Funktionelle Gruppen

Struktur und Reaktivität
organischer Verbindungen
• Was ist Organische Chemie?
• Aufbau (Struktur) organischer Verbindungen
• Unterscheidung organischer Verbindungen nach
funktionellen Gruppen
• Typische Reaktionen organischer Verbindungen
• Analyse von Stoffgemischen (Chromatographie)
• Molekülstruktur und Sinneswahrnehmung
1
Was ist Organische Chemie?
Zu Beginn des 19. Jahrhunderts:
Anorganische Chemie: Chemie der Mineralien und Gesteine
Organische Chemie: Chemie des Pflanzen- und Tierreichs (heute:
Biochemie)
NH2
NH4+OCN-
O C
CH4N2O
NH2
Ammoniumcyanat
F. Wöhler (1800-1882)
1828: Harnstoffsynthese
Harnstoff
A.W. v. Hofmann (1818-1892)
Ende der vitalistischen Theorie
(nach 1882)
2
Definition: "Organische Chemie"
Es
Es gibt
gibt mehr
mehr Verbindungen
Verbindungen des
des Kohlenstoffs
Kohlenstoffs
als
als aller
aller übrigen
übrigen Elemente
Elemente zusammen.
zusammen.
Organische Chemie
ist die Chemie der Kohlenstoffverbindungen.
3
Vorkommen und Verteilung des Elements
Kohlenstoff
>99 %
Anorganische Verbindungen
(CaCO 3 , ....)
0.1 %
Organische Verbindungen
0.03 %
2/3
Erdrinde
fossile Brennstoffe
(Kohle, Erdöl, Erdgas)
1/3
Organismen
(Biosphäre)
ca. 0.01 % des Kohlenstoffs befinden
sich in der Biosphäre
4
Sonderstellung des Elements C
•
•
•
•
steht in der Mitte der 2. Periode des PSE
besitzt die geringste Tendenz zur Bildung von Ionen
besitzt die größte Tendenz zur Ausbildung kovalenter Bindungen
ist vierbindig, kann mit 4 anderen Atomen kovalente Bindungen ausbilden
bevorzugte Bindungspartner sind:
C: → Ketten, Ringe, Netze, Gitter, ...
H: die übrigen Valenzen werden abgesättigt (Kohlenwasserstoffe)
• bildet Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen (auch mit Heteroatomen)
C−C, C−H, C−N, C−O, C−F, C−S, ...
C=C, C=N, C=O, C=S, ...
C≡C, C≡N, …
• Die meisten organischen Verbindungen sind unter normalen Bedingungen
stabil. Sie verbrennen nicht spontan an der Luft.
5
Verbindungen, die nur aus Kohlenstoff bestehen
Graphit
Härte = 1
Diamant
Härte = 10
Fullerene
C20
C 60
C 70
C76
6
Einfache organische Verbindungen:
Kohlenwasserstoffe
H2
C
H3C
H2C
H2C
H2C
H2C
C
H2
H2
C
C
H2
H2
C
C
H2
H2
C C
H2
C
HC
HC
C
H
CH 3
n-Hexan, ein Alkan
CH 2
Cyclohexan, ein Cycloalkan
CH 2
Methan
CH
Cyclohexen, ein Cycloalken
CH
CH 3
C
H3C
H
C
C
H2
CH
C
H2
3-Hexin, ein Alkin
Benzen (Benzol), ein Aromat
CH
Adamantan
Kohlenwasserstoffe sind die Stammverbindungen der meisten
7
organischen Verbindungen.
Konstitutionsisomerie der Alkane
Zahl der Summenformel Name
C-Atome
Isomerenzahl
n-Alkane: H-(CH2)n-H
1
CH4
Methan
1
2
C2H6
Ethan
1
3
C3H8
Propan
1
4
C4H10
Butan
2
Isoalkane besitzen eine
verzweigte KohlenstoffKette.
