O NH+ 3 O O- O O NH+ 3 O NH+ 3 O- NH2 NH NH2 O O- NH+ 3 OH Chemie O- NH2 O OO O- SH O N NH+ 3 O OH NH NH+ 3 ONH+ 3 O- O- O NH+ 3 NH+ 3 NH+ 3 O O- NH+ 3 OO OH NH+ 3 Organische Chemie S O vorgelegt am: 25. November 2011 OH O- NH+ 3 O- O NH+ 3 O O- O NH+ 3 NH2 OH OO NH+ 3 O O NH+ 3 Klasse 12 O OO N NH NH+ 3 O NH+ 3 NH2 O- NH+ 3 O NH+ 3 OO NH2 NH N Robin Schneider O- O- O- O- O- O + NH+ 3 O OH Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis IV Tabellenverzeichnis IV Abkürzungsverzeichnis V 1 Einführung 1 2 Alkane (Paraffine) 2.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Alkane bilden eine homologe Reihe . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Experiment 1: Verbrennung von Alkanen . . . . . . . . . . . . 2.5 Experiment 2: Löslichkeit in Wasser . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Experiment 3: Alkan und Halogen . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7 Substitution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8 Experiment 4: Beilsteinprobe – Nachweis von Halogenalkanen 2.9 Erstsubstitution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.10 Zweisubstitution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.11 Benennung von Halogenalkanen . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.11.1 Griechische Zahlwörter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12 Isomerie der Alkane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12.1 Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.12.2 Namensgebung bei Isomeren . . . . . . . . . . . . . . . 3 Alkene (Olefine) 3.1 Doppelbindungsisometrie . . . . . . 3.2 Experiment 5: Alken und Halogen . 3.3 Addition . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Alkene bilden eine homologe Reihe . . . . . . . . 4 Alkine (Acetylene) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 3 4 5 6 6 7 8 8 8 9 9 9 10 10 . . . . 12 12 12 13 13 15 5 Einige zyklische Kohlenwasserstoffe 15 5.1 Reaktion von Cyclohexan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 5.2 Reaktion von Cyclohexen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 II 6 Organische Sauerstoffverbindungen – Alkanole (Alkohole) 6.1 Experiment 6: Ethanol und Natrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Experiment 7: OH Gruppierung in Ethanol ist anders als in Basen . . . . . . . . 6.3 Weitere Alkohole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Mehrwertige Alkohole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Funktionelle Gruppe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6 Experiment 8: Nachweis mehrerer OH-Gruppen (Hydroxylgruppen) im Molekül . 6.7 Experiment 9: Reaktionsfreudigkeit des Glycerin . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8 Experiment 10: Butanol und Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9 Experiment 11: Pentanol und Benzol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.10 Experiment 12: Ethanol und Pentanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.11 Experiment 13: Glucose und Schwefelsäure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.12 Experiment 14: Ethanol und Schwefelsäure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.13 Eliminierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.14 Typische Reaktionen der Alkohole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.15 Reaktionsgleichungen zu Verbrennungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.16 Reaktion von Methanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.17 Reaktion von Propanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.18 Übersicht der funktionelle Gruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 17 18 18 19 20 20 20 21 22 22 22 23 23 24 24 24 24 25 7 Aldehyde 7.1 Nachweise der Aldehydgruppen . . . . . . . . . . . . . . 7.1.1 Experiment 15: Nachweis für Aldehyde . . . . . . 7.1.2 Gleich zu Experiment 15 nur mit 2-Propanol . . . 7.1.3 Experiment 16: Fehling-Probe . . . . . . . . . . . 7.1.4 Experiment 17: Tollensprobe (Silberspiegel-Probe) 26 26 26 27 27 27 A Halogenalkane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 III Abbildungsverzeichnis 1 2 3 4 Modell eines Methanmoleküls Pentan in Wasser . . . . . . . Brom reagiert mit Hexan . . . Ethanol und Schwefelsäure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 . 6 . 7 . 