Vorlesung Organische Chemie 1

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1 Vorlesung Organische Chemie 1 Inhaltsverzeichnis 1 Was ist Organische Chemie Einleitung 2 Struktur und Bindung organischer Moleküle 3 Gesättigte Kohlenwasserstoffe (Alkane / Cycloalkane) 4 Ungesättigte Kohlenwasserstoffe (Alkene / Alkine) 5 Aromatische Kohlenwasserstoffe 6 Stereochemie 7 Organische Halogenverbindungen 8 Alkohole und Ether, Schwefel-Analoga 9 Amine 10 Aldehyde und Ketone 11 Carbonsäuren, Carbonsäurederivate, Kohlensäure-Derivate 12 Heterocyclen 13 Naturstoffe 14 Strukturaufklärung Begleitendes Buch K. P. C. Vollhardt, N. Schore, Organische Chemie (Verlag Wiley-VCh, 5. Auflage, 2015) Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 2

2 Vorlesung Organische Chemie 1 Weitere Literaturempfehlungen: A.F. Carey: Organic Chemistry (Mcgraw Hill, 7. Auflage, 2007) Streitwieser: Organische Chemie (Verlag Wiley-VCh, 2. Auflage, 1994) E. Breitmayer, G. Jung: Organische Chemie: Grundlagen, Stoffklassen, Reaktionen, Konzepte, Molekülstruktur (Thieme Verlag, 6. Auflage, 2009) H.P. Latscha, H.A. Klein, U. Katzmaier: Basiswissen der Chemie 2: Organische Chemie (Springer, 5. Auflage, 2008) J. Clayden, N. Greeves, S. Warren, P. Wothers: Organic Chemistry (Englisch, Mechanismen, sehr ausführlich, Oxford University Press, 1. Auflage, 2001) H. Beyer, W. Walter: Lehrbuch der Organischen Chemie (technische Prozesse, Hirzel, 24. Auflage, 2004) Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 3

3 Vorlesung Organische Chemie 1 Interaktives Lernen (Lernen 2.0) rey.html (University of Calgary) (FIZ CHEMIE Berlin) (S. Immel, TU Darmstadt) (Dave Evans, Harvard University) Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 4

4 Strukturen und Reaktionen von Molekülen Methoden, mit denen Strukturen bestimmt werden Theorien und Konzepte, mit denen sie erklärt werden Organische Chemie ist ein Netzwerk von zusammenhängenden Konzepten Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 5

5 Organische Reaktionen von Molekülen Mechanismen organischer Reaktionen Forschung: Syntheseplanung eines best. Moleküls (mit best. Eigenschaften) Fazit: Sie können nicht die gesamte organische Chemie lernen! Sie ist zu umfangreich. Nur einige grundlegende Fakten sind notwendig. Verstehen der grundlegenden Prinzipien ist wichtig! Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 6

6 Organische Chemie entstand zu Beginn des 19. Jahrhunderts 1824: Synthese von Oxalsäure durch Hydrolyse von Dicyan 1828: Harnstoff aus Ammoniumcyanat Friedrich Wöhler ( ) Pionier der organischen Chemie Die Wöhler schen Synthesen eröffneten das Feld der Biochemie, da zum ersten Mal Stoffe, die bisher nur von lebenden Organismen bekannt waren, aus unbelebter Materie künstlich (synthetisch) erzeugt werden konnten. Organische Chemie ist die Wissenschaft von den Molekülen und der Versuch, die Chemie des Lebens zu verstehen Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 7

7 Organische Chemie ist die Grundlage des Lebens (Naturstoffe) Proteine - Mechanische Funktionen: Gerüststoffe, kontraktile Elemente - Stoffwechselvorgänge (Enzyme) - Koordination der Funktionen (Rezeptoren, Botenstoffe) - Transportfunktionen Nucleinsäuren - Codierung der Proteinstrukturen - Template für Proteinsynthesen Kohlenhydrate - Gerüststoffe - Energiespeicher Lipide - Grundbausteine der Zellmembran - Energiespeicher Organische Chemie wächst ständig, stellt zunehmend neue Moleküle her Organische Chemie ist heute Grundlage weltweiter Tätigkeit Millionen von Menschen zu ernähren, kleiden, heilen, etc. Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 8

