Adalbert Wollrab. Organische Chemie. Eine Einführung für Lehramtsund Nebenfachstudenten. Dritte, ergänzte Auflage. 4y Springer

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1 Adalbert Wollrab Organische Chemie Eine Einführung für Lehramtsund Nebenfachstudenten Dritte, ergänzte Auflage 4y Springer

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Das Kohlenstoffatom unter die Lupe genommen...: Die funktionellen Gruppen organischer Verbindungen Die wellenmechanische Beschreibung der Elektronen im Kohlenstoffatom Die Wellennatur des Elektrons Quantenzahl und Energieniveau Orbitale und kovalente Bindungen Hybridorbitale Bindungslängen und Bindungsenergien der Kohlenstoff-Kohlenstoff- Einfach-, Doppel- und Dreifachbindung Die räumliche Anordnung der Hybridorbitale Die polare kovalente Bindung und der induktive Effekt Modellvorstellungen und Gegenstandsmodelle in der Organischen Chemie Die chemischen Formeln.-.; : Die Nomenklatur organischer Verbindungen Die Nomenklatur der «-Alkane Die Benennung verzweigter Alkane Die Benennung von Verbindungen mit funktioneilen Gruppen Kriterien für die Wahl der Hauptkette 46 Übungsaufgaben 48 Lösungen Alkane Benennung der Alkane Homologe Reihen der Alkane Kettenisomere Konformationen des Ethans und Butans Konformation des Ethans Konformationendes Butans Physikalische Eigenschaften der Alkane Vorkommen der Alkane Synthese der Alkane Darstellung der Alkane durch katalytische Hydrierung Alkane aus Alkylhalogeniden Alkane aus Alkalisalzen der Carbonsäuren Reaktionsgleichung und Reaktionsmechanismus Reaktionen der Alkane Chlorierung und Bromierung der Alkane.' Einführung der Sulfonylchlorid- und Sulfogruppe in Alkane Die Oxidation von Alkanen mit Sauerstoff 76

3 X Inhaltsverzeichnis 2.10 Methoden zur Trennung verzweigter und unverzweigter Alkane Trennung mit Molekularsieb 0,5 nm Einschlußverbindungen mit Harnstoff 80 Übungsaufgaben 81 Lösungen 82 3 Alkene Nomenklatur Bedeutung der Alkene Die G- und rc-bindung ' Die Struktur der Alkene Die cis-trans-lsomerie in Alkenen Die Z/E-Nomenklatur Die cis-trans-isomerisierung Darstellung der Alkene Eliminierungsreaktionen zur Darstellung der Alkene Die Reaktionsmechanismen El und E2 -..' Die Saytzew- und die Ho*fmann-Regel Reaktionen der Alkene Die Mechanismen von Additionsreaktionen Die Markownikow-Regel Wagner-Meerwein-Umlagerungen ; Elektrophile Additionsreaktionen Cycloadditionen Radikalische Additionen Additionsreaktionen in Gegenwart von Metallkatalysatoren Polymerisationsreaktionen Die Reaktionsmechanismen der Polymerisationsreaktionen Diene und Polyene Die Mesomerie 136 ' Mesomere Effekte Reaktionen der Diene Die Addition von Brom an Butadien Kinetisch und thermodynamisch gesteuerte Reaktionen Polymerisationsreaktionen des Butadiens Die Diels-Alder-Reaktion Die Cope-Umlagerung 143 Übungsaufgaben 144 Lösungen Alkine Nomenklatur der Alkine Die Dreifachbindung und die Struktur der Alkine Das Acetylen : Die großtechnische Herstellung des Acetylens 151

