Auswahlverfahren Medizin Prüfungsgebiet Chemie. 5.Termin Organische Chemie

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1 Auswahlverfahren Medizin Prüfungsgebiet Chemie 5.Termin Organische Chemie Kursleiter Mag. Wolfgang Mittergradnegger IFS Kurs

2 Merkmale organischer Verbindungen Verbindungen des Kohlenstoffs Ausnahmen: CO, CO 2, H 2 CO 3, 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

3 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

4 Kohlenwasserstoffe Die einfachsten organischen Verbindungen Kohlenwasserstoffe 4

5 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

6 Übersicht Kohlenwasserstoffe 6

7 Atombindung Hybridorbitale Kohlenstoff sp 3 -hybridisierter Zustand (2sp 3 ) 4 sp 2 -hybridisierter Zustand sp-hybridisierter Zustand 4 Bindungspartner 4 σ-bindungen Bindungswinkel = 109,5 tetraedrisch 3 Bindungspartner 3 σ + 1 π-bindung Bindungswinkel = 120 trigonal planar 2 Bindungspartner 2 σ + 2 π-bindungen Bindungswinkel=180 linear 7 7

8 Atombindung Ethan / sp 3 Hybridisierung Winkel: 109,5 tetreadrisch σ Bindung (1 Überlappungsbereich!) Freie Drehbarkeit!!! 8 8

9 Atombindung Ethen / sp 2 Hybridisierung Winkel: 120 trigonal planar σ Bindung + π Bindung ( 2 Überlappungsbereiche!) Keine freie Drehbarkeit!!! 9 9

10 Atombindung Ethin / sp Hybridisierung Winkel: 180 Linear gestreckt σ Bindung + 2 π Bindungen (2 Überlappungsbereiche!) Keine freie Drehbarkeit!!! 10 10

11 Homologe Reihe der Alkane Formel Name Schmelzpunkt ( C) Siedepunkt ( C) Zustand 11 CH 4 C 2 H 6 C 3 H 8 C 4 H 10 C 5 H 12 C 6 H 14 C 7 H 16 C 8 H 18 C 9 H 20 C 10 H 22 C 11 H 24 C 12 H 26 C 13 H 28 C 14 H 30 C 15 H 32 C 16 H 34 C 17 H 36 Methan Ethan Propan Butan Pentan Hexan Heptan Octan Nonan Decan Undecan Dodecan Tridecan Tetradecan Pentadecan Hexadecan Heptadecan , , Gas Gas Gas Gas flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig fest fest

12 Homologe Reihe Ebenso bilden andere Verbindungsgruppen organischer Verbindungen homologe Reihen, z.b.: Alkohole Aldehyde Ketone Carbonsäuren Amine. 12

13 Nomenklatur Es gibt Millionen von organischen Verbindungen, die sich oft nur in kleinen Details voneinander unterscheiden (Isomere 1) ), daher ist eine übersichtliche und nach genauen Regeln aufgebaute Namensgebung wichtig: NOMENKLATUR Trivialnamen (Mundart) Essigsäure IUPAC Name (Hochsprache) Ethansäure Grundlage für Nomenklatur sind die einfachsten KW, die Alkane 13 1) ISOMERIE => gleiche Summenformel, verschiedene Strukturformel

14 Nomenklatur bei den Alkanen Formel Name 14 Trivialnamen! Summenformel C n H 2n+2 CH 4 C 2 H 6 C 3 H 8 C 4 H 10 C 5 H 12 C 6 H 14 C 7 H 16 C 8 H 18 C 9 H 20 C 10 H 22 C 11 H 24 C 12 H 26 C 13 H 28 C 14 H 30 C 15 H 32 C 16 H 34 C 17 H 36 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!

