Organische Chemie Lernzettel PDF

Organische Chemie Einfühung in die Organische Chemie Friedrich Wöhler entdeckt künstliche Synthese von Harnstoff aus Ammoniumcyanat Nutzung heute: Synthese von Naturstoffen Zucker...

Organische Chemie Einfühung in die Organische Chemie Friedrich Wöhler entdeckt künstliche Synthese von Harnstoff aus Ammoniumcyanat Nutzung heute: Synthese von Naturstoffen Zucker Peptide Naturfarbstoffe Alkaloide Vitamine in Natur unbekannte organische Stoffe Kunststoffe Arzneistoffe Pflanzenschutzmittel Kunstfasern Kohlenstoff Chemie der Kohlenstoffverbindungen steht in der 4. Hauptgruppe daduch andere Strukturen möglich Vielzahl von Verbindungen wegen Bindungsfähigkeit möglich >10 Millionen Organische Chemie 1  C.W.Scheele: alle aus Organismen stammenden Stoffe bestehen im wesentlichen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff Bindungsformen Ionische Bindung Salzbindungen ein Atom gibt Elektronen ab, ein anderes nimmt es auf Kovalente Bindungen Elektronen werden untereinander geteilt Metallische Bindungen Aufbau von Metallen Wechselwirkungen Wasserstoffbrückenbindungen chemisch gesehen keine Bindungen stärkste Wechselbindung die es gibt zwischen Wassermolekülen O partial negativ geladen durch starke Elektronegativität zieht Elektronen von beiden H -Atomen zu sich somit H partial positiv geladen durch die partial negativ und positiven Ladungen ziehen sich die O und H -Atome verschiedener H2 O - Moleküle an ​ Organische Chemie 2  Beispiel: DNA Van-der-Waals Wechselwirkung realtiv schwache nicht-kovalente Wechselwirkungen zwischen unpolaren Molekülen Organische Chemie 3  Atome bilden kurzzeitige Dipole eine Seite stärkere negative Ladung auf als die andere unsymmetrische Ladungsverteilung je größer Molekül, des größer die Van-der Waals-Kräftr Atombindung beteiligten Atome teilen sich Elektronenpaare, damit die Edelgaskonfiguration erreicht wird auch Elektronenpaarbindung genannt Bindungselektronen werden Teil der Elektronenhüllen beider Atome durch Teilen der Elektronen wird eine Bindung hergestellt dadurch niedriges Energieniveau Orbitalmodell Organische Chemie 4  nach Bohr: Elektronen halten sich nach dem Atommodel auf diefinierten Bahnen KLMN… Bahnen s, p, d, f- Orbitale Bindung entsteht beim Überlappen von Orbitalen Kohlenstoff mit dem Bohr’schen Atommodell 1. Schale ist vollbesetzt a. 1s-Orbital 2. Schale 2s2 vollbesetzt, px , py und pz 2 Elektronen ​ ​ ​ Kohelnstoff mit dem Orbitalmodell Organische Chemie 5  Orbital s: rund, 2e− passen rein Definition der Orbithaltheorie Raum in dem ein Elektron eine endliche Aufenthaltswahrscheinlichkeit besitzt. Aufgrund der Quantenmechanik kann man angeben, wie groß die Wahrscheinlichkeit ist ein Elektron zu einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Ort anzutreffen Molekülorbitale Elektronen der Moleküle haben ähnliches Verhalten wie der Atome umschließen mehrere Atomkerne Elektronen und Kerne so verteilt, damit energieärmste und stabilste Molekül bildet Bildung einer kovalenten Bindung Eine kovalente Bindung kommt dann zustande, wenn die Lage zweier Atome zueinander erlaubt, dass ein Orbital des einen Atoms mit dem Orbital eines anderen überlappt und wenn beide ein Elektron aufweisen. Organische Chemie 6  Prinzip der Hybridisierung zweiter Orbitale sp3 -Hybridisierung Organische Chemie 7  aus einem energieärmeren (s) und drei energiereicheren (p) Orbitalen entstehen vier identische sp3 Orbitale räumliche Anordnung im Tetraeder Alkane Beispiele: Methan: CH4  ​ Ethan: C2 H6  ​ ​ Propan: C3 H8  ​ ​ Organische Chemie 8  Butan: C4 H10  ​ ​ Struktur Kohlenwasserstoffketten einfach gebunden ab Butan besteht eine Konstitutionsisomerie Verwandtschaft Reaktivität reaktionsträge bei Raumtemperatur C-H und C-C Bindungen relativ stabil keine funktionellen Gruppen Oxidation zu CO2 und H2 O stark exotherm ​ ​ chemisch: Reaktion mit O2Redoxreaktion Alkane oxidieren und O2wird reduziert ⇒ C3 H8​ ​ + 5O2 → 3CO2 + 4H2 O  ​ ​ ​ fossile Brennstoffe Hybridisierung Bindung Methan Organische Chemie 9  wenn vier identische Orbitale vom sp3 hybridisierten C-Atoms mit 1s Orbital ​ von H-Atom überlappen, bildet sich ein Methanmolekül vier identische C-H- Bindungen Elektronennegativitätsdifferenz zwischen C (2,6) und H (2,2) so gering unpolare Bindung freie Drehbarkeit um die Bindung Bindung Ethan sehr starke Bindung nicht einfach zu trennen beide C-Hybridorbitale reagieren miteinander jeweils 1 e−  überlappen sich, um e− zu teilen Sigma (σ) Bindung Überlappung von folgenden Orbitalen 1. S-Orbital und S-Orbital a. H2  ​ 2. S-Orbital und Hybridorbital a. C-H 3. Hybridorbital und S-Orbital Organische Chemie 10  a. C-C Eigenschaften können gasförmig, flüssig oder fest vorliegen 1. gasförmig a. Methan b. Ethan c. Propan d. Butan 2. flüssig a. Pentan b. Hexan c. Octan 3. gasförmig a. Heptdecan i. Schmelzpunkt von 10.0°C Bennenung Nomenklatur nach IUPAC Regeln um die Strukturen einer Verbindung in Silben zu fasse, zu ordnen und zu einem eindurtigen Formelnamen zusammenzufassen. Anzahl der C-Atome bestimmt Stammnamen Name eines verzweigten Alkans basiert auf Namen der Stammkette C-Kette wird nummeriert Organische Chemie 11  Beginn der Nummerierung von Richtung, an der man schneller an eine Abzweigung kommt Benennung Organische Chemie 12  Vorgehen 1. längste Kohlenwasserstoffkette mit funktionellen Gruppe der höchsten Priorität suchen a. Anzahl der C-Atome ergibt den Stammnamen b. funktionelle Gruppe wird als Suffix angehängt 2. Kette so nummerieren, dass die funktionelle Gruppe der höhsten Priorität die niedrigste Nummer erhält a. wenn funktionelle Gruppe in der Mitte, so nummerieren, dass Summer der Ziffern möglichst klein ist 3. bei mehreren funktionellen Gruppen auf die Reihenfolge der Prioritäten achten a. nur höchste Priorität steht am Ende und ist Namensgeber b. alle weiteren als Präfixe in alphabetischer Reihenfolge 4. bei polycyclischen Verbindungen wir die Anzahl der Cyclen vor die Anzahl der Brücken gesetzt a. Anzahl wird absteigend geordnet b. Nummerierung beginnt bei einem der Brückenköpfe i. von längster zu kürzester Brücke 5. Doppelbindungen werden nach E/Z Formalismus benannt a. nach CIP werden Prioritäten genannt b. Lage und Doppelbindungskonfiguration werden vor systematischen Namen in Klammern gesetzt 6. Asymetrische Kohlenstoffatime nach R/S Formalismus bestimmt a. Prioritöt nach CIP festgelegt b. Substituent mit niedrigster Priorität nach hinten i. Reihenfolge nach abnehmenden Prioritäten ii. Lage werden vro systematischen Namen in Klammern gesetzt Organische Chemie 13  Funktionelle Gruppen Atomen, die als Substituenten gelten Halogene Organyl-Reste Alky Arly Alkyaryl Heteroaryl Formylgruppen Hydroxy Alkoxy Acetyl-Rest Amino-REste Mercaptogruppe Nitrogruppe Beispiel -OH → Hydroxy- -NH2 → Amino- ​ Halogene sehr stark elektronegativ sehr reaktiv ein oder mehrere H-Atome gegen Halogenatom ausgetauscht Verbindungen werden durch voranstellen des Halogennamens vor den Stammnamen des Alkens benannt Alkohole/triole Organische Chemie 14  sind Alkane, bei denen ein oder mehrere Wasserstoffatome durch OH-Gruppe erstetzt werden bei Triolen ist es eine SH-Gruppe Nomenklatur durch anhängen der Endung -ol oder -thiol Ether C-H-Verbindungen bei denne sich in der C-Kette ein O-Atom befindet Bennenung durch alphabetische Voranstellen der Alkygruppen vor Endung - ether Aldehyde Verbindungen bei denen ein endständiges C-Atom eine Doppelbindung zu einem O-Atom aufweist Bennenung durch Anhängen der Endung -al an Stammnamen Organische Chemie 15  Ketone Name ergibt sich durch Anhängen der Endung -on an den Stammnamen des betreffenden Alkans Carbonsäuren Benennung durch Anhängen der Endung -säure an Stammnamen des Alkans Ester Verbindungen die aus Reaktion von Carbonsäure und Alkohol entstehen Name von entsprechenden Namen der Carbonsäure und Alkokohls mit Endung -ester Organische Chemie 16  Amine Verbindungen mit Stickstoff Bennenung durch Anhängen der Endung -amin an Alkylrest Prioritäten Organische Chemie 17  Beispiele der Bennenung Organische Chemie 18  Stereochemie Chiralität Verbindungen verhalten sich wie Bild und Spiegelbild Organische Chemie 19  sobald Molekül anders gebunden ist mit 4 verschiedenen Bindungspartnern ⇒ Chiralität kann Geruchs- und Geschmakssinn der Endprodukte beeinflussen Pharmakologie und Chirale Verbindungen Thalidomid Original: Schlafinduzierend Spiegelbild: teratogen Methyphenylbarbitursäure Original: narkotisch Spiegelbild: krampferregend Propanolol Organische Chemie 20  Original: ß-Blocker Spiegelbild: Contraceptivum Penicillamin Original: Antiarthriticium Spiegelbild: extrem toxisch Beispiele Isomere Verbindungen mit gleicher Summenformel aber unterschiedlicher Strukturen. Sie unterscheiden sich in ihren Eigenschaften. 1. Konstitutionsisomerie (strukturisomerie) a. Verbindungen gleicher Summenformal aber unterschliedlicher Verknüpfung der Atome Organische Chemie 21  b. Moleküle lassen sich durch Dreuhung ohne Bindungsbruch ineinander überführen Sesselform ist stabilste Form, da alle Atomgruppen gestaffelt zueinander stehen bei Cyclohexan dritte Form (Twistform), bei der Ring stark verdreht ist 2. Stereoisomerie a. Verbindungen gleicher Summenformeln und gleicher Konstitution, aber unterschiedliche räumliche Anordnung Konformation gleiche Summelformel und Verknüfung, aber andere räumliche Anordnung Moleküle können durch Drehung ohne Bindungsbruch ineinander übegehen gebildete Form kann Wannen- oder Sesselform sein (bei Cyclohexan) Sesselform am stabilsten, weil alle Atomgruppen gestaffelt sind Diasteromere sind Stereoisomere verhalten sich nicht wie Spiegelbild und Bild Organische Chemie 22  unterschiedliche physikalische Eigenschaften zeigen aufgrund gleicher Funktionalitäten meist ähnliche chemische Eigenschaften Säure/Base-Stärke, Redox-Verhalten nicht zwangsläufig chiral Zentral-chirale Diastereomere mindestens an einem Chiralitätszentrum gleiche und an mindestens einem weiteren Chiralitätszentrum umgekehrte Konfiguration Enantiomere verhalten sich wie Bild und Spiegelbild in keiner Weise miteinander zur Deckung zu bringen sind chiral notwendige und hinreichende Bedingung für Auftreten von Enantiomeren