Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen der Organische Chemie VL OC1: Grundlagen strukturiert nach Stoffklassen (physikalische und chemische Eigenschaften von organischen Verbindungen, grundlegende Reaktionsmechanismen) Hörer: Termine: Chemie Bachelor (3. Semester) Wirtschaftschemie Bachelor (3. Semester) Lehramt Chemie / 2. Fach (3. Semester) Chemieingenieurwesen (3. Semester) Montags 14:15-16:00 H, Hörsaal H1 Donnerstags 8:15-10:00 H, Hörsaal H1 4 SWS + 1 SWS Seminar Seminar zur Vorlesung: Leitung Dr. E. Reinold (OC2) Aufgaben und Problembesprechung in kleineren Gruppen Termine: Klausur: Nachklausur: Vorbesprechung, Montag, den 24.10.2016, H1 Montag, den 13.2.2017, 16-18 H, H1 + Hörsaal Chirurgie Dienstag, den 4.4.2017, 10-12 H, H1 + H2 (bestandene Klausur ist Voraussetzung für die Zulassung zum OC-Grundpraktikum im 4. Sem.) Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 1
Vorlesung Organische Chemie 1 Inhaltsverzeichnis 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Was ist Organische Chemie Einleitung Struktur und Bindung organischer Moleküle Gesättigte Kohlenwasserstoffe (Alkane / Cycloalkane) Ungesättigte Kohlenwasserstoffe (Alkene / Alkine) Aromatische Kohlenwasserstoffe Stereochemie Organische Halogenverbindungen Alkohole und Ether, Schwefel-Analoga Amine Aldehyde und Ketone Carbonsäuren, Carbonsäurederivate, Kohlensäure-Derivate Heterocyclen Naturstoffe Strukturaufklärung Begleitendes Buch K. P. C. Vollhardt, N. Schore, Organische Chemie (Verlag Wiley-VCh, 5. Auflage, 2015) 89,90 Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 2
Vorlesung Organische Chemie 1 Weitere Literaturempfehlungen: N. E. Schore: Arbeitsbuch: Organische Chemie (Wiley-VCH, 5. Auflage, 2015) Übungsaufgaben und Lösungen Kuhl: Organische Chemie für Biochemiker, Lebenswissenschaftler (Wiley-VCH, 1. Auflage, 2012) E. Breitmayer, G. Jung: Organische Chemie: Grundlagen, Stoffklassen, Reaktionen, Konzepte, Molekülstruktur (Thieme, 7. Auflage, 2012) Weniger Tiefe als Vollhardt J. Clayden, N. Greeves, S. Warren: Organische Chemie (Springer, 2. Auflage, 2013) J. Clayden, N. Greeves, S. Warren: Organic Chemistry (Englisch, Oxford University Press, 2. Auflage, 2012) Mehr Tiefe als Vollhardt Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 3
Vorlesung Organische Chemie 1 Interaktives Lernen (Lernen 2.0) http://www.chem.ucalgary.ca/courses/351/carey5th/ca rey.html (U of Calgary) http://www.chemgapedia.de (FIZ CHEMIE Berlin) http://csi.chemie.tu-darmstadt.de/ak/immel/index.html (S. Immel, TU Darmstadt) http://www.organische-chemie.ch/ (Reaktionen, Namensreaktionen, Chemikalien) http://webelements.org/ http://periodicvideos.com/ (Martyn Poliakoff, U of Nottingham) Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 4
1.1 Vielfalt und historische Entwicklung Strukturen und Reaktionen von Molekülen Methoden, mit denen Strukturen bestimmt werden Theorien und Konzepte, mit denen sie erklärt werden Organische Chemie ist ein Netzwerk von zusammenhängenden Konzepten Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 5
Organische Reaktionen von Molekülen Mechanismen organischer Reaktionen Forschung: Syntheseplanung eines best. Moleküls (mit best. Eigenschaften) Fazit: Sie können nicht die gesamte organische Chemie lernen! Sie ist zu umfangreich. Nur einige grundlegende Fakten sind notwendig. Verstehen der grundlegenden Prinzipien ist wichtig! Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 6
Organische Chemie entstand zu Beginn des 19. Jahrhunderts 1824: Synthese von Oxalsäure durch Hydrolyse von Dicyan 1828: Harnstoff aus Ammoniumcyanat https://de.wikipedia.org/wiki/friedrich_w%c3%b6hler https://de.wikipedia.org/wiki/friedrich_w%c3%b6hler Friedrich Wöhler (1800-1882) Pionier der organischen Chemie Die Wöhler schen Synthesen eröffneten das Feld der Biochemie, da zum ersten Mal Stoffe, die bisher nur von lebenden Organismen bekannt waren, aus unbelebter Materie künstlich (synthetisch) erzeugt werden konnten. Organische Chemie ist die Wissenschaft von den Molekülen und der Versuch, die Chemie des Lebens zu verstehen Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 7
