Organische Chemie für die Oberstufe und zur Einführung in das Studium
von Werner Schötschel
Vorbemerkung: Die Nummern der Versuche beziehen sich auf die Ausarbeitung „Versuche zur Organischen Chemie (einschließlich Naturstoffe)“.
http://www.lpm.uni-sb.de/typo3/fileadmin/Benutzer/allg-chem/Unterrichtshilfen/Versuche_OC.doc
Inhaltsverzeichnis
Seite
1 Organische Chemie als Chemie der Kohlenstoffverbindungen 1
2 Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen 3
2.1 Gesättigte Kohlenwasserstoffe 3
2.2 Ungesättigte Kohlenwasserstoffe 10
2.3 Ringkohlenwasserstoffe (Cyclische Kohlenwasserstoffe) 18
2.3.1 Alicyclische Kohlenwasserstoffe 18
2.3.2 Aromatische Kohlenwasserstoffe 19
2.4 Gewinnung von Kohlenwasserstoffen aus Erdöl 26
3 Sauerstoffhaltige Verbindungen 29
3.1 Verbindungen mit der Gruppe -OH 29
3.1.1 Alkanole = Alkohole 29
3.1.2 Ether 36
3.1.3 Phenole 38
3.2 Alkanale = Aldehyde und Alkanone = Ketone 44
3.3 Carbonsäuren und Ester 52
4 Stickstoffhaltige und schwefelhaltige Verbindungen 62
4.1 Salpetersäureester 62
4.2 Nitroverbindungen 62
4.3 Amine 63
4.4 Aminosäuren 66
4.5 Säureamide 68
4.6 Azoverbindungen 69
4.7 Sulfonsäuren 69
4.8 Heterocyclische Verbindungen 70
4.9 Tenside und Waschmittel 70
Anhang 1: Ermittlung der Formel einer organischen Verbindung
Anhang 2: Die wichtigsten Nomenklaturregeln für aliphatische Verbindungen
Anhang 3: Die Elektronenverteilung in Molekülen organischer Verbindungen (I-Effekt
und M-Effekt)
Anhang 4: Ort für den Eintritt eines zweiten Substituenten in einen Benzolring
Anhang 5: Kondensierte Ringsysteme
Anhang 6: Reaktionstypen in der organischen Chemie
Anhang 7: Die wichtigsten Reaktionsmechanismen in der organischen Chemie
Anhang 8: Zuordnung der in dieser Ausarbeitung behandelten Reaktionen zu den einzel-
nen Reaktionsmechanismen
Anhang 9: Die optische Aktivität organischer Verbindungen
Anhang 10: Zusammenstellung der verschiedenen Isomeriearten
Anhang 11: Lösungen zu den Aufgaben aus Anhang 1 und 2
Anhang 12: Zusammenstellung der Versuche zur Organischen Chemie
1 Organische Chemie als Chemie der Kohlenstoffverbindungen
Bis zum Beginn des 19. Jahrhunderts glaubte man, dass sich der pflanzliche und tierische Organismus zum Aufbau seiner Substanzen einer besonderen Lebenskraft (vis vitalis) bediene. Man unterschied daher:
a) „organische Stoffe“ in Pflanzen und Tieren;
b) „mineralische Stoffe“ in der unbelebten Natur.
1828 gelang es Friedrich Wöhler, den Harnstoff [Kohlensäurediamid; Formel: (NH2)2CO] aus einfachen anorganischen Verbindungen [Umlagerung von Ammoniumcyanat NH4OCN] künstlich herzustellen. Seither wurden zahlreiche Naturstoffe im Laboratorium synthetisiert. Heute verstehen wir unter der „Organischen Chemie“ die Lehre von den Verbindungen des Kohlenstoffs. Außer dem Kohlenstoff sind in organischen Verbindungen vor allem Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Phosphor enthalten.
Versuche 1 und 2
Anmerkung 1: Brief Friedrich Wöhlers an seinen Stockholmer Lehrer Jöns Jakob Berzelius:
Er müsse schon wieder einen Brief an Berzelius richten, „denn ich kann, so zu sagen, mein chemisches Wasser nicht halten und muss Ihnen sagen, dass ich Harnstoff machen kann, ohne dazu Nieren oder dazu überhaupt ein Tier, sei es Mensch oder Hund, nötig zu haben“.
