Kapitel 10: Reaktionen in der organischen Chemie
Kapitel 10: Reaktionen in der organischen Chemie
Kapitel 10: Reaktionen in der organischen Chemie
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<strong>Kapitel</strong> <strong>10</strong>:<br />
Den Aufbau von komplexeren <strong>organischen</strong> Molekülen aus e<strong>in</strong>fachen Bauste<strong>in</strong>en<br />
o<strong>der</strong> den gezielten Umbau von bestehenden Molekülen nennt man chemische<br />
Synthese. Das Ziel ist meist die Eigenschaften natürlich vorkommen<strong>der</strong> Stoffe zu<br />
verbessern, sie <strong>in</strong> größerer Menge als verfügbar zu produzieren o<strong>der</strong> Stoffe<br />
herzustellen, die es <strong>in</strong> <strong>der</strong> Natur gar nicht gibt (bestimmte Medikamente,<br />
Kunststoffe).<br />
Synthetisch tätige Chemiker s<strong>in</strong>d gute Strategen, denen es dank geschickter<br />
Komb<strong>in</strong>ation von Reaktionsschritten gel<strong>in</strong>gt, selbst die kompliziertesten Naturstoffe<br />
aus kle<strong>in</strong>sten Erdölbestandteilen nachzubauen. So komplex und schwierig das<br />
Thema auch ist, es s<strong>in</strong>d immer wie<strong>der</strong> dieselben Vorgänge, welche bei chemischen<br />
<strong>Reaktionen</strong> ablaufen. Ähnliche Prozesse laufen auch im Stoffwechsel (Stoffauf-, umund<br />
abbau) leben<strong>der</strong> Zellen ab.<br />
<strong>Reaktionen</strong> <strong>in</strong><br />
<strong>der</strong> <strong>organischen</strong><br />
<strong>Chemie</strong><br />
Die folgenden Lernschritte sollen e<strong>in</strong>en kle<strong>in</strong>en E<strong>in</strong>blick <strong>in</strong> die zur Verfügung<br />
stehenden Möglichkeiten geben und damit die E<strong>in</strong>sicht för<strong>der</strong>n, dass die E<strong>in</strong>teilung<br />
<strong>der</strong> Stoffe <strong>in</strong> sog. Stoffklassen S<strong>in</strong>n macht. E<strong>in</strong>e Stoffklasse umfasst Stoffe, welche<br />
gleiche Atomgruppen und demzufolge ähnliche chemische Reaktionseigenschaften<br />
besitzen. Die wichtigsten Stoffklassen werden im übernächsten <strong>Kapitel</strong> vorgestellt.<br />
Kenntnisse <strong>der</strong> genauen Vorgänge während e<strong>in</strong>er Reaktion s<strong>in</strong>d <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />
Grundlagenchemie von untergeordneter Bedeutung. E<strong>in</strong> Teil dieses <strong>Kapitel</strong>s ist für<br />
das Verständnis <strong>der</strong> folgenden <strong>Kapitel</strong> deshalb nicht unbed<strong>in</strong>gt notwendig. Was für<br />
die Arbeit mit den nachfolgenden <strong>Kapitel</strong>n unabd<strong>in</strong>gbar ist, wurde ab dem Lernschritt<br />
L Substitutionen <strong>in</strong> leicht hängenden Absätzen formuliert. Empfehlenswert ist die<br />
Bearbeitung von L Reaktionsfreudige Teilchen <strong>in</strong> <strong>organischen</strong> <strong>Reaktionen</strong>, weil dort<br />
das Formalladungskonzept e<strong>in</strong>geführt wird.<br />
Die <strong>Reaktionen</strong> werden idealisierend besprochen. Es gelten nach wie vor alle<br />
reaktionsbee<strong>in</strong>flussenden Faktoren, welche <strong>in</strong> früheren <strong>Kapitel</strong>n besprochen wurden,<br />
wie: Ausbildung von chemischen Gleichgewichten und <strong>der</strong>en Störung, Aktivierung<br />
und Katalyse, E<strong>in</strong>fluss von Temperatur und Druck.<br />
96
Reaktionsfreudige Teilchen <strong>in</strong><br />
<strong>organischen</strong> <strong>Reaktionen</strong><br />
<strong>Kapitel</strong>: <strong>10</strong><br />
<strong>Reaktionen</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>organischen</strong> <strong>Chemie</strong><br />
In <strong>der</strong> <strong>organischen</strong> <strong>Chemie</strong> - <strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Chemie</strong> von lebenden Zellen -<br />
werden viele <strong>Reaktionen</strong> nicht durch Zündung, son<strong>der</strong>n durch den Angriff<br />
reaktionsfreudiger Teilchen ausgelöst. Es s<strong>in</strong>d Teilchen, welche e<strong>in</strong>e neue B<strong>in</strong>dung<br />
zu e<strong>in</strong>em angegriffen Teilchen bilden können, worauf<br />
Elektronenumlagerungsprozesse e<strong>in</strong>setzen, bis sich e<strong>in</strong> stabiles Endprodukt bildet.<br />
Die angreifenden Teilchen werden <strong>in</strong> drei Kategorien unterteilt:<br />
- Elektronenarme Teilchen, sog. Elektrophile (= Elektronen liebende Teilchen). Sie<br />
suchen sich an e<strong>in</strong>em Atom e<strong>in</strong>es Fremdmoleküls e<strong>in</strong> leicht zugängliches<br />
Elektronenpaar. Dieses kann aus e<strong>in</strong>er Doppelb<strong>in</strong>dung stammen o<strong>der</strong> es kann e<strong>in</strong><br />
nichtb<strong>in</strong>dendes, freies Elektronenpaar se<strong>in</strong>. Mit diesem Elektronenpaar wird e<strong>in</strong>e<br />
B<strong>in</strong>dung zwischen Molekül und Elektrophil gebildet.<br />
- Elektronenreiche Teilchen, sog. Nukleophile (= Kern liebende Teilchen o<strong>der</strong> allg.<br />
Teilchen, die positive Ladungen lieben). Sie suchen sich (<strong>in</strong> <strong>der</strong> Regel) e<strong>in</strong> positiv<br />
polarisiertes C-Atom <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em Fremdmolekül. Das elektronenreiche Teilchen bildet<br />
mit e<strong>in</strong>em se<strong>in</strong>er Elektronenpaare e<strong>in</strong>e B<strong>in</strong>dung zum positiv polarisierten C-Atom.<br />
- Radikale. Sie besitzen ungepaarte Elektronen. Diese "holen" sich jeweils e<strong>in</strong><br />
Elektron aus e<strong>in</strong>em bestehenden Elektronenpaar und h<strong>in</strong>terlassen neue Radikale.<br />
Die Adjektive elektrophil o<strong>der</strong> nukleophil beziehen sich immer auf das ganze<br />
Teilchen. Das Beispiel NO + 2 - e<strong>in</strong> elektrophiles Teilchen - macht deutlich, dass es<br />
nicht immer offensichtlich ist, welches <strong>der</strong> sich dar<strong>in</strong> bef<strong>in</strong>dlichen Atome die neue<br />
B<strong>in</strong>dung zum Fremdteilchen bildet.<br />
+<br />
Die nachstehend gezeichnete Valenzstrichformel von NO 2 (gemäß L<br />
Ionenverb<strong>in</strong>dungen V - Mehratomige Ionen) zeigt, dass alle Atome im Ion<br />
Edelgaskonfiguration besitzen. E<strong>in</strong>e formale Zuordnung <strong>der</strong> Elektronen durch<br />
Halbierung <strong>der</strong> B<strong>in</strong>dungselektronenpaare zu den beteiligten Atomen lässt erkennen,<br />
dass N nur 4 statt 5 Valenzelektronen (s. PSE) und damit e<strong>in</strong>e positive<br />
Formalladung besitzt. Formalladungen werden <strong>in</strong> Kreise e<strong>in</strong>geschrieben. E<strong>in</strong><br />
elektronenreiches Teilchen wird versuchen über e<strong>in</strong> Elektronenpaar an dieses N<br />
+<br />
O N O<br />
O : : N : : O<br />
anzukoppeln.<br />
Typische Elektrophile:<br />
H + , δ+ H-Cl δ- , NO 2<br />
+<br />
(δ+ und δ- stehen für Partialladungen<br />
aufgrund <strong>der</strong> Polarisation)<br />
Typische Nukleophile:<br />
OH - , H 2O, NH 3<br />
Massgebend s<strong>in</strong>d die nichtb<strong>in</strong>denden<br />
Elektronenpaare (hier als Wolken<br />
gezeichnet).<br />
O<br />
H<br />
L 69<br />
H<br />
O<br />
Fragen zu L 69<br />
H<br />
H N H<br />
1. Wo sitzt die negative Formalladung im Ion<br />
HCOO - ? Ist es e<strong>in</strong> Elektro- o<strong>der</strong> e<strong>in</strong><br />
