Heute: Grundlagen der Organischen Chemie

“guter” Alkohol, unbekannter Autor @ CC BY-SA 3.0 DE

“schlechter” Alkohol, unbekannter Autor @ CC BY-SA 3.0 DE

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

Schematische Darstellung eines Polarimeters, von Kaidor @ CC BY-SA 3.0 DE

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