Organische Chemie I: Kohlenwasserstoffe und Nomenklatur (CHE-Org) — Chemie · Matura-Zusammenfassung

Alkane: Struktur, Eigenschaften, Nomenklatur#

~4 Min LesezeitBasisCHE-Org-7.1CHE-Org-7.2

Die organische Chemie ist die Chemie des Kohlenstoffs - und ihre einfachste Familie sind die Alkane, gesättigte Kohlenwasserstoffe nur mit Einfachbindungen. „Gesättigt" heißt: Jedes C-Atom ist mit vier weiteren Atomen verbunden, es gibt keine Mehrfachbindung, an die sich etwas addieren ließe. Die allgemeine Summenformel ist

\ce{C_{n}H_{2n+2}}

, jedes C-Atom ist sp3-hybridisiert und tetraedrisch (109,5 Grad).

Die Alkane bilden eine homologe Reihe, in der sich jedes Glied vom vorigen um eine

\ce{CH2}

-Gruppe unterscheidet. Die ersten zehn Namen sollte man auswendig können: Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan, Octan, Nonan, Decan. Diese Vorsilben tauchen in der gesamten organischen Nomenklatur wieder auf.

Weil C und H fast gleich elektronegativ sind, sind Alkane praktisch unpolar; zwischen den Molekülen wirken nur schwache London-Dispersionskräfte. Diese nehmen mit der Moleküloberfläche zu, daher steigen Schmelz- und Siedepunkt stetig mit der Kettenlänge (): C1-C4 sind gasförmig, C5-C16 flüssig, ab C17 fest. Unpolar bedeutet zudem hydrophob - Alkane lösen sich in Fett, nicht in Wasser.

Siedepunkte der n-Alkane

Abb. 1Mit jeder zusätzlichen

\ce{CH2}

-Gruppe wächst die Moleküloberfläche und damit die Van-der-Waals-Kraft - der Siedepunkt steigt stetig.

Abb. 1 ↓

Chemisch sind Alkane reaktionsträge, weil ihnen eine angreifbare funktionelle Gruppe fehlt. Zwei Reaktionen sind dennoch wichtig: die vollständige Verbrennung zu

\ce{CO2}

und

\ce{H2O}

(stark exotherm - daher die Rolle als Brennstoffe) und die radikalische Substitution mit Halogenen unter UV-Licht,

\ce{CH4 + Cl2 ->[h\nu] CH3Cl + HCl}

(Mechanismus im eigenen Abschnitt).

Die IUPAC-Benennung folgt drei Schritten: die längste durchgehende C-Kette als Hauptkette wählen (sie liefert den Stammnamen), dann so durchnummerieren, dass die Substituenten möglichst kleine Lokanten erhalten, und schließlich die Substituenten mit Lokant alphabetisch geordnet als Präfix anhängen. Aus dem Namen muss eindeutig die Struktur folgen - und umgekehrt.

Schon bei kurzen Ketten erlaubt der vierbindige Kohlenstoff verschiedene Verknüpfungen: Konstitutionsisomere haben dieselbe Summenformel, aber unterschiedliche Struktur. Butan und iso-Butan (

\ce{C4H10}

) oder die drei Pentan-Isomere (siehe Rechenbeispiel) sind klassische Beispiele. Stärkere Verzweigung macht das Molekül kompakter, verringert die Kontaktfläche und senkt damit den Siedepunkt.

Vokabeln

→ Kartei

gesättigtNur Einfachbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen; das Molekül kann keinen Wasserstoff mehr aufnehmen.
homologe ReiheFolge von Verbindungen, die sich jeweils um eine $\ce{CH2}$-Gruppe unterscheiden.
KonstitutionsisomereVerbindungen gleicher Summenformel mit unterschiedlicher Verknüpfung der Atome.
LokantZiffer im IUPAC-Namen, die die Position eines Substituenten oder einer Mehrfachbindung angibt.
radikalische SubstitutionErsatz eines H-Atoms durch ein Halogenatom über eine Kettenreaktion mit Radikalen.
KonformationRäumliche Anordnung, die sich allein durch Drehung um Einfachbindungen ineinander überführen lässt.

Summenformel gesättigte Alkane

\ce{C_{n}H_{2n+2}}

$n$ ist die Zahl der Kohlenstoffatome; jedes zusätzliche C-Atom bringt zwei H-Atome mit. Die Formel gilt nur für offenkettige gesättigte Kohlenwasserstoffe - ein Ring hat wegen des Ringschlusses zwei H weniger.

Vollständige Verbrennung Methan

\ce{CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}\;\;\Delta H<0

Bei ausreichendem Sauerstoff entstehen ausschließlich Kohlenstoffdioxid und Wasser; $\Delta H<0$ heißt exotherm - Methan liefert rund 890 kJ je Mol. Bei Sauerstoffmangel entsteht stattdessen Kohlenstoffmonoxid oder Ruß.

Musterbeispiel

Reaktionsgleichung ausgleichen - Verbrennung von Propan

Stelle die ausgeglichene Gleichung für die vollständige Verbrennung von Propan ( $\ce{C3H8}$ ) auf.

