Chemie Grundlagen

Organische Chemie
Alkene und Alkine

Hallo, mit cis hast du bis jetzt immer nur Musiknoten verbunden? In diesem Beitrag erklären wir dir was sich dahinter im chemischen Sinne verbirgt.

Alkene und Alkine Eigenschaften mit Reaktionen

Alkene besitzen – genauso wie Alkane – die Summenformel CnH2n. Sie haben jedoch zwischen zwei C-Atomen eine Doppelbindung. Die C-Atome sind hier nur sp2-hybridisiert. Bei mehr als drei C-Atomen haben sie auch eine C(sp2)-C(sp3)-Einfachbindung. Da die Doppelbindung nicht frei drehbar ist, gibt es – wie du bereits bei den Halogenalkanen erfahren hast – geometrische Isomere: cis und trans. Einige Chemiker nennen cis auch Z wie „zusammen“ und trans E wie „entgegen“. Die trans-Konfiguration ist im Allgemeinen stabiler als die cis, da sich die Substituenten etwas weniger sterisch abstoßen.

Summenformel Alkene, Stabilität Alkene
Eigenschaft Alkene

Nomenklatur Alkene

 

Die Nomenklatur der Alkene erfolgt wie bei den Alkanen. Du ersetzt am Ende einfach nur das –an durch ein –en. Die Position der Doppelbindung ermittelt sich aus dem sp2-hybridisierten Kohlenstoffatom in der Kette mit der kleinsten Zahl. Außerdem musst du noch den Namen der geometrischen Isomerie angeben. Der Name des linken Moleküls ist dann „cis-2-Buten“ und der des rechten „trans-2-Buten“. „But-cis-2-en“ oder „But-trans-2-en“ ist allerdings auch möglich.

Nomenklatur Alkene
Nomenklatur Alkene

Elektrophile Addition

Nun wieder zu den Reaktionen. Die wichtigste Reaktion, die Alkene eingehen, ist die elektrophile Addition. Wir betrachten zunächst die Addition von Br2, einem symmetrischen Reagenz, an trans-2-Buten. Bei symmetrischen Reagenzien ist der Angriff von beiden Seiten gleichwahrscheinlich. Bei der Annäherung an die Doppelbindung wird das weiche Br-Br polarisiert. Das positiv polarisierte Brom wird als Elektrophil bezeichnet, da es eine geringere Elektronendichte aufweist und das Bestreben danach hat Elektronen aufzunehmen. Also genau das Gegenteil zum Nukleophil, wie du im letzten Video gelernt hast.

Um diesen Ladungsunterschied auszugleichen, tritt es in Wechselwirkung mit der Doppelbindung. Es werden beide Kohlenstoffzentren für die Wechselwirkung herangezogen, da die Elektronenhülle des positiven Broms sehr groß ist. Es entsteht ein Carbokation. Dieses kann im nächsten Schritt durch das negativ geladene Bromion von der Rückseite angegriffen wird. Du erkennst vielleicht, dass diese Teilreaktion nach dem SN2-Mechanismus abläuft, den wir schon im letzten Video behandelt haben. Als Produkt erhalten wir 2,3-Dibrompentan. Hier siehst du, wie wir Br2 in der gesamten Reaktion addiert haben. Für das Alken in cis Form ist der Ablauf der gleiche. Wir erhalten jedoch ein stereoisomeres Produkt.

Elektrophil
Elektrophile Addition

Die Addition von unsymmetrischen Reagenzien wie zum Beispiel HBr erfolgt auch elektrophil. Zuerst wird die Doppelbindung protoniert. Das bedeutet, dass das Wasserstoffatom an das Kohlenstoffatom bindet. Das Wasserstoffatom ist aber nicht groß genug, um über beide Zentren der Doppelbindung zu binden. Es resultiert ein sp2-hybridisiertes Carbokation und eine frei drehbare Sigma-Bindung um die ehemalige Doppelbindung. Das Bromion greift das Carbokation im SN1-Mechanismus an und wir erhalten unser Produkt. Da wir eine frei drehbare Bindung im Carbokation haben, erhalten wir im cis- und auch im trans-Alken die identischen Produkte.

