Kapitel 2 - Kohlenwasserstoffe Eigenschaften und Nomenklatur · MNF-ow-e Kohlenstoffchemie - Bindungsform s-Orbital, kugelförmig, besetzt mit 2 Elektronen Drei p-Orbitale, hantelförmig,

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Kapitel 2 - Kohlenwasserstoffe Eigenschaften und Nomenklatur

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Textbook: Introduction to GeochemistryEAOG.org


Die Stellung des Elements Kohlenstoffs imPeriodensystem diktiert die Struktur von Biomolekülen über deren C-Bindungsform

auf der Basis der Valenzelektronen

12C: 6 Protonen, 6 Neutronen, 6 Elektronen

13C: 6 Protonen, 7 Neutronen, 6 Elektronen

Elektronen bewegen sich um den Atomkern in definierten Räumen, um nicht zu kollidieren.

Diese e--Aufenthaltsräume werden als Orbitale bezeichnet und regeln die Bindungzwischen C-Atomem über die Ausbildung gemeinsamer/geteilter Elektronenpaare.

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Kapitel 2 - Kohlenwaaserstoffe Eigenschaften und Nomenklatur

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Kohlenstoffchemie - Bindungsform

s-Orbital, kugelförmig, besetzt mit 2 Elektronen

Drei p-Orbitale, hantelförmig, besetzt mit jeweils nur einem Elektron. Aufnahmekapazität je p-Orbital ist 2 Elektronen.


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sp3 Hybridisierung, energetisch günstiger - Tetraederkonfiguration


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sp2 Hybridisierung, planar


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Aromatische Kohlenwasserstoffe

Aromatische sp2 Hybridisierung, konjugierte Pi-Bindungen mit delokalisierter Elektronenwolke


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Kohlenwasserstoffe - Strukturen

Darstellung Strukturen gesättigte Kohlenwasserstoffe

Darstellung Strukturen ungesättigte Kohlenwasserstoffe

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Darstellung Strukturen ringförmige Kohlenwasserstoffe,mehrere räumliche Strukturisomere möglich

Strukturen ringförmiger Kohlenwasserstoffe,räumliche Struktur komplexer als in 2D-Projektion

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Kohlenstoff - Eigenschaften

Oxidationsstufen von –4 bis +4

Unbegrenzte Einfachbindungen mit C

Beliebige Anzahl Doppelbindungen

Beliebige Anzahl Heteroelemente

Beliebige Anzahl Ringschlüsse

Aufbau komplexer Moleküle

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S/O-Heterokomponenten

Structures of selected oxygen and sulfur containing compounds:

(69) 2,2,2-trifluoroethanol C2H3F3O; (70) glycerol C3H8O3 (1,2,3-trihydroxypropane); (71) formalin CH4O2 (methanediol); (72) chloral hydrate C2H3Cl3O2 (2,2,2-trichloroethane-1,1-diol); (73) shikimic acid C7H10O5 ((3R,4S,5R)-3,4,5-trihydroxycyclohex-1-ene-1-carboxylic acid); (74) 2-ethylhexanol C8H18O; (75) tert-butanol C4H10O; (76) diethyl ether C4H10O; (77) diphenyl ether C12H10O; (78) anisole C7H8O (methoxybenzene); (79) a-tocopherol C29H50O2; (80) methyl-tert-butyl ether MTBE C5H12O; (81) dimethyl sulfide C2H6S; (82) methionine C5H11NO2S (2-amino-4-(methylthio)butanoic acid); (83) bis(2-chloroethyl)sulfide C4H8Cl2S (Mustard gas); (84) vitamin K; (85) anthra-9,10-quinone C14H8O2;(86) caprolactam C6H11NO (azepan-2-one); (87) dimethyl trisulfide C2H6S3

(dimethyltrisulfane); (88) N-butylbenzenesulfonamide NBBS C10H15NO2S; (89) linear alkylbenzenesulfonates LAS; (90), benzofuran C8H6O; (91) dibenzofuran C12H8O; (92) benzothiophene C8H6S; (93) dibenzothiophene C12H8S; (94) benzo[b]naphtho[2,1-d]thiophene C16H10S.