Skelettgleichung
$\ce{C3H8 + O2 -> CO2 + H2O}$ .
C ausgleichen
3 C-Atome auf der linken Seite: $\ce{C3H8 + O2 -> 3 CO2 + H2O}$ .
H ausgleichen
8 H-Atome -> 4 $\ce{H2O}$ : $\ce{C3H8 + O2 -> 3 CO2 + 4 H2O}$ .
O ausgleichen
Rechts: $3\cdot 2 + 4\cdot 1 = 10$ O-Atome, also $5\,\ce{O2}$ links.

Ergebnis: Ausgeglichene Gleichung: $\ce{C3H8 + 5 O2 -> 3 CO2 + 4 H2O}$ (exotherm, $\Delta_{R}H \approx -2220\,\text{kJ/mol}$ ).

Musterbeispiel

Strukturisomere von Pentan

Zeichne alle Struktur-Isomere von Pentan ( $\ce{C5H12}$ ) und benenne sie.

n-Pentan
gerade Kette $\ce{CH3-CH2-CH2-CH2-CH3}$ .
2-Methylbutan
iso-Pentan; $\ce{CH3-CH(CH3)-CH2-CH3}$ .
2,2-Dimethylpropan
neo-Pentan; $\ce{C(CH3)4}$ .
Sdp-Vergleich
n-Pentan 36 °C, iso-Pentan 28, neo-Pentan 10. Mehr Verzweigung -> kompakter, weniger Vdw-Kontaktflaeche -> niedrigerer Sdp.

Ergebnis: Drei Strukturisomere mit Sdp-Reihenfolge n > iso > neo.

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte

1
Methan, Ethan, Propan - die ersten zehn Alkane bilden das Rückgrat der organischen Chemie.
2
IUPAC-Nomenklatur ist wie eine Adresse: längste Straße als Hauptkette, niedrigste Hausnummern als Lokanten.
3
Mehr Verzweigung heißt kompakter, daher weniger Berührungsfläche - niedrigerer Schmelzpunkt.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank5 Punkte

Aufgabenstellung

Erläutere am Beispiel der Erdöl-Destillation, wie sich Alkane über den Siedepunkt trennen lassen, und nenne mindestens drei Fraktionen mit Verwendung.

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Maturafokus

Erzeuge IUPAC-Namen in vier Schritten: längste Kette suchen, so beziffern, dass die Substituenten die kleinsten Lokanten erhalten, Substituenten alphabetisch ordnen, Vervielfachungssilben voranstellen.
Gleiche Verbrennungsgleichungen nach dem festen Muster aus - erst C, dann H, zuletzt O: $\ce{C3H8 + 5 O2 -> 3 CO2 + 4 H2O}$ .
Begründe steigende Siedetemperaturen mit der größeren Berührungsfläche und damit stärkeren Londonschen Dispersionskräften, nicht mit der Molmasse allein.
Vergleiche verzweigte mit unverzweigten Isomeren: Kugeligere Moleküle berühren einander schlechter und sieden niedriger.
Bezeichne die Reaktion mit Halogenen ausdrücklich als radikalische Substitution und nenne die Bedingung - Licht oder Wärme.

Typische Fehler

Die Hauptkette wird nicht als längste C-Kette gewählt. Sie darf im Formelbild um eine Ecke laufen; die Zeichnung gibt keine Leserichtung vor.
Substituenten werden nach Position statt alphabetisch geordnet. Im Namen steht Ethyl vor Methyl, unabhängig vom Lokanten.
Die Reaktion mit Halogenen wird als ionisch beschrieben. Alkane sind unpolar; die Substitution verläuft über Radikale.
Alkane gelten als „reaktionsträge, also uninteressant". Gerade die Reaktionsträgheit macht sie als Schmierstoff, Lösungsmittel und Brennstoff brauchbar.
Die Vervielfachungssilben di-, tri-, tetra- werden alphabetisch mitgezählt; alphabetisiert wird der Substituentenname selbst.

Aktive Wiederholung

Benenne nach IUPAC die Verbindung mit der Strukturformel $\ce{(CH3)2CHCH2CH(CH3)CH2CH3}$ und gib die Summenformel an.

Passende Aufgaben üben50 Fragen zum Thema

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Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: IUPAC Nomenclature of Organic Chemistry (Recommendations 2013) (IUPAC)

Alkene, Alkine, Aromaten#

~4 Min LesezeitStandardCHE-Org-7.1

Sobald ein Kohlenwasserstoff eine Mehrfachbindung enthält, ändert sich sein chemisches Verhalten grundlegend: Die Doppel- oder Dreifachbindung ist eine elektronenreiche, reaktive Stelle. Man fasst solche Stoffe als ungesättigte Kohlenwasserstoffe zusammen - Alkene, Alkine und die aromatischen Verbindungen.

