C - BG/BRG Lerchenfeld
Werbung
Auswahlverfahren Medizin Prüfungsgebiet Chemie 5.Termin Organische Chemie Kursleiter Mag. Wolfgang Mittergradnegger IFS Kurs 2009 1 Organische Chemie Merkmale organischer Verbindungen • Verbindungen des Kohlenstoffs – Ausnahmen: CO, CO2, H2CO3, Graphit, Diamant, Cyanide, Isocyanide • außer C kommt auch immer H vor • weitere Elemente in org. Verbindungen: O, N, S, P, Halogene • C immer 4 Bindungen • C kann sich sehr stabil mit sich selbst verbinden! – es können sich dadurch Ketten, Ringe, 3‐dimensionale Gerüste bilden (vgl. Graphit, Diamant, Fullerene!) – Bei gleicher Summenformel können sich unterschiedliche Strukturen ausbilden (Isomerie) 2 Organische Chemie Merkmale organischer Verbindungen • oft charakteristischer Geruch • leicht brennbar – Feuergefährlich! – C‐C bzw. C‐H – Bindungen (unpolar) werden in C‐O bzw. H‐O – Bindungen (polar) umgewandelt. Organische Stoffe sind daher wertvolle Energieträger! • Typische Molekülverbindungen (Atombindungen!) • Mischbarkeit mit Wasser bindungs‐ und strukturabhängig (Polaritäten, räumlicher Bau!) 3 Organische Chemie Kohlenwasserstoffe Die einfachsten organischen Verbindungen Kohlenwasserstoffe 4 Organische Chemie Kohlenwasserstoffe • nur aus C und H aufgebaut • verschiedenste Strukturen – aliphatisch (kettenförmig) • unverzweigt, verzweigt, gesättigt, ungesättigt – cyclisch (ringförmig) • alicyclisch – im Verhalten wie die Aliphaten • aromatisch – mesomeres ringförmiges π‐Elektronensystem 5 Organische Chemie Übersicht ‐ Kohlenwasserstoffe 6 Atombindung Hybridorbitale ‐ Kohlenstoff sp3-hybridisierter Zustand 4 (2sp3) 4 Bindungspartner 4 σ-Bindungen Bindungswinkel = 109,5° tetraedrisch sp2-hybridisierter 3 Bindungspartner Zustand 3 σ + 1 π-Bindung Bindungswinkel = 120° trigonal planar sp-hybridisierter Zustand 2 Bindungspartner 2 σ + 2 π-Bindungen Bindungswinkel=180° linear 7 7 Atombindung Ethan / sp3 ‐Hybridisierung Winkel: 109,5° tetreadrisch σ‐ Bindung (1 Überlappungsbereich!) Freie Drehbarkeit !!! 8 8 Atombindung Ethen / sp2‐Hybridisierung Winkel: 120° trigonal planar σ‐Bindung + π‐Bindung ( 2 Überlappungsbereiche!) Keine freie Drehbarkeit !!! 9 9 Atombindung Ethin / sp‐Hybridisierung Winkel: 180° Linear gestreckt σ‐Bindung + 2 π‐Bindungen (2 Überlappungsbereiche!) Keine freie Drehbarkeit !!! 10 10 Organische Chemie Homologe Reihe der Alkane 11 Formel Name CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 C7H16 C8H18 C9H20 C10H22 C11H24 C12H26 C13H28 C14H30 C15H32 C16H34 C17H36 Methan Ethan Propan Butan Pentan Hexan Heptan Octan Nonan Decan Undecan Dodecan Tridecan Tetradecan Pentadecan Hexadecan Heptadecan Schmelzpunkt (°C) ‐184 ‐172 ‐190 ‐135 ‐129 ‐94 ‐90 ‐59 ‐54 ‐30 ‐26 ‐10 ‐6 5,5 10 18 22 Siedepunkt (°C) Zustand ‐164 ‐89 ‐42 ‐0,5 36 69 98 126 151 174 196 216 230 251 268 280 303 Gas Gas Gas Gas flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig fest fest Organische Chemie Homologe Reihe Ebenso bilden andere Verbindungsgruppen organischer Verbindungen homologe Reihen, z.B.: Alkohole Aldehyde Ketone Carbonsäuren Amine …. 