Organische Chemie Maximilian Ernestus Inhaltsverzeichnis 1 Organische Chemie 1.1 Wichtige Eigenschaften von Kohlenstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Alkane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Isomere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2 Cycloalkane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3 Qualitativer Nachweis der Verbrennungsprodukte von Methan . . . . 1.3 Alkene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Heptan reagiert mit Brom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Benzol und andere Aromaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Alkohole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Die Mischbarkeit mit Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2 Extraktion von Chlorophyl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.3 Isomere der Alkohole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.4 Mehrwertige Alkohole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Aldehyde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.1 Darstellung des Aldehyds Ethanal aus Ethanol . . . . . . . . . . . . . 1.5.2 Aldehyd-Nachweis im Tabakrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6 Ketone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.1 Darstellung von Propanon durch Oxidation von 2-Propanol (sekundärer Alkohol) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7 Carbonsäuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.1 Carbonsäuren mit mehreren funktionalen Gruppen . . . . . . . . . . 1 2 2 3 5 5 6 6 6 8 9 11 11 12 12 13 13 15 15 16 16 17 Kapitel 1 Organische Chemie Die organische Chemie ist die Chemie der Kohlenstoff-Verbindungen. Sie befasst sich mit allen organischen („gewachsenen”) Stoffen und Verbindungen. Allen organischen Verbindungen ist gemeinsam, dass sie Kohlenstoff enthalten. Sie werden deshalb beim Erhitzen/Verbrennen schwarz. (Es gibt aber auch einige wenige Verbindungen, die Kohlenstoff enthalten und dennoch zu den anorganischen Verbindungen gezählt werden, beispielsweise Kohlendioxid (CO2 ), und alle Carbonate (Salze der Kohlensäure). Man schätzt, dass es ca. 10 Mio. organische und ca. eine halbe Mio. anorganische Verbindungen gibt. Ursprünglich waren organische Stoffe alle Stoffe, die man aus Lebewesen gewinnen konnte. Die erste künstliche Herstellung organischen Harnstoffes durch Friedrich Wöhlers (1828) war deshalb eine große Sensation. Heute zählen auch Verbindungen die das Element Kohlenstoff enthalten zu den organischen Verbindungen, obwohl sie in der Natur überhaupt nicht vorkommen. Beispiele für organische Verbindungen Erdöl Zucker Holz Beispiele für anorganische Verbindungen Kochsalz Glas Kohlendioxid Tabelle 1.1: Beispiele für organische und anorganische Verbindungen 1.1 Wichtige Eigenschaften von Kohlenstoff Der Kohlenstoff ist das grundlegende Element der organischen Chemie. Wichtige Eigenschaften sind: • Aggregatzustand bei Raumtemperatur fest • Bei Raumtemperatur sehr Reaktionsträge 2 KAPITEL 1. ORGANISCHE CHEMIE 3 • Bei der Verbrennung von C (und allen C-haltigen Verbindungen) entsteht CO2 . exotherme Reaktion C + O2 −−−−−−−−−−−−→ CO2 ↑ (1.1) • Kommt in der Natur sowohl als Element als auch in Verbindungen vor. Wichtige CVerbindungen sind: – CO2 – CaCO3 Calciumcarbonat (Kalk) • Kohlenstoff kommt in der Natur in zwei Erscheinungsformen (Modifikationen) vor, bei denen die einzelnen Kohlenstoffatome jeweils unterschiedlich miteinander verbunden sind: – Graphit (weich, schwarz-grau, metallisch glänzend, leitet den elektrischen Strom) – Diamant (sehr hart, transparent, leitet nicht den elektrischen Strom) 2000◦ C150,000 bar Druck mit Kathalysator −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−→ Diamant Graphit ←−−− −−−−−−− ◦ (1.2) 1700 C (ohne O2 ) • Herausragende Eigenschaft Kohlenstoffs ist es, dass die Kohlenstoffatome sich mit sich selbst verbinden können und dadurch lange Ketten und Ringe entstehen. Diese Eigenschaft macht den Kohlenstoff zum Strukturelement von allem Lebendigen. 1.2 Alkane Alkane sind einfache Kohlenwasserstoffe (C-H-Verbindungen) und bilden eine Stoffgruppe innerhalb der organischen Chemie. Alle Alkane haben die Endung -anSie lassen sich nach der Anzahl der in ihren Molekülen enthaltenen C-Atome ordnen. So erhält man die homogene Reihe der Alkane: Decan Nonan Octan Heptan Hexan Pentan Butan Propan Ethan Methan Name des Alkans H H H C H H H H H H C C H C H H H H C H H C H H H H H C H H C H H C H C H H C H H H H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H H C H H C H H C H H C H H H C H H C H H C H H H C H H C H H C H H H C H H C H H H C H H C H H H C H H H C H H H H C10 H22 C9 H20 C8 H18 C7 H16 C6 H14 C5 H12 C4 H10 C3 H8 C2 H6 CH4 -30 -54 -57 -90 -95 -130 -138 -188 -183 -182 Summenformel Schmelztemperatur (◦ C) Tabelle 1.2: Die homologe Reihe der Alkane H C H H C H H C H H H H C C C C H H C H H H H H H C C H H C H C C H C H C H C H H H H H H H H H Strukturformel 174 151 126 98 69 36 -1 -42 -89 -162 Siedetemp KAPITEL 1. ORGANISCHE CHEMIE 4 KAPITEL 1. ORGANISCHE CHEMIE 1.2.1 5 Isomere H H H H H H H C C C C H H H H C H H H H Abbildung 1.1: n-Butan C4 H10 H C C C H H H H Abbildung 1.2: iso-Butan C4 H10 Isomere sind Verbindungen mi tgleicher Summenformel aber unterschiedlicher Strukturformel. Isomere unterscheiden sich mehr oder weniger stark in ihren chemischen/physikalischen Eigenschaften (z.B. Siedetemperatur). Je größer die Anzahl der C-Atome in einem Alkan, desto mehr Isomere gibt es: • Butan (C4 ): 2 Isomere • Octan (C8 ): 18 Isomere • Decan (C10 ): 75 Isomere 1.2.2 Cycloalkane Cycloalkane sind ringförmig und haben ähnliche Eigenschaften wie Alkane. Allgemeine Summenformel: Cn H2n (1.3) H H H H H C C C C C H H H C H H H H Abbildung 1.3: Cyclohexan KAPITEL 1. ORGANISCHE CHEMIE 1.2.3 6 Qualitativer Nachweis der Verbrennungsprodukte von Methan Durchführung: Wir verbrannten Methan und leiteten die gasförmigen Verbrennungsprodukte mit Hilfe einer Wasserstrahlpumpe durch ein U-Rohr und eine mit Kalklauge gefüllte Waschflasche. Beobachtung: Im U-Rohr kondensierte die klare, geruchlose Flüssigleit. Die Kalklauge wurde trüb. Ergebnis: Wir weisen Kohlendioxid und Wasser als Verbrennungsprodukte nach. (CO2 Nachweis: Kalkbildung in der Waschflasche; H2 O-Nachweis: weißes Kupfersulfat (CuSO4 )Anhydrid + Wasser → CuSO4 ∗ 5H2 O blau) CH4 + 2O2 −→CO2 + 2H2 O 1mol Methan + 2mol Sauerstoff −→1mol Kohlendioxid + 2mol Wasser 22.3l CH4 + 44.8l O2 −→44.8l Wasserdampf 1.3 (1.4) Alkene Alkene sind Kohlenwasserstoffe mit mindestens einer C = C-Doppelbindung. Homologe Reihe der Alkene: Ethen fördert in der Natur die Obstreife. Alle Alkene sind reaktionsfreudiger als die Alkane. Allgemeine Summenformel der Alkene: Cn H2n (1.5) Ungesättigte Kohlenwasserstoffe: Mit C = C oder C ≡ C Bindungen. Gesättigte Kohlenwasserstoffe: Nur mit C − C Einfachbindungen; die C-Atome sind vollständig mit H-Atomen „abgesättigt” (und deshalb auch reaktionsträger). 