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N-Heterokomponenten

Strukturbeispile heterozyklisher N-haltiger aromatisherKohlenwassserstoffe (Azaarene) in biogenen Naturstoffen

O-Transport

NADPH – Enzyme H-Transport

Zellstoffwechsel

Aminosäuren

Aminosäuren

AlkaloidChinin

GenetischesInventar

Energiespeicher

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Alkane

Moleküle, die aus C und H bestehen (Kohlenwasserstoffe)

Gesättigte Alkane = Paraffine, wenn acyclisch= CnH2n+2

Alkane besitzen Einfachbindungen (Sigma-Bindungen)

Alkane sind sp3-hybridisiert (Tetraederkonfiguration)

Alkane haben einen Bindungswinkel von 109.5°

Alkane sind kettenförmig, verzweigt oder ringförmig

Alkene

Kohlenwasserstoffe mit Doppelbindung(en)

Ungesättigte Alkane = Olefine, wenn acyclisch= CnH2n

Alkene besitzen Zweifachbindungen (p-Bindungen)

Alkene sind sp2-hybridisiert (planare Konfiguration)

Alkene haben einen Bindungswinkel von 120°

Alkene sind kettenförmig, verzweigt oder ringförmig

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Nomenklatur n-Alkane

Nomenklatur n-Alkene

Nomenklatur Cycloalkane

Nomenklatur Cycloalkene

Nomenklatur Alkylreste

Nomenklatur Aromaten

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Kohlenwasserstoffe - Nomenklatur

Die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) besteht seit 1919 und hat ihren Sitz in Zürich und ihr Haupt-Büro in North Carolina. Sie ist weltweit als relevante Institution anerkannt, um Empfehlungen zu chemischer Nomenklatur, Symbolen, Terminologie sowie standardisierten Messmethoden, Werten für molare Massen der chemischen Elemente in natürlicher Isotopengemisch-Zusammensetzung zu geben oder zu definieren.

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Kohlenwasserstoffe - Nomenklatur

Nomenklatur: Stamm Alkane, Endung -an

Nomenklatur acyclische Alkene: Endung -en

Nomenklatur Cycloalkane: Präfix cyclo-

Nomenklatur Cycloalkene: Präfix cyclo und Endung -en

Nomenklatur Alkylreste: Endung -yl

Nomenklatur Aromaten: etablierte Trivialnamen, Benzen, Naphthalin, etc.Benzen= 1,3,5-Cyclohexatriene

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n-Alkane - Nomenklatur

C-Zahl

Name Summen formel

MW g/mol

Siede punkt °C

Dichte g/ml

Iso-mere

1 Methan CH4 16.03 -164 0.558 1

2 Ethan C2H6 30.07 -89 0.572 1

3 Propan C3H8 44.11 -42 0.585 1

4 Butan C4H10 58.12 0 0.601 2

5 Pentan C5H12 72.15 35 0.626 3

6 Hexan C6H14 86.18 69 0.660 5

7 Heptan C7H16 100.21 98 0.684 9

8 Oktan C8H18 114.23 126 0.703 18

9 Nonan C9H20 128.27 151 0.725 35

10 Dekan C10H22 142.31 174 0.741 75

11 Undekan C11H24 156.35 195 0.743 159

12 Dodekan C12H26 170.39 216 0.750 355

13 Tridekan C13H28 184.43 237 0.756 840

14 Tetradekan C14H30 198.47 250 0.763 1950

15 Pentadekan C15H32 212.50 269 0.769 4347

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n-Alkane - Nomenklatur

C-Zahl

Name Summenformel

MW g/mol

Siede pkt. °C

Dichte g/ml

Iso-mere

16 Hexadekan C16H34 226 287 0.775

17 Heptadekan C17H36 240 302 0.778

18 Oktadekan C18H38 254 316 0.777

19 Nonadekan C19H40 268 330 0.785

20 Ikosan C20H42 282 343 0.789 366319

21 Henikosan C21H44 296 356 0.792

22 Dokosan C22H46 310 369 0.794

23 Trikosan C23H48 324 380 0.797

24 Tetrakosan C24H50 339 391 0.799

25 Pentakosan C25H52 352 402 0.801

30 Triakontan C30H62 423 450 0.810 4.1 x109

31 Hentriakontan C31H64 437 458

35 Pentatriakontan C35H72 492 490

40 Tetrakontan C40H82 562 524 0.779 16 x1012

50 Pentakontan C50H102 702 578

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Azyklische Alkane - Isomerenvariabilität

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1,E+01

1,E+02

1,E+03

1,E+04

1,E+05

1,E+06

1,E+07

1,E+08

1,E+09

1,E+10

1,E+11

1,E+12

1,E+13

1,E+14

1,E+15

1,E+16

1,E+17

1,E+18

0 10 20 30 40 50

An

zah

l m

ög

lich

er I

som

ere

Anzal C-Atome

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Kohlenwasserstoffe – Nomenklatur

