Karl-Heinz Wünsch • Ralf Miethchen • Dieter Ehlers

Grundkurs Organische Chemie Mit 78 Abbildungen und 41 Tabellen Sechste, bearbeitete und erweiterte Auflage

Johann Ambrosius Barth Leipzig • Berlin • Heidelberg Edition Deutscher Verlag der Wissenschaften

Inhalt 1.

Einleitung

15

1.1. 1.2. 1.3.

Entwicklung der organischen Chemie Stellung des Kohlenstoffs im Periodensystem der Elemente Bedeutung der organischen Chemie

15 16 17

2.

Einteilung und Nomenklatur organischer Verbindungen

18

2.1 2.2. 2.3. 2.3.1. 2.3.2. 2.3.3. 2.3.4.

Struktur und Strukturformeln organischer Verbindungen Klassifizierung organischer Verbindungen Nomenklatur organischer Verbindungen Substitutive Nomenklatur Radikofunktionelle Nomenklatur Weitere Nomenklatursysteme Trivialnamen

18 19 20 20 21 22 22

3.

Klassifizierung organisch-chemischer Reaktionen

22

3.1. 3.2. 3.3. 3.3.1. 3.3.2. 3.3.3. 3.3.4. 3.3.5. 3.3.6. 3.4. 3.4.1. 3.4.2.

Klassifizierung nach Veränderungen am Kohlenstoffgerüst Klassifizierung nach dem Bruttoumsatz Klassifizierung nach dem Mechanismus Polare Bindungen in organischen Molekülen Elektrophile und nucleophile Verbindungen und Reaktionen Heterolytische Spaltung von Bindungen Radikalische Reaktionen Pericyclische Reaktionen Photochemische Reaktionen Klassifizierung nach dem Redoxcharakter Reaktionstypen Oxidationsstufen in organischen Molekülen

22 23 23 23 24 25 26 26 26 27 27 27

4.

Alkane

29

4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.4.1. 4.4.2. 4.4.3. 4.4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8.

Nomenklatur der Alkane Bindungscharakter des gesättigten C-Atoms, sp3-Hybridisierung Physikalische Eigenschaften der Alkane Radikalische Substitution an Alkanen Mechanismus der Alkanchlorierung Energieumsatz bei chemischen Reaktionen, Bindmigsdissoziationsenergien Isomerenverhältnis bei der Alkanchlorierung Weitere wichtige radikalische Substitutionen an Alkanen Radikalische Eliminierung an Alkanen Heterolytische Reaktionen an Alkanen Vorkommen und Darstellung von Alkanen Wichtige Alkane

29 31 32 33 33 34 35 36 38 38 39 41

8

Inhalt

5.

Alkene

43

5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.4.1. 5.4.2. 5.5. 5.6. 5.7. 5.8. 5.9. 5.10. 5.11.

Nomenklatur der Alkene Struktur der C=C-Bindung, sp2-Hybridisierung Physikalische Eigenschaften von Alkenen Elektrophile Addition an C=C-Bindungen Elektrophile Addition an Alkenen Elektrophile Addition an konjugierten Dienen Der Mesomeriebegriff Weitere technisch wichtige Additionsreaktionen an Alkenen Cyclisierungsreaktionen Reaktionen in Allylstellung Petrochemie Vorkommen und Darstellung von Alkenen Wichtige Alkene und Diene

43 44 46 46 46 48 50 50 52 53 54 56 57

6.

Alkine

59

6.1. 6.2. 6.3. 6.4. 6.5. 6.6.

Nomenklatur der Alkine Struktur der OC-Bindung, sp-Hybridisierung Physikalische Eigenschaften des Acetylens Aciditätvon 1-Alkinen Additionsreaktionen an Alkinen Darstellung von Alkinen

59 59 60 61 61 63

7.

Cycloaliphatische Verbindungen

64

7.1. 7.2 7.3. 7.4.

Nomenklatur und Einteilung Spannungsverhältnissein Cycloalkanen Vorkommen und Bildung cycloaliphatischer Ringsysteme Wichtige Cycloalkane und Cycloalkene

64 65 68 69

8.

Stereoisomerie organischer Moleküle

70

8.1. 8.1.1. 8.1.2. 8.2. 8.2.1. 8.2.2. 8.3. 8.3.1. 8.3.2' 8.3.3. 8.3.4. 8.4.

