaten

(Alicyclen, Carbocyclen)Polycyclen

Cyclohexan = wichtige Struktureinheit in der organischen Chemie!

CYCLOALKANE │ KLASSIFIZIERUNG

„Cycloalkane“ enthalten einen (o. mehrere) gesättigte, ringförmige C-Ketten

Einteilung:

Cycloaliphaten (unsubstituiert): allgemeine Summenformel CnH2n

- Nomenklatur analog zu den entsprechenen Alkanen

- Vorsilbe: Cyclo-

45

Ringspannung: 3-Ring > 4-Ring > 5-Ring > 6-Ring

Die Ringspannung bedingt die gegebenenfalls abweichende

Reaktivität gegenüber offenkettigen Alkanen.

CYCLOALKANE │ RINGSPANNUNG

Offenkettige Alkane in gestaffelter Konformation besitzen optimale

(spannungsfreie) Bindungswinkel (Tetraederwinkel = 109°)

Beispiel:

Die Konformation kleiner Ringe wird durch die RINGSPANNUNG beinflusst!

Energetisch ungünstige Konformation(en)

Ethan Butan

46

Ebene Struktur

(hypothetisch)VS.

Sessel-Konformation

alle C-Atome in einer Ebene

C-C-Bindungswinkel: 120°

(6-fache Winkelspannung)

12 ekliptisch stehende H-Atome

C-Atome 1 und 4 entgegengesetzt aus der

Ebene geklappt ( Sessel)

nahezu ideale Bindungswinkel

gestaffelte Stellung der Wasserstoffatome

Frei von Winkel- und ekliptischer Spannung –

In Übereinstimmung mit der Verbrennungswärme!

Cyclohexan ist so inert wie ein normales Alkan!

CYCLOALKANE │ KONFORMATION IM CYCLOHEXAN

47

NEWMAN-Projektion

Weitere Konformationen des Cyclohexanrings

neben der Sesselform existieren noch mehrere

energetisch ungünstigere Konformationen

- Sessel (1)

- Twist-Formen (3) (5)

- Wanne (4)

- Halbsessel (2)

Energie

gestaffelte

Stellung der

H-Atome.

http://de.wikipedia.org/...

CYCLOALKANE │ KONFORMATION IM CYCLOHEXAN

48

Konformationsanalyse des Cyclohexans

Cyclohexan liegt hauptsächlich in der Sesselform und nur sehr wenig in der Twistform vor.

Wannen- und Halbsesselform sind nicht isolierbare Übergangsstrukturen.

CYCLOALKANE │ KONFORMATION IM CYCLOHEXAN

49

http://www.chemieseite.de/organisch/img/cyclohexan3d.png

- Axial = parallel zur Drehachse

- Äquatorial = senkrecht zur Drehachse

- Mono-substituierte Cyclohexane: 1 Isomer (Axial / Äquatorial)

- Di-substituierte Cyclohexane: cis/trans-Isomerie

CYCLOALKANE │ KONFORMATION IM CYCLOHEXAN

50

CYCLOALKANE │ KONFORMATION IM CYCLOHEXAN

51

Alkane sind wenig reaktiv da sie keine funktionellen Gruppen tragen

- unpolare C-C- / C-H-Bindungen

- viel Energie für Bindungsbruch nötig: heterolytisch (kaum) o. homolytisch (bevorzugt)

keine Reaktion mit Mineralsäuren, Basen, Oxidations- und Reduktionsmitteln

Oxidation und Halogenierung bei hohen Temperaturen möglich!

- radikalische Reaktionen mit hoher Aktivierungsenergie (EA)

ALKANE │ CHEMISCHE REAKTIONEN

52

exotherme Reaktion (Energie wird frei) mit radikalischem Kettenmechanismus

- Verbrennungsenthalpie Δ H ≈ ∑ BindungsenergienEdukte – ∑ BindungsenergienProdukte

Bindungsenergien: C-H 413 kJ/mol

(Dissoziationsenergien) C-C 498 kJ/mol

C=O 803 kJ/mol

O-H 463 kJ/mol

Beispiel: Δ HMethan (theor.) = 4 • 413 + 2 • 498 – 2 • 803 – 4 • 463 = -810 kJ/mol

jede CH2-Gruppe steuert etwa 650 kJ/mol zur totalen Verbrennungsenergie bei

Verbrennungswärmen für viele organische Verbindungen experimentell ermittelt

(Kalorimetrie) und tabelliert

Δ H = -810 kJ/mol

Δ H = -1542 kJ/mol

muss aufgewendet werden

wird frei

ALKANE │ CHEMISCHE REAKTIONEN: OXIDATION

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Austausch von H-Atomen gegen Halogenatome

wichtigste Methode zur Synthese von Halogenalkanen

Herstellung von Radikalen (Startreaktion):

- thermische Bindungspaltung

- photochemische Bindungsspaltung (Voraussetzung: Absorption von Strahlung)

- Verbindungen mit niedriger Bindungsdissoziationsenergie werden oft als

Initiatoren (Radikalstarter) eingesetzt

ALKANE │ CHEMISCHE REAKTIONEN: RADIKALISCHE SUBSTITUTION

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ALKANE │ CHEMISCHE REAKTIONEN: RADIKALISCHE SUBSTITUTION

Reaktionsmechanismus:

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ALKANE │ CHEMISCHE REAKTIONEN: RADIKALISCHE SUBSTITUTION

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ALKANE │ CHEMISCHE REAKTIONEN: RADIKALISCHE SUBSTITUTION

Video: Bromierung von Pentan

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ALKANE │ HALOGENALKANE ALS NARKOTIKA

Chloroform als Narkotikum

- 1847: im Selbstversuch mit 2 Freunden Entdeckung der Chloroform-Anästhesie

- 1853: Geburt des 9. Kindes von Queen Victoria (unter CHCl3-Narkose)

- ca 1900: Entdeckung der Lebertoxizität

Heute: gasförmige Halogenalkane als Inhalationsanästhetika

- Halothan (Halogen-KWST)

- alternativ: halogenierte Ether (Flurane)

James Young Simpson

(1811 – 1870)

http://wikipedia.org

ChloroformHalothan

Enfluran

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Welche der folgenden Aussagen stimmt NICHT?

A [ ] Es handelt sich um eine radikalische Substitution.B [ ] 1-Chlor-Propan ist das Hauptprodukt der Reaktion.C [ ] 2-Chlor-Propan entsteht über eine besser stabilisierte Zwischenstufe.D [ ] Die Reaktion könnte auch thermisch initiiert werden.E [ ] Es können auch mehrfach chlorierte Produkte entstehen.

ALKANE │ KONTROLLFRAGEN