Skript zur Vorlesung Organische Chemie

Skript zur Vorlesung Organische Chemie (Prof. M. Albrecht) an der RWTH Aachen
Erstellt von: Michael Müller
Erstellungsdatum: 23.01.2004
e-mail: [email protected]
Nomenklatur und Isomerie organischer Verbindungen
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Nomenklatur und Isomerie organischer Verbindungen
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Nomenklatur und Isomerie
In der folgenden Abbildung ist eine Übersicht über die verschiedenen Formen der
Isomerie gegeben:
Isomere
gleiches Bindungsmuster
Stereoisomere
unterschiedliches Bindungsmuster
Strukturisomerie
(Konstitutionsisomerie)
Stereoisomere
nicht durch Bindungsrotation
ineinander überführbar
Konfigurationsisomere
Enatiomere
durch Bindungsrotation
überführbar
Rotamere
Konformationsisomere
Diastereomere
Isomere sind Verbindungen gleicher Summenformel aber mit unterschiedlicher
Gestalt. Man unterscheidet zwischen Konstitutionsisomeren (Isomere mit
unterschiedlicher Konnenktivität, welche nur durch Bindungsbruch ineinander
überführbar sind) und Stereoisomeren (Isomere mit gleichem Bindungsmuster aber
unterschiedlicher räumlicher Anordnung).
Bei den Stereoismoeren unterscheidet man des weiteren zwischen
Konfigurationsisomeren, zu denen die Enatiomere (verhalten sich wie Bild und
Spiegelbild und sind nicht durch Drehung ineinander überführbar) und den
Diastereomeren (verhalten sich nicht wie Bild und Spiegelbild, besitzen jedoch ein
Chiralitätszentrum) gehören und den Konformationsisomeren, welche durch
Bindungsrotation ineinander überführt werden können.
Im Folgenden soll die systematische Benennung von organischen Verbindungen
nach IUPAC erläutert werden. In diesem Zusammenhang werden verschiedenste
Beispiele zu den oben genannten Isomerieformen gegeben.
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Nomenklatur und Isomerie organischer Verbindungen
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1.0 Nomenklatur der Alkane
Die systematische Nomenklatur aller organischen Verbindung basiert auf der
Benennung der Alkane. Alkane sind gradkettige, gesättigte Kohlenwasserstoffe,
welche keine funktionelle Gruppe aufweisen. Die Summenformel der Alkane folgt der
allgemeinen Gleichung: CnH2n+2. In der folgenden Tabelle wird eine Übersicht über
die homologe Reihe der Alkane und ihre systematischen Namen gegeben.
n
1
2
3
4
5
6
7
8
…
18
19
Name
Methan
Ethan
Propan
Butan
Pentan
Hexan
Heptan
Octan
Formel
Sdp. [°C]
-161,7
-88,6
-42,1
-0,5
36,1
68,7
CH4
C2H6
H3C-CH2-CH3
C4H10
C5H12
C6H14
C7H16
C8H18
Octadecan
Nonadecan
H3C(CH2)16CH3 316,1
C19H40
329,7
Smp. [°C]
-182,5
-183,3
-187,7
-138,3
-129,8
-95,3
28,2
32,1
bei Raumtemperatur
ein Gas
bei RT
flüssig
bei RT fest
Bei den Alkanen tritt ab dem Butan eine Form der Isomerie auf. Diese wird als
Konstitutionsisomerie bezeichnet. Die Folge dieser Isomerieform sind verzweigte
Alkane.
Konstitutionsisomere: Isomere welche eine unterschiedliche Konnektivität
aufweisen und nur durch Bindungsbruch ineinander überführbar sind.
Beispiele für diese Form der Isomerie sind das n-Hexan, iso-Hexan und das
Neohexan sowie das 2,3 -Dimethylbutan. Sie alle folgen der Summenformel C 6H14.
Somit sind sie alle Isomere des Hexans.
