Organische Experimentalchemie - thomas.chemie.uni ... 3 -OC-Ex.-Chem_SoSe_2018.pdf · 3. Geben Sie die Summenformel, Valenzstrichformel und Skelettformel von Cyclopentan an. Geben

Dr. Franziska Thomas ([email protected])

Georg-August-Universität Göttingen

SoSe 2018

Veranstaltungsnummer: 15 133 30200

Organische Experimentalchemie

Für Studierende der Humanmedizin, Zahnmedizin und Biologie

(Lehramt)

Marburg, 26. April 2018

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Übung 2: Struktur und Nomenklatur von AlkanenAufgaben:

1. Zeichnen Sie die Strukturen folgender Verbindungen: 2,4‐Dimethylpentan,

4,8‐Diethyl‐2,5,9‐trimethylundecan und 2-Ethyl-1-methyl-4-(1-ethyl-2-methylbutyl)cyclohexan.

2. Geben Sie die Strukturformeln der neun Konstitutionsisomere des Heptans an und benennen Sie

diese nach den IUPAC-Nomenklaturregeln!

3. Geben Sie die Summenformel, Valenzstrichformel und Skelettformel von Cyclopentan an.

Zeichnen Sie zudem die energieärmste Konformation von Propan in der Sägebock- und Newman-

Projektion.

4. Welche Sesselkonformation wird Ihrer Ansicht nach im cis-1-Chlor-4-(1-methylethyl)cyclohexan

vorliegen? Begründen Sie Ihren Vorschlag.

3

4. Alkane: Nomenklatur verzweigter Alkane

4. Alkane

Regeln:

1. alle Stammnamen weisen die Endung –an

auf (Verbindungsklasse der Alkane)

2. Identifizierung der längsten C-Kette

innerhalb des Molekülgerüstes

3. Die Nummerierung der Kette erfolgt so,

dass der erste Verzweigungspunkt die

kleinstmögliche Positionsziffer erhält.

4. Die Namen der abzweigenden

Alkylgruppen (Seitenketten) werden durch

ihre Länge bestimmt und alphabetisch

aufsteigend dem Stammnamen des Alkans

vorangestellt (s. auch Regel 6)

5. Die Positionsziffern werden den jeweiligen

Seitenketten vorangestellt und durch einen

Bindestrich getrennt (s. auch Regel 7)

Beispiel:

1. -an (Verbindungsklasse der Alkane)

2. längste C-Kette enthält 8 C-Atome

(-octan)

3. Nummerierung erfolgt in diesem Bsp. von

links nach recht

4. Ethyl...methyl...octan

5. 4-Ethyl...3...5...methyl...octan

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Alkane#Nomenklatur

4

4. Alkane: Nomenklatur verzweigter Alkane

4. Alkane

Regeln:

6. Zweigt mehr als eine Alkylgruppe mit

gleichem Namen von der Hauptkette ab,

werden diesen Alkylgruppennamen deren

Anzahl in der griechischen Schreibweise

(di = zwei, tri = drei usw.) als Zahlwort

vorangestellt

7. Gibt es mehrere abzweigende

Alkylgruppen mit gleichem Namen,

werden die Zahlen mit aufsteigendem

Wert durch Kommata getrennt notiert.

Zweigen zwei gleiche Alkylgruppen an

einem quartären Kohlenstoffatom ab,

dann wird die Nummer des

Kohlenstoffatoms doppelt notiert

Beispiel:

1. -an (Verbindungsklasse der Alkane)

2. längste C-Kette enthält 8 C-Atome

(-octan)

3. Nummerierung erfolgt in diesem Bsp. von

links nach recht

4. Ethyl...methyl...octan

5. 4-Ethyl...3...5...methyl...octan

6. 4-Ethyl...3...5...dimethyl...octan

7. 4-Ethyl-3,5-dimethyloctan

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Alkane#Nomenklatur

5

Fazit der Woche 2: Struktur Eigenschaften der AlkaneHomologe Reihen: Isomerie: Nomenklatur:

Konformation und Konformere

Methan CH4

Ethan C2H6

Propan C3H8

Butan C4H10

n-Pentan Isopentan

(2-Methylbutan)Neopentan

(2,2-Dimethylpropan)

Charakteristika:

