Organische Chemie für MST 1

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Organische Chemie für MST 1
Lienkamp / Prucker / Rühe
Inhalt
1
Warum OC in der MST?
Orbitaltheorie
Bindungstypen und intermolekulare Kräfte
 kovalente Bindung  ionische Bindung  Wasserstoffbrückenbindung
 Dipol‐Dipol‐Wechselwirkung
 van‐der‐Waals‐Kräfte
Funktionelle Gruppen/Funktionelle Gruppen in MST‐Materialien
Einfluß von funktionellen Gruppen auf chemische Eigenschaften
Elutrope Reihe, Mischbarkeit von Lösungsmitteln
Wie schreibt man organische Strukturen?
Warum Organische Chemie in MST?
• Alle Mikrosysteme sind Materialien ‐ viele davon sind organische Materialien! z.B. PMMA; HDPE; Zeonex, PEEK, SU‐8...
• Verwendung von Chemikalien in der MST: Lösungsmittel, Photoresists, Säuren…
– Kann ich mein Mikrosystem mit Toluol behandeln ohne das es kaputt geht (sich auflöst, quillt…)?
– Worin löst sich mein Photoresist und warum?
– Was passiert auf molekularer Ebene, wenn Photoresists
belichtet werden?
• Alle Mikrosysteme haben Oberflächen
– Warum wird mein Mikrokanal nicht von Wasser benetzt?
– Wie kann ich den Kanal modifizieren, damit er benetzt wird?
Deshalb brauchen Sie Grundkenntnisse der organischen Chemie!!!
Lernziele:
• Grundlagen der chemischen Bindung –
„Alphabet“
• Funktionelle Gruppen – „Vokabeln“
• Chemische Reaktionen – „Grammatik“
• MST‐Anwendungen – „Aufsatz“
Grundkenntnisse („Mittelstufen‐Chemie“) werden vorausgesetzt.
Falls nicht mehr vorhanden: K. Standhartinger, „Organische Chemie für Ahnungslose“, Hirzel, Stuttgart 2010.
Lehrbuchempfehlung und Weblink
Paula Bruice
Organische Chemie – Studieren kompakt
Paula Y. Bruice
Organische Chemie – Studieren kompakt
5., aktualisierte Auflage
ISBN: 978-3-8689-4102-9
1.200 Seiten | 4-farbig
Juni 2011
€ 89,95 [D] | € 92,50 [A] | SFR 139,00
www.pearson-studium.de
www.pearson.ch
5
ebenfalls sehr hilfreich:
www.masterorganicchemistry.com
OC = Chemie des Kohlenstoffs
• 4 Bindungen  Strukturvielfalt
• Warum 4 Bindungen? – komplizierte Antwort: Quantenmechanik
– 4 Valenzelektronen, Oktettregel
• Grundsätzliche Frage bei allen organischen Reaktionen: „Wie sind die Elektronen (Ladungen) verteilt und wohin fließen sie?“ (Analog zum elektrischen Stromkreis)
• Wichtig: in der OC fließen nur Elektronen, es hopsen keine „Löcher“
OC‐ABC:
Atommodelle
• „Primitive“ Vorstellung: Kern‐Schale‐Modell (Bohrsches Atommodell)
http://de.wikipedia.org/wiki/Bohrsches_
Atommodell
www.oebv.at
OC‐ABC: Orbitaltheorie
• Realistischere Vorstellung = Orbitale
• Orbitale
– Lösung der Schrödinger‐Gleichung
– Definiert den Raum, in dem sich ein Elektron aufhält
– 4 Quantenzahlen
• Hauptquantenzahl n: „Schale“, Energieniveau
• Bahndrehimpuls‐Quantenzahl l: „Unterschale“, Form des Orbitals; s, p, d, f...
• Magnetquantenzahl ml: Neigung des Drehimpolsvektors: px, py,pz
• Spinquantenzahl: s
• Besetzungsregeln: – Hund‘sche Regel: energiegleiche Orbitale werden zunächst nur einfach besetzt
– Pauli‐Prinzip: pro durch 4 Quantenzahlen beschriebenes Orbital nur ein Elektron.
Wozu Orbitaltheorie?
