Orbitale & Kovalente Bindung

Orbitale & Kovalente Bindung

• Ursprünglich wurden Stoffe aus belebter Materie (Tiere, Pflanzen) isoliert
• Verbindungen bestehen hauptsächlich aus C, O, H und N.
• Die Chemie der Kohlenstoffverbindungen ist ein wichtiger Bereich der organischen Chemie

Aufgaben der organischen Chemie

• Reinsubstanzen aus Naturstoffen zu isolieren.
• Substanzen durch Reinigung zu isolieren.
• Verbindungen werden synthetisch hergestellt, indem kleine Moleküle zu großen, komplexen verknüpft werden
• Die Struktur und Reaktionsmechanismen von Verbindungen werden aufgeklärt.

Atomaufbau

• Der Atomkern besteht aus Protonen (positiv geladen) und Neutronen (neutral, ohne Ladung).
• Der Kern macht den größten Teil der Atommasse aus.
• Die Elektronenhülle enthält Elektronen.
• Die Anzahl der Elektronen entspricht der Anzahl der Protonen in einem neutralen Atom. Die Masse der Elektronen ist vernachlässigbar.
• Die Ordnungszahl/Atomzahl entspricht der Protonenanzahl.
• Die Massenzahl ist die Summe der Protonen und Neutronen.

Orbitale

• Orbitale beschreiben den Raum, in dem sich Elektronen mit einer Wahrscheinlichkeit von 90 % aufhalten und bewegen.
• Jedes Orbital kann maximal 2 Elektronen mit entgegengesetztem Spin aufnehmen (Pauli-Prinzip).
• Nur Elektronen in der äußersten Schale (s- und p-Orbitale) sind für chemische Reaktionen wichtig
• Die erste Schale (K-Schale) hat ein kugelförmiges s-Orbital und fasst maximal 2 Elektronen (1s²).
• Die zweite Schale (L-Schale) hat ein s-Orbital (2s) und drei p-Orbitale (2px, 2py, 2pz), die hantelförmig sind, und fasst maximal 8 Elektronen (2s² 2p⁶).
• Die dritte Schale (M-Schale) hat ein s-Orbital (3s), drei p-Orbitale (3p) und fünf d-Orbitale (3d) mit einer gekreuzten Doppelhantelstruktur und fasst maximal 18 Elektronen (3s² 3p⁶ 3d¹⁰); d-Orbitale sind für die organische Chemie meist unwichtig, weil sie keine Valenzelektronen haben.

Hybridisierung

• Hybridisierung erklärt, wie Atome ihre Orbitale (Elektronenwolken) umorganisieren, um Bindungen mit anderen Atomen einzugehen
• Durch das Mischen von Orbitalen entstehen neue hybridisierte Orbitale, die besser für Bindungen geeignet sind.

C-C-Einfachbindung – sp³-Hybridisierung

• Ein s-Orbital und drei p-Orbitale mischen sich zu vier sp³-Hybridorbitalen.
• s-Elektronen sind als Elektronenpaare vorhanden und nicht für Bindungen verfügbar.
• p-Elektronen sind frei für Bindungen verfügbar.
• Kohlenstoff ist vierbindig und Valenzelektronen reorganisieren sich

Räumliche Anordnung

• Die tetraedrische Anordnung der vier sp³-Hybridorbitale sorgt dafür, dass diese möglichst weit voneinander entfernt sind.
• Der Bindungswinkel beträgt 109,5°.
• C-H-Bindungen sind sehr stark und entstehen durch Überlappung eines sp³-Orbitals mit einem s-Orbital.
• Die Bindungslänge beträgt 0,110 nm, die Bindungsdissoziationsenergie 105 kcal/mol.
• C-C-Einfachbindungen entstehen, wenn ein sp³-Atom eines C-Atoms mit einem sp³-Atom eines anderen C-Atoms überlappt.
• Dadurch entsteht eine σ-Bindung. Die Rotation um diese σ-Bindung ist möglich (Rotamere).
• Die Bindungslänge beträgt 0,154 nm, die Bindungsdissoziationsenergie 88 kcal/mol.
• Ketten entstehen, weil jedes C-Atom sich nach den Ecken eines Tetraeders ausrichtet.
• Ringe entstehen, weil jedes C-Atom tetraedrisch von anderen Atomen umgeben ist.

Doppelbindung – sp²-Hybridisierung

• Hybridisierung durch ein 2s-Orbitals mit zwei der p-Orbitale -> 3 sp²-Hybridorbitale
• Die übrig gebliebenen p-Orbitale stehen senkrecht zur Ebene und überlappen senkrecht mit p-Orbitalen eines zweiten C-Atoms oberhalb und unterhalb der Molekülebene -> π-Bindung.
• Ein sp²-Orbital eines C-Atoms überlappt mit einem sp²-Orbital eines anderen C-Atoms -> σ-Bindung.
• Eine C-C-Doppelbindung besteht aus einer σ-Bindung und einer π-Bindung (die schwächer als die σ-Bindung ist) und befindet sich in einer Ebene.
• Der Bindungswinkel beträgt 120°, die Bindungslänge 0,133 nm, die Bindungsdissoziationsenergie 152 kcal/mol.
• Die Rotation um eine Doppelbindung ist nicht möglich, was zu cis-trans-Isomerie führt.

