Organische Chemie Zusammenfassung

Alternativer Bildtext:

Phase, die auf Grund der geringen Dichte oben schwimmt. Radikalische Substitution CH₂ + Brz H " H-CH + Methan 1. Kettenstart 1 Br + Bri 1Br. + Bri Brommolekül homolytische Bromradikale Spaltung 2. Kettenfortpflanzung H Eduldre Reaktions- Pfeil H- Radikalische 3. Kettenabbruch 1Br. H monēzē H-C +1 Br★ Brl Bromradikal •Bri Bromradikale Methylradikal Brommolekül Licht It Substitution (SR) H CH3Br + HBr Produkte -H Methylradikale homolytische H _H-C. + H- 1 Spaltung H homolytische Spaltung Methylradikal Bromwasserstoff molekul H -1-83 Brommethan 1er-Bri Brommolekül HH H-Ć-Ć-H 1 HM Bri -Bri+1Br. Ethan Bromradikal H H-C•+• Brl Merhyiradikal Bromradikal Bri Brommerhan H- H Alkene Neben den Alkanen gibt es auch Kohlenwasserstoffe, die eine C-C-Doppelbindung haben. Sie tragen nicht die maximal mögliche Anzahl an wasserstoffatomen und werden deshalb als ungesättigt bezeichnet. Mit der Formel C₂Hy ist Nomenklatur: I Ähnlich wie Alkane bilden die unverzweigten Alkene eine homologe Reihe (allg. Formel: CnH₂n). Die Benennung erfolgt nach den gleichen Regeln wie bei den Alkanen, Wobei die Endlung - en verwendet wird. zusätzlich gibt eine Zahl der Doppelbindung an. die genaue Position -- -. -------- 1 Ethen der einfachste verteter: planare Anordnung (auf einer Boene) : 1. Stammnamen suchen: Längste C-kette mit Doppelbindung suchen. Doppelbindung mit möglichst kleiner Zahl: hexen 2. Position der Doppelbinclung gezählt ab dem c, an dem die Doppelbindung sitzt: hex -2- en 3. Namen und Anzahl der Seitenketten (wie bei Alkanen): 2 Methyl gruppen an Position 2 und 4: 2,4-Dimethyl 4. Vollständliger Name: 2,4-Dimethyl-hex-2-en Cis/trans Isomerie: cis-1,2-Dichlorethen (32→72) cis Substituenten auf der gleichen seite A. H cis Beispielaufgaben: Benennen Sie: →> unterschiedliche Eigenschaften 2.B. Polaritat, Siedetemperatur, Stabilität trans H 3. Zeichnen Sie: trans- 1,2-Dichlorethen CA H Se Cis- 1-Chlor-hept-sen trans polar unpolar höhere siedetemperatur niedrigere Siedetemperator instabiler (energiereicher) stabiler Substituenten auf entgegengesetzer Seite A. trans- Pent-2-en 2. cis But-2-en 3. -ċ-ċ. I ICLI Elektrophile Addition Beobachtung: ● 1- Hexen: Nach Zugabe von Brom zunächst braun I orange Entfärbung nach Schütteln am keine Energiequelle nötig i Doppelbindung ist von sich aus reakchiv. Ungesättigt = ungünstig Beispiel Hex-1-en + Brom синд = ( Hex-1-en H 1 Cuttg - C& elektrophil bezieht sich immer auf Angreifer H " Ti-komplex + 1Br - Bri Brommolekül 3. nucleophiler Angriff 2. elektrophiler Angriff H n - Heptan: keine Farbveränderung durch schütteln Erst nach Beleuchtung trilt Entfärbung ein Cuttg IBri H H Alkan, Halogen, Licht => SR 1BC1 1,2-Dibromhexan 1. Polarisierung Cu Hg- T-komplex + 1 Bri Bromid-lon Mechanismus der elektrophilen Addition Erklärung: Den genaueren Ablauf einer chemischen Reaktion mit Zwischenprodukten bezeichnet man als Mechanismus. Voraussetzung für den Ablauf der elektrophilen Addition: - TT-Bindung (Mehrfachbindung) - ein Bereich erhöhter negativer Ladung und - leicht polarisierbar a) Polarisierung Durch die erhöhte Ladungsdichte im Bereich der T-Bindung werden die Elektronen des Brommoleküls abgestoßen. Gleichzeitig werden TT-Elektronen der C=C-Doppelbindung in Richtung auf das nun positivere Bromatom verschoben (T-Komplex). H₂ H 11 H' H Ethen + Br Ausgangsstoffe b) Elektrophiler Angriff elektrophil- elektronenliebend 