Organische Chemie = „Strichmännchen“ und „Elektronenschubsen“
Orbitaltheorie
• erklärt die Bindungsverhältnisse in organischen Molekülen (warum Einfachbindungen, warum Doppelbindungen…)
• erklärt die Molekülgeometrie
• erklärt die Molekülreaktivität
www.ptable.com/Images/periodensystem.png
„Periodensystem der Organischen Chemie“
OC‐ABC: Bindungstypen
• Wir kennen verschiedene Bindungstypen
• Der Bindungstyp wird u.a. bestimmt durch  Elektronegativitätsdifferenz zwischen den beteiligten Atomen
 Verfügbare Orbitale aus: Paula Bruice, Organische Chemie – Studieren kompakt, 5. Aufl, Pearson Verlag, 2010
Bindungstypen –
Die kovalente Bindung
• „Teamplayer“: k(l)eine EN‐Differenz, Elektronen werden geteilt, z.B. C‐C‐
Einfachbindung
• Welche und wie viele kovalente Bindungen hängt von der Anzahl der Valenzelektronen ab
• C: Einfach‐, Doppel‐, Dreifachbindung, in summa immer 4
• H:(normalerweise) nur eine Einfachbindung.
Bindungstypen – Die kovalente Bindung im Wasserstoffmolekül
aus: Paula Bruice, Organische Chemie – Studieren kompakt, 5. Aufl, Pearson Verlag, 2010
Bindungstypen – Die kovalente Bindung im Wasserstoffmolekül (2)
aus: Paula Bruice, Organische Chemie – Studieren kompakt, 5. Aufl, Pearson Verlag, 2010
Bindungstypen – Die kovalente Bindung im Wasserstoffmolekül (3)
aus: Paula Bruice, Organische Chemie – Studieren kompakt, 5. Aufl, Pearson Verlag, 2010
OC‐ABC: Orbitale des Kohlenstoffatoms
• Wie sehen Kohlenstoff‐Atomorbitale im Grundzustand aus?
1s
2s
2px
2py 2pz
• zu beachten: Größe und Symmetrie
aus: Paula Bruice, Organische Chemie –
Studieren kompakt, 5. Aufl, Pearson Verlag, 2010
OC‐ABC: Orbitale des Kohlenstoffatoms (2)
• Verschiedene Orbitale, gleichwertige Bindungen?
• Atomorbitale kann man mischen! (nicht willkürlich, es gibt Regeln – passende Symmetrie, passendes Energieniveau…)
• Linearkombination von Atomorbitalen zu Molekülorbitalen (n AOs ergeben n MOs!) =
Hybridisierung. Beispiel: C‐Atom in Methan
OC‐ABC: Orbitale des Kohlenstoffatoms (3)
• Hybridorbitale des Kohlenstoffs
aus: Paula Bruice, Organische Chemie – Studieren kompakt, 5. Aufl, Pearson Verlag, 2010
Bindungstypen – die kovalente Bindung unter Beteiligung von Kohlenstoff
Wie sehen Hybridorbitale aus? • sp3 : Tetraeder‐Geometrie, 109°
Beispiel: Methan – C‐H‐Bindungen
aus: Paula Bruice, Organische Chemie – Studieren kompakt, 5. Aufl, Pearson Verlag, 2010
Bindungstypen – die kovalente Bindung unter Beteiligung von Kohlenstoff
• C‐C‐Einfachbindungen entstehen durch Überlappung von sp3 ‐ Hyridorbitalen
aus: Paula Bruice, Organische Chemie – Studieren kompakt, 5. Aufl, Pearson Verlag, 2010
Bindungstypen –
Die kovalente Bindung
• Beispiele:
Bindungstypen – Die ionische Bindung
• „egoistische Atome“: große EN‐Differenz
http://masterorganicchemistry.com/
http://isitgross.com/
Wenn Sie hierüber lachen können haben Sie die Natur der ionischen Bindung verstanden
http://www.lab‐initio.com/
Bindungstypen – Die polare kovalente Bindung
• Ursache: mäßige Elektronegativtätsdifferenz zwischen Bindungspartnern
