Grundlagen der Organische Chemie · OC = Chemie der aus Kohlenstoff und anderen Elementen ( H, O, N, S, P, … ) gebildeten Verbindungen in Lebewesen, in Produkten von Lebewesen,

Universität UlmInstitut für Organische Chemie II

und Neue Materialien

Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Institut für Organische Chemie II und Neue Materialien Vorlesung Organische Chemie 1 – Grundlagen 1

Hörer: Biochemie Bachelor (2. Semester)Biologie Bachelor (2. Semester)Molekulare Medizin (2. Semester)

Termine: Mittwoch 16:15-17:45 H, Hörsaal H1Donnerstags 8:15-09:45 H, Hörsaal H34 SWS + 1 SWS Seminar

VL OC1: Grundlagen strukturiert nach Stoffklassen(physikalische und chemische Eigenschaften vonorganischen Verbindungen, grundlegende Reaktionsmechanismen)

Seminar zur Vorlesung ab 08.05.: Leitung Dr. Mark Steinmann (OC3) Biologen/Biochemiker/Molekulare Medizin Dienstag, 16:15-17:45, H1

Verpflichtend für Mol. Med. und BiochemieMolekulare Medizin: zusätzl. Prüfungsvorbereitendes Tutorium

Ort / Zeit wird noch bekannt gegeben

Vorlesung Organische Chemie 1

Grundlagen der Organische Chemie

Klausur: wird noch bekannt gegeben (vrr. KW 35, 30.07.-03.08)Nachklausur: wird noch bekannt gegeben

Dozent: Dr. Frank Pammer (Institut OC2)




1 Was ist Organische Chemie – Einleitung

2 Struktur und Bindung organischer Moleküle

3 Gesättigte Kohlenwasserstoffe (Alkane / Cycloalkane)

4 Ungesättigte Kohlenwasserstoffe (Alkene / Alkine)

5 Aromatische Kohlenwasserstoffe

6 Organische Halogenverbindungen & Stereochemie

7 Alkohole, Ether, und Schwefel-Analoga

8 Amine

9 Aldehyde und Ketone

10 Carbonsäuren, Carbonsäurederivate, Kohlensäure-Derivate

11 Heterocyclen & Naturstoffe

Inhaltsverzeichnis

Begleitendes Buch

K. P. C. Vollhardt, N. Schore, Organische Chemie(Verlag Wiley-VCh, 5. Auflage, 2015) 89,90 €





N. E. Schore: Arbeitsbuch: Organische Chemie (Wiley-VCH, 5. Auflage, 2015)

Übungsaufgaben und Lösungen

Kuhl: Organische Chemie für Biochemiker, Lebenswissenschaftler… (Wiley-VCH, 1. Auflage, 2012)

E. Breitmayer, G. Jung: Organische Chemie: Grundlagen, Stoffklassen, Reaktionen, Konzepte, Molekülstruktur… (Thieme, 7. Auflage, 2012)

Weniger Tiefe als „Vollhardt“

J. Clayden, N. Greeves, S. Warren: Organische Chemie (Springer, 2. Auflage, 2013)

J. Clayden, N. Greeves, S. Warren: Organic Chemistry (Englisch, Oxford University Press, 2. Auflage, 2012)

Mehr Tiefe als „Vollhardt“

Weitere Literaturempfehlungen:





Interaktives Lernen (Lernen 2.0)

http://www.chem.ucalgary.ca/courses/351/Carey5th/Carey.html (U of Calgary)

http://www.chemgapedia.de (FIZ CHEMIE Berlin)

http://csi.chemie.tu-darmstadt.de/ak/immel/index.html(S. Immel, TU Darmstadt)

http://www.organische-chemie.ch/(Reaktionen, Namensreaktionen, Chemikalien)

http://webelements.org/

http://periodicvideos.com/(Martyn Poliakoff, U of Nottingham)





„Organic Chemistry Flashards“ von Jacob Kearns

„Funktionelle Gruppen in der Org. Chem.“ von Andrey Soloyev

„Professor B‘s Organic Functional Groups Study Tool“

„Reaction Flash“ von RELX Int. Prop. SA

(für Fortgeschrittene)