Einfachbindung

• Die Bindungslänge beträgt 0,107 nm, die Bindungsdissoziationsenergie 103 kcal/mol.

Dreifachbindung – sp-Hybridisierung

• Hybridisierung durch ein 2s-Orbitals mit einem der p-Orbitale -> 2 sp-Hybridorbitale
• Die zwei übrig gebliebenen senkrecht stehenden p-Orbitale bilden zwei π-Bindungen
• Jedes C-Atom hat zwei py-Orbitale -> erste π-Bindung und zwei pz-Orbitale -> zweite π-Bindung
• Eine Dreifachbindung besteht aus einer σ- und zwei π-Bindungen.
• Die Geometrie ist linear, der Bindungswinkel 180°, die Bindungslänge 0,120 nm, die Bindungsdissoziationsenergie 200 kcal/mol.

Einfachbindung

• Die Bindungslänge beträgt 0,106 nm, die Bindungsdissoziationsenergie 125 kcal/mol.

Kovalente Bindung

• Beteiligte Atome teilen sich Elektronenpaare/Bindungselektronen, was Moleküle stabiler macht als Einzelatome.
• Kohlenstoff hat vier Valenzelektronen und verbindet sich mit vier H-Atomen zu Methan (CH4), die Bindungsdissoziationsenergie beträgt 105 kcal/mol.
• Unpolare kovalente Bindungen sind symmetrisch, die verbundenen Atome sind identisch und es gibt keine Elektronegativitätsdifferenz (Dipolmoment = 0).
• Polare kovalente Bindungen sind asymmetrisch. Die verbundenen Atome sind unterschiedlich, ihre Elektronegativität ist unterschiedlich, was zu positiven/negativen Partialladungen führt
• Ein Dipolmoment entsteht, wenn die Elektronegativität unterschiedlich ist und das stärker elektronegativere Atom die Elektronen stärker anzieht.

Polarität

• Polarität entsteht durch unterschiedliche Elektronegativität.
• Die Elektronegativität bezieht sich auf Fluor (elektronegativstes Element), dem willkürlich der Wert 4 zugeordnet ist.
• Innerhalb einer Periode nimmt die Elektronegativität von links nach rechts zu (durch steigende Kernladung).
• Innerhalb einer Gruppe nimmt die Elektronegativivität von oben nach unten ab (durch zunehmenden Abstand Kern-Valenzelektronen).
• Elektronen schiebende Substituenten (+I-Effekt) verschieben Elektronen zum C.
• Positive induktive Effekte werden durch C-verschobene Elemente (links vom C)
• Atome, die an C gebunden sind, haben kleinere EN -> positive elektronenziehend Substituenten (-I-Effekt) haben einen negativen induktiven Effekt.
• Abgezogene E-Atome vom C-Atom.
• C erhält positive Partialladung (e- abgezogen).
• Atome, die an C gebunden sind (Substituent), erhalten negative Partialladung
• Durch Heterolytische Fragmentierung entstehen Carbokationen als Zwischenprodukt
• Sauerstoff zieht Elektronen von C ab
• Sauerstoff: Carbonylgruppe (-CO), Carboxylgruppe (-COOH), Hydroxylgruppe (-OH)
• Stickstoff: Nitrogruppe (-NO2), Aminogruppe (-NH2)
• Halogene
• Elemente rechts vom Periodensystem

Mesomerer Effekt

• Beschreibt die Fähigkeit, die Elektronendichte in einem Pi-System zu verändern
• Substituenten mit p-Orbitalen überlappen mit angrenzenden DB
• Die Substitution von Elektronen kann zu unterschiedlichen Strukturen (Resonanzstrukturen) führen und Strukturen von Molekulen bilden
• Elektronenfreisetzender Effekt (+M-Effekt): Positiver mesomerer Effekt
• Elektronenfreisetzender Effekt erhöht die Elektronendichte im pi-System.
• Ein Elektronenpaar wird unter Donorgruppen von einem Substituent mit einem freien Elektronenpaar in das System eingeschleust
• Substituenten: Halogene, OR, NR2
• Hat freies Elektronenpaar -> schiebt e- ins System. das ist Ablauf
• C hat dann zu viele -> schiebt es zu zweitem C
• Neg. Formalladung bei zweitem C + post: Bei O
• Elektronen mit elektronenziehendem Effekt (-M-Effekt): Negativer Mesomerischer Effekt
• Senkt die Elektronendichte im System des Substituenten
• Der stärkere, desto polarer ist jedoch die DB des Substituenten
• Durch das Entfernen der Elektronen wird das System negativ
• Verlauf
• En-Paar aus DB verscheibt sich zum O
• C hat dann zu wenige -> En-Paar aus DB wandert zum C
• Neg. Formalladung bei O + post: Bei C

