Nomenklatur. Kohlenwasserstoffe. Die einfachste Verbindungsklasse in der Organischen Chemie sind die Kohlenwasserstoffe.

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1 Kohlenwasserstoffe Quelle: focus.de Quelle: oldskoolman.de Die einfachste Verbindungsklasse in der Organischen Chemie sind die Kohlenwasserstoffe. Ihre Ursprungsquelle ist das Erdöl und ihr Hauptanwendungsgebiet der Antrieb in Verbrennungsmotoren. Sie enthalten, wie der Name bereits andeutet, ausschließlich Atome der Elemente Kohlenstoff und Wasserstoff. 1

2 Kohlenwasserstoffe Proton Kern eines Kohlenstoffatoms (Isotop 12 C) Neutron Jedes Kohlenstoffatom enthält in seinem Kern sechs positiv geladene Elementarteilchen, die sog. Protonen. Die Anzahl an Protonen im Kern, auch Ordnungszahl genannt, ist charakteristisch für ein Element. Die überwiegende Mehrzahl der C-Atome, nämlich knapp 99%, enthält zusätzlich dazu sechs elektrisch neutrale Elementarteilchen, die sog. Neutronen. Die sechs Protonen plus sechs Neutronen entsprechen zwölf Elementarteilchen im Kern und charakterisieren das Kohlenstoff-Isotop 12 C. Die beiden anderen Isotope des Kohlenstoffs haben in ihren Kernen neben den sechs Protonen sieben (Isotop 13 C) bzw. acht Neutronen (Isotop 14 C; radioaktiv). 2

3 Kohlenwasserstoffe Kern eines Kohlenstoffatoms (Isotop 12 C) Kern eines Wasserstoffatoms (Isotop 1 H) = Proton Jedes Wasserstoffatom enthält in seinem Kern ein einziges Proton. In der überwiegenden Anzahl der Wasserstoffkerne ist dies das einzige Elementarteilchen ( Isotop 1 H). Nur sehr wenige H-Atome (ca. 0,015%) haben in ihrem Kern zusätzlich zu dem einen Proton noch ein Neutron ( Isotop 2 H = Deuterium = schwerer Wasserstoff). Extrem selten kommt es vor, daß ein Wasserstoffatom neben dem einen Proton zwei Neutronen im Kern hat. In diesen Fällen liegt das radioaktive Isotop 3 H vor (= Tritium = überschwerer Wasserstoff). 3

4 Kohlenwasserstoffe Kern eines Kohlenstoffatoms Einer der Inhaltsstoffe von Leichtbenzin ist das sog. n-pentan, ein Kohlenwasserstoff mit fünf Kohlenstoffatomen. Zur Konstruktion des Grundgerüsts dieses Kohlenwasserstoffs ordnen wir zunächst die Kerne der fünf Kohlenstoffatome in einer Kette an zweckmäßig ist dabei eine Anordnung im Zick-Zack- Muster. 4

5 Kohlenwasserstoffe Bei der Wiedergabe dieser Kohlenstoffkette auf dem Papier (oder dem Monitor) bedienen wir uns der entsprechenden Elementsymbole. Im Fall des Elements Kohlenstoff ist dies der Buchstabe C. 5

6 Kohlenwasserstoffe Die Kerne der fünf Atome der Kohlenstoffkette werden durch jeweils ein Paar von Bindungselektronen zusammengehalten. Diese Bindungselektronen werden hier durch kleine Punkte in der Mitte zwischen den Atomkernen wiedergegeben. Wir müssen allerdings bedenken, daß diese Darstellung nicht den tatsächlichen Größendimensionen entspricht. Der besseren Wiedergabe wegen sind hier die Kerne und Elektronen in Relation zu ihrem Abstand zueinander in einem deutlich vergrößerten Maßstab wiedergegeben. 6

7 Kohlenwasserstoffe In der Wiedergabe auf dem Papier hingegen verbinden wir die Elementsymbole der C-Atome mit jeweils einem Strich. Dieser Strich stellt in der von Gilbert Newton Lewis entwickelten Schreibweise ein Elektronenpaar dar. Verbindet ein Strich wie im vorliegenden Fall zwei Elementsymbole (hier jeweils zwei C ), so spricht man von einem Bindungselektronenpaar (es gibt auch Elektronenpaare, die einem Atom alleine zugeordnet sind und nicht zur Verknüpfung zweier Atomkerne dienen; dies sind die sog. freien Elektronenpaare). Befindet sich zwischen zwei Elementsymbolen nur ein einziger Strich (wie hier), dann sprechen wir von einer Einfachbindung. Natürlich ist die hier oben angegebene Struktur noch nicht vollständig!! Lassen Sie sie in einer Klausur auf keinen Fall so stehen! Denn: die Angabe des Elementsymbols für Kohlenstoff erfordert zwingend auch die Angabe der Elementsymbole der mit dem Kohlenstoff verknüpften Bindungspartner 7

8 Kohlenwasserstoffe wie in diesem Fall dem Wasserstoff. Beachten Sie: C ist vierbindig, H ist einbindig!! Die C-Atome an den Enden der Kette, die mit einem weiteren C-Atom verknüpft sind, bilden demnach drei weitere Einfachbindungen zu H-Atomen aus. Die übrigen C-Atome im Inneren der Kette sind mit zwei weiteren C-Atomen verbunden und haben noch zwei sog. Valenzen für Einfachbindungen zu H-Atomen. 8

9 Kohlenwasserstoffe Kern eines Wasserstoffatoms (= Proton) Diese Abbildung zeigt uns die fünf C-Atomkerne und die zwölf H-Atomkerne im Molekül des n-pentan sowie die insgesamt 32 (= 2 x 16) Bindungselektronen. 9

10 Kohlenwasserstoffe Um Platz und Zeit zu sparen, können wir die Striche zwischen den C- und den H-Atomen weglassen, was die oben gezeichnete Struktur ergeben würde 10

11 Kohlenwasserstoffe die man aber üblicherweise in gestreckter Form zeichnet, wie in der unteren Struktur wiedergegeben. 11

12 Kohlenwasserstoffe Ein Maximum an Zeit und Platz sparen Sie aber, wenn Sie sich frühzeitig die Skelettschreibweise der Organischen Chemie zur Gewohnheit machen. In dieser chemischen Stenographieschrift werden zum einen die Elementsymbole für Kohlenstoff weggelassen und das gesamte Kohlenstoffgerüst als Zick-Zack-Kette wiedergegeben. 12

13 Kohlenwasserstoffe Zum anderen werden, wie die abgebildete Skelettstruktur zeigt, sämtliche Bindungen von C-Atomen hin zu H-Atomen weggelassen und somit auch auf das Elementsymbol H verzichtet. Achtung!! Dieses Weglassen gilt nur für die H-Atome, die mit einem C-Atom verknüpft sind! Ist ein H-Atom mit einem O-Atom, einem N-Atom oder einem S-Atom verbunden, so muß es selbstverständlich auch in der Skelettschreibweise als Bestandteil der OH-Gruppe, der NH 2 -Gruppe oder der SH-Gruppe angegeben werden! 13

14 Kohlenwasserstoffe CH 3 -Gruppe Die Enden einer solchen Zick-Zack-Kette entsprechen CH 3 -Gruppen, 14

15 Kohlenwasserstoffe CH 2 -Gruppe CH 2 -Gruppe CH 3 -Gruppe die Zacken zwischen den Enden einer solchen Kette entsprechen CH 2 -Gruppen. 15

16 Kohlenwasserstoffe CH-Gruppe Zweigt von einem der Zacken ein sog. Alkylrest ab (= ein Kohlenwasserstoffrest, im einfachsten Fall wie hier eine Methylgruppe), dann bleibt für das C-Atom, von dem die Abzweigung ausgeht, nur noch eine Bindung hin zu einem H-Atom übrig. 16