Konformationsisomerie Konformation von Alkanen Konformation von Cycloalkanen c/.r-/ra«.s-Isomerie (Z)-(E)-Isomerie bei Alkenen cis-trans-lsomerie bei Cycloalkanen Spiegelbildisomerie Spiegelbildisomerie bei Alkanderivaten Nomenklatur von Enantiomeren Trennung von Enantiomeren Projektionsformeln von Enantiomeren Diastereomerie

71 71 72 72 72 73 73 74 74 76 77 77

9.

Arene

78

9.1 9.1.1 9.1.2. 9.2. 9.3. 9.3.1. 9.3.2. 9.3.3. 9.4. 9.5. 9.6. 9.7.

Aromatischer Zustand Der Aromatizitätsbegriff Die Hückelsche Regel Nomenklatur der Arene Elektrophile Substitution an Aromaten Elektrophile Substitution am Benzol Elektrophile Zweitsubstitution an Aromaten Dirigierende Wirkung von Substituenten Additionsreaktionen an Arenen Oxidation von Arenen Reaktionen an der Seitenkette von Alkylarenen Valenzisomere des Benzols

78 78 80 82 83 83 85 86 88 89 90 91

Inhalt

9

9.8.

Vorkommen und Darstellung von Arenen

91

9.9.

Wichtige Arene

92

10.

Spektroskopische Methoden in der organischen Chemie

94

10.1. 10.2. 10.3. 10.4. 10.4.1. 10.4.2. 10.4.3. 10.5. 11.

Übersicht UV-Vis-Spektroskopie IR-Spektroskopie NMR-Spektroskopie Verhalten von Atomen im Magnetfeld Chemische Verschiebung Spin-Spin-Kopplung Massenspektrometrie Halogenkohlenwasserstoffe

94 96 97 100 100 101 103 105 107

11.1. 11.2. 11.3. 11.4. 11.5. 11.5.1. 11.5.2. 11.6. 11.7. 11.8. 11.9. 11.10. 11.11.

Nomenklatur organischer Halogenverbindungen Physikalische Eigenschaften organischer Halogenverbindungen Spektroskopische Eigenschaften organischer Halogenverbindungen Struktur der Kohlenstoff-Halogen-Bindung Nucleophile Substitution an Alkylhalogeniden Reaktionsmechanismus und Kinetik der nucleophilen Substitution Alkylierungsreaktionen mit Alkylhalogeniden ß-Eliminierung an Alkylhalogeniden Nucleophile Substitution an nicht-aktivierten Arylhalogeniden Nucleophile Substitution an aktivierten Arylhalogeniden Polyhalogenverbindungen Darstellung von Halogenkohlenwasserstoffen Wichtige Halogenkohlenwasserstoffe

107 108 108 109 110 110 112 113 115 115 116 117 119

12.

Organometall-Verbindungen

124

12.1. 12.2. 12.3. 12.4. 12.5.

Nomenklatur und Überblick Organoalkalimetall-Verbindungen Organomagnesium-Verbindungen Organoaluminium-Verbindungen Organoblei-Verbindungen

124 125 126 126 127

13.

Hydroxyverbindungen, Ether und Ester von Mineralsäuren

127

13.1. 13.2. 13.3. 13.4. 13.5 13.6. 13.7. 13.8. 13.9. 13.10. 13.10.1. 13.10.2. 13.10.3. 13.10.4. 13.11. 13.11.1. 13.11.2. 13.11.3. 13.11.4.

Einteilung und Nomenklatur von Hydroxyverbindungen Physikalische Eigenschaften von Alkoholen und Phenolen Spektroskopische Eigenschaften von Alkoholen und Phenolen Reaktionen an der O-H-Bindung von Alkoholen und Phenolen Reaktionen an der C-O-Bindung von Alkoholen und Phenolen Oxidation von Alkoholen und Phenolen Reaktionen am aromatischen Ring von Phenolen Darstellungen von Hydroxyverbindungen Wichtige Alkohole und Phenole Ether Nomenklatur und Einteilung der Ether Physikalische Eigenschaften der Ether Reaktionen der Ether Wichtige Ether und Polyether Ester von Mineralsäuren Allgemeines Ester der Schwefelsäure Ester der Salpersäure und der salpetrigen Säure Ester der Phosphorsäure und der Thiophosphorsäuren

127 129 130 131 133 134 135 138 139 144 144 144 145 146 149 149 149 150 151

10

Inhalt

14.

Carbonylverbindungen

151

14.1 14.2. 14.3. 14.4. 14.4.1. 14.4.2. 14.4.3. 14.4.4. 14.4.5. 14.4.6. 14.5. 14.6. 14.6.1. 14.6.2. 14.6.3. 14.7. 14.8. 14.9.