Beispiel: C5H12
5
C5H12
Pentan
3
6
C6H14
Hexan
5
7
C7H16
Heptan
9
8
C8H18
Octan
18
9
C9H20
Nonan
35
10
C10H22
Decan
75
20
C20H42
Eicosan
366.319
30
C30H62
Triacontan
4.111.846.763
Pentan
2-Methylbutan
2,2-Dimethylpropan
8
Alkanisomere
10000000000
1000000000
Anzahl Isomere
100000000
Für n > 10 gilt: Anz. ≈ 0.00676*100.390*n
10000000
1000000
100000
10000
1000
100
10
1
0
5
10
15
20
Anzahl C-Atome in Alkanen
25
30
n
9
Organische Verbindungen mit Heteroatomen
N
Siedepunkt / °C:
Schmelzpunkt / °C:
Wasserlöslichkeit:
Basizität:
Azidität:
NH2
OH
Anilin
C6H7N
Phenol
C6H6O
185
-6
+
-
182
43
+
+
S
Benzen
C6H6
Pyridin
C5H5N
Thiophen
C4H4S
80
6
-
116
-42
+
+
-
84
-38
-
Durch Heteroatome werden die Eigenschaften stark verändert.
10
Die funktionelle Gruppe von Alkoholen
und Phenolen
H3C
H2
C
C
H2
H2
C
C
H2
H2
C
OH
1-Hexanol
OH
Alkanol
R = Alkylrest
OH = Hydroxygruppe
H H
C C
H3C C
R OH
OH
C OH
C C
H H
p-Kresol
Ar
OH
Phenol
Ar = Arylrest
Alkohole und Phenole sind Derivate des Wassers, H2O.
Ein H-Atom wurde durch einen Alkyl- bzw. Arylrest
ersetzt.
11
Wasserlöslichkeit von 1-Alkanolen R−OH
R
CH3
C2H5
C3H7
C4H9
Name
Methanol
Ethanol
Propanol
Butanol
Gew. %
∞
∞
∞
7.9
R
C5H11
C6H13
C7H15
C8H17
blau: hydrophiler Molekülteil
Name
Pentanol
Hexanol
Heptanol
Octanol
Gew. %
2.3
0.6
0.2
0.05
rot: hydrophober Molekülteil
Mit der Größe von R nimmt der hydrophobe Anteil
zu, und damit sinkt die Wasserlöslichkeit.
12
Alkoholtest
3 C2H5OH + 2 K2Cr2O7 + 2 H2SO4
3 CH3CO2H + 2 Cr2O3 + 2 K2SO4 + 5 H2O
Ethanol
Essigsäure
C2H5OH
CH3CO2 H
Redoxreaktion
K2Cr2O7
Kaliumbichromat
gelb
Cr2O3
Dichromtrioxid
grün
Ethanol kann sogar in geringer Konzentration in der Atemluft
nachgewiesen werden (Alcotest-Prüfröhrchen).
13
Funktionelle Gruppen
Funktionelle Gruppe Name
–
C
Stoffklasse
Alkane (Paraffine)
H
C,C-Doppelbindung Alkene (Olefine)
C
C
C C
C,C-Dreifachbindung Alkine
-Hal (F, Cl, Br, I)
Halogen-
Fluor-, Chlor-, Brom-, Iodkohlenwasserstoffe
-OH
Hydroxy-
Alkohole, Phenole
-OR
Alkoxy-
Ether
-SH
Thiol-
Thiole (Mercaptane)
-NH2
Amino-
Amine
-NO2
Nitro-
Nitroverbindungen, z.B. Nitromethan
14
Funktionelle Gruppen
Funktionelle Gruppe Name
C
Stoffklasse
Carbonyl-
Aldehyde, Ketone
Imino-
Imine
Carboxyl-
Carbonsäuren
O
C
NH
O
C OH
Alkoxycarbonyl- Ester
O
C
OR
Carboxamid-
O
C
Amide
NH2
15
Reaktion verschiedener Kohlenwasserstoffe mit
Brom
Alkan
+
Licht
Br2
Br
+
HBr
Br
Alken
+
Radikalische
Substitution SR
Elektrophile
Addition AE
Br2
Br
Aromat
+
Br2
FeBr3
Br
+
HBr
Elektrophile
Substitution SE
Alkane, Alkene und Aromaten unterscheiden sich in
ihrer Reaktionsweise.
16
Reaktion von Cyclohexen mit
Kaliumpermanganat
+7
KMnO4
O
MnO4- K+
O
KMnO4 ist violett
H2O
OH
(1R,2S)-Cyclohexan-1,2-diol
OH
+5
+ MnO2(OH)2-
+4
+7
MnO2 + MnO4-
(Disproportionierung)
MnO2 Braunstein
Die Hydroxylierung eines Alkens ergibt ein 1,2-Diol.
An C,C-Mehrfachbindungen können zahlreiche Reagenzien
addiert werden.
Alkene sind (auch technisch) sehr wichtige Stoffe.
17
Umwandlung von Alkenen: Olefin-Metathese
Metathese von griech.: metáthesis = Umstellung, Versetzung.
Abgeleiteter Begriff für die Disproportionierung (oder Dismutation)
von Alkenen in Gegenwart von Katalysatoren.
Beispiel: Umwandlung von Propen in 2-Buten und Ethen
Großtechnisches Verfahren seit 1966.
H3C
H3C
H
C
C
H
H3C
+
H
H
C
C
C C
H CH3
H
H
H 3C C C H
H
Kat.
H C C H
Kat.
+
H
H H
Propen
H
2-Buten
CH3
H
C C
H
Unter dem Einfluss spezieller Katalysatoren (Kat.) tauschen
Alkene ihre Reste aus.
Ethen
H
18
Olefin-Metathese, Nobelpreis für Chemie 2005
Robert H. Grubbs
Richard R. Schrock Yves Chauvin
Der Methathese-Tanz: animation.html
19
Aldol-Reaktion: eine wichtige Reaktion von
Aldehyden zum Aufbau von Kohlenstoff-Gerüsten
CH3-CH=O + CH3-CH=O
Acetaldehyd
H 3C
C
H2
C
OH
C
H
Acetaldol
O
H 3C
- H2 O
C
H
H
C
C
H
O
Crotonaldehyd
Acetaldol und Crotonaldehyd sind difunktionelle Verbindungen mit
einer Aldehyd- und einer Hydroxy- bzw. Alken-Gruppe.
Sie besitzen sowohl Alkohol- bzw. Alken- als auch AldehydEigenschaften.
Hinzu kommen charakteristische Eigenschaften, die aus der
Nachbarschaft der beiden funktionellen Gruppen resultieren.
20
Gekreuzte Aldol-Kondensation - ein Versuch aus
dem OC-Grundpraktikum
B
A
Base
C6H5-CH=O
+
Benzaldehyd
H3C
C
H2
C
O
Butan-2-on
CH3
C6H5
C
H
C
H
- H2 O
C
H2
C
A
CH3
O
CH3
Säure
H3C
C
O
C
C
C6H5
B
H
Die bei der organischen Synthese wichtige Selektivität kann durch die
Reaktionsbedingungen gesteuert werden.
21
Glucosetest
Ergebnis: ca. 2-3 %.
22
Nachweis von Glucose
CH2OH
CH2OH
O
OH
OH
O
Glucose-Oxidase
OH
+ O2
H
OH
OH
Glucose
O
+ H2O2
OH
Redoxreaktionen
Peroxidase
Farbstoff
+ H2O2
(reduziert, farblos)
OH
Gluconolacton
Farbstoff
+ H2O
(oxidiert, gelb-grün)
Glucose-Oxidase-Peroxidase-Farbreaktion,
selektiver Nachweis von Glucose im Urin
23
Iod-Stärke-Reaktion
Amylose, ein Polysaccharid,
besteht aus Glucose-Molekülen, besitzt helicale Struktur.
Iod-Moleküle werden als KI3 in die Kanäle eingelagert.
24
Auch polyfunktionelle Verbindungen zeigen charakteristische Reaktionen.
Fichtenspanprobe von Furan und Pyrrol
Aromatische Heterocyclen
Farbreaktion
O
grün
Furan
H
N
rot
Pyrrol
Viele Verbindungen zeigen charakteristische Reaktionen,
25
mit denen sie leicht zu erkennen sind.
