Organische Chemie für den Leistungskurs

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/m^3	5,466	9,769	11,485
Zündtemperatur in °C	560	640	640
Normdichte in kg/m^3	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:

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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)

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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: C_nH_2n+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: