alkane und cycloalkane systematik und nomenklatur · cycloalkane bicyclische , tricyclische und...
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1Organische Chemie I
Alkane und Cycloalkane
Systematik und NomenklaturSystematik und Nomenklatur
einfachstes Alkan:
Methan
Summenformel Strukturformel
schrittweise Verlängerung um eine -CH2- Einheit
homologe Reihehomologe Reihe
C
H
H H
H
CH4
2Organische Chemie I
Alkane
GesGesäättigte Kohlenwasserstoffettigte Kohlenwasserstoffe: allgemeine Zusammensetzung CnH2n+2
CH4 MethMethanan
C2H6 EthEthanan
C3H8 PropPropanan
C4H10 ButButanan
C
H
H H
H
C
H
C H
H
H
H
H
C
H
C H
H
H
H
C
H
H
H
C
H
C C
H
H
H
C
H
H
H
H
H
H
Strukturformel Summenformel Name Vereinfachte Schreibweise
3Organische Chemie I
Alkane
höhere Homologe: griechisches Zahlwort + Silbe “an”
Dodecan
C6H14
C7H16
C8H18
C9H20
C10H22
C11H24
C12H26
C5H12 Pentan
Nonan
Heptan
Hexan
Decan
Octan
Undecan
4Organische Chemie I
IsomereIsomere: Verbindungen gleicher Summenformel, aber unterschiedlicher Strukturformel
Konstitutionsisomere
Verzweigte Alkane -Konstitutionsisomere
CH3CH2CH2CH2CH3
Butan C4H10 sind zwei Anordnungen möglich
Butan
CH3CHCH3
CH3
2-Methylpropan = Isobutan
CH3CH2CH2CH3
Pentan 2-Methylbutan = Isobutan 2,2-Dimethylpropan = Neopentan
Pentan C5H12 sind drei Anordnungen möglich
CH3CHCH2CH3
CH3 CH3CHCH3
CH3
CH3
5Organische Chemie I
Verzweigte Alkane -Konstitutionsisomere
IsomereC3H8 1C4H10 2C5H12 3C6H14 5C7H16 9C8H18 18C9H20 35C15H32 4.347C20H42 366.319C30H62 4.111.846.763
IsomereC3H8 1C4H10 2C5H12 3C6H14 5C7H16 9C8H18 18C9H20 35C15H32 4.347C20H42 366.319C30H62 4.111.846.763
6Organische Chemie I
Konstitutionsisomere
Unterschiedliche funktionelle Gruppen
Unterschiedliche Position der funktionellen Gruppen
Ethylalkohol Dimethylether
Isopropylamin Propylamin
CH3CH2OH CH3OCH3
CH3CHCH3
NH2
CH3CH2CH2NH2
• Konstitutionsisomerie nicht nur bei Alkanen
C2H6O
C3H7NH2
Propanon
C
O
H3C CH3
C
H
H
C
O
H
CH3
CHH
C
CH3
H
O
C
O
CH2
H
H3C C3H6O
Propanal
MethyloxiranMethylvinylether
C
H
H
C
CH2
H
OH
Prop-2-enol
Allylalkohol
O
CH2
CH2
H2C
Oxetan
7Organische Chemie I
Alkylgruppen
• Alkyl Gruppe: Entfernung eines H-Atoms von einem Alkan
• Allgemeine Abkürzung “R” (für Radikal, eine unvollständige Verbindung
oder der Rest eines Moleküles)
• Nomenklatur: Ersatz der -an Endung des Alkane durch -yl Endung
CH4MethMethanan
C2H6EthEthanan
MethMethylyl
EthEthylyl
H3C–
H5C2–
C3H8PropPropanan PropPropylyl
C
H
H H
H
C
H
C H
H
H
H
H
C
H
C H
H
H
H
C
H
H
H H7C3–
C
H
H
H
C
H
C
H
H
H
H
C
H
C
H
H
H
C
H
H
H
Me–
Et–
Pr–
C4H10ButButanan ButButylylC
H
C H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
H H9C4–
n-Bu–
C
H
C
H
H
H
C
H
H
C
H
H
H
8Organische Chemie I
Trivialnamen für verzweigte Alkane
Isopentan
Neopentan
verzweigte Alkylgruppen:
Isobutyl
sec-Butyl
tert-Butyl
Neopentyl
CH2C
CH3
CH3
H
CH2C
CH3
CH3
H3CC
H
H3C CH2 CH3
C
CH3
CH3
H3C
s-Bu–
i-Bu– t-Bu–
Isobutan Isohexan
C
CH3
CH3
H
Isopropyl
i-Pr–
9Organische Chemie I
Alkylgruppen
H C
H
H
C
H
H
C
CH3
CH3
C
CH3
H
CH3
primäre, sekundäre und tertiäre Kohlenstoff- und Wasserstoffatome
tertiär
primär
sekundär
quartär
10Organische Chemie I
.
