CHE172

Dozent: Prof. Oliver Zerbe

Dozent: Prof. Oliver Zerbe


D. B.
Diese Lernkarten behandeln die Chemie der Aromaten auf Universitätsniveau. Sie konzentrieren sich auf die Bindungsarten, Reaktionen und Eigenschaften von Aromaten, insbesondere Benzol, sowie auf die Rolle von Orbitalen und Elektronen in diesen Prozessen. Die Karteikarten behandeln Themen wie elektrophile Substitution, Addition, die Bildung von Produkten und die Auswirkungen von Substituenten. Sie eignen sich für Studierende der Chemie, die ein tieferes Verständnis der Aromatenchemie und ihrer Reaktionen erlangen möchten.
Flashcards
122
Students
6
Language
German
Category
Chemistry
Level
University
Created / Updated
20.02.2019 / 25.05.2022

Flashcards

Organische Chemie

Chemie der Kohlenstoffverbindungen. "Organisch" weist daraufhin, dass viele dieser Moleküle aus pflanzlichen oder tierischen Organismen isoliert wurden. Zahlreiche organische Verbindungen haben allerdings nichts mit Lebewesen zu tun, sondern sind rein synthetisch.

Ordnungszahl

Die Ordnungszahl ist die Anzahl Protonen im Atomkern.

Massenzahl

Die Massenzahl ist die Summe der Protonen und Neuronen zusammen.

Orbital

Möglicher Aufenthaltsort der Elektronen.

Valenzelektronen

Für die chemischen Eigenschaften sind die Elektronen und besonders die Valelektronen von Wichtigkeit. Valenzelektronen sind die Elektronen auf der äussersten Schale. Sie sind für die chemische Eigenschaften verantwortlich.

Die Zahl der Valenzelektronen ergibt sich aus der Gruppenzugehörigkeit im Periodensystem. Die Anzahl Schalen aus der Periode.

1s- und 2s-Orbital

Die S-Orbitale haben eine kugelförmige Gestalt.

Das 2s-Orbital ist kugelförmig, besitzt aber eine ringförmige Knotenfläche die es zum 1s Orbital abgrenzt.

Die p-Orbitale

Die p-Orbitale sehen Hantelförmig aus und besitzen im Kern keine Aufenthaltswahrscheinlichkeit für Elektronen. Es gibt drei p-Orbitale welche dem kartesischen Achsensystem ausgerichtet sind. Die Lage der Knotenpunkte in Orbitalen lassen sich aus den Knotenpunkten der Oberschwingungen einer schwingenden Seite berechnen.

Energieverhältnisse der Atomorbitale

Elektronenkonfiguration

Bei der "Auffüllung" der Orbitale muss folgendes beachtet werden:

1) Die Orbitale mit der niedrigsten Energie werden zuerst aufgefüllt.

2) Pauli-Prinzip: Jedes Atomorbital kann mit maximal zwei Elektronen besetzt werden, die entgegengesetzten Spin haben müssen.

3) Hundschen Regel: Falls zwei oder mehr Orbitale mit der gleichen Energie unbesetzt sind, werden alle Orbitale zuerst mit einem Elektronen besetzt wobei alle Elektronenspins parallel sind, bis alle Orbitale halb besetzt sind.

Ionen- und kovalente Bindungen

Es werden Bildungen eingegangen, weil das resultierende Produkt stabiler ist als die getrennten Atome. Es bestehen drei Typen: Ionenbindungen, kovalente Bindungen und koordinative Bindungen.

Eine einfache Ionenbindung entsteht zwischen einem elektronegativen Atom und einem elektropositiven (Meist Metall) Atom.

Verbindungen zwei oder mehr Elementen, von denen mindestens eine links und eine rechts im Periodensystem steht, bilden Ionenbindungen.

Die Kovalenzbindung

Kovalenzbindungen entstehen durch In-Phase-Überlappung von Atomorbitalen. Die kann konstruktiv oder destruktiv sein.

Das bindende Molekülorbital

Im Falle von zwei s-Orbitalen: Die Überlagerung zweier s-Orbitale führt zu einem Sigma-Orbital. Wenn s-Orbitale entgegengesetzter Phase überlagern, entsteht ein Sigma*-Orbital.

Das Molekülorbital besitzt eine tiefer Energie und eine gewisse Energie wird bei der Energieabsenkung abgestossen. (Beispiel bei H2: 435 Kj/mol). Entsprechend wird diese Energie gebraucht um diese Bindung aufzubrechen -> Bindungsdissoziationsenergie; Delta-H

Dissoziationsenergie

Sie beziehen sich ausschliesslich auf homolytische Spaltungen. Sie besitzen je nach Art und Bindung einen charakteristischen Wert.

Das Lennard-Jones Potential beschreibt die potentielle Energie welche bei einem ansteigenden Radius gebracht wird.

Überlappung der p-Orbitale

Auch p-Orbitale können überlappen, allerdings kann nur das px-Atomorbital perfekt überlappen. Die beiden senkrechten Atomorbitale können seitlich überlappen, was weniger effektiv ist und zu Mehrfachbindungen führen -> Pi-Molekülorbitale

Die chemische Bindung des N2-Moleküls

In Stickstoff entsteht eine Dreifachbindung. Diese besteht aus einem s-Orbital in Bindungsrichtung und zweier p-Orbitale, die senkrecht stehen.

Hybridisierung von Orbitalen

Eine Hybridisierung wird vorgenommen um eine geeignete geometrische Form für die Bindung zu schaffen. Dabei werden verschiedene Orbitale kombiniert und somit gleichwertige Orbitale mit tetraedrischer Orientierung geschaffen. Diese nennt man Hybridorbitale. Es dürfen nur Orbitale kombiniert werden, welche ähnliche Energien besitzen. Darum sind immer Orbitale der gleichen Schale beteiligt an der Bildung der Hybridorbitale. Auch sind Hybridorbitale immer symmetrisch bezüglich einer Achse.

s- und p-Hybridisierung

Wenn ein s-Orbital mit drei p-Orbitalen hybridisiert, sind die resultierenden Hybridorbitale unsymmetrisch hinsichtlich des Atomkerns. Eine der beiden Keulen wird grösser gegenüber der anderen und kann somit besser mit einem anderen Orbital überlappen, um eine Bindung zu bilden.

Überlappen nun die vier identischen Orbitale eines sp^3 hybridisierten Kohlenstoffatoms mit den 1s Orbitalen von vier Wasserstoffatomen, dann werden vier identische C-H-Bindungen gebildet und ein Methanmolekül liegt vor.

Hybridisierung von Methan - Diagramm

Struktur Ethan

C-C Bindungen werden durch Überlappung zweier Hybridorbitale gebildet. 

Struktur von Ammoniak

Aus der Elektronenkonfiguration entnimmt man, dass eine Dreibindigkeit entsteht. Drei kovaltente Bindungen sind zur Erreichung eines Elektronenoktetts nötig. Hier muss eine sp^3-Hybridisierung vorgenommen werden.

Das vierte sp^3-Orbital besitzt das freie Elektronenpaar. Das freie Elektronenpaar im Ammoniak kann für die Bildung der vierten Bindung gebraucht werden und das N-Atom erhält eine positive Ladung.

Struktur von Wasser

sp^2-Hybride

Diese Hybride können Doppelbindungen erklären, während dies sp^3 nicht kann. Dabei wird das 2s-Orbital am C mit nur zwei 2p-Orbitalen hybridisiert um drei Hybridorbitale zu bilden.

Bei der Annäherung von zwei sp^2-Orbitale entsteht eine Sigma-Bindung. Dabei nähern sich auch zwei nicht hybridisierte p-Orbitale von der Seite an und bilden eine Pi-Bindung. Durch Überlappung der übrigen sp^2-Orbitale mit 1s Orbitale des Wasserstoffs ergibt sich dann das Ethylenmolekül.

Die entstandene Doppelbindung ist stärker und kürzer als eine Einfachbindung.

sp-Hybride

Kohlenstoff kann auch Dreifachbindungen bilden. Beispiel: Acetylen

Es entstehen durch die sp-Hybridisierung zwei Hybridorbitale. Sie bilden eine lineare Geometrie und die anderen p-Orbitale stehen senkrecht zueinander. Wenn sich die zwei hybridisierten C-Atome annähern, entsteht eine Sigma-Bindung und durch die Anziehung der p-Orbitale entstehen zwei Pi-Bindungen. Die übrigen sp-Orbitale bilden wieder mit den 1s-Orbitalen des Wasserstoffs Sigma-Bindungen. Bindungswinkel HCC: 180 Grad.

Polarität kovalenter Bindungen

Verbinden sich zwei ungleiche Atome, werden die Elektronen verschieden stark von den Atomen angezogen. Die Elektronenwolke verschiebt sich daher. Das Anstreben der Atome an Elektronen nennt man Elektronegativität.

Induktive Effekt 

Polarisationseffekte, die durch elektroanziehende oder -abstossende Atome bewirkt und über Sigma-Bindungen übertragen werden. Je nach Partialladung wird einem Atom ein +I oder -I zugeordnet. Die "Schlüsselatome" werden oft auch als Sigma-Akzeptoren (elektronenanziehend) oder Sigma-Donatoren (elektronenabstossend) bezeichnet.

Mit wachsender Zahl der Bindungen, wachsendem Abstand, nimmt der induktive Effekt ab.

Auch Pi-Bindungen werden polarisiert, wenn die zwei an der Doppelbindung beteiligten Atome eine unterschiedliche Elektronegativität aufweisen.

Drehbarkeit um Einfach- und Mehrfach-Bindungen

In beispielsweise Alkanen ist das Sigma-Orbital, das die beiden C-Atome (Beispiel: Ethan) verbindet, rotationsymmetrisch. Im Gegensatz dazu, ist die Doppelbindung bei Ethen nicht rotationssymmetrisch. Wird um die zentrale C-C Bindung gedreht, verringert sich die Überlappung der beiden pz-Orbitale, aus denen das Pi-Molekülorbital gebildet wird.

