Grundlagen der organischen Chemie

Heinz Kaufmann, Alfons Hädener

Description

Etabliertes Lehrbuch seit über 20 Jahren

Didaktisch klar aufbereitetes, schnell auffindbares Grundlagenwissen

Übungsaufgaben zur Wissensvertiefung

Attraktiver Preis

Die 11. Auflage dieser etablierten Einführung wurde sorgfältig überarbeitet und erweitert. Das Buch vermittelt Studierenden der Chemie im Haupt- und Nebenfach das Verständnis für die Grundprinzipien der organischen Chemie und ermöglicht darüber hinaus auch eine Vertiefung des in der Schule gebotenen Lehrstoffes. Das bewährte Konzept, die Bindungsverhältnisse in organischen Molekülen, ihren räumlichen Bau und die grundlegenden Reaktionstypen getrennt von Nomenklatur und Systematik zu behandeln, wurde beibehalten. Metallorganische Reagenzien, Methoden der asymmetrischen Synthese und die Prinzipien katalytischer Prozesse werden ebenso berücksichtigt wie die wichtigsten Methoden zur Charakterisierung organischer Verbindungen. Eine Übersicht über eine Reihe von Naturstoffklassen vermittelt die Grundlagen zum Verständnis biochemischer Prinzipien. Zahlreiche Übungen vertiefen den Stoff und erleichtern die Selbstkontrolle.

Einleitung.- Bindungsverhältnisse in organischen Molekülen.- Isomerie.- Reaktionstypen.- Analytik.- Allgemeine Nomenklatur.- Systematik und spezielle Nomenklatur.- Lösungen zu den Übungsbeispielen.- Anhang.- Index.

Sujets

• Chimie
• Synthèse
• Science
• A
• Chemistry
• Organic chemistry
• Organic
• List of Mega Man characters
• Synthese
• Isomer
• Sciences et techniques

Informations

• Publié par: Birkhäuser Basel
• Date de parution: 21 novembre 2006
• Nombre de lectures: 0
• EAN13: 9783764374204
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 15 Mo

Extrait

Relative Atommassen

Element Symbol Ordnungs- Relative Element Symbol Ordnungs- Relative zahl Atommasse zahl Atommasse Actinium Ac 89 [227] Neodym Nd 60 144.24(3) Aluminium Al 13 26.981538(2) Neon Ne 10 20.1797(6) Americium Am 95 [243] Neptunium Np 93 [237] Antimon Sb 51 121.760(1) Nickel Ni 28 58.6934(2) Argon Ar 18 39.948(1) Niob Nb 41 92.90638(2) Arsen As 33 74.92160(2) Nobelium No 102 [259] Astat At 85 [210] Osmium Os 76 190.23(3) Barium Ba 56 137.327(7) Palladium Pd 46 106.42(1) Berkelium Bk 97 [247] Phosphor P 15 30.973761(2) Beryllium Be 4 9.012182(3) Platin Pt 78 195.078(2) Bismut(a) Bi 83 208.98038(2) Plutonium Pu 94 [244] Blei Pb 82 207.2(1) Polonium Po 84 [209] Bohrium Bh 107 [264] Praseodym Pr 59 140.90765(2) Bor B 5 10.811(7) Promethium Pm 61 [145] Brom Br 35 79.904(1) Protactinium Pa 91 231.03588(2) Cadmium Cd 48 112.411(8) Quecksilber Hg 80 200.59(2) Caesium Cs 55 132.90545(2) Radium Ra 88 [226] Calcium Ca 20 40.078(4) Radon Rn 86 [222] Californium Cf 98 [251] Rhenium Re 75 186.207(1) Cer Ce 58 140.116(1) Rhodium Rh 45 102.90550(2) Chlor Cl 17 35.453(2) Roentgenium Rg 111 [272] Chrom Cr 24 51.9961(6) Rubidium Rb 37 85.4678(3) Cobalt Co 27 58.933200(9) Ruthenium Ru 44 101.07(2) Curium Cm 96 [247] Rutherfordium Rf 104 [261] Darmstadtium Ds 110 [281] Samarium Sm 62 150.36(3) Dubnium Db 105 [262] Sauerstoff O 8 15.9994(3) Dysprosium Dy 66 162.500(1) Scandium Sc 21 44.955910(8) Einsteinium Es 99 [252] Schwefel S 16 32.065(5) Eisen Fe 26 55.845(2) Seaborgium Sg 106 [266] Erbium Er 68 167.259(3) Selen Se 34 78.96(3) Europium Eu 63 151.964(1) Silber Ag 47 107.8682(2) Fermium Fm 100 [257] Silicium Si 14 28.0855(3) Fluor F 9 18.9984032(5) Stickstoff N 7 14.0067(2) Francium Fr 87 [223] Strontium Sr 38 87.62(1) Gadolinium Gd 64 157.25(3) Tantal Ta 73 180.9479(1) Gallium Ga 31 69.723(1) Technetium Tc 43 [98] Germanium Ge 32 72.64(1) Tellur Te 52 127.60(3) Gold Au 79 196.96655(2) Terbium Tb 65 158.92534(2) Hafnium Hf 72 178.49(2) Thallium Tl 81 204.3833(2) Hassium Hs 108 [277] Thorium Th 90 232.0381(1) Helium He 2 4.002602(2) Thulium Tm 69 168.93421(2) Holmium Ho 67 164.93032(2) Titan Ti 22 47.867(1) Indium In 49 114.818(3) Ununbium Uub 112 [285] Iod I 53 126.90447(3) Ununhexium Uuh 116 (c) Iridium Ir 77 192.217(3) Ununoctium Uuo 118 (c) Kalium K 19 39.0983(1) Ununpentium Uup 115 (d) Kohlenstoff C 6 12.0107(8) Ununquadium Uuq 114 [289] Krypton Kr 36 83.798(2) Ununtrium Uut 113 (d) Kupfer Cu 29 63.546(3) Uran U 92 238.02891(3) Lanthan La 57 138.9055(2) Vanadium V 23 50.9415(1) Lawrencium Lr 103 [262] Wasserstoff H 1 1.00794(7) Lithium(b) Li 3 6.941(2) Wolfram W 74 183.84(1) Lutetium Lu 71 174.967(1) Xenon Xe 54 131.293(6) Magnesium Mg 12 24.3050(6) Ytterbium Yb 70 173.04(3) Mangan Mn 25 54.938049(9) Yttrium Y 39 88.90585(2) Meitnerium Mt 109 [268] Zink Zn 30 65.409(4) Mendelevium Md 101 [258] Zinn Sn 50 118.710(7) Molybdän Mo 42 95.94(2) Zirconium Zr 40 91.224(2) Natrium Na 11 22.989770(2)

