Organische Experimentalchemie - thomas.chemie.uni ... 5 -OC-Ex.-Chem_SoSe_2018.pdf · Aufgabe: 4. tDurch die Reaktion von tert-Butylchlorid (BuCl) und Aluminiumtrichlorid (AlCl 3)

Dr. Franziska Thomas ([email protected])

Georg-August-Universität Göttingen

SoSe 2017

Veranstaltungsnummer: 15 133 30200

Organische Experimentalchemie

Für Studierende der Humanmedizin, Zahnmedizin und Biologie

(Lehramt)

Marburg, 11. Mai 2017

Aufgabe:

1. Benennen Sie die folgenden aromatischen Verbindungen unter Verwendung des systematischen Namens

und, wenn gegeben, des Trivialnamens.

2 7. Aromatische Kohlenwasserstoffe

Übung zu Woche 4:

Aufgabe:

2. Zeichnen Sie die Strukturen von a) 1-Brom-2,3-dimethylbenzol, b) 4-Nitrophenol, c) 3-Chlor-4-

methylbenzoesäure, d) m-Isopropyl-benzoesäure.


1-Brom-2,3-dimethylbenzol 4-Nitrophenol oder

p-Nitrophenol

3-Clor-4-methylbenzoesäure

m-Isopropylbenzoesäure oder

3-Isopropylbenzoesäure

Übung zu Woche 4:

Aufgabe:

3. Welche der gezeigten Moleküle sind aromatisch? Begründen Sie warum.


nicht aromatisch •4n+2 erfüllt aber nicht alle C-Atome sp2-hybridisiert

•nicht planar

aromatisch •4n+2 erfüllt •alle C-Atome sp2-hybridisiert

•planar

aromatisch •Elektronensextett durch Heteroatom

•planar •sp2-Hybridisierung

aromatisch •Elektronensextett im Carbanion

•planar •sp2-Hybridisierung

nicht aromatisch •4n+2 nicht erfüllt •nicht alle C-Atome sp2-hybridisiert

•nicht planar

Übung zu Woche 4:

Aufgabe:

4. Durch die Reaktion von tert-Butylchlorid (tBuCl) und Aluminiumtrichlorid (AlCl3) wird ein kationisches

Intermediat (Carbokation) erzeugt, das mit Benzol reagieren kann. Wie sieht dieses Kation aus? Bitte

schlagen Sie anhand Ihrer Kenntnisse über die elektrophile Bromierung und Nitrierung von Benzol einen

Mechanismus vor, nach welchem Benzol mit dem entsprechenden Carbokation zu einem neuen Produkt

reagiert.


AlCl3 fungiert als Lewis-Säure

Friedel-Crafts Alkylierung

Übung zu Woche 4:

Aufgabe:

5. Bitte sagen Sie das Produkt der unten aufgeführten Reaktion vorher. Nehmen Sie dazu an, dass der

Reaktionsmechanismus ähnlich zu dem ist, den Sie in der Aufgabe 1 formuliert haben.


Übung zu Woche 4:

Aufgabe:

6. Markieren Sie an den folgenden aromatischen Molekülen die Substituenten, die a) einen +M-Effekt, b) einen

+I-Effekt, c) einen –I-Effekt und d) einen –M-Effekt ausüben.


Übung zu Woche 4:

Aufgabe:

7. Halogensubstituenten sind stark elektronenziehend, dirigieren in einer elektrophilen aromatischen

Substitutionsreaktion aber trotzdem in die ortho- und para-Positionen. Wie erklären Sie diesen Effekt?

Warum dirigiert Fluor hauptsächlich in die para-Position?

8

Übung zu Woche 4:

7. Aromatische Kohlenwasserstoffe

9

Fazit der Woche 4: Alkine und Aromaten

Struktur und Nomenklatur der Alkine: Struktur, Nomenklatur und Reaktivität der Aromaten:

≡

Dirigierende Effekte bei SEAr Reaktionen:

Elektrophile Substitution am Aromaten (SEAr):

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8. Thermodynamik: Stabilität und Energieniveaus

8. Thermodynamik und Kinetik chemischer Reaktionen

Rotation um die Amidbindung:

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

partieller Doppelbindungscharakter durch Delokalisierung

‘

‘

11





partieller Doppelbindungscharakter durch Delokalisierung

wenn die Reste am N-Atom (hier H)

gleich sind, dann liegt ein 50:50 Gemisch im Gleichgewicht vor

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Fazit: Die relativen Energien der beiden Amid-

Konformere hängt von der Beschaffenheit (z.B.

Größe) der Reste R und R‘ ab!

‘

‘ DG = –R ∙ T ∙ ln K

[Amid mit trans-ständigen Resten]

[Amid mit cis-ständigen Resten]

K = Gleichgewichtskonstante

• wenn R und R‘ groß sind, ist K sehr groß

K =

DG = Gibbs Energie (auch freie Enthalpie)

R = Gaskonstante (8.314 J ∙ K–1∙ mol–1)

T = Temperatur (in Kelvin!)