1. Alkane (früher Paraffine, lateinisch „parum affinis“ = wenig reaktionsfähig) weisen geringe Reaktivität auf

2. C–H Bindungen weisen geringe Polaritäten auf (EN(C) = 2.55; EN(H) = 2.2; DEN(C-H) = 0.35)

3. Alkane besitzen einen hohen Energiegehalt (Verbrennung stark exotherm, vgl. Folie 28, Woche 2)

4. Alkane gehen Reaktionen mit Radikalen ein (insbes. mit elektrophilen Radikalen; z.B. mit Sauerstoff oder

mit Halogenen in radikalischen Halogenierungen)

Formen der Bindungsspaltung:

(Radikale) (Ionen)

homolytisch heterolytisch

6

4. Alkane: Reaktionen von Alkanen

4. Alkane

Beispiele:

(welche Reaktionsklasse ?)

Trichlormethan

(Chloroform)

Methan Chlormethan Dichlormethan Tetrachlormethan

(Methylchlorid) (Methylenchlorid) (Tetrachlorkohlenstoff)

7

4. Alkane: Radikalische Halogenierung von Alkanen

4. Alkane

Radikalketten-Reaktionen:

Mechanismus:

Kettenstart:

8


4. Alkane


Mechanismus:

Kettenstart: Kettenfortpflanzung:

9


4. Alkane


Mechanismus:

Kettenstart: Kettenfortpflanzung: Kettenabbruch:

10


4. Alkane

Beobachtung (Chlorierung):

Begründung:

11

4. Alkane: Selektivität der radikalischen Halogenierung

4. Alkane

Teilprozess H

[kJ/mol]Bildung einer H–Cl Bindung –431

Spaltung einer 1° C–H Bindung +423

Summe –8

Teilprozess H



Summe –21

Verhältnisse Werte

Anzahl H (1°/2°) 3:1

bei 25°C (1°/2°) 45:55

bei 600°C (1°/2°) 3:1


Begründung:

12


4. Alkane

Teilprozess H



Summe –8

Teilprozess H



Summe –34

13


4. Alkane

Teilprozess H



Summe –8

Teilprozess H



Summe –34

Verhältnisse Werte

Prod. (1°/3°) 63:37

Anzahl H (1°/3°) 9:1

rel. Reaktivität 1:5


Begründung:


a) b)

Fazit:

Bei Radikalreaktionen sind die Bindungsstärken entscheidend

Die Selektivität in Radikalreaktionen wird maßgeblich durch die Energien

der gebildeten und gebrochenen Bindungen bestimmt!

14


4. Alkane


a) b)

Grund:

planares Methylradikal

1° Radikal 2° Radikal 3° Radikal

Stabilisierung des Radikals durch Hyperkonjugation

15


4. Alkane

Beobachtung (Bromierung):

Begründung:

16


4. Alkane

Teilprozess H

[kJ/mol]Bildung einer H–Br Bindung –366


Summe +57

Teilprozess H

[kJ/mol]Bildung einer H–Br Bindung –366


Summe +31

Vergleich Chlorierung vs. Bromierung:

a) b)

Begründung: Hammond-Postulat

17


4. Alkane

J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, Organische Chemie, 2. Ed., 2013, Springer-Verlag Berlin Heidelberg

früher ÜZ,

stark exothermspäter ÜZ,

endotherm

Reaktionsstöchiometrie:

(bei vollständiger Verbrennung)

Autoxidation:

Flamm- und hitzefreie Reaktionen von Eduktmolekülen mit (Luft-)Sauerstoff

werden Autoxidationen genannt. Autoxidation tritt beispielsweise bei

Lebensmitteln (z.B. Fette, Karottenpüree, Wein etc.) auf.

Mechanismus:

(Kettenstart)

(Kettenfortpflanzung)

18

4. Alkane: Verbrennung von Alkanen mit O2

4. Alkane

19

5. Alkene: Definition und EigenschaftenDefinition:

Alkene (auch Olefine) sind chemische Verbindungen aus der Gruppe der aliphatischen Kohlenwasserstoffe,

die an beliebiger Position mindestens eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung im Molekül besitzen

und sich über die Summenformel CnH2n beschreiben lassen.