15 Nomenklatur n Butan CH 3 H 3 C Butan C 4 H 10 i Butan H 3 C CH 3 CH 3 Seitenkette = Rest eines KW Reste haben die Endung YL 2 Methyl propan ISOMERIE => gleiche Summenformel, verschiedene Strukturformel 15

16 Alkane Nomenklatur C 8 H 18 n Octan i Octan H 3 C CH 3 Octan 2,2,4 Trimethyl pentan 16

17 Alkane Nomenklatur / Endung: YL 17

18 Alkane Nomenklatur H 3 C H 3 C CH 3 CH 3 CH 3 3 E t h y l 2, 4 d i m e t h y l h e x a n Rest mit 2C 2X 6 C 18 wo in der Hauptkette wo in der Hauptkette Rest mit 1C Einfach Bindung zwischen C

19 Alkane Nomenklatur 19

20 20 Organische Chemie Alkane Isomerie

21 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

22 Isomerie Es gibt verschiedene Arten der Isomerie: KONSTITUTIONSISOMERIE Atome unterschiedlich miteinander verknüpft Strukturisomerie Stellungsisomerie verzweigt, unverzweigt wo liegen Doppelbindungen (Valenzisomerie) wo liegt ein spezieller Substituent STEREOISOMERIE Atome gleich miteinander verknüpft, aber unterschiedliche räumliche Lage 22 Geometrische Isomerie Optische Isomerie Z/E(cis/trans) Enantiomere (Bild und Spiegelbild) Diastomere

23 23 Organische Chemie Isomerie

24 24 Organische Chemie Isomerie Beispiele

25 Beispiele zur Isomerie 1 Buten 2 Buten cis 2 Buten Z 2 Buten trans 2 Buten E 2 Buten 25

26 Alkane = Gesättigte KW nur 1 fach Bindungen zwischen den C Atomen! sp 3 Hybridisierung => 4 Bindungspartner am C Atom! nur σ Bindungen unpolar Allgemeine Summenformel: C n H 2n+2 (Homologe Reihe) Benennung: Endsilbe an (=>Nomenklatur Regeln!) bis C 4 : gasförmig C 5 bis C 15 : flüssig ab C 16 : fest (Paraffine) wegen der zunehmenden Größe der Moleküle steigen die Van der Waals Kräfte steigende Kp (siehe nachfolgende Tabelle!) typische Reaktion: Radikalische Substitution S R 26

27 Atombindung Hybridorbitale Kohlenstoff sp 3 -hybridisierter Zustand (2sp 3 ) 4 4 Bindungspartner 4 σ-bindungen Bindungswinkel = 109,5 tetraedrisch 27 27

28 Homologe Reihe der Alkane Formel Name Schmelzpunkt ( C) Siedepunkt ( C) Zustand 28 CH 4 C 2 H 6 C 3 H 8 C 4 H 10 C 5 H 12 C 6 H 14 C 7 H 16 C 8 H 18 C 9 H 20 C 10 H 22 C 11 H 24 C 12 H 26 C 13 H 28 C 14 H 30 C 15 H 32 C 16 H 34 C 17 H 36 Methan Ethan Propan Butan Pentan Hexan Heptan Octan Nonan Decan Undecan Dodecan Tridecan Tetradecan Pentadecan Hexadecan Heptadecan , , Gas Gas Gas Gas flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig flüssig fest fest

29 Cycloalkane verhalten sich gleich wie Alkane, sie liegen nur in Ringform vor! (Naphthene, Cycloparaffine) 29

30 Alkene Ungesättigte Kohlenwasserstoffe sp 2 Hybridisierung => 3 Bindungspartner am C Atom 1 σ Bindung + 1 π Bindung keine freie Drehbarkeit Allgemeine Summenformel: C n H 2n (homologe Reihe!) viel reaktiver als Alkane Benennung: Endsilbe en + Angabe, wo Doppelbindung liegt! typische Reaktion: elektrophile Addition A E 30

31 Atombindung Hybridorbitale Kohlenstoff sp 2 -hybridisierter Zustand 3 Bindungspartner 3 σ + 1 π-bindung Bindungswinkel = 120 trigonal planar 31 31

32 Isomerie bei Buten Organische Chemie Isomerie Beispiele 32

33 Alkene Nomenklatur Doppelbindungen können sein kumuliert: C = C = C = C Mesomerie isoliert: C = C C C = C konjugiert: C = C C = C 33

34 Alkine ungesättigt sp Hybridisierung => 2 Bindungspartner am C Atoms 1 σ Bindung und 2 π Bindungen keine freie Drehbarkeit sehr reaktiv 34