Nukleophil?<br />
2. Ozon O 3 gilt als Elektrophil, es muss also<br />
im Molekül e<strong>in</strong>e positive Formalladung<br />
tragen (und auch e<strong>in</strong> negative wegen <strong>der</strong><br />
Ladungsneutralität). Wo sitzt die positive<br />
Formalladung <strong>in</strong> Ozon?<br />
3. Wo könnten im Molekül mit <strong>der</strong><br />
Gruppenformel CH 2CHCHO<br />
a) Elektrophile b) Nukleophile<br />
angreifen?<br />
H<br />
97
Substitutionsreaktionen<br />
<strong>Kapitel</strong>: <strong>10</strong><br />
<strong>Reaktionen</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>organischen</strong> <strong>Chemie</strong><br />
Bestrahlt man Methan CH 4(g) <strong>in</strong> Anwesenheit von Chlorgas Cl 2(g) mit ultraviolettem<br />
Licht reagieren die Gase zu Chlormethan und Chlorwasserstoff:<br />
CH 4(g) + Cl 2(g) → CH 3Cl(g) + HCl(g)<br />
Es ist e<strong>in</strong>e mögliche Art Halogenalkane herzustellen, welche als Kältesprays,<br />
Kühlmittel <strong>in</strong> Kühlschränken, schwerentflammbare Treibgase für die<br />
Kunststoffschäumung etc. e<strong>in</strong> breites Anwendungsfeld besitzen. Weil dabei e<strong>in</strong> H-<br />
Atom von Methan durch e<strong>in</strong> Chloratom ersetzt wird, nennt man e<strong>in</strong>e solche Reaktion<br />
Substitution.<br />
E<strong>in</strong>e Analyse <strong>der</strong> Vorgänge während <strong>der</strong> Reaktion zeigt, wie rechts dargestellt,<br />
dass <strong>der</strong> erste Schritt die Zersetzung des Chlormoleküls <strong>in</strong> zwei Chlorradikale ist.<br />
E<strong>in</strong>es <strong>der</strong> Chlorradikale greift mit se<strong>in</strong>em ungepaarten Elektron e<strong>in</strong> H-Atom an und<br />
bildet mit ihm e<strong>in</strong> Molekül HCl. Das zurückbleibende •CH 3 -Radikal greift se<strong>in</strong>erseits<br />
e<strong>in</strong> Chlormolekül an und verb<strong>in</strong>det sich mit e<strong>in</strong>em <strong>der</strong> Chloratome. Das verbleibende<br />
Chlorradikal Cl•. kann erneut e<strong>in</strong>e Reaktionsfolge starten. Der Reaktionsabruch<br />
erfolgt durch Verb<strong>in</strong>dung zweier Radikale. Der Vorgang wird durch e<strong>in</strong> Radikal<br />
ausgelöst, deshalb heißt die Reaktion radikalische Substitution (abgekürzt S R).<br />
Der Reaktionsmechanismus e<strong>in</strong>er Substitution kann aber auch e<strong>in</strong> gänzlich an<strong>der</strong>er<br />
se<strong>in</strong>, wie das folgende Beispiel zeigt (Darstellung unten an <strong>der</strong> Seite):<br />
Brommethan reagiert mit Hydroxid-Ionen zu Hydroxymethan (Methanol) und<br />
Bromid-Ionen: CH 3Br + OH - → CH 3OH + Br -<br />
Auch hier wurde substituiert, <strong>in</strong>dem e<strong>in</strong> Br - durch e<strong>in</strong> OH - ersetzt wurde. In diesem<br />
Fall attackierte e<strong>in</strong> nukleophiles Teilchen e<strong>in</strong> positiv polarisiertes C-Atom (1) und<br />
verdrängte den Bromsubstituenten samt B<strong>in</strong>dungselektron (2) als Bromid-Ion Br -<br />
(nukleophile Substitution S N).<br />
Ob e<strong>in</strong>e Reaktion möglich ist und wie sie verläuft, hängt u.a. von den<br />
Eigenschaften <strong>der</strong> beteiligten Reaktanden (reagierenden Teilchen), den<br />
Reaktionsbed<strong>in</strong>gungen und von <strong>der</strong> Stabilität <strong>der</strong> Zwischenprodukte ab. Merken Sie<br />
sich deshalb folgendes:<br />
- Die Bezeichnung Substitution bezieht sich auf das Resultat e<strong>in</strong>er Reaktionsfolge,<br />
bei <strong>der</strong> e<strong>in</strong> Atom o<strong>der</strong> e<strong>in</strong>e Atomgruppe durch e<strong>in</strong> an<strong>der</strong>es/e<strong>in</strong>e an<strong>der</strong>e ersetzt wird<br />