(a) auch Bismuth, alter Name Wismut(h). (b) Lithium-Proben haben je nach Herkunft relative Atommassen zwischen 6.94 und 6.99. (c) Die Entdeckung dieser Elemente ist kürzlich widerrufen worden. (d) Über die Entdeckung dieser Elemente wurde 2004 erstmals berichtet, Daten fehlen noch. © 2001 IUPAC (vgl. auch S. 336).

A. Hädener H. Kaufmann

Grundlagen der

organischen Chemie

11., überarbeitete und erweiterte Auflage

Birkhäuser Verlag • • Basel Boston Berlin

Autoren

Dr. A. Hädener Dr. H. Kaufmann

Dieses Buch wird durch die 14. Auflage des Buches Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie von A. Hädener und H. Kaufmann, Birkhäuser Verlag, Basel, ergänzt (siehe Anzeige am Buchende).

Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbiografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.

ISBN 3-7643-7040-8 Birkhäuser Verlag, Basel – Boston – Berlin ISBN-13: 978-3-7643-7040-4

Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Weg und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbedingungen des Urheberrechts.

© 2006 Birkhäuser Verlag, Postfach 133, CH-4010 Basel, Schweiz Ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media Gedruckt auf säurefreiem Papier, hergestellt aus chlorfrei gebleichtem Zellstoff °° Umschlaggestaltung: Micha Lotrovsky, CH-4106 Therwil Printed in Germany

ISBN-10: 3-7643-7040-8 ISBN-13: 978-3-7643-7040-4

9 8 7 6 5 4 3 2 1

e-ISBN-10: 3-7643-7420-9 e-ISBN-13: 978-3-7643-7420-4

http://www.birkhauser.ch

Vorwort

Die bewährte, knappe und anschauliche Einführung in die Grundlagen der organischen Chemie liegt nun in der 11. Auflage vor. Nachdem der Text und die Gestaltung bereits für die 10. Auflage umfassend revidiert worden waren, berücksichtigt die Neuauflage in erster Linie die weiter zunehmende Bedeu- tung stereochemischer Aspekte. Allen Leserinnen und Lesern, die durch ihre Anregungen zur Verbesserung des Textes und der Abbildungen beigetragen haben, sind wir zu Dank verpflichtet. Die wichtigsten Neuerungen der 11. Auflage sind nachfolgend zu- sammengefasst.

Die Kapitel über die Stereoisomerie (Kapitel 3.2) und die stereoche- mische Nomenklatur (Kapitel 6.5) sind ergänzt, übersichtlicher ge- staltet und um ein Unterkapitel über stereoselektive Reaktionen (Ka- pitel 3.2.10) erweitert worden. Begriffe wie „Enantiomerenüber- schuß“, „asymmetrische Synthese“ und „chiral pool“ werden erklärt und mit Beispielen illustriert.