Nomenklatur der Aldehyde und Ketone Physikalische Eigenschaften von Carbonylverbindungen Spektroskopische Eigenschaften von Carbonylverbindungen Nucleophile Reaktionen an Carbonylverbindungen Struktur und Reaktionsverhalten der Carbonylgruppe Reaktionstypen Nucleophile Additionsreaktionen an Carbonylverbindungen Additions-Substitutions-Reaktionen an Carbonylverbindungen Additions-Eliminierungsreaktionen an Carbonylverbindungen Reaktionen von Carbonylverbindungen mit Aromaten Reduktion und Oxidation von Carbonylverbindungen Reaktionen in a-Stellung von Carbonylverbindungen Keto-Enol-Tautomerie Knüpfen von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen Halogenierung von Carbonylverbindung und Folgereaktionen Chinone Vorkommen und Darstellung von Carbonylverbindungen Wichtige Carbonylverbindungen

152 153 153 155 155 155 156 157 159 161 162 164 165 166 169 171 172 174

15.

Carbonsäuren, Carbonsäurederivate und Kohlensäurederivate

177

15.1. 15.2. 15.3. 15.4. 15.5. 15.6. 15.7. 15.8. 15.9. 15.10. 15.11. 15.12. 15.13. 15.13.1. 15.13.2. 15.13.3. 15.14. 15.15. 15.16. 15.16.1. 15.16.2. 15.16.3.

Überblick Nomenklatur der Carbonsäuren und ihrer Derivate Physikalische und spektroskopische Eigenschaften von Carbonsäuren Acidität von Carbonsäuren Carbonylaktivität von Carbonsäuren und ihren Derivaten Carbonsäurehalogenide Carbonsäureanhydride Carbonsäureester Carbonsäureamide Nitrile Redoxreaktionen an Carbonsäuren und ihren Derivaten Reaktionen unter Abspaltung von Kohlendioxid Reaktionen in a-Stellung von Carbonsäurederivaten Claisensche Esterkondensation Malonestersynthesen Halogenierung von Carbonsäuren und Folgereaktionen Vorkommen und Darstellung von Carbonsäuren Wichtige Carbonsäuren und Carbonsäurederivate Kohlensäurederivate Übersicht Wichtige Derivate vom Typ der Kohlensäure Wichtige Derivate vom Typ des Kohlendioxids und der Cyansäure

177 178 180 181 181 182 183 184 185 186 187 188 189 189 190 191 192 194 201 201 203 207

16.

Hydroxy- und Oxocarbonsäuren

210

16.1. 16.1.1. 16.1.2. 16.1.3. 16.2. 16.2.1. 16.2.2. 16.2.3.

Hydroxycarbonsäuren Allgemeines Reaktionen von Hydroxycarbonsäuren Wichtige Hydroxycarbonsäuren Oxocarbonsäuren Vorkommen und Nomenklatur von Oxocarbonsäuren Darstellung von a-Oxo-carbonsäuren Darstellung und Reaktionen von ß-Oxo-carbonsäuren und ihren Estern

210 210 211 212 213 213 214 215

17.

Organische Stickstoffverbindungen

216

17.1. 17.2.

Überblick Nitroverbindungen

216 216

Inhalt

11

17.2.1. 17.2.2. 17.2.3. 17.2.4. 17.2.5. 17.2.6. 17.3. 17.4. 17.4.1. 17.4.2. 17.4.3. 17.4.4. 17.4.5. 17.4.6. 17.4.7. 17.4.8. 17.4.9. 17.5. 17.5.1. 17.5.2. 17.5.3. 17.5.4. 17.5.5. 17.5.6. 17.6. 17.6.1. 17.6.2. 17.6.3. 17.6.4. 17.6.5.

Nomenklatur und Struktur von Nitroverbindungen Darstellung von Nitroverbindungen Physikalische Eigenschaften von Nitroverbindungen Einfluß der Nitrognippe auf das Reaktionsverhalten des organischen Restes Reduktion von Nitroverbindungen Wichtige Nitroverbindungen Nitrosoverbindungen Amine Nomenklatur und Einteilung von Aminen Darstellung von Aminen Physikalische Eigenschaften der Amine Basizität und Acidität der Amine Elektrophile Reaktionen an Aminen Reaktionen der Amine mit salpetriger Säure Nucleophile Substitution und ß-Eliminierung an Aminen Reaktionen am Kern aromatischer Amine Wichtige Aminoverbindungen Diazo-und Azoverbindungen Definition und Nomenklatur Stabilität aromatischer Diazoniumionen Diazospaltung Reduktion von Diazoniumsalzen Kupplungsreaktionen Aliphatische Diazoverbindungen Aminosäuren Vorkommen von a-Aminosäuren Darstellung von a-Aminosäuren Eigenschaften von Aminosäuren Reaktionen der Aminosäuren Wichtige Aminosäuren

216 217 217 217 218 220 221 222 222 223 224 224 226 226 227 228 229 232 232 232 233 234 234 235 236 236 238 239 240 241

18.