5. Alkene

Name: Valenzstrichformel: Summenformel: Skelettformel: Smp./Sdp. [C°]

Ethen C2H4 −169.2/–103.8

Propen C3H6 −185.3/–47.7

But-1-en C4H8 −185.4/–6.2

(E)-But-2-en C4H8 −105.4/0.9

20

5. Alkene: Definition und EigenschaftenDefinition:




5. Alkene

Nomenklatur: Suffix = -en (Verbindungsklasse der Alkene)

Position der Doppelbindung: Positionszahl wird zwischen Stammnamen und Suffix umgeben von

Bindestrichen angegeben (z.B. (Z)-But-2-en)

Geometrie der Doppelbindung: Konfiguration wird mit E (entgegen) oder Z (zusammen) in Klammern vor

dem Präfix angegeben (z.B. (Z)-But-2-en oder (E)-But-2-en). Ausschlaggebend

sind die Substituenten mit der höchsten CIP Priorität (CIP = Cahn-Ingold-

Prelog-Konvention)

Beispiele:

(Z)-But-2-en (E)-But-2-en

Substituenten: Der Substitutionsgrad wird mit mono-, di-, tri- und tetrasubstituiert benannt

215. Alkene

Nomenklatur: bei cyclischen Alkenen (CnH2n–2) wird vor den Stammnamen

die Silbe Cyclo- gesetzt (Bsp.: Cyclohexen)

Struktureigenschaften:

Rotation um C–C Doppelbindung nicht möglich (warum?)Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Alkane#Nomenklatur

Definition:




5. Alkene: Definition und Eigenschaften

225. Alkene

Heterogen:

Anwendung: z.B. Hydrierung von ungesättigten ( = doppelbindungshaltigen) Ölen zur Darstellung fester

Fette (sog. Fetthärtung durch Erhöhung des Smp.)

Katalysatoroberfläche

Allgemein:

Unter Hydrierung wird die Addition von Wasserstoff (H2) an Mehrfachbindungen verstanden. Hierbei handelt

es sich um eine Reduktionsreaktion.

5. Alkene: Hydrierung von Alkenen

Reaktion:

Mechanismus:

Selektivität: Grund:

Reaktion:

235. Alkene

Allgemein:

Hydrohalogenierung ist die elektrophile Addition von Halogenwasserstoff (HX) an Mehrfachbindungen.

5. Alkene: Hydrohalogenierung von Alkenen

Grund:

245. Alkene

Elektrostatische Potenzialkarte

(blau = positive Ladungsdichte; rot = negative Ladungsdichte)

Stabilität von Carbeniumionen:

Die Stabilität von Carbeniumionen (Carbokationen mit Elektronensextett) nimmt mit steigender Anzahl an

Alkylsubstituenten zu


Grund:

255. Alkene

Elektrostatische Potenzialkarte

(blau = positive Ladungsdichte; rot = negative Ladungsdichte)

Stabilität von Carbeniumionen:

Die Stabilität von Carbeniumionen (Carbokationen mit Elektronensextett) nimmt mit steigender Anzahl an

Alkylsubstituenten zu


Markownikow-Regel:

Bei der Addition von Halogenwasserstoff

an unsymmetrische Alkene wird das

Proton immer an das bereits wasserstoff-

reichere Kohlenstoffatom gebunden

265. Alkene

5. Alkene: Hydratisierung von AlkenenAllgemein:

Hydratisierung ist die elektrophile Addition von Wasser (H2O) an Mehrfachbindungen.

Reaktion:

Mechanismus:

Selektivität: vgl. Hydrohalogenierungen Grund: vgl. Hydrohalogenierungen

275. Alkene

5. Alkene: Dihalogenierung von AlkenenAllgemein:

Dihalogenierung ist die elektrophile Addition von (Inter)Halogenen (X2 oder X1-X2) an Mehrfachbindungen.

Hierbei handelt es sich um eine Oxidationsreaktion.

Reaktion:

Mechanismus:

Eigenschaften: Reaktion ist stereospezifisch!

Stereospezifität:

s*(C–Br)-Orbital

führt zu und führt zu

und nicht zu

285. Alkene

5. Alkene: Dihalogenierung von AlkenenAllgemein:

Dihalogenierung ist die elektrophile Addition von (Inter)Halogenen (X2 oder X1-X2) an Mehrfachbindungen.

