Vorkurs Chemie für Studierende der Fakultät für Chemie und Pharmazie - 6. Slideset - Organische Chemie

Daniel Bellinger

12.04.2019

Heute: Grundlagen der Organischen Chemie

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

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

Heute: Grundlagen der OC

Historisch

Chinin in a “bottle”
Chinin in a “bottle”

Begegnungen einer ganzen Vielfalt

…an Stoffen morgens nach dem Aufstehen

ein Ausschnitt aus den Inhaltsstoffen eines handelsüblichen Shampoos
ein Ausschnitt aus den Inhaltsstoffen eines handelsüblichen Shampoos

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

Racemisierung von Thalidomid
Racemisierung von 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
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

Diastereomere chiral/achiral

Struktur von Zuckern

Zucker-Übersicht Wikipedia

Hexosen
Hexosen

Fischer Projektion

Beispiel D-Ribose

  • Wie genau?
  • R,S bestimmen
  • Wie viele Möglichkeiten gibt es?

Reaktionstypen

Substitutionen

Eliminierungen

Umlagerungen

Additionen

Radikalische Polymerisation

Was ist ein Radikal?

Ein Radikal entsteht bei einem homolytischen Bindungsbruch - und was heißt das genau?

Wie leicht entsteht ein Radikal?

  • …das hängt von der Bindungsstärke und der Umgebung ab
  • bei Temperaturen von über 200°C werden die meisten Bindungen gebrochen
  • manche schwächere aber schon bei 60-70°C
  • oder auch durch Licht

eine Radikal ist sehr reaktiv

Radikalstarter

AIBN (Azoisbutyronitril)

Radikalbildung durch Homolyse einer schwachen Bindung

weitere Radikalbildungsmöglichkeiten

Abstraktion

Eliminierung

Elektronenübertragung (Reduktion)

Radikalische Polymerisation von PVC

Radikalische Polymerisation von PVC, by Moriac87 @ CC BY-SA 4.0 INT
Radikalische Polymerisation von PVC, by Moriac87 @ CC BY-SA 4.0 INT

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