12 Organische Chemie Nomenklatur Es gibt Millionen von organischen Verbindungen, die sich oft nur in kleinen Details voneinander unterscheiden (Isomere1)), daher ist eine übersichtliche und nach genauen Regeln aufgebaute Namensgebung wichtig: NOMENKLATUR „Trivialnamen“ „IUPAC‐Name“ (Mundart) (Hochsprache) Essigsäure Ethansäure Grundlage für Nomenklatur sind die einfachsten KW, die Alkane 13 1)ISOMERIE => gleiche Summenformel, verschiedene Strukturformel Organische Chemie Nomenklatur bei den Alkanen Trivialnamen! Summenformel CnH2n+2 14 Formel Name CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 C7H16 C8H18 C9H20 C10H22 C11H24 C12H26 C13H28 C14H30 C15H32 C16H34 C17H36 Methan Ethan Propan Butan Pentan Hexan Heptan Octan Nonan Decan Undecan Dodecan Tridecan Tetradecan Pentadecan Hexadecan Heptadecan IUPAC-Name besteht aus STAMM + ENDUNG HEX ‐‐‐‐ AN 6 C ‐‐‐‐‐ 1‐fach Bi … bildet schon hunderttausende isomere Strukturen! Organische Chemie Nomenklatur „n‐Butan“ C4H10 „i‐Butan“ H3C CH3 H3C CH3 CH3 Butan Seitenkette = Rest eines KW Reste haben die Endung 2‐Methyl‐propan ‐YL ISOMERIE => gleiche Summenformel, verschiedene Strukturformel 15 Organische Chemie Alkane ‐ Nomenklatur C8H18 n‐Octan H3C CH3 Octan 16 i‐Octan 2,2,4‐Trimethyl‐pentan Organische Chemie Alkane ‐ Nomenklatur / Endung: ‐YL 17 Organische Chemie Alkane ‐ Nomenklatur H3C H3C1 2 3 4 5 CH3 6 CH3 CH3 3 – E t h y l – 2 , 4 – d i m e t h y l – h e x a n Rest mit 2C 18 wo in der Hauptkette wo in der Hauptkette 2X 6 C Rest mit 1C Einfach‐Bindung zwischen C Organische Chemie Alkane ‐ Nomenklatur 19 Organische Chemie Alkane ‐ Isomerie 20 Organische Chemie Isomerie ISOMERE sind chemische Verbindungen, die die gleiche Summenformel besitzen, sich aber in der Verknüpfung und/oder der räumlichen Anordnung der einzelnen Atome unterscheiden – also unterschiedliche Struktur zeigen. Dies führt teilweise auch zu abweichenden chemischen, physikalischen und biologischen Eigenschaften. 21 Organische Chemie Isomerie Es gibt verschiedene Arten der Isomerie: KONSTITUTIONSISOMERIE– Atome unterschiedlich miteinander verknüpft Strukturisomerie Stellungsisomerie STEREOISOMERIE –verzweigt, unverzweigt – wo liegen Doppelbindungen (Valenzisomerie) – wo liegt ein spezieller Substituent – Atome gleich miteinander verknüpft, aber unterschiedliche räumliche Lage Geometrische Isomerie – Z/E(cis/trans) Optische Isomerie – Enantiomere (Bild und Spiegelbild) – Diastomere 22 Organische Chemie Isomerie 23 Organische Chemie Isomerie Beispiele 24 Organische Chemie Beispiele zur Isomerie 2‐Buten 1‐Buten cis‐2‐Buten Z‐2‐Buten 25 trans‐2‐Buten E‐2‐Buten Organische Chemie Alkane = Gesättigte KW • • • • • • • • • • nur 1‐fach Bindungen zwischen den C‐Atomen! sp3‐Hybridisierung => 4 Bindungspartner am C‐Atom! nur σ‐Bindungen unpolar Allgemeine