23 Ausgewählte Kohlenwasserstoffe . . . . . . . . . . . . . . Eigenschaften Ausgewählte Kohlenwasserstoffe . . . . . . Übungen zum aufstellen der vereinfachten Strukturformel Einige zyklische Kohlenwasserstoffe . . . . . . . . . . . . Die homologe Reihe der Alkanole . . . . . . . . . . . . . Übersicht der funktionelle Gruppen . . . . . . . . . . . . Übersicht über die behandelten funktionellen Gruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabellenverzeichnis 1 2 3 4 5 6 7 IV 2 4 11 15 21 25 27 Abkürzungsverzeichnis1 H C O Na Cl Cu Br Ag AgNO3 Br2 C3 H8 O3 C3 H5 N3 O9 C4 H10 O CH4 C2 H6 C3 H8 C4 H10 C5 H12 C6 H14 C7 H16 C8 H18 C17 H36 C2 H4 C3 H6 C4 H8 C2 H2 C3 H3 CH3 OH 1 Wasserstoff Kohlenstoff Sauerstoff Natrium Chlor Kupfer Brom Silber Silbernitrat Brom Glycerin Nitroglycerin Diethylether Methan Ethan Propan Butan Pentan Hexan Heptan Octan Heptadecan Ethen Propen Buten Ethin Propin Methanol C2 H5 OH C3 H7 OH C4 H9 OH C5 H11 OH CH2 O C2 H4 O C3 H6 O C4 H4 KNaO6 C6 H6 C6 H12 O6 CH3 OH CH4 N2 O CHNO Cl2 CO2 CO CuO CuSO4 H2 H2 CO3 H2 O H2 SO4 HBr HCl KMnO4 NaOH NH3 NH4 OH Ethanol Propanol Butanol Pentanol Methanal Ethanal Propanal Seignettesalz Benzol Glucose Methanol Harnstoff Cyansäure Chlor Kohlendioxid Kohlenmonoxid Kupfer(II)-oxid Kupfersulfat Wasserstoff Kohlensäure Wasser Schwefelsäure Bromwasserstoff Salzsäure Kalziumpermanganat Natronlauge Ammoniak Ammoniumhydroxid Verzeichnis aller im Text, ausgenommen Tabellen, benutzten chemischen Elemente, sortiert nach ihrer Ordnungszahl und Moleküle. Die Elemente und Moleküle wurden beim ersten Auftreten ausgeschrieben und die Abkürzungen in Klammern dahinter gesetzt. Alle folgenden Male wurde nur die Abkürzung benutzt. In Überschriften wurde davon unabhängig die Langform benutzt. V 1 Einführung Jöns Jacob Berzelius: Lehrmeinung bis ins 19. Jahrhundert. • Organische Chemie Organische Stoffe werden nur in der belebten Natur gebildet, mit Hilfe einer göttlichen Lebenskraft (lateinisch vis vitalis) • Anorganische Chemie Anorganische Stoffe sind Stoffe der unbelebten Natur: Salze, Erze, Gesteine Friedrich Wöhler: stellte 1829 Harnstoff (CH4 N2 O) synthetisch aus Cyansäure (CHNO) und Ammoniak (NH3 ) her. Damit ist die Meinung von Jöns Jacob Berzelius widerlegt. O C NH2 NH2 Neue, moderne Lehrmeinung: organische Chemie ist die Chemie der Kohlenstoffverbindungen außer Kohlensäure (H2 CO3 ), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2 ) und Karbonate (Salze der H2 CO3 ). Alle organischen Stoffe verbrennen zu Kohlenstoff (C), CO2 oder CO, Wasserstoff (H2 ). Die Vielfalt der organischen Stoffe resultiert aus den verschiedenen Verbindungsformen. 4. Ringe 1. Lewis-Schreibweise von C: C H 2. Kette H H H C C C H H 3. Verzweigung H H H H H C C H H H H C H H C H C H H C H H H H C C C H H • Es bilden sich immer wieder neue Stoffe mit anderen Eigenschaften H C H • Es entstand nach der Entdeckung von Wöhler ein ganz neuer Industriezweig: Zeitalter der Kunststoffe H H • An die Kohlenstoffatome kann sich H2 binden. Es entstehen die Kohlenwasserstoffe. 1 2 Alkane (Paraffine) Strukturformel H H C vereinfachte Strukturformel H Summenformel Name CH4 Methan CH3 −CH3 C2 H6 Ethan CH3 −CH2 −CH3 C3 H8 Propan CH3 −CH2 −CH2 −CH3 C4 H10 Butan CH3 −CH2 −CH2 −CH2 −CH3 C5 H12 Pentan CH3 −CH2 −CH2 −CH2 −CH2 −CH3 C6 H14 Hexan H H H 2 H H H H H C C H H H H H H C C C H H H H H H H H C C C C H H H H H H H H H H C C C C C H H H H H H H H H H H H C C C C C C H H H H H H H Tab. 1: Ausgewählte Kohlenwasserstoffe 2.1 Definition Alkane sind kettenförmige (azyklische oder aliphatische) Kohlenwasserstoffe (KW) in denen C-Atome nur durch Einfachbindung verbunden sind. Vorsilbe: Anzahl der C-Atome Endung: Einfachbindung zwischen den C-Atomen 2.2 Eigenschaften • Man nennt sie gesättigte Kohlenwasserstoffe weil die höchst mögliche Anzahl an Wasserstoff (H)-Atomen eine Verbindung mit dem C-Atom eingegangen haben. • Sie wurden früher auch Paraffine (reaktionsträge) genannt. • In Kohlenwasserstoff herrscht eine annähernd reine Atombindung. • Normalerweise sind, bei Raumtemperatur, alle Stoffe mit reiner Atombindung gasförmig. Kohlenstoffverbindungen können auch flüssig oder sogar fest sein. • Je länger die Kette desto träger der Stoff. gasförmig ab C5 ab C15 flüssig fest Abb. 1: Modell eines Methanmoleküls 3 Kettenlänge 2.3 Alkane bilden eine homologe Reihe Eine Reihe organischer Verbindungen deren Vertreter die gleichen