Trivialbezeichnungen Stellungsisomere

2-methylbutane 2,2-dimethylpropane

2-methylpropane

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Alkane - Projektion

perspektivischeStrichformel

Ball-Stick-Modell Kalotten-Modell

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Ethan/Ethen – Bindungslänge/-winkel

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Ethen/ Buten - Bindung

nichtbindende Elektronen

bindendes Elektronenpaar

bindendes Elektronenpaar

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Ethan/Ethen - Bindungsstärke

Energie s -Bindung p -Bindung Molekül Spaltungsenergie

Ethan 450 kJ/mol 450 kJ/mol

Ethen 450 kJ/mol 270 kJ/mol 720 kJ/mol 270 kJ/mol

Intramolekulare Verteilung der Bindungsenergie auf Einzelbindungen: die s-Bindung ist die schwächste.

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Mono-Alkene - Bindungsstärke

Die relative Stabilität von Alkenen (bestimmt über Hydrierungsenergie) nimmt mit zunehmender Substitution zu. Trans-Isomere sind meist stabiler als die entsprechenden cis-Isomeren. In cis-Alkenen treten ungünstige sterische Wechselwirkungen auf.

stabiler

instabiler

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Molekülstruktur C3 - Aliphaten

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Konformation - Butene

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Konformation - Butene

Siedepunkte – Butene1-Buten - 6.3°Ccis-2-Buten +3.7°Ctrans-2-Buten +0.9°CIsobuten -11.6°C

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Alkyllipide - Eigenschaften

Lipide stellen eine Klasse von Naturstoffen dar, die sich

durch geringe bis fehlende Wasserlöslichkeit und meist

durch ein amphiphiles (intramolekulares Dipolmoment)

Verhalten auszeichnen.

Alkyllipide zeichnen sich durch die Präsenz einer langen

(C10 bis C40) Alkylkette im Molekül aus, welche sich

reduzierend oder modifizierend auf die Effektivität der

funktionalen Gruppe(n) auswirkt.

Wichtige Alkyllipid-Stoffklassen sind:

para-/olefinische Wachse; Fettsäuren/-alkohole; Ester;

Triacylglycerine (Fette, Öle); Isoprenoide; Carotinoide

membranbildende Phospho-, Glyco- und Etherlipide

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Wasserlöslichkeit vs. C-Anzahl diverser Kohlenwasserstoffe (Normalbedingungen 25°C, 1000mbar).

C1 - C4-Säuren sowie C1 - C3-Alkohole sind hier nicht dargestellt, da sie vollständig mit H2O mischbar sind.

Achtung, Ordinate mit logaritmischer Skala!

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Wasserlöslichkeit gegen Molekular-gewicht für diverse Kohlenwasserstoffe (Normalbedingungen 25°C, 1000mbar). Achtung, Ordinate mit logaritmischer Skala!

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Oktanol-Wasser-Partitionierungskoeffizienten (Kow) gegen C-Anzahl für relante Stoffklassen. Der (Kow) Wert beschreibt, ob sich eine Komponente in einem phasenseparierten Wasser/Öl-Gemisch bevorzugt in der Öl- oder in der Wasserphase anreichert. Eine Partitionierung in die Wasserphase macht die Komponenten stärker bioverfügbarer und damit umweltrelevanter.

wäßrig

ölig

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Kohlenwasserstoffe – Nutzung

Erdgas: Trocken (nur CH4)Nass (auch höhere Analoge, bis ca. Pentan)

Benzin: C6 bis C12 (SP. 30° bis 200°C)

Kerosin: C12 bis C15 (SP. 175° bis 300°C)

Diesel: C14 bis C19 (SP. 300° bis 390°C)

Motoröl: C16 bis C34 (SP. 400° bis 600°C), ohne n-Alkane

Schmieröl: C20 bis C34 (SP. 400° bis 600°C), mit n-Alkanen

Asphalt: C40 bis C90 (SP. 500° bis 1000°C), mit n-Alkanen

Russ: C16 bis C50 (SP. > 1000°C), PAH für Reifen, Toner

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Kohlenwasserstoffe - Cracking

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Kohlenwasserstoffe - Raffinerie

Das komplexe Stoffgemisch Rohöl wird von Schadstoffen (S, Ni, V, Fe, Cl, etc.) befreit und nach der Stoffeigenschaft Siedepunkt in Fraktionen getrennt.Zum Erhalt kurzkettiger Fraktionen, werden längere Alkane aufgebrochen (Cracking), wobei der Energieaufwand durch Katalysatoren (Platin, Palladium) reduziert wird. Im Sumpf verbleibt die Asphalten-Fraktion, die als Bitumen imStraßenbau oder zur Isolierung dient.