Alkene (

\ce{C_{n}H_{2n}}

) besitzen mindestens eine C=C-Doppelbindung. Die beteiligten C-Atome sind sp2-hybridisiert und liegen mit ihren Nachbarn in einer Ebene; die Doppelbindung besteht aus einer

\sigma

- und einer

\pi

-Bindung (vgl. ). Einfachste Vertreter sind Ethen, Propen und die Butene.

Hybridorbitale - sp, sp2, sp3

Abb. 3sp linear (180 Grad), sp2 trigonal-planar (120 Grad), sp3 tetraedrisch (109,5 Grad).

Abb. 3 ↓

Alkine (

\ce{C_{n}H_{2n-2}}

) enthalten mindestens eine

\ce{C#C}

-Dreifachbindung aus einer

\sigma

- und zwei

\pi

-Bindungen; die Atome sind sp-hybridisiert und linear angeordnet. Der bekannteste Vertreter ist Ethin (Acetylen,

\ce{C2H2}

), das mit Sauerstoff die sehr heiße Schweißflamme liefert.

Weil die

\pi

-Bindung die Drehung um die Doppelbindungsachse blockiert, tritt bei Alkenen mit zwei verschiedenen Resten je C-Atom die cis/trans- (E/Z-)Isomerie auf: Beim 2-Buten liegen die Methylgruppen entweder auf derselben Seite (cis) oder auf entgegengesetzten Seiten (trans). Die Isomere haben messbar verschiedene Schmelz- und Siedepunkte.

Eine eigene Klasse bilden die Aromaten, allen voran Benzol

\ce{C6H6}

: Sechs sp2-C-Atome im Ring tragen je ein p-Orbital, deren Elektronen sich zu einer ringförmigen

\pi

-Wolke aus 6 delokalisierten Elektronen verbinden (). Diese Delokalisierung (Hückel-Regel

4n+2

) macht das System ungewöhnlich stabil - die wahre Struktur liegt zwischen zwei Resonanzformeln, alle C-C-Bindungen sind gleich lang.

Benzol - Resonanzstrukturen und delokalisierte Pi-Wolke

Abb. 2Kekule-Strukturen wechseln in Resonanz; tatsächlich liegen sechs delokalisierte Pi-Elektronen über dem Ring vor.

Abb. 2 ↓

Aus der Struktur folgt das Reaktionsverhalten: Alkene und Alkine reagieren bevorzugt durch Addition (etwa

\ce{Br2}

,

\ce{H2}

oder

\ce{HBr}

nach der Markownikow-Regel), wobei die Mehrfachbindung verschwindet. Aromaten dagegen bewahren ihre stabile

\pi

-Wolke und reagieren durch elektrophile Substitution (Nitrierung, Halogenierung). Technisch zentral ist die Polymerisation der Alkene: Aus Ethen entsteht Polyethylen, aus Propen Polypropylen, aus Styrol Polystyrol (vertieft im Thema „funktionelle Gruppen / Polymere").

Vokabeln

→ Kartei

ungesättigtEnthält mindestens eine C-C-Mehrfachbindung und kann daher addieren.
AromatRingförmige, ebene Verbindung mit durchgehend konjugiertem π-System und $4n+2$ π-Elektronen.
Hückel-RegelKriterium der Aromatizität: $4n+2$ delokalisierte π-Elektronen mit $n=0,1,2,\dots$
Markownikow-RegelBei der Addition an ein unsymmetrisches Alken geht das H an das wasserstoffreichere C-Atom.
CarbokationPositiv geladenes C-Atom mit sechs Valenzelektronen; seine Stabilität steigt von primär über sekundär zu tertiär.
DelokalisierungVerteilung von π-Elektronen über mehr als zwei Atome; sie senkt die Energie des Moleküls.

Bromaddition an Ethen

\ce{H2C=CH2 + Br2 -> BrCH2-CH2Br}

Das unpolare Brommolekül wird von der π-Elektronenwolke polarisiert und addiert in zwei Schritten an die Doppelbindung; es entsteht 1,2-Dibromethan. Weil dabei die braune Farbe des Broms verschwindet, dient die Reaktion als Nachweis für Mehrfachbindungen.

Elektrophile aromatische Substitution

\ce{C6H6 + Br2 ->[FeBr3] C6H5Br + HBr}

$\ce{FeBr3}$ ist der Katalysator: Es polarisiert das Brommolekül so stark, dass ein angreifendes Elektrophil entsteht. Ersetzt wird ein Wasserstoffatom des Rings; der austretende Wasserstoff bildet mit dem zweiten Bromatom $\ce{HBr}$ , und das aromatische System bleibt erhalten.

Musterbeispiel

Markovnikov-Addition

Welches Produkt entsteht bei der Addition von $\ce{HBr}$ an 2-Methylpropen?

Doppelbindung identifizieren
$\ce{(CH3)2C=CH2}$ .
Markovnikov anwenden
H geht an das C mit mehr H-Atomen ( $\ce{CH2}$ ), Br an das C mit mehr Substituenten (das tertiäre C).
Produkt
$\ce{(CH3)2CBr-CH3}$ = tert-Butylbromid (2-Brom-2-methylpropan).