Strukturmerkmale aber unterschiedliche Kettenlängen haben, deren Vorgänger sich vom Nachfolger durch eine CH2 Gruppe unterscheidet, nennt man homologe Reihe. Wegen der gleichen Strukturmerkmale sind die chemischen Reaktionen ähnlich. Wegen unterschiedlicher Kettenlängen sind die physikalischen Eigenschaften verschieden. Formel SchmelzSiedeAggregattemp. (∘C) temp. (∘C) zustand Methan −184 −164 Gas Ethan −172 −89 Gas Propan −190 −42 Gas Butan −135 −0,5 Gas Pentan −129 36 flüssig Hexan −94 69 flüssig Heptan −90 98 flüssig Octan −59 126 flüssig Nonan −54 151 flüssig Decan −30 174 flüssig Undecan −26 196 flüssig Dodecan −10 216 flüssig Tridecan −6 230 flüssig Tetradecan 5,5 251 flüssig Pentadecan 10 268 flüssig Hexadecan 18 280 fest Heptadecan 22 303 fest Tab. 2: Eigenschaften Ausgewählte Kohlenwasserstoffe • organische Stoffe • gleiche chemische Reaktion • unterschiedliche physikalische Eigenschaften 4 Viskosität nimmt zu GGGGGGGGGGGGGGA CH4 C2 H6 C3 H8 C4 H10 C5 H12 C6 H14 C7 H16 C8 H18 C9 H20 C10 H22 C11 H24 C12 H26 C13 H28 C14 H30 C15 H32 C16 H34 C17 H36 Name 2.4 Experiment 1: Verbrennung von Alkanen Aufbau: 5 Abdampfschalen, Bunsenbrenner, Holzstäbchen, Dreifuß, Pentan (C5 H12 ), Hexan (C6 H14 ), Heptan (C7 H16 ), Octan (C8 H18 ), Heptadecan (C17 H36 ). Durchführung: Wir versuchten die Alkane nacheinander anzuzünden. Beobachtung: C5 H12 : Flüssig, durchsichtig, riecht nach Benzin, ist sehr leicht entzündbar, orange Flamme. C6 H14 : wie das C5 H12 . C7 H16 : etwas dickflüssig, öliger, durchsichtig, riecht nach Benzin, etwas langsamer entzündbar, brennt orange. C8 H18 : öliger, riecht weniger nach Benzin, durchsichtig, schwerer entzündbar, brennt orange C17 H36 : sehr ölig, dickflüssig, durchsichtig, mit Holzspan nicht entzündbar, auch nicht mit einer Bunsenbrennerflamme in unserem Experiment ließ es sich nicht entzünden. Eigentlich geht etwas von dem C17 H36 in den gasförmigen Zustand über. Folglich ließe sich das C17 H36 -Gas mit einem Holzspan entzünden. Flammenvergleich: • Die Flamme des Methan (CH4 ) (Bunsenbrenner) ist blau. • Die anderen Flammen sind gelb-orange. • Bei zunehmendem Kohlenstoffanteil wird die Flamme immer orangefarbener. • In den Abdampfschalen bleibt unverbrannter Ruß (C) zurück. Geruchsprobe: Gasförmige und Feste Alkane sind geruchsfrei, Flüssige riechen nach Benzin. Gleichungen: CH4 + 2 O2 −→ CO2 + 2 H2 O C2 H6 + O2 −→ CO2 + H2 O 2 C2 H6 + 7 O2 −→ 4 CO2 + 6 H2 O C3 H8 + 5 O2 −→ 3 CO2 + 4 H2 O 5 C6 H14 + 19 2 O2 −→ 6 CO2 + 7 H2 O 2 C6 H14 + 19 O2 −→ 12 CO2 + 14 H2 O Bei gerader C-Anzahl mit 2 erweitern, weil sonst Brüche in der Gleichung vorkommen. 2.5 Experiment 2: Löslichkeit in Wasser Überlegung: Alkane sind eine Erdölfraktion. Kurzkettige Alkane haben einen ähnlichen Aggregatzustand und Konsistenz wie Wasser (H2 O). Aufbau: C5 H12 , H2 O, Reagenzglas. Beobachtung: • Trennschicht (schlecht in H2 O löslich: Hydrophob). • bei Schütteln, kurzzeitige Emulsion. Abb. 2: Pentan in Wasser Alkane reagieren weder auf die stärkste Lauge (Alkalilauge) noch auf die stärkste Säure Schwefelsäure (H2 SO4 ). 2.6 Experiment 3: Alkan und Halogen Aufbau: C6 H14 , Brom (Br2 ), Becherglas, angefeuchtetes Indikatorpapier (Lackmuspapier) ist oben am Becherglas befestigt, Pipette, Dreifuß, Bunsenbrenner. Vorüberlegung: Bei einfachem zusammengießen der beiden Stoffe wird nichts geschehen, da Br2 nur durch Licht oder Wärme reagiert. Da Br2 ein Nichtmetall ist, sollte sich, falls eine Reaktion zu Stande kommt, das Lackmuspapier rot Färben. 6 Durchführung: Abb. 3: Brom reagiert mit Hexan Beobachtung: • zuerst keine Reaktion. • während dem erhitzen mit dem Bunsenbrenner entsteht Gas, dass das Indikatorpapier rot färbt. • Das Brom-Alkangemisch entfärbt sich. H H H H H H Gleichung: H −→ H C C C C C C H H H H H H H H H H H H C C C C C C H + Br − Br Br + H−Br H H H H H H Es entsteht 1-Monobromhexan und Bromwasserstoff (HBr). Erklärung: Durch die Spaltung sind die Außenelektronen frei geworden. Da die Spaltung genau in der Mitte erfolgte, handelt es sich um eine homolytische Spaltung. Ein H-Atom wird durch ein Brom (Br)-Atom ausgetauscht. 