Nomenklatur für verzweigte Alkane
� Suchen/Benennung der längsten Kette (Hauptkette) Hexadecan
1010--ButylButyl--66--propylhexadecanpropylhexadecan
� Bestimmung der Namen der gebundenen
Alkylgruppen (Substituenten)
� Nummerierung der Hauptkette vom Ende des nächsten
gebundenen Substituenten
� Benennung der Verbindung gemäß alphabetischer
Reihenfolge der Substituenten
Propyl, Butyl
6, 10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Propyl Butyl
11Organische Chemie I
� Benennung der Verbindung gemäß alphabetischer
Reihenfolge der Substituenten
Nomenklatur für verzweigte Alkane
2,22,2--DimethylDimethyl--77--propyldecanpropyldecan
12
3
4
5
6
7
810
Propyl
Methyl
� Suchen/Benennung der längsten Kette (Hauptkette) Decan
� Bestimmung der Namen der gebundenen
Alkylgruppen (Substituenten)
� Nummerierung der Hauptkette vom Ende des nächsten
gebundenen Substituenten
Propyl, Methyl, Methyl
2, 2, 7
12Organische Chemie I
Übung: Nomenklatur für verzweigte AlkaneÜbung
Pentan
alles Pentan!
2-Methylbutan 2-Methylbutan 2-Methylbutan
C5H12 : 3 Konstitutionsisomere
Butane
Propane
2,2-Dimethylpropan
Isopentan
Neopentan
13Organische Chemie I
Übung: Nomenklatur für verzweigte AlkaneÜbung
Hexan
beides Hexan!
2-Methylpentan 3-Methylhexan 3-Methylpentan3-Methylpentan
C6H14 : 5 Konstitutionsisomere
Pentane
Butane
2,2-Dimethylbutan 2,3-Trimethylbutan
14Organische Chemie I
Übung: Nomenklatur für verzweigte AlkaneÜbung
Heptan
beides Heptan!
2-Methylhexan 3-Methylhexan
3-Methylhexan
3-Methylhexan
C7H16 : 9 Konstitutionsisomere
Hexane
15Organische Chemie I
Übung: Nomenklatur für verzweigte AlkaneÜbung
2,2-Dimethylpentan 2,3-Dimethylpentan
Pentane
2,4-Dimethylpentan 3,3-Dimethylpentan 3-Ethylpentan
2,3-Dimethylpentan 2,3-Dimethylpentan
2,2,3-Trimethylbutan 2,2,3-Trimethylbutan
Butane
16Organische Chemie I
Cycloalkane
H2
C
H2C CH2
CH2
CH2
H2
C
H2C
H2C
CH2
H2C
H2C CH2
CH2
H2C CH2
CH2
H2
C
H2C
Cyclopropan
Cyclobutan
Cyclopentan
Cyclohexan
allgemeine Summenformel
CnH2n
H2C
H2C
CH
Cyclopropylgruppe
homologe Reihe: Cyclopropan, -butan, -pentan, -hexan, -heptan, etc.
17Organische Chemie I
Cycloalkane
BicyclischeBicyclische, , tricyclischetricyclische und und polycyclischepolycyclische AlkaneAlkane
Bicyclo[2.2.2]octan
Tricyclo[1.1.1.0]pentan
Gonan
Grundgerüst der Steroide
Nomenklatur:
gezählt wird beginnend an
einem Brückenkopfatom,
über die längste Brücke, dann
über die zweitlängste, bis zur
kürzesten Brücke. Die Länge
der Brücken wird als
Klammerausdruck angegeben.
