Skript Allgemeine Chemie I (OC)

148 Pages·2009·1.65 MB·German

HS 2011

Allgemeine Chemie I
Organische Chemie

Einführung in die organische Chemie
Klassische Strukturlehre, Stereochemie, die chemische
Bindung, Symmetrielehre, organische Thermochemie,
Konformationsanalyse.

Prof. Dr. Peter Chen
Dr. Andreas Bach
2 Skript AC-OC I

Vorlesung:

Freitag, 7.45 – 9.30 HCI G3

Übungsstunden:

Montag, 8.45 – 9.30 HCI D2
HCI J3
HIT F31.2
10.45 – 11.30 HIT F12
HIT F31.2
HCI J8

Freitag, 14.45 – 15.30 HCI J6

Übungsassistenten/innen:

Lukas Fritsche David Ringger
[email protected] HCI G220
Tel.: [phone]
[email protected]

Nicolas Bennett Felicitas Flohr
[email protected] [email protected]

Florian Krausbeck Raffael Huber
[email protected] [email protected]

Michael Lerch
[email protected]
K 1:
APITEL
E
INFÜHRUNG

In diesem Kapitel werden folgende Themen behandelt:
1.1. Organische Chemie
1.2. Zielsetzung der Vorlesung

Entdeckung des Elements Phosphor durch Hennig Brand 1669
4 Skript AC-OC I

1.1. Organische Chemie

Die organische Chemie beschäftigt sich mit den Beziehungen zwischen Struktur, Funktion und
Reaktivität von kohlenstoffhaltigen Verbindungen. Diese Verbindungen bestehen aus einem
Grundgerüst aus C- und H-Atomen (Ketten, Ringe oder Netzwerke) an dem weitere Elemente wie
z. B. O, N, S, P, F, Cl, Br, I, usw. gebunden sein können. Die praktisch unendliche Zahl von
möglichen Kombinationen dieser Elemente führt zu einer Vielzahl von organischen
Verbindungen. Dies beinhaltet z. B. alle Plastike, natürliche und synthetische Fibern (Wolle,
Baumwolle, Nylon, ...), die meisten Farbstoffe, Heilmitteln, Pestizide, Aromen, Parfums sowie alle
petrochemische Produkte (Benzin, Diesel, ...). Weiter bestehen Nahrungsmittel meistens aus
organischen Komponenten wie Kohlenhydraten, Fette, Proteine und Vitamine. Diese Beispiele
erläutern, wie verbreitet organische Moleküle in unserem alltäglichen Leben sind.
Der Name "Organische Chemie" bezieht sich auf lebende Organismen. In der Tat waren Pflanzen
und Tiere während vieler Jahrzehnte die einzige Quelle von organischen Verbindungen. Heutzutage
werden sie meistens ausgehend von Erdöl oder anorganischen Verbindungen synthetisiert. Im März
2003 waren 8.6 Millionen organische Verbindungen bekannt.

Die erste Synthese eines organischen Molekül wurde 1828 durch Friedrich Wöhler publiziert. Er
stellte Harnstoff aus Ammoniak und Knallsäure her:

NH + NCOH  H NCONH
3 2 2

1845 synthetisierte Hermann Kolbe Essigsäure durch Elektrolyse aus C, FeS und Cl :
2 2

C FeS2 CS Cl2 CCl heisses C Cl
2 4 2 4
Rohr
Licht, H O
2
–
e , H O
2
H CCOOH Cl CCO H
3 3 2

Seitdem wurde eine Vielzahl von Methoden entdeckt, die organische Verbindungen ineinander
umwandeln. Die Kenntnis dieser Verfahren ist das Ziel der späteren organisch-chemischen
Vorlesungen.

Die Struktur einer organischen Verbindung ist essentiell für das Verständnis seiner Eigenschaften,
wie z. B. seine Farbe, sein Geschmack, sein Geruch, seine biologische Aktivität, seine Reaktivität
usw. Um die Wichtigkeit, die Struktur der Verbindungen zu kennen, können die Perkin-Geschichte
und die Herstellung von Vanillin sehr nützlich sein.