17 Kohlenwasserstoffe Zweigen gleich zwei Alkylreste von einem C-Atom der Kette ab, so gehen alle vier Einfachbindungen hin zu weiteren C-Atomen, und Bindungen hin zu H-Atomen können von diesem C-Atom ausgehend logischerweise nicht mehr ausgebildet werden. Vergessen Sie nie: Kohlenstoff ist vierbindig! (Zumindest im ungeladenen Zustand). 17

18 Kohlenwasserstoffe n Pentan Nun können wir der Struktur einen Namen geben. Die einzige vorhandene Kohlenstoffkette hat fünf C-Atome, demnach liegt hier Pentan vor. Das kursiv geschriebene n steht für normal und bedeutet, daß der Kohlenwasserstoff eine unverzweigte Kette besitzt. 18

19 Kohlenwasserstoffe n Pentan Es gibt grundsätzlich mehrere Möglichkeiten, die Struktur des Moleküls auf dem Papier darzustellen. Alle hier gezeichneten Varianten geben n-pentan wieder. 19

20 Kohlenwasserstoffe Nun gehen wir von einem unverzweigten Kohlenwasserstoff 20

21 Kohlenwasserstoffe hin zu einem verzweigten Kohlenwasserstoff und erfahren, was wir nunmehr bei der Nomenklatur zu beachten haben. 21

22 Kohlenwasserstoffe Zunächst gilt es, die längste Kohlenstoffkette in der Struktur zu ermitteln. 22

23 Kohlenwasserstoffe Wie wir sofort erkennen, ist nicht mehr die ursprüngliche Pentan-Kette mit ihren fünf C-Atomen die längste Kette, sondern die in dieser Abbildung blau markierte Kette, aus sechs C-Atomen bestehend. 23

24 Kohlenwasserstoffe Anschließend gilt es, diese längste Kette von ihrem Anfang bis zum Ende durchzunummerieren. Die Frage ist nur: an welchem der beiden Enden beginnen wir zu zählen? Wie hier von rechts oben (?) 24

25 Kohlenwasserstoffe oder, wie in der rechten der beiden Strukturen demonstriert, vom anderen Ende her, in dem Fall also von unten? 25

26 Kohlenwasserstoffe Die Nomenklatur sorgt auch hier für eine eindeutige Regelung: Diejenige Zählrichtung wird gewählt, die der ersten Abzweigung (wir haben im vorliegenden Fall nur eine ) die niedrigere Ziffer zuordnet im vorliegenden Fall die links abgebildete Variante mit der Ziffer 3. Haben (im Fall mehrerer Verzweigungen) die ersten Verzweigungen die gleiche Ziffer, dann wird so lange nach einem Unterschied in der Bezifferung gesucht, bis ein Prioritätsunterschied bei den Ziffern auftaucht. Natürlich gibt es auch Fälle symmetrisch verzweigter Moleküle, bei denen die Zählrichtung der Kette irrelevant 26 ist.

27 Kohlenwasserstoffe... hexan Der Stammname des hier abgebildeten Kohlenwasserstoffs ist demnach: hexan 27

28 Kohlenwasserstoffe Ethylhexan Die abzweigende Gruppe am C-3 ist ein Alkylrest mit zwei C-Atomen, also eine Ethylgruppe. Die Bezeichnung Ethyl wird dem Stammnamen hexan vorangestellt. 28

29 Kohlenwasserstoffe 3 Ethylhexan Die Ziffer des C-Atoms der Abzweigung wird dem Namen vorangestellt, getrennt durch einen Bindestrich. 29

30 Kohlenwasserstoffe Betrachten wir nun einen Kohlenwasserstoff mit mehreren Verzweigungen. 30

31 Kohlenwasserstoffe Die längste Kette im Molekül hat nunmehr sieben C-Atome. Der Stammname ist demnach heptan. Da die Abzweigung mit der kleinsten Ziffer am C-3 erfolgt, wird in diesem Fall von oben rechts nach unten gezählt. 31

32 Kohlenwasserstoffe Diethylheptan In diesem Fall zweigen an den C-Atomen Nr. 3 und Nr. 4 jeweils gleiche Reste ab (hier: Ethylgruppen). Die Anzahl gleicher (abzweigender) Atome oder Alkylreste wird mit den Präfixen Di, Tri, Tetra, wiedergegeben (hier: Di), gefolgt von der Bezeichnung für die abzweigende Gruppe (hier: ethyl) und abschließend dem Stammnamen (hier: heptan). 32

33 Kohlenwasserstoffe 3,4 Diethylheptan Abschließend werden die entsprechenden Ziffern der Abzweigung(en) dem Namen vorangestellt. 33

34 Kohlenwasserstoffe 3,4 Diethylheptan Abschließend werden die entsprechenden Ziffern der Abzweigung(en) dem Namen vorangestellt. Sie werden durch einen Bindestrich vom Namen getrennt. 34

35 Kohlenwasserstoffe 3,4 Diethylheptan Abschließend werden die entsprechenden Ziffern der Abzweigung(en) dem Namen vorangestellt. Sie werden durch einen Bindestrich vom Namen getrennt. Zweigen wie im hier vorliegenden Fall mehrere gleiche Gruppen von der Kette (oder dem Ring) ab, so werden die entsprechenden Ziffern durch ein oder mehrere Kommata getrennt. 35

36 Kohlenwasserstoffe 3,4 Diethylheptan Abschließend werden die entsprechenden Ziffern der Abzweigung(en) dem Namen vorangestellt. Sie werden durch einen Bindestrich vom Namen getrennt. Zweigen wie im hier vorliegenden Fall mehrere gleiche Gruppen von der Kette (oder dem Ring) ab, so werden die entsprechenden Ziffern durch ein oder mehrere Kommata getrennt. Zu beachten ist, daß das Komma bzw. die Kommata bei der Namensnennung nicht ausgesprochen werden. 36

37 Kohlenwasserstoffe Cyclohexan Im Fall von ringförmigen Alkanen wird dem Stammnamen in diesem Fall hexan das Präfix Cyclo vorangestellt. 37

38 Kohlenwasserstoffe Cyclohexan Zu beachten ist, daß auch bei den Alkanen mit einem Ringsystem die C-Atome ihre sp 3 -Hybridisierung beibehalten, d.h. hier liegt nach wie vor ein Tetraederwinkel vor. Bei Drei-, Vier- und Fünfringen weicht der Wert bedingt durch die diversen Spannungen (Details: siehe Skript bzw. Lehrbücher) vom Idealwert ab. Im Sechsring hingegen liegt in der energieärmsten Konformation, der sog. Sesselkonformation (siehe Abbildung rechts) ein spannungsfreies Molekül mit 109,5 -Winkeln vor. 38

39 Kohlenwasserstoffe Zeichnen einer Sesselkonformation Wir beginnen mit zwei parallelen, etwas zueinander versetzt gezeichneten Linien, 39

40 Kohlenwasserstoffe Zeichnen einer Sesselkonformation setzen oben links und unten rechts jeweils einen Punkt 40

41 Kohlenwasserstoffe Zeichnen einer Sesselkonformation und verbinden die Enden der Linien mit dem jeweiligen Punkt. 41

42 Kohlenwasserstoffe 2 Penten Die erste sog. funktionelle Gruppe, die wir kennenlernen, ist die C=C-Doppelbindung. Während die gesättigten Kohlenwasserstoffe (Alkane) die Endung an tragen, werden Kohlenwasserstoffe mit einer C=C-Doppelbindung durch die Endung en gekennzeichnet. Während bei Ethen und Propen die Lage der Doppelbindung vorgegeben ist, muß bei höheren Alkenen ab dem Buten die Position der Doppelbindung durch Voranstellen der kleineren der beiden Ziffern der betreffenden C-Atome angegeben werden; die oben abgebildete Verbindung ist demnach 2-Penten 42

43 Kohlenwasserstoffe 2 Penten 1 Penten welches sich durch die Lage der Doppelbindung zwischen den C-Atomen Nr. 2 und Nr. 3 vom dazu isomeren 1-Penten (mit der Doppelbindung zwischen den C-Atomen Nr. 1 und Nr. 2) unterscheidet. Die C-Atome der C=C-Doppelbindung sind übrigens sp 2 -hybridisiert, so daß hier ein Bindungswinkel in der Größenordnung von 120 vorliegt und die beiden C=C-Atome zusammen mit den drei mit ihnen direkt verknüpften Atomen in einer Ebene liegen. 43