Wöhler war damals (1828) Lehrer an der städtischen Gewerbeschule Berlin. 1836 wurde er Professor in Göttingen.
……….
Im Jahre 1987 waren bekannt (d.h. isoliert und beschrieben):
etwa 7,2 Millionen organische Verbindungen (von denen aber nur rund 2.000 im Handel erhältlich waren!);
etwa 800.000 anorganische Verbindungen.
In einem Wikipedia-Artikel aus dem Jahre 2006 heißt es, dass derzeit rund 17 Millionen organische Verbindungen bekannt sind und täglich weitere hinzukommen.
Gründe für die große Anzahl organischer Verbindungen:
1.) Kohlenstoffatome können sich praktisch unbegrenzt mit anderen Kohlenstoffatomen verbinden, d.h. C-C-Bindungen sind bei den auf der Erde gewöhnlich vorkommenden Bedingungen sehr beständig.
Anordnung der Kohlenstoffatome in Ketten:
aliphatische Verbindungen [aleiphar, gr. = Fett]
Anordnung der Kohlenstoffatome in Ringen:
cyclische Verbindungen (cyclicus, gr. = kreisförmig]
2.) Bei den Verbindungen des Kohlenstoffs gibt es - zum Beispiel durch Verzweigungen der Kohlenstoffatom-Kette - oft zahlreiche Isomere (später genauer!).
3.) Kohlenstoffatome können - vor allem mit anderen Kohlenstoffatomen - Doppel- und Dreifachbindungen eingehen.
Die Vierbindigkeit des Kohlenstoffatoms erklärt man durch eine Hybridisierung der Orbitale. Dabei wird das 2s-Elektronenpaar durch Energiezufuhr getrennt. Unter weiterem Energieaufwand bilden sich vier gleichartige Orbitale von Einzelelektronen. Diese sind aus dem 2s-Orbital und den drei 2p-Orbitalen entstanden und werden daher als sp3-Hybridorbitale bezeichnet. Man spricht auch kurz von q-Orbitalen.
Im Gegensatz zum kugelförmigen s-Orbital und zum hantelförmigen p-Orbital ist das q-Orbital gestreckt (keulenförmig), und der Atomkern bildet bei ihm nicht - wie bei den beiden anderen Orbitalformen - das Symmetriezentrum:
Infolge ihrer gegenseitigen Abstoßung orientieren sich die vier q-Orbitale so, dass ihre Achsen vom Atomrumpf als Mittelpunkt aus nach den Ecken eines regelmäßigen Tetraeders gerichtet sind. Die Valenzwinkel des Kohlenstoffatoms entsprechen den Tetraederwinkeln (109° 28'). [zum Vergleich: Bindungswinkel im Wassermolekül: 104° 30']
Ermittlung der Formel einer organischen Verbindung: siehe Anhang 1
2 Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen
2.1 Gesättigte Kohlenwasserstoffe
Methan: CH4
Eigenschaften: farb- und geruchloses, leichtes, wenig wasserlösliches Gas, das mit kaum leuchtender Flamme brennt und mit Luft oder Sauerstoff gemischt sehr explosiv ist:
CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O | H = -888 kJ
Versuch 3
Vorkommen: Methan entsteht in der Natur bei der bakteriellen Zersetzung abgestorbener Pflanzenteile unter Luftabschluss (“Faulschlammbildung”). Es bildet sich im Wiederkäuermagen (z.B. eine Kuh rülpst täglich 150 m3 Methan aus!) und ist der Hauptbestandteil im Sumpfgas, im Klär- oder Faulgas und im Grubengas („schlagende Wetter“). [Es ist bergpolizeiliche Vorschrift, dass ein Betriebspunkt stillgelegt werden muss, wenn in den Wettern 1 % oder mehr Methan enthalten ist. In elektrifizierten Betrieben liegt die Grenze bereits bei 0,7 bis 0,8 % CH4.] In gewaltigen Mengen entströmt Methan dem Boden als Erdgas, vor allem in den Erdölgebieten. Auch im Kokereigas ist Methan enthalten.