35 Atombindung Hybridorbitale Kohlenstoff sp-hybridisierter Zustand 2 Bindungspartner 2 σ + 2 π-bindungen Bindungswinkel=180 linear 35 35

36 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 C 6 H 6 (früher Benzol ) ringförmiges delokalisiertes π Elektronensystem MESOMERIE 36

37 Kondensierte Aromaten Benzpyren 37

38 Nomenklatur Aromate Methylbenzen = Toluen alt: Toluol Dimethylbenzene = Xylen alt: Xylol 38

39 Unterschied Aromat Cyclischer KW Cyclohexen Methylbenzen 39

40 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

41 Reaktionen Klassifizierung einer Reaktion nach Typ 1) nach Teilchenart 2) Substitution S Addition A Elimination E Umlagerungen U radikalisch elektrophil nucleophil R E N 41

42 1) Reaktionen SUBSTITUTION Ein (Wasserstoff)atom wird durch ein anderes Atom oder Atomgruppe ausgetauscht z.b. Radikalische Substitution => S R : die Herstellung von Halogenalkanen aus Alkanen C 2 H 6 + Cl 2 C 6 H 5 Cl + HCl oder: Nucleophile Substitution =>S N Herstellung von Alkoholen aus Halogenalkanen C 2 H 5 Cl + OH C 2 H 5 OH + Cl 42 Substitutionsreaktionen sind typisch für Alkane.

43 1) Reaktionen ADDITION Dabei wird das Molekül, mit dem das Alken oder Alkin reagiert, einfach angeheftet, die Doppel / Dreifachbindung geht verloren. Die elektrophile Addition (A E ) ist typisch für Alkene und Alkine 43

44 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 H 2 C 2 H 6 C 2 H 4 + H 2 44

45 1) Reaktionen UMLAGERUNGEN Im Molekül wird ein(e) Atom(gruppe) von Punkt A an Punkt B verschoben A B Diese spezielle Art der Umlagerung eines H Atoms nennt man Tautomerie 45

46 2) Reaktionen Wie kann eine kovalente Bindung zwischen 2 Atomen getrennt werden? X X X Y Homolytische Bindungsspaltung Es bilden sich Radikale R. Kettenreaktion Heterolytische Bindungsspaltung Es bildet sich positives und negatives Ion Positives Ion greift negative Stelle an=> Elektrophil Negatives Ion greift positive Stelle an => Nucleophil 46

47 Reaktionen VERBRENNUNG (Redox Reaktion) Vollständige Verbrennung: C 6 H ,5 O 2 6 CO H 2 O ΔH Unvollständige Verbrennung: C 6 H O 2 4 CO 2 + CO + C (Ruß) + 7 H 2 O ΔH 47

48 Reaktionen Weitere Reaktionen? Kondensation: Zusammenschluss von Molekülen unter Abspaltung von Wasser Hydrolyse: Spaltung von Molekülen unter Einfluss und Anlagerung von Wasser 48

49 Derivate Funktionelle Gruppen Derivateder Kohlenwasserstoffe sind Abkömmlinge dieser Verbindungen, bei denen ein oder mehrere H Atom(e) durch andere Atome oder Atomgruppierungen ersetzworden sind. Beispiele: CH4 CH 3 Cl, CH 3 OH, CCl 2 F 2, CH 2 O 49

50 Derivate Funktionelle Gruppen Halogenkohlenwasserstoffe Alkohole, Phenole Aldehydeund Ketone, Chinone Carbonsäuren Ether Ester Amine Amide Thioalkohole und Thioester 50 LISTE DER FUNKTIONELLEN GRUPPEN unter: ifs_meduni Tabellen

51 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

52 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

53 Vergleich Alkane/Alkohole ALKAN M Kp Kp ALKOHOL M Kp Fp Methan 16u 161 o C 182 o C Methanol 32u 65 o C> 97 o C Ethan 30u 88 o C 183 o C Ethanol 46u 78 o C 115 o C Propan 44u 42 o C 190 o C 1-Propanol 60u 97 o C 126 o C Butan 58u 1 o C 135 o C 1-Butanol 74u 118 o C 90 o C Pentan 72u 36 o C 130 o C 1-Pentanol 88u 138 o C 78 o C Hexan 86u 69 o C 95 o C 1-Hexanol 102u 157 o C 52 o C Dodecan 170u 216 o C 10 o C Dodecanol 186u 256 o C 24 o C Hexadecan 226u 287 o C 18 o C Hexadecanol 242u 50 o C Octadecan 254u 308 o C >28 o C Octadecanol 270u 59 o C 53