in archialer Umgebung identisches chemisches Verhalten gleiche physikalische Eigenschaften Schmelzpunkt, Siedepunkt, Brechungsindex, Dichte Ausnahme: Richtung in der sie die Schwingungsebene von linear polarisiertem Licht drehen (optische Aktivität) konnen Konfigurations- oder Konformationsisomere darstellen CIP (R/S) Bezeichnung nach Konvention von R.S. Cahn, C. Ingold und V. Prelog Bennenung der vorliegenden Konfiguration mit R (rechts) oder S (links) drehend 1. Substituenten werden mit Prioritäten belegt nichtbindende Elektronenpaare haben niedrigste Priorität Organische Chemie 23  Priorität des Substituenten steigt mit Ordnungszahl des dirakt am Chiralitätszentrum gebundenen Atoms Wenn Ordnungszahl gleich, steigt Priorität nach Atommasse 2. Wenn zwei oder mehr Substituenten noch gleichwertig, werden sie in der nächsten Spähre betrachtet und nach Regel 1 eingeteilt → Sphäre: zwei Bindungen von stereogenen Zentrum entfernt Beispiel Fischer Projektion längste C-Kette wird senkrecht angeordnet höchstoxidierte C-Atom oben Kette wird so gedreht, dass vom chiralen C-Atom die Atome der Kette hinter die Zeichenebene weisen seitlichen Substituenten zeigen nach vorne Organische Chemie 24  steht Substituent rechts, wird Konfiguration mit D bezeichnet, wenn links dann mit L Glykosidische Bindung Bindung von zwei Zuckermolekülen zwischen anomerem C-Atome des ersten und Heteroatom des zweiten Zuckers unterscheidet die Bindung nach Stellung des anomeren C-Atoms 𝛼 Gyklosidische Bindung C-Atom steht axial β Gykosidische Bindung C-Atom steht äquatorial Organische Chemie 25  Ringschluss von Zuckern Halbacetalbildung führt zum Ringschluss OH-Gruppe geht eine Bindung mit dem obersten C-Atom ein Bildung eines neuen chiralen C-Atoms Alkene Struktur ungesättigte C-H-Stoffe mindestens eine C-Doppelbindung Organische Chemie 26  besteht aus σ- und π- Bindung C-Atome in Doppelbindung sind sp2 -hybridisiert Hybridierung sp2 -Hybridisierung ​ aus einem s- und 2 p-Orbitalen drittes p-Orbital bleibt unverändert Organische Chemie 27  trigonal planare Anordnung Ethen Hybirdorbilater auf einer Ebene Molekül somit ebenfalls auf einer Ebene Bindungen formen gleichseitiges Dreieck Bindungswinkel 120° Buten Organische Chemie 28  Verbindungen mit gleicher Summenformel aber unterschiedlicher Strukturformel Unterschiede in Eigenschaften alle 4 Butene haben ähnliche physikalische Eigenschaften farblose Gase schwer in Wasser löslich Methylgruppe bei Doppelbindung hebt sich bei trans auf trans-2-But-2-en siedet um 3°C früher- Eigenschaften Isomerie zeigen cis-trans-Isomerie (E/Z Isomerie) Rotation um Doppelbindung nicht möglich unterschiedliche räumliche Anordnungen E = Entgegengesetzt Z = Zusammen Teilchen mit höchster Ordnungszahl anschauen zur Bestimmung 1. cis-Isomerie a. beide Substituenten mit höherer Priorität auf der selben Seite der Doppelbindung Organische Chemie 29  2. trans-isomerie a. Substituenten mit höherer Priorität stehen sich gegenüber Reaktivität wegen π-Bindung reaktiver als Alkane kann leicht aufgebrochen werden für Additionsreaktionen gut Anwendungen wichtige Ausgangsstoffe in chemischer Industrie Herstellung von Kunststoff, Lösungsmitteln etc. Bennenung und Prioritäten Position der Doppelbindung wird angegeben Beispiel: But-1-en Doppelbindung zwischen 1. und 2. C-Atom in einer Kette mit 4 C- Atomen Organische Chemie 30  eine oder mehere