[1.1.1]Propellan
18Organische Chemie I
Physikalische Eigenschaften homologer n-Alkane
CH4 Methan - 183,5 - 162
CH3-CH3 Ethan - 183,3 - 89
CH3-CH2-CH3 Propan - 188 - 42 0,5005
CH3-(CH2)2-CH3 Butan - 138 - 0,5 0,5787
CH3-(CH2)3-CH3 Pentan - 130 36 0,5572
CH3-(CH2)4-CH3 Hexan - 95 69 0,6603
CH3-(CH2)5-CH3 Heptan - 91 98 0,6837
CH3-(CH2)6-CH3 Octan - 57 126 0,7027
CH3-(CH2)7-CH3 Nonan - 54 151 0,7177
CH3-(CH2)8-CH3 Decan - 30 174 0,7299
CH3-(CH2)9-CH3 Undecan - 26 196 0,7402
CH3-(CH2)10-CH3 Dodecan - 10 216 0,7487
CH3-(CH2)11-CH3 Tridecan - 6 235 0,7564
CH3-(CH2)12-CH3 Tetradecan + 6 254 0,7628
CH3-(CH2)13-CH3 Pentadecan + 10 271 0,7685
CH3-(CH2)18-CH3 Eicosan + 37 343 0,7686
CH3-(CH2)28-CH3 Triacontan + 66 450 0,8097
CH3-(CH2)n-CH3 Polyethylen +130 0,965
Formel Name Schmp./°C Sdp./°C d20
19Organische Chemie I
Physikalische Eigenschaften homologer n-Alkane
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12-200
-100
0
100
200
°C
Siedepunkt
Dichte
Schmelzpunkt
d420
0.75
0.65
0.55
Siedepunkte, Dichte und Schmelzpunkte von n-Alkanen inAbhängigkeit von der Kettenlänge (Anzahl der C-Atome)
20Organische Chemie I
Physikalische Eigenschaften Isomerer Pentane
• Zwischenmolekulare Wechselwirkung = van der Waals Kräfte
Neopentan nahezu kugelförmigSdp.: 10°C Schmp.: -17°C
Lineare n-Pentan hat größere OberflächeSdp.: 36°C Schmp.: -130°C
geringe Wechselwirkung bei zwei
kugelförmigen Gestalt
bessere Wechselwirkung bei zwei
gestreckten Konstitutionsisomeren
21Organische Chemie I
Ani
mat
ion
Graham Solomans, Organic Chemistry, Seventh Edition
22Organische Chemie I
Physikalische Eigenschaften Isomerer Hexane
69 -94 0.659
63 -118 0.664
60 -154 0.653
58 -129 0.661
50 -98 0.649
n-Hexan
3-Methylpentan
2-Methylpentan
2,3-Dimethylbutan
2,2-Dimethylbutan
Sdp. °C Schmp. °C DichteIsomere Hexane C6H14
23Organische Chemie I
Organische Verbindungen – Funktionelle Gruppen
Einteilung in Stoffklassen
I) Bei Kohlenwasserstoffen: Gruppierungen mit doppelt und dreifach
gebundenen C-Atomen
C C
II) Organische Verbindungen, die Heteroelemente wie O, N, Hal, S, P enthalten.
Substitution eines oder mehrerer H-Atome eines Alkans gegen Heteroatome
oder Heteroatomgruppen
C C
a) Alkene
b) Alkine
c) Aromatische Verbindungen
24Organische Chemie I
Organische Verbindungen – Funktionelle Gruppen
Alkene
Substanzklasse funktionelleGruppe
allgemeineStruktur Beispiel
C
R1
R2
C
R4
R3
C
H
H
C
H
H
Ethen (Ethylen)
Alkine CR1 C R2
Ethin (Acetylen)
CH C H
Aromaten
Benzen (Benzol)
C
CC
C
CC
Alkane HR
C
CC
C
CC
H
H
H
H
H
H
25Organische Chemie I
Organische Verbindungen – Funktionelle Gruppen
Alkylhalogenide -X (X = F, Cl, Br, I)
Halogen Iodmethan, Methyliodid
Alkohole
Hydroxygruppe Ethanol
Ether
(-OR, Alkoxygruppe) Diethylether
Thiole, Thioalkohole, Mercaptogruppe Ethanthiol
XR
OHR
OR1 R2
SHR
IH3C
OHC2H5
OC2H5 C2H5
SHC2H5
Sulfide, Thioether SR1 R2
OH
O
SH
S
Diethylsulfide, Diethylthioether
SC2H5 C2H5
EpoxideCR1
R2
C
R4
R3
O
C C
O
CHH
C
H
H
O
Oxiran (Ethylenoxide)(3-gliedriger Ether)
Substanzklasse funktionelleGruppe
allgemeineStruktur Beispiel
26Organische Chemie I
Organische Verbindungen – Funktionelle Gruppen
Amine, primär -NH2
Aminogruppe Methylamin
Nitrile
Nitrilgruppe Ethannitril, Acetonitril
NH2R
CNR
NH2H3C
CNH3C
Nitro-Verbindungen
CN
Nitromethan
Amine, sekundär NR1 R2
H
Dimethylamin
NH3C CH3
H
Amine, tertiär NR1 R2
H
Dimethylamin
NH3C CH3
H
NO2H3CNO2NO2R
Substanzklasse funktionelleGruppe
allgemeineStruktur Beispiel
Nitrogruppe
27Organische Chemie I
Organische Verbindungen – Funktionelle Gruppen
Aldehyde
Formylgruppe Ethanal (Acetaldehyd)
Ketone
Oxogruppe 2-Propanon (Aceton)
Carbonsäuren
Carboxygruppe Ethansäure (Essigsäure)
R1 R2
O O
H3C CH3
O
H3C OH
O
OH
O
R OH
O
R H
O
H3C H
O
H
O
Substanzklasse funktionelleGruppe
allgemeineStruktur Beispiel
28Organische Chemie I
Organische Verbindungen – Funktionelle Gruppen
Carbonsäuren
Carboxygruppe Ethansäure (Essigsäure)
H3C OH
O
OH
O
R OH
O
Ester
Estergruppe (Essigsäuremethylester)
H3C OCH3
O
OR
O
R OR
O
Carbonsäurehalogenid
Carboxygruppe Ethansäurechlorid
(Essigsäurechlorid)
H3C Cl
O
Cl
O
R Cl
O
(Methylethanoat, Methylacetat)
Substanzklasse funktionelleGruppe
allgemeineStruktur Beispiel
29Organische Chemie I
Organische Verbindungen – Funktionelle Gruppen
Anhydride
Anhydridgruppe (Essigsäureanhydrid)
R O
O
R
O
Amide
Säureamidgruppe Ethanamid (Acetamid)
H3C NH2
O
NH2
O
R NH2
O
(Ethanoic anhydrid)
O
O O
H3C O
O
CH3
O
Substanzklasse funktionelleGruppe
allgemeineStruktur Beispiel
Carbonsäuren
Carboxygruppe Ethansäure (Essigsäure)
H3C OH
O
OH
O
R OH
O
30Organische Chemie I
Nomenklatur für substituierte Systeme
Charakteristische Gruppen, die nur als Präfixe auftreten
-X (X = F, Cl, Br, I)
Halogen Fluor-, Chlor- Brom-, Iod-
IH3C Iodmethan, Methyliodid
-NO2NO2H3C Nitromethan
(Methyloxy-)
O R1O CH3
31Organische Chemie I
Nomenklatur für substituierte Systeme
Rangfolge der wichtigsten Verbindungsklassen
Carbonsäuren
Carbonsäurederivate
Nitrile
Aldehyde
Ketone
Alkohole
Hydroperoxide
Amine
Ether
Peroxide
32Organische Chemie I
Valenzungesättigte Kohlenwasserstoffe
b) Radikale:
c) Carbanionen:
a) Kationen:
d) Carbene
C HH
H +
C
H
H
H CH
H-
- dreibindig
Elektronensextett
- 1 ungepaartes Elektron
- dreibindig
- dreibindig
- Elektronenoktett
- zweibindig
- Elektronensextett
z. B.
C
H
H
H
z.B. Methylkation
.z.B. Methylradikal
z.B. Methylanion z.B. Methylen
Im allgemeinen instabile Teilchen reaktive Zwischenstufen
33Organische Chemie I
Valenzungesättigte Kohlenwasserstoffe
BindungsverhBindungsverhäältnisse in valenzungesltnisse in valenzungesäättigten Teilchenttigten Teilchen
C-Atom im Grundzustand
E
2s
2p
mischen
2s
2p
E
C-Atom im angeregten Zustand
(Energiezufuhr)
sp2
2s
2p
E
sp2 Hybridisierung
a) Kationen: Bsp. Methylkation CH3+
Modell: C+ + 3H
34Organische Chemie I
Valenzungesättigte Kohlenwasserstoffe
BindungsverhBindungsverhäältnisse in valenzungesltnisse in valenzungesäättigten Teilchenttigten Teilchen
Anordnung im Raum: VSEPR für AX3
trigonal planar
< HCH 120°
Form wie sp3 +-
C
H
H
H
+
-
120° eben
vakantes p-Orbital
vakantes p-Orbital
a) Kationen: Methylkation CH3+
Modell: C+ + 3H
sp2
2s
2p
E
sp2 Hybridisierung
35Organische Chemie I
Valenzungesättigte Kohlenwasserstoffe
BindungsverhBindungsverhäältnisse in valenzungesltnisse in valenzungesäättigten Teilchenttigten Teilchen
b) Radikal: Methylradikal CH3.
sp2-Hybridisierung
analog CH3+
p-Orbital einfach besetzt
CH
H
H
sp2
2s
2p
E
sp2 Hybridisierung
36Organische Chemie I
Valenzungesättigte Kohlenwasserstoffe
isoelektronisch zu NH3
sp3-Hybridisierung,
freies Elektronenpaar
beansprucht mehr Raum
CH
H
H
BindungsverhBindungsverhäältnisse in valenzungesltnisse in valenzungesäättigten Teilchenttigten Teilchen
c) Methylanion: CH3-
sp2-Hybridisierung
analog CH3+
p-Orbital doppelt besetzt
sp2
2s
2p
E
sp2 Hybridisierung