44 Kohlenwasserstoffe 2 Penten 2 Penten Es existiert aber noch ein weiteres Isomeres zum 2-Penten, das rechts abgebildet ist. Diese Isomerie beruht auf dem Umstand, daß unter normalen Reaktionsbedingungen keine freie Drehung um eine C=C-Doppelbindung möglich ist. Man nennt diese Form der Isomerie E/Z-Isomerie. 44

45 Kohlenwasserstoffe E 2 Penten Details zum Thema E/Z-Isomerie sind dem Skript oder einem Lehrbuch der Organischen Chemie oder wikipedia zu entnehmen. In Kurzfassung: jedes der beiden C=C-Atome ist mit zwei weiteren Atomen durch jeweils eine Einfachbindung verknüpft (im vorliegenden Fall je 1 x mit C [Ordnungszahl C = 6] und je 1 x mit H [Ordnungszahl H = 1]). Sind, wie in diesem Fall, beide mit den C=C-Atomen verbundenen (in der Abbildung mit Pfeilen markierten) Nachbaratome mit der höheren Ordnungzahl (hier also jeweils der Ziffer 6) auf entgegengesetzten Seiten der C=C-Doppelbindung, so liegt das E-Isomere vor ( E entspricht dem 1. Buchstaben des Worts entgegen ). 45

46 Kohlenwasserstoffe E 2 Penten Z 2 Penten Sind jedoch, wie in der rechten Abbildung, beide mit den C=C-Atomen verbundenen Nachbaratome mit der höheren Ordnungszahl (hier die C-Atome mit der OZ 6) zusammen auf der gleichen Seite der C=C-Doppelbindung, so liegt das Z-Isomere vor ( Z entspricht dem 1. Buchstaben des Worts zusammen ). 46

47 Kohlenwasserstoffe 1,3 Pentadien Hat das Molekül mehr als nur eine C=C-Doppelbindung, so wird zwischen dem Wortstamm (hier: pent ) und der Endung en zum einen der Buchstabe a eingefügt und zum anderen eine der bereits bekannten aus dem Griechischen abgeleiteten Silben, welche der Anzahl der C=C-Doppelbindungen im Molekül entspricht: di-, tri-, tetra-, usw. Natürlich dürfen auch hier die vorangestellten kleinstmöglichen Ziffern nicht fehlen, die die Positionen der C=C-Doppelbindungen angeben [im vorliegenden Beispiel die Ziffern 1 und 3, wiederum durch ein (nicht ausgesprochenes) Komma voneinander getrennt und vom Namen der Verbindung durch einen Bindestrich getrennt]. 47

48 Kohlenwasserstoffe E 1,3 Pentadien Im hier vorgestellten Beispiel liegt sogar eine Differenzierung gemäß der E/Z-Isomerie vor, und zwar bei der C=C-Doppelbindung zwischen C-3 und C-4 (nota bene: wir müssen hier von rechts nach links zählen, damit im Namen die 1 als kleinste Ziffer auftaucht). Im Fall der C=C-Doppelbindung zwischen C-1 und C-2 kann keine E/Z-Isomerie auftreten, da vom C-1 mit den beiden H-Atomen zwei identische Substituenten abzweigen. 48

49 Kohlenwasserstoffe 2 Pentin Kommen wir nun zur Nomenklatur der C C-Dreifachbindung mit einer sp-hybridisierung ( Winkel). An dem Stammnamen (hier: pent ) wird die Endung in angehängt und ihm wie üblich die kleinere der beiden entsprechenden Ziffern (hier die 2 anstatt der 3 ) vorangestellt. 49

50 Kohlenwasserstoffe Cyclohexen Analog zu den offenkettigen Systemen gibt es natürlich auch Ringsysteme mit C=C-Doppelbindungen und der entsprechenden sp 2 -Hybridisierung ( Winkel) der C-Atome. Hat der Kohlenwasserstoff-Sechsring eine C=C-Doppelbindung, so wird er als Cyclohexen bezeichnet. 50

51 Kohlenwasserstoffe Cyclohexen Cyclohexen (Seitenansicht) Die Stereochemie des Cyclohexens wird recht anschaulich aufgezeigt, wenn man das Molekül von der Seite betrachtet, mit der C=C-Doppelbindung nach vorne (siehe Abbildung rechts). Die direkt mit den beiden C-Atomen der Doppelbindung verknüpften C-Atome sind wie alle C-Atome mit vier Einfachbindungen sp 3 -hybridisiert, aber sie liegen dennoch in der gleichen Ebene mit den beiden C=C-Atomen, wie die Pfeile in der Seitenansicht zeigen. 51

52 Kohlenwasserstoffe Cyclohexen Cyclohexen (Seitenansicht) Die beiden übrigen C-Atome (durch Pfeile markiert) ragen aber, bedingt durch den Tetraederwinkel, nach oben bzw. nach unten aus dieser Ebene heraus. 52

53 Kohlenwasserstoffe 1,3 Cyclohexadien Für die Nomenklatur von Ringsystemen, die mehr als eine C=C-Doppelbindung aufweisen, gelten die analogen Regeln wie für die offenkettigen Polyene: Dem Stammnamen (hier: cyclohex ) wird zunächst ein a hinzugefügt und dann die Silbe aus dem Griechischen, die der Anzahl der C=C-Doppelbindungen entspricht (hier: di ), gefolgt von der Endung en. 53

54 Kohlenwasserstoffe 1,3 Cyclohexadien 1,4 Cyclohexadien Im Fall des Cyclohexadiens gibt es zwei Isomere, das 1,3-Cyclohexadien mit zwei konjugierten C=C-Doppelbindungen und das 1,4-Cyclohexadien mit zwei isolierten C=C-Doppelbindungen. 54

55 Kohlenwasserstoffe 1,3 Cyclohexadien 1,4 Cyclohexadien Im Fall des Cyclohexadiens gibt es zwei Isomere, das 1,3-Cyclohexadien mit zwei konjugierten C=C-Doppelbindungen und das 1,4-Cyclohexadien mit zwei isolierten C=C-Doppelbindungen. (Konjugiert bedeutet, daß eine ununterbrochene Abfolge von sp 2 -hybridisierten C-Atomen in diesem Fall vier Stück; siehe Pfeile vorliegt, deren nicht in die Hybridisierung einbezogene p-orbitale aufgrund ihrer parallelen Ausrichtung miteinander überlappen können. Dies sorgt für eine Stabilisierung des Systems). 55

56 Kohlenwasserstoffe 1,3 Cyclohexadien 1,4 Cyclohexadien Im Fall des Cyclohexadiens gibt es zwei Isomere, das 1,3-Cyclohexadien mit zwei konjugierten C=C-Doppelbindungen und das 1,4-Cyclohexadien mit zwei isolierten C=C-Doppelbindungen. (Konjugiert bedeutet, daß eine ununterbrochene Abfolge von sp 2 -hybridisierten C-Atomen in diesem Fall vier Stück vorliegt, deren nicht in die Hybridisierung einbezogene p-orbitale aufgrund ihrer parallelen Ausrichtung miteinander überlappen können. Dies sorgt für eine Stabilisierung des Systems. Isoliert bedeutet, daß die beiden Paare von sp 2 -hybridisierten C-Atomen [siehe Pfeile] durch mindestens ein sp 3 - hybridisiertes C-Atom unterbrochen werden, daß also keine durchgehende Kette von Atomen vorliegt, deren p-orbitale miteinander überlappen können). 56

57 Kohlenwasserstoffe Eine durchgehende Konjugation an zumindest scheinbaren Doppelbindungssystemen über den gesamten Ring hinweg haben wir im hier abgebildeten Fall vorliegen. 57