54 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 1,2,3 Propantriol Glycerol (alt: Glycerin ) primär, weil OH an primärem C 54

55 Alkohole einwertig, weil 1 OH tertiär, weil OH an tertiärem C 2 Methyl propan 2 ol 55

56 Phenole Aromatische Alkohole einwertig Rest vom Bezen: Phenyl Rest Phenol = Hydroxybezen 56

57 Alkohole wichtige Beispiele Methanol Ethanol 1,2 Ethandiol (Glycol) 1,2,3 Propantriol (Glycerin) Phenol aber auch verwandte Stoffe, wie 57

58 Reaktionen der Alkohole 1. Totale Verbrennung (Oxidation) unter Zerstörung des Kohlenstoffgerüsts CH 3 CHOH CH 3 + 4,5 O 2 3CO 2 + 4H 2 O / ΔH 2. Schonende Oxidation unter Erhaltung des Kohlenstoffgerüsts Beispiel: OH O H 3 C CH 3 H 3 C CH 3 58

59 Reaktionen der Alkohole Primärer ROH 1. Oxidation Aldehyd 2. Oxidation Carbonsäure H 3 C OH H 3 C O C H 3 O H OH Ethanol Ethanal Ethansäure (Essig) 59

60 Reaktionen der Alkohole Sekundärer ROH 1. Oxidation Keton H 3 C C H 3 OH C H 3 H 3 C O Propan-2-ol Propanon 60

61 Reaktionen der Alkohole Tertiärer ROH keine schonende Oxidation möglich, nur totale Oxidation zu CO2 und H2O! 61

62 Reaktionen der Alkohole 2x oxidierbar 1x oxidierbar nicht schonend oxidierbar 62

63 Reaktionen der Alkohole ALDEHYDE & KETONE: Funktionelle Gruppe: Carbonylgruppe >C=O Endung al Endung on 63

64 Reaktionen der Alkohole C H 3 Ethanal O H O H Propanon (Aceton) Benzaldehyd 64

65 Reaktionen der Alkohole Alkohol + Alkohol Ether und Wasser CH 3 OH + HO CH 3 CH 3 O CH 3 + H 2 O Kondensations Reaktion: 2 Moleküle vereinen sich unter Abspaltung von Wasser 65

66 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

67 Carbonsäuren Funktionelle Gruppe: Carboxylgruppe COOH Bennennung: säure bzw. carbonsäure 1) Carboxylgruppe kann leicht H + abgeben => Säure C H 3 O OH + H 2 O H H O + H + C H 3 O O - Protolyse R COOH + H 2 O H 3 O + + R COO S1 B2 S2 B1 67 1) Wenn der Säure Kohlenstoff nicht zum Stamm zählt!!!

68 68 Organische Chemie Carbonsäuren

69 Carbonsäuren/Fettsäuren (Höhere) Carbonsäuren mit unverzweigter Kohlenstoffkette werden oft als Fettsäuren bezeichnet, weil manche von ihnen Bestandteile der Fette sind 18 Linolensäure (cis, cis, cis 9,12,15 Octadecatriensäure) 69

70 Mehrprotonige Carbonsäuren besitzen mehrere Carboxylgruppen 70

71 Mehrprotonige Carbonsäuren 71

72 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

73 73 Organische Chemie Aromatische Carbonsäuren

74 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

75 Ester Säure + Alkohol Ester + Wasser R COOH + R' OH R COO R' + H 2 O 75

76 Ester Fruchtester niedere Carbonsäuren mit niederen Alkoholen (C 1 bis C 5 ) stark flüchtig angenehm, fruchtartiger Geruch kommen in geringen Mengen in reifen Früchten vor 76

77 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

78 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

79 Amine Die organischen Derivate von Ammoniak nennt man Amine. Je nach der Anzahl der durch organische Reste ersetzten Wasserstoffatome unterscheidet man primäre sekundäre tertiäre quartäre Amine 79

80 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