2.7 Substitution Die Substitution ist eine chemische Reaktion bei der Atome oder Atomgruppen durch andere ausgetauscht werden. Stoffe die sich ablagern sind Substituenten. Es entstehen immer wieder neue Abspaltungen bis alle H-Atome von den Kohlenstoffatomen abgespalten sind und sich stattdessen Halogene ablagern. Eselsbrücke zur Substitution: „aus zwei mach zwei“ 7 2.8 Experiment 4: Beilsteinprobe – Nachweis von Halogenalkanen Entwickelt Anfang des 19 Jahrhundert vom Chemiker Friedrich Konrad Beilstein. Aufbau: Abdampfschale, Bunsenbrenner, Kupfer (Cu)-Streifen, Tiegelzange, Monobromhexan. Durchführung: 1. Ausglühen eines Cu-Streifens über dem Bunsenbrenner (um zu verhindern, dass die grüne Kupferflamme den Nachweis stört). 2. Cu in das Halogenalkan (CFKW) halten. 3. Dann in die rauschende Bunsenbrennerflamme halten. Beobachtung: Die Flamme glüht erst gelb und dann blau-grün (Halogenalkannachweiß) Erklärung: Die gelbe Flamme erscheint durch übermäßiges Hexan. Die blau-grüne Flamme wird durch die Kupferhalogene hervorgerufen. 2.9 Erstsubstitution Am Beispiel von Ethan (C2 H6 ) und Chlor (Cl2 ). H H H H C C H H H + Cl − Cl −→ H Cl C C H H Man muss von der Erstsubstitution ausgehen. H Cl H Cl H + H−Cl 2.10 Zweisubstitution H C C H + Cl − Cl −→ H C C H + H−Cl H H Cl H Die Chlor (Cl)-Atome sind aufgrund ihrer gleichen Außenelektronen, die sich abstoßen, so weit wie möglich entfernt. Dies ist die stabilste Anordnung. Cl Cl Cl Cl C C C Cl Cl Cl Cl Dieses Halogenalkan ist unter normalen Umständen nicht lange beständig. 8 Man nennt diese Alkane voll substituierte Alkane. Voll substituierte Alkane brennen nicht (gasförmig). Sie sind daher in Feuerlöschern benutzt worden. Die meisten sind allerdings Krebs erregend. 2.11 Benennung von Halogenalkanen Beispiel: H Cl Br F H C C C C Br Cl H F H 1,2-Dibrom-1,2-Dichlor-3,4-Diflourbutan 1. Längste C-Kette benennen und (nach Stellung der Substituenten) vom kürzesten Kettenende an durchnummerieren; Substituenten werden im Namen in alphabetischer Reihenfolge angegeben. 2. Stellung der Substituenten als Zahl angeben. (Stellung der C-Atome durch Zahlen muss nicht angegeben werden, wenn nur ein C vorhanden ist.) 3. Anzahl der gleichen Halogenalkane mit griechischem Zahlwort angeben. 4. Endung: -an; nur Einfachbindungen. 2.11.1 Griechische Zahlwörter 1. mon(o) 5. pent(a) 9. non(a) 2. di 6. hex(a) 10. dek(a) 14. tetradek 3. tri 7. hept 11. undek 15. pentadek 4. tetra 8. okt 12. dodek 16. hexadek 13. tridek 2.12 Isomerie der Alkane Unterschiedliche Strukturen verursachen unterschiedliche Eigenschaften (zum Beispiel unterschiedliche Siedetemperaturen) Isomere sind Stoffe mit gleicher Summenformel, aber unterschiedlicher Strukturformel. Das Auftreten dieser Erscheinungsform nennt man Isomerie. • Ab Butan (C4 H10 ) gibt es Isomere. • Bei einem Alkan mit 25 C-Atomen gibt es 36 Millionen Isomerie-Möglichkeiten. 9 2.12.1 Beispiel H H H H H C C C C H H H H H H N-Butan (Normalbutan) H H H C C C H H H H C H H Methylpropan 2.12.2 Namensgebung bei Isomeren CH3 CH3 C 3-Ethyl-2,2-Dimethylheptan CH CH2 CH2 CH2 CH3 CH3 CH2 CH3 1. Hauptkette ermitteln und benennen (längste Kette). 2. Seitenkette benennen und alphabetisch ordnen (Endung: -yl statt -an; Alkylrest: Radikale, die sich aus den Alkanen ableiten, aus denen sie durch Entzug eines H-Atoms entstehen: Cn H2n+1 ). 3. Anzahl gleicher Seitenketten mit Zahlwort kennzeichnen (-di, -tri, -tetra). 4. Verknüpfungstelle zwischen Haupt- und Seitenkette angeben (vom kürzesten Kettenende an zählen). Name vereinfachte Strukturformel Siedetemp. (∘C) n-Hexan CH3 −CH2 −CH2 −CH2 −CH2 −CH3 69 2-Methylpentan CH3 CH CH2 CH3 3-Methylpentan CH3 CH2 CH3 60 CH2 CH3 63 CH3 CH2 CH Siehe nächste Seite 10 Name 2,2-Dimethylbutan vereinfachte Strukturformel CH3 CH3 C Siedetemp. (∘C) CH2 CH3 50 CH CH3 58 CH3 CH3 2,3-Dimethylbutan CH3 CH CH3 Tab. 3: Übungen zum aufstellen der vereinfachten Strukturformel Ist die Zahl der C-Atome gleich, so ist die Siedetemperatur um so niedriger, je stärker verzweigt das Alkan ist. Warum sinkt die Siedetemperatur bei zunehmender Verzweigung? • maximale Abstoßung. • Mit abnehmender Oberfläche sieden die Stoffe besser. 11 3 Alkene (Olefine) Alkene sind ungesättigte azyklische oder aliphatische (Kettenförmige) Kohlenwasserstoffe mit einer Doppelbindung zwischen zwei C-Atomen. Alle anderen Bindungen sind Einfachbindungen. Ethen (C2 H4 ) ist das erste mögliche Alken. H C2 H4 : CH2 −CH2 beziehungsweise C H C H H Propen (C3 H6 ): CH2 −CH−CH3 Die Allgemeine Summeformel für die Alkene ist: Cn H2n • Alkane gehen in den Raum (drei Dimensionen). • Alkene breiten sich in der Fläche aus (zwei Dimensionen). • Alkine sind gerade Gebilde (eine Dimensionen). 