58 Kohlenwasserstoffe p-orbitale Überlappungszone oberhalb und unterhalb der Ringebene C - Eine durchgehende Konjugation an zumindest scheinbaren Doppelbindungssystemen über den gesamten Ring hinweg haben wir im hier abgebildeten Fall vorliegen. Wenn 1) die p-orbitale sämtlicher Atome eines Ringsystems überlappen und somit vollständige Konjugation über den Ring hinweg herrscht (man spricht auch von einer Delokalisierung des π-elektronensystems), 2) der Ring wie hier eine ebene Geometrie besitzt (alle C-Atome sind sp 2 -hybridisiert; die Bindungswinkel betragen 120 ) und 3) die Anzahl der π-elektronen entweder zwei oder wie hier sechs oder zehn (allgemein: 4n + 2, mit n = 0,1,2, ) ist, dann spricht man von einem aromatischen Ringsystem. 58

59 Kohlenwasserstoffe Quelle: wikipedia Erich Hückel Diese 4n + 2 -Regel wurde von dem deutschen Chemiker und Physiker Erich Hückel aufgestellt. Sie wird ihm zu Ehren daher auch Hückel -Regel genannt. 59

60 Kohlenwasserstoffe Benzol (Benzen) Die Abbildung zeigt den klassischen Aromaten, nämlich das Benzol. Es darf im Deutschen, abgeleitet vom engl. benzene, mittlerweile auch als Benzen bezeichnet werden. Die letztere Bezeichnung hat den Vorteil, daß man sich nicht zu der irrigen Ansicht verleiten läßt, daß das Molekül eine OH-Gruppe besitzt. Die Endung ol ist, wie wir auf der übernächsten Folie sehen werden, nämlich für Alkohole reserviert, deren funktionelle Gruppe die OH-Gruppe ist. 60

61 Kohlenwasserstoffe Benzol (Benzen) Aber auch von der Endung en des Namens Benzen dürfen wir uns nicht in die Irre führen lassen! Hier liegt kein Alken vor! Die Aromaten sind eine eigenständige Verbindungsklasse mit ganz eigenen Eigenschaften, die auf der Stabilität des Ringsystems mit seinen ringförmig delokalisierten π Elektronen beruhen. Wir merken uns: ein Aromat ist ein sehr stabiles System und hat daher andere chemische Eigenschaften als ein Alken! 61

62 Alkohole 2 Pentanol Nun verlassen wir die Kohlenwasserstoffe, die aus nur zwei Elementen bestehen, nämlich C und H. Wir fügen zwischen eine der C-H-Bindungen ein O-Atom ein und betreten nun die Welt der Alkohole. Zur Nomenklatur: An den Namen des Stamm-Kohlenwasserstoffs (hier: Pentan) wird die Endung ol angehängt. Die Ziffer des C-Atoms, welches die OH-Gruppe trägt (hier die 2 ), wird, durch einen Bindestrich getrennt, dem Namen vorangestellt. 62

63 Alkohole 2 Pentanol Denken Sie beim Zeichnen von Strukturformeln daran: Sauerstoff ist zumindest in der ungeladenen Form zweibindig. (Ein dreifach gebundenes O-Atom würde eine positive Ladung tragen). Das Elektronenpaar, welches in der OH-Gruppe das O-Atom mit dem H-Atom verbindet, muß nicht unbedingt mit in die Struktur eingezeichnet werden (siehe Abbildung rechts). 63

64 Exkurs: R/S Nomenklatur 2 Pentanol R 2 Pentanol Das Beispiel des 2-Pentanol bietet uns einen Exkurs in einen Aspekt der Nomenklatur an, den wir bei den sog. chiralen Verbindungen zu beachten haben (zur Chiralität bzw. Optischen Aktivität: siehe Skript / Lehrbuch / wikipedia). Es gibt nämlich zwei isomere 2-Pentanole, weil das Molekül ein sog. Stereozentrum besitzt (das asymmetrisch substituierte C-Atom Nr. 2 hat vier unterschiedliche Liganden). 64

65 Exkurs: R/S Nomenklatur 2 Pentanol R 2 Pentanol Wir dürfen in der abgekürzten Skelettschreibweise nicht übersehen, daß von diesem C-Atom Nr. 2 (siehe Pfeil) neben den beiden Alkylgruppen (einer Methylgruppe und einer n-propylgruppe) sowie der OH-Gruppe (zum Betrachter hin mit einem durchgehenden Keil nach vorne gezeichnet) noch eine Bindung hin zu einem H-Atom abgeht (hier vom Betrachter weg mit einem gestrichelten Keil nach hinten gezeichnet). Wir haben demnach vier verschiedene Substituenten am betreffenden C-Atom und somit ein chirales Molekül. 65

66 Exkurs: R/S Nomenklatur S 2 Pentanol R 2 Pentanol Das entsprechende Isomere mit spiegelbildlicher Anordnung der vier Substituenten sehen wir links abgebildet. Dieser Unterschied in den beiden Stereoisomeren muß sich natürlich auch im Namen der jeweiligen Verbindung wiederfinden. Die Chemiker Cahn, Ingold und Prelog haben hierfür das R/S-System entwickelt, das analog zum E/Z-System der C=C-Doppelbindungen auf den Ordnungszahlen der Substituenten beruht, d.h. auf deren Anzahl an Protonen im Kern (bzw. Elektronen in der Hülle). 66

67 Exkurs: R/S Nomenklatur 2 Pentanol Analog zur E/Z-Nomenklatur betrachten wir als erstes die Ordnungszahlen der mit dem Stereozentrum direkt verknüpften Atome (siehe Kreise in der rechten Abbildung). 67

68 Exkurs: R/S Nomenklatur 2 Pentanol In diesem Fall beginnen wir mit der niedrigsten Ordnungszahl. Dies ist in der Regel die Ordnungszahl 1 für ein H-Atom, welches im hier gezeigten Beispiel vom Betrachter weg nach hinten zeigt (durch einen gestrichelten Keil wiedergegeben). Diesem Atom mit der niedrigsten Ordnungszahl wird in der Reihenfolge der Prioritäten die Position (bzw. Ziffer) 4 zugeordnet. 68

69 Exkurs: R/S Nomenklatur 2 Pentanol Problemlos zuzuordnen ist auch die höchste Priorität mit der Nummer 1 für das Atom mit der höchsten Ordnungszahl, in diesem Fall dem O-Atom mit der Ordnungszahl 8 (nota bene: ein Sauerstoffatom hat 8 Protonen im Kern, daher die Ordnungszahl 8). 69

70 Exkurs: R/S Nomenklatur 2 Pentanol Interessant wird nun die Zuordnung der Prioritäten Nummer 2 und 3, da in beiden Fällen das gleiche Atom (Kohlenstoff) mit der Ordnungszahl 6 vorliegt. Welches der beiden C-Atome hat die höhere Priorität? 70

71 Exkurs: R/S Nomenklatur 2 Pentanol Um diese Frage zu klären, müssen wir untersuchen, welche weiteren Atome mit diesen beiden C-Atomen direkt verbunden sind und diese Atome nach ihren Ordnungszahlen geordnet hinschreiben, beginnend mit der höchsten Ordnungszahl und dann in absteigender Reihenfolge. 71

72 Exkurs: R/S Nomenklatur 2 Pentanol H,H,H C,H,H Das mit dem linken Pfeil markierte C-Atom ist Teil einer Methylgruppe und hat daher drei H-Atome als weitere direkte Bindungspartner. Wir schreiben daher dreimal das Elementsymbol H auf: H,H,H. Das mit dem rechten Pfeil markierte C-Atom ist Teil einer CH 2 R-Gruppe *) und hat daher ein C-Atom und zwei H- Atome als weitere direkte Bindungspartner. Wir schreiben daher die folgende Reihe an Elementsymbolen auf: C,H,H. 72 *) [R steht für den weiteren Alkylrest]