Hierbei handelt es sich um eine Oxidationsreaktion.

295. Alkene

5. Alkene: Stabilität von AlkenenBeobachtung:

• In einem katalytisch herbeigeführten Gleichgewicht bei Raumtemperatur liegen (E)- und (Z)-But-2-en in

einem Verhältnis von ca. 76:24 vor. Folglich ist die E-Konfiguration energetisch günstiger (DG = –2.86

kJ/mol).

• Bei der Hydrierung von E- und Z-But-2-en wird beim E-Isomer ca. 5 kJ/mol weniger Energie freigesetzt

Isomerisierung

Hydrierungsenergie

305. Alkene

5. Alkene: Stabilität von AlkenenGrund:

sterische AbstoßungJe größer die freiwerdende Energie, desto

weniger stabil ist der Ausgangsstoff (Edukt)

im Vergleich zum Produkt

Hydrierungsenthalpien:

Alken:

DH° [kJ/mol]:

Substitutionsgrad: mono- disubstituiert tri- tetra-

substituiert substituiert substituiert

Trend: mit zunehmendem Substitutionsgrad nimmt die Stabilität der Alkene zu!

Grund?

315. Alkene

5. Alkene: Stabilität von Alkenen

325. Alkene

5. Alkene: Stabilität von AlkenenHydrierungsenthalpien:

Alken:

DH° [kJ/mol]:

Substitutionsgrad: mono- disubstituiert tri- tetra-

substituiert substituiert substituiert

Trend: mit zunehmendem Substitutionsgrad nimmt die Stabilität der Alkene zu!

Grund:Hyperkonjugation zwischen unbesetztem

π*-Orbital und der (besetzten) C–H s-Bindung

führt zu einer Stabilisierung der C–C

Doppelbindung!

Das Allylradikal:

Das Allylkation:

335. Alkene

5. Alkene: Stabilisierende Effekte von C–C π-Bindungen

• im Allylradikal liegt das ungepaarte Elektron delokalisiert

über mehrere C-Atome vor

• Delokalisierung führt zu einer Stabilisierung das Radikals

(Resonanz- oder Mesomeriestabilisierung)

• je mehr π-Orbitale mit dem p-Orbital des C-Radikals

welchselwirken, desto stabiler ist das Radikal insgesamt

• je mehr mesomere Grenzstrukturen vorliegen, desto

stabiler ist das Radikal

mesomere Grenzstrukturen

(Mesomeriepfeil ≠ Reaktionspfeil!!!)


• im Allylkation liegt die positive Ladung delokalisiert über

mehrere C-Atome vor

• Delokalisierung führt zu einer Stabilisierung das Kation

(ebenfalls Resonanz- oder Mesomeriestabilisierung)

• je mehr π-Orbitale mit dem unbesetzten p-Orbital

welchselwirken, desto stabiler ist das Kation insgesamt

• je mehr mesomere Grenzstrukturen vorliegen, desto

stabiler ist das Kation

π- und p-Orbital sind parallel

angeordnet, sodass Überlappung

(Wechselwirkung) möglich ist.

Das ungepaarte Elektron hält sich

an beiden terminalen C-Atomen

auf

Das Allylradikal:

Das Allylkation:

345. Alkene

5. Alkene: Stabilisierende Effekte von C–C π-Bindungen

Allgemeines zu mesomeren Grenzstrukturen:

• keine Grenzstruktur gibt die tatsächliche Bindungssituation

vollständig wider

• tatsächliche Struktur ist der Mittelwert aller Grenzstrukturen

• es werden weder Bindungen gebrochen noch verändern

sich die Bindungslängen oder -ordnungen


(Mesomeriepfeil ≠ Reaktionspfeil!!!)


gebogene Pfeile mit ganzer Spitze=

Elektronenpaarverschiebung

gebogene Pfeile mit halber Spitze=

Einzelelektronenverschiebung (radikalisch)

355. Alkene

5. Alkene: Mehrfach ungesättigte KohlenwasserstoffeKonjugierte und nicht konjugierte π-Systeme:

Konjugierte und nicht konjugierte Polyene in der Natur:

konjugierte Diene unkonjugiertes Dien

konjugierte π-Bindungen sind

stabiler im Vergleich zu ihren

unkonjugierten Analoga

Grund: Resonanzstabilisierung

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