4 Inhaltsverzeichnis XI 4.4 Darstellung der Alkine 152, Darstellung von Ethin aus Calziumcarbid Die Dehalogenierung von Tetrahalogenalkanen Dehydrohalogenierung vicinaler oder geminaler Dihalogenalkane Die Alkylierung von Natriumacetylid Reaktionen der Alkine Saure Eigenschaften der Alkine Reaktionen mit Alkinylanionen als Nukleophil Die Oligomerisierung der Alkine Oxidationsreaktionen Reduktion der Alkine Additionen an Alkine Nucleophile Additionen an die Dreifachbindung der Alkine 164 Übungsaufgaben 166 Lösungen Alicyclische Verbindungen Nomenklatur ' Physikalische Eigenschaften der Cycloalkane Der Cyclopropan- und Cyclobutanring Der Cyclopentanring Der Cyclohexanring Die cis-trans-isomerie von Substituenten in Ringverbindungen Polycyclische Alkane Synthese der Cycloalkane Synthese des Cyclopropans Die Synthese mehrgliedriger alicyclischer Verbindungen Reaktionen der Cycloalkane 186 Übungsaufgaben 187 Lösungen Aromatische Verbindungen ; Benzol und seine Derivate Die Valenzbindungstheorie Die Molekülorbitaltheorie Nomenklatur der Benzolderivate Gewinnung und Verwendung von Benzol Reaktionen des Benzols Die elektrophile aromatische Substitution (SE) Die Zweitsubstitution Kern- und Seitenkettenhalogenierung Nukleophile aromatische Substitutionen Die radikalische Addition am Benzol Kriterien der Aromatizität : : Überblick über aromatische Verbindungen Benzoide Aromaten 235

5 XII Inhaltsverzeichnis Nichtbenzoide Aromaten Heterocyclische Aromaten Polycyclische nichtkondensierte Aromaten Kondensierte polycyclische Aromaten Polychlorierte aromatische Verbindungen 248 Übungsaufgaben 250 Lösungen Erdöl.' Entstehung des Erdöls 254' 7.2 Erdölvorkommen.- ; Inhaltsstoffe des Erdöls Destillationsfraktionen des Erdöls Kennzahien von Kraftstoffen DieOctanzahl Die Cetanzahl Das Cracken ;...:..:' Thermisches Cracken " Katalytisches Cracken 265 Übungsaufgaben 271 Lösungen Optische Isomerie Das Licht als elektromagnetische Welle Natürliches und linear polarisiertes Licht Die optische Aktivität Die spezifische Drehung Die Chiralität Chirale und achirale Moleküle Enantiomere > Racemische Gemische Das asymmetrische Kohlenstoffatom Absolute und relative Konfiguration Nomenklatur chiraler Verbindungen Die D/L-Nomenklatur Die/2/S-Nomenklatur Diastereomere Meso-Verbindungen Optische Isomerie in alicyclischen Verbindungen Optisch aktive Verbindungen ohne asymmetrische Kohlenstoffatome Axiale Chiralität Planare Chiralität Helicität Bildung asymmetrischer C-Atome bei chemischen Reaktionen Reaktionen mit prochiralen Verbindungen Die asymmetrische Synthese 310

6 Inhaltsverzeichnis XIII Räumliche Auswirkungen bei Reaktionen am asymmetrischen C-Atom Trennung von Enantiomeren aus racemischen Gemischen Die Chiralität in lebenden Organismen 316 Übungsaufgaben 320 Lösungen Halogenalkane Nomenklatur Eigenschaften und Bedeutung der Halogenalkane Darstellung der Halogenalkane Halogenierung von Alkanen Halogenalkane aus Alkoholen Halogenderivate aus Alkenen Die Gewinnung von Fluoralkanen Reaktionen der Halogenalkane Hydrogenölyse von Halogenalkanen : Reaktion mit Metallen' Eliminierungsreaktionen Nucleophile Substitutionsreaktionen Die aliphatische nucleophile Substitution (StM-Reaktion) Reaktionsmechanismen der aliphatischen nucleophilen Substitution S N 1 -Mechanismus Der S N 2-Mechanismus Faktoren, die eine nucleophile Substitution beeinflussen Die nucleophile Substitution und die Eliminierung als Konkurrenzreaktionen Übungsaufgaben 349 Lösungen Alkohole Nomenklatur der Alkohole Einteilung der Alkohole Struktur der Alkohole Physikalische Eigenschaften der Alkohole Physiologische Eigenschaften Physiologische Eigenschaften des Methanols Physiologische Eigenschaften des Ethanols Synthese der Alkohole Großtechnische Synthese der Alkohole Darstellung der Alkohole im Labor Reaktionen der Alkohole Schwach saure Eigenschaften der Alkohole Alkohole als Basen und Nucleophile Basizität undnucleophilie Umsetzung von Alkoholen zu Alkylhalogeniden 381

7 XIV Inhaltsverzeichnis Die Dehydratisierung Veresterung von Alkoholen Oxidation von Alkoholen Alkoholische Getränke Bier Weine Alkoholdestillate 409 Übungsaufgaben 410 Lösungen Phenole Nomenklatur der Phenole Eigenschaften der Phenole Verwendung Verfahren zur Phenolherstellung Reaktionen der Phenole Nachweis, Esterbildung und Acidität der Phenole Elektrophile Substitutionen am Phenol Die Oxidation von Phenolen : Phenolische Verbindungen in der Natur / Pflanzenfarbstoffe Gerbstoffe 431 Übungsaufgaben 433 Lösungen Ether Nomenklatur der Ether Struktur und physikalische Eigenschaften Synthese der Ether Synthese von Methyl-/ert-butylether, Dehydratisierung von Alkoholen Die Williamson-Synthese Methylierung von Phenolen mit Diazomethan Reaktionen der Ether, Die Etherspaltung mit Säuren Die Autoxidation der Ether Die Claisen-Umlagerung Cyclische Ether Nomenklatur der cyclischen Ether Eigenschaften cyclischer Ether Epoxide Cyclische Ether mit fünf- und sechsgliedrigem Ring Kronenether 450 Übungsaufgaben. 453 Lösungen.' 454

8 Inhaltsverzeichnis XV 13 Aldehyde und Ketone Nomenklatur der Aldehyde und Ketone Struktur und physikalische Eigenschaften Synthese der Aldehyde und Ketone., Wichtige Aldehyde und Ketone und ihre großtechnische Synthese Die Synthese aliphatischer Aldehyde Synthese aromatischer Aldehyde Die Synthese aliphatischer Ketone \* Synthese von Arylketonen Reaktionen der Aldehyde und Ketone Addition von C-Nucleophilen an Aldehyde und Ketone Die Addition von O-Nucleophilen an Aldehyde und Ketone Die Addition von N-Nucleophilen an Aldehyde und Ketone Die Addition von S-Nucleophilen an Aldehyde und Ketone Nucleophile Additionen an a,ß-ungesättigte Carbonylverbindungen Oligomere und Polymere der Aldehyde Die C-H-Acidität von Aldehyden und Ketonen Reduktion von Carbonylyerbindungen Die Oxidation von Aldehyden ; Die Oxidation von Ketonen Disproportionierung von Aldehyden Nachweisreaktionen Vorkommen von Aldehyden und Ketonen in der Natur 526 Übungsaufgaben 528 Lösungen Chinone Darstellung der Chinone Reaktionen der Chinone Die Reduktion von Chinonen Elektrophile Addition.' Nucleophile Addition Die Diels-Alder-Reaktion Bildung von Charge-Transfer-Komplexen Vorkommen der Chinone in der Natur Pilzfarbstoffe Der Elektronentransport in der Atmungskette Derivate des Naphthochinons Alizarin, ein Derivat des Anthrachinons 549 Übungsaufgaben 550 Lösungen Carbonsäuren Nomenklatur der Carbonsäuren Trivialnamen für aliphatische, gesättigte Monocarbonsäuren Physikalische Eigenschaften 557

9 XVI Inhaltsverzeichnis 15.3 Synthese der Carbonsäuren Großtechnische Synthese der Ameisensäure und Essigsäure Carbonsäuresynthesen im Labor Reaktionen der Carbonsäuren Die sauren Eigenschaften der Carbonsäuren Additions-Eliminierungs-Reaktionen Bildung von Säureanhydriden durch Dehydratisierung Reaktionen am a-ständigen C-Atom r" Decarboxylierungsreaktionen Die Reduktion und die Oxidation von Carbonsäuren Ungesättigte Monocarbonsäuren Wichtige einfach ungesättigte aliphatische Monocarbonsäuren Mehrfach ungesättigte aliphatische Monocarbonsäuren Aromatische Monocarbonsäuren Dicarbonsäuren Aliphatische Dicarbonsäuren Aromatische Dicarbonsäuren Substitutionsderivate der Carbonsäuren Hydroxycarbonsäuren :' Oxocarbonsäuren 608 Übungsaufgaben 615 Lösungen Seifen und synthetische Waschmittel Verfahren zur Seifenherstellung Eigenschaften der Seifen in wäßriger Lösung Lösen von Seife in Wasser ~ Grenzflächenspannung des Wassers Tensidwirkung der Seife Der Waschprozeß., Nachteilige Eigenschaften der Seifen Synthetische Waschmittel Anionische Tenside Kationische Tenside Amphotere Tenside (Amphotenside) Nichtionische Tenside (Niotenside) Zusammensetzung moderner Waschmittel 631 Übungsaufgaben 635 Lösungen Funktionelle Derivate der Carbonsäuren Carbonsäurehalogenide (Alkanoylhalogenide) Nomenklatur Darstellung der Carbonsäurechloride : Reaktionen der Carbonsäurechloride 639

10 Inhaltsverzeichnis XVII 17.2 Carbonsäureanhydride Nomenklatur Darstellung der Carbonsäureanhydride Reaktionen der Carbonsäureanhydride Carbonsäureester Nomenklatur Bedeutung und Eigenschaften der Carbonsäureester Synthese der Carbonsäurester.? Reaktionen der Carbonsäureester Reaktionen der Carbonsäureester als C-Säuren Die Reduktion von Carbonsäureestern Carbonsäureamide Nomenklatur der Carbonsäureamide Großtechnische Herstellung des N,N-Dimethylformamids Die Darstellung der Carbonsäureamide im Labor Reaktionen der Carbonsäureamide und Carbonsäureimide Nitrile!,.; Nomenklatur der Nitrile Synthese der Nitrile Reaktionen der Nitrile 675 Übungsaufgaben 680 Lösungen Derivate der Kohlensäure Kohlensäureester, Chloride und Amide der Kohlensäure Phosgen Chlorameisensäureester : Kohlensäurediester Urethane Harnstoff und seine Derivate Harnstoff N-Methyl-N-nitrosoharnstoff Semicarbazid Guanidin Thioharnstoff 690 Übungsaufgaben 691 Lösungen Lipide Die chemische Zusammensetzung der Fette und Öle Einteilung der Fette und Öle Eigenschaften der Fette und Öle Vorkommen und Gewinnung von Fetten und Ölen Vorkommen > Gewinnung pflanzlicher Fette Gewinnung tierischer Fette 700

11 XVIII Inhaltsverzeichnis 19.5 Fettähnliche Biomoleküle Phosphölipide (Phosphatide) Glycolipide Sterole (Sterine) Lipoproteine Lipovitamine Chemische Reaktionen von Fetten und Ölen Die hydrolytische Spaltung von Fetten und r Ölen Die Umesterung; Die Hydrierung Die Autoxidation ungesättigter Triglyceride Polymerisationsreaktionen Fette und Öle als Nahrungsmittel Verdauung und Resorption von Fetten Abbau der Fettsäuren Mitochondrien, die Kraftstationen" der Zelle Der Transport durch die Mitochondrienmembran Die ß-Oxidation der Carb'onsäuren Abbau des Glycerins : Wachse,- 728 Übungsaufgaben 730 Lösungen Alicyclische Verbindungen in der Natur Terpene Monoterpene Sesquiterpene Diterpene Triterpene Tetraterpene, Steroide Biosynthese des Cholesterols Sterole (Sterine) Steroid-Vitamine Gallensäuren Steroidhormone Steroidglycoside 752 Übungsaufgaben 755 Lösungen Kohlenhydrate Bedeutung und Einteilung der Kohlenhydrate Bedeutung der Kohlenhydrate Einteilung der Kohlenhydrate : ; Monosaccharide Einteilung der Monosaccharide 760

12 Inhaltsverzeichnis XIX Die Fischer-Projektion D-und.L-Zucker Aldosen.' Verlängerung der Kohlenstoffkette von Aldosen Wichtige Aldopentosen Wichtige Aldohexosen Cyclische Strukturen der Monosaccharide Ketosen.? D(-)-Fructose Derivate der Monosaccharide Desoxyzucker Aminozucker L-(+)-Ascorbinsäure (Vitamin C) Reaktionen der Monosaccharide Reaktionen der Zucker als a-hydroxycarbonylverbindungen Reaktionen mit Säuren und starken Basen Einführung von Schutzgruppen, Oxidationsreaktionen der Zucker Reduktion der Monosaccharide Abbau der Monosaccharide Ester und Ether der Monosaccharide Ether-und Glycosidbildung Glycoside, Nucleoside und Nucleotide In der Natur vorkommende Glycoside Nucleoside Nucleotide Disaccharide : Reduzierende und nichtreduzierende Zucker Benennung der Disaccharide Reduzierende Disaccharide Nichtreduzierende Disaccharide Polysaccharide Homoglycane Heteroglycane Glycokonjugate 830 Übungsaufgaben 831. Lösungen Amine Struktur der Amine Nomenklatur der Amine Eigenschaften, Vorkommen und Bedeutung der Amine Großtechnische Synthese der Amine Synthese der Methylamine : Synthese der Diamine Synthese des Anilins 846