26
Chromatographie mit Kreide
Bei der Chromatographie handelt sich um
physikalische Trennverfahren, bei denen die
Stofftrennung durch Verteilung zwischen einer
stationären und einer mobilen Phase geschieht.
Trennung der Farbkomponenten von "schwarzem" Filzstift
Die Farbe "Schwarz" ist ein Gemisch aus vielen verschiedenen Farbstoffen.
Eigentlich handelt es sich um Grau.
27
Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie
(HPLC)
Pumpe
bis 40 MPa
Probenaufgabe
Trennsäule
Elutionsmittel
mV - Schreiber
Detektor
Signalwandler
Bei
Beider
derSäulenchromatographie
Säulenchromatographie
dient
dientKieselgel
Kieselgelin
inder
derTrennsäule
Trennsäule
als
alsstationäre
stationärePhase
Phaseund
undein
ein
organisches
organischesLösungsmittel
Lösungsmittelals
als
mobile
mobilePhase.
Phase.
Die
DieHPLC
HPLCist
isteine
eineFortentwicklung
Fortentwicklung
dieser
dieserMethode.
Methode.
Fraktionssammler
28
Gaschromatographie (GC)
1- Gaszylinder mit Trägergas
2- Gasventil
3- Injektor
4- Trennsäule
5- Ausgang vom Detektor
6- Messgerät für den Gasfluss
7- Schreiber
Bei
Beider
derGaschromatographie
Gaschromatographiedient
dienteine
einegefüllte,
gefüllte,dünne
dünneGlassäule
Glassäuleals
als
stationäre
Phaseund
undein
einInertgas
Inertgas(He,
(He,N
N22))als
alsmobile
mobilePhase
Phase(Trägergas).
(Trägergas).
stationärePhase
Die
DieGC
GCist
isteine
einesehr
sehrleistungsfähige
leistungsfähigeMethode
Methodezur
zurAnalyse
Analyseflüchtiger
flüchtiger
Substanzgemische.
Substanzgemische.
Als
AlsDetektor
Detektorkann
kannauch
auchdie
diemenschliche
menschlicheNase
Naseeingesetzt
eingesetztwerden.
werden.
29
Intensität
Gaschromatogramm eines Parfüms
Zeit
Das
DasGaschromatogramm
Gaschromatogrammzeigt
zeigtzahlreiche
zahlreichePeaks.
Peaks.Jeder
Jedergehört
gehört
zu
zueiner
einerKomponente.
Komponente.
Um
Umwelche
welcheVerbindung
Verbindunges
essich
sichjeweils
jeweilshandelt,
handelt,kann
kannmit
mitHilfe
Hilfe
30
der
derMassenspektrometrie
Massenspektrometriebestimmt
bestimmtwerden.
werden.
Riechen: Komponenten des olfaktorischen Nervensystems
Richard Axel "Die Entschlüsselung
des Riechens" , Spektrum der
Wissenschaft, Dezember 1995, 72-78.
31
Gerüche und Riechstoffe
Gerüche:
Wir können Tausende von Gerüchen
wahrnehmen und unterscheiden.
Riechstoffe: müssen flüchtig sein: Molmasse < 300 D
Um die Membran der Riechzellen zu durchdringen
und einen Geruchsreiz auszulösen, müssen sie
gute Fettlöslichkeit und hinreichende
Wasserlöslickeit besitzen.
Osmophore
Gruppen:
Euosmophore: -CH=O, >C=O, -OH, -OR, -CN, -NO2
Kakosmophore: -CH=S, >C=S, -SH, -SR, -NC
32
Schematische Darstellung zur Substratspezifität
+
Schematische Darstellung zur Substratspezifität
+
Enzym
+
Substrat
Enzym - Substrat - Komplex
Oben: Schlüssel-Schloss-Modell nach E. Fischer (1894)
Unten: Anpassungsmodell (induced fit) nach D.E. Koshland (1958)
33
Molekülstruktur und Sinneswahrnehmung
34
Menthol, eine Verbindung mit minzigem Geruch
HO
(-)-Menthol,
ist ein Terpen-Alkohol,
Hauptbestandteil des
Pfefferminzöls
35
Moschus und Muscon
O
Moschus, schwarzbraune, gekörnte Masse
mit ammoniakalisch-animalischem Geruch.