73 Exkurs: R/S Nomenklatur 2 Pentanol H,H,H C,H,H Nun werden die jeweils ersten Positionen in diesen Reihen der Elementsymbole miteinander verglichen. Sollte dieser direkte Vergleich keine Entscheidung bringen, weil die Elemente die gleichen sind, werden die zweiten Positionen miteinander verglichen usw. Im vorliegenden Fall bringt allerdings bereits der Vergleich der jeweils ersten Positionen die Entscheidung: Die OZ von C (= 6) ist größer als die OZ von H (= 1). 73

74 Exkurs: R/S Nomenklatur 2 Pentanol Das C-Atom, welches Teil der höher substituierten Alkylgruppe ist (hier: der n-propylgruppe), hat demnach die höhere Priorität. Ihm wird die Ziffer 2 zugeordnet. 74

75 Exkurs: R/S Nomenklatur 2 Pentanol Das C-Atom der CH 3 -Gruppe hat die Priorität Nummer 3. 75

76 Exkurs: R/S Nomenklatur 2 Pentanol R 2 Pentanol Bei der Festlegung des Drehsinns in der Abfolge (im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) ist wichtig, daß das Molekül so in der Papierebene liegt, daß die Position Nr. 4 vom Betrachter weg nach hinten zeigt!! Ist unter dieser Bedingung die Zählrichtung der Abfolge im Uhrzeigersinn, wie im hier gewählten Beispiel, so weist das Stereozentrum die R-Konfiguration auf (im umgekehrten Fall würde das S-Isomere vorliegen). 76

77 Alkohole 2 Pentanol 2,3 Pentandiol Sogenannte mehrwertige Alkohole haben zwei oder mehr OH-Gruppen im Molekül an verschiedenen C-Atomen, wohlgemerkt (zwei OH-Gruppen am gleichen C-Atom sind zum einen i.d.r. instabil, zum anderen würde dann eine ganz andere Verbindungsklasse vorliegen, nämlich die Aldehyd-Hydrate bzw. Keton-Hydrate). 77

78 Alkohole 2 Pentanol Zur Nomenklatur mehrwertiger Alkohole: 2,3 Pentandiol Zwischen dem Namen des Stamm-Kohlenwasserstoffs (hier: Pentan) und der Endung ol wird die der Anzahl der OH-Gruppen entsprechende Silbe (hier: di) eingesetzt. Die Ziffern der betreffenden C-Atome, welche die OH-Gruppen tragen, werden wie üblich vorangestellt. 78

79 Phenole Phenol Wir kehren zurück in die Welt der Aromaten. Diejenigen Aromaten, welche direkt am aromatischen Ring eine oder mehrere OH-Gruppen tragen, gehören zur Verbindungsklasse der Phenole. Deren Stammverbindung mit dem aromatischen Sechsring und einer OH-Gruppe wird Phenol genannt. 79

80 Phenole Phenol Hydrochinon Als Baustein der reduzierten Form der K-Vitamine (Bedeutung für die Blutgerinnung) spielt Hydrochinon eine wichtige Rolle. Hydrochinon gehört zu den Phenolen mit zwei OH-Gruppen am aromatischen Ring, und zwar an den Positionen Nr. 1 und Nr. 4. Auch diesen Trivialnamen sollte man sich daher merken. 80

81 Ether Diethylether Ausgehend von den Kohlenwasserstoffen gelangen wir zu einer ganz neuen Verbindungsklasse, wenn wir das neu hinzukommende O-Atom nicht (wie bei den Alkoholen) in eine C-H-Bindung einfügen, sondern zwischen zwei C-Atome. Diese Verbindungsklasse sind die Ether. Achtung (dies wird immer wieder falsch gemacht!!): ein Ether liegt aber nur dann vor, wenn die beiden direkt mit dem O-Atom verknüpften C-Atome (in der Abbildung jeweils mit einem Pfeil markiert) ansonsten nur mit C- oder mit H-Atomen verbunden sind (also nicht (!) mit einem weiteren O, mit einem N oder S, etc.)!!! 81

82 Ether Diethylether Diethylether Im Diethylether verbindet die Sauerstoffbrücke zwei gleiche Alkylreste (hier: Ethylgruppen). In der Nomenklatur schreibt man bei diesen sog. Symmetrischen Ethern die Silbe Di- vor den Namen der entsprechenden Alkylgruppe (hier: ethyl), gefolgt vom Namen der Verbindungsklasse (-ether). Die Anordnung der Zick-Zack-Kette ist ähnlich wie bei den Kohlenwasserstoffen irrelevant. Wichtig ist, daß die Zacken (welche die CH 2 -Gruppen repräsentieren) als solche erkennbar sind. Die Darstellung in der linken Abbildung hat allerdings etwas mehr Ästhetik. 82

83 Ether Diethylether Natürlich gibt es auch Ether, die eine Ringstruktur ausbilden. 83

84 Ether Diethylether Tetrahydrofuran Ein wichtiger ringförmiger Ether, der u.a. als Baustein in den Molekülen der Aflatoxine vorkommt, ist das Tetrahydrofuran. 84

85 Ether Diethylether Das Tetrahydrofuran leitet sich von einem Aromaten namens Furan ab (siehe Abbildung rechts). Wie man sieht, können Aromaten auch andere Atome außer C im Ring haben (hier: ein Sauerstoffatom). Damit der Aromat insgesamt auf sechs bewegliche Elektronen im Ring kommt (vgl. Folie Nr. 51), muß eines der beiden freien Elektronenpaare am O-Atom (siehe Pfeil) mit in das π-elektronensystem einbezogen werden. Tetrahydrofuran Furan 85

86 Ether tert Butylmethylether Zu den Asymmetrischen Ethern gehört tert-butylmethylether. Da die Alkylreste in diesem Fall unterschiedlich sind, muß auf die Vorsilbe Di- in diesem Fall natürlich verzichtet werden. Vor den Namen der Verbindungsklasse (-ether) werden die Namen der beiden Alkylreste geschrieben (hier: tert- Butyl bzw. methyl). Man geht dabei in der Regel nach dem Alphabet vor ( B für Butyl vor M für methyl). 86

87 Amine 2 Aminobutan (= sec Butylamin) Wir kommen nun zu einem weiteren wichtigen Element der organischen Chemie, dem Stickstoff. Auch hier gilt für das Zeichnen von Strukturformeln unbedingt zu beachten: Stickstoff ist zumindest in der ungeladenen Form dreibindig. (Ein vierbindiges N-Atom würde eine positive Ladung tragen). Wird im Ammoniak NH 3 eines der H-Atome durch einen Alkylrest R ersetzt, dann liegt ein primäres Amin wie z.b. das 2-Aminobutan vor (lassen Sie sich durch den alternativ zulässigen Namen sec-butylamin nicht verwirren: Das Präfix sec (für sekundär) bezieht sich nur auf die Butylgruppe (die NH 2 -Gruppe sitzt am C-2 und nicht am C-1, daher sec und nicht prim). Das Amin selbst ist aber ein primäres Amin (mit nur einer Alkylgruppe am N-Atom). 87

88 Amine Zur Nomenklatur: 2 Aminobutan (= sec Butylamin) Wie wir am hier wiedergegebenen Beispiel sehen, sind bei der Namensgebung primärer Amine zwei Varianten möglich. Wir können vom Stammnamen des Kohlenwasserstoffs ausgehen (hier: butan) und den Ausdruck Amino- voranstellen, zusammen mit der Ziffer des C-Atoms, das die NH 2 -Gruppe trägt (hier: 2 ). Die Alternative wird bei sekundären und tertiären Aminen angewandt und ist natürlich auch bei primären Aminen möglich: dem Namen für die Verbindungsklasse (-amin) wird der Name des Alkylrests (hier: sec-butyl) vorangestellt. 88

89 Amine Methyl n propylamin Sekundäre Amine haben zwei Alkylreste am N-Atom. Dem Namen der Verbindungsklasse (-amin) werden die Namen der beiden Alkylreste vorangestellt (hier: Methyl bzw. n-propyl). Sind beide Alkylreste gleich, so wird die Silbe Di- und danach der Name der Alkylgruppe (z.b. ethyl) der Endung -amin vorangestellt ( also z.b. Diethylamin). 89