3.1 Doppelbindungsisometrie ⎫ n-Buten: 1-Buten CH2 −CH−CH2 −CH3 ⎬ gleicher Stoff CH3 −CH2 −CH−CH2 ⎭ Das Isomere: 2-Buten CH3 −CH−CH−CH3 3.2 Experiment 5: Alken und Halogen Aufbau: 1-Hexen, Br2 , Becherglas, angefeuchtetes Indikatorpapier (Lackmuspapier) ist oben am Becherglas befestigt, Pipette, Dreifuß, Bunsenbrenner Beobachtung: • Sofortige Reaktion. • Das rote Br2 entfärbt sich schlagartig. • Das Indikatorpapier färbt sich nicht. Erklärung: Es kommt zu einer homolytischen Spaltung. Das Br2 lagert sich an der Bindung der C-Atome an. Formel: CH2 −CH−(CH2 )3 −CH3 + Br−Br −→ CH2 Br−CHBr−(CH2 )3 −CH3 12 3.3 Addition Die Addition ist eine chemische Reaktion, bei der sich an eine Mehrfachbindung, Atome oder Atomgruppen, unter Aufspaltung einer Bindung, anlagern. 3.4 Alkene bilden eine homologe Reihe Siehe Unterabschnitt 2.3 „Alkane bilden eine homologe Reihe“ auf Seite 4. C2 H4 + Cl2 −→ 1,2-Dichlorethan CH2 −CH2 + Cl−Cl −→ CH2 Cl−CH2 Cl C3 H6 + H2 −→ C3 H8 CH2 −CH−CH3 + H−H −→ CH3 −CH2 −CH3 Durch Addition von H2 kann man aus Alkenen Alkane herstellen. Diese Reaktion heißt auch Hydrierung. Hydrierung ist eine Anlagerung von H2 an Mehrfachbindungen 2-Penten + Salzsäure (HCl) H H C C H H H H H C C C H H −→ H oder H + H−Cl −→ H H Cl H H H C C C C C H H H H H H H H H H C C C C C H H H H Cl H H Bei jeder Addition entsteht nur ein Reaktionprodukt, aber je nach Zusammensetzung der Ausgangsprodukte, gibt es verschieden Möglichkeiten der Endprodukte. Alkane: Cn H2n+2 , gesättigte, Einfachbindungen, Reaktionstyp: Substitution Alkene: Cn H2n , ungesättigt, eine Doppelbindung alle anderen sind Einfachbindungen, Reaktionstyp: Addition Alkine: Cn H2n−2 , ungesättigt, eine Dreifachbindung alle anderen sind Einfachbindungen, Addition Alkene mit mehr als einer Doppelbindung heißen: Diene, Triene . . . 13 Die Doppelbindungen können in unterschiedlichen Varianten angeordnet sein. H H C kumulierte Bindung: C C C C H H Viele Doppelbindungen nebeneinander (instabil). H H H C konjugierte Bindung: C C C C H H H H Zwischen den Doppelbindungen ist jeweils eine Einfachbindungen (etwas stabiler). H H H H C isolierte Bindung: C C C C H H H H Große Entfernung zwischen den Doppelbindungen (am stabilsten). Je weniger Doppelbindungen desto stabiler. 14 4 Alkine (Acetylene) Alkine sind ungesättigte, organische Verbindungen, azyklisch/aliphatisch, mit einer Dreifachbindung. Alle anderen Verbindungen sind Einfachbindungen. Das kleinst Mögliche Molekül ist Ethen. Ethin (C2 H2 ): H−C−C−H H Propin (C3 H3 ): H C C C H H Auch die Alkine bilden eine homologe Reihe. 5 Einige zyklische Kohlenwasserstoffe Friedrich August Kekulé von Stradonitz, ein deutscher Chemiker, setzte sich mit dem Problem auseinander, dass einige Stoffe mit gleicher Summenformel andere Reaktionen hervorbringen. C6 H12 H C6 H10 H H H H C6 H6 H H H C C H C H H C C H H C C H C C H C C H H C C H C C C H H C H H C H H H H Cyclohexan Es addiert Br2 nicht (nicht erwartet) H H Cyclohexen 1,3,5-Cyclohexantrien Br2 wird addiert (erwarEs addiert Br2 nicht (nicht tet) erwartet) Mesomere Grenzstruktur (theoretisch möglich und völlig richtig, aber in der Realität nicht vorhanden.) Tab. 4: Einige zyklische Kohlenwasserstoffe 15 H H Benzol (C6 H6 ): C H C C C C H C beziehungsweise H H Das nicht addieren von Benzol mit Br2 wird so erklärt, dass je ein Außenelektron der sechs C-Atome sich in einem Kreis bewegt und diese Außenelektronen somit allen sechs C-Atomen gehören. Diesen Ring nennt man 𝜋-Elektronensextett. Wegen des angenehmen Duftes heißen sie Aromaten. 5.1 Reaktion von Cyclohexan H H H H H H H H C C H C C H H C C H H C C Br H C C H + Br − Br −→ H−Br + C C H H H H H H Es entsteht HBr und 1-Monobromcyclohexan. H H 5.2 Reaktion von Cyclohexen H H H H H Cl C H H C C C H H C H C C H C H + Cl − Cl −→ H C C H C H C H H H Es entsteht 1,2-Dichlorcyclohexan. Cl H 16 H 6 Organische Sauerstoffverbindungen – Alkanole (Alkohole) Alkanole (Alkohole) sind Derivate der Alkane (siehe auf Seite 2). Alkanole sind azyklische, aliphatische Kohlenwasserstoffe mit einer Hydroxylgruppe (OH-Gruppe) im Molekül. Sie sind Derivate der Alkane. Beispiel: Ethanol (C2 H5 OH) (auch Trinkalkohol, Ethylalkohol oder Weingeist genannt) Vorüberlegung zur Formel: • Summenformel: C2 H6 O • Lewisschreibweise von Sauerstoff (O): O H H • Strukturformel: H C O C H H oder H H H H C C H H O H − O 𝛿 Wasser 𝛿− H 𝛿+ H Welche ist die richtige Strukturformel? (Die rechte) Alkohol ist lipophil und hydrophil. 