1.2. Zielsetzung der Vorlesung

Im Rahmen dieser Vorlesung werden wir uns mit der Struktur von organischen Verbindungen
beschäftigen. Wir werden verschiedene Modelle diskutieren, die während der Zeit vorgeschlagen
wurden, um die experimentellen Beobachtungen zu erklären.
Während dieser Vorlesung werden, nach der Einführung der klassischen Konzepte der
Strukturlehre, die Grundlagen des aktuellsten Molekularmodells besprochen. In der Folge werden
Skript AC-OC I 5

die energetischen Aspekte von Molekülen erklärt. Der physikalische Gesichtspunkt von
Umwandlungen zwischen chemischen Verbindungen wird am Ende diskutiert.

In diesem Skript wird die Energieeinheit Kalorie (cal) verwendet, da sie in der organischen Chemie
weit verbreitet ist, obwohl sie vom Internationalen System nicht empfohlen wird. 1 cal = 4.184 J =
2.61·1019 eV.

Dieses Skript ist als Hilfsmittel zur Erleichterung des Verständnisses der Vorlesung gedacht. Die
wichtigen Konzepte, die bekannt sein müssen, sind hier enthalten. Zusatzmaterial und Beispiele
sind im Anhang „Beispiele, Bemerkungen und Vertiefungen zum Skript AC-OC I“ enthalten und
können durch Links abgerufen werden. Weiter können aufgrund der limitierten Zeit einige
Beispiele und Teilkapitel nicht besprochen werden. Einige Themen, wie z. B. die Nomenklatur und
die Symmetrielehre werden ausschliesslich in den Übungen besprochen.
Es ist daher empfohlen, immer den Vorlesungs- und Übungsstunden zu folgen und sich nicht nur
auf dieses Skript zu stützen.

Als Prüfungsstoff dienen alle Themen, die in der Vorlesung und den Übungen behandelt
werden.
6 Skript AC-OC I

K 2:
APITEL
N
OMENKLATUR

In diesem Kapitel werden folgende Themen behandelt:
2.1. Terminologie
2.2. Kohlenwasserstoffe
2.2.1. Gesättigte offenkettige Kohlenwasserstoffe
2.2.2. Ungesättigte offenkettige Kohlenwasserstoffe
2.2.3. Monozyklische Kohlenwasserstoffe
2.2.4. Verbrückte polyzyklische Kohlenwasserstoffe
2.2.5. Kondensierte polyzyklische Kohlenwasserstoffringe
2.2.6. Spirokohlenwasserstoffe
2.2.7. Einfach- oder doppelbindungsverknüpfte Kohlenwasserstoffringe
2.3. Heterocyclen
2.3.1. Trivialnamen
2.3.2. Austauschnomenklatur
2.3.3. Hantzsch-Widman-System
2.4. Funktionelle Derivate der Kohlenwasserstoffe
2.4.1. Substitutive Nomenklatur
2.4.2. Funktionsklassennamen
2.4.3. Bestimmung der Hauptkette funktionalisierter Verbindungen
2.5. Exemplifizierung der Nomenklatur funktionalisierter Verbindungen
2.5.1. Kationen
2.5.2. Carbon- und Sulfonsäuren
2.5.3. Carbonsäurederivate
2.5.4. Sulfonsäurederivate
2.5.5. Aldehyde und Thioaldehyde
2.5.6. Ketone und Derivate
2.5.7. Alkohole, Phenole, Thiole und Derivate
2.5.8. Amine, Hydroxylamine und Imine
2.5.9. Ether, Epoxide, Sulfide, Sulfoxide und Sulfone
2.5.10. Halogenide
2.5.11. Azide, Isocyanide, Nitroso- und Nitroverbindungen
Skript AC-OC I 7

Ziel dieses Kapitels ist die kompakte Darstellung der grundlegenden Prinzipien der organisch-
chemischen Nomenklatur. Dabei wird bewusst auf allzu komplizierte und spitzfindige Beispiele
sowie die ausführliche Behandlung der entsprechenden Regeln verzichtet. Wichtig ist im Rahmen
dieser Vorlesung vielmehr die Schulung des Vermögens, Strukturelemente zu erkennen, zu
benennen und zu einem Ganzen zusammenzufügen. Ist dieses Ziel erreicht, wird man in
komplizierten praktischen Fällen schnell anhand der erforderlichen Regeln den korrekten Namen
für eine Verbindung konstruieren, bzw. aus diesem die Struktur eines Moleküls ableiten können.
Als praktische Orientierungshilfe für die im Rahmen dieser Vorlesung erforderlichen Kenntnisse
dienen in erster Linie die Übungsaufgaben. Von Bedeutung sind vor allem die rationellen
Verbindungsnamen. Die Trivialnamen, die sehr wichtig sind und bekannt sein müssen, sind explizit
im Text enthalten. Die vollständigen Listen dienen nur als Hilfsmittel für eventuelle zukünftige
Nomenklaturprobleme und müssen nicht gelernt werden.
Die Welt der Nomenklatur ist ständig im Wandel und man muss immer berücksichtigen, dass in
einigen Fällen, wie z. B. bei Chemical Abstract, die benutzte Nomenklatur leicht verschieden sein
kann (siehe z. B. Handbuch für die systematische Nomenklatur der organischen Chemie,
metallorganischen Chemie und Koordinationschemie). In diesem Teil des Skriptes werden nur die
wichtigsten Nomenklaturregeln gemäss der IUPAC Empfehlungen 1993 aufgelistet.