H3C CH2
CH2 CH2
CH2
CH3
n-Hexan
CH2
CH
2
H3C
H3C
CH2
CH3
CH
CH2
H3C
CH
CH3
CH3
H3C C CH2 CH3
CH3
Neohexan
iso-Hexan
H3C
CH3
CH
H3C
CH3
CH
CH3
2,3-Dimethylbutan
4
Nomenklatur und Isomerie organischer Verbindungen
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Wenn man sich die verschiedenen Isomere näher betrachtet stellt man fest, dass die
Kohlenstoffatome unterschiedlich gebunden sind. Es gibt Kohlenstoffatome die an
ein weiteres Kohlenstoffatom gebunden sind und welche die an zwei oder drei
Kohlenstoffatome gebunden sind. Diese Kohlenstoffatome werden als primäre,
sekundäre und tertiäre Kohlenstoffatome bezeichnet und es gibt sogar Verbindungen
in denen sich quartäre Kohlenstoffatome finden lassen.
sekundär
primär
CH3
H3C
CH2
CH
CH3
C
CH3
CH3
quartär
tertiär
IUPAC: 2,2,3-Trimethylpentan
Es stellt sich nun die Frage wie derartige Verbindung systematisch zu benennen
sind. Dazu wurden laut IUPAC die folgenden Regeln zur Benennung von
verzweigten Alkanen aufgestellt.
Nomenklatur verzweigter Alkane
Regel 1:
Regel 2:
Regel 3:
Regel 4:
Benennen Sie die längste Kette von Kohlenstoffatomen im Molekül.
Benennen Sie die Substituenten an dieser Kette.
Nummerieren Sie die Kette von dem Ende, das einem Susbtituenten
am nächsten ist.
Schreiben Sie den Namen des Alkans, indem Sie zunächst die
Substituenten mit Anknüpfungspunkt in alphabetischer Reihenfolge
angeben und dann den Namen des Stammalkans anhängen.
Beispiele:
CH3
5
CH2
4
3
H3C CH2 CH
1
2
CH
CH3
CH3
3-Ethyl-2-methylpentan
2
1
3
4
2
1-Ethylpropyl
3
8
6
5
1
7
9
4-(1-Ethylpropyl)-2,3,5-trimethylnonan
Sieht man sich nun die Alkane genauer an, so stellt man eine weitere Form der
Isomerie fest - die Konformationsisomerie .
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Nomenklatur und Isomerie organischer Verbindungen
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Konformationsisomere: Isomere welche die gleiche Konnektivität aufweisen,
aber eine unterschiedliche räumliche Position besitzen. Sie lasssen sich durch
Rotation um Bindungsachsen ineinander überführen.
Diese soll im Folgenden anhand des Ethans erlä utert werden. Beim Ethan ist eine
freie Drehung um die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung möglich, so dass sich für die
2mal drei Wasserstoffatome verschiedene Positionen zueinander ergeben.
Sieht man sich das Energie-Diagramm der Rotation um die Bindungsachse an, so
stellt man fest, dass die gestaffelte Form des Ethans energetisch geringfügig
günstiger ist, da dabei der Wasserstoff-Wasserstoffatom-Abstand am größten ist.
Sieht man sich die Rotation um die zentrale Bindung des n-Butans an, so stellt man
ähnliches fest, wobei man hierbei zwischen weiteren energetisch unterschiedlichen
Stellungen der Methylgruppen zueinander unterscheiden kann.
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Nomenklatur und Isomerie organischer Verbindungen
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1.1 Cycloalkane
Neben den kettenartigen und verzweigten Alkanen können Alkane jedoch noch
Ringe bilden. Man spricht bei ringförmigen Alkanen von Cycloalkanen. Die
unterschiedlichen denkbaren Cycloalkane besitzen aufgrund ihrer verschiedenen
Ringspannungen unterschiedliche Stabilität. Dabei stellt das Cyclopropan aufgrund
seiner hohen Winkelspannung das instabilste Cycloaklkan dar. Das Cyclohexan
sowie das Cyclopentan besitzen geringe Ringspannungen und sind somit ziemlich
stabil.