Sekret einer Abdominaldrüse des
Moschustiers.
Muscon, wichtigster Duftstoff des
Moschus, ist als Fixateur in der ParfümIndustrie von großer Bedeutung.
R-(–)-Muscon
Viele Duft- und Aromastoffe sind Naturprodukte.
36
Moschus moschiferus
Das Moschustier: Eine kleine, geweihlose Hirschart, die auf den
37
Hochplateaus Ostasiens (Himalaya, Sibirien) lebt.
Civettictis civetta
Die Afrikanische Zibetkatze ist eines der häufigsten Säugetiere Afrikas.
Man findet sie in der Savanne ebenso wie in Wäldern.
Zibetkatzen (Civetten) sind eine Unterfamilie der Schleichkatzen. 38
Zibet und Zibeton (Civeton)
Zibet ist ein Sekret der Zibetkatze.
Zur Gewinnung von Zibet werden die Tiere in Gefangenschaft
gehalten.
Hauptproduzent ist Äthiopien mit ca. 2 Tonnen pro Jahr.
O
(Z)-Form
(Z)-9-Cycloheptadecen-1-on, Civeton, C17H30O, farblose, flüchtige,
widerwärtig (süß-animalisch nach Moschus) duftende Kristalle.
Hauptgeruchsträger von Zibet, in sehr großer Verdünnung ähnelt sein
Duft dem von Moschus.
39
Zibeton wird in der Parfüm-Industrie als Fixateur verwendet.
Molekülstruktur von Muscon
O
R-(–)-Muscon,
3-Methylcyclopentadecanon
40
Synthese von Exalton
CO2CH3
CO2CH3
1. Na
2. H+
OH
OH
Pentadecandisäuredimethylester
O
Zn/HCl
O
OH
Exalton, Cyclopentadecanon
Synthese durch Acyloinkondensation nach Stoll, Hansley und
Prelog (1947)
Exalton besitzt nahezu die gleiche Duftnote wie Muscon.
41
Massenspektrum einer Parfüm-Komponente
m/z
Das Massenspektrum wurde bei der GC/MS-Analyse des
Parfüms erhalten. Das Spektrum wird in einer Datenbank
gefunden. Demnach handelt es sich bei dieser Komponente um
42
den Moschus-Ersatzstoff "Exaltolide".
Moschus-Ersatz in einem Parfüm
K2CO3
Br
- HBr
O
O
H
O
Oxacyclohexadecan-2-on
C15H28O2 (m/z = 240)
ExaltolideR
O
43
Experimentalvorlesung 1819
44
T. Rawlandson, 1819, Experimentalvorlesung in der Royal Institution, London
Chemisches Laboratorium um 1840
Liebigs Analytisches Labor in Giessen
45
Chemisches Laboratorium 2005
Grundpraktikum Organische Chemie, Universität DuisburgEssen, Campus Essen
46
Motivation für ein Chemiestudium
"Keine unter allen Wissenschaften bietet dem Menschen eine größere
Fülle von Gegenständen des Denkens, der Überlegung und von
frischer, sich stets erneuernder Erkenntnis dar als die Chemie."
Justus von Liebig (1803–1873, Prof. für Chemie in Gießen u.
München), Chemische Briefe
47
MILESS
Die Folien der Vorlesung sind im Internet zugänglich:
http://miless.uni-essen.de
Suche nach: Probestudium
Es handelt sich um eine Datei im pdf-Format.
(Befristet bis 31.12.2005)
48
Chemie-Quiz im Probestudium mit
freundlicher Unterstützung durch die GDCh
[email protected]
[email protected]
Frage 1
Ist Kohlenstoff ein häufiges oder eher seltenes Element?
Frage 2
Auf welche Eigenschaften des Elements Kohlenstoff lässt sich die
große Vielfalt seiner Verbindungen zurückführen?
Frage 3
Was versteht man unter einer funktionellen Gruppe?
49