Organische Chemie

Eines der Arbeitsziele einer Ölraffinerie ist die Umwandlung unverzweigter Alkane in besser brennende verzweigte Alkane unter Verwendung der katalytischen Reformingreaktion. In diesem Prozeß wird das unverzweigte Alkan etwa bei Raumtemperatur über einen Lewissäurekatalysator (typisch ist ein Aluminiumhalogenid) geleitet:

                                                                                                        CH3
                                                                                                        |
CH3 – CH2 – CH2 – CH3  → (AlCl₃, Raumtemperatur) CH3 – CH – CH3

Diese Reaktion ist ein Beispiel für Isomerierung, eine Reaktion, bei der eine Verbindung in eines seiner Isomeren umgewandelt wird. In der Praxis entsteht eine Mischung von Produkten. Wenn die Temperatur erhöht wird, findet auch eine Fragmentierung statt, die unter der Bezeichnung „Cracken“ bekannt ist.

Alkene sind ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen.
Als Alkene bezeichnet man eine homologe Reihe von Molekülen, die von Ethen, C2H4 durch wiederholtes Einsetzen von –CH2 Gruppen abgeleitet wird.

Die allgemeine Molekülformeln der Alkene mit einer C=C Doppelbindung lautet C_nH_2n. Eine Doppelbindung besteht aus einer σ- und einer π-Bindung. Da die π-Bindung schwach ist, sind die Alkene viel reaktiver als die Alkane.

Alkane in Alkene umwandeln. Durch Entfernung von Wasserstoffatomen an zwei benachbarten Kohlenstoffatomen mit Hilfe der katalytischen Dehydrierung:
CH₃CH₃  → (Cr₂O₃, 500°C) CH₂=CH₂(g) + H₂

Alkene werden auch durch Abspaltung von HBr aus Bromalkan gebildet, indem das Bromalkan in Alkohol mit Natriumhydroxid erhitzt wird:
             Br     H
             |        |
CH₃ – CH – CH₂ + OH^-  → (organ. LM, 55°C) CH₃ – CH = CH₂ + Br^- + H₂O

Diese Reaktion ist ein Beispiel für die Dehydrohalogenierung, in diesem Fall eine Dehydrobromierung. Allgemein ist sie ein Beispiel für eine Eleminierungsreaktion.

Eine Eliminierungsreaktion ist eine Reaktion, bei der zwei Gruppen oder Atome an benachbarten Kohlenstoffatomen aus dem Molekül entfernt werden, wobei eine Mehrfachbindung zwischen den beiden Kohlenstoffatomen zurückbleibt.

Die Auswirkungen der Anwesenheit der Doppelbindungen auf die Schmelzpunkte kann man an dem Unterschied zwischen pflanzlichen (und tierischen) Ölen und den weichen Feststoffen wie Magarine ablesen. Fischöle sind hoch ungesättigt und bleiben auch im kalten Meerwasser flüssig.

Der Einbau eines Halogens in eine Verbindung wird Halogenierung genannt.

Halogenierungen, besonders die Bromierung mit Bromwasser (einer wäßrigen Lösung von Brom) wird als einfacher Test auf Alkene angewandt. In der abgebildeten Reaktion bilden das dunkelbraune Brom und das farblose Ethen das ebenso farblose 1,2-Dibromethan.

Aromatische Kohlenwasserstoffe: Obwohl sie ungesättigt sind, sind sie viel weniger reaktiv als Alkene. Ein Zeichen dieser geringen Reaktivität ist, daß die Verbindungen Bromwasser nicht entfärben.

Die Addition eines Halogenwasserstoffs an ein Alken unter Bildung eines halogenierten Alkans wird Hydrohalogenierung genannt und stellt die Gegenreaktion zur Dehydrohalogenierung dar, durch die Alkene erzeugt werden:

CH₂=CH₂ + HBr → (0°C) CH₃-CH₂Br

Ein anderer wichtiger Zusatzstoff ist ein Antioxidans, der gegen die Oxidation durch Sonnenlicht ankämpft, indem es Radikale einfängt, bevor sie die Doppelbindungen des Polymers angreifen können.

Die dritte Familie von Kohlenwasserstoffen besteht aus Molekülen, die noch ungesättigter sind als Alkene. Sie enthalten eine Kohlenstoff-Kohlenstoffdreifachbindung. Die Alkine stellen eine homologe Reihe dar, deren Formeln aus dem Ethin (HC≡CH) durch Einsetzen von –CH₂– Gruppen abgeleitet werden.
Alkine mit einer Kohlenstoff-Kohlenstoffdreifachbindung haben die Molekülformel C_nH_2n-2. Durch die Dreifachbindung verbundene Kohlenstoffatome sind sp hybiridisiert. Die Dreifachbindung besteht aus einer σ- und zwei π-Bindungen. Daraus resultiert, daß die –C≡C– Gruppe linear ist, und die Alkine in der Nähe der Dreifachbindungen schnurgerade sind. Die Namen er Alkine werden so wie der der Alkene gebildet, aber mit der Nachsilbe –in.