8 OC = Chemie der aus Kohlenstoff und anderen Elementen (H, O, N, S, P, ) gebildeten Verbindungen in Lebewesen, in Produkten von Lebewesen, wo C angetroffen wird Heute gibt es >16 Millionen (1.6 x 10 8 ) organische Verbindungen Theoretisch sind stabile organische Verbindungen ( 30 C-Atome) möglich! Fazit: Es gibt noch sehr viel Raum, um neue organische Moleküle mit bestimmten Eigenschaften herzustellen Beispiele: etherische Öle Alkaloide Menthol 2-Isopropyl-5-methylcyclohexanol Chinin 1-(6-Methoxychinolin-4-yl)-1-(5-vinyl-1-azabicyclo[2.2.2]oct-2-yl)methanol Naturstoffe wirken zur Heilung von Krankheiten (Chinin: gegen Fieber und Malaria) Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 9

9 Einschub: Medizin-Nobelpreis 2015 Youyou Tu (China) William C. Campbell (Irland) Satoshi Omura (Japan) Entdeckung des Wirkstoffs Artemisinin (Extrakt aus dem Einjährigen Beifuß) gegen Plasmodien, die Malaria auslösen. Entdeckung des Wirkstoffs Avermectin, das Infektionen mit Fadenwürmern bekämpft 3R,5aS,6R,8aS,9R,12S,12aR)-Octahydro-3,6,9-trimethyl-3,12-epoxy- 12H-pyrano[4,3-j]-1,2-benzodioxepin-10(3H)-on (C 15 H 22 O 5 ) Doramectin, ein Antiparasitikum der Avermectin- Gruppe Gewinnung erfolgt durch die Extraktion getrockneter Blätter und Blüten mit n-hexan Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 10

10 Einschub: Medizin-Nobelpreis 2015 Artemisininsäure lässt sich in größeren Mengen mithilfe von genmanipulierter Bierhefe kostengünstig herstellen, dann mehrstufige chemische Synthes zu Artemisin Artemisinsäure -MeOH Artemisin C. J. Paddon, P. J. Westfall, et al. Nature 2013, 496, Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 11

11 Kohle war früher Hauptquelle für Chemikalien durch Destillation (H 2 /CO) liefert Teer, der reich an aromatischen Verbindungen ist Benzol Pyridin Phenol Anilin Thiophen Synthetische organische Chemie begann ab ca W. Perkin ( ) entdeckte 1856 zufällig den ersten synthetischen Farbstoff Mauvein (wollte Chinin aus Anilin herstellen) Mauvein A 3-Amino-2,9-dimethyl-5-phenyl-7-(p-tolylamino)phenaziniumacetat Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 12

12 Industrie der synthetischen Farbstoffe entstand (BASF, Bayer, Agfa, Höchst, Casella) BASF 1865: gegründet zur Herstellung von Teerfarbstoffen und Farbstoffe auf Anilinbasis 1880: Erforschung einer Indigo-Synthese (Heumann-Synthese) 1897: Indigo-Produktion Indigo 2,2 -Bis(2,3-dihydro-3-oxoindolyliden) Bismarckbraun Y 4,4'-[1,3-Phenylenbis(azo)]-bis[1,3-phenyldiamin] heute: weltgrößter Chemiekonzern mit Mitarbeiter, 74 Mrd. Umsatz Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 13

13 Erdöl ab 20 Jh. Hauptquelle organischer Verbindungen einfache Kohlenwasserstoffe: Methan, Ethan, Propan (Brennstoffe) daraus entstanden zwei industrielle Bereiche der organischen Chemie Feinchemikalien (kleinere Mengen, Arzneimittel, Aroma-, Duftstoffe) Grundchemikalien (viele Tonnen, Anstriche, Kunststoffe) Steamcracker (BASF, größte 2 Produktionsanlagen in Ludwigshafen) aus Rohbenzin (Naphtha, 2 Mio to/jahr) ensteht eine ganze Reihe wichtiger chemischer Grundbausteine wie vor allem Ethylen und Propylen - elementar für Kunststoffe, Lacke, Waschrohstoffe und Pflanzenschutzmittel. Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 14