Elektrophil
Elektrophil

+I Effekt

Je höher substituiert ein Carbokation ist, desto stabiler ist es. Dies liegt daran, dass die Alkylsubstituenten einen Elektronenschub in Richtung des positiven Zentrums ausüben. Das passiert, weil der Kohlenstoff elektronegativer als die Wasserstoffatome ist und somit die Elektronen an sich heranzieht. Man nennt dies auch +I-Effekt.

+I-Effekt
+I Effekt

Regel von Markownikow und Wagner Meerwein Umlagerung

 

Mit diesem Hintergrund kannst du die Regel von Markownikow herleiten, dessen Namen von ihrem Entdecker stammt: „Bei der elektrophilen Addition eines unsymmetrischen Reagenzes A-B an eine Doppelbindung endet der negativ polarisierte Teil in A-B am stärker substituierten Kohlenstoffatom der Doppelbindung.“

Mit diesem Wissen können wir jetzt auch sagen wo das Brom bei einer Reaktion mit 3,3-Dimethyl-but-1-en landen wird. Nämlich hier und nicht hier, da beim oberen für das C-Atom eine tertiäre Substitution erreicht wird. Für die untere würde nur eine sekundäre erreicht werden.

Markovnikov Regel
Markownikow Regel

 

Das Erreichen von Stabilität bei Carbokationen ist so stark, dass es sogar zu Umlagerungen im Alkylgerüst kommen kann, wenn dadurch noch stabilere Carbokationen erreicht werden können. Dann landet das Brom hier und das C-Atom wird am mit quartär am höchsten substituiert. Diese Art von Umlagerungen bezeichnet man als Wagner-Meerwein-Umlagerung.

Wagner-Meerwein-Umlagerung
Wagner Meerwein Umlagerung

Die Hydrierung einer Doppelbindung mit H2 verläuft wiederum anders. Zunächst braucht man noch einen Katalysator wie zum Beispiel Palladium auf Aktivkohle, der den Wasserstoff aktiviert. Im Unterschied zur Br2-Addition greifen hier dann beide H-Atome von derselben Seite an.

Alkine

Kommen wir jetzt noch zu den Alkinen. Ihre funktionelle Einheit ist die Dreifachbindung und ihre Summenformel ist CnH2n-2. Beide C-Atome der Dreifachbindung sind sp-hybridisiert. Die Namensgebung funktioniert wie bei den Alkenen, nur dass du –en mit –in ersetzt. Dieses Molekül heißt also Ethin. Kommt im Molekül eine Doppelbindung und eine Dreifachbindung vor, so erhält die Doppelbindung bei der Nummerierung der Hauptkette die kleinstmögliche Zahl. Du nennst zudem erst das –en und dann das –in. Damit heißt dieses Molekül „But-1-en-3-in“.

Alkine sp-hybridisiert
Alkine

Die Reaktionen sind ähnlich wie bei den Alkenen, jedoch sind Alkine reaktionsträger als Alkene. Deshalb reagiert Br2 mit der Doppelbindung in But-1-en-3-in und nicht mit der Dreifachbindung, sofern keine Katalysatoren hinzugegeben worden sind.

Eine Reaktion mit einem unsymmetrischen Reagenz wie HBr an ein Alkin verläuft – wie wir bereits bei den Alkenen gesehen haben – gemäß der Markownikow-Regel. In unserem Beispiel reagiert es mit Prop-1-in. Die Dreifachbindung wird wieder protoniert und es entsteht ein Carbokation mit Doppelbindung. Das Bromion greift dieses an und wir erhalten 2-Brom-Prop-1-en.

Reaktion Alkine
Reaktion Alkine

Wie bei den Alkenen, ist es auch bei den Alkinen möglich sie mit Hilfe eines Katalysators zu hydrieren. Hierbei entstehen allerdings immer cis-Alkene. Wenn man die Reaktion in Natrium mit flüssigen Ammoniak durchführt, kann man aber auch trans-Alkene erhalten.

Jetzt weißt du, dass cis auch für die unterschiedlichen relativen Stellungen von zwei Substituenten bezüglich einer Referenzebene steht. Mach‘s gut und bis bald.

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