Einschub: AdBlue als Zusatzstoff für Dieselfahrzeuge Scheinbares Dilemma: Verbrauchsarme Dieselmotoren produzieren giftige NO x Gase http://www.heute-show.de/media/heuteshow/abgaswerte-skandal-bei-volkswagen.jpg https://de.wikipedia.org/wiki/adblue Die chemische Lösung: AdBlue (Einspritzung einer wässrigen Harnstofflösung ins Abgas) https://de.wikipedia.org/wiki/adblue Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 8
Organische Chemie ist die Grundlage des Lebens (Naturstoffe) Proteine - Mechanische Funktionen: Gerüststoffe, kontraktile Elemente - Stoffwechselvorgänge (Enzyme) - Koordination der Funktionen (Rezeptoren, Botenstoffe) - Transportfunktionen Nucleinsäuren - Codierung der Proteinstrukturen - Template für Proteinsynthesen Kohlenhydrate - Gerüststoffe - Energiespeicher Lipide - Grundbausteine der Zellmembran - Energiespeicher Organische Chemie wächst ständig, stellt zunehmend neue Moleküle her Organische Chemie ist heute Grundlage weltweiter Tätigkeit Millionen von Menschen zu ernähren, kleiden, heilen, etc. Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 9
OC = Chemie der aus Kohlenstoff und anderen Elementen (H, O, N, S, P, ) gebildeten Verbindungen in Lebewesen, in Produkten von Lebewesen, wo C angetroffen wird Heute gibt es >16 Millionen (1.6 x 10 8 ) organische Verbindungen Theoretisch sind 10 63 stabile organische Verbindungen ( 30 C-Atome) möglich! Fazit: Es gibt noch sehr viel Raum, um neue organische Moleküle mit bestimmten Eigenschaften herzustellen Beispiele: etherische Öle Alkaloide Menthol 2-Isopropyl-5-methylcyclohexanol Chinin 1-(6-Methoxychinolin-4-yl)-1-(5-vinyl-1-azabicyclo[2.2.2]oct-2-yl)methanol Naturstoffe wirken zur Heilung von Krankheiten (Chinin: gegen Fieber und Malaria) Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 10
1.2 Die chemische Industrie Quellen: Kohle war früher Hauptquelle für Chemikalien durch Destillation (H 2 /CO) liefert Teer, der reich an aromatischen Verbindungen ist N S Benzol Pyridin Phenol Anilin Thiophen Synthetische organische Chemie begann ab ca. 1850 W. Perkin (1838-1907) entdeckte 1856 zufällig den ersten synthetischen Farbstoff Mauvein (wollte Chinin aus Anilin herstellen) https://de.wikipedia.org/wiki/william_henry_perkin Mauvein A 3-Amino-2,9-dimethyl-5-phenyl-7-(p-tolylamino)phenaziniumacetat https://de.wikipedia.org/wiki/mauveine Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 11
Industrie der synthetischen Farbstoffe entstand (BASF, Bayer, Agfa, Höchst, Casella) BASF 1865: gegründet zur Herstellung von Teerfarbstoffen und Farbstoffe auf Anilinbasis 1880: Erforschung einer Indigo-Synthese (Heumann-Synthese) 1897: Indigo-Produktion Indigo 2,2 -Bis(2,3-dihydro-3-oxoindolyliden) Bismarckbraun Y 4,4'-[1,3-Phenylenbis(azo)]-bis[1,3-phenyldiamin] https://de.wikipedia.org/wiki/basf heute: weltgrößter Chemiekonzern mit 113.000 Mitarbeiter, 74 Mrd. Umsatz Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 12
Erdöl ab 20 Jh. Hauptquelle organischer Verbindungen einfache Kohlenwasserstoffe: Methan, Ethan, Propan (Brennstoffe) daraus entstanden zwei industrielle Bereiche der organischen Chemie Feinchemikalien (kleinere Mengen, Arzneimittel, Aroma-, Duftstoffe) Grundchemikalien (viele Tonnen, Anstriche, Kunststoffe) Steamcracker (BASF, größte 2 Produktionsanlagen in Ludwigshafen) aus Rohbenzin (Naphtha, 2 Mio to/jahr) ensteht eine ganze Reihe wichtiger chemischer Grundbausteine wie vor allem Ethylen und Propylen - elementar für Kunststoffe, Lacke, Waschrohstoffe und Pflanzenschutzmittel. https://www.youtube.com/watch?v=a7o5jzkesfi http://www.mannheim24.de/region/ludwigshafen-steamcracker-basf-brennt-auch-maerz-noch-kontrolliert-ueber-fackel-4792763.html Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 13
1.3 Organische Verbindungen Unter den 16 Millionen organische Verbindungen gibt es alle Arten von Molekülen mit vielfältigen Eigenschaften Aussehen: kristallin, ölig, wachsartig, flüssig, gasförmig, kunststoffartig, Saccharose β-d-fructofuranosyl-α-d-glucopyranosid 2,2,4-Trimethylpentan https://de.wikipedia.org/wiki/saccharose http://www.seilnacht.com/chemie/ch_sacch.htm http://www.seilnacht.com/lexikon/phh.jpg Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 14