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Fazit: Die relativen Energien der beiden Amid-

Konformere hängt von der Beschaffenheit (z.B.

Größe) der Reste R und R‘ ab!

DG = –R ∙ T ∙ ln K

[Amid mit trans-ständigen Resten]

[Amid mit cis-ständigen Resten]

K = Gleichgewichtskonstante

• wenn R und R‘ groß sind, ist K sehr groß

K =


R = Gaskonstante (8.314 J ∙ K–1∙ mol–1)


DG = DH – T ∙ DS


DH = Enthalpieänderung (Wärmemenge)

DS = Entropieänderung (Änderung des

(Un)Ordnungszustands eines Systems)


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8. Thermodynamik: Hydratisierung eines Aldehyds


Beispiel:


Beobachtung: K = [Hydrat] / [Aldehyd] = 0.5

DG = –R ∙ T ∙ ln K

also

DG = –8.314 J ∙ K–1 ∙ mol–1∙ 298 K ∙ ln 0.5

DG = +1.72 kJ ∙ mol–1

Fazit: Das Hydrat ist um ca. 1.72 kJ ∙ mol–1

energiereicher (weniger stabil) als der Aldehyd

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8. Thermodynamik: Hydratisierung eines Aldehyds


Beispiel:


Beobachtung: K = [Hydrat] / [Aldehyd] = 0.5

DG = –R ∙ T ∙ ln K

also

DG = –8.314 J ∙ K–1 ∙ mol–1∙ 298 K ∙ ln 0.5

DG = +1.72 kJ ∙ mol–1

Merke:

• wenn DG negativ ist, liegt das Gleichgewicht auf Seiten der

Produkte (exergone Reaktion)

• wenn DG positiv ist, liegt das Gleichgewicht auf Seiten der

Ausgangsstoffe (Edukte) (endergone Reaktion)

• wenn DG = 0 ist, dann ist K = 1

Fazit: Das Hydrat ist um ca. 1.72 kJ ∙ mol–1

energiereicher (weniger stabil) als der Aldehyd

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8. Thermodynamik: DG und die Gleichgewichtskonstante K


Zusammenhang zwischen DG, K und Gleichgewichtszusammensetzung:


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8. Thermodynamik: DG und die Gleichgewichtskonstante K


Die Veresterung:


Beobachtung:

Veränderung:

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8. Kinetik: Das Konzept der Aktivierungsenergie DG⧧


Die Verbrennung von Isooctan:

Isooctan

(Bestandteil des Benzins)

DG = –1000 kJ ∙ mol–1, folglich ist K = 10175


Produkte stark begünstigt!

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Isooctan





20




Isooctan



Fazit:

• Die Thermodynamik betrachtet das Gleichgewicht einer

Reaktion

• Die Kinetik betrachtet die Geschwindigkeit einer Reaktion

• Ein Benzin/Sauerstoff-Gemisch ist thermodynamisch

instabil

• Das gleiche Gemisch ist jedoch kinetisch stabil



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8. Kinetik: Der Übergangszustand


Reduktion eines Ketons:


DG⧧ = Aktivierungsenergie

DG° = Freie Enthalpie

Obwohl das Produkt stabiler (energetisch

günstiger) ist als das Edukt, muss die Reaktion

erwärmt werden, damit sie erfolgen kann!

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8. Kinetik: DG⧧ und die Reaktionsgeschwindigkeit




(geschwindigkeitsbestimmender Schritt hat

die höchste Aktivierungsenergie)

Protonentransfer ist vergleichsweise

schnell (kleinere Aktivierungsenergie)

Zwischenstufe (Intermediat)

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Reaktionsgeschwindigkeit = k ∙ [A] ∙ [B]

(für eine Reaktion 2. Ordnung)

k = Geschwindigkeitskonstante

[A] = Konzentration an Verbindung A

[B] = Konzentration an Verbindung B


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Reaktionsgeschwindigkeit = k ∙ [A] ∙ [B]

(für eine Reaktion 2. Ordnung)

k = Geschwindigkeitskonstante

[A] = Konzentration an Verbindung A

[B] = Konzentration an Verbindung B


Die Arrhenius-Gleichung:

k = A ∙ e–Ea/(R ∙ T), wobei gilt

Ea = Aktivierungsenergie (also DG⧧)

A = präexponentieller Faktor

R = Gaskonstante

T = Temperatur [Kelvin]

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8. Kinetik: Die Rolle eines Katalysators


Das Prinzip: Ein Beispiel:


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8. Kinetik: Die Rolle eines Katalysators


Das Fazit: Ein Beispiel: • ein Katalysator beschleunigt eine gegebene Reaktion

durch Absenken der Aktivierungsenergie DG⧧

• ein Katalysator verändert nicht die Gleichgewichtslage

(also DG° wird nicht beeinflusst)

• ein Katalysator wird in der Reaktion nicht verbraucht!


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