Doppelbindungen werden folgend benannt: Alkamonoen Alkadien Alkatrien Alkatetraen Alkapolyen bei mehreren Doppelbinduungen drei Möglichkeiten der Anordnung 1. Isolierte Doppelbindung a. durch 2 oder mehrere C-C Einfachbindungen voneinander getrennt 2. Konjugierte Doppelbindungen a. jeweils durch eine C-C Einfachbindung von einander getrennt Organische Chemie 31  3. Kumulierte Doppelbindungen a. benachbarte Doppelbindung i. bilden eine ununterbrochene Reihe Alkine Struktur ungesättigte C-H-Stoffe mindestens eine oder mehrer Dreifachbindungen sher reaktive Verbindungen Homologe Reihe: Cn H2n−2  ​ ​ jede Verbindung unterscheidet sich um eine bestimmte Atomgruppe Hybridisierung s- und p-Orbital verschmelzen zu zwei sp-Hybridorbitalen zwei p-Orbitale bleiben unberührt Bildung der σ- und 2 π-Bindungen in Ethin Organische Chemie 32  lineare Geometrie der C-Atome im Alkin Bindungswinkel 180° typisch für Alkine: Beispiel Ethin: Acetylen, C₂H₂ Bindungslänge = 120 pm Ethin Molekülstruktur ist linear breannbares Gas, das mit Luft explosive Gemische bildet Darstellung von Ethin Organische Chemie 33  Eigenschaften aufgrund Dreifachbindung sehr reaktiv π-Bindung kann leicht aufgebrochen werden Anfällig für Additionsreaktionen typisch: eletrophile Addition und Hydrisierung höhere Siedepunkte hydrophob gut löslich in organischen Lösungsmitteln Bennenung und Priorität Vorsilbe der entsprechenden Alkane und Endung -in Ethin C2 H4  ​ ​ Propin C3 H4  ​ ​ Butin C4 H6 ​ ​ Organische Chemie 34  Anfangen zu zählen wo das Alken steht Dreifachbindung hat Vorrang vor Seitenketten wenn diese im Substituenten ist, wird -yl angehängt Allgemeine Reaktionstypen Einleitung Reaktionen können durch Temeraturerhöhung oder Katalysatoren beeinflusst werden laufen selten vollständig ab häufig mit Nebenprodukten Heterolytische Spaltung ungleichmäige Spaltung Bildung von elektrophilen und nukleophilen Reagenzien Ionischer oder polarer Reaktionsverlauf e− springt auf A oder B, somit anderer Reaktionspartner positiv Organische Chemie 35  Homolyische Spaltung gleichmäßige Spaltung Entstehung von Radikalen mit ungepaarten Elektronen Radikale reagieren weiter und bilden Kettenreaktionen Radikalischer Reaktionsverlauf jeder Reaktionspartner erhält ein e−  Allgemeine Reaktionen 1. Ionische Bindung a. Metall- Nichmetall i. Metalatom gibt Valenzelektronen vollständig an Nichtmetallatom ob b. Kation-Anion Bildung c. Ionengitter d. Salze 2. Kovalente Bindung (Atombindungen) a. Nichtmetall-Nichtmetall-Bindungspartner Organische Chemie 36  i. alle nehmen Valenzelektronen auf 1. Überlappung der Orbitale b. Dipol-Wechselwirkung c. Sterischer Einfluss 3. Radikale a. Homolytische Spaltung b. Kovalente Bindung zwei Atome durch Licht, Druck, Wärme i. Hälte der Bindungselektronen bleibt beim Bindungspartner Reaktionsordnung Rate-determinin step welche Teilreaktion energetisch bevorzugt Kinetisch thermodynamisch Addition Aufspalten einer Mehrfachbindung mindestens zwei Moleküle werden zu einer Struktur angelagert Unterschiedliche Rekationsmechanismen radikalisch elektrophil (E + ) Teilchen, die e− lieben + nucleophil (Nu ; Nuc+ ) Teilchen, die positive Ladungen lieben nur bei Alkenen und Aliknen Interaktion (Stärke) entscheident Elektrophile Addition am Beispiel von Brom an Ethen Organische Chemie 37  1. Elektrophile Wechselwirkung von Br-Br- mit π-Molekülorbital der Doppelbindung a. π-Komplex