• Resultat: Partialladungen, intermolekulare Dipol‐Dipol‐
Wechselwirkung
http://masterorganicchemistry.com/
Übung: Polare Atombindungen
masterorganicchemistry.com/
Bindungstypen – Die Wasserstoffbrückenbindung
• Wechselwirkungen zwischen H‐Brückendonor und –akzeptor
• intermolekular und intramolekular
http://masterorganicchemistry.com/
OC‐ABC: Intermolekulare Kräfte
• Wir kennen bereits: Ionische WW, Dipol‐Dipol‐WW, H‐Brücken
http://masterorganicchemistry.com/
OC‐ABC: Intermolekulare Kräfte (2)
Relative Stärke bei intermolekularen Kräften
Ionische‐WW
Wasserstoffbrückenbindungen
Dipol‐Dipol ‐WW
van der Waals‐Kräfte
Chemisches Vokabelheft:
Reaktionstypen
• Substitution: – Eine fkt. Gruppe wird durch eine andere ersetzt
– Abgangsgruppe
• Addition
– Anlagerung an eine Mehrfachbindung
• Eliminierung
– Abspaltung, Umkehrreaktion der Addition
• Umlagerung
– Änderung der Reihenfolge bzw. des C‐Gerüsts
Chemisches Vokabelheft: Funktionelle Gruppen
Funktionelle Gruppen in MST‐Materialien (1)
• Poly(ethylen): HD‐PE, LD‐PE, UHMWPE
chemisch inert
Hydrophob
„Polyalkan“
• Poly(vinylchlorid): PVC
chemisch relativ inert
Hydrophob
„Polyhalogenalkan“
Funktionelle Gruppen in MST‐Materialien (2)
• Poly(methylmethacrylat): PMMA
http://de.wikipedia.org/wiki/PMMA
Funktionelle Gruppen in MST‐Materialien (3)
• Poly(oxymethylen): POM, Poly(acetal), Poly(formaldehyd)
• Poly(amid): PA, Nylon
http://de.wikipedia.org/wiki/Polyoxymethylen bzw. /Polyamid
Funktionelle Gruppen in MST‐Materialien (5)
• Poly(carbonat): PC
http://de.wikipedia.org/wiki/Polycarbonate
Funktionelle Gruppen in MST‐Materialien (6)
• Poly(ethylenterephthalat): PET
• Poly(butylenterephthalat): PBT
http://de.wikipedia.org/wiki/Polyethylenterephthalat bzw. /Polybutylenterephthalat
Chemist‘s Worst Nightmare
Lab‐initio.com
Einfluß von funktionellen Gruppen auf chemische Eigenschaften
• Elektronegativität: – Partialladungen
– Dipole
• Wasserstoffbrücken:
– Donoren
– Akzeptoren
• Einfluß auf Reaktivität und makroskopische Eigenschaften, z.B.
– Schmelzpunkt/Siedepunkt
– Wasserlöslichkeit/Mischbarkeit
aus: Paula Bruice, Organische Chemie – Studieren kompakt, 5. Aufl, Pearson Verlag, 2010
Intermolekulare Kräfte/Funktionelle Gruppen
Übung: Überlegen Sie sich...
• ..die Verteilung der Partialladungen/Dipole
• ...die Ausbildung von Wasserstoffbrücken (Donoren‐
/Akzeptoren?)
• ...den Einfluß auf den Siedepunkt und die Wasserlöslichkeit/Polarität
für folgende funktionelle Gruppen:
• C=O, COOH
• OH
• Phenylgruppe
unpolar  polar
Elutrope Reihe der Lösungsmittel aliphatische Lösungsmittel (Pentan, Hexan, Cyclohexan...)
(Vgl. Praktikumsversuch Chromatographie)
Lösungsmittel sind nach Polarität sortiert
Toluol, Benzol
Diethylether
0
Dichlormethan, Trichlormethan
(Chloroform)
10
Aceton
20
30
Dioxan, Tetrahydrofuran (THF)
Essigsäureethylester (Ethylacetat)
Dimethylsulfoxid (DMSO)
40
50
Acetonitril
Pyridin
2‐Propanol (Isopropanol)
Ethanol
Methanol
Essigsäure
Wasser
Warum ist das wichtig für die MST?