Die enantioselektive Hydrierung von Alkenen (vgl. Kapitel 4.4.1), die kinetisch kontrollierte Aldolreaktion (vgl. Kapitel 4.5.2) und die Epo- xidierung nach S HARPLESS (vgl. Kapitel 4.8.3) werden als Beispiele wichtiger stereoselektiver Reaktionen beschrieben.

Die Bedeutung chiraler Katalysatoren für die organische Synthese wird mit einschlägigen Beispielen illustriert. Ein neues Kapitel über enzymkatalysierte Reaktionen (Kapitel 4.16) fasst die Theorie der en- zymatischen Katalyse anhand der M ICHAELIS -M ENTEN -Gleichung zu- sammen und dürfte Studierende der Chemie, Biochemie und Biolo- gie gleichermaßen interessieren.

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Inhaltsverzeichnis

Die Zahl der Übungsbeispiele, die zur aktiven Mitarbeit und Selbst- kontrolle anhalten sollen, ist erhöht worden. Der Index bleibt aus- führlich und ist benutzerfreundlich optimiert.

Allen an der Neuauflage beteiligten Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Birkhäuser-Verlages danken wir für die angenehme Zusammenarbeit.

Basel, im Juli 2006

Aus dem Vorwort zur 10. Auflage

Alfons Hädener Heinz Kaufmann

Der Text setzt einige Grundkenntnisse der allgemeinen Chemie voraus, etwa im Rahmen der „Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie“, die vom gleichen Autoren-Team ebenfalls beim Birkhäuser Verlag herausge- geben werden. Wie bisher liegt der Schwerpunkt dieser kurzen Einführung in die or- ganische Chemie auf der Behandlung der theoretischen Grundlagen. Nach ei- ner eingehenden Besprechung der Bindungsverhältnisse in organischen Ver- bindungen werden im Kapitel "Isomerie" die räumlichen Strukturen der Mo- leküle behandelt. Kapitel 4 fasst die wichtigsten organisch-chemischen Reaktionen auf Grund ihres Mechanismus in verschiedenen Reaktionstypen zusammen. Die- se Darstellungsweise erscheint besonders geeignet, das Verständnis für die Grundprinzipien der organischen Chemie zu vermitteln und es dem Leser zu ermöglichen, später in speziellere Gebiete einzudringen oder neue Entwick- lungen zu verstehen. Neu aufgenommen wurde das Kapitel „Analytik“, in dem neben der Elementaranalyse nun auch die wichtigsten für die Strukturaufklärung orga- nischer Verbindungen in der täglichen Laborpraxis eingesetzten spektrosko- pischen Methoden kurz vorgestellt werden. Der bisherige Abschnitt „Systematik und Nomenklatur“ wurde auf- geteilt und stark erweitert. Kapitel 6 behandelt die wichtigsten Grundregeln zur Benennung organischer Verbindungen. In Kapitel 7, „Systematik und spe- zielle Nomenklatur“ werden für alle Stoffklassen neben Hinweisen auf deren Nomenklatur und spezielle physikalisch-chemische Eigenschaften auch die

VI

Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie: Kaufmann/Hädener

wichtigsten synthetischen Zugangswege aufgeführt. Bei den Naturstoffen ist der Teil „Peptide und Proteine“ neu geschrieben und ein neuer Abschnitt über Nucleinsäuren angefügt worden. Damit soll der Zugang zur Biochemie und Molekularbiologie erleichtert werden. Auch bei einem logischen Aufbau des Lehrstoffs läßt es sich nicht vermeiden, daß ab und zu Begriffe vorkommen, die im Buch erst später be- handelt werden. Um dem Leser das Nachschlagen derartiger Begriffe, aber auch den Rückgriff auf schon gelesene Abschnitte zu erleichtern, sind im Text zahlreiche Querverweise eingesetzt und am Schluß ein ausführlicher Index angefügt worden. Zahlreiche Übungen ermuntern zur aktiven Mitarbeit und Selbstkontrolle. Hinweise auf ausgewählte weiterführende Literatur sollen Interessierten die Vertiefung von Spezialgebieten erleichtern. Das Buch richtet sich an Studierende der Naturwissenschaften und der Medizin in den ersten Semestern an Universitäten und Fachhochschulen; es dürfte besonders auch bei Examensvorbereitungen gute Dienste leisten. Auch interessierten Gymnasiasten kann es für die Vertiefung des im Unter- richt Gehörten von Nutzen sein.