„apoc – Organic Chemistry“, von Niels Sievertsen

(für Fortgeschrittene)

Sammlung von Namensreaktionen (für Fortgeschrittene)

„Organic Reactions“ von Kirill Sidorov

Smartphone / Tablet-Apps

Karteikartensammlungen zum Lernen und Wiederholen




1 Was ist organische Chemie? - Einleitung

Organische Chemie entstand zu Beginn des 19. Jahrhunderts

Organische Chemie ist die Wissenschaft von den Molekülen und der Versuch, die Chemie des Lebens zu verstehen

https://de.wikipedia.org/wiki/Friedrich_W%C3%B6hler

1824: Synthese von Oxalsäure durch Hydrolyse von Dicyan

1828: Harnstoff aus Ammoniumcyanat

Friedrich Wöhler (1800-1882)Pionier der organischen Chemie

https://de.wikipedia.org/wiki/Friedrich_W%C3%B6hler

Die Wöhler‘schen Synthesen eröffneten das Feld der Biochemie, da zum ersten Mal Stoffe, die bisher nur von lebenden Organismen bekannt waren, aus „unbelebter“ Materie künstlich (synthetisch) erzeugt werden konnten.





Einschub: AdBlue als Zusatzstoff für Dieselfahrzeuge

Scheinbares Dilemma: Verbrauchsarme Dieselmotoren produzieren giftige NOx Gase

http://www.heute-show.de/media/heuteshow/abgaswerte-skandal-bei-volkswagen.jpg https://de.wikipedia.org/wiki/AdBlue

Die chemische Lösung: AdBlue (Einspritzung einer wässrigen Harnstofflösung ins Abgas)

https://de.wikipedia.org/wiki/AdBlue




■ Peptide und Proteine- Mechanische Funktionen: Gerüststoffe, kontraktile Elemente- Stoffwechselvorgänge (Enzyme)- Koordination der Funktionen (Rezeptoren, Botenstoffe)- Transportfunktionen

■ Nucleinsäuren- Codierung der Proteinstrukturen- Template für Proteinsynthesen

■ Kohlenhydrate- Gerüststoffe- Energiespeicher

■ Lipide (aufgebaut aus Fettsäuren)- Grundbausteine der Zellmembran- Energiespeicher


Organische Chemie ist die Grundlage des Lebens (Naturstoffe)

L-Tryptophan Ein (Tri-) Peptid

α-D-Glucose

O

H

HO

H

HO

H

OHOHH

H

OH

Ein Nucleotid(Desoxy Adenosinmonophosphat)

N

NN

N

NH2

O

HOH

HHHH

OP-O

O-

O

Ölsäure(9Z-Oktadec-9-en-säure)





OC = Chemie der aus Kohlenstoff und anderen Elementen (H, O, N, S, P, … ) gebildeten Verbindungen

■ in Lebewesen, in Produkten von Lebewesen, wo „C“ angetroffen wird

Heute gibt es >16 Millionen (1.6 x 108) organische Verbindungen

■ Theoretisch sind 1063 stabile organische Verbindungen (≤ 30 C-Atome) möglich!

Beispiele: ■ etherische Öle

Menthol Chinin

Naturstoffe wirken zur Heilung von Krankheiten (Chinin: gegen Fieber und Malaria)

2-Isopropyl-5-methylcyclohexanol 1-(6-Methoxychinolin-4-yl)-1-(5-vinyl-1-azabicyclo[2.2.2]oct-2-yl)methanol

■ Alkaloide









H

H

HO2C

H2/Pd

H

H

HO2CH

H

H

MeO2CH

HO-O

H

MeO2CH

H

MeO2CH

Cu(I) Salz,

Säure

Oxidation

Veresterung

1O2

O

HO

Umlagerung

Hydrierung

H

H

HO

MeO

O

Ketal-

spaltung

O

Oxidation

O2

H

H

O

MeO

O

O

OHO

HCH3

CH3H

O

O

O

O OH3C

H

-MeOH

2-fache

Cyclisierung

C. J. Paddon, P. J. Westfall, et al. Nature, 2013, 496, 528-532.

Semi-Synthese Biotechnol. Herstellung komplexer

Ausgangsverbindungen für weitere Synthese




N


1.2 Die chemische Industrie

■ Quellen: Kohle war früher Hauptquelle für Chemikalien durch Destillation (H2/CO)

liefert Teer, der reich an aromatischen Verbindungen ist

https://de.wikipedia.org/wiki/William_Henry_Perkin

Benzol Phenol ThiophenPyridin Anilin

Mauvein A

■ „Synthetische“ organische Chemie begann ab ca. 1850

W. Perkin (1838-1907) entdeckte 1856 zufällig den ersten synthetischen

Farbstoff Mauvein (wollte Chinin aus Anilin herstellen)

3-Amino-2,9-dimethyl-5-phenyl-7-(p-tolylamino)phenaziniumacetat https://de.wikipedia.org/wiki/Mauveine

S





■ Industrie der synthetischen Farbstoffe entstand (BASF, Bayer, Agfa, Höchst, Casella)

Indigo

BASF

1865: gegründet zur Herstellung von Teerfarbstoffen und Farbstoffe auf Anilinbasis

1880: Erforschung einer Indigo-Synthese (Heumann-Synthese)

1897: Indigo-Produktion

2,2’-Bis(2,3-dihydro-3-oxoindolyliden)

heute: weltgrößter Chemiekonzern mit 113.000 Mitarbeiter, 74 Mrd. Umsatz

https://de.wikipedia.org/wiki/BASF

Bismarckbraun Y4,4'-[1,3-Phenylenbis(azo)]-bis[1,3-phenyldiamin]





■ Erdöl ab 20 Jh. Hauptquelle organischer Verbindungeneinfache Kohlenwasserstoffe: Methan, Ethan, Propan (Brennstoffe)daraus entstanden zwei industrielle Bereiche der organischen Chemie

Grundchemikalien (viele Tonnen, Anstriche, Kunststoffe)

Feinchemikalien (kleinere Mengen, Arzneimittel, Aroma-, Duftstoffe)

■ Steamcracker (BASF, größte 2 Produktionsanlagen in Ludwigshafen)aus Rohbenzin (Naphtha, 2 Mio to/Jahr) entsteht eine ganze Reihe wichtiger chemischer Grundbausteine wie vor allem Ethylen und Propylen- elementar für Kunststoffe, Lacke, Waschrohstoffe und Pflanzenschutzmittel.

http://www.mannheim24.de/region/ludwigshafen-steamcracker-basf-brennt-auch-maerz-noch-kontrolliert-ueber-fackel-4792763.html





1.3 Organische Verbindungen

Unter den 16 Millionen organische Verbindungen gibt es alle Arten von Molekülen mit vielfältigen Eigenschaften

■ Aussehen: kristallin, ölig, wachsartig, flüssig, gasförmig, kunststoffartig,…

Saccharose 2,2,4-Trimethylpentanβ-D-Fructofuranosyl-α-D-glucopyranosid

https://de.wikipedia.org/wiki/Saccharose http://www.seilnacht.com/Chemie/ch_sacch.htm http://www.seilnacht.com/Lexikon/phh.JPG





■ Farben: Optische Eigenschaften (Absorption, Fluoreszenz, Reflektion, Brechungsindex,…)

Wechselwirkung der Moleküle mit Licht (UV, vis, NIR)

http://www.easylife.nl/de/publikationen/pflanzenwachstum-teil-1

ß-Carotin1,3,3-Trimethyl-2-[(1E,3E,5E,7E,9E,11E,13E,15E,17E)-3,7,12,16-tetramethyl-18-(2,6,6-trimethylcyclohexen-1-yl)octadeca-

