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• Was ist Organische Chemie?

• Aufbau (Struktur) organischer Verbindungen

• Unterscheidung organischer Verbindungen nach funktionellen Gruppen

• Typische Reaktionen organischer Verbindungen

• Analyse von Stoffgemischen (Chromatographie)

• Molekülstruktur und Sinneswahrnehmung

Struktur und Reaktivität organischer Verbindungen

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Was ist Organische Chemie?

F. Wöhler (1800-1882) A.W. v. Hofmann (1818-1892)1828: Harnstoffsynthese Ende der vitalistischen Theorie

(nach 1882)

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts:Anorganische Chemie: Chemie der Mineralien und GesteineOrganische Chemie: Chemie des Pflanzen- und Tierreichs (heute:

Biochemie)

O CNH2

NH2NH4+OCN-

Ammoniumcyanat Harnstoff

CH4N2O

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Definition: "Organische Chemie"

Es gibt mehr Verbindungen des Kohlenstoffs als aller übrigen Elemente zusammen.

Es gibt mehr Verbindungen des Kohlenstoffs als aller übrigen Elemente zusammen.

Organische Chemie ist die Chemie der Kohlenstoffverbindungen.

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Vorkommen und Verteilung des Elements Kohlenstoff

Erdrinde

Anorganische Verbindungen(CaCO3 , ....)

Organische Verbindungen0.03 %

>99 %

fossile Brennstoffe(Kohle, Erdöl, Erdgas)

Organismen(Biosphäre)

ca. 0.01 % des Kohlenstoffs befindensich in der Biosphäre

0.1 %

2/3 1/3

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Sonderstellung des Elements C

• steht in der Mitte der 2. Periode des PSE• besitzt die geringste Tendenz zur Bildung von Ionen• besitzt die größte Tendenz zur Ausbildung kovalenter Bindungen• ist vierbindig, kann mit 4 anderen Atomen kovalente Bindungen ausbilden

bevorzugte Bindungspartner sind: C: → Ketten, Ringe, Netze, Gitter, ...H: die übrigen Valenzen werden abgesättigt (Kohlenwasserstoffe)

• bildet Einfach-, Doppel- und DreifachbindungenC−C, C−H, C−N, C−O, C−F, C−S, ...C=C, C=N, C=O, C=S, ...C≡C, C≡N, …

• Die meisten organischen Verbindungen sind unter normalen Bedingungenstabil. Sie verbrennen nicht spontan an der Luft.

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GraphitHärte = 1

DiamantHärte = 10

C60 C70 C76

Fullerene

Verbindungen, die nur aus Kohlenstoff bestehen

C20

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Einfache organische Verbindungen: Kohlenwasserstoffe

CH3CH2

CH2

CH2

CH2

CH3

CH2CH2 C

H2

CH2

CH2CH2

CH2CH2 C

H2

CHCH

CH2

CHCH

CH

CHCH

CH

C C CH2

CH2

CH3

CH3

n-Hexan, ein Alkan

Cyclohexan, ein Cycloalkan

Cyclohexen, ein Cycloalken

Benzen (Benzol), ein Aromat

3-Hexin, ein Alkin

Kohlenwasserstoffe sind die Stammverbindungen der meisten organischen Verbindungen.

Methan

Adamantan

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Konstitutionsisomerie der Alkane

Zahl der C-Atome

Summenformel Name Isomerenzahl

1 CH4 Methan 1

2 C2H6 Ethan 1

3 C3H8 Propan 1

4 C4H10 Butan 2

5 C5H12 Pentan 3

6 C6H14 Hexan 5

7 C7H16 Heptan 9

8 C8H18 Octan 18

9 C9H20 Nonan 35

10 C10H22 Decan 75

20 C20H42 Eicosan 366.319

30 C30H62 Triacontan 4.111.846.763

n-Alkane: H-(CH2)n-H

Isoalkane besitzen eineverzweigte Kohlenstoff-Kette.Beispiel: C5H12

Pentan

2-Methylbutan

2,2-Dimethylpropan

9

Alkanisomere

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

10000000

100000000

1000000000

10000000000

0 5 10 15 20 25 30

Anzahl C-Atome in Alkanen

Anz

ahl I

som

ere

Für n > 10 gilt: Anz. ≈ 0.00676*100.390*n

n

10

Organische Verbindungen mit Heteroatomen

Siedepunkt / °C: 80 116 84 185 182Schmelzpunkt / °C: 6 -42 -38 -6 43Wasserlöslichkeit: - + - - +Basizität: - + - + -Azidität: - - - - +

Durch Heteroatome werden die Eigenschaften stark verändert.