1.3.1 Heptan reagiert mit Brom Durchführung: Wir gaben 20 ml n-Heptan und einige Tropfen Brom in einen kleinen Erlenmeyerkolben. Wir bestrahlten das Gemisch mit Hilfe eines Overheadprojektors mit Licht. Beobachtung: Die zuvor organgen-durchsichtige Flüssigkeit entfärbte sich und wurde leicht trüb. Dabei stieg ein Gas auf, dass mit der Luft Nebel bildete. KAPITEL 1. ORGANISCHE CHEMIE Name des Alkens 7 Strukturformel H H C H H C H H C C H Propen C H C C C C H H C C C C H C H H H C5 H10 H H H H H H C C C C C H H H H H Hexen C4 H8 H H H C H H H H C3 H6 H H H Penten H H H Buten C2 H4 H H Hepten Octen Nonen Decen C H Ethen Summenformel H C6 H12 H H H H H H C C C C C C H H H H H ... ... ... H C7 H14 C8 H18 C9 H18 C10 H20 Tabelle 1.3: Die homologe Reihe der Alkene KAPITEL 1. ORGANISCHE CHEMIE 8 Ergebnis: Aktivierungsenergie bei dieser Reaktion ist das Licht (bei normalem Tageslicht dauert es bis zum Eintreten der Reaktion deutlich länger, bei Verdunklung findet sie garnicht statt). Brom reagiert mit dem Reaktionsträgen n-Heptan unter Bildung eines Säuregases. H H H H H H H H C C C C C C C H H H H H H H H H + Br Br −→ H H H H H H H C C C C C C C H H H H H H Br H + H C7 H16 + Br2 −→ C7 H15 Br + HBr Br (1.6) Bei dieser Reaktion wird ein H-Atom-Molekül durch ein Br-Atom ersetzt (man sagt auch „substituiert”). Diesen Reaktionstyp nennt man deshalb auch Substitionsreaktion. Auch Mehrfachsubstitution ist möglich. H H H C H Cl C Cl Cl Cl Abbildung 1.4: Chlormethan 1.3.2 H H C Cl Cl Cl Abbildung 1.5: Dichlormethan Abbildung 1.6: Trichlormethan Cl C Cl Cl Abbildung 1.7: Tetrachlormethan Benzol und andere Aromaten Aromaten sind sechseckige Kohlenwasserstoffringe. Jedes Kohlenstoffatom ist mit einem Wasserstoffatom verbunden. DIe restlichen drei Bindungselektronen sind im Zentrum des Ringes zu einer Elektronenwolke zusammengefasst. Dadurch entsteht die Summenformel der grundlegenden Verbindung Benzol C6 H6 . Anstelle der Wasserstoffatome können um den Ring auch andere Moleküle oder Atome gruppiert sein. Benzol ist eine klare Flüssigkeit mit einer sehr hohen Lichtbrechung. Es ist leichtentzündlich und giftig. Benzol ist der Ausgangsstoff für viele Aromaten und wird in Kraftstoffen zur Erhöhung der Klopffestigkeit verwendet. H H C C C H H C C C H H Abbildung 1.8: Ein Benzomolekül KAPITEL 1. ORGANISCHE CHEMIE 1.4 9 Alkohole Alkohole, die sich von Alkanen ableiten, heißen auch Alkanole. Die Homologe Reihe und Eigenschaften einiger Alkanole: pentanol Butanol Propanol Ethanol Methanol Name des Alkanols H H H C H H H C H H H C H H C H H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H O H C H O H O H O H H H C5 H11 OH C4 H9 OH C3 H7 OH C2 H5 OH CH3 OH Nein Nein Ja Ja Ja Summenformel Wasserlöslichkeit Tabelle 1.4: Die homologe Reihe der Alkanole H C H H C H O Strukturformel Ja, aber schlecht Ja, aber schlecht Ja Ja Ja Entzündbarkeit Ja Ja Nein Nein Nein Rußbildung KAPITEL 1. ORGANISCHE CHEMIE 10 KAPITEL 1. ORGANISCHE CHEMIE 11 Alle Alkohole haben die Endung -ol, alle haben mindestens eine OH-Gruppe (HydroxilGruppe). Weil die Hydroxil-Gruppe entscheidend für das chemische Verhalten der Alkohole ist, wird sie auch funktionelle Gruppe genannt. Jedes Alkoholmolekül besteht demnach aus der OH-Gruppe und dem Alkylrest. Ab C12 sind die Alkohole bei