Im allgemeinen werden Alkine wie Alkene hergestellt. Zu den Präparationsmethoden gehört die Eliminierung von zwei HBr aus Dibromalkanen; zur Entfernung des zweiten HBr sind allerdings höhere Temperaturen nötig:

          Br    Br                                                       Br
          |      |                                                           |
CH₃-CH-CH₂ + OH^-  → (org. LM, 80°C)  CH₃C=CH₂ + Br^- + H₂O
         Br
         |
CH₃C=CH₂ + OH^- → (org. LM, 120°C) CH₃C≡CH + Br^- + H₂O

Die Reaktion der Alkine ähneln jenen der Alkene. Die wichtigste Reaktion ist die Addition an die Dreifachbindung. Alkine können hydriert, halogeniert, hydrohalogeniert oder hydratisiert werden

Alle sechs Kohlenstoff-Kohlenstoffverbindungen in C₆H₆ liegen mit einer Länge von 139pm zwischen der einer C-C Einfachbindung (154pm) und jener der C=C Doppelbindung (134pm). Für die Molekülorbitaltheorie stellt er sechs Elektronen dar, die delokalisierte π-Orbitale besetzen. Bei dieser Hybridisierung bleibt ein unhybridisiertes 2p-Orbital an jedem C Atom zurück, das zur Überlappung mit ähnlichen 2p-Orbitalen seiner beiden C-Atomnachbarn genutzt wird, die dadurch die π-Molekülorbitale bilden, die sich um den Ring verteilen.

Zu den oben genannten Verbindungen gehören auch die polyzyklischen – „vielringigen“ – Analogen des Benzens.

Naphthalen , Anthracen

Tatsächlich ist der Benzenring unreaktiv, daß der normalerweise durch einen Katalysator zu einer Reaktion gezwungen werden muß.
Anders als bei den Alkenen, bei denen die Addition als Reaktionstyp vorherrscht, gehen Arene hauptsächlich Substitutionsreaktionen ein. Brom addiert sich beispielsweise sofort zur Doppelbindung eines Alkens, während es mit Benzen nur in Gegenwart eines Katalysators – typisch Eisen(III)bromid – reagiert. Das Ergebnis ist eine Substitution am Ring und nicht eine Addition über eine Doppelbindung.

Bei der Vulkanisation wird Kautschuck mit Schwefel erhitzt. Die Schwefelatome
bilden Vernetzungen zwischen den Polyisoprenketten → dreidimensionales Netzwerk
von Atomen. Da die Ketten zusammengehalten werden, wird vulkanisierter Kautschuck
nicht so leicht bei höheren Temperaturen weich.
Hoher Schwefel gehalt → „Ebonit“

Erzeugung entweder durch Oxidation gasförmiger KW, oder aus CO und H₂:
CO + 2 H₂ → (400°C, 150atm, ZnO) CH₃OH

Ein Peptid ist ein Molekül, das aus zwei oder mehr Aminosäuren aufgebaut ist:
Beispiel: Kombination von Glycin und Alanin („Gly-Ala“):

von Alkohol und dehydrogeniert. Die Formel eines Aldehyds unterscheidet sich von
der eines primären Alkohols durch Verlust von 2 H-Atomen.

Bei Aldehyden und Ketonen

a) sekundärer Alkohol, 3-Pentanol

b) tertiärer Alkohol, 2-Methyl-2-Butanol

α-Helix nennt man die Aufschraubung der Primärstruktur
β-Faltblatt: Parallel verlaufende Primärstrukturbereiche
beide Strukturen fasst man als Sekundärstruktur eines Proteins zusammen. Sie wird
über Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülteilen vermittelt.

Die Kette kovalent gebundener Monomere heißt Polymer.
Bsp: Polyethylen - (CH₂CH₂)_n -

Eine Reaktion, bei der ein Halogen in eine Verbindung eingebaut wird. Bsp.:
CH₂=CH₂ + Cl₂ → CH₂Cl-CH₂Cl
Anwendung: Test auf Alkene

es entsteht ein Aldehyd:

Cyan -C≡N

Isocyan -N≡C

Aldehyde verbinden sich mit Alkoholen in Gegenwart von trockenem
Chlorwasserstoff → Hemiacetale
Wenn der ursprüngliche Aldehyd eine Hydroxygruppe enthält, bildet sich ein
intramolekulares Hemiacetal.
Bsp: Die Carbonyl-Gruppe der Glucose bildet mit der OH-Gruppe an C₅ ein
intramolekulares Hemiacetal.

Carbonsäuren mit langen Kohlenwasserstoffketten

Kondensationspolymerisation durch Amidbildung → Polyamide (=Nylon)