2.1. Terminologie

Zum bessern Verständnis der folgenden Ausführungen werden an dieser Stelle einige Definitionen
von häufig benutzten Begriffen aufgelistet.

Trivialnamen und systematische (oder rationelle) Namen
Trivialnamen sind individuelle Namen einzelner Verbindungen, die keine systematische Beziehung
zu deren Struktur haben. Diesem Nachteil steht die Einfachheit gegenüber, die vor allem beim
Benennen von grossen, komplexen Molekülen geschätzt wird. Systematische Namen setzen sich
dagegen aus speziellen Silben für Stammnamen und Affixe, aus den Namen der Substituenten
sowie aus Positionsangaben zusammen. Aus diesen Informationen kann man die chemische
Struktur der Verbindungen abzuleiten. Ein Nachteil systematischer Namen ist, dass bei grossen
Molekülen rasch sehr kompliziert werden können. Beispiele.

Stammverbindungen
Sehr oft kann man sich vorstellen, dass einige Verbindungen aus wenigen Stammverbindungen
durch Ersetzen von H-Atomen durch andere Atome oder Atomgruppen abgeleitet werden können.
Der Name der Stammverbindung ist deshalb die Basis (Stammname), auf die der Name der
tatsächlichen Verbindung aufgebaut wird. Z. B. darf CH F als Derivat der Stammverbindung CH
3 4
(Methan) betrachtet werden und wird deshalb Fluormethan genannt.

Substituenten
Als Substituenten bezeichnet man Atome oder Atomgruppen, die H-Atome der Stammverbindung
ersetzen. In CH F ist das F-Atom der Substituent. In Abhängigkeit von der Zahl der Bindungen, die
3
den Substituenten an die Stammverbindung binden, kann er einwertig, zweiwertig, usw. sein.

Reste
Reste sind über ein Kohlenstoffatom gebundene Substituenten. Sie können selbst wiederum
substituiert sein und werden oft mit R abgekürzt.
8 Skript AC-OC I

Funktionelle Gruppe (oder charakteristische Gruppe)
Atomgruppen, die Heteroatome (Atome, die nicht C oder H sind) enthalten und häufig in
organischen Verbindungen vorkommen, werden als funktionelle Gruppe bezeichnet. Sie verleihen
einer Verbindung ihre charakteristischen Eigenschaften, darunter insbesondere ihre chemische
Reaktivität. Beispiele funktioneller Gruppen sind –OH für Alkohole oder –Br für Bromide.

Lokanten
Zur Lokalisierung von Substituenten, Bindungen und Verknüpfungsstellen innerhalb einer Struktur
benutzt man Zahlen, Buchstaben oder Präfixe, die man als Lokanten bezeichnet.

Affixe, Präfixe und Suffixe
Affixe sind definierte Silben, die zur Beschreibung von charakteristischen Strukturmerkmalen
benutzt werden. Man unterschiedet zwischen Präfixen (Vorsilben) und Suffixen (Nachsilben). Z. B.
bezeichnet das Suffix –al Aldehyde, während das Präfix cyclo- typisch für cyclische Verbindungen
ist.

2.2. Kohlenwasserstoffe

2.2.1. Gesättigte offenkettige Kohlenwasserstoffe

Lineare Alkane
Die gesättigten Kohlenwasserstoffe gehören zur Klasse der Alkane (oder Paraffine). Die ersten vier
unverzweigten Alkane besitzen Halbtrivialnamen (Trivialteil + Suffix -an), während die höheren
durch systematische Namen (griechisches oder lateinisches Zahlwort + Suffix -an) benannt werden.