Ergebnis: Hauptprodukt ist tert-Butylbromid - das Carbokation-Zwischenprodukt am tertiären C ist am stabilsten.

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte

1
Alkene und Alkine sind reaktiv - die Pi-Bindung ist eine Energiequelle für Additionen.
2
Benzol ist die ruhige Schwester - die delokalisierte Pi-Wolke ist so stabil, dass Substitution bevorzugt wird.
Benzol - Resonanzstrukturen und delokalisierte Pi-Wolke
Abb.Kekule-Strukturen wechseln in Resonanz; tatsächlich liegen sechs delokalisierte Pi-Elektronen über dem Ring vor.
3
Bei Doppelbindungen denke an cis/trans - eine kleine Geometrieänderung mit großem Effekt auf Eigenschaften.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank5 Punkte

Aufgabenstellung

Vergleiche die Reaktivität von Benzol mit der von Ethen gegenüber Brom. Welche Strukturmerkmale erklären die unterschiedliche Reaktivität?

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Typische Fehler

Benzol wird mit drei festen Doppelbindungen gezeichnet, ohne die Delokalisierung zu erwähnen. Alle sechs C-C-Bindungen sind gleich lang (139 pm).
Die Markownikow-Regel wird umgekehrt angewandt; das Wasserstoffatom geht an das C-Atom mit den MEHR Wasserstoffatomen.
Das Hückel-Kriterium wird auf nicht ringförmige oder nicht ebene Systeme angewandt; alle Bedingungen müssen gleichzeitig erfüllt sein.
Alkine werden wie Alkene behandelt. Die Dreifachbindung ist linear, das C-Atom sp-hybridisiert, und die Addition verläuft in zwei getrennten Stufen.
cis/trans wird an einem C-Atom mit zwei gleichen Substituenten angesetzt; dort existiert keine Isomerie - $\ce{CH2=CHCl}$ hat keine cis/trans-Formen.

Aktive Wiederholung

Zeichne die Reaktionsprodukte der Bromaddition an (a) Ethen und (b) Benzol und erläutere den Unterschied.

Passende Aufgaben üben50 Fragen zum Thema

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Quellen: OpenStax Chemistry 2e Kap. 20 Organic Chemistry (OpenStax)

Isomerie: Struktur, Stereo, Chiralität#

~4 Min LesezeitVertiefungCHE-Org-7.3

Dieselbe Summenformel kann ganz verschiedene Moleküle bezeichnen - dieses Phänomen heißt Isomerie und ist ein Grund für die millionenfache Vielfalt der organischen Chemie. Man unterscheidet zwei große Familien: Konstitutionsisomere (unterschiedliche Verknüpfung) und Stereoisomere (gleiche Verknüpfung, andere räumliche Anordnung).

Konstitutionsisomere (Strukturisomere) haben dieselbe Summenformel, doch die Atome sind anders verbunden. So sind n-Butan und iso-Butan Gerüstisomere; Ethanol (

\ce{C2H5OH}

) und Dimethylether (

\ce{CH3-O-CH3}

) sind sogar Funktionsisomere - dieselbe Formel

\ce{C2H6O}

, aber völlig verschiedene Stoffklassen und Eigenschaften.

Stereoisomere stimmen in der Verknüpfung überein und unterscheiden sich nur räumlich. Eine Form ist die bereits bekannte cis/trans- (E/Z-)Isomerie an einer Doppelbindung oder im Ring: cis = beide Reste auf derselben Seite, trans = auf entgegengesetzten Seiten. Sie entsteht, weil die Doppelbindung nicht frei drehbar ist.

Die feinste Form ist die Spiegelbildisomerie (Enantiomerie): Zwei Moleküle verhalten sich wie Bild und Spiegelbild und lassen sich nicht zur Deckung bringen - genau wie linke und rechte Hand (Chiralität). Voraussetzung ist meist ein asymmetrisches (chirales) C-Atom mit vier verschiedenen Substituenten ( am Beispiel einer Aminosäure).

Aminosäure - Grundgerüst und Zwitterion

Abb. 4Zentrales C-Atom mit Aminogruppe, Carboxylgruppe, H und Rest R; bei physiologischem pH als Zwitterion.

Abb. 4 ↓

Stereoisomere, die NICHT spiegelbildlich zueinander sind, heißen Diastereomere (etwa bei mehreren Stereozentren oder cis/trans-Paaren); bei

n

Stereozentren gibt es maximal

2^{n}

Stereoisomere. Enantiomere unterscheiden sich physikalisch nur in einem Punkt: Sie drehen die Ebene polarisierten Lichts um denselben Betrag, aber in entgegengesetzte Richtung (optische Aktivität; Bezeichnung R/S nach den CIP-Regeln).

In Biologie und Pharmazie ist die Chiralität entscheidend, weil Enzyme und Rezeptoren selbst chiral sind und meist nur ein Enantiomer „passt". Das tragischste Beispiel ist Thalidomid (Contergan): Eine Form wirkte beruhigend, die andere fruchtschädigend - seither müssen Wirkstoff-Enantiomere getrennt geprüft werden (siehe Selbsttest).

Vokabeln

→ Kartei

KonstitutionsisomerieGleiche Summenformel, unterschiedliche Verknüpfung der Atome.
StereoisomerieGleiche Verknüpfung, unterschiedliche räumliche Anordnung.
EnantiomereStereoisomere, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten und nicht zur Deckung zu bringen sind.
DiastereomereStereoisomere, die keine Spiegelbilder sind; sie unterscheiden sich in Schmelzpunkt, Löslichkeit und Reaktivität.
StereozentrumKohlenstoffatom mit vier verschiedenen Substituenten.
CIP-RegelnPrioritätsregeln nach Cahn, Ingold und Prelog zur Festlegung von R/S und E/Z.

Anzahl Stereoisomere

2^{n}\;\text{Stereoisomere bei}\;n\;\text{Stereozentren (max.)}

$n$ ist die Zahl der Stereozentren im Molekül. Der Wert ist eine OBERGRENZE: Moleküle mit einer inneren Spiegelebene (meso-Formen) besitzen weniger Stereoisomere, weil zwei Spiegelbilder dort identisch werden.

Musterbeispiel

Chiralität bei Milchsäure

Erläutere die Chiralität von Milchsäure ( $\ce{CH3-CHOH-COOH}$ ) und nenne ein Beispiel für ihre biologische Bedeutung.

Asymmetrisches C
Mittleres C-Atom hat 4 verschiedene Substituenten: H, OH, $\ce{CH3}$ , $\ce{COOH}$ .
Zwei Enantiomere
(R)- und (S)-Milchsäure (früher: D- und L-Form).
Biologische Bedeutung
L-Milchsäure entsteht im Muskel bei anaerober Glykolyse; D-Milchsäure wird durch Milchsäurebakterien in Sauerkraut produziert.

Ergebnis: Lebende Systeme produzieren meist nur eines der Enantiomere - eine Folge der enantioselektiven Enzyme.

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte

1
Stereoisomere sind die kleinsten Geschwister mit großer Wirkung - gleiche Verknüpfung, andere Raumform.
2
Ein asymmetrisches C-Atom mit vier verschiedenen Substituenten erzeugt zwei Enantiomere - wie linke und rechte Hand.
3
In der Biologie zählt die Form - Enzyme erkennen meist nur eines der Enantiomere.
Aminosäure - Grundgerüst und Zwitterion
Abb.Zentrales C-Atom mit Aminogruppe, Carboxylgruppe, H und Rest R; bei physiologischem pH als Zwitterion.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank5 Punkte

Aufgabenstellung

Erläutere am Beispiel Thalidomid (Contergan-Skandal), welche Bedeutung Enantiomere in der Pharmazie haben.

Deine Antwortwird nicht automatisch bewertet

Typische Fehler

Enantiomere werden mit Konstitutionsisomeren verwechselt. Enantiomere haben dieselbe Verknüpfung und verhalten sich wie Bild und Spiegelbild.
Ein Stereozentrum wird übersehen, weil zwei Substituenten oberflächlich ähnlich aussehen; entscheidend ist die vollständige Gruppe, nicht das erste Atom.
Diastereomere werden wie Enantiomere behandelt. Diastereomere unterscheiden sich in Schmelzpunkt und Löslichkeit und sind damit trennbar, Enantiomere mit achiralen Methoden nicht.
R/S und $+/-$ werden gleichgesetzt. Die R/S-Zuordnung folgt aus den CIP-Regeln, die Drehrichtung wird gemessen; das eine lässt sich aus dem anderen nicht ableiten.
Die cis/trans-Bezeichnung wird auf dreifach substituierte Doppelbindungen angewandt; dort ist die E/Z-Nomenklatur nach CIP-Prioritäten nötig.

Aktive Wiederholung

Hat 2-Brombutan ein asymmetrisches C-Atom? Wenn ja, identifiziere es und gib die beiden Enantiomere an.

Passende Aufgaben üben50 Fragen zum Thema

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Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: IUPAC CIP-Regeln (R/S-Nomenklatur) (IUPAC)

Reaktionsmechanismen: Substitution, Addition, Eliminierung#

~5 Min LesezeitVertiefungCHE-Org-7.3

Benzol - Resonanzstrukturen und delokalisierte Pi-Wolke

Abb. 5Kekule-Strukturen wechseln in Resonanz; tatsächlich liegen sechs delokalisierte Pi-Elektronen über dem Ring vor.

Drei Mechanismen tragen die gesamte Kohlenwasserstoffchemie: Substitution, Addition und Eliminierung. Wer sie an der STRUKTURÄNDERUNG unterscheidet - wird ein Atom ersetzt, verschwindet eine Mehrfachbindung, oder entsteht eine? -, kann jede Gleichung dieses Kapitels einordnen, auch ohne den konkreten Stoff zu kennen. Welcher Mechanismus abläuft, entscheidet die Elektronenverteilung im Ausgangsstoff.

Alkane sind unpolar und bieten keinem Ion einen Angriffspunkt; sie reagieren deshalb radikalisch. Bei der radikalischen Substitution spaltet Licht oder Hitze zuerst ein Halogenmolekül homolytisch - jedes Atom nimmt eines der bindenden Elektronen mit (Kettenstart). In der Kettenfortpflanzung reißt ein Chlorradikal ein Wasserstoffatom aus dem Methan, wodurch ein Methylradikal entsteht, das seinerseits ein

\ce{Cl2}

angreift:

\ce{CH4 + Cl^. -> CH3^. + HCl}

und

\ce{CH3^. + Cl2 -> CH3Cl + Cl^.}

. Weil dabei ein neues Chlorradikal frei wird, läuft die Kette weiter - ein einziger Startschritt löst Tausende Umsätze aus. Der Kettenabbruch tritt ein, wenn zwei Radikale aufeinandertreffen. Daraus folgt die Schwäche des Verfahrens: Die Substitution hört nach dem ersten Schritt nicht auf, sodass stets ein Gemisch aus Mono-, Di-, Tri- und Tetrachlormethan entsteht.

Die π-Bindung eines Alkens ist eine leicht zugängliche Elektronenwolke ober- und unterhalb der Bindungsachse - sie zieht Elektrophile an. Bei der elektrophilen Addition greift die Doppelbindung das Elektrophil an, es entsteht ein Carbokation, und im zweiten Schritt lagert sich das Nucleophil an. Bei unsymmetrischen Alkenen entscheidet die Stabilität dieses Zwischenprodukts über das Produkt: Ein tertiäres Carbokation ist stabiler als ein sekundäres und dieses stabiler als ein primäres, weil benachbarte Alkylgruppen Elektronendichte nachschieben. Genau das ist die Markownikow-Regel - das H geht an das wasserstoffreichere C-Atom, weil dann am anderen das stabilere Kation entsteht. Aus Propen und

\ce{HBr}

wird deshalb überwiegend 2-Brompropan und nicht 1-Brompropan.

Die Eliminierung kehrt die Addition um: Von zwei benachbarten C-Atomen werden zwei Gruppen abgespalten, und eine Doppelbindung entsteht. Der Schulfall ist die säurekatalysierte Dehydratisierung eines Alkohols - Ethanol liefert mit konzentrierter Schwefelsäure bei etwa 170 °C Ethen und Wasser, während dieselben Partner bei rund 140 °C zum Diethylether führen. Sind zwei verschiedene Alkene möglich, entsteht nach der Saytzeff-Regel bevorzugt das höher substituierte, weil es stabiler ist. Die Reaktionsführung entscheidet hier also über das Produkt, nicht der Ausgangsstoff.

Benzol verhält sich anders als ein Alken, und die Begründung ist energetisch. Eine Addition würde das delokalisierte π-System zerstören und die Mesomerieenergie von rund 150 kJ/mol kosten; eine Substitution stellt es dagegen wieder her. Benzol reagiert mit Brom deshalb nicht durch Addition, sondern - mit einem Katalysator wie

\ce{FeBr3}

- durch elektrophile aromatische Substitution zu Brombenzol und Bromwasserstoff. Praktisch prüfbar ist das mit Bromwasser: Ein Alken entfärbt es sofort, Benzol nicht.

Ob ein Mechanismus radikalisch oder ionisch verläuft, entscheidet die Art des Bindungsbruchs. Bei der Homolyse nimmt jeder Partner ein Elektron mit und es entstehen Radikale - begünstigt durch unpolare Bindungen, Licht, Hitze und unpolare Lösungsmittel. Bei der Heterolyse nimmt ein Partner beide Elektronen und es entstehen Ionen - begünstigt durch polare Bindungen und polare Lösungsmittel. Für die Prüfung genügt die Zuordnung: Alkan plus Halogen unter Licht heißt radikalische Substitution, Alken plus Elektrophil heißt elektrophile Addition, Aromat plus Elektrophil mit Katalysator heißt elektrophile Substitution, Alkohol plus Säure und Hitze heißt Eliminierung.

Vokabeln

→ Kartei

HomolyseBindungsbruch, bei dem jeder Partner ein bindendes Elektron behält; es entstehen Radikale.
HeterolyseBindungsbruch, bei dem ein Partner beide bindenden Elektronen behält; es entstehen Ionen.
RadikalTeilchen mit einem ungepaarten Elektron; sehr reaktiv und Träger von Kettenreaktionen.
ElektrophilElektronenarmes Teilchen, das eine Elektronenwolke angreift.
NucleophilElektronenreiches Teilchen, das ein freies Elektronenpaar zur Bindungsbildung anbietet.
Saytzeff-RegelBei einer Eliminierung entsteht bevorzugt das höher substituierte und damit stabilere Alken.

Radikalische Substitution - Start und Wachstum

\ce{Cl2 ->[h\nu] 2 Cl^.} \;(\text{Start});\quad \ce{CH4 + Cl^. -> CH3^. + HCl} \;(\text{Wachstum})

$h\nu$ steht für die Lichtenergie, die das Chlormolekül homolytisch spaltet; der hochgestellte Punkt kennzeichnet das ungepaarte Elektron eines Radikals. In der Fortpflanzung entsteht mit jedem Schritt ein neues Radikal, sodass die Kette weiterläuft, bis zwei Radikale einander treffen.

Musterbeispiel

Markownikow-Addition an Propen

Bestimme das Hauptprodukt der Addition von $\ce{HBr}$ an Propen ( $\ce{CH2=CH-CH3}$ ) und begründe mit der Markownikow-Regel.

Doppelbindung lokalisieren
Propen besitzt die Doppelbindung zwischen C1 und C2; C1 trägt zwei H, C2 trägt ein H.
Markownikow anwenden
Das Proton geht an das H-reichere C1; das Bromid an C2. Begründung: das entstehende sekundäre Carbokation (an C2) ist stabiler als das primaere.
Produkt
Hauptprodukt ist 2-Brompropan ( $\ce{CH3-CHBr-CH3}$ ).

Ergebnis: 2-Brompropan überwiegt; die Regiochemie folgt aus der Stabilität des sekundären Carbokations. Bezug: Abschnitt "Alkene, Alkine, Aromaten".

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank4 Punkte

Aufgabenstellung

Erläutere die drei Phasen der radikalischen Substitution von Methan mit Chlor unter UV-Licht und gib für jede Phase eine Gleichung an.

Deine Antwortwird nicht automatisch bewertet

Typische Fehler

Die radikalische Substitution wird ohne ihre drei Phasen beschrieben; ohne Start, Fortpflanzung und Abbruch fehlt der Mechanismus.
Markownikow wird umgekehrt angewandt. Das H geht an das C-Atom mit den mehr Wasserstoffatomen, damit das stabilere Carbokation entsteht.
Addition und Substitution werden verwechselt. Bei der Addition verschwindet die Mehrfachbindung, bei der Substitution wird ein Atom ersetzt.
Aromaten werden als additionsfreudig behandelt; die Erhaltung des delokalisierten Systems macht die Substitution weit günstiger.
Die Chlorierung von Methan wird als saubere Einfachreaktion dargestellt. Weil die Kette weiterläuft, entsteht ein Gemisch aller vier Chlormethane.

Aktive Wiederholung

Erläutere den Mechanismus der radikalischen Substitution von Methan mit Chlor in den drei Phasen und gib je eine Gleichung an.

Passende Aufgaben üben50 Fragen zum Thema

Aktiv abrufen

Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: OpenStax Chemistry 2e, Kap. 20 "Organic Chemistry" (OpenStax)

Erdöl, fraktionierte Destillation und Cracken#

~5 Min LesezeitStandardCHE-Org-7.1

Erdölfraktionen nach Kettenlänge

Abb. 6Längere Kohlenwasserstoffketten sieden höher und werden im Destillationsturm weiter unten gewonnen (Richtwerte für die mittlere C-Zahl).

Erdöl ist kein Stoff, sondern ein Gemisch aus Hunderten Kohlenwasserstoffen mit Kettenlängen von einem bis über vierzig Kohlenstoffatomen. Alles, was daraus entsteht - Treibstoff, Kunststoff, Arzneimittelvorstufe -, beruht auf zwei Schritten: erst physikalisch trennen, dann chemisch umbauen. Diese Reihenfolge ist die Antwort auf jede Prüfungsfrage zur Raffinerie.

In der fraktionierten Destillation wird das vorgewärmte Rohöl in einen hohen Kolonnenturm geleitet, in dem die Temperatur von unten (über 350 °C) nach oben (unter 40 °C) abnimmt. Jede Fraktion steigt so weit auf, bis sie ihren Siedebereich unterschreitet, kondensiert auf einem Glockenboden und wird abgezogen: Gase unter 40 °C, Benzin 40 bis 180 °C, Kerosin 180 bis 250 °C, Gasöl und Diesel 250 bis 350 °C, darüber Schweröl und als Rückstand Bitumen. Weil dabei keine Bindungen gebrochen werden, ist der ganze Vorgang ein physikalisches Trennverfahren - ihn als Reaktion zu beschreiben ist der klassische Fehler.

Der Grund für die Trennbarkeit liegt in den zwischenmolekularen Kräften. Kohlenwasserstoffe sind unpolar, zwischen ihnen wirken also ausschließlich Londonsche Dispersionskräfte, deren Stärke mit Kontaktfläche und Polarisierbarkeit wächst. Eine längere Kette bietet mehr Berührungsfläche und siedet deshalb höher: Methan bei

-162

°C, Propan bei

-42

°C, Pentan bei 36 °C, Decan bei 174 °C. Verzweigte Isomere sind kugeliger, berühren einander schlechter und sieden niedriger als ihre unverzweigten Geschwister gleicher Molmasse.