6.1 Experiment 6: Ethanol und Natrium Vorüberlegung: Es entsteht weder eine Base noch eine Säure. Wenn das Natrium (Na) eine Reaktion mit C2 H5 OH zeigt, wird die zweite Formel, aufgrund der Ähnlichkeit mit H2 O, die Formel für das C2 H5 OH sein. Aufbau: Na (möglichst ohne Oxidationsschicht) in eine Schale mit C2 H5 OH geben. Beobachtung: • Das Natriumstückchen löst sich in einer exothermen Reaktion zischend auf. • Es reagiert mit dem C2 H5 OH sehr ähnlich wie mit H2 O. H H Strukturformel: H C C H H O H 17 Vereinfacht: CH3 −CH2 −OH Summenformel: C2 H6 O oder C2 H5 OH (Merksatz: Herr Ober 5 Helle 2 Cognak.) 6.2 Experiment 7: OH Gruppierung in Ethanol ist anders als in Basen Aufbau: 2 Bechergläser, Indikatorpapier (Lackmuspapier), Natronlauge (NaOH) und C2 H5 OH. Beobachtung: • Das Indikatorpapier im C2 H5 OH färbt sich nicht blau, wie das in der NaOH. • Die OH in Alkanolen ist anders als in Basen. Der unterschied liegt in der Bindungsart. Bei den Alkanolen besteht eine polare Atombindung zwischen O und H. Bei den Basen hingegen eine Ionenbindung. H H H H Gleichung: 2 H C C O H + Na −→ 2H C C H H H 2 CH3 −CH2 −OH + 2 Na −→ 2 CH3 −CH2 −O−Na + H2 Es entsteht Natriumethanolat und Wasserstoff. H O Na + H−H Alkohole reagieren gut mit Alkalimetallen. Es bilden sich Salze (Alkanolate). Alkalimetalle + Alkanole −→ Alkanolat/Alkoholat NaOH ist eine Lauge. Basen (Laugen) sind Stoffe, die in wässriger Lösung oder in der Schmelze in positiv geladene Metallionen (Kationen) und negativ geladene Hydroxidionen (Anionen) zerfallen. + – −− ⇀ NaOH ↽ − − Na + OH 𝛿− CH3 −CH2 −O −H (Ionenbindung) 𝛿+ (polare Atombindung) 6.3 Weitere Alkohole primärer Alkohol: R H H C C O H ̂︀ beliebiger Kohlenwasserstoffrest) (R = H H C-Atom sitzt an der Hydroxylgruppe und ist nur mit einem weiteren C-Atom verbunden. 18 R H C H C C O H H H sekundärer Alkohol: R H R H C H C O C H H tertiärer Alkohol: R C H H H R 6.4 Mehrwertige Alkohole Die Mehrwertigkeit der Alkohole bildet sich durch die Anzahl der Hydroxylgruppen. Beispiele: • 1,2-Ethandiol (Glycol) (zweiwertiger Alkohol) H H H C C H bzw. CH2 −OH−CH2 −OH OH OH • 1,2,3-Propantriol (Glycerol/Glycerin (C3 H8 O3 )) (dreiwertiger Alkohol) H H H H C C C H OH OH OH Je mehr OH-Gruppen desto süßer. 19 • Hexanhexol (Sorbit) (wird als Süßstoff verwendet) H H H H H H H C C C C C C H bzw. CH2 OH−(CHOH)4 −CH2 OH OH OH OH OH OH OH Erlenmeyer-Regel: Jedes Kohlenstoffatom bindet nur eine Hydroxylgruppe. Ansonsten ist der Stoff instabil, baut sich um oder zerfällt. 6.5 Funktionelle Gruppe Funktionelle Gruppen sind Atome oder Atomgruppen die die Struktur, Eigenschaften und die chemischen Reaktionen organischer Stoffklassen wesentlich beeinflussen. − + Die funktionelle Gruppe der Alkohole ist die O𝛿 H𝛿 -Gruppe (Hydroxylgruppe) Endung: -ol 6.6 Experiment 8: Nachweis mehrerer OH-Gruppen (Hydroxylgruppen) im Molekül Aufbau: C2 H5 OH, C3 H8 O3 , H2 O, Kupfersulfat (CuSO4 ), NaOH, 2 Bechergläser. Durchführung: C2 H5 OH in das erste Becherglas geben und C3 H8 O3 in das zweite. Dazu jeweils H2 O, CuSO4 und NaOH geben. Beobachtung: • C3 H8 O3 und C2 H5 OH lösen sich in H2 O, auch wenn bei C3 H8 O3 mit Schlieren. • Auch das CuSO4 löst sich gut. • Mit dem NaOH beginnen sich die Flüssigkeiten blau zu färben, wobei das C3 H8 O3 mit mehr OH-Gruppen dunkler wird. 6.7 Experiment 9: Reaktionsfreudigkeit des Glycerin Aufbau: Kalziumpermanganat (KMnO4 ) auf einer feuerfesten Unterlage. Durchführung: C3 H8 O3 auf das KMnO4 geben. Beobachtung: Das C3 H8 O3 entreißt dem KMnO4 in einer stark exothermen Reaktion den Sauerstoff (Ähnlichkeit mit Nitroglycerin (C3 H5 N3 O9 )) 20 Molekülformel Methanol SchmelzSiedeLöslichkeit in ∘ ∘ temp. ( C) temp. ( C) Wasser, Benzin −97 65 78 Propanol −126 97 Butanol −90 118 Pentanol −78 138 Hexanol −47 158 Dodecanol 26 256 Hexadecanol 50 344 Viskosität nimmt zu GGGGGGGGGGGGGGA −114 nimmt zu GGGGGGGGGGGGGGA Ethanol nimmt zu GGGGGGGGGGGGGGA Name (Trivialname) CH3 OH (Methylalkohol) C2 H5 OH (Ethylalkohol) C3 H7 OH (Propylalkohol) C4 H9 OH (Butylalkohol) C5 H11 OH (Pentylalkohol) C6 H13 OH (Hexylalkohol) C12 H25 OH (Laurylalkohol) C16 H33 OH (Cetylalkohol) Tab. 5: Die homologe Reihe der Alkanole Unter anderem die Siedetemperatur der Alkanole ist viel höher als die der Alkane. Dies liegt an der Funktionellen Gruppe. Cn H2n+1 OH 6.8 Experiment 10: Butanol und Wasser Aufbau und Durchführung: In ein Reagenzglas Butanol (C4 H9 OH) und H2 O geben. Beobachtung: Die Flüssigkeiten bilden eine Emulsion, die sich ganz schnell wieder entmischen. Erklärung: • Je länger die Kette, desto schwerer wasserlöslich. • OH-Gruppe sorgt für eine Verbesserung der Wasserlöslichkeit (hydrophil). • Der Kohlenwasserstoff sorgt für eine Verschlechterung der Wasserlöslichkeit (hydrophob). 