Isomere

• Sind Verbindungen mit gleicher Summenformel und unterschiedlicher Strukturformel (gleiche Teilchenanzahl, unterschiedliche Struktur)

Stereoisomere

• Haben die gleiche Summenformel, aber unterscheiden sich räumlich
• Rotamere sind die einfachsten Isomere
• Sie werden durch die Teilverdrehung der Bindung erzeugt

Stereoisomere

• Die einfachsten Isomere
• Verdrehung von Teilstrukturen um eine δ -Bindung
• Die Gauche-Konformation ist um 60° verdreht, während sich die Anti-Konformation gegenüber liegt Die Syn-Konformation ist vertauscht
• Bei Doppelbindungen ist keine Rotation mehr möglich, wodurch 2 Möglichkeiten entstehen
• Beide auf der gleichen Seite: cis/Z
• Beide gegenüberliegend: trans/E
• Haben unterschiedliche Eigenschaften

Regeln für die Priorität von Substituenten

• Um zu entscheiden, ob cis/trans-Isomer -> Cahn-Ingold-Regel
• Die Atome, die direkt an C-Atomen DB gebunden sind -> werden nach der Atommasse bewertet
• Je höher die Reihenfolge-Nummer, desto höher die Priorität
• Sind die verbundenen Atome gleich die Nächsten bestimmen

Tautomere

• Haben das gleiche Grundgerüst
• Können sich umeinander bewegen, wenn H (Proton) wandert + eine DB verlagert wird
• Wichtig für die Bauweise für Wasseerstoffbrücken bei Nukleinbasen

Enantiomere (optische Isomere)

• Moleküle Bild und Spiegelbild und drehen sich nicht durch Deckung
• besitzten asymmetrisches C-Atom (Chiralitätszentrum)
• C-Atom mit 4 verschiedenen Substituenten
• Hände, Schuhe, Socken oder Werkzeuge für Rechts- + Linkshänder sind ein gutes Beispiel
• Racemat: mit der gleichen Menge beider Enantiomeren vorhanden
• Gleich Bindungslänge. Bindungswinkel + Energiegehalt -> aus diesem Grund gleiche physikalische + chemische Eigenschaften
• Nur in dem Punkt unterschiedlich
• Sind optisch aktiv sie drehen die Ebene des linear polarisierten Lichts
• im Uhrzeigersinn: rechtsdrehend/dextrorotatory -> + Enantiomer
• gegen Uhrzeigersinn: linksdrehend/levorotatory -> -Enantiomer
• Man misst in Polarimeter -> Information alpha = Drehwert

Formel für die Stereoisomerie

• D = Wellenlänge polarisiertem Licht
• 20 = Temperatur

Diasteromere

• Kein Bild + Spiegel.bind
• Mindestens. 2 Chiralitätszentren (R oder S konfiguriert)
• Wenn H auf linker Seite R
• Wenn H auf rechter Seite S
• Formel der Stereoisomere: 2^n ( n = Anzahl der Chiralitätszentren)
• unterschiedliche physikalische + chemische Eigenschaften

Konstitutionsisomere(Strukturisomerie)

• Gleiche Summenformel + unterschiedliche Reihenfolge der Atome + Bindungsart

LÖSUNGSMITTEL

• Können Gase, Festkörper/Flüssigkeiten kann (ohne chemische Reaktionen ) aufnehmen
• Wieder Leicht abtrennbar -> niedriger Siedepunkt (40-120°C / wird als seitlich gebunden angenommen

Formelschreibweise

• Ausgeschrieben = Strukturformel (wenn diese selten aufgeführt ist)
• Aufschreibung der Atom Anordnungsweise
• Teilweise ausgeschrieben = Konstitutionsformel (wenn häufig)
• Aufschreibung der Atom Anordnungsweise
• Kurzschreibweise = Skelettformel (wenn häufig)
• Ohne Hs

Begriffe

• Reaktion = Substanz-umwandlung
• Reaktivität = Fähigkeit einer Substanz, allein/Mit Reaktionspartnern zu reagieren
• Edukte = Ausgangsstoffe
• Produkte = Endergenis der Reaktion
• Substrat = umzusetzendes Molekül unter 2 Edukten
• Reagenz = 2 es Edukt,das zu Reaktion benötigt wird(es wird nicht isoliert )
• Elektrophiles Reagenz = „Elektronenfreund"Arm von es/ mit positiv geladen
• Nukleophiles Reagenz = „Kernfreund“ reich an Elektronen/ negativ