Bei den Cycloalkanen gibt es eine weitere Form der Isomerie. Man bezeichnet sie
als cis-trans-Isomerie oder (E)-(Z)-Isomerie . Diese Form der Isomerie soll im
Folgenden anhand des Cyclopropans erläutert werden. Die drei Kohlenstoffatome
des Cyclopropans spannen eine Ebene auf. Betrachtet man das Molekül nun von
dieser Ebene aus, so stellt man fest, das sich drei Wasserstoffatome über dieser
Ebene und drei weitere unter der Ebene befindet. Ersetzt man nun zwei der
Wasserstoffatome gegen zwei Chloratome, so können diese beide auf einer Seite
der Ebene liegen (cis- oder (Z)-Isomer) oder auf entgegengesetzten Seiten (transoder (E)-Isomer).
Beispiele:
Br
Br
Br
Cl
Br
Cl
cis: Substituenten auf gleicher Seite
trans
Cl
Br
Cl
Br
Cl
trans: unterschiedliche Seiten
cis
Br
Cl
Cl
Cl
Br
Diese Form der Isomerie gehört zur Konfigurationsisomerie.
Konfigurationsisomere: Gleiche Atomverknüpfung, aber unterschiedlicher
räumlicher Aufbau.
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Nomenklatur und Isomerie organischer Verbindungen
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Die Benennung der Cycloalkane erfolgt durch voranstellen der Bezeichnung Cyclovor den Stammnamen des betreffenden Alkans.
1.2 Chiralität
Eine weitere Form der Konfigurationsisomerie tritt bei den Enatiomeren auf.
Enatiomere besitzen chirale Kohlenstoffatome, das heißt diese Kohlenstoffatome
besitzen vier unterschiedliche Bindungspartner. Chirale Moleküle sind optisch aktiv
und besitzen keine Symmetrieachse.
Chiralität: Verbindungen, die ein C-Atom mit 4 verschiedenen Substituenten
besitzen, sind chiral. Sie können als 2 spiegelbildliche Isomere (Enantiomere)
vorliegen.
Ein 1:1-Gemisch der beiden Enatiomere wird Racemat beziehungsweise
racemisches Gemisch genannt.
Bei dem asymmetrischen C-Atom handelt es sich um ein Chiralitäts- bzw.
Stereozentrum.
A
A
D C*
C B
C* D
B C
Spiegel
Verbindungen die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten bezeichnet man dabei als
Enantiomere. Moleküle mit einem asymmetrischen Kohlenstoffatom die sich nicht wie
Bild und Spiegelbild zueinander verhalten werden als Diastereomere bezeichnet.
Im Folgenden werden einige Beispiele zu chiralen und achiralen Moleküle gegeben.
H
F
H
CH3
C H
C I
C Cl
C H
H
H
Cl
Br
H
CH3
H3C C
OMe
H2
achiral
chiral
achiral
chiral
Ein Beispiel für eine bedeutende organische Verbindung mit einem asymmetrischen
Kohlenstoffatom ist die Asparaginsäure.
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Nomenklatur und Isomerie organischer Verbindungen
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Asparaginsäure
HOOC
COOH
H2N
NH2
H NH O
2
O H2N H
In diesem Zusammenhang sei a uch das zur traurigen Berümtheit gekommene
Contagan oder Thalidomid genannt.
Thalidomid (Contergan)
O
O
O
O
O
O
teratogen
N
H
O
O
N
H
beruhigend
Bei chiralen Molekülen ist die räumliche Anordnung der Substituenten am
asymmetrischen Kohlenstoff von Bedeutung und es stellt sich somit die Frage wie ein
chirales Molekül eindeutig zu benennen ist.
Um chirale Moleküle eindeutig benennen zu können verwendet man die CIP Nomenklatur, welche auch als Cahn-Ingold-Prelog-Regel bekannt ist.