bildet sich 2. Doppelbindung wird geöffnet und Br-Atom bindet an potentiellen C-Atom a. σ- Bindung zum Brom i. heterolytische Spaltung ii. Carbeniumion und Br − werden gebildet 3. Bromid wird an das Carbeniumion gebunden a. Ladungsausgleich 4. Räumliche Anordung abhängig von sterischen Verhältnissen Organische Chemie 38  Polymerisation 1. Initiatorzerfall Radikalbildner wird homolytisch aufgespalten Beispiel: Dibenzoylperoxid bei Erwärmen oder Lichtzufuhr in zwei Radikale gespalten 2. Kettenstart 3. Kettenwachstum Organische Chemie 39  4. Kettenabbruch wenn Radikal auf anderes trifft Rekombination Disproportionierung Übertragung eines H-Atoms Kettenlänge von Reaktionsbedingungen abhängig Konzentration der Monomer Konzentration der Radikalbildner Temperatur Eliminierung aus einem Molekül werden zwei Atome oder Atomgruppen abgespalten zwei Bindungen werden aufgebrochen Organische Chemie 40  E1-Mechanismus greift H-Atom an monomolekular Reaktion läuft in Stufen ab Abgangsgruppe wird selbständig abgegeben gute Abgangsgruppen: stark negativ geladene Atome Bildung von Carbeniumion Base kann H-Atom angreifen Bindung zu C-Atom klappt um Ausgleich des Carbeniumions sehr Konzentrationsabhängig E2-Mechanismus bimolekular Base direkt vorhanden Angriff von H-Atom Übergangszustand wird gebildet Abgangsgruppe und HY verlassen gleichzeitig C-Verbindung Entstehung der Doppelbindung Synchronreaktion alles passiert gleichzeitig Organische Chemie 41  Substitution Atome oder Atomgruppen werden durch andere ersetzt nur an gestättigten Verbindungen (sp3 )möglich Organische Chemie 42  Konkurenzreaktion der Eleminierungsreaktion SN 1-Substitution ​ nukleophile Substitution Konkurrenzreaktion zu E1-Eliminierung Reaktion 1. Ordnung Monomolekular Schrittweise Racemisches Gemisch als Produkt rechts oder links drehendes Teilchen durch verschiedene Aspekte beeinflusst SN 2-Substitution ​ nukleophile Substitution Konkurenzreaktion zur E2-Eliminierung Reaktion 2. Ordnung Bimolekular nur ein Enantiomer als Produkt Organische Chemie 43  Steuerung des Verlaufs Protische Lösungsmittel geben Proton ab beinhalten H +  Alkohole Aprotische Lösungsmittel Konzentration der Base des hinzugegebenen Stoffes Abhängigkeit der Konzentrationen Katalysator vom Konkurrenzreaktion zu vermeiden Organische Chemie 44  Prizip Katalysator Nutzung von Katalysatoren Verrinngerung der Energiebarriere(EA )der Reaktion ohne verbraucht zu ​ werden Kontrollierte Raktionsbedinungen nur als Hilfestellung der Reaktion Bi- und monomolekulare Reaktionen Monomolekulare Reaktionen Organische Chemie 45  Reaktionsgeschwindigkeit nur von Konzentration eines einzelnen Reaktanten Beispiele SN1 -Reaktion (nukleophile Substitution) ​ in zwei Schritten 1. Bildung des Carbeniumions durch Verlassen der Abgangsgruppe a. intermediäres Produkt 2. Angriff des Nukleophils Reaktionsgeschwindigkeit nur von Konzentration des Substrates abhängig typisch für Halogenalkane E1 (Eliminierung) in zwei Schritten 1. Bildung des Carbeniumions durch Verlassen der Abgangsgruppe 2. Abspaltung eines Protons und Bildung einer Doppelbindung (Alken) Reaktionsgeschwindigkeit nur von Konzentration des Substrates abhängig kein direkter Einfluss der Base typisch für Halogenalkane Bimolekulare Reaktionen Reaktionsgeschwindigkeit von der Reaktion zwei Reaktanten abhängig Beispiele SN2 - Reaktion ​ Reaktion in einem einzigen Schritt Nukleophil