Organische Silicium-, Phosphor-, Arsen- und Schwefelverbindungen

243

18.1. 18.2. 18.2.1. 18.2.2. 18.2.3. 18.3. 18.3.1. 18.3.2. 18.3.3. 18.3.4. 18.3.5. 18.3.6.

Organische Siliciumverbindungen Organische Phosphor- und Arsenverbindungen Alkyl-und Arylphosphine Organische Phosphor-Sauerstoff-Verbindungen Organische Arsenverbindungen Organische Schwefelverbindungen Überblick und Nomenklatur organischer Schwefelverbindungen Physikalische Eigenschaften und Acidität von SH-Verbindungen Reaktionen von Verbindungen mit zweibindigem Schwefel Darstellung von Sulfonsäuren Derivate der Sulfonsäuren Reaktionen an der C-S-Bindung von Sulfonsäuren

243 244 244 244 246 247 247 247 248 249 250 251

19.

Reaktionsmechanismen. Klassifizierung und bestimmende Faktoren

251

19.1. 19.2 19.2.1. 19.2.2. 19.2.3. 19.2.4. 19.3. 19.4. 19.5. 19.5.1. 19.5.2. 19.5.3. 19.6.

Allgemeine Faktoren, die den Mechanismus einer Reaktion bestimmen Reaktionstypen Ionenreaktionen Radikalreaktionen Pericyclische Reaktionen Photochemische Reaktionen Klassifizierung elektrophiler und nucleophiler Reaktionspartner Aktivierungsenergien und Energiezustand der Endprodukte Einfluß des organischen Restes und der Substituenten Sterische Einflüsse Elektronische Einflüsse Einfluß der Substituenten auf die Grenzorbitale Einfluß von Lösungsmitteln ,

251 252 253 253 254 254 254 256 257 257 258 259 260

12

Inhalt

19.7. 19.8.

Einfluß von Katalysatoren Einfluß der Orbitalsymmetrie

261 264

20.

Heterocyclische Verbindungen

265

20.1. 20.2. 20.3. 20.3.1. 20.3.2. 20.3.3. 20.3.4. 20.4. 20.4.1. 20.4.2. 20.4.3. 20.5. 20.5.1. 20.5.2. 20.5.3. 20.6. 20.6.1. 20.6.2. 20.6.3. 20.6.4. 20.7. 20.8.

Einteilung und Nomenklatur Kleine heterocyclische Systeme Fünfgliedrige Heterocyclen mit einem Heteroatom Synthesen der Ringsysteme Reaktivität der Ringsysteme Wichtige Einzelverbindungen Anellierte Ringsysteme Fünfgliedrige Heterocyclen mit mehreren Heteroatomen Synthese von Azolen Reaktivität von Azolen Wichtige Einzelverbindungen Sechsgliedrige Heterocyclen mit einem Heteroatom Pyridin und Derivate Benzopyridinderivate Pyranderivate Sechsgliedrige Heterocyclen mit mehreren Heteroatomen Diazinderivate Triazinderivate Purinderivate Pteridinderivate Größere heterocyclische Systeme Alkaloide

265 266 267 267 267 269 269 271 271 273 273 274 274 277 278 278 278 279 280 281 282 282

21.

Organische Farbstoffe

283

21.1. 21.2. 21.3. 21.3.1. 21.3.2. 21.3.3. 21.3.4. 21.3.5. 21.3.6. 21.3.7. 21.3.8.

Lichtabsorption und Farbe Färbeverfahren Farbstoffklassen Natürliche Farbstoffe Azofarbstoffe Anthrachinonfarbstoffe Indigoide Farbstoffe Polymethinfarbstoffe Photographische Bildfarbstoffe Triphenylmethanfarbstoffe Schwefelfarbstoffe

283 284 285 285 285 286 287 288 288 289 290

22.

Tenside

290

22.1. 22.2. 22.3. 22.4. 22.5.

Struktur oberflächenaktiver Verbindungen Anionaktive Tenside Kationaktive Tenside Nichtionische Tenside Amphotenside

290 291 292 293 294

23.

