CHE172
Dozent: Prof. Oliver Zerbe
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Konjugation und MO Schema von Butadien
Es bestehen vier verschiedene Energielevels und die alle unterscheiden sich alle in der Anzahl Knoten -> Je weniger Knoten, desto niedriger ist die Energie. 2 MOs sind bindend und 2 anti-bindend (Höher in Energie als die Ausgangs MOs). Es werden gesamt 4 Pi-Elektronen eingefüllt und somit sind nur die bindenden Orbitale besetzt. Dies führt zu einer starken Stabilisierung durch Konjugation.
Oberes Rechteck: Out of-phase
Unteres Rechteck: in-phase
MO Schema des Benzols
Das Benzolmolekül bildet ein regelmässiges Sechseck. Alle Kohlenstoffatome sind sp^2-hybridisiert und jedes pz-Orbital steht senkrecht zum Sigma-Skelett. Es sind maximal 3 Knoten (0, 1, 2 oder 3 Knoten) möglich und somit 4 Energielevels. Es werden 6 Pi-Elektronen eingefüllt und daher sind nur die bindenden besetzt. Die Sigma-MOs der s-Orbitale werden hier nicht betrachtet. Es entsteht eine Energieabsenkung gegenüber den 6 Ausgangs pz AOs und somit ist Benzol sehr reaktionsträge. Das Energie-niedrigste Niveau zeigt, dass die 6 Pi-Elektronen komplett über alle 6 Kohlenstoffe delokalisiert sind und eine gemeinsame Elektronenwolke bilden.
Mesomerie (Auf Benzol bezogen)
Beide Strukturen stellen Grenzfälle dar und tragen beide zur Beschreibung der Elektronenverteilung bei. Resonanz wird die Beschreibung genannt, eine wirkliche Struktur durch nicht existierende Grenzstrukturen darzustellen.
Die Hückel Regel
Durch diese Rechnung lässt sich zeigen, dass ein monocyclisches konjugiertes Polyen (d.h alle C-Atome sp2 hybridisiert) besonders stabil ist, wenn es 4n+2 Pi-Elektronen enthält (n ist ganzzahlig).
Nitrierung von Benzol
Die Reaktion von Benzol mit Nitriersäure, einem Gemisch von Salpetersäure (HNO3) und Schwefelsäure (H2SO4), führt zur Nitrierung des Benzolrings. Dabei protoniert Schwefelsäure als die stärkere Säure Salpetersäure, und nach Abspaltung von Wasser entsteht das Nitronium Ion als Elektrophil, das dann der Aromaten angreift:
Friedel-Crafts Alkylierung
In Friedel-Crafts-Reaktionen entstehen neue C-C Bindungen. In Gegenwart einer Lewis Säure, gewöhnlich Aluminiumchlorid, greifen Halogenalkane Benzol unter Bildung von Alkylbenzolderivaten an (Friedel-Crafts Alkylierung), Alkaoylhalogenide ergeben Alkanoylderivate (Friedel-Crafts Acylierung).
In der Alkylierung wird das Alkylkation aus dem Alkylhalogenid in Gegenwart einer Lewis Säure, oder direkt durch Protonierung mit nachfolgender Wasserabspaltung aus dem Alkohol gebildet. Typische Lewis-Säuren sind bei dieser Reaktion: AlBr3, AlCl3, etc. Das Carbokation greift dann den Aromaten als Elektrophil an.
Dabei bestehen zwei Probleme:
1) Das Produkt ist reaktiver als das Edukt, und deshalb kommt es häufig zu Mehrfachalkylierung
2) Es kann leicht zu Umlagerungen des Carbokations kommen. Aus diesen Gründen nimmt man häufig statt dessen die Friedel-Crafts Acylierung, und wandelt das Produkt anschliessend in das Gewünschte durch Reduktion der Carbonylgruppe um.
Friedel-Crafts Acylierung
Induktive Effekte
Induktive Effekte sind Polarisationseffekte, die über Sigma-Bindungen übertragen werden.
Pi-Donorgruppen
Da N elektronegativer ist als C, übt die -NH2 Gruppe einen leicht elektronenziehenden Effekt aus (induktiver Effekt). Das freie Elektronenpaar des N-Atoms kann jedoch in das aromatische Pi-System miteingebracht werden, sodass die Ladungsdichte des Ringes erhöht wird.
Dieser Resonanzeffekt überwiegt den induktiven Effekt bei weitem. Anilin ist deshalb für weitere Substitution reaktiver als Benzol. Das Elektronegative O-Atom wirkt ebenfalls elektronenziehend (induktiver Effekt). Aber auch hier überwiegt der Einfluss der Resonanz (Pi-Donoreffekt), sodass der Benzolkern elektronenreicher wird.
Orientierung und relative Geschwindigkeit einer Zweisubstitution
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.
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.
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.
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
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.
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.
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