Summenformel: CnH2n+2 (Homologe Reihe) Benennung: Endsilbe –an (=>Nomenklatur‐Regeln!) bis C4: gasförmig C5 bis C15: flüssig ab C16: fest (Paraffine) wegen der zunehmenden Größe der Moleküle steigen die Van der Waals Kräfte Ù steigende Kp (siehe nachfolgende Tabelle!) • typische Reaktion: Radikalische Substitution ÙSR 26 Atombindung Hybridorbitale ‐ Kohlenstoff sp3-hybridisierter Zustand 4 (2sp3) 27 27 4 Bindungspartner 4 σ-Bindungen Bindungswinkel = 109,5° tetraedrisch Organische Chemie Homologe Reihe der Alkane 28 Formel Name CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 C7H16 C8H18 C9H20 C10H22 C11H24 C12H26 C13H28 C14H30 C15H32 C16H34 C17H36 Methan Ethan Propan Butan Pentan Hexan Heptan Octan Nonan Decan Undecan Dodecan Tridecan Tetradecan Pentadecan Hexadecan Heptadecan Schmelzpunkt (°C) ‐184 ‐172 ‐190 ‐135 ‐129 ‐94 ‐90 ‐59 ‐54 ‐30 ‐26 ‐10 ‐6 5,5 10 18 22 Siedepunkt (°C) Zustand ‐164 ‐89 ‐42 ‐0,5 36 69 98 126 151 174 196 216 230 251 268 280 303 Gas Gas Gas Gas flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig fest fest Organische Chemie Cycloalkane verhalten sich gleich wie Alkane, sie liegen nur in Ringform vor! (Naphthene, Cycloparaffine) 29 Organische Chemie Alkene • • • • • • • Ungesättigte Kohlenwasserstoffe sp2‐Hybridisierung => 3 Bindungspartner am C‐Atom 1 σ‐Bindung + 1 π‐Bindung keine freie Drehbarkeit Allgemeine Summenformel: CnH2n (homologe Reihe!) viel reaktiver als Alkane Benennung: Endsilbe –en + Angabe, wo Doppelbindung liegt! • typische Reaktion: elektrophile Addition Ù AE 30 Atombindung Hybridorbitale ‐ Kohlenstoff sp2-hybridisierter 3 Bindungspartner Zustand 3 σ + 1 π-Bindung Bindungswinkel = 120° trigonal planar 31 31 Organische Chemie Isomerie Beispiele Isomerie bei Buten 32 Organische Chemie Alkene ‐ Nomenklatur Doppelbindungen können sein ‐ Mesomerie 33 kumuliert: C = C = C = C isoliert: C = C‐ C‐ C = C konjugiert: C = C‐ C = C‐ Organische Chemie Alkine • • • • • 34 ungesättigt sp‐Hybridisierung => 2 Bindungspartner am C‐Atoms‐ 1 σ−Bindung und 2 π‐Bindungen keine freie Drehbarkeit sehr reaktiv Atombindung Hybridorbitale ‐ Kohlenstoff sp-hybridisierter Zustand 2 Bindungspartner 2 σ + 2 π-Bindungen Bindungswinkel=180° linear 35 35 Organische Chemie Aromaten • Der Begriff Aromat deutet bei einigen Vertreten dieser Stoffklasse auf ein besonderes Aroma dieser Substanzen hin (Bsp: Vanille, Zimt, Bittermandel‐Aroma). Er ist historisch begründet. • Grundverbindung: Benzen C6H6 (früher „Benzol“) • ringförmiges delokalisiertes π‐Elektronensystem Ù MESOMERIE 36 Organische Chemie Kondensierte Aromaten Benzpyren 37 Organische Chemie Nomenklatur Aromate 1 2 1 1 3 4 Methylbenzen = „Toluen“ alt: Toluol 38 Dimethylbenzene = „Xylen“ alt: Xylol Organische Chemie Unterschied Aromat‐ Cyclischer KW Cyclohexen 39 Methylbenzen Organische Chemie Reaktionen Reaktionen in der Organischen Chemie können nach 2 Gesichtspunkten beschieben werden: 1. Nach dem Reaktionstyp 