Jens Christoffers - Organische Chemie - Christoffers

Jens Christoffers Grundlagen der Organischen Chemie 26.10.2010
Grundlagen der Organischen Chemie
Vorlesung im WS 2010/2011
1. Einführung 1
1.1 Die wunderbare Welt der Organischen Chemie
1.2 Kohlenstoff – ein ganz besonderes Element 4
2. Die kovalente Bindung 5
2.1 Atomorbitale
2.2 Die Einfachbindung 9
2.2.1 Das Wasserstoffmolekül
2.2.2 Das Fluormolekül 11
2.2.3 Das Fluorwasserstoffmolekül
2.2.4 Das Methanmolekül und die sp 3 -Hybridisierung 12
2.2.5 Das Ethanmolekül 14
2.3 Die Mehrfachbindung 17
2.3.1 Die sp 2 -Hybridisierung
2.3.2 Das Ethenmolekül 18
2.3.3 Das Formaldehydmolekül 21
2.3.4 Die sp-Hybridisierung 23
2.3.5 Das Ethinmolekül 24
3. Alkane und Cycloalkane 26
3.1 Nomenklatur und Isomerie
3.1.1 Homologe Reihe
3.1.2 Konstitutionsisomere 28
3.1.3 Nomenklatur 29
3.1.4 Cycloalkane 31
3.1.5 Konformationsisomere 33
3.2 Gewinnung und Darstellung 35
3.2.1 Erdöl, Erdgas und Kohle
3.2.2 Katalytische Hydrierung 37
3.2.3 Hydrolyse von Grignard-Verbindungen 38
3.2.4 Kolbe-Elektrolyse 39
3.3 Reaktionen von Alkanen 40
3.3.1 Verbrennung
3.3.2 Radikale und ihre Instabilität 41
3.3.3 Radikalische Halogenierung 43
3.3.4 Autoxidation zu Hydroperoxiden 48
1

Jens Christoffers Grundlagen der Organischen Chemie 26.10.2010
4. Alkene 49
4.1 Nomenklatur
4.2 Konfigurationsisomere 51
4.3 Reaktionen von Alkenen 53
4.3.1 Katalytische Hydrierung
4.3.2 Konformationen des Cyclohexans 54
4.3.3 Hydrohalogenierung von Alkenen 57
4.3.4 Die Elektrophile Addition 59
3.3.5 Halogenierung von Alkenen 59
3.3.6 Radikalische Hydrohalogenierung 61
3.3.7 Saure Hydratisierung 63
3.3.8 Hydroborierung 63
3.3.9 Dihydroxylierung 66
3.3.10 Epoxidierung 67
3.3.11 Polymerisation 69
3.3.12 Ozonolyse 71
4.4 Darstellung von Alkenen 72
4.4.1 Petrochemie 72
4.4.2 Alkinhydrierung 73
4.4.3 Dehydratisierung von Alkoholen 74
4.4.4 Eliminierung erster Ordnung 75
4.4.5 Dehydrohalogienierung 77
4.4.6 Eliminierung zweiter Ordnung 78
4.4.7 Thermische syn-Eliminierungen 80
4.4.8 Dehalogenierung von 1,2-Dihalogenalkanen 81
5. Alkine 82
5.1 Nomenklatur 82
5.2 Darstellung 82
5.2.1 Acetylen 82
5.2.2 Zweifache Dehydrohalogenierung 83
5.3 Reaktionen von Alkinen 84
5.3.1 syn-Dihydrierung 84
5.3.2 anti-Dihydrierung 84
5.3.3 Hydrohalogenierung 85
5.3.4 Hydratisierung 85
5.3.5 Acidität und Alkylierung 86
6. Aromaten 87
6.1 Aromatizität 87
6.2 Nomenklatur 93
6.3 Darstellung 96
6.4 Elektrophile Substitution am Aromaten 97
6.4.1 Halogenierung 97
6.4.2 Mechanismus der elektrophilen Substitution am Aromaten 100
6.4.3 Nitrierung 101
6.4.4 Sulfonierung 102
2