Funktionelle Gruppen

Organische Substanzen können in funktionelle Gruppen eingeteilt werden. Diese bestimmen die Eigenschaften und Reaktivität des gesamten Moleküls, und chemische Reaktionen laufen fast ausschliesslich an ihnen ab.

 

Carbonylgruppen

Fehlt: Ester

Gemeinsamkeiten: Kohlenstoff gebunden an eine Carbonyl Gruppe und mit einer sp^2 Doppelbindung hybridisiert.

Beispiel Carbonsäure: Kann Proton abgeben und bleibt negativ zurück.

Alkane

Moleküle mit der Formel: CxHy, bezeichnet man als Kohlenwasserstoffe, die nur Einfachbindungen enthalten. Sie werden Alkane oder gesättigte Kohlenwasserstoffe genannt. 

Alkane lassen sich: In geradkettige, verzweigte und cyclische, bicyclischen, tricyclischen und polycyclischen Alkane teilen.

 

Isomere

Moleküle mit der gleichen Summenformel, welche aber unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften besitzen, nennnt man Isomere. Man unterscheidet zwischen Konstitutionsisomerie und Stereoisomerie (wird später behandelt).

Konstitutionsisomerie: Besitzen die gleiche Summenformel, unterscheiden sich aber in den Verknüpfungen ihrer Atome und Gruppen.

Formel Alkane

C(n)H(2n+2) -> Alle enden mit "-an"

Die durch eines H-Atoms abgespaltene Gruppen endet mit "-yl"

Die IUPAC-Nomenklatur

I. Suchen Sie die längste Kette von Kohlenstoffatomen im Molekül und benennen Sie diese. Bei
zwei Ketten mit der gleichen Länge, hat die mit mehr Substituenten Vorrang

II. Bestimmen Sie die Namen der an die längste Kette gebundenen Alkylgruppen

III. Nummerieren Sie die Kohlenstoffatome der längsten Kette von dem Ende her, das einer
Substitution am nächsten ist. Und bei 2 Substituenten mit dem gleichen Abstand vom
Kettenende dann alphabetisch

IV. Schreiben Sie den Namen des Alkans, indem Sie zunächst die Namen der Seitenketten in
alphabetischer Reihenfolge ordnen (jedem geht die Nummer des Kohlenstoffatoms, an das es
gebunden ist und ein Bindestrich voraus), und fügen sie dann den Namen des Stammalkans
hinzu.

Zeichnen organischer Strukturen

Vier verschiedene Methoden chemische Strukturen darzustellen:

1) Lewis Struktur

2) Es werden weder Kohlenstoffe, noch Wasserstoffe gezeichnet. Bindungen werden als zick-zack Linien gezeichnet.

3) Also kondensierte Formeln

4) Manchmal wird auch die Orientierung der Gruppen im Raum auch noch beschrieben.

Physikalische Eigenschaften der Alkane

Bei Raumtemperatur sind die homologen Alkane mit kleinerer molarer Masse Gase oder farblose Flüssigkeiten, die mit grösserer molarer Masse Feststoffe.

Chemische Eigenschaften

DIe meisten Reagenzien sind bei Raumtemperatur inert. Wird ein Alkan mit Chlor oder Brom kräftig belichtet, findet eine Halogenierung statt. Die Verbrennung der Alkane zu CO2 und H20 ist stark exotherm.

Die grössten natürlichen Quellen von Alkanen sind im Erdöl vorhanden. (Beispiel: Kerosin, Erdgas, Schmieröl)

Konformation

Strukturen, die durch Drehung um Einfachindungen ineinander übergeführt werden können, nennt man Konformationen.

Beispiel Ethan: Man nehme an, dass eine freie Rotation um die C-C Einfachbindung möglich ist. Experimente zeigen aber, dass eine Energiebarriere von 12.6 KJ/mol aufgewendet werden muss. 

Konformere (oder Konformationsisomere)

Moleküle, die in Konformationen liegen, welche den Energieminima entstprechen. Bei Ethan, als auch bei Propan sind die Energeunterschiede zwischen gestaffelt und ekliptisch sehr gering. Bei n-Butan, ist die Energiebarriere schon grösser.(Bild)

 

antiperiplanare Stellung

Die Energieunterschiede sind auch bei höheren Alkanen so gering, dass die Konformere nicht als Substanzen isolierbar sind. Im festen Zustand treten sie häufig in zickzackförmigen Ketten auf.

Cyclische Alkane

Benennung: Den Namen des offenkettigen Alkans nehmen und die Silbe "cyclo-" wird davor gesetzt.

Stereoisomere

Stereoisomere besitzen dieselbe Konstitution (dieselben C-C Verknüpfungen) aber unterschiedliche Geometrien und Topographien (Unterschiedliche räumliche Anordnungen der gebundenen Atomen).

Study