• Reinigungsschritte für Substrate in MEMS‐
Prozessen (stört sonst beim Bonden/Löten/etc.)
• Reihenfolge der Waschschritte:
– Aceton oder Chloroform („Entfetten“, Entfernung unpolarer Verunreinigungen)
– Isopropanol (Abspülen von Aceton oder Chloroformresten, mischbar mit org. LöMi und Wasser)
– Wasser (Entfernung restlicher polarer Verunreinigungen)
Warum ist das wichtig für die MST?
Beispiel: Strippen eines Resists
n
H
CO2
+
H+
O
O
OH
O
löslich in:
Anisol (Methoxybenzol) 
NaOH
Mischbarkeit von Lösungsmitteln
• unmischbare LöMis
können nicht direkt nacheinander zum Waschen verwendet werden (keine Oberflächenbenetzung)
• z.B. Chloroform –
Wasser; Lösung: mit einem LöMi mittlerer Polarität „zwischenspülen“
www.fisher.co.uk
OC‐ABC : Wie schreibt man organische Strukturen?
• z.B. Actinomycin D (Antibiotikum)
• hinter organischen „Strichmännchen“ verbirgt sich die Orbitaltheorie
http://de.wikipedia.org/wiki/Naturstoff
Warum „Strichmännchen“?
• Vereinfachung
http://masterorganicchemistry.com/
Warum Vereinfachung?
• Vereinfachung erlaubt es, ähnliches leichter zu identifizieren…
http://masterorganicchemistry.com/
Warum Vereinfachung? (2)
…und Kompliziertes leichter zu analysieren!
MIT 2003
OC‐ABC: Wie schreibt man organische Strukturen? (2)
Grundregeln:
• Bindungen und freie Elektronenpaare = Linien
• Eine Linie = 2 Elektronen
• Cs und Hs werden weggelassen (außer man will spezielle Positionen betonen)
• Jedes Linienende, jede Kreuzung gleich ein C‐Atom
(außer ein Heteroatom ist angegeben)
• Hs werden „im Geist“ ergänzt, so dass jedes C‐Atom 4 Bindungen (= 8 Elektronen) hat. • Heteroatome werden ausgeschrieben
• Abkürzungen (CH3, CH2) sind OK.
OC‐ABC: Wie schreibt man organische Strukturen? (3)
aus: Paula Bruice, Organische Chemie – Studieren kompakt, 5. Aufl, Pearson Verlag, 2010
OC‐ABC: Wie schreibt man organische Strukturen? (4)
aus: Paula Bruice, Organische Chemie – Studieren kompakt, 5. Aufl, Pearson Verlag, 2010
OC‐ABC: Wie schreibt man organische Strukturen? (5)
Beispiele:
Wie schreibt man organische Strukturen NICHT?
• Nicht wie in der Schule (ein Strich  H)!
• Wenn ein C ausgeschrieben wurde, werden alle Bindungen an diesem C ausgeschrieben! (C = C  Ethen!)
• Bindungswinkel beachten: meist 109°, 120°
bzw. 180°
• Fünfbindiger Kohlenstoff gibt Punktabzug!!!
OC‐ABC: Wie schreibt man organische Moleküle in 3D?
• Moleküle sind nicht flach!
„ball‐and‐stick“‐ Modell (Wikipedia.de)
http://cdn.physorg.com/
Kalotten‐Modell (http://partner‐google.photobucket.com/)
OC‐ABC: Wie schreibt man organische Moleküle in 3D (2)
masterorganicchemistry.com
OC‐ABC: Wie schreibt man organische Moleküle in 3D (3)
Keilstrich‐Schreibweise
masterorganicchemistry.com
OC‐ABC: Wie schreibt man organische Moleküle in 3D (4)
masterorganicchemistry.com
OC‐ABC: Wie schreibt man organische Moleküle in 3D (5)
OC‐ABC: Verschiedene 3D‐
Darstellungen
• Keilstrich‐, Sägebock‐ und Newman‐Projektion
masterorganicchemistry.com
Wie schreibt man Reaktionsmechanismen?
• „Elektronen schubsen“
• Ein Elektron bewegt sich: „Fischhaken‐Pfeile“
• Zwei Elektronen bewegen sich: „ganze Pfeile“