10.3 Brommolekul c) Nucleophiler Angriff Br HH Die Elektronenverschiebung führt schließlich zur Ausbildung einer Bindung zwischen einem Kohlenstoff-Atom und dem positiven Bromid-lon (Bromonium-lon). Diese Zwischenstufe wird Sigma-Komplex genannt und entsteht unter der heterolytischen, asymmetrischen Bindungsspaltung des Brommoleküls. Das negative Bromid-lon bleibt übrig. H H Br o-Komplex (Sigma)=(Bromonium-Ion H XED Br Br H TT-Komplex H H H Bromid-on nucleophil kernliebend, d.h. positive Ladung liebend Das Bromid-lon greift von der Rückseite her an, das Endprodukt (1,2-Dibromethan) entsteht. S- 1 H-C-Br Br-C-H I H 1,2-Dibromethan Weil der elektrophile Angriff als erster Schritt erfolgt, nennt man den Reaktionsmechanismus: elektrophile Addition (Ae). Hydrierung und Hydratisierung Sonderfälle der elektrophilen Addition Hydrierung: H H- CnH2n Ethen H H Ethin EC-H + H-H CnH2n-2 Hydratisierung: Ethen H- H + H wasserstoff AE Pdic wasserstoff AE Pdic H H H -H H H Ethan CnH2n42 H XI RA++ wasser Ethen H- H H H 101 H + H₂ Ethanol (& Alkanol & Alkohol) führt werden Alkene mit wasserstoff begast tritt keine Reaktion ein. Erst die Gegenwart eines katalysators, wie Palladium Aktivkohle (Pdlc> zur Addition. Man spricht von einer Hydrierung. Aus Alhenen werden dabei Alkane, aus Alkinen zunächst Alkene und danach auch Alkane. Die Addition von wasser wird Hydrahisierung genannt. Dabei entstehen Alkohole. Induktive Effekte Die Reaktionsgeschwindigkeit bei Additionen an C=C- Doppelbindungen wird durch Reste (Substituenten) beeinflusst. Reste mit hoher Elektronegativität (z. B. Bromatom) sorgen dafür, dass das Kohlenstoffarom der Doppelbindung eine positive partialladung erhält (8+). Dieser elektronenziehende Effekt" (-I-Effekt) sorgt dafür, dass die Elekkonen- dichte der DB abnimmt. Eir elektrophiler Angriff wird somit erschwert. X 10 n Substituenten I Reste mit niedriger EN (Z. B. Methylrest) bewirken, class Gegenteil. Ihr elektronenschiebender Effekt" (+I- Effekt) erhöht die Elektronen dichte der DB zusätzlich, was einen elekkophilen Angriff erleichtert. H CHO C=C / 8\ H -I-Effekt des Bromatoms H +I-Effekt des Methylrests +I:-Alkyl IBSP.: -CH₂₁ - C₂H5;...) -I: -F₁ - Cl₁- Br₁ -1 (< Halogene); -6-H (Alkohole) ; - C= 0, I=0: - H H H H H Reste H EN H H Br H CH3 + + + Br. Br Br. Br Br Br Induktive Effekte H H Je Elektronegativer, desto langsamer Halogene -> langsamer CH3C₂H5.. → langsamer Br C H Br H Br Br Br -C Br I H Br CH3 H H H 30-mal langsamer normale Geschwindigkeit 100-mal schneller Alle drei Reaktionsgleichungen zeigen Reaktionen, die nach dem Mechanismus der elektrophilen Addition verlaufen. 1. Suchen Sie nach möglichen Gründen für die unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten und machen Sie diese in den Reaktionsgleichungen kenntlich. 2. Versuchen Sie eine Erklärung für die unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu finden. Gehen sie dabei auf den Mechanismus der elektrophilen Addition ein. Womit könnte ein elektrophiler Angriff erleichtert oder erschwert werden? 