NNH2 OH

S

Benzen C6H6

Pyridin C5H5N

Anilin C6H7N

Phenol C6H6O

Thiophen C4H4S

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Die funktionelle Gruppe von Alkoholenund Phenolen

CH3CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

OH OH R OH

OHAr OH

CH

CH

CCH

CH

C OHCH3

R = Alkylrest

OH = Hydroxygruppe

1-Hexanol

Alkanol

Phenol

Ar = Arylrestp-Kresol

Alkohole und Phenole sind Derivate des Wassers, H2O, bei dem ein H-Atom durch einen Alkyl- bzw. Arylrest

ersetzt wurde.

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Wasserlöslichkeit von 1-Alkanolen R−OH

R Name Gew. % R Name Gew. %CH3 Methanol ∞ C5H11 Pentanol 2.3 C2H5 Ethanol ∞ C6H13 Hexanol 0.6 C3H7 Propanol ∞ C7H15 Heptanol 0.2 C4H9 Butanol 7.9 C8H17 Octanol 0.05

blau: hydrophiler Molekülteil rot: hydrophober Molekülteil

Mit der Größe von R nimmt der hydrophobe Anteil zu und damit sinkt die Wasserlöslichkeit.

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Alkoholtest

C2H5OH CH3CO2 H

K2Cr2O7 Cr2O3Kaliumbichromat Dichromtrioxid

Ethanol Essigsäure

gelb grün

3 C2H5OH + 2 K2Cr2O7 + 2 H2SO4 3 CH3CO2-K+ + 2 Cr2O3 + 2 K2SO4 + 5 H2O

Ethanol kann sogar in geringer Konzentration in der Atemluftnachgewiesen werden (Alcotest-Prüfröhrchen).

Redoxreaktion

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Funktionelle GruppenFunktionelle Gruppe Name Stoffklasse

C H

– Alkane (Paraffine)

C C

C,C-Doppelbindung Alkene (Olefine)

C C C,C-Dreifachbindung Alkine

-Hal (F, Cl, Br, I) Halogen- Fluor-, Chlor-, Brom-, Iodkohlenwasserstoffe

-OH Hydroxy- Alkohole, Phenole

-OR Alkoxy- Ether

-SH Thiol- Thiole (Mercaptane)

-NH2 Amino- Amine

-NO2 Nitro- Nitroverbindungen, z.B. Nitromethan

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Funktionelle Gruppen

Funktionelle Gruppe Name Stoffklasse

C O

Carbonyl- Aldehyde, Ketone

C NH

Imino- Imine

C OH

O

Carboxyl- Carbonsäuren

C OR

O

Alkoxycarbonyl- Ester

C NH2

O Carboxamid- Amide

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Reaktion verschiedener Kohlenwasserstoffe mit Brom

Br

Br

Br

Br

+ Br2 + HBrLicht

+ Br2

+ Br2 + HBrFeBr3

RadikalischeSubstitution SRAlkan

ElektrophileAddition AEAlken

ElektrophileSubstitution SE

Aromat

Alkane, Alkene und Aromaten unterscheiden sich inihrer Reaktionsweise.

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Reaktion von Cyclohexen mit Kaliumpermanganat

OMnO4-

O

OH

OHKMnO4

H2O

+ MnO2(OH)2- MnO2 + MnO4-

(Disproportionierung)

+7

+5 +4 +7

K+

MnO2 Braunstein

(1R,2S)-Cyclohexan-1,2-diol

KMnO4 ist violett

Die Hydroxylierung eines Alkens ergibt ein 1,2-Diol.An C,C-Mehrfachbindungen können zahlreiche Reagenzien addiert werden.

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Glucosetest

Ergebnis: ca. 2-3 %.

