CHE172
Dozent: Prof. Oliver Zerbe
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Lernkarten
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.
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.
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.
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.
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
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.