Für das Hauptfach Chemie z.B.

• Christen, Vögtle: Grundlagen der Organischen Chemie, Salle+Sauerländer
• Beyer, Walter: Lehrbuch der Organischen Chemie, S.Hirzel Verlag
• Morrison, Boyd: Lehrbuch der Organischen Chemie, VCH
• Vollhardt: Organische Chemie, VCH
• Streitwieser, Heathcock: Organische Chemie

• Hart: Organische Chemie, VCH
• Latscha, Klein: Organische Chemie, Springer
• C.E.Mortimer: Chemie

Christen, Vögtle: Grundlagen der Organischen Chemie, Salle+Sauerländer

• P.W.Atkins: Physikalische Chemie
• B.Testa: Grundlagen der organischen Stereochemie

• Tieke: Makromolekulare Chemie
• K.Weissermel, H.-J.Arpe: Industrielle Organische Chemie

Die Experimente und Demonstrationen dienen zur Vertiefung und weisen nachdrücklich auf den experimentellen Charakter der Chemie hin. Sie sind in die Vorlesungsmitschrift mit aufzunehmen und gegebenenfalls in angemessener Form zu erläutern.

Die hier behandelten Verbindungsklassen der Organischen Chemie

• Alkane, Cycloalkane, Alkene, Alkine
• Aromaten und Heteroaromaten
• Halogenverbindungen, Alkohole, Phenole, Ether, Sulfide
• Aldehyde und Ketone
• Carbonsäuren und Derivate
• Fette und Detergentien
• Amine
• Kohlenhydrate
• Aminosäuren und Peptide
• Nucleotide und Nucleinsäuren

• CC-Doppelbindung, CC-Dreifachbindung
• Hydroxygruppe, Enol-Funktion, Ether-Funktion, Halogensubstituenten
• Carbonylgruppe und ihre Kombinationen mit OH, OR, Hal, NH₂, O(CO)R, R = Alkyl, Aryl, Acylgruppen R(CO)
• Hydrat-, Halbacetal-, Acetal-Funktionen
• Amino-, Hydroxylamino-, Hydrazo-, Ammonium-Funktionen
• Nitrilgruppen
• Nitroso-, Nitro-, Nitrit-, Nitrat-Funktionen
• Azo-, Diazonium-Funktionen
• Hydrazon-, Oxim-, Imin-Funktionen
• Thiol-, Thioether- (Sulfid-), Disulfid-Funktion
• Sulfoxid-, Sulfon-, Sulfonsäure-Funktion

Monocyclen, Bicyclen, Tricyclen etc.

"Ankondensierte", anellierte Ringsysteme

Gesättigte, ungesättigte und aromatische Heterocyclen

Bindigkeit, Oxidationsstufe, formale Atomladung, Ionenwertigkeit

• Isolierung der reinen Substanz
• Qualitative Elementaranalyse
• Quantitative Elementaranalyse
• Bestimmung der molaren Masse ("Molekulargewicht"), Massenspektrometrie

C-Atom:

Grundzustand, angeregter Zustand, Valenzzustand, Hybridisierungskonzept, Atomorbitale (1s,2s,2p, Haupt (n)- und Nebenquantenzahlen (l), Zahl der Knotenflächen (sphärisch [n-l] und nicht-sphärisch [l]), Gestalt eines sp³ Hybridorbitals

Moleküle:

Bindende und antibindende Molekülorbitale durch Interferenz von Psi-Atom-Funktionen, Beispiele für H-H, C-C, C-H

Bau der Alkane: Bindungslänge, Bindungswinkel, Bindungsenergie

Begriffe: Isomere, Homomere, Kongruenz, hierarchischer Aufbau der Isomerieunterarten

• Isomere « Homomere
• Stereoisomere « Konstitutionsisomere (Positionsi., Tautomere, Valenzi.)
• Diastereomere « Enantiomere
• Konfigurationsi. « Konformationsi.

.