greift Substrat von gegenüberliegenden Seite der Abgangsgruppe → wird gleichzeitig verdrängt Organische Chemie 46  Reaktionsgeschwindigkeit von Konzentration des Substrats und Nukleophils abhängig Inversion der Konfiguration typisch für Halogenalkane E2-Reaktion Reaktion in einem einzigen Schritt Base entfernt Proton und Abgangsgruppe verlässt Molekül sofortige Bildung einer Doppelbindung (Alken) typisch für Halogenalkane Energiediagramm der Reaktion Aromaten Struktur Organische Chemie 47  organische Verbindung miteinem oder mehrere zyklische Ringe C-Atome durch konjugierte Doppelbindung verbunden Einfach- und Doppelbindung wechseln dauernd Beispiel: Benzol C6 H6  ​ ​ sechsgliedriger Ring π-Elektronen gleichmäßig verteilt delokalisierte Elektronenwolke es kann nicht zwischen Einzel- und Doppelbindung unterschieden werden Alle Bindungen identisch mesomeres System keine Isomere Phenol eine oder mehrere OH-Gruppen unmittelbar an Benzolring gebunden Organische Chemie 48  Verstärkung der Polarität der Bindung von O und H und in großer Mesomeriestabillisierung vom Phenolations löst sich besser in H2 O  ​ leichter oxidiertbar in wässiriger Lösung leicht sauer pKs=10 Hybridisierung sp2 -Hybridierung planar trigonal jedes C-Atom hat p-Orbital für Delokalisierung der π-Elektronen wichtig π-Elektron wird durch Überlappung der p-Orbitale über gesamten Ring verteilt Stabilisierung π-Elektronen über gesamten Ring delokalisiert führt zu Elektronenwolke ober- und unterhalb der Molekülebene e− sind gleichmäßig verteilt energetisch stabilier Hücke-Regel ebene Ringsystem (planar) Organische Chemie 49  besitzen ungerade Zahl an π-Elektronenpaare in konjugierten Doppelbindungen dürfen nicht direkt nebeneinander sein C-C-Bindungslängen im Ringsystem alle gleich Zahl der π-Elektronen entspricht (4n+2) π-Elektronen Eigenschaften planare Moleküle hohe Stabilität delokalisierte Elektronen hohe chemische Stabilität reagieren schlecht mit starken Oxidationsmitteln charakteristischer Geruch beispielsweise Geruch von Benzol oder Toluol besondere physikalische Eigenschaften hohe Absorption im UV-Bereich Reaktionen Elektrophile aromatische Substitution (EAS) H-Atom des Aromaten mit anderem Atom oder funktionaler Gruppe ersetzt 1. Elektrophil greift delokalisierte π-Elektronen an a. Bildung eines Sigmal-Komplexes (intermediäres Carbenium-Ion) 2. Proton wird abgespalten a. Wiederherstellung der Aromatizität Beispiele für EAS-Reaktionen Halogenierung Halogen mit Katalysator an Aromat addiert Organische Chemie 50  Brom und F eBr3  ​ Nitrierung Nitrogruppe (-NO2 ) mit Salpetersäure und Schwefelsäure eingefügt ​ Sulfonierung Sulfonsäuregruppe (−SO3 H ) mit Schwefelsäure eingefügt ​ Mesomerer Effekt Elektronenpaar des Substituenten interagieren mit π-Elektronensystem des Benzolrings 1. +M-Effekt Elektronendichte im Ring erhöht ortho- und para dirigierend 2. -M-Effekt Elektronendichte im Ring vermindert Organische Chemie 51  meta-dirigierend Induktiver Effekt hängt von Elektronennegativitöt der Substituenten ab 1. + I-Effekt wenn Elektronendichte im Kern erhöht, wird elektrophiler Angriff erleichtert 2. — I-Effekt wenn Elektronendichte im Kern verringert, wird elektrophiler Angriff erschwert Ortho-, Para- und Meta-Stellung Organische Chemie 52  wird durch den dirigierenden Substituenten beeinflusst ist eine funktionelle Gruppe, die die Position beeinflusst, an der