Vorkurs Chemie für Studierende der Fakultät für Chemie und Pharmazie - 6. Slideset - Organische Chemie
Daniel Bellinger
12.04.2019
Heute: Grundlagen der Organischen Chemie
Heute: Grundlagen der OC
Historisch
Begegnungen einer ganzen Vielfalt
…an Stoffen morgens nach dem Aufstehen
Shampoo
Kohlenstoff eines der zentralen Elemente
Was macht C so besonders?
Aber warum ist das so?
Erreichen der Edelgaskonfiguration –> …
Bor zu wenig Außenelektronen (kommt bei B-B Bindung nur auf 6)
N, O haben schon wieder zu viele (10, 12)
freie Elektronenpaare machen dann “Unfug”
für Elemente der vierten HG –> aber was ist mit Si?
Organische Chemie, aber nicht nur C
… organische Chemie von Bor, Lithium, Silicium, Zinn, Kupfer, Zink, Palladium
Strukturen zeichnen
Strukturen zeichnen 2
Bezeichnung von Kohlenstoffketten
Anzahl C-Atome
Name d. Gruppe
Formel
Abkürzung
Name des Alkan (Kette+H)
1
Methyl
\(-CH_3\)
Me
Methan
2
Ethyl
\(-CH_2CH_3\)
Et
Ethan
3
Propyl
\(-CH_2CH_2CH_3\)
Pr
Propan
4
Butyl
\(-(CH_2)_3CH_3\)
Bu
Butan
5
Pentyl
\(-(CH_2)_4CH_3\)
-
Pentan
Verwendung von Abkürzungen
gilt für endständige Ketten
zum Beispiel: \(PbEt_4\) , oder
Ringe
Benzol
und die Ringstruktur wurden Ende des 19. Jhd. beschrieben
Kekulé- und der Schlangentraum, aber auch andere hatten diese Idee: Loschmidt, Couper
Ringe in Verbindungen
Ringstrukturen und räumliche Ausrichtung
Verzweigungen
verschiedene Oxidationsstufen 1
Carbonsäure Oxidationsstufe
Aldehyd-Oxidationsstufe
Oxidationsstufen 2
Alkohol-Oxidationsstufe
Alkan-Oxidationsstufe
Kohlendioxid-Oxidationsstufe
Zusammenfassung Stoffklassen
Systematik
sehr umfangreich, siehe hier auch wiederum IUPAC…
Tafel
Reaktionen beschreiben
Beispielreaktion \(H_2O\)
HO–H
Beispielreaktion Br+Carbokation
Von Nucleophilen und Electrophilen
Das Bestimmen von Nucleophil und Electrophil ist sehr wichtig, um im nächsten Schritt den Reaktionsverlauf beschreiben zu können!
Nucleophile
“Kernliebend”
haben energiereiche besetzte MOs (HOMOs)
Electrophile
“Elektronliebend”
haben unbesetzte energiearme MOs (LUMOs)
Nucleophile
neutrale
am Häufigsten: nichtbindendes freies Elektronenpaar –> hohe Energie
Beispiele für neutrale Nuc.: Ammoniak, Amine, Wasser, Alkohole
freies Elektronenpaar in \(sp^3\)-Hybridorbitalen
Phosphine, Thiole
anionische
elektrostatische WW zu positiv geladenen Electrophilen
gewöhnlich O, S oder Halogen
Beispiele: \(OH^-\), \(Br^-\), \(CN^-\)
Nucleophile 2
ohne nichtbindendes \(e^-\)-Paar
auch bindende \(\pi\)-Elektronen können eine Rolle spielen –> nächsthöheren nach nichtbindenden
Alkene sind schwache Nucleophile
aber können auch Electrophile sein je nach Substituenten
Tafel
Electrophile
meistens postive oder neutral geladen
freies “Orbital”, wie z.B. p-Orbital von Boran
oder \(H^+\)
andere besitzen kein freies leeres Atomorbital –> vielmehr LUMOs
die Energie wird von elektronegativeren Atomen/Bindungspartnern beeinflusst –> energetisch abgesenkt (vgl. MO Schema zwischen untersch. Atomtypen)
Reaktionen beschreiben
dies geschieht mittels gebogener Reaktionspfeile \(\curvearrowright\)
diese beginnen immer an einem Elektronenpaar
Ladung bleibt erhalten
\(\pi\)-Bindungen reagieren
beim Zeichnen der Reaktion ist auch die Orientierung wichtig
man kann Pfeil auch durch Atom “zeichnen” um zu definieren an welchem Atom neue Bindung entsteht
\(\sigma\)-Bindungen als Nucleophil
hier kann auch der atomspezifische Pfeil verwendet werden
Fünfbindiger Kohlenstoff
Hier sollte aufgepasst werden!
Konfiguration & Konformation & Stereochemie
Stereochemie
Konstitutionsisomere
Verbindungen, die aus der gleichen Anzahl und des gleichen Typs Atome aufgebaut und nur auf unterschiedliche Weise verknüpft sind.
Drei Strukturformeln zu der Summenformel \(C_4H_6\):
…und weitere?
Stereoisomere
Diastereomere
sind Isomere, die sich nicht wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten
Enantiomere
sind Isomere, die sich wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten
Konformationen
eine Konformation kann ohne Bindungsbruch in eine andere überführt werden –> Rotation um Einfachbindungen (Rotamer)
Konformere sind Diastereomere
Enantiomere und Chiralität
Enantiomere sind nicht identisch sondern Spiegelbilder
eine Struktur ist chiral, wenn sie mit dem Spiegelbild nicht in Deckung gebracht werden kann
Beispiel Thalidomid
Beschreibung der Konfiguration mit R und S
Cahn-Ingold-Prelog(CIP)-Konvention
Voraussetzungen
für Kohlenstoff als Zentrum –> vier verschiedene Substituenten
Nummerieren
für die Bestimmung von R und S wird zunächst eine “Rangordnung” an Substituenten erstellt (1-4)
je höher die Ordnungszahl des Substituenten desto besser der Rang / bei gleicher OZ entscheidet der nächstgebundene usw.
Beispiel
Beschreibung der Konfiguration mit R und S
der Substituent mit dem niedrigsten Rang muss hinter der Tafelebene liegen (von uns weg)–> Molekül drehen
nun entlang der Prioritäten wandern –> im Uhrzeigersinn dann R / gegen Uhrzeigersinn dann S
Unterschiede zwischen Enantiomeren
zunächst betrachtet kein Unterschied –> gleiche Siedepunkte, Schmelzpunkte, gleiche Spektren können gemessen werden…
ABER
…einen Unterschied gibt es –> Drehung von linear polarisiertem Licht
Was ist das?
… ein Kinobesuch
…durchs Polarimeter
Kennzeichnung - Drehrichtung
Das Enantiomer welches die Polarisationsebene des Lichtes nach rechts dreht wird als (+)-Enantiomer bezeichnet. Wenn die Polarisationsebene des Lichts nach links gedreht wird dann als (-)-Enantiomer. -unabhängig von R und S, der absoluten Konfiguration
Bestimmung über Abbaureaktionen: Referenz ist hier Glycerinaldehyd
Charakterisierung über Abbauschritte –> zeitaufwändig –> Bezeichnung wird nur noch für einige bekannte Verbindungen eingesetzt
Diastereomere
Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Enantiomeren sind bis auf den Drehwert gleich –> für Diastereomere ist dies nicht der Fall. –> unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften