(no title) Ingo Blechschmidt. 4. März 2007

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1 (no title) Ingo Blechschmidt 4. März 2007 Inhaltsverzeichnis 0.1 Alkohole Alkohole im Überblick Eigenschaften der Alkohole xidierbarkeit von Alkoholen xidationsprodulte der Alkohole [Physikalische] Eigenschaften der xidationsprodukte der Alkohole (im Vergleich) hemische Eigenschaften der xidationsprodukte der Alkohole [Übersicht] Phenol ein besonderer Alkohol arbonylverbindungen arbonsäuren Ester Sauerstoffhaltige Verbindungen im Überblick Alkohole Alkohole enthalten neben den Elementen und auch. Sie leiten sich aber dennoch von den Kohlenwasserstoffen ab. 1

2 INALTSVEZEINIS 2 Beispiel: 2 6 als Summenformel Strukturformel: oder Versuch [Zugabe von Natrium zu Wasser und 2 6 ]? Beobachtung [Jeweils] exotherme eaktion unter Gasentwicklung ( 2 ) Folgerung Na Na + Na Na Da vergleichbares eaktionsprinzip, muss auch die Verbindung vergleichbar zu Wasser sein. Abspaltung von als (leichte Abspaltung, da Bindung bereits polar!) 2 Abspaltung von als Keine polare [-]Bindung; unwahrscheinlich als Struktur Alkohole im Überblick Alkohole leiten sich formal von den einfachen Kohlenwasserstoffen ab. Es existiert ebenfalls eine homologe eihe.

3 INALTSVEZEINIS 3 Formel Formel: Bezeichnung Methanol Ethanol Propanol Butanol : ydroxiegruppe [ist eine] funktionelle Gruppe, ändert die Eigenschaften Mehrwertige Alkohole [besitzen] mehr als eine -Funktion im Molekül. Beispiele: Ethandiol (1,2,3-)Propantriol Primäre Alkohole [-Atom mit -Gruppe bindet genau ein -Atom] [prim-ethanol ] prim-propanol Sekundäre Alkohole [-Atom mit -Gruppe bindet genau zwei -Atome]

4 INALTSVEZEINIS 4 [sek-propanol ] sek-butanol, 2-Butanol, Butan-2-ol Tertiäre Alkohole [-Atom mit -Gruppe bindet genau drei -Atome] tet-butanol, 2-Methylpropan-2-ol Die -Funktion ändert (je nach Lage im Molekül) die Eigenschaften eines Moleküls [Zwei -Gruppen an einem -Atom sind normalerweise nicht stabil, weil wegen der Elektronegativität des Sauerstoffs zu wenig Elektronen verfügbar wären (es findet eine zu starke Polarisierung statt)] Eigenschaften der Alkohole Die Eigenschaften der Alkohole sind durch das Vorhandensein einer -Funktion bestimmt. Löslichkeit Ethanol ist im Vergleich zu Ethan in Wasser löslich (hydrophil). Erklärung: Ethanol ist ein polares Molekül:

5 INALTSVEZEINIS 5 Ethan Keine e -Verschiebung; keine Polarität Ethanol e -Verschiebung; Polarität Lösbarkeit im polaren Lösungsmittel 2 (Umhüllung des [gesamten] Moleküls mit Wasserteilchen möglich) 2Achtung: Je länger die -Kette, desto mehr dominiert der unpolare Teil Löslichkeit sinkt [ab 10 überhaupt keine Löslichkeit mehr] Siedepunkt/Schmelzpunkt Im Vergleich zu Alkanen sind Siedepunkt/Schmelzpunkt deutlich erhöht. Es wird folglich mehr Energie benötigt, um Moleküle voneinander zu trennen. δ δ + δ + δ [Voraussetzung für Wasserstoffbrückenbindung: stark negativ polarisiertes Atom mit freien Elektronenpaaren und -Atom] Wasserstoffbrücken als sehr starke Wechselwirkung zwischen Molekülen sorgen für hohe Siedepunkte/Schmelzpunkte. [Die Wasserstoffbrückenbindung ist deshalb so stark, weil sie a) deutlich lokalisiert und b) permanent ist.] Viskosität Durch Wasserstoffbrücken werden Alkohole viskoser als vergleichbare Alkane. Brennbarkeit Ethanol brennt mit nicht rußender blauer Flamme. : -Anteil; schon teilweise oxidiert!

6 INALTSVEZEINIS xidierbarkeit von Alkoholen Grundlage: xidationszahl (gedachte Ladungszahl e an Atom) Beispiel: 2 S ( S ) Vorstellung als Ionen : + S S Für Kohlenstoffverbindungen gilt: ( ) Primärer Alkohol +1 ( ( 1 +1 Sekundärer Alkohol +1 ±0 1{ 2 +1 } 1

7 INALTSVEZEINIS 7 Tertiärer Alkohol +1 1{ Versuch Primärer Alkohol + u u +? Sekundärer Alkohol + u u +? Tertiärer Alkohol + u u 0 3 u Primäre Alkohole sind bereit, e abzugeben. Sie werden dabei zu sog. Aldehyden Exkurs: Aufstellen von edoxgleichungen 1. Teilgleichungen mit xidationszahlen 2. e -Ausgleich Bestimmung, ob xidation oder eduktion 3. Ladungsausgleich 4. Stoffausgleich 5. e -Bilanzausgleich edoxgleichung [Gesamtgleichung] eduktion +2 u + 2 e u ± xidation e

8 INALTSVEZEINIS 8 Gesamtgleichung +2 u + 1 u eduktion +7 Mn e Mn xidation e Gesamtgleichung Mn e 2 Mn e eduktion +6 r e r xidation ± / e Gesamtgleichung / 3 ± r r

9 INALTSVEZEINIS 9 ± u 0 / u + Sekundäre Alkohole sind bereit, e abzugeben. Sie werden dabei zu sog. Ketonen xidationsprodulte der Alkohole Primärer Alkohol x. Aldehyd Mit funktioneller Gruppe: δ δ + Name: Stammname al Sekundärer Alkohol x. Keton Mit funktioneller Gruppe (arbonylgruppe [auch Ketofunktion]): / Name: Stammname on [Physikalische] Eigenschaften der xidationsprodukte der Alkohole (im Vergleich) Siedepunkt/Schmelzpunkt Siedepunkt/Schmelzpunkt bei Aldehyden und Ketonen vergleichbar (durch ähnliche Polarität der funktionellen Gruppe). Im Vergleich zu Alkoholen niedrigerer Siedepunkt/Schmelzpunkt, da nur Polarität, aber keine Wasserstoffbrücken. [Je länger die Kette, desto mehr V.d.W.-Kräfte, desto höhere Siedepunkte/Schmelzpunkte]

10 INALTSVEZEINIS 10 Löslichkeit Niedrigere Vertreter sind aufgrund der polaren Gruppen in Wasser löslich; durch längere Kohlenstoffketten sinkt die Löslichkeit in Wasser, während sie in Benzin zunimmt. Viskosität Die Viskosität nimmt mit steigender Kettenlänge zu [V.d.W.- Kräfte!], ist aber nicht so stark wie bei den Alkoholen hemische Eigenschaften der xidationsprodukte der Alkohole Aldehyde a) mit ammoniakalischer Silbernitratlösung eduktion Ag + + e Ag xidation + 2 b) mit Fehling I- und II-Lösung + 2 e + 2 eduktion 2 u e + 2 u xidation e + 2 Aldehyde lassen sich oxidieren! Ketone Ketone lassen sich weder durch die sog. Fehlingprobe noch durch eine Silberspiegelprobe weiter oxidieren.

11 INALTSVEZEINIS 11 Damit gilt: Die Fehlingprobe und die Silberspiegelprobe sind spezifische Nachweisreaktionen für Aldehydfunktionen. [Die Fehlingprobe ist bei ziegelrotem Ausschlag (u 2 ) positiv. Die Silberspiegelprobe ist bei silbernem Niederschlag (Ag) positiv.] [Übersicht] Primäre Alkohole x. x. Aldehyde x. x. arbonsäuren (arboxylgruppe) [Wenn man Aldehyde haben will, darf man primäre Alkohole nur mäßig oxidieren oxidiert man zu stark, erhält man arbonsäuren.] Sekundäre Alkohole x. Ketone x. / Tertiäre Alkohole [xidiert man teritäre Alkohole (mit einem sehr starken xidationsmittel), so zerfällt das Ding.] Unterscheidungsmöglichkeit von Alkoholen und deren xidationsprodukten! Phenol ein besonderer Alkohol Aromatisierter Alkohol Mesomeriestabilisierung

12 INALTSVEZEINIS 12 Funktion Benzolring Aromatischer Alkohol mit mesomeren Grenzformeln nicht oxidierbar! reagiert sauer Protonendonator Erklärung: Phenolation (Ethanoation) Warum gibt Phenol leichter ein Proton ab als andere Alkohole? [Beim Ethanoation ist die] negative Ladung lokalisiert [ungut]: [Beim Phenolation dagegen ist die] negative Ladung über das gesamte Molekül delokalisiert [und] damit energetisch günstiger:

13 INALTSVEZEINIS 13 Es reagiert leicht sauer (gibt Proton nicht sehr leicht ab) Mesomeriestabilisierung von Phenol Mesomeriestabilisierung von 1,2-Dihydroxybenzol

14 INALTSVEZEINIS 14 [Man kann beim Aufstellen mesomerer Grenzformeln eine negative Ladung nur an Substituenten setzen, welche sind (Platzgründe: ansonsten zu große este)] arbonylverbindungen Funktionelle Gruppe: / / Alkanale (Aldehyde) / / 2

15 INALTSVEZEINIS 15 a) Beispiele Name Strukturformel Siedepunkt ( ) Wasserlöslichkeit Methanal = (Formaldehyd) / / Ethanal (Acetaldehyd) Benzaldehyd exanal (apronaldehyd) / / / 5 11 [Benzolgruppe mit dran] b) hemische Eigenschaften xidierbar zu arbonsäure 1 = + 2 / / 1 Bedeutung und Verwendung Konservation organischer Stoffe, Desinfektionsmittel 21 + Zwischenprodukt beim Alkoholabbau Propanal (Propionaldehyd) 48 - Kunst- und Duftstoffe, Arzneimittel (XXX) Anstrichmittel (XXX) Nachweis: Silberspiegel- oder Fehlingprobe 2. Ketone (Alkanone) / / 1 2 1, 2 a) Beispiele Duft- und Aromastoffe e

16 INALTSVEZEINIS 16 Propanon (Aceton) / / 3 3 Siedepunkt: 56 [Verwendung:] Lösungsmittel, Tränengas Butanon / / b) hemische Eigenschaften nicht weiter oxidierbar Unterscheidung von den Alkanalen Nucleophile Addition an die arbonylgruppe Versuch Trichlorethanal + Wasser Beobachtung Feststoff entsteht. Erklärung l l + l l / l l (hloralhydrat) Die Addition[sbereitschaft] von Wassermolekülen an die arbonylgruppe ist eine chemische Eigenschaft der Alkanale und Alkanone. Es bilden sich ydrate Typische gemeinsame eaktion der Alkanale und Alkanone Starke Polarität der arbonylgruppe aufgrund der hohen Elektronegativität des Sauerstoffatoms δ + = /δ

17 INALTSVEZEINIS 17 Allgemein: 1 = + Nu / / / / Nu Nucleophile: Wasser, Ammoniak, ydrogenchlorid, Blausäure (N), alle Alkanole ( ) Säurekatalysierter Mechanismus arboxoniumion [stabil wg. Mesomerie stabilisierung] Basenkatalysierter Mechanismus Beispiele: Nucleophile Addition von N 3 an Propanal: / N N

18 INALTSVEZEINIS 18 Nucleophile Addition von N an Propanal: N / 3 2 N [zuvor: N + + N, da Blausäure ja eine Säure ist] Addition von Alkanalen (a) albacetalbildung (b) Vollacetalbildung Weitere Nachweise der Aldehydgruppe Aldehyd + KMn 4 [Aldehyde werden oxidiert, andere Moleküle z.b. KMn 4 reduziert.]

19 INALTSVEZEINIS 19 Aldehyd + SIFFsches eagenz Farbvertiefung [Addition von Blausäure zur Kettenverlängerung] [Wenn ein oder ein N eines N potentiell angreifen könnte, greift bei uns immer das an.] [Wichtig: Mesomeriestabiliserung der positiven Ladung des - Atoms (Überklappen eines Elektronenpaars des zum damit trägt das die positive Ladung.] arbonsäuren Funktionelle Gruppe: arboxygruppe } } arbonylgruppe } } ydroxygruppe Einteilung der arbonsäuren Eine -Gruppe Monocarbonsäure Zwei -Gruppen Dicarbonsäure [Beispiel:] xalsäure / / [Mehr als zwei -Gruppen pro -Atom gibt s nicht (XXX).] [ist] aliphatisch [kettenförmig, II] Alkan-, Alken-, Alkinsäure [ist] aromatisch aromatische arbonsäure [Andere Möglichkeiten auch zulässig, aber keine spezielle Benennung (zumindest für uns)]

20 INALTSVEZEINIS 20 Vertreter Methansäure (Ameisensäure): a) Vorkommen Ameisen, Brennnessel b) Eigenschaften Farblose Flüssigkeit Stechender Geruch Sauer Versuch: Ameisensäure + KMn 4 Beobachtung: Braunfärbung und Gasentwicklung Erklärung: e (xidation) +7 Mn e Mn (eduktion) Mn Mn (Gesamtgleichung) Die Ameisensäure nimmt aufgrund ihrer reduzierenden Wirkung eine Sonderstellung bei den arbonsäuren ein. [arbonylgruppe mit statt -est = Aldehyd (oxidierbar) statt Keton (nicht oxidierbar)] Löslich in Wasser Siedepunkt 100,7 c) Darstellung [Einschub:] Versuch: Zerlegung der Armeisensäure:

21 INALTSVEZEINIS Na + Na (Natriumformiat) 2. Na + 2 S 4 + Na 2 S 4 d) [Verwendung einigungsmittel Zigarettenrauch Schädlingsbekämpfungsmittel] Ethansäure (Essigsäure): Propansäure (Propionsäure): 2 5 Butansäure (Buttersäure): 3 7 exadecansäure (Palmitinsäure): Benzolcarbonsäure (Benzoesäure): ctadecansäure (Stearinsäure): Eigenschaften der arbonsäuren a) Physikalische Eigenschaften

22 INALTSVEZEINIS 22 Siedepunkt: öher als bei Alkanen und Alkanalen durch Wasserstoffbrückenbindungen. Dimerisation [Zwei Brücken Molekül bestehend aus zwei Submolekülen ; sehr starker Zusammenhalt] [Bei Alkanalen könnte es mit der Argumentation auch zur Dimerisation kommen kommt es aber nicht (hemie ist wie backen etc.).] Löslichkeit: In Wasser nimmt die Löslichkeit mit zunehmender Anzahl der Wasserstoffatome ab, in unpolaren Lösungsmitteln zu. b) hemische Eigenschaften Säurewirkung: Versuch 1: Konzentrierte Essigsäure mit Magnesiumband [ keine eaktion] Versuch 2: Konzentrierte Essigsäure mit Magnesiumband und Wasser Gasentwicklung/Mg-Band löst sich auf [Konzentrierte Säuren können ganz allgemein niemals Metalle angreifen; Protonen alleine können das nicht. Nur wenn Wasser dazu kommt geht s: In diesem Fall kann das Proton, welches von der Säure abgegeben wird, mit dem Wasser zu 3 + -Ionen reagieren, welche dann Metalle angreifen können.] Erklärung: 3 Protonendonator Mg 2 + Mg Protonenakzeptor 3 Ethanoation

23 INALTSVEZEINIS 23 Mg Ester 3 Mg 3 2 [Magnesiumethanoat] [XXX eigentlich fehlt doch noch das 2 als Produkt, oder?] [Allgemeines] arboxylation [mesomeriestabilisiert]: / Versuch: Ethanol + Essigsäure + 2 S 4 Beobachtung: Lösungsmittelgeruch, nicht mischbar mit Wasser Erklärung: / Kondensation / Ethanol Ethylethanoat Ethansäure [Das -Atom mit den Verbindungen zu den zwei -Atomen kann bei anorganischen Estern auch beispielsweise ein N sein.] [Funktionelle Gruppe:] / ]Estergruppe Versuch: Ethylethanoat Na + Phenolphthalein Beobachtung: Entfärbung der roten [basischen] Lösung [zum Neutralen]

24 INALTSVEZEINIS 24 Erklärung: / + Na ydrolyse + + Na Ethanol Allgemein: Alkohol arbonsäure Kondensation ydrolyse / Wasser Ester [Gleichgewichtsverschiebung um gewünschte Stauffausbeite zu erhöhen] [Siedepunkt von Ester ungefähr genauso groß wie der von Alkanalen (XXX evtl. falsch!); keine Wasserstoffbrückenbindungen, aber Polarität] Verwendung Aromastoff Lösungsmittel Fette und Öle (Glycerinester mit höheren arbonsäuren) Nitroglycerin Glycerin +3 N 3 N 2 N N 2 Nitroglycerin [Das nennt man Etherbrücke.]