eine neue Substituenion im Aromanten passiert 1. Ortho-dirigierende-Stellung Subsitutenten an benachbarten C-Atomen (1. und 2. Position) Beispiel: o-Xylol 2. Meta-dirigierende-Stellung Substituenten durch C-Atom getrennt (1. und 3. Position) Beispiel: m-Xylol 3. Para-dirigierende-Stellung Substituenten gegenüber (1. und 4. Position) Beispiel: p-Xylol Namensreaktionen und Reaktionsmechanismen Halogenierung je nach Reaktionsbedingung reagieren Halogene auf aromatischen Kern oder Seitenkette KKK-Regel (Kälte, Katalysator, Kern) bei niedriger Temperatur und Katalysator reagiert Kern durch elektrophile Substitution SSS-Regel (Sonnenlicht, Siedehitze, Seitenkette) Organische Chemie 53  bei erhöhter Temperatur und Bestrahlung mit Licht reagiert Seitenkette durch radikalische Substitution Kondensationsreaktion sehr kleine Teilchen werden während der Reaktion abgegeben Veresterung Reaktion zwischen Carbonsäure und Alkohol entstehende Produkte sind Ester und Wasser säurekatalytische Gleichgewichtsreaktion Umkehrreaktion ist Hydrolyse 1. Carboxylgruppe (-COOH) wird ein H + hinzugegeben a. wird elektrophiler und reaktiver 2. Alkohol greift nukleophil an a. Bildung eines tetraedischen Übergangsstatus 3. Proton wird umgelagert a. hydroxyliertes Zwischenprodukt 4. Wasser wird abgespalten a. Bildung von “positivem” Ester 5. Abspaltung eines Protons vom Ester Organische Chemie 54  Peptidbildung Bindung eines Amins an eine Carbonsäure wir auch Säure-Amid-Bindung genannt Ethersynthese Reaktion von Alkohol und Alkoloh zu Ether und Wasser Organische Chemie 55  Hydrolyse Ester wird mit Wasser in Carbonsäure und Alkohol gespalten irreversible Reaktion Basenkatalysierte Hydrolyse (Verseifung) 1. Hydroxid-Ion greift C-Atom im Ester nukleophil an a. Bildung eines tetraedischen Zwischenprodukts 2. Alkoholgruppe wird als Abgangsgruppe abgespalten a. Carboxylat-Ion entsteht Carbonlyverbindungen je nach der Partialladung der C- oder O-Atoms greifen elekrophile und nukleophile Gruppen anders an wenn C-Atom partialpositiv geladen, wird es vom Nucleophil angegriffen wenn O-Atom partialnegativ geladen, wird es vom Elektrophil angegriffen Carbonyle Organische Chemie 56  Schiffsche-Base-Reaktion Reaktion einer Carbonlyverbindung (z.B.Aldehyd oder Keton) mit Aminogruppe (−NH2 ) ​ Verbindung mit C=N-Doppelbindung Bildung einer Schiff-Base Nutzung eines Katalysators (saures Medium wie Tropfen verdünnte Säure) macht Carbonylgruppe elektrophiler Kommt bei Zuckerreaktionen vor erfolgt nach Additions-Eliminierungs-Mechanismus 1. Aminogruppe greift C-Atom nukleophil an a. tetraedischer Übergangszustand 2. Carbonlygruppe wird in Alkoholgruppe umgewandelt im Übergnagszustand 3. Wasser wird mit Hydroxylgruppe abgespalten Organische Chemie 57  a. Bildung einer C=N-Doppelbindung Acetylierung H-Atom wird durch Acetylgruppe ausgetauscht meist an funktioneller Gruppe bei Schmerzmittelsynthese genutzt Organische Chemie 58  Thiole-Disulfidbrücken gleich wie den Alokohlen Statt O-Atom ein S-Atom Organische Chemie 59  ähnliches Verhalten wie Alkohole S-H-S-H-Brückenbindungen schwächer als Wasserstoffbrückenbindung Thiol-Gruppe (-SH) wird oxidiert Bildung von Disulfiden (S-S) wichtig für Quervernetzng von Molekülen tertiäre und quartäre Sturktur von Proteinen (Enzyme, Hormone) Insulin in Cystein (schwefelhaltige Aminösäure) zu finden → Grund für Locken bei Haaren Organische Chemie 60