CH Methan H C-(CH ) -CH Hexan
4 3 2 4 3
H C-CH Ethan H C-(CH ) -CH Heptan
3 3 3 2 5 3
H C-CH -CH Propan H C-(CH ) -CH Octan
3 2 3 3 2 6 3
H C-CH -CH -CH Butan H C-(CH ) -CH Nonan
3 2 2 3 3 2 7 3
H C-(CH ) -CH Pentan H C-(CH ) -CH Decan
3 2 3 3 3 2 8 3

Zur besonderen Hervorhebung der Tatsache, dass ein Alkan unverzweigt ist, wird es oft als n-
Alkan (z. B. n-Octan oder n-C H ) bezeichnet. Der Name von n-Alkanen mit mehr als zehn C-
8 18
Atomen wird aus zwei Teilen gebildet: ein Präfix stellt den Einer dar, während der Zehner durch
den zweiten Teil wiedergegeben ist (vgl. auch die deutsche Schreibweise von Nummern).

Einer Zehner
1 hen- 10 Decan
2 do- 20 Cosan
3 tri- 30 Triacontan
4 tetra- 40 Tetracontan
5 penta- 50 Pentacontan
6 hexa- 60 Hexacontan
7 hepta- 70 Heptacontan
8 octa- 80 Octacontan
9 nona- 90 Nonacontan
100 Hectan

Ausnahmen dieser Regel sind Undecan (n-C H ), Icosan (n-C H ) und Henicosan (n-C H ).
11 24 20 42 21 44
Skript AC-OC I 9

Die Namen der abgeleiteten einwertigen Reste werden durch Änderung des Suffixes -an durch -yl
gebildet. Beispiele. Die Reste Methyl-, Ethyl-, Propyl- und Butyl- werden sehr oft mittels Me, Et,
Pr bzw. Bu abgekürzt (z. B. CH OH = MeOH).
3

Verzweigte Alkane
Um verzweigte Alkane zu benennen, werden sie als Derivate einer Hauptkette betrachtet.
Ausgehend von der Zahl Reste, die an einem C-Atom gebunden sind, werden die Kohlenstoffatome
in primären (H CR), sekundären (H CRR'), tertiären (HCRR'R'') und quaternären Zentren
3 2
(CRR'R''R''') geteilt.
Für die Festlegung der Hauptkette von Kohlenwasserstoffen gelten die folgenden nach Priorität
geordneten Bedingungen. Die Hauptkette ist diejenige mit:

1. den meisten Mehrfachbindungen;
2. den meisten Atomen (längste Kette);
3. den meisten Doppelbindungen;
4. den meisten Seitenketten;
5. dem niedrigsten Lokantensatz für Substituenten;
6. den meisten C-Atomen in kleineren Seitenketten;
7. den am wenigsten verzweigten Seitenketten.

Die letzten zwei Bedingungen müssen nur in sehr seltenen Fällen erfüllt werden.
Die Namen der Seitenketten werden in Form der einwertigen Reste dem Namen der Hauptkette
vorangestellt.
Die Hauptkette muss dann nummeriert werden. Die Nummerierung erfolgt in der Weise, dass man
den niedrigsten Lokantensatz erhält. Zur Ermittlung desselben vergleicht man die verschiedene
Sätze miteinander. Sobald ein Unterschied gefunden wird, gilt derjenige Satz als der niedrigste, der
den kleinsten Lokanten an dieser Stelle aufweist. Z. B. der Satz 1,2,6,7,7,9,11 ist gegenüber
1,3,3,4,8,9 bevorzugt. Wenn zwei oder mehrere Seitenketten in äquivalenten Positionen sind, wird
der niedrigere Lokant für die alphabetisch niedrigere Kette gewählt.
Der Name der Hauptkette dient als Stammname. Die Namen der Seitenketten werden in
alphabetischer Reihenfolge, jeweils mit den entsprechenden Lokanten versehen, als Präfixe
vorgestellt. Die Lokanten müssen nur eingeführt werden, wenn die Position der Substituenten nicht
eindeutig ist. Die erste Buchstabe des Gesamtnamens wird im Deutschen gross geschrieben, alle
weiteren Teile müssen klein geschrieben werden. Zahlen und Buchstaben werden durch
Bindestriche voneinander getrennt, was i. A. nicht auf verschiedene Namenteile zutrifft.
Wenn dieselbe Seitekette mehrmals anwesend ist, werden die multiplikativen Präfixe di-, tri-,
tetra-, penta-, hexa-, usw. vorangestellt. Jede Seitekette erhält ihren eigenen Lokanten. Die
multiplikativen Präfixe müssen nicht für die alphabetische Aufzählung der Substituenten
berücksichtig werden. Z. B. Dimethyl- besitzt eine niedrigere Priorität als Ethyl-. Beispiele.