Basel, im August 1996

Heinz Kaufmann

VII

1

Inhaltsverzeichnis

.

1.1

1.2

1.3

2

.

2.1

2.2

2.3

2.4

Einleitung

Definition der organischen Chemie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Unterschiede zwischen anorganischen und organischen Verbindungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Sonderstellung des Kohlenstoffs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Bindungsverhältnisse in organischen Molekülen

Der vierbindige Kohlenstoff. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Atomorbitale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Elektronenpaarbindungen, Molekülorbitale . . . . . . . . . . . . 3 2.1.3 Das Methanmolekül,sp-Hybridisierung . . . . . . . . . . . . . . 2.1.4 Ketten und Ringe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.5 Polarisierte Bindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 sp-hybridisierter Kohlenstoff, Doppelbindungen. . . . . . . . . . 2.2.1 m - und / . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .-Bindungen . 2.2.2 Mesomerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Kohlenstoff-Ionen und Radikale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

sp-hybridisierter Kohlenstoff, Dreifachbindungen. . . . . . . . . .

Vergleich der Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen. . . . . 2.4.1 Bindungslängen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2s- undp-Charakter von Bindungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3 Bindungsstärken, Überlappungsfähigkeit . . . . . . . . . . . . .

1

1

2

3

5

5 5 6 7 10 12

13 13 15 17

19

20 20 21 22

IX

2.5

2.6

2.7

3

.

3.1

3.2

3.3

3.4

X

Bindungsverhältnisse bei Stickstoff und Sauerstoff. . . . . . . . .

Moleküle mit mehreren Doppelbindungen. . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.1 Konjugierte Doppelbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.2 Kumulierte Doppelbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.3 Aromatische Verbindungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Der aromatische Zustand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die H ÜCKEL -Regel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aromatische Heterocyclen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Substituierte aromatische Verbindungen. . . . . . . . . . . . . . . 2.6.4 Weitere Beispiele für mesomeriestabilisierte Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Die Molekülorbital-Theorie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.1 Bindende und antibindende Molekülorbitale . . . . . . . . . . . 2.7.2 Molekülorbitale von 1,3-Butadien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.3 Molekülorbitale von Benzol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Isomerie

Konstitutionsisomerie

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Stereoisomerie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Stereoisomerie an Doppelbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Chiralität und optische Aktivität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Racemate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4 Moleküle mit mehreren asymmetrischen C-Atomen . . . . . 3.2.5 Änderung der Konfiguration an asymmetrischen C-Atomen bei chemischen Reaktionen. . . . . . . . . . . . . . . 3.2.6 Relative Konfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.7 Absolute Konfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.8 Spiegelbildisomerie ohne asymmetrisches C-Atom. . . . . . 3.2.9 Trennung von Racematen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.10 Stereoselektive Reaktionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Konformation aliphatischer Verbindungen. . . . . . . . . . . . . . . .

Stereochemie der alicyclischen Verbindungen. . . . . . . . . . . . .

23

24 24 25 25 25 28 30 31

32

34 36 38 40

4

3

44

46 46 49 51 51

53 54 55 56 57 58

60

63

Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie: Kaufmann/Hädener

3.5

4

.

4.1

4.2

4.3

3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5

B AEYER ’sche Ringspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die P ITZER -Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konformationen von Cyclohexanderivaten . . . . . . . . . . . . cis-trans-Isomerie bei alicyclischen Verbindungen. . . . . . . Polycyclische Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Übungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Reaktionstypen

Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Reaktionsmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Formelmäßige Darstellung von Reaktions- mechanismen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Radikalreaktionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Polare Reaktionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Intramolekulare und intermolekulare Reaktionen. . . . . . . . . 4.1.3 Nucleophile und elektrophile Reagenzien . . . . . . . . . . . . . 4.1.4 Substituenteneinflüsse: Induktive und mesomere Effekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63 64 65 67 70

73

7

5

75 75

76 76 77 77 78

79

Nucleophile Substitutionsreaktionen86. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Kinetik der nucleophilen Substitution . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.2.2 Die S 2-Reaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 N Stereochemie der S 2-Reaktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 N Struktur und Reaktivität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Qualität der nucleofugen Gruppe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Qualität des Nucleophils. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Qualität des Lösungsmittels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.2.3 Die S 1-Reaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 N Stereochemie der S 1-Reaktion98. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . N Struktur und Reaktivität99. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 S 1- und S 2-Reaktionen im Vergleich . . . . . . . . . . . . . . . 101 N N

Eliminierungsreaktionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Die E1-Reaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Die E2-Reaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3 Eliminierung und Substitution als Konkurrenzreaktionen . . 4.3.4 S AYTZEFF - undH OFMANN -Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

102 102 103 105 106

XI