14 Unter den 16 Millionen organische Verbindungen gibt es alle Arten von Molekülen mit vielfältigen Eigenschaften Aussehen: kristallin, ölig, wachsartig, flüssig, gasförmig, kunststoffartig, Saccharose β-d-fructofuranosyl-α-d-glucopyranosid 2,2,4-Trimethylpentan Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 15

15 Farben: Optische Eigenschaften (Absorption, Fluoreszenz, Reflektion, Brechungsindex, ) Wechselwirkung der Moleküle mit Licht (UV, vis, NIR) ß-Carotin 1,3,3-Trimethyl-2-[(1E,3E,5E,7E,9E,11E,13E,15E,17E)-3,7,12,16-tetramethyl-18-(2,6,6-trimethylcyclohexen-1-yl)octadeca- 1,3,5,7,9,11,13,15,17-nonaenyl]cyclohexen Chlorophyll A Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 16

16 Farben: decken das gesamte Spektrum ab Clayden, Greeves, Warren, Organische Chemie, Springer Spektrum, 2013, S.4 Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 17

17 Duft, Geruch: es gibt angenehm oder unangenehm riechende organische Substanzen Synthetische und natürliche Riechstoffe (Parfüme), (Fruchtester) ume/christian-dior/hypnotic- Poison-219.html Moschus-Keton 4-tert-Butyl-2,6-dimethyl-3,5- dinitroacetophenon chemie/labor/estersynth/ Essigsäureamylester Acesulfam (Claus 1967) 6-Methyl-3,4-dihydro-1,2,3-oxathiazin-4-on-2,2-dioxid de/ bilder/suess-stoff_gutguenstig, p ,s-700.jpg 2-Buten-1-thiol tert-butylthiol (+)-Androstenon Geruch bei Insekten: Pheromone Serricornin 4,6-Dimethyl-7-hydroxy-nonan-3-one Olean (R,S)-1,7-Dioxaspiro[5.5]undecan Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 18

18 Geschmack: der Mensch kann extrem geringe Mengen schmecken (2 x 10-5 ppb) Aroma der Grapefruit (R)-1-p-Menthen-1-thiol Eigenartige Wirkung auf den Menschen (Drogen) Alkohol Wirkung in der Nahrung Ecstasy 3,4-Methylendioxy-N-methylamphetamin Cocain Methyl(1R,2R,3S,5S)-3-(benzoyloxy)-8-methyl- 8-azabicyclo[3.2.1]octan-2-carboxylat Resveratrol Ascorbinsäure (Vitamin C) Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 19

19 Agrochemikalien: Garantieren eine ausreichende Nahrungsversorgung Insektizide Pyrethrine Decamethrin (1R,3R)-[(S)-α-Cyano-3-phenoxybenzyl-3-(2,2-dibromvinyl)]-2,2-dimethylcyclopropancarboxylat Fungizide Propiconazol (±)-1-[2-(2,4-Dichlorphenyl)-4-propyl-1,3-dioxolan-2-yl-methyl]-1H-1,2,4-triazol Herbizide Glyphosat N-(Phosphonomethyl)glycin Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 20

20 Periodensystem: Wo sind die Grenzen der organischen Chemie? alle organischen Verbindungen bauen auf dem Kohlenwasserstoff-Gerüst auf: C, H öfters kommen hinzu: O, N, manchmal: S, P sowie Halogene F, Cl, Br, I weitere: Li, B, Si, Cu, Zn, Pd, Sn n-buli Triethylboran Gilman-Cuprat Diethylzink Tributylzinnhydrid Tetrakis(triphe- nylphoshin)- palladium Trimethylsilylchlorid Clayden, Greeves, Warren, Organische Chemie, Springer Spektrum, 2013, S.13 Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 21

21 Zusammenfassung: Hauptrichtungen in der organischen Chemie Synthese Reaktionsmechanismen Strukturaufklärung Theoretische Organische Chemie Biochemie Wir gehen nun auf die Reise durch diese (Wissens)Landschaft. Dabei ist die Sprache der organischen Chemie einfach: Bilder, Formeln, Nomenklatur Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 22