Wenn die Seitenketten weitere Verzweigungen besitzen, wird analog obiger Hierarchie verfahren.
Innerhalb der Seitenkette wird eine "Hauptkette" bestimmt, usw. Man muss beachten, dass die
Nummerierung immer an der Verknüpfungsstelle mit der Hauptkette beginnt. Um zu zeigen, dass es
sich bei der verzweigten Seitenkette um eine zusammengehörende Substruktur handelt, werden ihre
Namenbestandteile in eine runde Klammer gesetzt. Die Klammern werden benutzt, wenn
Untereinheiten wiederum aus Einzelbestandteilen aufgebaut sind. Wenn komplexe Hierarchien
weitere Klammern erforderlich machen, muss man die Untereinheiten mit eckigen und weiter
geschweiften Klammer umhüllen. Wenn noch weitere Klammern nötig sind, beginnt man wiederum
mit runden Klammer, usw.
10 Skript AC-OC I

Verzweigte Untereinheiten besitzen eigene multiplikative Präfixe: Es wird bis-, tris-, tetrakis-,
pentakis-, hexakis-, usw. mitverwendet. Sie werden der entsprechenden Klammer ohne Bindestrich
vorangestellt. Obwohl die multiplikativen Präfixe bei der alphabetischen Ordnung in der Regel
nicht mitgezählt werden, ist bei zusammengesetzten Substituenten der erste Buchstabe massgebend,
auch wenn er ein Zahlwort ist. Beispiele.

Einige verzweigte Alkane und Reste behalten Trivialnamen bei. Daraus werden einige Reste durch
spezielle Präfixe abgeleitet. Die Beispiele, die bekannt sein müssen, sind hier gegeben:

~ ~ ~ ~
Isopropyl- Isobutyl- sec-Butyl- tert-Butyl-

Im Gegensatz zu den Präfixen iso- und neo-, müssen sec- und tert- nicht bei der alphabetischen
Aufstellung berücksichtig werden, sie sind aber immer kursiv geschrieben. Isopropyl-, Isobutyl-
und tert-Butyl- werden oft mittels iPr, iBu und tBu abgekürzt. Beispiele.

2.2.2. Ungesättigte offenkettige Kohlenwasserstoffe

Die ungesättigte Kohlenwasserstoffe werden nach Alkenen (eine oder mehrere Doppelbindungen)
und Alkinen (eine oder mehrere Dreifachbindungen) unterschieden. Die Endung -an der gesättigten
Ketten wird durch das Suffix -en bzw. -in ersetzt. Wenn eine Verbindung mehrere Doppel- oder
Dreifachbindungen besitzt, werden die Endungen -adien, -atrien, ... bzw. -adiin, -atriin, ...
verwendet. Die Doppelbindungen besitzen eine höhere Priorität bezüglich der Dreifachbindungen
und werden immer zuerst geschrieben. Die Lage der ungesättigten Bindungen wird in Form eines
Lokanten des ersten an der Mehrfachbindung beteiligten C-Atoms angegeben und dem
entsprechenden Suffix vorangestellt.
Für die Bezifferung einer ungesättigten Hauptketten gelten die Regeln des Kapitels 2.2.1. Bei der
Zusammensetzung des Gesamtnamens geht man wie bei den Alkanen vor. Die Seitenketten werden
durch Anhängen der Endsilbe -yl gebildet und ausgehend von der Verknüpfungsstelle mit der
Hauptkette beziffert. Beispiele.
Einige Alkene und Alkine sowie einige Reste behalten Trivialnamen bei (vollständige Liste):

Kohlenwasserstoffe:
C Allen (Propadien)
Acetylen (Ethin)
Reste:
~ Vinyl- (Ethenyl-)
Allyl- (Prop-2-enyl-)
~

Die Benützung von Ethylen statt Ethen ist nicht mehr erlaubt.

Neben einwertigen Resten existieren auch zwei-, drei- und mehrwertige Substituenten.