Anmerkung 2:
-
|
Ferngas
|
Erdgas L
|
Erdgas H
|
|
Kokereigas
|
(z.B. Holland)
|
(z.B. Russland)
|
|
Vol-%
|
Vol-%
|
Vol-%
|
Bestandteile
|
|
|
|
Methan
|
25,3
|
81,8
|
93,0
|
Ethan, Propan, Butan u.a.
|
2,3
|
3,4
|
4,9
|
Wasserstoff
|
54,5
|
-----
|
-----
|
Stickstoff
|
9,6
|
14
|
1,1
|
Sauerstoff
|
0,5
|
-----
|
-----
|
Kohlenstoffmonooxid
|
5,5
|
-----
|
-----
|
Kohlenstoffdioxid
|
2,3
|
0,8
|
1,0
|
|
|
|
|
Eigenschaften
|
|
|
|
Brennwert in kWh/m3
|
5,466
|
9,769
|
11,485
|
Zündtemperatur in °C
|
560
|
640
|
640
|
Normdichte in kg/m3
|
0,51
|
0,83
|
0,79
|
Der Überdruck in den Haushaltsleitungen beträgt nur 22 mbar (Angabe für Neunkirchen).
Nach den „Richtlinien für die Gasodorierung“ müssen alle in der öffentlichen Gasversorgung verteilten Brenngase einen ausreichend starken, charakteristischen Geruch besitzen, damit gefährliche Gaskonzentrationen von jedem Menschen rechtzeitig wahrgenommen werden können. Während das klassische Kokereigas von Natur aus einen typischen, deutlich spürbaren Geruch besitzt, sodass eine Beimischung von Odorstoffen nicht erforderlich ist, wird das an sich geruchlose Erdgas in allen Ortsnetzen an den Übergabestationen odoriert.
Als Odoriermittel wird in Deutschland fast ausschließlich Tetrahydrothiophen verwendet:
……….
Reaktion mit Chlor: Substitution
Methan und Chlor wirken im diffusen Tageslicht langsam aufeinander ein:
CH4 + Cl2 HCl + CH3Cl Monochlormethan
CH3Cl + Cl2 HCl + CH2Cl2 Dichlormethan
CH2Cl2 + Cl2 HCl + CHCl3 Trichlormethan
CHCl3 + Cl2 HCl + CCl4 Tetrachlormethan
Reaktionsmechanismus: radikalische Substitution (siehe Anhang 7, Seite 1)
(Wegen der schwierigen Trennung der nebeneinander entstehenden Chlorverbindungen werden diese in der Praxis auf anderen Wegen hergestellt.)
Versuch 4 (mit Hexan!)
Merke: Den Austausch einzelner Atome oder Atomgruppen im Molekül einer organischen Verbindung gegen Atome anderer Elemente oder gegen andere Atomgruppen bezeichnet man als Substitution [substitúere, lat. = ersetzen]. Die neu entstehenden Stoffe nennt man Substitutionsprodukte, Abkömmlinge oder Derivate der ursprünglichen Verbindung [derivare, lat. = ableiten].
wichtige Halogenderivate des Methans:
CHCl3 = Trichlormethan = Chloroform: farblose, süßlich-betäubend riechende, nicht brennbare und mit Wasser nicht mischbare Flüssigkeit; nach längerem Einatmen rufen Trichlormethandämpfe tiefe Bewusstlosigkeit hervor. Da Trichlormethannarkosen Leberkrankheiten und Herzlähmung verursachen können, wird heute Trichlormethan nicht mehr als Narkosemittel verwandt. In der Technik und im Laboratorium spielt Trichlormethan eine große Rolle als Lösemittel für Öle, Harze, Kautschuk usw.