Raumtemperatur fest. Allgemeine Summenformel: Cn H2n+1 OH (1.7) 1.4.1 Die Mischbarkeit mit Wasser Ethanol löst sich in Wasser (H2 O: polares Molekül) und ebenso in Heptan (C7 H16 : unpolares Molekül). Das liegt daran, dass das Ethanol-Molekül sowohl polar (OH-Gruppe) als auch unpolar (Alkülrest) ist, denn: Je ähnlicher sich die Polaritäten zweier Stoffe sind, desto besser lösen sie sich ineinander. Ein Stoff, der gut Wasserlöslich ist nennt man hydrophil („wasserliebend”). Einen Stoff, der schlecht oder garnicht Wasserlöslich ist nennt man hydrophob („wasserscheu”). Hydrophobe Stoffe sindgleichzeitig gut fettlöslich, also lipophil („fettliebend”). Umgekehrt sind Hydrophile gleichzeitig lipophob („fettscheu”). Bei Methanol (C1 ), Ethanol (C2 ) und Propanol bewirkt die hydrophile OH-Gruppe gute Wasserlöslichkeit. Ab Butanol (C4 ) überwiegt dann die Wirkung des unpolaren, hydrophoben Alkylrests. + H H δ δ + H δ - δ- δ OH δ + C C C C δ OH δ + H C Unpolar Abbildung 1.9: Wasser richtet sich nach seinen Ladungen aus 1.4.2 Polar Unpolar Polar Abbildung 1.10: Die funktionale Gruppe der Alkohole ist polar Extraktion von Chlorophyl Durchführung Wir nahmen Pflanzenblätter und zerstampften sie zusammen mit Butanol und Wasser in einem Mörser. Die dabei entstehende grünliche Substanz führten wir durch einen in einen Erlenmeyerkolben. Wir verdünnten die Flüssigkeit mit weiterem Wasser und Butanol. KAPITEL 1. ORGANISCHE CHEMIE 12 Beobachtung Nach einiger Zeit bilden sich zwei Phasen, wobei die obere dunkelgrün und die untere hellgrün war. Ergebnis Chlorophyll und alle hydrophoben Zellbestandteile lösen sich in der oberen Phase (Butanolphase), alle hydrophilen Zellbestandteile lösen sich in der unteren, wässrigen Phase. So kann das Chlorophyll „herausgezogen” (extrahiert) werden. Bei der Bestrahlung mit Schwarzlicht zeigt Chlorophyll das Phänomen der Fluoreszenz. 1.4.3 Isomere der Alkohole H H H H H C C C H H H O H H H H C C C H O H H H Abbildung 1.11: Primärer Alkohol 1-Propanol Abbildung 1.12: Sekundärer Alkohol 2-Propanol Ab dem Propanol gibt es bei den Alkanolen Isomere. Bei einem primären Alkohol ist das C-Atom, an dem die Hydroxilgruppe (OH-Gruppe) hängt, nur noch mit einem weiteren C-Atom verbunden (z.B. 2-Propanol). 1.4.4 Mehrwertige Alkohole Mehrwertige Alkohole sind Alkohole mit mehr als einer OH-Gruppe. H H H H H C O H H C O H H C O H H C O H H C O H H C O H H C O H H C O H H C O H H C O H H C O H H C O H H C O H H C O H H C O H H C O H H H H H Abbildung 1.13: Glycol (Ethandiol) zweiwertiger Alkohol, süß Abbildung 1.14: Glycerin (Pentandiol) dreiwertiger Alkohol, süß Abbildung 1.15: Xylit (Pentandiol) fünfwertiger Alkohol, serh süß Abbildung 1.16: Sorbit (Hexandiol) sechswertiger Alkohol, serh süß KAPITEL 1. ORGANISCHE CHEMIE 1.5 1.5.1 13 Aldehyde Darstellung des Aldehyds Ethanal aus Ethanol Durchführung: Ein Stück Kupfer (Kupferpfennig) wurde bis zur Bildung von schwarzem Kupferoxid (CuO) erhitzt und in Ethanol getaucht. Beobachtung: Nachdem wir das glühende Kupferstück in den Ethanol getaucht hatten, fing das Ethanol an zu sieden und das Kupferstück wurde wieder blank. H H H H C C H O + Ethanol + H H O C C H CuO Kupferoyid −→ −→ H + Ethanal + H H2 O + Wasser + Cu Kupfer Ergebnis: Vom Alkohol (Ethanol) wird also Wasserstoff (H=lat. „Hydrogenium”) abgespalten; er wird also „dehydrogeniert”. Der entstehende Stoff wird daher Aldehyd genannt. Homologe Reihe der