Synthetische organische makromolekulare Verbindungen

294

23.1. 23.1.1. 23.1.2. 23.1.3. 23.2. 23.2.1. 23.2.2. 23.2.3. 23.2.4. 23.3.

Überblick Definitionen und Nomenklatur Klassifizierung von Makromolekülen Physikalische Eigenschaften von Makromolekülen Polymerisate von Alkenen und Alkenderivaten Polymerisationsmechanismen Stereochemie von Polymerisaten Technische Durchführung der Polymerisation Wichtige Polymerisate von Alkenen und Alkenderivaten Polyester

294 294 295 296 297 297 299 300 301 305

Inhalt

13

23.4. 23.5. 23.6. 23.6.1. 23.6.2. 23.6.3. 23.7. 23.8.

Polyamide Polyurethane Phenoplaste und Aminoplaste Überblick über Duromere Phenolharze (Phenoplaste) Aminoplaste Epoxidharze Polysiloxane

306 308 308 308 309 309 310 310

24.

Kohlenhydrate

311

24.1. 24.2. 24.3. 24.3.1. 24.3.2. 24.4. 24.5. 24.5.1. 24.5.2. 24.5.3. 24.5.4. 24.5.5. 24.6. 24.6.1. 24.6.2. 24.6.3. 24.6.4.

Definition, Einteilung und Nomenklatur Physikalische Eigenschaften Struktur von Monosacchariden Konfiguration von Monosacchariden Ringstruktur der Monosaccharide Glykoside Reaktionen der Monosaccharide Reduktionsprodukte von Monosacchariden Oxidationsprodukte von Monosacchariden Reaktionen der Hydroxylgruppen Umsetzungen mit Carbonylreagenzien Reaktionen mit Basen und Säuren Oligo- und Polysaccharide Disaccharide Polysaccharide Derivate von Polysacchariden Zellstoffgewinnung. Lignin

311 312 314 314 314 316 318 318 319 320 321 322 323 323 324 326 326

25.

Lipide

327

25.1. 25.2. 25.3. 25.4.

Fette Wachse Phospholipide Prostaglandine

327 329 329 330

26.

Isoprenoide

331

26.1. 26.1.1 26.1.2. 26.1.3. 26.2. 26.2.1. 26.2.2. 26.2.3. 26.2.4. 26.2.5.

Terpene Terpene mit Kopf-Schwanz-Verknüpfung Verbindungen anderer Stoffklassen mit isoprenoider Seitenkette Terpene mit Schwanz-Schwanz-Verknüpfung Steroide Struktur und Einteilung Sterine und D-Vitamine Gallensäuren Cardenolide Steroidhormone

331 332 333 333 334 334 335 336 336 356

27.

Peptide und Proteine

338

27.1. 27.2. 27.2.1. 27.2.2. 27.3. 27.3.1. 27.3.2. 27.4. 27.5. 27.5.1. 27.5.2.

Definition, Einteilung und Nomenklatur Primärstruktur von Proteinen Strukturaufklärung Peptidsynthesen Raumstruktur von Proteinen Höhere Ordnungsprinzipien Sekundärstruktur von Proteinen Klassifizierung von Proteinen Hormone Definition, Wirkungsweise und Einteilung Von Aminosäuren abgeleitete Hormone

338 340 340 341 343 343 344 345 346 346 346

14

Inhalt

27.5.3.

Peptid-und Proteohormone

347

28.

Nucleinsäuren

348

28.1. 28.2. 28.3. 28.3.1. 28.3.2. 28.3.3. 28.4. 28.5.

Definition und Bausteine Klassifizierung der Nucleinsäuren Primärstruktur von Nucleinsäuren Strukturaufklärung Synthese von Nucleosiden und Nucleotiden Synthese von Oligonucleotiden Höhere Ordnungsprinzipien Nucleinsäuren als Träger der genetischen Information

348 349 351 351 352 353 353 355

29.

Chemie der Stoffwechselvorgänge

356

29.1. 29.2. 29.3. 29.4. 29.5. 29.5.1. 29.5.2. 29.6. 29.7. 29.8. 29.9. 29.10.

Biochemisch relevante Reaktionen Biokatalyse durch Enzyme Photosynthese Anaerober Abbau der Kohlenhydrate Biologische Oxidation Aerober Kohlenhydratabbau. Citronensäurecyclus Atmungskette Stoffwechsel der Fettsäuren Biosynthese der Isoprenoide N-Stoffwechsel von Aminosäuren Stoffwechsel der Nucleoside und Nucleotide Biosynthese der Proteine

356 357 360 362 363 363 365 366 367 368 370 371

r

Sach-und Namenverzeichnis

375