und nicht auf den Reaktionsmechanismus (Verlauf <strong>der</strong> Reaktion mit allen<br />
Zwischenstufen).<br />
H O δ− H<br />
H<br />
H<br />
(1)<br />
δ+ δ−<br />
C Br<br />
H<br />
(2)<br />
H O C H Br<br />
H<br />
H<br />
H<br />
H<br />
C<br />
H<br />
H<br />
C<br />
H<br />
H<br />
H<br />
Cl<br />
Cl<br />
. Cl<br />
H<br />
C<br />
H<br />
.<br />
. Cl<br />
Licht<br />
Cl<br />
. Cl<br />
+<br />
Cl<br />
H<br />
Cl<br />
Cl<br />
(Die gebogenen Pfeile symbolisieren<br />
die Bewegung <strong>der</strong> Elektronen vom Ort<br />
des Pfeilanfangs <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e neue Position<br />
am Pfeilende.)<br />
L 70<br />
Fragen zu L 70<br />
1. In e<strong>in</strong>em Reaktionsgefäß werden e<strong>in</strong> Mol<br />
Ethan mit zwei Mol Chlorgas durch<br />
Beleuchtung zur Reaktion gebracht. E<strong>in</strong> pH-<br />
Papier zeigt danach die Anwesenheit e<strong>in</strong>er<br />
Säure an. Wie lautet die<br />
Reaktionsgleichung für diese Reaktion mit<br />
Summenformeln?<br />
2. Iodmethan wird <strong>in</strong> Anwesenheit von<br />
Chlorid-Ionen <strong>in</strong> Chlormethan umgewandelt.<br />
Handelt es sich hier um e<strong>in</strong>e nukleophile<br />
o<strong>der</strong> um e<strong>in</strong>e elektrophile Substitution?<br />
3. NO 2 + reagiert mit Benzol zu Nitrobenzol<br />
(C 6H 5NO 2) und H + . Um welchen<br />
Reaktionstyp handelt es sich und welche<br />
Kurzbezeichnung hat diese Reaktion?<br />
98
Additionsreaktionen<br />
<strong>Kapitel</strong>: <strong>10</strong><br />
<strong>Reaktionen</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>organischen</strong> <strong>Chemie</strong><br />
Alkene <strong>in</strong> <strong>organischen</strong> Lösungsmitteln mit etwas orangefarbenem Bromwasser<br />
versetzt entfärben letzteres <strong>in</strong> wenigen Sekunden. Neben e<strong>in</strong>em bromierten Alkan ist<br />
ke<strong>in</strong> weiterer Stoff nachweisbar. Offenbar ist gemäß <strong>der</strong> folgenden Gleichung e<strong>in</strong>e<br />
Anlagerung (Addition) des Brommoleküls an das Alken erfolgt.<br />
H 2C=CH 2 + Br 2 → HBrC-CHBr<br />
Ausgelöst wird die Reaktion durch die Annäherung e<strong>in</strong>es Brommoleküls an die<br />
elektronenreiche Doppelb<strong>in</strong>dung. Dabei wird das Brommolekül polarisiert (die<br />
Elektronen im Brommolekül werden durch die Elektronen <strong>in</strong> <strong>der</strong> Doppelb<strong>in</strong>dung an<br />
den entfernteren Teil des Brommoleküls verschoben). Das Brommolekül erhält auf<br />
diese Weise e<strong>in</strong>en positiven, elektrophilen Pol. E<strong>in</strong> Elektronenpaar <strong>der</strong><br />
Doppelb<strong>in</strong>dung bildet neu e<strong>in</strong>e B<strong>in</strong>dung zum positiven Pol des Brommoleküls. Die<br />
Br-Br E<strong>in</strong>fachb<strong>in</strong>dung bricht und h<strong>in</strong>terlässt e<strong>in</strong> Bromid-Ion Br - . Über e<strong>in</strong>e cyklische<br />
Zwischenstufe wird - wie <strong>in</strong> <strong>der</strong> nebenstehenden Abbildung dargestellt - nach<br />
anschließen<strong>der</strong> Ankopplung des Bromid-Ions an e<strong>in</strong> C-Atom die Addition<br />
vervollständigt.<br />
E<strong>in</strong>e weitere wichtige Additionsreaktion ist die Hydratisierung (Anlagerung von<br />
Wasser) an Alkenen <strong>in</strong> saurer Umgebung. Sie wird durch den elektrophilen Angriff<br />
e<strong>in</strong>es Säureprotons auf die Doppelb<strong>in</strong>dung e<strong>in</strong>geleitet (abgek. A E, mit A für<br />
Addition). Anschließend erfolgt e<strong>in</strong> nukleophiler Angriff e<strong>in</strong>es Wassermoleküls an<br />
das C-Atom des Alkens, welches nun die positive Ladung trägt (vgl. L<br />
Reaktionsfreudige Teilchen). Nun besitzt das angelagerte Wassermolekül e<strong>in</strong> Proton<br />
zuviel und gibt es ans Wasser ab. Die Gesamtreaktion ist also e<strong>in</strong>e säurekatalysierte<br />
Addition von Wasser an e<strong>in</strong> Alken (im Beispiel unten Methylpropen). Wo welche<br />
Teile des zu addierenden Moleküls angelagert werden ist nicht ganz zufällig:<br />
Werden H-haltige Teilchen wie H 2O, NH 3, CH 3OH usw. an Alkene addiert, so geht<br />
nach <strong>der</strong> Regel von Markownikow H meistens an dasjenige C-Atom, das bereits<br />
mehr H gebunden hat. ("Wer hat, dem wird gegeben".) Merken sie sich wie<strong>der</strong>um<br />
folgendes:<br />
2<br />
Br δ−<br />
δ+ Br<br />
H 1 H<br />
C C<br />
H<br />
H<br />
H Br<br />
H C C H<br />
Br H<br />
L 71<br />
H<br />
C<br />
H<br />
H<br />
-<br />
Br<br />
Br<br />
H<br />
C +<br />
H<br />
+<br />
Br<br />
H<br />
δ+ C C δ+<br />
H<br />
H<br />
Br<br />
- Die Bezeichnung Addition bezieht sich auf das Resultat e<strong>in</strong>er Reaktionsfolge, bei<br />
<strong>der</strong> Atome, Atomgruppen o<strong>der</strong> Ionen an e<strong>in</strong> Molekül mit Doppel- o<strong>der</strong><br />
Dreifachb<strong>in</strong>dung angelagert werden. Auch diese Reaktion kann durch Elektrophile,<br />
Nukleophile o<strong>der</strong> Radikale e<strong>in</strong>geleitet werden und verläuft entsprechend<br />
unterschiedlich. Die Addition von Wasser heißt Hydratisierung.<br />
C<br />
C<br />
C<br />
C<br />
H + (Säure)<br />
(Nicht <strong>in</strong>volvierte H-Atome weggelassen)<br />
C<br />
C<br />
+<br />
C<br />
O<br />
H<br />
H<br />
C<br />
H<br />
C<br />
C<br />
C<br />
+<br />
O H<br />
H<br />
H<br />
C<br />
C<br />
C<br />
C<br />
O<br />
H<br />
H<br />
C<br />
H +<br />
Fragen zu L 71<br />
1. Wor<strong>in</strong> unterscheiden sich Additions- und<br />
Substitutionsreaktionen. Gibt es<br />
grundsätzliche Unterschiede bei <strong>der</strong><br />
Reaktionsauslösung?<br />
2. Was entsteht bei <strong>der</strong> Addition von NH 3 an<br />
Methylpropen, wenn die Regel von<br />
Markownikow gilt?<br />
3. Was entsteht bei <strong>der</strong> Addition von CH 3OH<br />
an 3-Methyl-(Z)-pent-2-en, wenn die Regel<br />
von Markownikow gilt? (Die B<strong>in</strong>dungen C-H<br />
und C-O s<strong>in</strong>d reaktionsträge. Die Addition<br />
soll analog zu <strong>der</strong> Addition <strong>in</strong> Aufgabe 2<br />
gestaltet werden).<br />
99
Elim<strong>in</strong>ierungen<br />
<strong>Kapitel</strong>: <strong>10</strong><br />
<strong>Reaktionen</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>organischen</strong> <strong>Chemie</strong><br />
Es gibt mehrere Möglichkeiten für die Synthese von Alkenen aus Alkanen. E<strong>in</strong><br />
wichtiger <strong>in</strong>dustrieller Prozess ist die rechts dargestellte sog. Dehydrierung<br />
(Entfernung von Wasserstoff) von Alkanen. Diese Reaktion gehört zu den<br />
Elim<strong>in</strong>ierungen, <strong>Reaktionen</strong>, bei denen zwei benachbarte Atome o<strong>der</strong> Atomgruppen<br />
e<strong>in</strong> Molekül verlassen und e<strong>in</strong>e Doppelb<strong>in</strong>dung (bei Alkenen e<strong>in</strong>e Dreifachb<strong>in</strong>dung)<br />
zurücklassen. Die obige Reaktion lohnt sich wegen vieler Schwierigkeiten und hoher<br />
benötigter Temperaturen nur für sehr große, <strong>in</strong>dustrielle Ansätze. Für das Labor<br />
bietet sich e<strong>in</strong>e raff<strong>in</strong>ierte an<strong>der</strong>e Möglichkeit an:<br />
E<strong>in</strong> Alkan wird zuerst mit e<strong>in</strong>em Halogen (z.B. Cl 2) behandelt, wodurch e<strong>in</strong><br />
