Nomenklatur

1. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Quelle: focus.de Quelle: oldskoolman.de Die einfachste Verbindungsklasse in der Organischen Chemie sind die Kohlenwasserstoffe. Ihre Ursprungsquelle ist das Erdöl und ihr Hauptanwendungsgebiet der Antrieb in Verbrennungsmotoren. Sie enthalten, wie der Name bereits andeutet, ausschließlich Atome der Elemente Kohlenstoff und Wasserstoff.

2. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Proton Neutron Kern eines Kohlenstoffatoms (Isotop 12C) Jedes Kohlenstoffatom enthält in seinem Kern sechs positiv geladene Elementarteilchen, die sog. Protonen. Die Anzahl an Protonen im Kern, auch Ordnungszahl genannt, ist charakteristisch für ein Element. Die überwiegende Mehrzahl der C-Atome, nämlich knapp 99%, enthält zusätzlich dazu sechs elektrisch neutrale Elementarteilchen, die sog. Neutronen. Die sechs Protonen plus sechs Neutronen entsprechen zwölf Elementarteilchen im Kern und charakterisieren das Kohlenstoff-Isotop 12C. Die beiden anderen Isotope des Kohlenstoffs haben in ihren Kernen neben den sechs Protonen sieben (Isotop 13C) bzw. acht Neutronen (Isotop 14C; radioaktiv).

3. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Kern eines Kohlenstoffatoms (Isotop 12C) Kern eines Wasserstoffatoms (Isotop 1H) = Proton Jedes Wasserstoffatom enthält in seinem Kern ein einziges Proton. In der überwiegenden Anzahl der Wasserstoffkerne ist dies das einzige Elementarteilchen ( Isotop 1H). Nur sehr wenige H-Atome (ca. 0,015%) haben in ihrem Kern zusätzlich zu dem einen Proton noch ein Neutron ( Isotop 2H = Deuterium = schwerer Wasserstoff). Extrem selten kommt es vor, daß ein Wasserstoffatom neben dem einen Proton zwei Neutronen im Kern hat. In diesen Fällen liegt das radioaktive Isotop 3H vor (= Tritium = überschwerer Wasserstoff).

4. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Kern eines Kohlenstoffatoms Einer der Inhaltsstoffe von Leichtbenzin ist das sog. n-Pentan, ein Kohlenwasserstoff mit fünf Kohlenstoffatomen. Zur Konstruktion des Grundgerüsts dieses Kohlenwasserstoffs ordnen wir zunächst die Kerne der fünf Kohlenstoffatome in einer Kette an – zweckmäßig ist dabei eine Anordnung im Zick-Zack-Muster.

5. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Bei der Wiedergabe dieser Kohlenstoffkette auf dem Papier (oder dem Monitor) bedienen wir uns der entsprechenden Elementsymbole. Im Fall des Elements Kohlenstoff ist dies der Buchstabe „C“.

6. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Die Kerne der fünf Atome der Kohlenstoffkette werden durch jeweils ein Paar von Bindungselektronen zusammengehalten. Diese Bindungselektronen werden hier durch kleine Punkte in der Mitte zwischen den Atomkernen wiedergegeben. Wir müssen allerdings bedenken, daß diese Darstellung nicht den tatsächlichen Größendimensionen entspricht. Der besseren Wiedergabe wegen sind hier die Kerne und Elektronen in Relation zu ihrem Abstand zueinander in einem deutlich vergrößerten Maßstab wiedergegeben.

7. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur In der Wiedergabe auf dem Papier hingegen verbinden wir die Elementsymbole der C-Atome mit jeweils einem Strich. Dieser Strich stellt in der von Gilbert Newton Lewisentwickelten Schreibweise ein Elektronenpaar dar. Verbindet ein Strich wie im vorliegenden Fall zwei Elementsymbole (hier jeweils zwei „C“), so spricht man von einem Bindungselektronenpaar (es gibt auch Elektronenpaare, die einem Atom alleine zugeordnet sind und nicht zur Verknüpfung zweier Atomkerne dienen; dies sind die sog. freien Elektronenpaare). Befindet sich zwischen zwei Elementsymbolen nur ein einziger Strich (wie hier), dann sprechen wir von einer Einfachbindung. Natürlich ist die hier oben angegebene Struktur noch nicht vollständig!! Lassen Sie sie in einer Klausur auf keinen Fall so stehen! Denn: die Angabe des Elementsymbols für Kohlenstoff erfordert zwingend auch die Angabe der Elementsymbole der mit dem Kohlenstoff verknüpften Bindungspartner …

8. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur … wie in diesem Fall dem Wasserstoff. Beachten Sie: C ist vierbindig, H ist einbindig!! Die C-Atome an den Enden der Kette, die mit einem weiteren C-Atom verknüpft sind, bilden demnach drei weitere Einfachbindungen zu H-Atomen aus. Die übrigen C-Atome haben noch zwei sog. Valenzen für Einfachbindungen zu H-Atomen.

9. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Kern eines Wasserstoffatoms (= Proton) Diese Abbildung zeigt uns die fünf C-Atomkerne und die zwölf H-Atomkerne im Molekül des n-Pentan sowie die insgesamt 32 (= 2 x 16) Bindungselektronen.

10. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Um Platz und Zeit zu sparen, können wirdie Striche zwischen den C- und den H-Atomen weglassen, was die oben gezeichnete Struktur ergeben würde …

11. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur … die man aber üblicherweise in gestreckter Form zeichnet, wie in der unteren Struktur wiedergegeben.

12. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Ein Maximum an Zeit und Platz sparen Sie aber, wenn Sie sich frühzeitig die Skelettschreibweise der Organischen Chemie zur Gewohnheit machen. In dieser „chemischen Stenographieschrift“ werden zum einen die Elementsymbole für Kohlenstoff weggelassen und das gesamte Kohlenstoffgerüst als Zick-Zack-Kette wiedergegeben.

13. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Zum anderen werden, wie die abgebildete Skelettstruktur zeigt, sämtliche Bindungen von C-Atomen hin zu H-Atomen weggelassen und somit auch auf das Elementsymbol „H“ verzichtet. Achtung!! Dieses „Weglassen“ gilt nur für die H-Atome, die mit einem C-Atom verknüpft sind! Ist ein H-Atom mit einem O-Atom, einem N-Atom oder einem S-Atom verbunden, so muß es selbstverständlich auch in der Skelettschreibweise angegeben werden!

14. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Die Enden einer solchen Zick-Zack-Kette entsprechen CH3-Gruppen, …

15. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur … die „Zacken“ zwischen den Enden einer solchen Kette entsprechen CH2-Gruppen.

16. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Zweigt von einem der „Zacken“ ein sog. Alkylrest ab (= ein Kohlenwasserstoffrest, im einfachsten Fall wie hier eine Methylgruppe), dann bleibt für das C-Atom, von dem die Abzweigung ausgeht, nur noch eine Bindung hin zu einem H-Atom übrig.

17. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Zweigen gleich zwei Alkylreste von einem C-Atom der Kette ab, so gehen alle vier Einfachbindungen hin zu weiteren C-Atomen, und Bindungen hin zu H-Atomen können von diesem C-Atom ausgehend logischerweise nicht mehr ausgebildet werden. Vergessen Sie nie: Kohlenstoff ist vierbindig! (Zumindest im ungeladenen Zustand).

18. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Nun können wir der Struktur einen Namen geben. Die einzige vorhandene Kohlenstoffkette hat fünf C-Atome, demnach liegt hier Pentan vor. Das kursiv geschriebene „n“ steht für „normal“ und bedeutet, daß der Kohlenwasserstoff eine unverzweigte Kette besitzt. n-Pentan

19. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur n-Pentan Es gibt grundsätzlich mehrere Möglichkeiten, die Struktur des Moleküls auf dem Papier darzustellen. Alle hier gezeichneten Varianten geben n-Pentan wieder.

20. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Nun gehen wir von einem unverzweigten Kohlenwasserstoff …

21. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur … hin zu einem verzweigten Kohlenwasserstoff und erfahren, was wir nunmehr bei der Nomenklatur zu beachten haben.

22. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Zunächst gilt es, die längste Kohlenstoffkette in der Struktur zu ermitteln.

23. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Wie wir sofort erkennen, ist nicht mehr die ursprüngliche Pentan-Kette mit ihren fünf C-Atomen die längste Kette, sondern die in dieser Abbildung blau markierte Kette, aus sechs C-Atomen bestehend.

24. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Anschließend gilt es, diese längste Kette von ihrem Anfang bis zum Ende durchzunummerieren. Die Frage ist nur: an welchem der beiden Enden beginnen wir zu zählen? Wie hier von rechts oben … (?)

25. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur … oder, wie in der rechten der beiden Strukturen demonstriert, vom anderen Ende her, in dem Fall also von unten?

26. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Die Nomenklatur sorgt auch hier für eine eindeutige Regelung: Diejenige Zählrichtung wird gewählt, die der ersten Abzweigung (wir haben im vorliegenden Fall nur eine …) die niedrigere Ziffer zuordnet – im vorliegenden Fall die links abgebildete Variante mit der Ziffer 3. Haben (im Fall mehrerer Verzweigungen) die ersten Verzweigungen die gleiche Ziffer, dann wird so lange nach einem Unterschied in der Bezifferung gesucht, bis ein Prioritätsunterschied bei den Ziffern auftaucht. Natürlich gibt es auch Fälle symmetrisch verzweigter Moleküle, bei denen die Zählrichtung der Kette irrelevant ist.

27. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur ... hexan Der Stammname des hier abgebildeten Kohlenwasserstoffs ist demnach: … hexan

28. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Ethylhexan Die abzweigende Gruppe am C-3 ist ein Alkylrest mit zwei C-Atomen, also eine Ethylgruppe. Die Bezeichnung „Ethyl“ wird dem Stammnamen „hexan“ vorangestellt.

29. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur 3-Ethylhexan Die Ziffer des C-Atoms der Abzweigung wird dem Namen vorangestellt, getrennt durch einen Bindestrich.

30. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Betrachten wir nun einen Kohlenwasserstoff mit mehreren Verzweigungen.

31. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Die längste Kette im Molekül hat nunmehr sieben C-Atome. Der Stammname ist demnach „ … heptan“. Da die Abzweigung mit der kleinsten Ziffer am C-3 erfolgt, wird in diesem Fall von oben rechts nach unten gezählt.

32. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Diethylheptan In diesem Fall zweigen an den C-Atomen Nr. 3 und Nr. 4 jeweils gleiche Reste ab (hier: Ethylgruppen). Die Anzahl gleicher (abzweigender) Atome oder Alkylreste wird mit den Präfixen „Di“, „Tri“, Tetra“, … wiedergegeben (hier: Di), gefolgt von der Bezeichnung für die abzweigende Gruppe (hier: ethyl) und abschließend dem Stammnamen (hier: heptan).

33. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur 3,4-Diethylheptan Abschließend werden die entsprechenden Ziffern der Abzweigung(en) dem Namen vorangestellt.

34. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur 3,4-Diethylheptan Abschließend werden die entsprechenden Ziffern der Abzweigung(en) dem Namen vorangestellt. Sie werden durch einen Bindestrich vom Namen getrennt.

35. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur 3,4-Diethylheptan Abschließend werden die entsprechenden Ziffern der Abzweigung(en) dem Namen vorangestellt. Sie werden durch einen Bindestrich vom Namen getrennt. Zweigen wie im hier vorliegenden Fall mehrere gleiche Gruppen von der Kette (oder dem Ring) ab, so werden die entsprechenden Ziffern durch ein oder mehrere Kommata getrennt.

36. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur 3,4-Diethylheptan Abschließend werden die entsprechenden Ziffern der Abzweigung(en) dem Namen vorangestellt. Sie werden durch einen Bindestrich vom Namen getrennt. Zweigen wie im hier vorliegenden Fall mehrere gleiche Gruppen von der Kette (oder dem Ring) ab, so werden die entsprechenden Ziffern durch ein oder mehrere Kommata getrennt. Zu beachten ist, daß das Komma bzw. die Kommata bei der Namensnennung nicht ausgesprochen werden.

37. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Im Fall von ringförmigen Alkanen wird dem Stammnamen – in diesem Fall „ … hexan“ – das Präfix „Cyclo“ vorangestellt. Cyclohexan

38. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Zu beachten ist, daß auch bei den Alkanen mit einem Ringsystem die C-Atome ihre sp3-Hybridisierung beibehalten, d.h. hier liegt nach wie vor ein Tetraederwinkel vor. Bei Drei-, Vier- und Fünfringen weicht der Wert bedingt durch die diversen Spannungen (Details: siehe Skript bzw. Lehrbücher) vom Idealwert ab. Im Sechsring hingegen liegt in der energieärmsten Konformation, der sog. Sesselkonformation (siehe Abbildung rechts) ein spannungsfreies Molekül mit 109,5°-Winkeln vor. Cyclohexan

39. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Wir beginnen mit zwei parallelen, etwas zueinander versetzt gezeichneten Linien, … Zeichnen einer Sesselkonformation

40. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur … setzen oben links und unten rechts jeweils einen Punkt … Zeichnen einer Sesselkonformation

41. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur … und verbinden die Enden der Linien mit dem jeweiligen Punkt. Zeichnen einer Sesselkonformation

42. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur 2-Penten Die erste sog. funktionelle Gruppe, die wir kennenlernen, ist die C=C-Doppelbindung. Während die gesättigten Kohlenwasserstoffe (Alkane) die Endung –an tragen, werden Kohlenwasserstoffe mit einer C=C-Doppelbindung durch die Endung –en gekennzeichnet. Während bei Ethen und Propen die Lage der Doppelbindung vorgegeben ist, muß bei höheren Alkenen ab dem Buten die Position der Doppelbindung durch Voranstellen der kleineren der beiden Ziffern der betreffenden C-Atome angegeben werden; die oben abgebildete Verbindung ist demnach 2-Penten …

43. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur 1-Penten 2-Penten … welches sich durch die Lage der Doppelbindung zwischen den C-Atomen Nr. 2 und Nr. 3 vom dazu isomeren 1-Penten (mit der Doppelbindung zwischen den C-Atomen Nr. 1 und Nr. 2) unterscheidet. Die C-Atome der C=C-Doppelbindung sind übrigens sp2-hybridisiert, so daß hier ein Bindungswinkel in der Größenordnung von 120° vorliegt und die beiden C=C-Atome zusammen mit den drei mit ihnen direkt verknüpften Atomen in einer Ebene liegen.

44. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur 2-Penten 2-Penten Es existiert aber noch ein weiteres Isomeres zum 2-Penten, das rechts abgebildet ist. Diese Isomerie beruht auf dem Umstand, daß unter normalen Reaktionsbedingungen keine freie Drehung um eine C=C-Doppelbindung möglich ist. Man nennt diese Form der Isomerie E/Z-Isomerie.

45. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur E-2-Penten Details zum Thema E/Z-Isomerie sind dem Skript oder einem Lehrbuch der Organischen Chemie oder wikipedia zu entnehmen. In Kurzfassung: jedes der beiden C=C-Atome ist mit zwei weiteren Atomen durch jeweils eine Einfachbindung verknüpft (im vorliegenden Fall je 1 x mit C [Ordnungszahl C = 6] und je 1 x mit H [Ordnungszahl H = 1]). Sind, wie in diesem Fall, beide mit den C=C-Atomen verbundenen (in der Abbildung mit Pfeilen markierten) Nachbaratome mit der höherenOrdnungzahl (hier also jeweils der Ziffer 6) auf entgegengesetzten Seiten der C=C-Doppelbindung, so liegt das E-Isomere vor („E“ entspricht dem 1. Buchstaben des Worts „entgegen“).

46. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur E-2-Penten Z-2-Penten Sind jedoch, wie in der rechten Abbildung, beide mit den C=C-Atomen verbundenen Nachbaratome mit der höherenOrdnungzahl (hier die C-Atome mit der OZ 6) zusammen auf der gleichen Seite der C=C-Doppelbindung, so liegt das Z-Isomere vor („Z“ entspricht dem 1. Buchstaben des Worts „zusammen“).

47. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur 1,3-Pentadien Hat das Molekül mehr als nur eine C=C-Doppelbindung, so wird zwischen dem Wortstamm (hier: „pent“) und der Endung –en zum einen der Buchstabe „a“ eingefügt und zum anderen eine der bereits bekannten aus dem Griechischen abgeleiteten Silben, welche der Anzahl der C=C-Doppelbindungen im Molekül entspricht: di-, tri-, tetra-, usw. Natürlich dürfen auch hier die vorangestellten kleinstmöglichen Ziffern nicht fehlen, die die Positionen der C=C-Doppel-bindungen angeben [im vorliegenden Beispiel die Ziffern 1 und 3, wiederum durch ein (nicht ausgesprochenes) Komma voneinander getrennt und vom Namen der Verbindung durch einen Bindestrich getrennt].

48. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur E-1,3-Pentadien Im hier vorgestellten Beispiel liegt sogar eine Differenzierung gemäß der E/Z-Isomerie vor, und zwar bei der C=C-Doppelbindung zwischen C-3 und C-4 (notabene: wir müssen hier von rechts nach links zählen, damit im Namen die „1“ als kleinste Ziffer auftaucht). Im Fall der C=C-Doppelbindung zwischen C-1 und C-2 kann keine E/Z-Isomerie auftreten, da vom C-1 mit den beiden H-Atomen zwei identische Substituenten abzweigen.

49. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur 2-Pentin Kommen wir nun zur Nomenklatur der C≡C-Dreifachbindung mit einer sp-Hybridisierung ( 180° - Winkel). An dem Stammnamen (hier: „pent“) wird die Endung –in angehängt und ihm wie üblich die kleinere der beiden entsprechenden Ziffern (hier die „2“ anstatt der „3“) vorangestellt.

50. Kohlenwasserstoffe Nomenklatur Analog zu den offenkettigen Systemen gibt es natürlich auch Ringsysteme mit C=C-Doppelbindungen und der entsprechenden sp2-Hybridisierung ( 120° - Winkel) der C-Atome. Hat der Kohlenwasserstoff-Sechsring eine C=C-Doppelbindung, so wird er als Cyclohexen bezeichnet. Cyclohexen