2. Nach der bei der Reaktion auftretenden Teilchen 40 Organische Chemie Reaktionen Klassifizierung einer Reaktion nach Typ 1) nach Teilchenart 2) Substitution S radikalisch R Addition A elektrophil E Elimination E nucleophil N Umlagerungen U 41 Organische Chemie 1)Reaktionen SUBSTITUTION Ein (Wasserstoff)atom wird durch ein anderes Atom oder Atomgruppe ausgetauscht • z.B. Radikalische Substitution => SR: – die Herstellung von Halogenalkanen aus Alkanen – C2H6 + Cl2 C6H5Cl + HCl • oder: Nucleophile Substitution =>SN – Herstellung von Alkoholen aus Halogenalkanen – C2H5Cl + OH‐ C2H5OH + Cl‐ 42 Substitutionsreaktionen sind typisch für Alkane. Organische Chemie 1)Reaktionen ADDITION Dabei wird das Molekül, mit dem das Alken oder Alkin reagiert, einfach angeheftet, die Doppel‐ / Dreifachbindung geht verloren. Die elektrophile Addition (AE) ist typisch für Alkene und Alkine 43 Organische Chemie 1)Reaktionen ELIMINATION Ist das Gegenteil der Addition. Ein Anteil des Moleküls wird aus dem Molekül hinausgeworfen Aus einem Alkan wird z.B. ein Alken und H2 C2H6 C2H4 + H2 44 Organische Chemie 1)Reaktionen UMLAGERUNGEN Im Molekül wird ein(e) Atom(gruppe) von Punkt A an Punkt B verschoben B A Diese spezielle Art der Umlagerung eines H‐Atoms nennt man Tautomerie 45 Organische Chemie 2)Reaktionen Wie kann eine kovalente Bindung zwischen 2 Atomen getrennt werden? X X X Homolytische Bindungsspaltung Es bilden sich Radikale R . Y Heterolytische Bindungsspaltung Es bildet sich positives und negatives Ion Positives Ion greift negative Stelle an=> Elektrophil Kettenreaktion 46 Negatives Ion greift positive Stelle an => Nucleophil Organische Chemie Reaktionen VERBRENNUNG (Redox‐Reaktion) • Vollständige Verbrennung: – C6H14 + 9,5 O2 → 6 CO2 + 7 H2O |‐ΔH • Unvollständige Verbrennung: – 47 C6H14 + 8 O2 → 4 CO2 + CO + C (Ruß) + 7 H2O |‐ΔH Organische Chemie Reaktionen Weitere Reaktionen? Kondensation: Zusammenschluss von Molekülen unter Abspaltung von Wasser Hydrolyse: 48 Spaltung von Molekülen unter Einfluss und Anlagerung von Wasser Organische Chemie Derivate – Funktionelle Gruppen • Derivate der Kohlenwasserstoffe sind „Abkömmlinge“ dieser Verbindungen, bei denen ein oder mehrere H‐ Atom(e) durch andere Atome oder Atomgruppierungen ersetz worden sind. • Beispiele: CH4 Ù CH3Cl, CH3OH, CCl2F2, CH2O … 49 Organische Chemie Derivate – Funktionelle Gruppen • • • • • • • • • 50 Halogenkohlenwasserstoffe Alkohole, Phenole Aldehyde und Ketone, Chinone Carbonsäuren Ether Ester Amine Amide Thioalkohole und Thioester LISTE DER FUNKTIONELLEN GRUPPEN unter: www.bglerchenfeld.at/chemie “ifs_MedUni Tabellen“ Organische Chemie Halogenkohlenwasserstoffe • Funktionelle Gruppe: Halogene (F, Cl, Br, I) • Benennung: Halogen – Stamm‐Endung • Eigenschaften: tlw. polare Bindung, reichern sich im Fettgewebe (DDT) an, in der Natur kaum abbaubar (Ozonproblem!) • Verwendung: LM, Pestizide (DDT), Kühlmittel, Treibgase • besser beständig (Stichwort: FCKW´s) Trifluorchlormethan 51 Organische Chemie Alkohole • Funktionelle Gruppe: – OH (Hydroxy‐Gruppe) • Name: Endung – ol / Vorsilbe Hydroxy‐ • Alkohol enthält: polare Gruppe (hydrophil) + unpolaren Rest(hydrophob) • bis 3 C wasserlöslich (Propanol) • Einteilung nach: – Wertigkeit ===> Anzahl der –OH‐Gruppen – Stellung ===> Position der –OH‐Gruppen 52 Organische Chemie Vergleich Alkane/Alkohole ALKAN M Kp Kp ALKOHOL M Kp Fp Methan 16u ‐161oC ‐182oC Methanol 32u 65oC> ‐97oC Ethan 30u ‐88oC ‐183oC Ethanol 46u 78oC ‐115oC Propan 44u ‐42oC ‐190oC 1-Propanol 60u 97oC ‐126oC Butan 58u ‐1oC ‐135oC 1-Butanol 74u 118oC ‐90oC Pentan 72u 36oC ‐130oC 1-Pentanol 88u 138oC ‐78oC Hexan 86u 69oC ‐95oC 1-Hexanol 102u 157oC ‐52oC Dodecan 170u 216oC ‐10oC Dodecanol 186u 256oC ‐24oC Hexadecan 226u 287oC 18oC Hexadecanol 242u ‐ 50oC Octadecan 254u 308oC >28oC Octadecanol 270u ‐ 59oC 53 Organische Chemie Alkohole primär, weil –OH an primärem C dreiwertig, weil 3 ‐OH primär, weil –OH an primärem C sekundär, weil ‐OH an sekundärem C einwertig, weil 1 ‐OH Ethanol 54 primär, weil –OH an primärem C 1,2,3 – Propantriol „Glycerol“ (alt:„Glycerin“) Organische Chemie Alkohole tertiär, weil –OH an tertiärem C einwertig, weil 1 ‐OH 2‐Methyl‐propan‐2‐ol 55 Organische Chemie Phenole ‐ Aromatische Alkohole einwertig Rest vom Bezen: Phenyl‐Rest „Phenol“ = Hydroxybezen 56 Organische Chemie Alkohole – wichtige Beispiele • • • • • Methanol Ethanol 1,2 Ethandiol (Glycol) 1,2,3 Propantriol (Glycerin) Phenol • aber auch verwandte Stoffe, wie 57 Organische Chemie Reaktionen der Alkohole 1. Totale Verbrennung (Oxidation) unter Zerstörung des Kohlenstoffgerüsts CH3 – CHOH‐ CH3 + 4,5 O2 3 CO2 + 4 H2O /‐ΔH 2. Schonende Oxidation unter Erhaltung des Kohlenstoffgerüsts Beispiel: H3C 58 OH O CH3 H3C CH3 Organische Chemie Reaktionen der Alkohole Primärer ROH 1. Oxidation Aldehyd 2. Oxidation Carbonsäure O H3C OH H3C H3C H Ethanol 59 O Ethanal OH Ethansäure (Essig) Organische Chemie Reaktionen der Alkohole Sekundärer ROH 1. Oxidation Keton H 3C OH H 3C Propan-2-ol 60 H 3C O H 3C Propanon Organische Chemie Reaktionen der Alkohole Tertiärer ROH 61 keine schonende Oxidation möglich, nur totale Oxidation zu CO2 und H2O! Organische Chemie Reaktionen der Alkohole 2x oxidierbar 1x oxidierbar nicht schonend oxidierbar 62 Organische Chemie Reaktionen der Alkohole ALDEHYDE & KETONE: Funktionelle Gruppe: Carbonylgruppe Endung – al 63 >C=O Endung – on Organische Chemie Reaktionen der Alkohole O H3C H Ethanal O H Benzaldehyd 64 Propanon (Aceton) Organische Chemie Reaktionen der Alkohole Alkohol + Alkohol CH3‐OH + HO‐CH3 Ether und Wasser CH3‐O‐CH3 + H2O Kondensations‐Reaktion: 2 Moleküle vereinen sich unter Abspaltung von Wasser 65 Organische Chemie Ether • Funktionelle Gruppe: • Benennung: ‐C‐O‐C‐ – Stamm1 + oxy + Stamm2 + ‐an => Methoxyethan – oder: Rest1 + Rest2 + ‐ether => Methyl‐ethyl‐ether – bei symmetrischen Ethern: Dimethylether • schwere, leicht brennbare Dämpfe, unpolare LM, • Diethylether => Narkotikum 66 Organische Chemie Carbonsäuren • Funktionelle Gruppe: Carboxylgruppe ‐COOH • Bennennung: ‐säure bzw. –carbonsäure1) • Carboxylgruppe kann leicht H+ abgeben => Säure O H + H3C O O H2O OH + H + H3C H O Protolyse R‐COOH + S1 67 1) Wenn der Säure – H2O H3O+ B2 S2 + Kohlenstoff nicht zum „Stamm“ zählt !!! R‐COO B1 - ‐ Organische Chemie Carbonsäuren 68 Organische Chemie Carbonsäuren/Fettsäuren (Höhere) Carbonsäuren mit unverzweigter Kohlenstoffkette werden oft als Fettsäuren bezeichnet, weil manche von ihnen Bestandteile der Fette sind 18 69 Linolensäure (cis, cis, cis 9,12,15‐Octadecatriensäure) Organische Chemie Mehrprotonige Carbonsäuren • besitzen mehrere Carboxylgruppen 70 Organische Chemie Mehrprotonige Carbonsäuren 71 Organische Chemie Aromatische Carbonsäuren • Benzoesäure – entdeckt durch Destillation von einem aromatisch riechenden Harz – Natriumbenzoat dient zur Konservierung von Lebensmitteln • Salicylsäure – Manche ihrer Derivate wirken als Heilmittel gegen Schmerzen und Fieber => Aspirin (Essigsäureester der Salicylsäure) • Phtalsäure und Terephtalsäure – aromatische Dicarbonsäuren – besitzen große Bedeutung zur Herstellung von Kunstharzen, Farbstoffen und Kunstfasern 72 Organische Chemie Aromatische Carbonsäuren 73 Organische Chemie Hydroxysäuren • besitzen neben der Carboxylgruppe noch eine (oder mehrere) Hydroxygruppen (‐OH) • zu ihnen gehören viele wichtige Naturstoffe 2 ‐Hydroxypropansäure 2‐Hydroxypropan‐1,2,3‐tricarbonsäure 2,3 ‐ Dihydroxybutandisäure 74 Organische Chemie Ester Säure + Alkohol Ester + Wasser R‐COOH + R'‐OH 75 R‐COO‐R' + H2O Organische Chemie Ester Fruchtester niedere Carbonsäuren mit niederen Alkoholen (C1 bis C5) stark flüchtig angenehm, fruchtartiger Geruch kommen in geringen Mengen in reifen Früchten vor 76 Organische Chemie Ester Wachse ‐ Ester aus höheren Carbonsäuren + höheren Alkoholen ‐ Bienenwachs (haupts. Srn und ROH mit 26 und 28 C‐Atomen) Fette/Öle ‐ aus Glycerol + 3 FS 77 Organische Chemie Amide • Amide (Säureamide) lassen sich aus einer Carbonsäure durch Ersatz (Substitution) der Hydroxy‐Gruppe durch eine Amino‐Gruppe ableiten. Zur Gewinnung erhitzt man z.B. einen Ester mit Ammoniak • Zu den Amiden gehört auch der Harnstoff, der als Endprodukt des Eiweißabbaus im Harn ausgeschieden wird. Diese weiße, farb‐ und geruchlose Verbindung kann als Diamid der Kohlensäure aufgefasst werden: 78 Organische Chemie Amine • Die organischen Derivate von Ammoniak nennt man Amine. Je nach der Anzahl der durch organische Reste ersetzten Wasserstoffatome unterscheidet man primäre 79 sekundäre tertiäre quartäre Amine Organische Chemie Schwefelhaltige organische Verbindungen • Thioalkohole und Mercaptane enthalten die ‐SH‐Gruppe (Sulfhydryl‐ ). Es sind wenig polare und, soweit sie flüchtig sind, äußerst unangenehm riechende Verbindungen, die sehr leicht oxidiert werden. H 80