Beispiele für Konstitutionsisomere (Positionsisomere, Tautomere, Valenzisomere)

Beispiele für Stereoisomere: Diastereoisom. (Konfig.isom., Konform.isom.), Enantiomere (Konfig.isom., Konform.isom)

Der Dihedralwinkel (Diederwinkel): Energie vs. Dihedralwinkel – Diagramme für Ethan, n-Butan, Nomenklatur der Konformere (syn-periplanar etc.), Newman-Projektionen, Sägebock-Darstellungen, Keilstrichschreibweisen

Reaktionen: Verbrennung, Halogenierung, Sulfochlorierung, Pyrolyse

Synthesen: Kolbe, Wurtz

Photochemie: Absorption, UV-Vis-Spektrum, Lambert-Beer-Gesetz (E, e , c, d), Energie von 1 Mol Photonen der Wellenlänge l /nm

Energieprofildiagramme: Energie (Enthalpie oder freie Enthalpie) vs. Reaktionskoordinate, Aktivierungsenergie (Arrhenius), Energieunterschied von Edukt und Produkt (D H oder D G)

Substitution: radikalische Substitution (S_R2 oder S_H2)

Konformationen, Konformere (3-, 4- , 5-, 6-Ring), Geometrie, Ringinversion (Vergleich mit NH₃), Substituenten am Cyclohexanring: equatorial und axial, Verbrennungswärmen pro CH2-Gruppe in kcal/mol oder kJ/mol, Spannungsdefinition (Ringspannung oder Baeyer-Spannung, Torsionsspannung oder Pitzer-Spannung, van der Waals – Spannung, repulsive Effekte

Das sp²-hybridisierte C-Atom, die C=C-Doppelbindung, p - und p *- Molekülorbitale, Geometrie der Doppelbindung

Electrophile Additionen an die C=C: Brom-Addition etc., Markownikow-Regel

Bildung von Carbenium-Ionen: Carbokationen, Carboniumionen, Stabilität der Carbeniumionen, Hyperkonjugation (+M-Effekt von Alkylgruppen), +I-Effekt von Alkylgruppen, sterischer Effekt von Alkylgruppen

Cis-Additionen: KMnO₄

Cis-trans-Isomerisierung (photochemisch oder thermochemisch), Bedeutung für den Sehprozess (Photorezeptor ist das Diterpen Retinal im Rhodopsin)

Butadien und Diels-Alder-Reaktion (Cyclopentadien)

Das sp-hybridisierte C-Atom, p - und p *- Molekülorbitale einer Dreifachbindung

Allen (Konstitutionsisomer zum Methylacetylen) und die kumulierten C=C, Stereochemie von Allen, Bildungswärme von Acetylen, Verbrennung, Synthesen (1. Aus CaC₂, 2. Aus CH₄), Salzbildung, Acidität verglichen mit Ethan und Ethylen, Elektronegativität von hybridisierten C-Atomen

Die drei besetzten Molekülorbitale des Benzols (Benzens)

Kékulé-Grenzstrukturen

Bindungslängen

Mesomeriestabilisierung aus Hydrierungsenthalpien

Regeln zur Mesomerie

Die Hückel-Regel

• Halogenierung
• Sulfonierung
• Nitrierung
• Alkylierung und Acylierung
• Ferner: Azokupplung, Formylierung nach Vilsmeier-Haack
• Mechanismus und angreifende Electrophile
• Effekte eines Erstsubstituenten auf die Zweitsubstitution (Orientierung)

Seitenkettenbromierung in Toluol

Die heterocyclischen Aromaten Furan, Pyrrol, Thiophen und Pyridin und ihre Elektronenstruktur (Hybridisierung der Heteroatome, lone pairs etc)

Struktur, einsame Elektronenpaare oder lone pairs (1.Modell: p und ca. sp² oder 2.Modell: 2mal ca. sp³), mehrwertige Alkohole

Darstellung:

• SN2-Reaktion (5-bindiger C im Übergangszustand mit 4e,3z-Bindung) von R-X mit OH^-
• Alkoholische Gärung
• Methanol aus CO und H₂
• H⁺ katalysierte Addition von Wasser an C=C