90 Amine Ethyl dimethylamin Analoge Regeln gelten für tertiäre Amine, die drei Alkylgruppen tragen (d.h. alle drei H-Atome des Ammoniaks wurden hier durch Reste R ersetzt). Die Namen der Alkylreste werden der Endung amin vorangestellt, wobei den Bezeichnungen gleicher Reste (wie hier im Beispiel methyl für die beiden Methylgruppen) die Vorsilben di bzw. tri zugeordnet werden. 90

91 Amine 2 2,3 Diaminobutan 2 Natürlich gibt es analog zu den mehrwertigen Alkoholen auch Amine mit mehreren Aminogruppen. In diesem Fall wird der Bezeichnung amino das entsprechende Präfix (di-, tri-, etc.) vorangestellt, zusammen mit den Ziffern der C-Atome, welche die Aminogruppen tragen. Die Endung entspricht dem Namen des zugrundeliegenden Kohlenwasserstoffs (hier: -butan). 91

92 Amine Anilin (= Aminobenzol) Und wieder kehren wir zurück zur Verbindungsklasse der Aromaten. Am aromatischen Sechsring ist eines der H-Atome durch eine NH 2 -Gruppe ersetzt. In diesem Fall liegt ein primäres aromatisches Amin vor, dessen Namen Sie sich alleine schon wegen seiner historischen Bedeutung für die Chemie der Farben merken sollten: Anilin. (nota bene: BASF = Badische Anilin- und Sodafabrik) 92

93 Halogenalkane 2 Chlorpropan (= iso Propylchlorid) Nachdem wir mit Stickstoff ein Element der V. Hauptgruppe und mit Sauerstoff ein Element der VI. Hauptgruppe des Periodensystems als Bestandteil organischer Verbindungen behandelt haben, gelangen wir nun zur VII. Hauptgruppe, den Halogenen. Diese sind einbindig. 93

94 Halogenalkane 2 Chlorpropan (= iso Propylchlorid) Zur Nomenklatur: Auch hier sind ähnlich wie bei den primären Aminen zwei Varianten möglich: Wir können vom Stammnamen des Kohlenwasserstoffs ausgehen (hier: propan) und den Namen des Halogens (hier: Chlor- ) voranstellen, zusammen mit der Ziffer des C-Atoms, welches das Halogenatom trägt (hier: 2 ). Die Alternative orientiert sich an der Nomenklatur der Anorganischen Chemie: Verwendet wird die Endung, die dem Halogenid entspricht (hier: -chlorid) und der der Name des Kohlenwasserstoffrests (hier: iso-propyl) vorangestellt wird. 94

95 Halogenaromaten Chlorbenzol Selbstverständlich gibt es auch halogenhaltige Aromaten. Hier ist eines der H-Atome am Ring des Benzols durch ein Chloratom ersetzt. Der Name der Verbindung setzt sich aus dem Namen des Halogens (hier: Chlor), gefolgt vom Namen des unsubstituierten Aromaten (hier: -benzol) zusammen. 95

96 Halogenaromaten Benzylchlorid Gelegentlich taucht in Prüfungsfragen der Name Benzylchlorid auf. Achtung!! Benzylchlorid ist kein Chlorbenzol (genausowenig wie Essigsäurechlorid gleich Chloressigsäure ist, aber dazu später mehr )! Der Benzylrest hat über den aromatischen Sechsring hinaus noch ein weiteres C-Atom. 96

97 Halogenaromaten Benzylchlorid (= α Chlortoluol) Die hier abgebildete Verbindung ist demnach Benzylchlorid. Sie kann alternativ als α-chlortoluol bezeichnet werden (Toluol ist der Trivialname für Methylbenzol; das α besagt, daß das Cl-Atom nicht mit einem der Ring-C-Atome verknüpft ist, sondern mit dem C-Atom außerhalb des Ringes). 97

98 Mercaptane (= Thiole) Ethanthiol (= Thioethanol = Ethylmercaptan) Zurück zur VI. Hauptgruppe: auch das Element Schwefel spielt eine wichtige Rolle in der Organischen Chemie und vor allem in der Biochemie. Wird in Alkoholen das O-Atom durch ein S-Atom ersetzt, so wird zwischen dem Namen des Stamm- Kohlenwasserstoffs (hier: Ethan) und der Endung ol die Silbe thi eingefügt. Alternativ kann dem Namen des Alkohols (hier: Ethanol) das Präfix Thio- vorangestellt oder dem Stammnamen des Kohlenwasserstoffrests (hier: Ethyl-) die Endung -mercaptan angefügt werden. 98

99 Thioether Diethylsulfid (= Diethylthioether) Wird bei einem Ether das O-Atom gegen ein S-Atom ausgetauscht, so wird in der Nomenklatur die Endung ether durch sulfid ersetzt (oder, als Alternative dazu, durch thioether ). 99

100 Carbonylverbindungen 2 Pentanon Nun treffen wir auf Verbindungen mit einer Doppelbindung zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff. Sind die mit Pfeilen markierten Nachbar-C-Atome der C=O-Gruppe nur mit C oder mit H verbunden, wie in der obigen Abbildung, so liegt eine Carbonylverbindung vor. Es gibt zwei Arten von Carbonylverbindungen: Aldehyde und Ketone. Der Unterschied ist: beim Aldehyd geht die Doppelbindung zum O-Atom immer von einem endständigen C-Atom der Kette aus (welches dann logischerweise noch eine Einfachbindung zu einem H ausbildet), beim Keton von einem 100 der übrigen C-Atome der Kette.

101 Carbonylverbindungen 2 Pentanon Beginnen wir mit der Nomenklatur der Ketone: Wir gehen vom Namen des Stamm-Kohlenwasserstoffs aus (hier: Pentan), fügen die Endung on an und stellen die Ziffer des C-Atoms voran, von dem die Doppelbindung zum O-Atom ausgeht (hier: 2 ). 101

102 Carbonylverbindungen 2 Pentanon (= Methyl n propylketon) Eine zulässige Alternative wäre es, analog zu den Ethern (siehe Folien Nr. 74 und 78) der Endung -keton die Namen der Alkylreste, die vom Carbonyl-C-Atom abzweigen, voranzustellen (hier: Methyl bzw. n-propyl). Im Fall zweier gleicher Alkylreste würde dann die Silbe Di dem Namen des Alkylrests vorangestellt (also z.b. Diethylketon anstatt 3-Pentanon). 102

103 Carbonylverbindungen Kommen wir nun zu den Aldehyden: Fangen wir mit dem Zeichnen der Strukturformel an. Wie wir wissen, verzichtet die Skelettschreibweise u.a. auf das Einzeichnen der H-Atome, die mit einem C-Atom verknüpft sind. Insofern wäre die oben dargestellte Struktur für einen Aldehyd vollständig. 103

104 Carbonylverbindungen Oft macht man bei den Aldehyden aber die Ausnahme, daß man das eine H-Atom der Aldehydgruppe mit einzeichnet. 104

105 Carbonylverbindungen Pentanal Dies hier wäre die entsprechende Struktur für das Pentanal, einen Aldehyd, der sich vom Kohlenwasserstoff Pentan ableitet. Wie wir sehen, wird bei den Aldehyden (analog wie bei den Ketonen mit der Endung on ) dem Namen des Stamm-Kohlenwasserstoffs (hier: Pentan) die Endung al angefügt. 105

106 Carbonylverbindungen 2 Pentanon Relativ oft werden in Prüfungen Carbonylverbindungen wie die Ketone mit anderen Verbindungsklassen verwechselt, die ebenfalls eine C=O-Doppelbindung aufweisen (aber darüberhinaus noch weitere Heteroatome!) und denen wir auf späteren Folien noch begegnen werden. 106