Cahn-Ingold-Prelog-Regel
CIP-Nomenklatur
Benennung der absoluten Konfiguration
- Die Substituenten an einem asymmetrischen C-Atom wurden nach ihrer
Priorität geordnet
A1
Priorität:
a>b>c>d
B2
C
D 3
4
-
Der Substituent mit der niedrigsten Priorität wird nach hinten gezeichnet
R
S
A
C
-
B
A
D
D
B
C
Die Substituenten mit höchster Priorität geben eine Drehrichtung vor, die mit
R oder S bezeichnet wird.
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Nomenklatur und Isomerie organischer Verbindungen
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Um die Priorität der verschiedenen Substituenten festzulegen benötigt man die
Sequenzenregel.
Die Priorität von Substituenten – Die Sequenzregel
Regel 1: Die Atome an dem asymmetrischen C-Atom werden nach Prioritäten
(Ordnungszahl) geordnet.
Regel 2: Bei Atomen mit gleicher Ordnungszahl wird die weitere Kette
betrachtet, bis es einen Unterschied in der Priorität gibt.
Regel 3: Mehrfachbindungen werden wie mehrere gesättigte Verbindungen
betrachtet.
Beispiele für die korrekte Nomenklatur von Chitralen Molekülen:
CH3
H 3C C CH 3
C
H
CH 2
H C CH
3
H 3C
I
CH3
(S)-3-Ethyl-2,2,4-trimethylpentan
H 3C
C H
CH2CH 3
(R)-2-Iodbutan
Um chirale Moleküle einfach zeichnen zu können wendet man häufig eine von der
obenstehenden Darstellung abweichende Form – die Fischer Projektion.
1.3 Fischerprojektion
Bei der Fischerprojektion betrachtet man das asymmetrische Kohlenstoffatom aus
einem anderen Blickwinkel und zeichnet das Molekül nun so, dass das
Kohlenstoffatom in der Papierebene liegt und die Bindungen nach oben und nach
unten hinter die Papierebene zeigen. Die Bindungen nach links und rechts treten vor
die Papierebene.
(R)-Milchsäure
CO2H
H3C
OH
H
CO2H
H C OH
CH 3
CO2H
H
OH
CH 3
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Nomenklatur und Isomerie organischer Verbindungen
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2.0 Benennung von Alkanen mit Substituenten
In den letzten Kapiteln wurden schon mehrfach Verbindungen als Beispiele
angeführt, bei denen ein Wasserstoffatom gegen ein anderes Atom oder eine andere
Atomgruppierung ausgetauscht wurde. In diesem Kapitel soll nun die systematische
Benennung von substituierten Alkanen erläutert werden. Zu besseren
Übersichtlichkeit soll zunächst eine Tabelle der funktionellen Gruppen gezeigt
werden.
Verbidungsklasse
Alkane
allgemeine Struktur
R H
R X
R OH
Halogenalkane
Alkohol
funktionelle Gruppe
keine
X
OH
(steht ein Sc hwefelatom an der stelle des
Sauerstoffs, so spricht man von Thiolen)
O
R O R'
R
R
C C
R
R
R C C R
Ether
Alkene
Alkine
aromatische Verbindungen
C C
C C
R
R
R
C
C
C
C
C
C
R
C
C
R
C
C
C
C
R
O
Aldehyde
O
C
R C
H
O
O
R C R
O
R C
OH
O
O
C
Ketone
Carbonsäure
Anhydride
R
Ester
Amide
C
O
C
O
R C
O R'
O
R C
O
C
OH
O
O
R'
C
O
C
O
C
O
O
C
N R
Nitrile
Amine
H
R
R
C
N
R N R
N
C
N
N
R
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Nomenklatur und Isomerie organischer Verbindungen
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2.1 Halogenalkanen
Bei den Halogenalkanen ist ein oder mehrere Wasserstoffatome gegen ein
Halogenatom ausgetauscht. Derartige Verbindungen werden durch das voranstellen
des betreffenden Halogennamens vor den Stammnamen des Alkans benannt.