Alkanale (so heißen die Aldehyde, die sich von den Alkanan Ableiten). Allgemeine Summenformel: Name des Alkanals Strukturformel Summenformel O H C H Methanal H H C H H H Propanal H Butanal O C Ethanal HCHO H H C C H H CH3 CHO O C H H H H C C C H H H C2 H5 CHO O C H C3 H7 CHO Tabelle 1.5: Die homologe Reihe der Alkanale Cn H2n+1 CHO (1.8) Aldehyde sind in der Natur als Duftstoffe weit verbreitet, Methanal heißt auch Formaldehyd; ist gut wasserlöslich, die wässrige Lösung heißt Formalin (wird u.a. in der Präparation verwendet). Ethanol heißt auch Acetaldehyd (krebserregend , krebserregend). KAPITEL 1. ORGANISCHE CHEMIE Aldehyde entstehen durch die Oxidation primärer Alkohole. Nachweis von Aldehyden: u.a. mit Fehling-Probe oder Schiff’ s Reagenz. Oxidation = Sauerstoff-Aufnahme oder Wasserstoff-Abgabe Reduktion = Sauerstoff-Abgabe oder Wasserstoff-Aufnahme 14 KAPITEL 1. ORGANISCHE CHEMIE 1.5.2 1.6 15 Aldehyd-Nachweis im Tabakrauch Ketone Ketone entstehen durch die Oxidation sekundärer Alkohole. Sie haben alle die Endung -on. Ketone, die sich von den Alkanen ableiten heißen Alkanone. Beispiele für Alkanone: H H H C C C H O H H Abbildung 1.17: Propan(Aceton) C2 H6 CO wichtiges Lösungsmittel; die C = O-Gruppe ist stark polar, der Rest des Moleküls unpolar, deshalb mischt sich Aceton sowohl mit Wasser als auch mit Ölen oder Alkanen. H Die funktionale Gruppe der Ketone ist die Keto-Gruppe (C = O) H H H C C C C H O H H H Abbildung 1.18: Butanon C3 H8 CO Wichtiges Lösungsmittel; die C = O-Gruppe ist stark polar, der Rest des Moleküls unpolar, deshalb mischt sich Aceton sowohl mit Wasser als auch mit Ölen oder Alkanen. Die funktionale Gruppe der Ketone ist die Keto-Gruppe (C = O) Allgemeine Summenformel: Cn H2n+2 CO (1.9) KAPITEL 1. ORGANISCHE CHEMIE 1.6.1 H Darstellung von Propanon durch Oxidation von 2-Propanol (sekundärer Alkohol) H H H C C C H O H H H H + CuO −→ H 1.7 16 H C C C H O H H + H2 O + Cu Carbonsäuren Ameisensäure ist eine Farblose Flüssigkeit mit einem stechenden Geruch. Sie kommt in Ameisen und Brennnesseln vor. Sie mischt sich mit Wasser, aber nicht mit Benzin. Die Verbrennung ist sehr unscheinbar und mit kleiner Flamme. Dabei entstehen CO2 und Wasser. Ursprünglich wurde sie aus Ameisen hergestellt; mittlerweile kann sie aus ihren Salzen gewonnen werden. Ameisensäure lässt sich auch aus Formaldehyd (Methanal) darstellen, und zwar durch Oxidation(Siehe Tabelle 1.6) : Homologe Reihe der Alkansäuren (=Carboonsäuren, die sich von Alkanen ableiten). Ab der O O H H C H Abbildung 1.19: Foramldehyd (Methanal) Oxidation+[O] −−−−−−−−→ C O Abbildung Ameisensäure thansäure) H 1.20: (Me- Hexansäure mischen sich die Alkansäuren nichtmehr mit Wasser, sondern man sieht zwei Phasen. Grund dafür ist, dass der unpolare Alkylrest so lang ist, dass die polare funktionale Gruppe nichtmehr überwiegt. KAPITEL 1. ORGANISCHE CHEMIE 17 O H Methansäure C O Ameisensäure H H Ethansäure Propansäure Propionsäure H Butansäure Buttersäure H Pentansäure C O H H Valerionsäure HCOOH O C Essigsäure H H H C C H H H CH3 COOH O C O H H H C C C H H H H C2 H5 COOH O C O H H H H C C C C H H H H H C3 H7 COOH O C O H C4 H9 COOH Tabelle 1.6: Die homologe Reihe der Alkansäuren 1.7.1 Carbonsäuren mit mehreren funktionalen Gruppen H O H C C O H O O O H O C O H O C O H O C H C C O H H O H H C O H H C H H O H Abbildung 1.21: Oxalsäure C C Abbildung 1.22: Zitronensäure) Abbildung 1.23: Milchsäure