e<strong>in</strong>fach substituiertes Chloralkan entsteht:<br />
H<br />
H<br />
C<br />
R<br />
600°<br />
H<br />
C H<br />
H<br />
Katalysator<br />
H 3C-CH 2R + Cl 2 Substitution H 3C-CHClR + HCl (R = Alkylrest)<br />
Anschließend lässt sich aus dem Produkt gemäß dem untenstehenden<br />
Reaktionsmechanismus HCl entfernen. Die Reaktion muss mit e<strong>in</strong>er starken Base<br />
e<strong>in</strong>geleitet werden. Es handelt es sich um e<strong>in</strong>e basen<strong>in</strong>duzierte (durch Base<br />
ausgelöste) nukleophile Elim<strong>in</strong>ierung E N:<br />
H<br />
R<br />
C<br />
C<br />
H<br />
H<br />
+ H 2<br />
H<br />
-<br />
O<br />
H O H<br />
H<br />
H<br />
C<br />
R<br />
H<br />
C<br />
Cl<br />
H<br />
H<br />
R<br />
C<br />
C<br />
H<br />
H<br />
-<br />
Cl<br />
- E<strong>in</strong>e Elim<strong>in</strong>ierung ist formal die Umkehrreaktion <strong>der</strong> Addition: E<strong>in</strong> Molekülteil wird<br />
aus e<strong>in</strong>em größeren Molekül abgespalten unter Ausbildung e<strong>in</strong>er Doppelb<strong>in</strong>dung.<br />
Die Adjektive nukleophil, elektrophil und radikalisch beziehen sich auf das<br />
reaktionsauslösende Teilchen und nicht auf das abgespaltene.<br />
<strong>10</strong>0<br />
L 72<br />
Fragen zu L 72<br />
1. Zeichnen Sie die Skelettformel des<br />
Moleküls, welches nach Elim<strong>in</strong>ierung von<br />
H 2O aus CH 3CH 2CH 2OH entsteht.<br />
2. Zeichnen Sie die Skelettformel des<br />
Moleküls, das entsteht, wenn aus<br />
CH 3CHBr 2 zwei Moleküle HBr elim<strong>in</strong>iert<br />
werden.<br />
3. Es gibt Additionen, welche im chemischen<br />
Gleichgewicht mit <strong>der</strong> Umkehrreaktion, <strong>der</strong><br />
Elim<strong>in</strong>ierung stehen. E<strong>in</strong>e solche Reaktion<br />
ist die Addition von Wasser an H 2CO und<br />
die Wasserelim<strong>in</strong>ierung aus dem<br />
Additionsprodukt. Zeichnen Sie die<br />
Valenzstrichformel des Additionsproduktes.<br />
(Wasser wirkt bei <strong>der</strong> Addition als<br />
Nukleophil).
Kondensation und Hydrolyse<br />
<strong>Kapitel</strong>: <strong>10</strong><br />
<strong>Reaktionen</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>organischen</strong> <strong>Chemie</strong><br />
O<br />
H+<br />
Die <strong>Reaktionen</strong> <strong>der</strong> Kondensation (Verdichtung) und <strong>der</strong> Hydrolyse (Hydro = Wasser,<br />
Lyse = Aufspaltung) s<strong>in</strong>d zwei gegenläufige <strong>Reaktionen</strong> e<strong>in</strong>es dynamischen<br />
chemischen Gleichgewichts, welche <strong>in</strong> <strong>der</strong> organisch-synthetischen <strong>Chemie</strong> und <strong>in</strong><br />
<strong>der</strong> Biochemie geradezu zentral s<strong>in</strong>d: Fast alle Verdauungsvorgänge z.B. s<strong>in</strong>d<br />
Hydrolysen, welche enzymatisch katalysiert werden. In diesem Lernschritt werden<br />
die beiden <strong>Reaktionen</strong> beschrieben, wie sie <strong>in</strong> vitro (im Glas) ablaufen. Sie können <strong>in</strong><br />
beiden Richtungen durch Base, wie durch Säure katalysiert werden. Der<br />
nebenstehende Mechanismus zeigt die säurekatalysierte Variante e<strong>in</strong>er<br />
Kondensation von Essigsäure mit dem Alkohol Ethanol. Formal setzt sich die<br />
Reaktion aus e<strong>in</strong>er Addition e<strong>in</strong>es Alkohols an e<strong>in</strong>e C=O-Doppelb<strong>in</strong>dung und<br />
anschließen<strong>der</strong> Elim<strong>in</strong>ierung von Wasser zusammen, so dass sich die<br />
Doppelb<strong>in</strong>dung wie<strong>der</strong> bildet. Es handelt sich also nicht um e<strong>in</strong>en neuen<br />