H 3C
CH 3
I
CH 2
Iodmethan
Cl2
H 3C C Br
Dichlormethan
CH 3
2-Brom-2-methylpropan
(+-Butylbromid)
2.2 Alkohole und Thiole
Alkohole sind Alkane bei denen ein oder mehrere Wasserstoffatome durch eine OHGruppierung ersetzt (bei Thiolen entsprechen durch eine SH-Gruppe). Die
Nomenklatur erfolgt a nalog zu den Alkanen durch anhängen der Endung –ol.
Beispiele (der systematische Name nach IUPAC ist fett gedruckt):
CH3
H3C
H3C C OH
CH OH
H3C
CH3
Isopropanol oder 2-Propanol
tertiär-Butanol oder 2-Methyl-2-propanol
Bei den Alkoholen ist es üblich anzugeben ob es sich um primäre, sekundäre tertiäre
Alkohole handelt.
CH3
H 3C CH
H 3C CH 2
OH
primärer Alkohol
OH
CH 3
sekundärer Alkohol
H3C C OH
CH3
tertiärer Alkohol
Neben den systematischen Benennung gibt es bei den Alkoholen einige
Verbindungen, welche besser unter einem Trivialnamen bekannt sind. Beispiele
hierfür sind:
Trivialnamen
OH
H2C OH
HC OH
H3C CH2
H2C OH
1,2,3-Trihydroxypropan
(Glycerin)
Phenol
OH
Ethanol (Alkohol)
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Nomenklatur und Isomerie organischer Verbindungen
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2.3 Ether
Ether sind Kohlenwasserstoffverbindungen bei denen sich innerhalb der
Kohlenstoffkette ein Sauerstoffatom befindet. Ihre Benennung erfolgt durch das
alphabetische Voranstellen der Alkylgruppen vor die Endung –ether.
Beispiel:
H3C-CH2-O-CH2-CH3
Diethylether
2.4 Aldehyde
Aldehyde sind Verbindungen bei denen ein endständiges Kohlenstoffatome eine
Doppelbindung zu einem Sauerstoffatom aufweist. Ihre Benennung erfolgt durch das
Anhängen der Endung -al an den Stammnamen des betreffenden
Kohlenwasserstoffs.
Beispiele:
O
O
H
C
O
O
C
H
C
C
H
Methanal
(Formaldehyd)
H3C
H
H
Ethanal
(Acetaldehyd)
Benzaldehyd
Cyclopentylcarbaldehyd
2.5 Ketone
Der Name eines Ketons ergibt sich durch Anhängen der Endung –on an den
Stammnamen des betreffenden Alkans.
Beispiele:
O
O
O
O
C
H3C
CH3
Propanon
C
CH 3
C
H3C
CH 2CH3
2-Butanon
Methylphenylketon
Cyclohexanon
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Nomenklatur und Isomerie organischer Verbindungen
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2.6 Carbonsäuren
Die Benennung der Carbonsäure erfolgt durch Anhängen der Endung –säure an den
Stammnamen des Alkans.
Beispiel:
O
H3C
C
OH
Ethansäure
(Essigsäure)
2.7 Ester
Ester sind Verbindungen die aus der Reaktion von Carbonsäuren mit Alkoholen
entstehen. Ihr Name leitet sich von den entsprechenden Namen der Carbonsäuren
und des Alkohols und Anhängen der Endung –ester ab.
O
H3C
C
O
CH3
Ethansäuremethylester
(Methylacetat)
Cyclische Ester werden als Lactone bezeichnet. Wird bei einer Carbonsäure die OHGruppierung durch Chlorid ersetzt spricht man von einem Carbonsäurechlorid. Beim
Ersetzen der OH-Gruppe durch eine Amidgruppierung spricht man entsprechend von
Carbonsäureamiden. Verbindungen in denen die OH-Gruppe durch eine Amingruppe
ausgetauscht ist und die cyclisch sind werden als Lactame bezeichnet.
O
O
H3C
C
H 3C
O
O
C
N
R' C
O
C
N
Cl
Ethansäurechlorid
R'
Ethansäureamid
(Essigsäureamid)
Lacton
Lactam
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Nomenklatur und Isomerie organischer Verbindungen
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2.8 Amine
Amine sind Verbindungen, welche Stickstoff enthalten. Ihre Benennung erfolgt durch
das Anhängen der Endung -amin an den entsprechenden Alkylrest.
