Einteilung der Organischen Chemie
Das Fachgebiet Organische Chemie wird nach der Art der Verbindungen in acyclische (kettenförmig), cyclischen (ringförmig) einteilen. Diese können weiter unterteilt werden:
- Acyclische Verbindungen lassen sich in gesättigte und ungesättigte Kohlenwasserstoffe (mit Mehrfachbindungen) unterteilen.
- Cyclische Verbindungen lassen sich in Carbocylen (nur C- und H-Atome) und Heteroyclen unterteilen.
- Carboyclen wiederum lassen sich in Aromaten (cyclische konjugierte Verbindungen) und Alicyclen unterteilen.
- Aromaten wiederum lassen sich in Moncyclen (ein Ring), kondensierte Ringsysteme und aromatische Heterocyclen einteilen.
- Heteroyclen lassen sich in gesättigte oder ungesättigte und monocyclisch oder polycyclisch weiter unterteilen.
Reaktionstyp elektrophile Addition
Wie bereits erwähnt sind die Pi-Elektronen leichter polarisierbar als Elektronen in Sigma-Bindungen. Daher treten bei der Annäherung eines Elektrophils die Pi-Elektronen mit dem angreifenden elektrophilen Teilchens unter Ausbildung Pi-Komplexes in Wechselwirkung. Während dieser “Annäherung” induziert die hohe Elektronendichte der Pi-Bindung das Elektrophile (da die Elektronendichte zwischen den beiden C-Atomen der C=C-Doppelbindung hoch ist, werden Teilchen angezogen, die über eine positive Ladung oder zumindest eine positiv polarisierte Partialladung verfügen). Hierbei kommt es zu einer Wechselwirkung der Pi-Bindung mit dem positiv polarisierten Atom (dies stellt man sich als Dreizentrenbindung vorstellen). Diese sogenannte Pi-Komplex ist aber nicht stabil, und bildet eine normale Sigma-Bindung zwischen dem Elektrophil und einem der Kohlenstoffatome. Das andere Kohlenstoffatom der ehemaligen Doppelbindung bleibt als positiv geladenes Carbeniumion zurück und reagiert mit einem Nukleophil und erreicht so die Edelgaskonfiguration.
Nun stellt sich die Frage, warum dann Halogene wie Brom an eine Doppelbindung addiert werden können. Beide Bromatome haben die gleiche Elektronegativität, so dass keine Elektronegativitätsdifferenz vorliegt. Daher handelt es sich um eine unpolare Atombindung (Elektronenpaar ist symmetrisch zwischen beiden Atomen verteilt, daher tritt auf keine Partialladung auf).
Die Erklärung ist folgende: Nähert sich ein Brommolekül der Doppelbindung, so tritt dieses Molekül in Wechselwirkung mit der Doppelbindung. Die Elektronendichte wird dabei verschoben, da die Elektronendichte im Brommolekül durch die elektronenreiche Doppelbindung abgestoßen (gleiche Ladung) wird. Daher entsteht ein Brommolekül mit einer positiven und einer negativen Partialladung.
Addition von elektrophilen Teilchen an die Doppelbindung
Im oben dargestellten Mechanismus wurde ein Elektrophil an eine symmetrische C=C-Bindung addiert (jeweils gleiche Substituenten an den C=C-Kohlenstoffatomen). Nun stellt sich die Frage, was passiert, wenn ein Elektrophil mit einem Alken reagiert, bei dem die Doppelbindung unsymmetrisch substituiert ist. Wird ein Elektrophil an ein Alken mit unsymmetrischer Lage der Doppelbindung addiert, so sind zwei verschiedene Additionsprodukte vorstellbar:
Die Markownikoff-Regel bei der Betrachtung der Regioselektrivität
Um das Hauptprodukt einer elektrophilen Addition zu bestimmen, verwendet man die Regel von Markownikoff (manchmal auch Markonwnikow geschrieben). Diese Regel besagt, dass das Additionsprodukt als Hauptprodukt entsteht, in dem der Wasserstoff an das wasserstoffreichere C-Atom des Alkens getreten ist.
Verwendet wird diese Regel zur Vorhersage der Regioselektivität der Addition von Halogenwasserstoffsäuren an Alkene mit unsymmetrischer Lage der Doppelbindung und gibt so das Hauptprodukt der elektrophilen Addition an.
Erklären lässt sich dies, wenn die Übergangszustände der elektrophilen Addition betrachtet werden. Hierbei wird hauptsächlich der Schritt der Bildung der Carbeniumionen betrachtet. Allgemein ist der Übergangszustand energetisch begünstigt, bei dem das Elektrophil so addiert wird, dass die Reaktion über das stabilere, höher substituierte Carbeniumion verläuft.
In oben gezeigter Abbildung verläuft die erste Reaktion über ein sekundäres Carbeniumion (H3C-C-CH3), im unteren Fall über ein weniger stabiles primäres Carbeniumion ((H3C-CH2-C). Begründung: Die positive Ladung ist an einem zweifachsubstituierten C-Atom besser stabilisiert (Hyperkonjugation; +I-Effekt der Alkylgruppen) als an einem einfachsubstituierten C-Atom. Daher wird das sekundäre Carbeniumion bevorzugt gebildet.
Anmerkung:
Dieser Inhalt wurde auf dem Niveau der Sekundarstufe 2 geschrieben. Für Leser höherer Stufe sollte angemerkt werden, dass
- hier nur die Regioselektivität beschrieben wurde (d.h. wie und an welchem C-Atom addiert wird) und nicht die absolute Konfiguration (d.h wie stehen die Substituenten nach der Reaktion zueinander => S oder R-Konfiguration).
- aber auch unter speziellen Reaktionsbedingungen das sogenannte Anti-Markownikoff-Produkt “formal” bevorzugt wird. So wird z.B. bei der Hydroborierung oder Oxidation das Anti-Markownikoff-Produkt als Hauptprodukt gebildet. Das Proton befindet sich im Endprodukt an dem höher substituierten C-Atom.
- Die Markownikoff-Regel gilt streng nur, wenn Substituenten an der C=C-Bindung mit einem +I-Effekt vorliegen. Sind stark elektronegative Substituenten an die Doppelbindung gebunden (-> -I-Effekt), dann kann es ebenfalls zum Anti-Markownikoff Produkt kommen.
Oft vorkommende elektrophile Additionan an Alkene:
- Hydrierung (Alken + Wasserstoff): Bildung von Alkanen
- Halogenierung (Alken + Halogen): Bildung von Halogenalkanen
- Hydrohalogenierung (Alken + H-Halgen): Bildung von (Di)Halogenalkanen
- Hydratisierung (Alken + Wasser) Bildung von Alkoholen.
Elektrophile Addition – Testfragen/-aufgaben
1. Was ist eine Elektrophile Addition?
Die Elektrophile Addition ist eine chemische Reaktion, bei der ein Elektrophil ein Molekül mit einer Doppelbindung oder Dreifachbindung attackiert und sich an dieses bindet.
2. Welche Typen von Molekülen können sich an der Elektrophilen Addition beteiligen?
Die Elektrophilen Addition tritt hauptsächlich bei Alkenen und Alkinen auf, jedoch können auch andere Moleküle mit ungesättigten Bindungen beteiligt sein.
3. Welche Rolle spielen Elektrophile in der Elektrophilen Addition?
Ein Elektrophil ist eine Art “Liebhaber” von Elektronen. Bei der Elektrophilen Addition wird das Elektrophil von dem Molekül angezogen, welches die Doppel- oder Dreifachbindung aufweist. Es bietet die Elektronen an, die zur Bildung einer neuen Bindung benötigt werden.
4. Könnten Sie ein typisches Beispiel für eine Elektrophile Addition veranschaulichen?
Ein Beispiel für eine Elektrophile Addition ist die Addition von Halogenmolekülen (wie z.B. Brom) an Alkene.
5. Was ist ein Carbokation in den Reaktionsschritten der Elektrophilen Addition?
Ein Carbokation ist eine positive Ladung, die auf ein Kohlenstoffatom während der Elektrophilen Addition übertragen wird. Es ist sehr reaktiv und fähig, mit anderen Molekülen zu reagieren, um stabile Produkte zu bilden.
6. In welchem Schritt der Elektrophilen Addition entsteht das Carbokation?
Das Carbokation entsteht im ersten Schritt der Elektrophilen Addition, der als Angriffsstadium bezeichnet wird.
7. Was passiert nach der Bildung des Carbokations in der Elektrophilen Addition?
Nach der Bildung des Carbokations im ersten Schritt, zieht das positive Kohlenstoffatom ein freies Elektronenpaar des Nucleophils an und eine neuen Bindung entsteht.
8. Was ist die Rolle des Lösungsmittels in einer Elektrophilen Addition?
Das Lösungsmittel in einer Elektrophilen Addition spielt häufig eine entscheidende Rolle, da es die Geschwindigkeit der Reaktion beeinflussen kann. Polarere Lösungsmittel können die Bildung des Carbokations erleichtern und somit die Reaktion beschleunigen.
9. Was versteht man unter “Markownikoff-Regel” bei der Elektrophilen Addition?
Die Markownikoff-Regel besagt, dass bei der Elektrophilen Addition an asymmetrische Alkene das Elektrophil bevorzugt an das Kohlenstoffatom bindet, das die größere Anzahl an Wasserstoffatomen aufweist.
10. Wie unterscheidet sich die anti-Markownikoff-Produktbildung von der Markownikoff-Produktbildung?
Die anti-Markownikoff-Produktbildung entspricht dem gegenteiligen Verhalten der Markownikoff-Regel – das Elektrophil bindet bevorzugt an das Kohlenstoffatom mit der geringeren Anzahl an Wasserstoffatomen. Dies tritt unter speziellen Bedingungen auf, wie beispielsweise bei der Anwesenheit von Radikalen oder unter hochenergetischen Bedingungen.