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Nachweis von Glucose

O

OH

OH

OH

OH

CH2OH

H

O

OH

OH

OH

CH2OH

OGlucose-Oxidase

Glucose Gluconolacton

+ O2 + H2O2

Farbstoff(reduziert, farblos)

Farbstoff(oxidiert, gelb-grün)

Peroxidase+ H2O2 + H2O

Redoxreaktionen

Glucose-Oxidase-Peroxidase-Farbreaktion, selektiver Nachweis von Glucose im Urin

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Iod-Stärke-Reaktion

Amylose, ein Polysaccharid,besteht aus Glucose-Molekülen, besitzt helicale Struktur.Iod-Moleküle werden als KI3 in die Kanäle eingelagert.

Auch polyfunktionelle Verbindungen zeigen charakteristische Reaktionen.

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Fichtenspanprobe von Furan und Pyrrol

O

NH

Farbreaktion

grün

rot

Furan

Pyrrol

Aromatische Heterocyclen

Viele Verbindungen zeigen charakteristische Reaktionen, mit denen sie leicht zu erkennen sind.

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Belousov-Zhabotinsky-Reaktion

CH

O

OHOH

OOH

CH2

OOH

OOH

2-Hydroxymalonsäure NatriumbromidMalonsäure Natriumbromat

+ NaBrO3 + NaBr

Bruttoreaktion

BrO3 - + Br - + 2 H3O + HBrO2 + HOBr + 2 H2O

Teilreaktion

Die Reaktion umfasst mehr als 40 Einzelschritte. Dabei kommt es zu periodischen Schwankungen der Konzentration einzelner Komponenten.

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Belousov-Zhabotinsky-Reaktion

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Redoxindikator Ferroin

N

N

N

N

3

Fe2+

3

Fe3+Oxidation

Ferroin: rot Ferriin: blau

Reduktion

Ferroin ist ein Eisen(II)-Phenanthrolin-Komplex.

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Belousov-Zhabotinsky-Reaktion

Zeit

Konz.

Ferriin

HBrO2

Br -

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Chemilumineszenz von Luminol

Luminol wird zum Nachweis von Blut (forensische Chemie), Kupfer,Eisen, Cyaniden, Peroxiden und Peroxidasen verwendet.

Oxidation von Luminol in alkalischer wässriger Lösung.Energie wird als Licht abgegeben.

-+

N2

O2 O

O

O

OH2N

Na

Na

-

-

+

+

N

N

O

OH2N

OO

Na

Na

-

-

+

+

N

N

O

OH2N

Na

Na

-

-

+

+

NH

NH

O

OH2N

+ NaOH

- Licht

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Chromatographie mit Kreide

Die Farbe „Schwarz“ ist ein Gemisch aus vielen verschiedenen Farbstoffen.Eigentlich handelt es sich um Grau.

Trennung der Farbkomponenten von „schwarzem“ Filzstift

Bei der Chromatographie handelt sich um physikalische Trennverfahren, bei denen die Stofftrennung durch Verteilung zwischen einer stationären und einer mobilen Phase geschieht.

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Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie (HPLC)

Pumpe

Elutionsmittel

Proben-aufgabe

Trennsäule

mV - Schreiber Detektor

Signalwandler

Fraktionssammler

bis 40 MPa

Bei der Säulenchromatographiedient Kieselgel in der Trennsäule als stationäre Phase und ein organisches Lösungsmittel als mobile Phase.Die HPLC ist eine Fortentwicklung dieser Methode.

Bei der Säulenchromatographiedient Kieselgel in der Trennsäule als stationäre Phase und ein organisches Lösungsmittel als mobile Phase.Die HPLC ist eine Fortentwicklung dieser Methode.

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Gaschromatographie (GC)

Bei der Gaschromatographie dient eine gefüllte dünne Glassäule als stationäre Phase und ein Inertgas (He, N2) als mobile Phase (Trägergas).Die GC ist eine sehr leistungsfähige Methode zur Analyse flüchtiger Substanzgemische. Als Detektor kann auch die menschliche Nase eingesetzt werden.