Versuch 5 und 6
CHI3 = Triiodmethan = Iodoform: zitronengelbe, wasserunlösliche Kristalle mit „Apothekengeruch“; früher als Wundantiseptikum verwandt
Versuch 7
CCl4 = Tetrachlormethan = Tetrachlorkohlenstoff: farblose, leicht bewegliche Flüssigkeit; findet in der Technik als nicht feuergefährliches Lösemittel, z.B. für Fette, Verwendung
Versuch 8
CCl3F, CCl2F2, CClF3, CHCl2F und andere: Sammelbezeichnung Frigen (Hoechst) oder Freon (Dupont); Sicherheitskältemittel und Treibgas für Spraydosen
CBrClF2 = Bromchlordifluormethan = Halon: Löschgas für Flugzeugtriebwerke, Computeranlagen, Schalträume usw. (hinterlässt keine Rückstände!)
Anmerkung 3: Ergänzungen zu den Halogenderivaten des Methans; Halogenderivate des Ethans
Tetrachlormethan wurde wegen seiner Unbrennbarkeit früher als Löschmittel verwandt. Es hat allerdings den Nachteil, in der Hitze zu dem giftigen Phosgen O=CCl2 oxidiert zu werden. (Der Name „Phosgen“ weist auf die Entstehung durch Belichtung eines Gasgemisches von CO und Cl2 hin.)
CH2Cl2, CHCl3 und CCl4 finden zur „chemischen“ Reinigung von Textilien Verwendung.
Halon für Autofeuerlöscher:
1.) Auf Wunden bleiben keine Rückstände.
2.) Die Sicht des Löschenden wird nicht durch Wolkenbildung behindert.
3.) Das Gas dringt auch durch feinste Ritzen (z.B. Kühlergrill).
C2H5Cl = Chlorethan (alter Name: Ethylchlorid): farblose, brennbare, sehr leicht flüchtige Flüssigkeit, die zur örtlichen Betäubung („Vereisung“) bei nur kurze Zeit dauernden Operationen Verwendung findet
Versuch 9
CHBrCl-CF3 = 1-Brom-1-chlor-2,2,2-trifluorethan = Halothan: leicht flüchtige, nicht brennbare Flüssigkeit, die als Inhalationsanästhetikum Verwendung findet (größtenteils über die Lunge unverändert abgegeben, jedoch zu etwa 10 bis 20 % in der Leber zu Trifluorethansäure metabolisiert und dann mit dem Harn ausgeschieden)
……….
Synthese nach Wurtz und die homologe Reihe der Alkane
Hinweis:
Im Kurs „Chemische Bindung“ wird ausführlich erläutert, dass in der Reihe H3C-F, H3C-Cl, H3C-Br, H3C-I die Polarität der Bindung zwischen dem Kohlenstoffatom und dem Halogenatom abnimmt, dagegen die Polarisierbarkeit - d.h. also die Reaktionsfähigkeit - zunimmt!
Durch Einwirkung von Natrium auf Monoiodmethan CH3I entsteht Ethan C2H6:
Entsprechend bildet sich durch Einwirkung von Natrium auf ein Gemisch von Monoiodmethan und Monoiodethan unter anderem die Verbindung Propan C3H8:
Aus reinem Monoiodethan entsteht mit Natrium das Butan C4H10:
2 C2H5I + 2 Na C4H10 + 2 NaI
Man erhält so eine ganze Reihe von Kohlenwasserstoffen, die Alkane.
allgemeine Formel der Alkane: CnH2n+2 (n = 1 bis etwa 70)
Die Alkane bilden eine „homologe Reihe“.
Merke: Unter einer homologen Reihe versteht man eine Gruppe ähnlicher Verbindungen, bei denen jedes Glied nur eine CH2-Gruppe mehr enthält als das vorhergehende.
Die Alkane nennt man auch gesättigte Kohlenwasserstoffe, weil sie so viele Wasserstoffatome besitzen, wie die vorhandenen Kohlenstoffatome überhaupt zu binden vermögen.
