Organische Chemie - Vorkurs Th. Heinze...Organische Chemie - Vorkurs •Th. Heinze Friedrich Wöhler...

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

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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 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

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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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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

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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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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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Bromwasser Einleiten von Ethen Entfärbung

Nachweisreaktion für C-C Doppelbindungen

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Video: Bromierung von Cyclohexen

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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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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

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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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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

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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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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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Baumwolle Nitrocellulose

Schießbaumwolle 40

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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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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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Glucoseamoniaklischen

Silbernitratlösung Silberspiegel+ +Gluconat

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• 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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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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L-Alanin D-Alanin

Bei WW mit polarisiertem Licht wird die Ebene der Schwingung gedreht

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S-(+)-Carvon R-(-)-Carvon

R-(+)-Thalidomid S-(-)-Thalidomid

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