Bei der Gaschromatographie dient eine gefüllte dünne Glassäule als stationäre Phase und ein Inertgas (He, N2) als mobile Phase (Trägergas).Die GC ist eine sehr leistungsfähige Methode zur Analyse flüchtiger Substanzgemische. Als Detektor kann auch die menschliche Nase eingesetzt werden.

1- Gaszylinder mit Trägergas2- Gasventil3- Injektor4- Trennsäule5- Ausgang vom Detektor6- Messgerät für den Gasfluss7- Schreiber

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Gaschromatogramm eines Parfüms

Das Gaschromatogramm zeigt zahlreiche Peaks. Jeder gehört zu einer Komponente.Um welche Verbindung es sich jeweils handelt, kann mit Hilfe der Massenspektrometrie bestimmt werden.

Das Gaschromatogramm zeigt zahlreiche Peaks. Jeder gehört zu einer Komponente.Um welche Verbindung es sich jeweils handelt, kann mit Hilfe der Massenspektrometrie bestimmt werden.

Inte

nsitä

t

Zeit

32

Riechen: Komponenten des olfaktorischen Nervensystems

Richard Axel "Die Entschlüsselung des Riechens" , Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1995, 72-78.

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Gerüche und Riechstoffe

Gerüche: Wir können Tausende von Gerüchen wahrnehmen und unterscheiden.

Riechstoffe:müssen flüchtig sein: Molmasse < 300 DUm die Membran der Riechzellen zu durchdringenund einen Geruchsreiz auszulösen, müssen sie gute Fettlöslichkeit und hinreichende Wasserlöslickeit besitzen.

OsmophoreGruppen:

Euosmophore: -CH=O, >C=O, -OH, -OR, -CN, -NO2Kakosmophore: -CH=S, >C=S, -SH, -SR, -NC

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Schematische Darstellung zur Substratspezifität

Schematische Darstellung zur Substratspezifität

Enzym Substrat Enzym - Substrat - Komplex

+

+

+

Oben: Schlüssel-Schloss-Modell nach E. Fischer (1894)Unten: Anpassungsmodell (induced fit) nach D.E. Koshland (1958)

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Molekülstruktur und Sinneswahrnehmung

Vorschläge für die Gestalt von Rezeptoren („Schlössern“) unterschiedlicher Geruchsklassen.Ein Molekül, das in eine dieser Strukturen passt, wirkt wie ein Schlüssel und löst ein Nervensignalaus.

Ein Wirkstoff in einem Rezeptordes Enzyms c-SRc-Kinase

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Molekülstruktur und Sinneswahrnehmung

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Additiver und subtraktiver Geruch

Das Riechen eines bestimmten Duftes (Duft A) löst an einer Riechzelle eine biochemische Signalverarbeitungskaskade aus, die zum Einstrom von Calcium- (und Natrium-) Ionen aus dem Nasenschleim führt. Ein anderer Duft B kann an der selben Zelle einen zweiten Signalweg anschalten, der die Geruchswahrnehmung von Duft A blockiert. (H. Hatt, RUB)

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Moschus und Muscon

Moschus, schwarzbraune, gekörnte Masse mit ammoniakalisch-animalischem Geruch. Sekret einer Abdominaldrüse des Moschustiers.

Muscon, wichtigster Duftstoff des Moschus, ist als Fixateur in der Parfüm-Industrie von großer Bedeutung.

O

R-(–)-Muscon

Viele Duft- und Aromastoffe sind Naturprodukte.

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Moschus moschiferus

Das Moschustier: Eine kleine, geweihlose Hirschart, die auf den Hochplateaus Ostasiens (Himalaya, Sibirien) lebt.

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Civettictis civetta

Die Afrikanische Zibetkatze ist eines der häufigsten Säugetiere Afrikas. Man findet sie in der Savanne ebenso wie in Wäldern.Zibetkatzen (Civetten) sind eine Unterfamilie der Schleichkatzen.

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Zibet und Zibeton (Civeton)

Zibet ist ein Sekret der Zibetkatze. Zur Gewinnung von Zibet werden die Tiere in Gefangenschaft gehalten. Hauptproduzent ist Äthiopien mit ca. 2 Tonnen pro Jahr.