13 XX Inhaltsverzeichnis 22.5 Darstellung der Amine im Labor Amine durch Reduktion von Stickstoffverbindungen Darstellung der Amine durch Alkylierung Amine durch reduktive Aminierung Aminsynthesen mit Umlagerungen.; Reaktionen der Amine Acidobasische Eigenschaften der Amine^ Oxidation der Amine mit Peroxysäuren...? Die Alkylierung und Acylierung der Amine Eliminierungsreaktionen Nachweisreaktionen N-Nitrosierung aliphatischer Amine N-Nitrosierung aromatischer Amine Reaktionen aromatischer Diazoniumsalze Substitutionsreaktionen aromatischer Diazoniumsalze Kupplungsreaktionen Geometrische Isomere der Äzoverbindungen Azofarbstoffe und ihre Bedeutung 882 Übungsaufgaben : 883 Lösungen : ' Aminosäuren Nomenklatur der Aminosäuren Aminosäuren in der Natur Struktur der Aminosäuren Darstellung der Aminosäuren Umsetzung von a-halogencarbonsäuren mit Ammoniak Darstellung von Aminosäuren mit Hilfe der Malonestersynthese Die Strecker-Synthese Die Erlenmeyersche Azlactonsynthese Reaktionen der Aminosäuren Säure-Basen-Eigenschaften der Aminosäuren Veresterung und Acylierung der Aminosäuren Methylierung der Aminogruppe in Aminosäuren Die N-Nitrosierung von Aminosäuren und Aminosäureestern Cyclisierung von Aminosäuren Kupfer-Komplexe der Aminosäuren Die Oxidation von Cystein zu Cystin Farbreaktion mitninhydrin 904 Übungsaufgaben 906 Lösungen Peptide und Proteine Nomenklatur, Bedeutung der Peptide und Proteine 914

14 Inhaltsverzeichnis XXI 24.3 Peptide.' Peptidhprmone Neuropeptide Antibiotika auf Peptidbasis Zoo- und Phytotoxine auf Peptidbasis Analyse der Peptide und Proteine Ermittlung der Aminosäure-Anteile im Protein Bestimmung der Aminosäuresequenz * Peptidsynthese ' Schutzgruppen in der Peptidsynthese Die Aktivierung der Carboxygruppe Verlängerung der Peptidkette Festphasen-Peptidsynthese Proteinstrukturen Die Primärstruktur Die Sekundärstruktur Die Tertiärstruktur ; -..' Die Quartärstruktur '.' Die Denaturierung : Klassifizierung der Proteine ".' Fibrilläre Proteine Globuläre Proteine Konjugierte Proteine Proteine in der Ernährung Der Stoffwechsel der Proteine Die Verdauung der Proteine Proteasenund Peptidasen 962 Übungsaufgaben 967 Lösungen Stickstoffhaltige Heterocyclen Nomenklatur stickstoffhaltiger Heterocyclen Fünfringe mit Stickstoff als Heteroatom Pyrrol und seine Derivate Indol Sechsringe mit Stickstoff als Heteroatom Pyridin und seine Derivate Stickstoffanaloga des Naphthalins Heterocyclen mit 2 Stickstoffatomen im Sechsring Siebenringe mit Stickstoff als Heteroatom Naturstoffe mit fünfgliedrigen Stickstoff-Heterocyclen Heterocyclen mit 1 Stickstoffatom im Fünfring Heterocyclen mit 2 Heteroatomen im Fünfring Naturstoffe mit sechsgliedrigen Stickstoff-Heterocyclen Heterocyclen mit einem Stickstoffatom im Sechsring Heterocyclen mit 2 Stickstoffatomen im Sechsring