3. Leiten Sie daraus einen allgemeinen Zusammenhang zwischen Art des Restes und Geschwindigkeit der Addition an die C=C-Doppelbindung her. Markovnikov Regel Bsp.: stabilisieren. +I 85%, H- 15% H +I H H-C², C- CH₂ I H I-UA O +I HIGLI I 1 -H-C-C-CH3 H H H H I -H-C-C-CH3 1-Chlorpropan ICLI H 2-chlorpropan 1 Auch polare Verbindungen, wie Halogen - wasserstoffe können an Alkene addiert werden. Bei der Addition von HCL an ein unsymmekisches Alken sind verschiedene Produkte möglich. Es kommen beide kohlenstoffe, die an der DB beteiligt sind für die Bindung des H- bzw. Cl-Aroms in Frage. Nach der Regel von Markovnikov wird das elektrophil angreifende Provon bevorzugt an das c-Arom mit der höheren Anzahl von wasserstoffen angelagert. Grund dafür ist der +I-Effekt der Alkylgruppen die das zwischen zeitliche Carbokation ((Ⓡ) Alkine ● Dreifachbindung brennbar hohe reaktivitat Schlecht löslich in wasser homologe Reihe: Reakhon nach AF (Hydrierung, Halogenwasserstoffe,..) Ethin, Propin, Butin... ungesättigt (wie Alkene) niedrige Siedelemperaturen Allgemeine Molekülformel: CnH₂n-2 Nomenklator analog zu den Alkenen -> -in statt -en Eliminierung Ausgangsstoffe mit einer Anwesenheit eines katalysators sowie eines entsprechenden Lösemittels Eliminierungsreaktionen eingehen. Man unterscheidet zwei Mechanismen: Der E1-Mechanismus verläuft in zwei Reaktionsschritten und einem polaren Lösemittel. EA: - zwei Reaktionsschritte - Zwischenstufe Abgangsgruppe (x: -F;-Br; - CL; -1; -OH ( 7. HG)) H₂CH₂ C-H E2: H₂C с 1. Abgangsgruppe wird abgespalten CH3 - ein Reaktionschritt CHS H3C c-c-Einfachbindung können bei hohen Temperaturen und bei H Base (B: OH, NH3,...) übergangszustand CH3 H3C Ein unpolares cösungsmittel und eine Base zieht den Reaktionsschritt nach sich. +IBE 4. Konzertierte Abspaltung von Proton und Abgangs- gruppe CH3 •C-H H3C CH3 2. Zwischenstufe mit Carbokation, Proton wird abgespallen CH3 H₂CH. B H3C CH3 # 2. übergangszustand / Tradukt 1 H3C CH3 3. Bildung der Doppelbindung 199 CH3 E2-Mechanismus mit einem 1 H3C - CH3 CH3 3. Bildung der Doppelbindung Beispiel: 2-Chlorpropan reagiert mit Ammoniak (NH3). Es entsteht eine verbindung, die in der Lage ist ohne licht mit molekularem Brom weiter zu reagieren. Formulieren sie die Reaktionsgleichung unter der Nutzung von Struktur formeln. Le Produkt hat eine Mehrfachbindung Base E2 HICH H H H 13 1 #/^ [+] H-C-C-C-H H- .C-H H₂ HH H NH e CIO H- H H -C H Propen n-on H Endweder so oder So +150) Alkohole Alkohole sind eine Stoffklasse der organischen Chemie. Sie bestehen aus Kohlenwasserstoffen, bei denen ein oder mehrere Wasserstoffatome durch eine Hydroxylgruppe (-OH) ersetzt wurden. Auf Grund ihres Einflusses auf Löslichkeit und Siedepunkt wird die Hydroxylgruppe auch als funktionelle Gruppe bezeichnet. Der bekannteste Alkoholist Ethanol: H I H3CC-OH I H primarer Alkohol H I R-C-OH I H H I HIC-C- I (H3 T H₂C-C-OH H H Benennung von Alkanolen: 1. Stammname nach längster C-Kette 2. Poition der OH-Gruppe -> kleinst mögliche Zahl + Anzahl (di, tri, ...) 3. weitere Reste mit Positionsnummer + Anzahl (di, tri, ...) 4. alphabetisch sortieren H 1 Stellung der Hydroxygruppe: Es wird unterschieden in primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole: Ethygruppe unpolar I H Sekundarer Alkohol R-C-OH I H S 8* H - Hydroxylgroppe polar CH₂ H₂C-C-OH CH3 tertiarerer Alkohol R-C-OH I Siedetemperatur: Der Siedepunkt eines Alkohols hängt von vier Faktoren ab: Vorhanden sein der OH-Gruppen: Generell haben Alkanole einen deutlich höheren Siedepunkt als die entsprechenden Alkane. Ursache hierfür sind die H-Brücken zwischen den Alkanol-Molekülen. Länge des Alkylrestes: Je länger der Alkylrest, desto stärker die van-der-Waals-Kräfte zwischen den Molekülen und desto höher die Siedetemperatur. Stellung der OH-Gruppe(n) im Molekül: Je