O (Z)-Form

(Z)-9-Cycloheptadecen-1-on, Civeton, C17H30O, farblose, flüchtige, widerwärtig (süß-animalisch nach Moschus) duftende Kristalle. Hauptgeruchsträger von Zibet, in sehr großer Verdünnung ähnelt sein Duft dem von Moschus. Zibeton wird in der Parfüm-Industrie als Fixateur verwendet.

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Molekülstruktur von Muscon

O R-(–)-Muscon,3-Methylcyclopentadecanon

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Synthese von Exalton

O

OH

OH

O

OH

CO2CH3

CO2CH3

Zn/HCl

1. Na

2. H+

Pentadecandisäuredimethylester

Exalton, CyclopentadecanonSynthese durch Acyloinkondensation nach Stoll, Hansley und Prelog (1947)Exalton besitzt nahezu die gleiche Duftnote wie Muscon.

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Massenspektrum einer Parfüm-Komponente

Das Massenspektrum wurde bei der GC/MS-Analyse des Parfüms erhalten. Das Spektrum wird in einer Datenbank gefunden. Demnach handelt es sich bei dieser Komponente um den Moschus-Ersatzstoff „Exaltolide“.

m/z

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Moschus-Ersatz in einem Parfüm

O

O

O

O

Br

H

- HBr

K2CO3Oxacyclohexadecan-2-onC15H28O2 (m/z = 240)ExaltolideR

46

Experimentalvorlesung 1819

T. Rawlandson, 1819, Experimentalvorlesung in der Royal Institution, London

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Chemisches Laboratorium um 1840

Liebigs Analytisches Labor in Giessen

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Chemisches Laboratorium 2004

Grundpraktikum Organische Chemie, Universität Duisburg-Essen, Campus Essen

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Motivation für ein Chemiestudium

"Keine unter allen Wissenschaften bietet dem Menschen eine größere Fülle von Gegenständen des Denkens, der Überlegung und von frischer, sich stets erneuernder Erkenntnis dar als wie die Chemie."

Justus von Liebig (1803–1873, Prof. für Chemie, Gießen u. München), Chemische Briefe

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MILESS

Die Folien der Vorleung sind im Internet zugänglich:

http://miless.uni-essen.de

Suche nach: Probestudium

Es handelt sich um eine Datei im pdf-Format.

(Befristet bis 31.12.2004)

http://miless.uni-essen.de/servlets/DocumentServlet?id=11611

Struktur und Reaktivität organischer VerbindungenWas ist Organische Chemie?Definition: "Organische Chemie"Vorkommen und Verteilung des Elements KohlenstoffSonderstellung des Elements CVerbindungen, die nur aus Kohlenstoff bestehenEinfache organische Verbindungen: KohlenwasserstoffeKonstitutionsisomerie der AlkaneAlkanisomereOrganische Verbindungen mit HeteroatomenDie funktionelle Gruppe von Alkoholenund PhenolenWasserlöslichkeit von 1-Alkanolen ROHAlkoholtestFunktionelle GruppenFunktionelle GruppenReaktion verschiedener Kohlenwasserstoffe mit BromReaktion von Cyclohexen mit KaliumpermanganatGlucosetestNachweis von GlucoseIod-Stärke-ReaktionFichtenspanprobe von Furan und PyrrolBelousov-Zhabotinsky-ReaktionBelousov-Zhabotinsky-ReaktionRedoxindikator FerroinBelousov-Zhabotinsky-ReaktionChemilumineszenz von LuminolChromatographie mit KreideHochdruck-Flüssigkeitschromatographie (HPLC)Gaschromatographie (GC)Gaschromatogramm eines ParfümsRiechen: Komponenten des olfaktorischen NervensystemsGerüche und RiechstoffeSchematische Darstellung zur SubstratspezifitätMolekülstruktur und SinneswahrnehmungMolekülstruktur und SinneswahrnehmungAdditiver und subtraktiver GeruchMoschus und MusconMoschus moschiferusCivettictis civettaZibet und Zibeton (Civeton)Molekülstruktur von MusconSynthese von ExaltonMassenspektrum einer Parfüm-KomponenteMoschus-Ersatz in einem ParfümExperimentalvorlesung 1819Chemisches Laboratorium um 1840Chemisches Laboratorium 2004Motivation für ein ChemiestudiumMILESS