σ-Bindung
Geht ein hybridisiertes Kohlenstoffatom mit dem s-Orbital eines Wasserstoffatoms oder einem sp3-Hybridorbital eines anderen Kohlenstoffatoms durch Überlappung der Elektronenwolken eine Bindung ein, so bezeichnet man diese als σ-Bindung (Sigma-Bindung). Diese σ-Bindung ist charakteristisch für die gesättigten Kohlenwasserstoffe. So überlappen sich z.B. bei der Bildung des Methanmoleküls die q-Orbitale des Kohlenstoffatoms mit den s-Orbitalen von vier Wasserstoffatomen. Die nachgewiesene Tetraedergestalt des Methanmoleküls kann durch die Annahme einer tetraedrischen Anordnung der q-Orbitale des Kohlenstoffatoms erklärt werden.
Beweise für die Tetraederstruktur des Methans:
1.) Es gibt nur ein Dichlormethan.
2.) Alle Bindungen sind gleich lang, und die Bindungswinkel entsprechen dem Tetraederwinkel (109° 28'). [Röntgenstrukturanalyse!]
Hinweis:
nicht sagen: „Das Methanmolekül ist tetraedrisch, weil es sp3-Hybridorbitale besitzt.“
sondern: „Weil das Methanmolekül tetraedrisch ist, sprechen wir von Hybridorbitalen.“
Merke:
Als Bindungsachse bezeichnet man die geradlinige Verbindung zwischen zwei Atomkernen.
Unter Bindungslänge versteht man den mittleren Abstand zwischen zwei Atomkernen.
Der Bindungswinkel ist der Winkel zwischen zwei von einem Atom ausgehenden Bindungsachsen.
Länge der Bindung C-H: 1,09 · 10-10 m
Bindungsenergie der Bindung C-H: 411 kJ · mol-1
Um die σ-Bindung ist freie Rotation möglich. Die durch Drehung um eine Einfachbindung entstehenden verschiedenen räumlichen Anordnungen der Atome in einer Verbindung bezeichnet man als Konformationen. Da die Energieunterschiede zwischen verschiedenen Konformationen sehr gering sind, wandeln sie sich durch Drehung um die C-C-Bindung leicht ineinander um und können daher nicht als Substanzen isoliert werden.
Merke: Unter Konformationen versteht man Atomanordnungen, die durch Drehung um Einfachbindungen ineinander übergeführt werden können.
Anmerkung 4:
Bei einer Drehung um die C-C-Bindung durchlaufen die Atome zwei besondere Stellungen, z.B. beim Ethan:
Neben diesen beiden Extremkonformationen gibt es beliebig viele intermediäre Konformationen, die als skew-Konformationen (oder als gauche-Konformationen) bezeichnet werden [skew oder askew, engl. = schief; gauche, frz. = schief].
……….
Eigenschaften der Alkane
Name
|
Formel
|
Schmelztemp.
(in °C)
|
Siedetemp.
(in °C)
|
einwertiges Radikal
(Alkylgruppe)
|
Methan
|
CH4
|
-182,5
|
-161,5
|
Methyl •CH3
|
Ethan
|
C2H6
|
-183,3
|
-88,6
|
Ethyl •C2H5
|
Propan
|
C3H8
|
-187,7
|
-42,1
|
Propyl •C3H7
|
Butan
|
C4H10
|
-138,4
|
-0,5
|
usw.
|
Pentan
|
C5H12
|
-129,7
|
36,1
|
|
Hexan
|
C6H14
|
-95,3
|
68,7
|
|
Heptan
|
C7H16
|
-90,6
|
98,4
|
|
Octan
|
C8H18
|
-56,8
|
125,7
|
|
Nonan
|
C9H20
|
-53,5
|
150,8
|
|
Decan
|
C10H22
|
-29,7
|
174,1
|
|
Undecan
|
C11H24
|
-25,6
|
195,9
|
|
Dodecan
|
C12H26
|
-9,6
|
216,3
|
|
¦
|
|
|
|
|
Hexadecan
|
C16H34
|
18,2
|
286,8
|
|
¦
|
|
|
|
|
Eicosan
|
C20H44
|
36,4
|
343,8
|
|
¦
|
|
|
|
|
Der Anstieg der Schmelz- und Siedetemperaturen in der homologen Reihe der Alkane ist darauf zurückzuführen, dass die Van-der-Waals-Kräfte mit steigender Molekülmasse zunehmen.
Unterscheide:
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