107 Carbonylverbindungen 2 Pentanon Allg. Formel R = CH 3, C 2 H 5, etc. Hilfreich ist zur Vorbeugung von Verwechslungen, sich die allgemeinen Strukturformeln einzuprägen. Im Fall von Ketonen entspricht dies der rechten Abbildung. Von der C=O-Gruppe gehen zwei Alkylreste R ab, die gleich oder unterschiedlich sein können und deren direkt mit dem Carbonyl-C-Atom verknüpfte C-Atome außer C und H keine weiteren Elemente (wie z.b. O, N, S, ) aufweisen. 107

108 Carbonylverbindungen Pentanal Allg. Formel Analog sieht es mit der allgemeinen Formel für Aldehyde aus. Das Carbonyl-C-Atom ist mit mindestens einem H-Atom und darüber hinaus mit einem Alkylrest verbunden. Auch hier ist das erste C-Atom des Alkylrests, also das direkt mit dem Carbonyl-C-Atom verknüpfte, nur mit C und/oder H und mit keinem Heteroatom wie O, N, S, verbunden. Andernfalls liegt eine völlig andere Verbindungsklasse vor! ( die wir in Kürze kennenlernen werden). 108

109 Carbonylverbindungen Pentanal Allg. Formel Methanal (= Formaldehyd) Wie wir in der Abbildung ganz rechts sehen, gibt es bei den Aldehyden auch den Spezialfall, daß das Carbonyl- C-Atom mit zwei H-Atomen verknüpft ist. Dieser Aldehyd trägt den offiziellen Namen Methanal bzw. den Trivialnamen Formaldehyd ( Form- vom lateinischen formica = Ameise). 109

110 Carbonylverbindungen Methanal (= Formaldehyd) Allg. Formel Aldehyd Allg. Formel Keton Hier nochmals alle drei (davon zwei allgemeine) Strukturformeln im Überblick. 110

111 Carbonylverbindungen Carboxylverbindungen Methanal (= Formaldehyd) Allg. Formel Aldehyd Allg. Formel Keton Achtung: Wir tauschen jetzt das eine H-Atom der Aldehydgruppe (bzw. einen der Alkylreste im Fall des Ketons) gegen ein Heteroatom (O, N, S, Cl, ) aus. Die allgemeine Abkürzung für ein Heteroatom ist der Buchstabe X. Die somit abgewandelte allgemeine Strukturformel sehen wir in der Abbildung rechts. Wir befinden uns jetzt nicht mehr bei den Carbonylverbindungen, sondern bei den Carboxylverbindungen! 111

112 Carbonylverbindungen Carboxylverbindungen Methanal (= Formaldehyd) Allg. Formel Aldehyd Allg. Formel Keton X = N, O, S, F, Cl, Br, Dies ist die Welt der Carbonsäuren bzw. ihrer Derivate, die wir nun näher betrachten. 112

113 Carbonylverbindungen Carboxylverbindungen Methanal (= Formaldehyd) Allg. Formel Aldehyd Allg. Formel Keton X = N, O, S, F, Cl, Br, Auch hier gibt es den Spezialfall, daß der Alkylrest durch ein H-Atom ersetzt wird (siehe Abbildung rechts). In diesem Fall liegt die Methansäure (= Ameisensäure) bzw. eines ihrer Derivate vor. 113

114 Carboxylverbindungen Ethansäure (= Essigsäure) X = O Säuren Ester Anhydride Betrachten wir zunächst die Fälle, in den das Heteroatom ein Sauerstoffatom ist. Ist dieses (zweibindige) Sauerstoffatom weiterhin mit einem H-Atom verbunden (d. h. ist es Teil einer OH- Gruppe), dann liegt eine Carbonsäure vor im hier abgebildeten Beispiel die Essigsäure. Die offizielle Nomenklatur für die Carbonsäuren sieht vor, daß dem Namen des zugrundeliegenden Kohlenwasserstoffs mit der gleichen Anzahl an C-Atomen (hier: zwei C-Atome, also Ethan) die Endung säure angehängt wird. 114 Der Trivialname der Ethansäure ist Essigsäure.

115 Carboxylverbindungen Ethansäure (= Essigsäure) X = O Säuren Ester Anhydride Ein häufig gemachter Fehler in Prüfungen ist, daß die Kombination von C=O- und OH-Gruppe nicht als Carbonsäuregruppe erkannt wird, sondern die Verbindung z.b. als Hydroxyketon bezeichnet wird. Dies ist absolut falsch! Hier liegt kein Keton vor!! 115

116 Carboxylverbindungen Ethansäureester (= Essigsäureester) z.b. Essigsäureethylester (R = C 2 H 5 ) X = O Säuren Ester Anhydride Ist das O-Atom hingegen mit einem Alkylrest R verbunden, dann liegt ein Ester vor. Zur Nomenklatur: an den Namen der zugrundeliegenden Carbonsäure (hier: Essigsäure) wird der Name des Alkylrests angehängt (hier: ethyl, wenn R = C 2 H 5 ) und daran wiederum die Endung ester. 116

117 Carboxylverbindungen Ethansäureester (= Essigsäureester) z.b. Essigsäureethylester (R = C 2 H 5 ) X = O Säuren Ester Anhydride Auch hier tritt häufig der Fehler auf, daß die Kombination von C=O- und OR-Gruppe nicht als Estergruppe erkannt wird. Stattdessen werden falsche Kombinationen wie Ketoether oder Etherketon angegeben. Ester gehören zu den wichtigsten Verbindungsklassen der belebten Natur (Fette, Insektenlockstoffe, etc.) und 117 müssen unbedingt als solche identifiziert werden können!

118 Carboxylverbindungen Ethansäureanhydrid (= Essigsäureanhydrid = Acetanhydrid) X = O Säuren Ester Anhydride Zu den sehr reaktiven Carbonsäurederivaten zählen die Anhydride. Sie erkennt man daran, daß beide C-Atome, die mit dem Brücken-Sauerstoff direkt verbunden sind, jeweils eine C=O-Doppelbindung tragen. 118

119 Carboxylverbindungen Ethansäureanhydrid (= Essigsäureanhydrid = Acetanhydrid) X = O Säuren Ester Anhydride Auch in diesem Fall darf nicht der Fehler gemacht werden, von einem Diketonether o.ä. zu sprechen! Die Verbindung ist und bleibt ein Carbonsäureanhydrid! Zur Nomenklatur: Dem Namen der zugrunde liegenden Carbonsäure (hier: Essigsäure) wird die Endung anhydrid hinzugefügt. 119

120 Carboxylverbindungen 2 X = N Amide Essigsäureamid (= Acetamid) Wir tauschen nun das Heteroatom aus: O gegen N. Zu den wichtigsten Carbonsäurederivaten zählen die (primären) Amide. Man beachte im Namen der Verbindungsklasse Amid den gegenüber den Aminen (Folien Nr. 79 ff.) geänderten Konsonanten: das n wird gegen ein d ersetzt!! Diese beiden Verbindungsklassen dürfen nicht verwechselt werden! 120

121 Carboxylverbindungen 2 Essigsäureamid (= Acetamid) Essigsäure (= Ethansäure) Im hier gezeigten Beispiel liegt das Amid der Essigsäure vor. In der Nomenklatur wird an den Namen der Carbonsäure (hier: Essigsäure) die Endung amid angehängt. 121

122 Carboxylverbindungen X = N Amide Es gibt auch bei den Amiden (wie bei den Aminen) primäre, sekundäre und tertiäre Amide. Hier wird die allgemeine Formel für ein sekundäres Amid gezeigt (mit einem H-Atom und einem Alkylrest R am N-Atom) 122

123 Carboxylverbindungen 2 X = N Amide und hier für ein tertiäres Amid (mit keinem H-Atom mehr am N-Atom, dafür aber zwei Alkylresten). 123

124 Carboxylverbindungen Ein kurzer Test zwischendrin mit der Frage: Ist hier ein Amid abgebildet??! 124

125 Carboxylverbindungen 1 Amino 2 propanon (= 1 Aminoaceton) Achtung! Keton! (genauer: Aminoketon) Kein Amid! Antwort: Nein!! Alle diejenigen, welche die obige Struktur als die eines Amids betrachten, haben die hier mit dem Pfeil markierte CH 2 -Gruppe zwischen dem Carbonyl-C-Atom und dem N-Atom übersehen!! 125