Reaktionstyp. Je nach den beteiligten Alkylgruppen und Reaktionsbed<strong>in</strong>gungen kann<br />
<strong>der</strong> Reaktionsmechanismus aber auch e<strong>in</strong> ganz an<strong>der</strong>er se<strong>in</strong>.<br />
- Das geme<strong>in</strong>same Merkmal aller Kondensationen ist jeweils die Vere<strong>in</strong>igung von<br />
zwei Molekülen unter Abspaltung e<strong>in</strong>es dritten kle<strong>in</strong>eren Moleküls, <strong>in</strong> unserem Fall<br />
Wasser. So kann die nebenstehende Reaktionskette <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er für alle<br />
Kondensationen bzw. Hydrolysen gültigen Form folgen<strong>der</strong>maßen<br />
zusammengefasst werden:<br />
Kondensation<br />
H<br />
H<br />
OH<br />
Addition e<strong>in</strong>es Alkohols<br />
O H<br />
+ O<br />
OH<br />
H<br />
O H<br />
+ O<br />
O H<br />
O H<br />
O<br />
O<br />
+<br />
H<br />
O<br />
H +<br />
Hydrolyse<br />
O<br />
O<br />
Kondensation<br />
+ +H 2 O<br />
Hydrolyse<br />
OH HO<br />
O<br />
H<br />
O<br />
O<br />
H<br />
Diese Kondensation wird <strong>in</strong> <strong>der</strong> Regel mit e<strong>in</strong>em Überschuss an Alkohol<br />
durchgeführt um das Gleichgewicht nach rechts zu verschieben.<br />
Es s<strong>in</strong>d auch an<strong>der</strong>e Molekülgruppen zur Kondensation fähig. Neben <strong>der</strong><br />
besprochenen Kondensation <strong>der</strong> Gruppen -COOH und –OH ist die Kondensation <strong>der</strong><br />
Gruppen –COOH und –NH 2 weit verbreitet, <strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e beim Aufbau <strong>der</strong> wichtigen<br />
Stoffklasse <strong>der</strong> Prote<strong>in</strong>e o<strong>der</strong> Eiweiße, welche gegen Ende dieses Buches<br />
besprochen werden:<br />
.<br />
O<br />
+ +H 2 O<br />
OH H 2 N<br />
O<br />
HN<br />
L 73<br />
Fragen zu L 73<br />
1. Welches Molekül entsteht nach<br />
Kondensation von zwei Molekülen<br />
CH 3CH 2OH? Verläuft diese Reaktion gleich<br />
wie die Kondensation von Essigsäure mit<br />
Ethanol?<br />
2. Von welchem Molekül stammt das O-Atom<br />
im abgespaltenen Wassermolekül bei <strong>der</strong><br />
säurekatalysierten Kondensation von<br />
Essigsäure mit Ethanol?<br />
3. Welche Moleküle entstehen bei <strong>der</strong> mit<br />
NaOH(aq) basenkatalysierten Hydrolyse<br />
von CH 3COOCH 3? Wie liegen die<br />
Reaktionsprodukte am Ende <strong>der</strong> Reaktion<br />
vor?<br />
<strong>10</strong>1
Erfolgskontrolle zu <strong>Kapitel</strong> <strong>10</strong><br />
1. Das Phosphat-Ion besitzt e<strong>in</strong>e dreifach negative Ladung (PO 4 3- ). Wo bef<strong>in</strong>det sich<br />
diese Ladung im Ion, bzw. wie kommt sie zustande? (H<strong>in</strong>weis: Die<br />
Valenzstrichformel ist gemäß L Ionenverb<strong>in</strong>dungen V –Mehratomige Ionen im<br />
<strong>Kapitel</strong> 2 zu zeichnen.)<br />
2. Von BF 3 lassen sich zwei verschiedene Grenzstrukturen zeichnen. Die e<strong>in</strong>e ist<br />
isoelektronisch zu CO 3 2- , die an<strong>der</strong>e weist e<strong>in</strong>e so genannte Oktettlücke auf: ihr<br />
fehlt das vierte Valenzelektronenpaar am zentralen Boratom. Bortrifluorid gilt als<br />
starkes Elektrophil (am Boratom): Welche <strong>der</strong> Grenzstrukturen ist die<br />
vernünftigere?<br />
3. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung, welche die Entstehung von 1,2-<br />
Dibrompropan aus Propan <strong>in</strong> Anwesenheit von Brom beschreibt. Wie heißt <strong>der</strong><br />
Reaktionstyp? (Ohne Angabe ob nukleophil, elektrophil o<strong>der</strong> radikalisch).<br />
4. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung, welche die Entstehung von 1,2-<br />