21 6.9 Experiment 11: Pentanol und Benzol Aufbau und Durchführung: In ein Reagenzglas Pentanol (C5 H11 OH) und C6 H6 geben. Beobachtung: Die Flüssigkeiten vermischen sich sehr gut. Erklärung: Langkettige Alkohole werden immer Benzinähnlicher. 6.10 Experiment 12: Ethanol und Pentanol Aufbau und Durchführung: C2 H5 OH und C5 H11 OH in jeweils eine Abdampfschale geben und anzünden. Beobachtung bei C2 H5 OH: Lässt sich mit einem Holzstäbchen entzünden. Brennt mit gelber Flamme. Beobachtung bei C5 H11 OH: Lässt sich nicht mit einem Holzstäbchen entzünden. Nach erhitzen mit dem Bunsenbrenner brennt es mit kräftiger orangefarbener Flamme. Erklärung: Je länger die Kohlenstoffketten werden, desto orangener wird die Flamme und desto schwerer sind diese Stoffe zu entzünden. Gleichung: Alle Alkanole verbrennen zu CO2 und H2 O. C3 H7 OH + 4 12 O2 −→ 3 CO2 + 4 H2 O 2 C3 H7 OH + 9 O2 −→ 6 CO2 + 8 H2 O 6.11 Experiment 13: Glucose und Schwefelsäure Aufbau und Durchführung: In ein Becherglas Glucose (C6 H12 O6 ), auch als Traubenzucker bezeichnet, und H2 SO4 geben. Beobachtung: • Zucker wird gelb, braun und dann Schwarz. Es entsteht Hitze, Qualm und ein stechender Geruch. Das entstehende CO2 sorgt für eine Volumenzunahme von C6 H12 O6 . • Es entsteht Zuckerkohle und CO2 . Erklärung: Die H2 SO4 entzieht dem Zucker das H2 O. 22 6.12 Experiment 14: Ethanol und Schwefelsäure Aufbau und Durchführung: C2 H5 OH und H2 SO4 in ein Reagenzglas geben und etwas erhitzen. Abb. 4: Ethanol und Schwefelsäure Beobachtung: Es kommt zu einer exothermen Reaktion wenn C2 H5 OH und H2 SO4 zusammen kommen. Das Reagenzglas wird warm und die Flüssigkeit wird Gelblich. Erklärung: Langkettige Alkohole werden immer Benzinähnlicher. Gleichung bei einer Temperatur kleiner 140 ∘C: Es entsteht Diethylether (C4 H10 O). c H SO 4 CH3 −CH2 −O−H + H−O−CH2 −CH3 −−−2−−→ H2 O + CH3 −CH2 −O−CH2 −CH3 Alkohol + Säure −→ Ether + H2 O Substitution und Dehydratisierung (wegen H2 O Abspaltung) Stoffe mit folgendem Aufbau nennt man Ether. R1 = R2 R1 −O−R2 Innermolekulare Gruppe: Der C ist ins Molekül eingebaut. R1 ̸= R2 Gleichung bei einer Temperatur über 140 ∘C: Es entsteht C2 H4 und C2 H4 . H H C H H C O−H c H2 SO4 −−−−−→ H2 O + C H H H Aus Alkohol wird Alken und H2 O H C H 6.13 Eliminierung Eine Eliminierung ist eine chemische Reaktion, bei der Stoffe oder Stoffgruppen aus einer Verbindung abgespalten werden, unter Errichtung einer Mehrfachbindung. Eselsbrücke zur Eliminierung: „Aus 1 mach 2“ 23 Addition 1 Eliminierung 2 2 Substitution 6.14 Typische Reaktionen der Alkohole • Verbrennen zu CO2 und H2 O. • Reagieren mit Alkalimetallen zu Alkoholaten (Alkoholaten). • Bei Entzug von H2 O entsteht Ether. 6.15 Reaktionsgleichungen zu Verbrennungen Verbrennung von Methanol (CH3 OH) und C2 H5 OH. 2 CH3 OH + 3 O2 −→ 6 CO2 + 8 H2 O C2 H5 HO + 3 O2 −→ CO2 + 2 H2 O 6.16 Reaktion von Methanol CH3 OH reagiert bei Temperaturen unter 140 ∘C. c H SO 4 CH3 −O−H + H−O−CH3 −−−2−−→ H2 O + CH3 −O−CH3 Es entsteht H2 O und C4 H10 O. Diese Reaktion ist eine Substitution oder genauer eine Dehydratisierung. 6.17 Reaktion von Propanol Propanol (C3 H7 OH) reagiert bei Temperaturen über 140 ∘C. H H H H H H C C C O H −→ H2 O + C C O H H H H H Es entsteht H2 O und C3 H6 . Diese Reaktion ist eine Eliminierung oder genauer eine Rehydratisierung. 24 6.18 Übersicht der funktionelle Gruppen Funktionelle und intermediäre Gruppe R1 − O − R2 2 O H Name Endungen -ether Hydroxy(l)gruppe -ol O C Aldehydgruppe -al Ketogruppe -on H O C Tab. 6: Übersicht der funktionelle Gruppen Primäre Alkohole lassen sich zu Aldehyden, sekundäre zu Ketonen oxidieren. 2 keine echte funktionelle Gruppen, sondern eine besondere Verbindung. 