126 Carboxylverbindungen 1 Amino 2 propanon (= 1 Aminoaceton) Achtung! Keton! (genauer: Aminoketon) Kein Amid! Wir haben hier also zwei getrennte funktionelle Gruppen vorliegen, die nicht zu einer Carboxylfunktion kombinierbar sind. Der Grundkörper ist hier das Keton (grundsätzlich gilt die Priorität Carbonsäurederivat > Carbonylgruppe > übrige funktionelle Gruppen), also genauer: Propanon. Mit der NH 2 -Gruppe am C-1 wird die Verbindung zu 1-Amino-2-propanon; die 2 kann hier übrigens weggelassen werden: 1-Aminopropanon ist eindeutig und daher ausreichend. 126

127 Carboxylverbindungen X = S Thioester Ethansäurethioester (= Essigsäurethioester) z.b. Acetyl Coenzym A (R = Coenzym A) Zurück zu den Carbonsäurederivaten: Ersetzen wir in den Estern den einfach gebundenen Sauerstoff durch Schwefel, so wird daraus ein Thioester. Der wichtigste Thioester für die biologische Chemie ist das Acetyl-Coenzym A. Zur Nomenklatur: Vor die Endung ester wird die Silbe thio eingefügt. 127

128 Carboxylverbindungen X = Hal Halogenide Ethansäurechlorid (= Essigsäurechlorid = Acetylchlorid) Hochreaktive Carbonsäurederivate erhält man, wenn man die OH-Gruppe der Carbonsäuren durch ein Halogenatom (in der Regel Chlor) ersetzt. Im Fall der Substitution der OH-Gruppe der Carbonsäure durch ein Chloratom entsteht ein Carbonsäurechlorid. Zur Nomenklatur: Die Endung chlorid wird dem Namen der Carbonsäure hinzugefügt. 128

129 Carboxylverbindungen Ethansäurechlorid (= Essigsäurechlorid = Acetylchlorid) Chlorethansäure (= Chloressigsäure) Achtung: Die Carbonsäurechloride (Abbildung links) dürfen keinesfalls mit den Chlorcarbonsäuren (Abbildung rechts) verwechselt werden!! Das erstere ist ein hochreaktives Carbonsäurederivat, das zweite eine substituierte Carbonsäure (und kein Derivat, da die COOH-Gruppe ja noch unverändert besteht)!! 129

130 Derivate der Kohlensäure X = N, O, Cl Ist das C-Atom der C=O-Gruppe gleich mit zwei Heteroatomen direkt verbunden, dann liegt ein Derivat der (instabilen) Kohlensäure H 2 CO 3 vor. 130

131 Derivate der Kohlensäure X = O Kohlensäure (instabil) Kohlensäureester Die Kohlensäure selbst ist, wie bereits gesagt, instabil und hat die in der obigen Abbildung wiedergegebene Struktur. 131

132 Derivate der Kohlensäure X = O Kohlensäure (instabil) Kohlensäureester Kohlensäurediester hingegen sind stabil. Die Reste R können beliebige Alkylreste sein. Wenn beide Reste R z.b. C 2 H 5 sind, dann liegt der Kohlensäurediethylester vor (in Anlehnung an die Nomenklatur der Anorganischen Chemie auch Diethylcarbonat genannt). 132

133 Derivate der Kohlensäure X = N Harnstoff Extrem wichtig ist das Kohlensäurediamid. Es ist unter dem Namen Harnstoff bekannt und mit Abstand das wichtigste Stickstoff-Düngemittel! Daher muß das Erkennen und Zeichnen seiner Struktur unbedingt beherrscht werden! 133

134 Derivate der Kohlensäure X = Cl Phosgen Kohlensäuredichlorid ist hochgiftig und hat den Trivialnamen Phosgen. 134

135 Trivialnamen wichtiger Aromaten Benzol Die folgenden Folien zeigen die Strukturen (inklusive Trivialnamen) von 9 wichtigen Aromaten mit Benzol als Grundkörper sowie 6 Heteroaromaten (d. h. neben C liegen noch N, O oder S als Ringatome vor), die Sie sich einprägen sollten. 135

136 Trivialnamen wichtiger Aromaten Toluol Toluol ist Ausgangsmaterial für die Herstellung des Sprengstoffs 2,4,6-Trinitrotoluol ( TNT ) und ist ebenso wie Benzol zu einem geringen Anteil im Benzin enthalten. 136

137 Trivialnamen wichtiger Aromaten Benzylalkohol Beim oxidativen Abbau von Toluol entsteht zunächst Benzylalkohol (= Phenylmethanol). Achtung: Benzylalkohol darf nicht mit Phenol verwechselt werden! 137

138 Trivialnamen wichtiger Aromaten Benzaldehyd Benzaldehyd ist Bestandteil des Bittermandelöls und eine wichtige Komponente des Weinaromas. Er duftet nach Marzipan. 138

139 Trivialnamen wichtiger Aromaten Benzaldehyd Ob in der Schreibweise der Aldehydgruppe die C=O-Doppelbindung nach schräg unten (wie in der vorhergehenden Folie) oder wie hier nach oben gezeichnet wird, ist völlig egal. Es besteht ja freie Drehbarkeit um die C-C-Einfachbindung zwischen dem Ring-C-Atom und dem Carbonyl-C-Atom. Wichtig ist, daß die Atome und Bindungen korrekt wiedergegeben werden. 139

140 Trivialnamen wichtiger Aromaten Benzoesäure Der Name Benzoesäure wird mit betontem e Benzo-e-säure ausgesprochen. Der Name leitet sich vom Benzoeharz ab, das in zwei Arten der tropischen Baumgattung Styrax im südostasiatischen Raum vorkommt. Benzoesäure ist zu einem ganz geringen Anteil in Früchten wie z.b. Himbeeren und Blaubeeren (= Heidelbeeren) enthalten. 140

141 Trivialnamen wichtiger Aromaten Anilin Die Entwicklung der Anilinsynthese aus Nitrobenzol (siehe Folie Nr. 142) hat die Welt der Farbstoffe, vor allem der Textilfarbstoffe, im 19. Jahrhundert revolutioniert, da nunmehr auf relativ preisgünstige Art Färbemittel zur Verfügung standen. Anilin ist der Ausgangsstoff für die Synthese der sog. Azofarbstoffe (fr.: azote = Stickstoff). 141

142 Trivialnamen wichtiger Aromaten Phenol (vgl. Folien Nr. 77 ff.) 142

143 Trivialnamen wichtiger Aromaten Hydrochinon Hydrochinon ist ein Baustein der Vitamine der K-Reihe. Es ist ein Reduktionsmittel und wird in einer Redoxreaktion zu p-benzochinon oxidiert (das p vor dem Namen Benzochinon wird para ausgesprochen). 143

144 Trivialnamen wichtiger Aromaten Nitrobenzol Nitrobenzol ist die Ausgangsverbindung zur industriellen Herstellung von Anilin. Der Wasserstofflieferant ist hierbei die Kombination aus Eisen(schrott) und Salzsäure. Das unedle Metall gibt seine Elektronen an die Protonen der Salzsäure ab, dabei entsteht Wasserstoff. 144

145 Trivialnamen wichtiger Heteroaromaten Pyridin Pyridin ist ein Baustein des Naturstoffs Nicotin sowie der Grundkörper der Nicotinsäure. Die Nicotinsäure wiederum ist Bestandteil des Nicotinsäureamid-Adenin-Dinucleotids. Als NAD + ist dieses ein wichtiges Oxidationsmittel in der biologischen Chemie und als NADH ein ebenso wichtiges Reduktionsmittel (siehe Skript Kapitel XXII). 145

146 Trivialnamen wichtiger Heteroaromaten Pyrimidin Pyrimidin ist der Baustein der Nucleobasen Cytosin, Thymin und Uracil (siehe Skript Kapitel XXIII). 146