langgestreckter das Molekül, desto größer die van-der-Waals-Kontaktfläche und desto höher der Siedepunkt; je "kugelförmiger" des Molekül, desto niedriger der Siedepunkt. Anzahl der OH-Gruppen: Je mehr OH-Gruppen im Molekül, desto höher der Siedepunkt. Löslichkeit von verschiedenen Alkoholen: Mit zunehmender Kohlenstoffkettenlänge steigt der unpolare Charakter des Alkohols. Somit sind Langkettige Alkohole zunehmend unlöslich in Wasser. H3C - polar CH₂OH unpolar H₂C-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂OH polar un polar Alkohole Sek. I Arbeitsblatt 5 Jou! Siedetemperatur 250- 200- 150- 100. 50- Methanol 0- -50 -100 -150 0 -200 L 20 40 Eth Pro But Pent Hex Hep Oct Non Non o Eth Pro & Methan Siedetemperatur Die Siedetemperaturen der Alkane und der Alkanole: 1. Lies aus der Grafik die ungefähren Siedetemperaturen der angegebenen Verbindungen ab und trage sie in die Tabelle ein! 2. Erkläre die unterschiedlichen Siedetemperaturen der Alkanole und der zugehörigen Alkane! 3. Erkläre, weshalb die Unterschiede zwischen den Siedetemperaturen der Alkanole und der zugehörigen Alkane mit zunehmender Molekülmasse geringer werden! Pent Hex Hep Oct O O O Propan -45 Decanol Decan 60 80 100 120 140 160 Molekülmasse in u Butanol 110 Pentanol 130 Zu Aufgabe 2: Alkohole haben generell eine höhere Siede temperatur als die entsprechenden Alkane. Grund dafür sind die Wasserstoffbrückenbindungen, die Alkohole untereinander ausbilden. Es wird zusätzliche Energie benötigt um diese zusätzlich zu den van- der-weals-Kräften zu überwinden. Zu Aufgabe 3: Mit steigender Kohlenstoffkettenlinge Steigen auch die vow-krifte an. Dabei verlieren. die H-Brücken im vergleich zu den vow-Kräften zunehmend an Bedeutung. Die Sedelemperaturen der Alkohole und Alkanen påhern sich deshalb an. Hexan 70 Heptan 95 Octanol 200 Nonanol 215 2. Speiseöl besteht aus komplexen Kohlenwasserstoffmolekülen mit sehr langen Seitenketten (16 Kohlenstoffatome und mehr). Begründen Sie anhand Ihrer Beobachtungen kurz, weshalb es für die weitere Untersuchung ausreicht, nur Heptan zu berücksichtigen. unpolar, hydrophob, beim versuch gleiche Ergebnisse Das Speiseöl und Heptan verhallen sich im Lösungsverhalten mit wasser und Ethanol genau gleich. Sie haben die gleiche chemische Beschaffung. (unpolar/ hydrophob) 3. Erklären Sie die Löslichkeit von Ethanol in Wasser und Heptan anhand der Strukturformel von Ethanol. Nutzen Sie in ihren Erklärungen die Fachbegriffe Elektronegativitätsdifferenz, polar, unpolar und unterstützen Sie Ihre Aussagen durch eine Skizze. Innerhalb des Ethanolmoleküls herrscht eine mäßige Polarität. Die Hydroxy-Gruppe ist polar (EN-Different : 1,4), C-H der Ethylrest unpolar (EN-Differenz: 0,25). Die Hydroxygruppe ist somit in der Lage, wasserstoffbrücken- bindungen mit wasser einzugehen (=> löslich in Wasser). Gleichzeitig konn der Alkyliest van-der-Waals- Kräfte mit Hepban auslösen (=> löslich in Heptan). Ethanol = hydrophil + hydrophob in einem! Skizze: Ethanol HH H-C-C 1 I HH unpolarer Teil + vän der wasts kräfte polarer Teil 01. H Hot 0¹ -C-C I 0-4 Wasserstoff. Ho brücken H → universelles cösungsmittel Löslichkeit in wasser Löslichkeit in Heptan Elektronegativitätswerte: Sauerstoff: 3,4 Kohlenstoff: 2,55 Wasserstoff: 2,2 20 unpolar H H—C—I Η Ethanol Van-der-Waals-Kräfte Η Η Η Η Η Η Η H | | ||||| H_C_C-C-C-C-C-C_H Η Η Η Η Η Η Heptan H H=C=C Η H polar δ− 8+ Ο H、 0- Keine Mischung Wasserstoffbrücken Ή Wasser