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Kohlenwasserstoffe - Raffinerie

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Kohlenwasserstoffe – RaffinerienKöln – Shell/DEA Kapazität 18 Mio t/a

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Kohlenwasserstoffe – RaffinerienKöln Godorf – Shell Kapazität 13 Mio t/a

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Kohlenwasserstoffe – RaffinerienGelsenkirchen – BP Kapazität 13 Mio t/a

Größte Raffinerie der Welt in Gujrat, Indien : Kapazität 70 Mio t/a

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Kohlenwasserstoffnutzung - Aliphatische Polymere

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Aromatische

Kohlenwasserstoffe

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natural product with conjugated and isolated double bonds

Konjugierte Systeme

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Konjugierte Systeme

nied

riger

Ene

rgie

inha

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stab

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Aromaten

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Benzen-Substitutionen

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Aromaten als Funktionelle Gruppen

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Aromaten - PAH

Nomenklatur und Resonanzstrukturen (Kekule-Strukturen) des Naphthalin.

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Aromaten - PAH

Nomenklatur und Resonanzstrukturen (Kekule-Strukturen) des Anthracen und Phenanthren.

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Aromaten - PAH

Die sp2-Hybridisierung des C in Aromaten erzeugt eine planare Struktur mit z.T. großer flächiger Ausdehnung. An diese Schichten können andere Komponenten adsorbieren, was PAH zu Trägern für potentielle Schadstoffe macht.

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Aromaten - PAH

Fullerene

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Aromaten - PAH

Orientierung:1) Möglichst viele Ringe Grundstruktur in einer horizontalen Linie2) Möglichst veile Ringe rechts oberhalb der Linie3) Erste Kante Benzenring [a] oder (1,2) oben rechts

benzo[a]pyrene pyrene

benzo[e]pyrene

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Aromaten - Eigenschaften

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Aromaten - Eigenschaften

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Aromaten - Karzogenität

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Aromaten – Physikochemische Eigenschaften

Wasserlöslichkeit von aromatischen Kohlenwasserstoffen gegenüberParaffinen (niedriger löslich) und polaren Analogen (höher löslich).

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Aromaten – Physikochemische Eigenschaften

Oktanol-Wasser Partitionierungskoeffizienten für aromatische KWesind niedriger, sie verteilen sich in zweiphasigen Öl/Wassergemischenmehr in die Wasserphase, wodurch sie starker bioverfügbar sind und sich im Grundwasserstrom als Schadstofffahne ausbreiten können.

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CH3 COOH

O

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COOH

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Aromaten - oxidativer Abbau

Oxidation von Aromaten erfolgt durch O-Aufname unter Bildung von Carboxylgruppen, die anschließend über Decarboxylierung unterVerlust von C-Atomen aus dem System entfernt werden.

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SS

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C15H32 → H/C ~ 2.1C19H40 → H/C ~ 2.0

C14H10 → H/C ~ 0.7 C15H12 → H/C ~ 0.8 C16H14 → H/C ~ 0.9 C18H18 → H/C ~ 1.0



Aromaten - Oxidation

Oxidation von Aromaten unter Verlust von Wasserstoffatomen(Deprotonierung) entweder durch Verlust von Alkylresten oderüber die Zunahme des Kondesationsgrades.

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Altered-2 (22 cm)

Unaltered-2 (40 cm)

Altered-1 (4 cm)

Unaltered-1 (12 cm)

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P

MP

DMP

BP

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PMP

DMP

BP

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P

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BFBF

BF

BF

Aromaten - Oxidation

Oxidation von Bitumen in Sedimenten durch oxidative Lösungen.

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Aromaten - Photooxidation

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Degradation of anthracene (q) and

formations of anthrone (l) and

anthraquinone (u) in air-saturated

acetonitrile.

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Fragen?

Weiterer

Klärungsbedarf?


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Kapitel 2 - Kohlenwasserstoffe Eigenschaften und Nomenklatur · MNF-ow-e Kohlenstoffchemie - Bindungsform s-Orbital, kugelförmig, besetzt mit 2 Elektronen Drei p-Orbitale, hantelförmig,