CH3CH2NH2
(CH3CH2)NH
(CH3CH2) 3N
Ethylamin
Diethylamin
Triethylamin
CH3CH2
N
H
CH3CH2
CH3
Ethylmethylamin
H
N
NH2
CH2CH2CH3
Ethyl(propyl)amin
Ethylpropylamin
Eine Aminverbindung von großer technischer Bedeutung ist das Benzolderivat Anilin.
NH 2
Anilin
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Nomenklatur und Isomerie organischer Verbindungen
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3.0 Alkene oder Olefine
Alkene sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe, dass heißt sie besitzen KohlenstoffKohlenstoff-Doppelbindungen.
Nomenklatur der Alkene
-
Endung –en (-dien, -trien…)
C-C-Dreifachbindung ? Alkine ? Endung –in
beides: -enin
Wählen Sie die längste Kette, die die Doppelbindung (C=C) enthält
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
Buten nicht Penten
-
C
C
Nummerieren Sie von dem Ende, das der Doppelbindung am nächsten ist
1
2
3
4
5
C
C
C
C
C
1
2
C
-
C
nicht
4
3
2
1
C
C
C
C
C
3
4
4
3
2
1
C
C
C
C
C
C
nicht
C
C
Geben Sie nur das „niedrigste“ C-Atom der Doppelbindung an
H2C CH CH 3
1-Propen
-
5
nicht
2-Propen
Mehrere Doppelbindungen
1
2
3
4
5
C
C
C
C
C
nicht
5
4
3
2
1
C
C
C
C
C
1,3-Pentadien
Neben diesen regeln zur Benennung von Alkenen ist noch die cis-trans-Isomerie
der Alkene zu beachten.
trans-Cyclodecen:
H3C
H
CH3
H
cis oder Z-2-Buten
Z = zusammen
H 3C
cis-Cyclodecen
H
CH3
H
trans oder E-2-Buten
E = entgegen
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Nomenklatur und Isomerie organischer Verbindungen
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3.1 Aromatische Verbindungen
Aromatische Verbindungen sind planere, cyclische Kohlenwasserstoffverbindungen,
welche konjugierte Kohlenstoff-Kohlenstoffdoppelbindungen aufweisen. Ihr
bekanntester Vertreter ist das Benzol. Vom Benzol leiten sich nahezu alle
bedeutenden Aromaten ab. Daher wird hier auch nur die Benennung von
Benzolderivaten erläutert.
Die Benennung von Aromaten erfolgt durch das Benennen des Substituenten und
anschließendes anhängen der Endung –benzol. Da Benzolderivat meist von großer
technischer Bedeutung sind, haben viele vom Benzol abgeleitete Verbindungen
Trivialnamen.
CH 3
Toluol
(Methylbenzol)
O
HC CH 2
Styrol
OH
OH
Phenol
NH 2
O
H
H 3C C CH 3
Cumol
Br
H
Benzaldehyd
Cl
NO2
Cl
Benzoesäure
Anilin
Brombenzol Nitrobenzol ortho-Dichlorbenzol
Bei zweifach substituierten Benzolverbindungen gibt es verschiedene Möglichkeiten
die Substituenten zu positionieren. Aus diesem Grunde wurden verschiedene
Bezeichnungen für die Positionen eingeführt.
R1
R1
R1
R2
R2
R2
ortho-Stellung
meta-Stellung
para-Stellung
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Nomenklatur und Isomerie organischer Verbindungen
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4.0 Alkine
Die Benennung der Alkine erfolgt analog zur Benennung der Alkene, wobei statt der
Endung –en –in eingesetzt wird.
Beispiele:
H C C H
H3C C C CH3
Ethin
(Acetylen)
2-Butin
(Dimethylacetylen)
H C C CH 2
OH
2-Propin-1-ol
(Propargylalkohol)
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