Jens Christoffers Grundlagen der Organischen Chemie 26.10.2010
6.4.5 Friedel-Crafts-Alkylierung 102
6.4.6 Friedel-Crafts-Acylierung 104
6.4.7 Vilsmeier-Haack-Formylierung 105
6.4.8 Die Regiochemie der Zweitsubstitution 107
6.5 Nucleophile Substitution am Aromaten 112
6.5.1 Direkte Substitution 112
6.5.2 Über Arin-Zwischenstufen 113
6.5.3 Über Diazonium-Ion-Zwischenstufen 114
6.5.4 Birch-Reduktion 116
7. Halogenverbindungen 117
7.1 Stereochemie 117
7.2 Nomenklatur von Konfigurationsisomeren 121
7.3 Darstellung von Halogenalkanen 123
7.3.1 Radikalische Substitution 123
7.3.2 Elektrophile Addition 124
7.3.3 Darstellung aus Alkoholen 124
7.4 Nucleophile Substitution 124
7.4.1 Monomolekularer Mechanismus 125
7.4.2 Bimolekularer Mechanismus 126
7.4.3 Stereochemie der S N 1- und S N 2-Reaktion 127
7.4.4 Beispiele für S N -Reaktionen 129
7.5 Relevante Halogenverbindungen 131
7.5.1 Lösemittel 131
7.5.2 Monomere 131
7.5.3 Narkosemittel 131
7.5.4 Kältemittel 132
7.5.5 Feuerlöschmittel 133
7.5.6 Insektizide und Herbizide 134
8. Alkohole 135
8.1 Nomenklatur und physikalische Eigenschaften 135
8.2 Darstellung von Alkoholen 137
8.2.1 Technische Synthesen 137
8.2.2 Elektrophile Addition und Nucleophile Substitution 138
8.2.3 Nucleophile Addition 138
8.3 Reaktionen von Alkoholen 141
8.3.1 Acidität 141
8.3.2 Nucleophile Substitution und Eliminierung 142
8.3.3 Oxidationsreaktionen 142
8.3.4 Veresterung 143
8.3.5 Ester anorganischer Säuren 145
9 Ether 148
9.1 Übersicht 148
9.2 Darstellung 148
9.3 Reaktionen 149
3

Jens Christoffers Grundlagen der Organischen Chemie 26.10.2010
10. Carbonsäuren und ihre Derivate 152
10.1 Übersicht 152
10.2 Darstellung von Carbonsäuren 154
10.3 Darstellung und Reaktionen von Carbonsäurederivaten 155
10.3.1 Die S N t-Reaktion 155
10.3.2 Darstellung Carbonsäurechloriden 156
10.3.3 Reaktionen von Carbonsäurechloriden 157
10.3.4 Reaktionen von Carbonsäureanhydriden 158
10.3.5 Darstellung von Carbonsäureestern 159
10.3.6 Darstellung von Carbonsäureamiden 161
10.4 Reaktionen von Carbonsäureestern 163
10.4.1 Verseifung 163
10.4.2 Acidität von Carbonylverbindungen 164
10.4.3 α-Alkylierung 165
10.4.4 Claisen-Kondensation 167
11. Aldehyde und Ketone 169
11.1 Nomenklatur 169
11.2 Darstellung 171
11.2.1 Elektrophile Substitution 171
11.2.2 Hydrolyse 171
11.2.3 Reduktion und nucleophile Addition 172
11.2.4 Oxidation und elektrophile Addition 174
11.3 Reaktionen als Elektrophil 175
11.3.1 Nucleophile Addition 175
11.3.2 Hydrate und Acetale 176
11.3.3 Kohlenhydrate 180
11.3.4 Aminale und Imine 183
11.3.5 Umlagerungen 186
11.3.6 Die Wittig-Reaktion 189
11.4 Reaktionen als Nucleophil 191
11.4.1 Alkylierung 191
11.4.2 Aldol-Reaktion 192
11.5 Konjugierte Additionen 195
11.5.1 Vinylogie Prinzip 195
11.5.2 Cuprat-Addition 196
11.5.3 Michael-Reaktion 197
11.5.4 Robinson-Anellierung 199
11.5.5 Decarboxylierung 200
12. Amine 202
12.1 Übersicht 202
12.2 Darstellung 203
12.2.1 Alkylierungsreaktionen 203
12.2.2 Reduktion 204
12.2.3 Reduktive Aminierung 205
12.2.4 Strecker-Synthese 206
12.2.5 Umlagerungen 207
4

Jens Christoffers Grundlagen der Organischen Chemie 26.10.2010
12.3 Reaktionen 208
12.3.1 Basizität 208
12.3.2 Diazoverbindungen 209
12.3.3 Enamine 213
12.3.4 Mannich-Reaktion 215
12.4 Beispiele und biologische Aktivität, Alkaloide 217
5