Eigenschaften

• Saure und basische Eigenschaften
• Carbeniumionenbildung (S_N1) vs. Direkte Substitution (S_N2)
• Dehydratisierung, Eliminierung (1,2-E., b -E.)
• Dehydrierung mit O₂ u.a. Oxidationsmitteln wie Dichromat etc., Formulierung von Redoxgleichungen
• Nachweis der gebildeten Aldehyde und Ketone mit Hydrazinen, Hydroxylamin, Semicarbazid, Aminen unter Bildung von Hydrazonen, Oximen, Semicarbazonen, Azomethinen (Schiff-Basen, Imine)

Beispiele für wichtige Alkohole:

Menthol (Terpenalkohol), Ethylenglykol, Glycerin, Milchsäure (OH-Gruppen diskutieren!), Glucose (OH-Gruppen diskutieren!)

Struktur, einsame Elektronenpaare oder lone pairs, saure Etherspaltung, Autoxidation, Synthesen (1.aus Alkoholen mit Säuren, 2. Nach Williamson)

Beispiele für wichtige Ether:

Diethylether, Tetrahydrofuran, Oxiran (Ethylenoxid), 1,4-Dioxan, t-Butyl-methyl-ether, Tetrachlordibenzodioxin (TCDD)

Phenole als Säuren, pKs-Werte von para-Me, -J, -F, -OMe, -CN, -NO₂

Vergleich der drei Isomeren o-, m-, p-Nitrophenol (Acidität, Wasserdampfflüchtigkeit)

Reaktionen:

Electrophile Substitution

Polykondensation mit Formaldehyd (Phenoplaste, Bakelite)

Synthesen:

Raschig-Hooker (Oxychlorierung mit HCl + O₂, dann Cl-OH Austausch)

Hock (aus Cumol)

Beispiele für wichtige Phenole:

Hydrochinon, Resorcin, Brenzcatechin (Catechol), Pyrogallol, Phloroglucin, Phenolphthalein, Adrenalin, Flavonoide

Basizität der Amine, pK_S und pK_B – Werte von Ammoniak, Methylamin, Dimethylamin, Trimethylamin, Anilin

Eliminierung von Ammoniumverbindungen zu Olefinen (Hoffmann-E.)

Reaktion von Aminen mit salpetriger Säure: Unterschied zwischen primären, sekundären und tertiären Aminen, Mechanismus, Toxikologie, aliphatische Diazoniumionen

Mesomerie bei Vinylaminen (Enaminen) durch +M-Effekt

Beispiele für wichtige Amine:

Cholin, Acetylcholin, Aminosäuren, Adrenalin, Alkaloide (Chinin, Morphin, Atropin, Cocain)

Zirkulardoppelbrechung (Drehung der Polarisationsebene von linear pol. Licht), Polarimeter, Polarisator, Analysator, Nicolsches Prisma, spezifische Drehung

Keine Drehspiegelachse (keine Spiegelebene, kein Inversionszentrum), asymmetrisches C-Atom, Chiralitätszentrum (stereogenes Atom), Enantiomere, racemische Gemische (Racemform), Racemat (nur im Festkörper)

(+)-, (-)-, mesoWeinsäure und Traubensäure

Fischer: D-Glycerinaldehyd als Bezugssubstanz, Fischer-Projektionen

Cahn-Inglod-Prelog (CIP): Sequenzregeln, Priorität, absolute Konfigurationsbenennung

1. Ethanol/Wasser + AgNO₃ und 2. In Aceton mit NaJ

für n-Alkyl-, sek-Alkyl-, t-Alkyl-, Aryl- und Triarylmethylhalogenide

• S_N1 und S_N2 Mechanismen
• Energieprofildiagramme
• Zeitgesetze mit Reaktionsordnung
• Stereochemie bei S_N1 (racemische Gemische oder Verhältnis Inversion/Retention ¹ 50/50) und S_N2 (Inversion [Konfigurationsumkehr, Waldensche Umkehr] bei cyclischen Verbindungen und bei Chiralitätszentren)

Magnesiumorganische Verbindungen (Grignard-Verbindungen)

Lithiumorganische Verbindungen

Siliciumorganische Verbindungen

Mg (Li) und R-Br in Ethern (Et₂O, THF)

Struktur der Grignard-Verbindungen: Monomer, dimer, oligomer (Einfluß des Solvens beachten!), Polarität der Metall-Kohlenstoff-Bindung, Me-Li bildet Tetramere

• Mit Wasser oder anderen Brönsted-Säuren (pk_S beachten)
• Mit Cyclopentadien
• Mit Carbonylverbindungen wie Aldehyden, Ketonen, Estern, CO₂, Kohlensäurediethylester (Diethylcarbonat)
• Anwendung auf die Darstellung von Kristallviolett aus p-Dimethylamino-phenyl-magnesiumbromid und Diethylcarbonat

Oxidationsstufen des Kohlenstoffs der C=O Gruppe

Molekülorbitalmodell der C=O Gruppe (p -, p *-, n-Orbitale, np *-Anregung bei ca. 300 nm)

Tollens-Reaktion mit Aldehyden

Fehling-Reaktion

Hydrat-Bildung

Halbacetal- und Acetal-Bildung

Hydrogensulfit-Addukt-Bildung

Autoxidation des Benzaldehyds mit UV-Licht (ca. 300 nm)

Cis-trans-Isomerisierung des Retinals (Vitamin-A-Aldehyd) im Sehprozess (der Aldehyd liegt im Rhodopsin als protonierte Schiff-Base vor)

von Aldehyde und Ketonen mit Hydrazinen, Hydroxylamin, Semicarbazid, Aminen unter Bildung von Hydrazonen, Oximen, Semicarbazonen, Azomethinen (Schiff-Basen, Imine)

Carbonsäuren sind primäre Oxidationsprodukte der Aldehyde

Carbonsäuren und Carboxylat-Anionen, pK_S-Werte, Bindungslängen der C-O Bindung, Mesomeriestabilisierung im Carboxylat-Anion, das Carboxylat-Anion als delokalisiertes Drei-Zentren-4p -System, Namen der Carbonsäuren von C₁ bis C₅, höhere Carbonsäuren mit C₁₆ und C₁₈

Struktur, Bestandteile, Löslichkeit, Bedeutung. Fetthärtung, Fettspaltung

Struktur, Detergentien, Tenside, grenzflächenaktive Stoffe, amphiphile Verbindungen, hydrophile Gruppen, hydrophobe Gruppen, anionenaktive Verbindungen (Seifen, n-Alkylbenzolsulfonate), kationenaktive Verbindungen (Invertseifen), Micellen, Kalkseife, biologisch abbaubare Waschmittel

Halogenide

Anhydride

Ester

Amide

Nitrile

Ortho-Ester

Halogenide, Anhydride, Aldehyde, Ketone, Ester, undissoziierte Carbonsäuren, Amide, Carboxylat-Anionen (mit Substituenteneffekten diskutieren: +M, +M_HK, -M, +I, -I, sterisch)

Erlenmeyer-Regel mit Ausnahmen

Henderson-Hasselbalch-Gleichung, Pufferungskurven

Oxidation von Aldehyden (diverse Oxidationsmittel)

Photochemische Autoxidation von Aldehyden zu Carbonsäuren (Benzaldehyd)

Jodoformreaktion

Oxidation von Ketonen mit starken Oxidationsmitteln wie Persäuren zu Estern

Saure und basische Katalyse

Besondere Ester (z.B. (Thio)Phosphorsäureester, Phosphonsäureester, Insektizide, Nervengifte, Kampfstoffe)

Carbaminsäure, Urethane (Carbamate), Harnstoff, Ester, Isocyanate, Cyanate, Phosgen

Nitrate ("Nitroglycerin", Schießbaumwolle, Dynamit)

Claisen-Esterkondensation, Retro-Claisen-Reaktion (Säurespaltung)

Keto-Enol-Tautomerie

Protonierung der ambidenten Anionen von Ketocarbonsäureestern

Nachweis von Enolformen (Fe(III)-Komplexe, Bromtitration nach K.H.Meyer, moderner: IR, NMR)

Zerfall freier b -Ketocarbonsäuren (Ketonspaltung)

Retro-Aldol-Reaktion

Bedeutung für die Synthese von Hydroxycarbonsäuren

Küpenfarstoffe, Leukoform

Direkt aufziehende, substantive Farbstoffe

Azofarbstoffe, Synthese

Triarylmethanfarbstoffe, Auxochrome (Kristallviolett, Malachitgrün etc)

Indikatoren (Phenolphthalein, Methylorange, Kongorot etc)

Blankophore, optische Aufheller, Weißmacher

Fluoreszenz

NIR (nahes Infrarot) Farbstoffe, Informationsspeicherung

Lichtsammelfarbstoffe (Kollektorfarbstoffe, Perylene)

Phenylkation (Struktur, Erzeugung, Reaktivität)

p-Benzochinon, o-Benzochinon, Anthrachinon, Vitamin K, Ubichinon, Alizarin

Reduzierte Formen: Hydrochinone, Brenzkatechine (Catechole)

Redoxgleichungen, Oxidationsmittel

Nernst-Gleichung, pH-Abhängigkeit

Chinhydron, CT-Komplexe

Semichinone, Paramagnetismus, ESR

Spezielle Phenol-Formaldehyd-Kondensate (Wofatite, Amberlite, Dowex), Aminoplaste (z.B. m-Phenylendiamin-Formaldehyd-Kondensate oder Harnstoff-Formaldehyd-Kondensate)

Austausch-Gleichgewichte

Anwendung

Definition, Chiralitätszentren, Zahl der Stereoisomere

Osazonbildung

Umwandlung von D-Glucose in D-Fructose über das Osazon

Haworth-Darstellung (Haworth-Projektionen)

Sesselform-Darstellung, a - und b -Glucose

Spezifische Drehung, Mutarotation

Pyranosen, Furanosen

Disaccharide: Saccharose, Maltose, Cellobiose, Lactose

Polysaccharide: Amylose, Amylopektin, Cellulose

Vitamin C aus D-Glucose

Gleichgewichte in Lösung, Ladungszustand, pK_s-Werte, pI-Wert

Zwitterionische Formen, isoelektrischer Punkt

Stereochemie: Fischer-Projektion, D- und L-Nomenklatur, R- und S-Nomenklatur

Präbiotische Bildung von Aminosäuren

Strecker-Synthese

Cyanhydrine

Glutaminsäuresynthese technisch mit CO, H₂, Kat., Natrium-Glutamat, racem. Gemisch

Thalidomid

EDTA (Strecker-Synthese, Bedeutung)

Murexid, Barbitursäure

Komplexometrie

Cu-Komplexe

Ninhydrin-Farbreaktion

Aminosäuren als Bestandteile von Antibiotica: Penicillin G

Peptidbindung

Peptidsynthese: Aminoschutzgruppe (Benzyloxycarbonyl, t-Butyloxycarbonyl), COOH-Schutzgruppe (t-Butyl), COOH-Aktivierung (Halogenid, p-Nitrophenyl, Azid, Dicyclohexylcarbodiimid), S_N2t

Synthese eines Dipeptids

Festphasenpeptidsynthese nach Merrifield

Aufbau und Struktur

RNS, DNS

b -D-Ribose, b -D-2-Desoxyribose

Basisheterocyclen: Pyrimidin, Imidazol, Purin

Abgeleitete Heterocyclen: Cytosin, Uracil, Thymin, Adenin, Guanin

Doppelhelix

Wasserstoffbrückenbindung

Präbiotische Bildung

Weitere verwandte Heterocyclen: Barbitursäure und Derivate (Luminal, Evipan), Harnsäure, Coffein

Konsequenzen der Struktur: Basenstapelung, Intercalation

Atebrin, Ethidiumbromid u.a.

Thymin-Photodimerisierung

AZT, Retrovir, Retroviren

Isopentenyldiphosphat, Carbeniumionen, Dimethylallyldiphosphat

Geranyldiphosphat

Menthol, Campher

Diterpene (Vitamin A, Vitamin A-Aldehyd Retinal, Sehpigment), Tetraterpene (Carotinoide), Steroide: Squalen und Lanosterol

Potentialkurven

Oxalsäurederivate

Chlor und alkalisches H₂O₂, Singulettsauerstoff

Luminol