1,3,5,7,9,11,13,15,17-nonaenyl]cyclohexen

Chlorophyll A

https://de.wikipedia.org/wiki/Carotine

C5 = Isopren

R





■ Farben: Organische Verbindungen decken das gesamte Spektrum ab

Clayden, Greeves, Warren, Organische Chemie, Springer Spektrum , 2013, S.4





■ Duft, Geruch: es gibt angenehm oder unangenehm riechende organische Substanzen

Moschus-Keton4-tert-Butyl-2,6-dimethyl-3,5-

dinitroacetophenon

Essigsäure-amylester

2-Buten-1-thiol tert-Butylthiol (+)-Androstenon

Serricornin Olean

Geruch bei Insekten: Pheromone

https://de.wikipedia.org/wiki/Tabakk%C3%A4fer

http://www.rezepte-nachkochen.de/trueffel.php

http://www.spiegel.de/sport/achilles/achilles-ferse-stinktier-im-startfeld-a-643913.html

http://roviesolives.gr/germany/pflege-des-olivenbaums.html

Synthetische und natürliche Riechstoffe (Parfüme), (Fruchtester)

http://www.fragrantica.com/perfume/Christian-Dior/Hypnotic-Poison-219.html

https://www.bueromarkt-ag. de/ bilder/suess-stoff_gutguenstig,

p-102501,s-700.jpg

http://www.swisseduc.ch/chemie/labor/estersynth/

(R,S)-1,7-Dioxaspiro[5.5]undecan4,6-Dimethyl-7-hydroxy-nonan-3-one

6-Methyl-3,4-dihydro-1,2,3-oxathiazin-4-on-2,2-dioxid

Acesulfam (Claus 1967)





■ Geschmack: der Mensch kann extrem geringe Mengen „schmecken“ (2 x 10-5 ppb)

(R)-1-p-Menthen-1-thiolAroma der Grapefruit

Alkohol

■ Wirkung auf das Gehirn (Drogen)

Ecstasy Cocain

Resveratrol

■ Wirkung in der Nahrung

Ascorbinsäure (Vitamin C)

http://ecowatch.com/2014/02/14/14-reasons-to-eat-grapefruit/

Methyl(1R,2R,3S,5S)-3-(benzoyloxy)-8-methyl-8-azabicyclo[3.2.1]octan-2-carboxylat

3,4-Methylendioxy-N-methylamphetamin





■ Agrochemikalien: Garantieren eine ausreichende Nahrungsversorgung

Pyrethrine

Propiconazol

(±)-1-[2-(2,4-Dichlorphenyl)-4-propyl-1,3-dioxolan-2-yl-methyl]-1H-1,2,4-triazol

(1R,3R)-[(S)-α-Cyano-3-phenoxybenzyl-3-(2,2-dibromvinyl)]-2,2-dimethylcyclopropancarboxylat

Glyphosat

N-(Phosphonomethyl)glycin

Fungizide

Insektizide

Herbizide

Deltamethrin





■ Periodensystem: Wo sind die Grenzen der organischen Chemie?

n-BuLi

alle organischen Verbindungen bauen auf dem Kohlenwasserstoff-Gerüst auf: C, H

Sehr oft kommen hinzu: O, N, manchmal: S, P sowie Halogene F, Cl, Br, I

weitere: Li, B, Si, Cu, Zn, Pd, Sn

Clayden, Greeves, Warren, Organische Chemie, Springer Spektrum, 2013, S.13

Pd(PPh3)4

Triethylboran Trimethylsilylchlorid

Diethylzink Tributylzinn-hydrid

Tetrakis(triphe-nylphoshin)-

palladium

Gilman-Cuprat





1.4 Hauptrichtungen in der organischen Chemie

■ Synthesewie neue Moleküle entwickelt und anschließend hergestellt werden

■ Reaktionsmechanismenwie ermittelt wird, wie diese Moleküle miteinander reagieren, und wie ihre Reaktionen vorhergesagt werden

■ Strukturaufklärung wie die Strukturen neuer Verbindungen ermittelt werden, auch in kleinsten Mengen

■ Theoretische Organische Chemiewie die Strukturen bezüglich der Atome und der Elektronen, die diese miteinander verbinden, aufzufassen sind

■ Biochemiewie festgestellt wird, was die Natur macht, und wie Strukturen von biologisch aktiven Molekülen mit ihrem Verhalten in Zusammenhang stehen

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