25 7 Aldehyde Untergruppe: Alkanale Alkanale sind kettenförmige organische Verbindungen mit einer Aldehydgruppe im Molekül. Sie sind Derivate der Alkane. O Einige Vertreter: Methanal (CH2 O): H C beziehungsweise HCHO H H Ethanal (C2 H4 O): H O C Propanal (C3 H6 O): H beziehungsweise CH3 −CHO C H H H H C C H H O beziehungsweise CH3 −CH2 −CHO C H 7.1 Nachweise der Aldehydgruppen 7.1.1 Experiment 15: Nachweis für Aldehyde Aufbau: Ein Becherglas, gefüllt mit konzentriertem C2 H5 OH und fuchsinschwefliger Säure (Schiffsches Reagenz). Einem Bunsenbrenner und ein Cu-Streifen. Durchführung: 1. Cu-Streifen in der Flamme oxidieren lassen. 2. In die Flüssigkeit halten. Beobachtung: Die Flüssigkeit färbt, wenn das Kupfer(II)-oxid (CuO) hinzukommt. Es geht von farblos zu Rot-Lila. Das CuO wird wieder zu Cu (es wird wieder glänzend). H H H O Gleichung: H C C O H + CuO H H Es entsteht Cu, H2 O und C2 H4 O. −→ Cu + H2 O + H C H 26 C H 7.1.2 Gleich zu Experiment 15 nur mit 2-Propanol O H H H H C C C H H H H + CuO −→ Cu + H2 O + H H O H C C C H H H 7.1.3 Experiment 16: Fehling-Probe Aufbau: Fehling 1 (CuSO4 , ist hellblau) und Fehling 2 (Seignettesalz (C4 H4 KNaO6 ), ist farblos) in ein Becherglas geben. Die zwei Flüssigkeiten werden zusammen Dunkelblau (Königsblau). Durchführung: Die zu Testende Substanz dazugeben, hier C6 H12 O6 . Beobachtung: Die Flüssigkeit färbt sich über Braun zu Orange. 7.1.4 Experiment 17: Tollensprobe (Silberspiegel-Probe) Aufbau: Silbernitrat (AgNO3 ), Ammoniumhydroxid (NH4 OH), NaOH, C6 H12 O6 , Dreifuß, Bunsenbrenner, Becherglas, Reagenzglas. Durchführung: C6 H12 O6 in ein Reagenzglas geben, dazu AgNO3 , NH4 OH und NaOH. Nun langsam erhitzen. Die Flüssigkeit darf nicht sieden. Außerdem sollte die Flüssigkeit nicht unnötig geschüttelt werden. Beobachtung: Die Flüssigkeit wird erst braun, dann setzt sich innen am Reagenzglas Silber (Ag) ab. Name Alkane Alkene Alkine Alkanole Alkohole Ketone Ether Alkoholate Alkanole Endungen -an -en -in -ol -ol -on -ether Tab. 7: Übersicht über die behandelten funktionellen Gruppen 27 Dieses Dokument liegt in Version 3 (9708f77) vor. Die aktuelle Version ist als PDF Datei unter http://ypid.files. wordpress.com/2013/04/chemie-k12.pdf abrufbar. In dieser PDF Datei finden sich auch noch Versionshinweise und Statistiken über dieses Dokument. Der Quellcode für dieses Dokument ist auf GitHub: https://github.com/ypid/documentChemie-K12 Erstellt mit dem Textsatzsystem LATEX 2𝜀 auf Ubuntu GNU/Linux 28 A Halogenalkane Der Rest von diesem Dokument wird nicht mehr gedruckt. Kopie 29 Statistiken Metainformationen Titel : Chemie Betreff : Organische Chemie Autor : Robin Schneider Lizenz : Creative Commons BY-NC-SA 3.0 Dokumentenklasse : scrartcl Seitenzahl vor dem Inhalt (Römisch) : 5 Seitenzahl vom Inhalt (Arabisch) : 28 Logische Seitenzahl (Arabisch) : 32 Physische Seitenzahl : 37 Anzahl der nummerierten Kapitel : 7 Anzahl der “ Kapitel im Anhang : 1 Anzahl der verwendeten Fußnoten : 2 Anzahl der “ Koordinatensysteme : Anzahl der “ und benannten Tabellen : 7 Dokument angepasst an die Sprache : Deutsch (neue Rechtschreibung) Dokument übersetzt als : Finale Version Version : 3 (9708f77) Zähler der Übersetzungsvorgänge : 394 Erstellungsdatum : Montag, 7. November 2011 17:46:23 Übersetzungsdatum : Sonntag, 21. April 2013 21:37:00 Geplantes Abgabedatum : Freitag, 25. November 2011 Verstrichene Zeit : 1000 ‰ Arbeitstage : 531 Geplante Arbeitstage : 18 Tage bis zum geplanten Abgabedatum : -513 Um das Ganze bildlich darzustellen . . . Status: Status: (verstrichene Zeit) (eigenes Ermessen) 30 Informationen zu den Quelldateien Nr. Dateibeschreibung Bytes Änderungsdatum 1 Hauptdatei 3778 2013-04-21 2 LATEX-Hacks 1956 2013-04-11 3 Einführung 2491 2013-04-11 4 Alkane 13 370 2013-04-11 5 Alkane – Tabelle (Strukturformel) 1192 2013-04-11 6 Alkane – Tabelle (Eigenschaften) 1940 2013-04-11 7 Alkene 4309 2013-04-11 8 Alkine 3389 2013-04-11 9 Alkanole 15 531 2013-04-21 10 Aldehyde 3721 2013-04-11 31 Eingebunden Versionshinweise Abkürzung V Tag Fm La Ld V Bedeutung Version Markierung einer Menge von Dateien, aus denen sich zu einem beliebigen Zeitpunkt eine bestimmte Version wiederherstellen lässt Wie viele Dateien innerhalb dieser Version verändert wurden Wie viele Zeilen innerhalb dieser Version neu hinzugekommen sind Wie viele Zeilen innerhalb dieser Version gelöscht wurden Tag Datum Versionsbericht Fm La Ld 1 2013-04-04 Initial commit. 16 1488 0 2 2013-04-04 Updated URL. 6 203 128 2013-04-21 Optimized. 4 9 42 3 origin/master