Dibrompropan aus Propen <strong>in</strong> Anwesenheit von Brom beschreibt. Wie heißt <strong>der</strong><br />
Reaktionstyp, <strong>der</strong> vom Reaktionstyp <strong>in</strong> Frage 3. verschieden ist? (Ohne Angabe<br />
ob nukleophil, elektrophil o<strong>der</strong> radikalisch).<br />
5. Welche Elektronenbewegung ist beim folgenden bevorstehenden Angriff beim<br />
Aufe<strong>in</strong>an<strong>der</strong>treffen <strong>der</strong> beiden Teilchen zu zeichnen?<br />
Cl<br />
H<br />
C<br />
O<br />
H 3 C CH 3<br />
H<br />
6. Welches Molekül (Gruppenformel angeben) entsteht bei <strong>der</strong> Addition von HCl an<br />
Propanon CH 3COCH 3 (enthält C=O Doppelb<strong>in</strong>dung).<br />
7. Welche zwei weiteren Stoffe entstehen bei <strong>der</strong> Bromelim<strong>in</strong>ierung aus 1,2-<br />
Dibromcyclohexan <strong>in</strong> Anwesenheit von Kaliumiodid (KI), wenn <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />
Reaktionsmischung <strong>der</strong> Stoff IBr nachgewiesen werden kann.<br />
8. Wie sieht das Kondensationsprodukt <strong>der</strong> Reaktion von CH 3COCl (enthält C=O<br />
Doppelb<strong>in</strong>dung) mit CH 3CH 2OH aus, wenn <strong>in</strong> <strong>der</strong> Reaktionsmischung HCl<br />
nachgewiesen werden kann?<br />
9. Welche Produkte entstehen nach Hydrolyse des Produktes aus Aufgabe 8.<br />
<strong>10</strong>2
Antworten Erfolgskontrolle <strong>Kapitel</strong> <strong>10</strong><br />
1.<br />
O<br />
-<br />
O<br />
-<br />
+<br />
P<br />
O<br />
-<br />
O<br />
-<br />
Vier negative Formalladungen auf den O-<br />
Atomen und e<strong>in</strong>e positive auf dem P-Atom<br />
ergeben zusammen die dreifach negative<br />
Gesamtladung.<br />
2.<br />
F<br />
F<br />
B<br />
-<br />
F +<br />
F<br />
F<br />
B<br />
F<br />
Beide sagen e<strong>in</strong>e Dreiecksstruktur voraus.<br />
In <strong>der</strong> l<strong>in</strong>ken gibt es Formalladungen, <strong>in</strong><br />
<strong>der</strong> rechten nicht. Die l<strong>in</strong>ke könnte die<br />
starken elektrophilen Eigenschaften des<br />
zentralen Boratoms nicht erklären, weil<br />
dieses e<strong>in</strong>e negative Formalladung trägt. In<br />
<strong>der</strong> Variante rechts fehlt h<strong>in</strong>gegen e<strong>in</strong><br />
Elektronenpaar und die stark<br />
elektronegativen Fluoratome wirken auf<br />
das Boratom positiv polarisierend.<br />
3. CH 3CH 2CH 3 + 2 Br 2 → CH 2BrCHBrCH 3 + 2 HBr. Es handelt sich um e<strong>in</strong>e<br />
Substitution.<br />
4. CH 2CHCH 3 + Br 2 → CH 2BrCHBrCH 3 . Es handelt sich um e<strong>in</strong>e Addition.<br />
5.<br />
Cl<br />
H<br />
δ + C<br />
O<br />
H<br />
H 3 C CH 3<br />
6. HCl ist e<strong>in</strong> polares Molekül. Die Addition läuft bevorzugt so ab, dass das positiv<br />
polarisierte H-Atom sich an das negativ polarisierte O-Atom <strong>in</strong> Propanon anlagert,<br />
währenddessen sich das negativ polarisierte Cl-Atom an das positiv polarisierte C-<br />
Atom <strong>in</strong> Propanon b<strong>in</strong>det. Es entsteht CH 3CClOHCH 3.<br />
7. Aus 1,2-Dibromcyclohexan entsteht nach e<strong>in</strong>er Elim<strong>in</strong>ierung Cyclohexen. Die<br />
Reaktion erfor<strong>der</strong>t die Anwesenheit von I - -Ionen (und K + ). Zwei Brom-Atome<br />
werden frei. E<strong>in</strong>es davon bildet mit I - das Molekül IBr, unter Abgabe e<strong>in</strong>es<br />
Elektrons, offenbar an Br zu Br - . Es bildet außerdem <strong>der</strong> Stoff KBr.<br />
8. CH 3COOCH 2CH 3<br />
9. Das Molekül von 9. wird unter E<strong>in</strong>fügen von Wasser aufgespalten. Es entsteht<br />
CH 3COOH und wie<strong>der</strong> CH 3CH 2OH.<br />
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