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Chemie für Biologen
Vorlesung im
WS 2004/05
V2, Mi 10-12, S04 T01 A02
Paul Rademacher
Institut für Organische Chemie
der Universität Duisburg-Essen
(Teil 7: 24.11.2004)
MILESS: Chemie für Biologen
126
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)
127
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.
Anorganische Verbindungen enthalten
keinen Kohlenstoff.
Ausnahmen: Carbonate und ähnliche
Verbindungen (Salze)
z. B. Na2CO3 Natriumcarbonat, Soda
KHCO3 Kaliumhydrogencarbonat
128
Vorkommen und Verteilung des Elements
Kohlenstoff
>99 %
Anorganische Verbindungen
(CaCO3 , ....)
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
Die 14 häufigsten Elemente (%): Sauerstoff 49.2, Silicium 25.7, Aluminium 7.5,
Eisen 4.7, Calcium 3.4, Natrium 2.6, Kalium 2.4, Magnesium 1.9, Wasserstoff
129
0.9, Titan 0.6, Chlor 0.2, Phosphor 0.1, Mangan 0.1, Kohlenstoff 0.09
129
Sonderstellung des Elements C
•
•
•
•
•
steht in der Mitte der 2. Periode des PSE
besitzt eine mittlere Elektronegativität (s. nächste Folie)
besitzt die geringste Tendenz zur Bildung von Ionen
besitzt die größte Tendenz zur Ausbildung kovalenter Bindungen
ist vierbindig (maximale Wertigkeit), 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
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.
130
Sonderstellung des Elements C
Elektronegativität nach Pauling
H
2.2
Li
1.0
He
Be
1.6
B
2.0
∆ = 1.5
C
2.5
N
3.0
O
3.4
F
4.0
Ne
∆ = 1.5
131
Verbindungen, die nur aus Kohlenstoff bestehen
Graphit
Härte = 1
Elektr. Leiter
Wärmeisolator
Diamant
Härte = 10
Elektr. Isolator
Wärmeleiter
Ruß: amorph, schwarz, elektrisch leitend (Autoreifen, Schuhcreme, Druckfarbe, Tusche, ....)
Fullerene
C20
C60
C70
C76
132
Kohlenwasserstoffe CxHy
Aliphaten
Aromaten (Arene)
⇓
Benzen (Benzol)
Naphthalen usw.
Alkane
⇓
Methan
Ethan
u.s.w
Alkene
⇓
Ethen
(Ethylen)
Propen
u.s.w.
Cycloalkane
⇓
Cyclopropan
Cyclobutan
u.s.w.
Alkine
Cycloaliphaten
⇓
Ethin
(Acetylen)
Propin
u.s.w.
Cycloalkene
⇓
Cyclopropen
Cyclobuten
u.s.w.
Cycloalkine
⇓
z.B.
Cyclooctin
133
Alkane
Alkane bestehen nur aus Kohlenstoff- und Wasserstoff-Atomen. Sie
besitzen keine Mehrfachbindungen. Sie sind gesättigte Kohlenwasserstoffe.
Methan CH4 ist das einfachste Alkan. Es besitzt eine tetraedrische Struktur.
Auch im Adamantan C10H16 sind die C-Atome tetraedrisch von anderen
Atomen (C oder H) umgeben.
Das vierbindige C-Atom bildet vier gleiche Bindungen.
Dies lässt sich mit der Elektronenkonfiguration seines Grundzustands
C: 1s2 2s2 2p2 nicht erklären.
134
Elektronenkonfiguration der Atome H - Ne
135
Elektronenkonfiguration und
sp3-Hybridisierung des C-Atoms
E
Grundzustand
1s2 2s2 2p2
angeregter Zustand
1s2 2s1 2p3
sp3-Hybridzustand
1s2 (sp3)4
136
Misch- bzw. Hybridorbitale: sp3-Hybridisierung
Hybridisierung von einem s-Orbital mit drei p-Orbitalen ⇒ sp3-Hybridisierung
H
109.5° H
C
H
H
H
104°
O
H
H N
H
H
107°
CH4
Tetraeder-Geometrie
jedes sp3-Hybridorbital besteht
aus ¼ s + ¾ p ⇒ 4 sp3-Orbitale
H2O
NH3
keine ideale Tetraedergeometrie, da
die Wechselwirkung freier
Elektronen mit Bindungselektronen
stärker repulsiv ist.
137
Bindungen mit sp3-Hybrid-Orbitalen
H H
Ethan: C2H6
H
H
H
H
C
C
≡
H
H
sp3
Lewis-Struktur
H C C H
H H
sp3
Kalottenmodell
H
H
H
H
C
H
C
H
1 σ-C−C-Bindung
154 pm
6 σ-C−H-Bindungen
110 pm
(1 pm = 10-12 m)
Kugel-StabModell
Alkane besitzen nur nur C(sp3)–C(sp3) - und C(sp3)–H – Bindungen.
138
Einfache Alkane
n
1
Name
Methan
Summenformel Struktur
H
CH4
Ethan
Propan
C3H8
H
H
C2H6
H
H
3
Sdp. -164°C
C
H
H
2
sp3
C
sp3
C
sp3
H
H
H3C
CH 3
Sdp. -89°C
H
H H
H3C
H
C
C
H
H
H
C
H
CH 2
CH 3
Sdp. -42°C
H
Summenformel: H−(CH2)n−H ⇒ CnH2n+2 (n = 1, 2, 3, 4, . . . )
CH2 = Methylen-Gruppe
139
Konstitutionsisomerie von Butan und Pentan
n
Name
Summenformel Struktur
4
Butan
C4H10
5
Pentan C5H12
Isomere
H3 C CH 2 CH 2 CH 3 n-Butan
Sdp. 0°C
CH 3
Isobutan
H3C CH CH 3
Sdp. -12°C
H3C CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 n-Pentan
Sdp. +36°C
CH
2
3
H3C CH CH 2 CH 3
CH 3
H3C C CH 3
CH 3
Isopentan
Sdp. +28°C
3
Neopentan
Sdp. +9.5°C
"Isomer" und "Isomerie" von griechisch "ísos" und "méros" = gleiche Teile.
Konstitutionsisomere unterscheiden sich in der Atomverknüpfung. Sie
besitzen verschiedene Eigenschaften. Sie können nur durch Spaltung und
Neuknüpfung von Bindungen in einander überführt werden.
140
Konstitutionsisomerie der Alkane
Zahl der
C-Atome
Summenformel
Name
Isomerenzahl
1
CH4
Methan
1
2
C2H6
Ethan
1
3
C3H8
Propan
1
4
C4H10
Butan
2
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
141
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