25 INALTSVEZEINIS 25 [Nitroglycerin ist in Wasser gelöst ok; es geht erst bei Erschütterungen hoch. Lagerung bei ca. -10.] Kunststoffe n / / n 2 + / Terephtalsäure / / / 2 2 Polyethylenterephtalat n Estergleichgewicht A + B < 0 v = v [vhin = v rück Gleichgewicht] Beeinflussung [der] eaktionsgeschwindigkeit: c T [Temperaturerniedrigung bevorzugt exotherme eaktion] P [Druckerhöhung bevorzugt eaktionsergebnis mit geringerer Teilchenzahl] Katalysator Beispiel: / > 0

26 INALTSVEZEINIS 26 Das Gleichgewicht kann nach dem Prinzip von Le hatelier beeinflusst werden (Prinzip des kleinsten Zwanges). a) Konzentrationsänderung [Ziel: größere Esterausbeute] 2 -Entzug Erhöhung [der] Alkanol[-Konzentration] b) Temperaturerniedrigung Multifunktionelle Verbindungen Versuch: Salicylsäure + Methanol Beobachtung: Typischer Estergeruch Erklärung: / / [2-ydroxybenzolcarbonsäure] + 3 / / + 2 Mehrfunktionelle Verbindungen besitzen mehrere verschiedene funktionelle Gruppen. [Eigentlich kann man das verschieden im vorherigen Satz streichen aber blablabla] Biologisch bedeutsame Verbindungen a) Glycerinaldehyd (2,3-Dihydroxypropanal) [immer das höchstoxidierteste ist Nummer 1!!] Vorkommen: Als Glycerinaldehydphosphat im Zuckerstoffwechsel (Glycolyse)

27 INALTSVEZEINIS 27 b) Brenztraubensäure (2-Ketopropansäure) / Vorkommen: Entsteht im Körper beim Zuckerstoffwechsel Alkoholische Gährung: (anaerob) Atmung: (aerob) Milchsäuregärung: [ Muskelkater zu wenig Sauerstoff vorhanden] c) Milchsäure (2-ydroxypropansäure) [Milchsäure] entsteht bei der Vergärung von Zucker durch bestimmte Bakterien. Vorkommen: Schweiß, Blut, Muskel (Muskelkater) Verwendung: Säuerungsmittel d) Zitronensäure (3-ydroxy-3-carboxy-1,5-dipentansäure) / [Zitronensäure] entsteht im Körper beim aeroben Abbau von Brenztraubensäure (Zitratzyklus). Vorkommen: Früchte, Tabak, Wein Verwendung: einigungs-, Säuerungsmittel

28 INALTSVEZEINIS 28 e) Ascorbinsäure (Vitamin ) Versuch: Ascorbinsäure + Fehling-Lösung Beobachtung: otfärbung Erklärung: e Ascorbinsäure reduzierte Form oxidierte Form Funktionelle Gruppen: ydroxy, Ester Eigenschaften: eduzierende Wirkung, Säurewirkung Nachweise: Fehlingprobe Tillmans eagenz Asc 2 + DPIP Asc x. + DPIP 2 [Bei vielen Lebensmitteln als Antioxidans unter der Nummer E 300.] f) Acetylsalicylsäure (ASS) Darstellung: / / 3 3 / + = = / / } / {{ } Essigsäurehydrid 2 S 4 / / / Acetylsalicylsäure

29 INALTSVEZEINIS Sauerstoffhaltige Verbindungen im Überblick Verbindungsklasse Allgemeine Struktur Funktionelle Gruppe Alkanole (ydroxygruppe) Ether 1 (Etherbrücke) Alkanale Alkanone arbonsäuren Ester = / / 1 1 (arbonyl- /Aldehydgruppe) / = / / / (arbonyl- /Ketogruppe) (arboxygruppe) (Estergruppe) Beispiel 3 (Methanol) 3 3 (Dimethylether) (Methanal) / (Propanon) (Methansäure) / (Methylmethanoat)