Farben: Optische Eigenschaften (Absorption, Fluoreszenz, Reflektion, Brechungsindex, ) Wechselwirkung der Moleküle mit Licht (UV, vis, NIR) https://de.wikipedia.org/wiki/carotine ß-Carotin 1,3,3-Trimethyl-2-[(1E,3E,5E,7E,9E,11E,13E,15E,17E)-3,7,12,16-tetramethyl-18-(2,6,6-trimethylcyclohexen-1-yl)octadeca- 1,3,5,7,9,11,13,15,17-nonaenyl]cyclohexen http://www.easylife.nl/de/publikationen/pflanzenwachstum-teil-1 Chlorophyll A Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 15
Farben: Organische Verbindungen decken das gesamte Spektrum ab Clayden, Greeves, Warren, Organische Chemie, Springer Spektrum, 2013, S.4 Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 16
Duft, Geruch: es gibt angenehm oder unangenehm riechende organische Substanzen Synthetische und natürliche Riechstoffe (Parfüme), (Fruchtester) http://www.fragrantica.com/perf ume/christian-dior/hypnotic- Poison-219.html Moschus-Keton 4-tert-Butyl-2,6-dimethyl-3,5- dinitroacetophenon http://www.swisseduc.ch/ chemie/labor/estersynth/ Essigsäureamylester Acesulfam (Claus 1967) 6-Methyl-3,4-dihydro-1,2,3-oxathiazin-4-on-2,2-dioxid https://www.bueromarkt-ag. de/ bilder/suess-stoff_gutguenstig, p-102501,s-700.jpg 2-Buten-1-thiol tert-butylthiol (+)-Androstenon http://www.spiegel.de/sport/achilles/achillesferse-stinktier-im-startfeld-a-643913.html Geruch bei Insekten: Pheromone http://www.rezepte-nachkochen.de/trueffel.php https://de.wikipedia.org/wiki/tabakk%c3%a4fer Serricornin 4,6-Dimethyl-7-hydroxy-nonan-3-one Olean (R,S)-1,7-Dioxaspiro[5.5]undecan http://roviesolives.gr/germany/pflege-des-olivenbaums.html Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 17
Geschmack: der Mensch kann extrem geringe Mengen schmecken (2 x 10-5 ppb) Aroma der Grapefruit (R)-1-p-Menthen-1-thiol http://ecowatch.com/2014/02/14/14-reasons-to-eat-grapefruit/ Wirkung auf das Gehirn (Drogen) Alkohol Wirkung in der Nahrung Ecstasy 3,4-Methylendioxy-N-methylamphetamin Cocain Methyl(1R,2R,3S,5S)-3-(benzoyloxy)-8-methyl- 8-azabicyclo[3.2.1]octan-2-carboxylat Resveratrol Ascorbinsäure (Vitamin C) Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 18
Agrochemikalien: Garantieren eine ausreichende Nahrungsversorgung Insektizide Pyrethrine Decamethrin (1R,3R)-[(S)-α-Cyano-3-phenoxybenzyl-3-(2,2-dibromvinyl)]-2,2-dimethylcyclopropancarboxylat Fungizide Propiconazol (±)-1-[2-(2,4-Dichlorphenyl)-4-propyl-1,3-dioxolan-2-yl-methyl]-1H-1,2,4-triazol Herbizide Glyphosat N-(Phosphonomethyl)glycin Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 19
Periodensystem: Wo sind die Grenzen der organischen Chemie? alle organischen Verbindungen bauen auf dem Kohlenwasserstoff-Gerüst auf: C, H öfters kommen hinzu: O, N, manchmal: S, P sowie Halogene F, Cl, Br, I weitere: Li, B, Si, Cu, Zn, Pd, Sn Pd(PPh 3 ) 4 n-buli Triethylboran Trimethylsilylchl orid Gilman-Cuprat Diethylzink Tributylzinnhydrid Tetrakis(triphe- nylphoshin)- palladium Clayden, Greeves, Warren, Organische Chemie, Springer Spektrum, 2013, S.13 Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 20
1.4 Hauptrichtungen in der organischen Chemie Synthese wie neue Moleküle entwickelt und anschließend hergestellt werden Reaktionsmechanismen wie ermittelt wird, wie diese Moleküle miteinander reagieren, und wie ihre Reaktionen vorhergesagt werden Strukturaufklärung wie die Strukturen neuer Verbindungen ermittelt werden, auch in kleinsten Mengen Theoretische Organische Chemie wie die Strukturen bezüglich der Atome und der Elektronen, die diese miteinander verbinden, aufzufassen sind Biochemie wie festgestellt wird, was die Natur macht, und wie Strukturen von biologisch aktiven Molekülen mit ihrem Verhalten in Zusammenhang stehen Wir gehen nun auf die Reise durch diese (Wissens)Landschaft. Dabei ist die Sprache der organischen Chemie einfach: Bilder, Formeln, Nomenklatur Copyright: Prof. Peter Bäuerle, Vorlesung Organische Chemie 1 Grundlagen 21