Der Markt fragt kurze Ketten nach, das Rohöl liefert überwiegend lange - diese Lücke schließt das Cracken. Beim thermischen Cracken werden Bindungen bei hoher Temperatur homolytisch gespalten; das Steamcracken bei 800 bis 850 °C ist die wichtigste Quelle für Ethen und Propen, die Rohstoffe der Kunststoffindustrie. Das katalytische Cracken arbeitet mit Zeolithen bei rund 500 °C, also milder und selektiver, und liefert vor allem verzweigte Benzinbestandteile. In jedem Fall entstehen aus einem langkettigen Alkan ein kürzeres Alkan UND ein Alken, weil die vorhandenen Wasserstoffatome für zwei gesättigte Bruchstücke nicht ausreichen.

Das Reformieren spaltet nicht, es lagert um: Aus unverzweigten Alkanen werden verzweigte und aromatische Kohlenwasserstoffe derselben C-Zahl. Der Zweck ist die Klopffestigkeit, gemessen als Octanzahl - n-Heptan definiert den Wert 0, 2,2,4-Trimethylpentan (Isooctan) den Wert 100. Verzweigte und aromatische Moleküle entzünden sich unter Druck weniger leicht von selbst und verhindern damit das unkontrollierte Klopfen im Motor. Cracken und Reformieren zu verwechseln ist der zweithäufigste Fehler dieses Abschnitts.

Die Bewertung gehört zur Aufgabe: Erdöl ist endlich, seine Verbrennung setzt fossiles

\ce{CO2}

frei, und der weit überwiegende Teil der Förderung wird verbrannt statt stofflich genutzt - dabei liegt gerade in der stofflichen Nutzung der bleibende Wert. Alternativen sind Biomasse als Rohstoffbasis, das chemische Recycling von Kunststoffen zurück zu ihren Monomeren und Power-to-X-Verfahren, die aus erneuerbarem Strom und

\ce{CO2}

Kohlenwasserstoffe aufbauen. Eine gute Antwort im Anforderungsbereich III nennt neben dem Klimaargument auch, dass Kunststoffe und Arzneimittel bislang kaum ohne petrochemische Zwischenstufen auskommen.

Vokabeln

→ Kartei

FraktionGruppe von Kohlenwasserstoffen mit ähnlichem Siedebereich, die gemeinsam abgezogen wird.
fraktionierte DestillationPhysikalische Trennung eines Gemischs nach Siedebereichen in einer Kolonne.
CrackenSpaltung langkettiger Kohlenwasserstoffe in kürzere; liefert stets auch ein Alken.
SteamcrackenThermisches Cracken mit Wasserdampf bei 800 bis 850 °C; Hauptquelle für Ethen und Propen.
ReformierenUmlagerung unverzweigter Alkane in verzweigte und aromatische Verbindungen gleicher C-Zahl.
OctanzahlMaß für die Klopffestigkeit eines Kraftstoffs; n-Heptan entspricht 0, Isooctan 100.

Beispiel einer Crack-Reaktion (Alkan -> Alkan + Alken)

\ce{C16H34 ->[\text{Cracken}] C8H18 + C8H16}

Ein langkettiges Alkan zerfällt in ein kürzeres Alkan und ein Alken. Das Alken muss zwingend entstehen: Für zwei gesättigte Bruchstücke reichen die vorhandenen Wasserstoffatome nicht aus.

Musterbeispiel

Siedereihenfolge und Crack-Produkte

Ordne Pentan, Decan und Octadecan nach steigendem Siedepunkt und gib eine mögliche Crack-Gleichung für Decan ( $\ce{C10H22}$ ) an.

Siedepunkte ordnen
Mit zunehmender Kettenlänge steigen die London-Kräfte: Pentan ( $\ce{C5}$ ) < Decan ( $\ce{C10}$ ) < Octadecan ( $\ce{C18}$ ).
Crack-Gleichung
Eine mögliche Spaltung: $\ce{C10H22 -> C5H12 + C5H10}$ (Alkan + Alken).
Interpretieren
Das Alken ( $\ce{C5H10}$ ) dient als Monomer-Rohstoff; das Alkan ( $\ce{C5H12}$ ) erhöht die Benzinausbeute.

Ergebnis: Siedereihe Pentan < Decan < Octadecan; Crack-Produkte Alkan + Alken. Querverweis: Thema "Organische Chemie - funktionelle Gruppen" (Polymere aus Alkenen).

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank4 Punkte

Aufgabenstellung

Erkläre, warum langkettige Erdölfraktionen gecrackt werden, und gib eine atombilanzierte Crack-Gleichung für Dodecan (

\ce{C12H26}

) an, die einen Kunststoffrohstoff liefert.

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Typische Fehler

Die fraktionierte Destillation wird als chemische Reaktion beschrieben. Es werden keine Bindungen gebrochen; das Verfahren ist rein physikalisch.
Der Siedepunkttrend wird mit der Molmasse begründet. Maßgeblich ist die Kontaktfläche - deshalb siedet ein verzweigtes Isomer niedriger als sein unverzweigtes bei gleicher Masse.
Cracken und Reformieren werden verwechselt. Beim Reformieren bleibt die Zahl der C-Atome gleich.
Die entstehenden Alkene bleiben unverknüpft mit der Kunststoffherstellung, obwohl sie deren wichtigste Rohstoffe sind.
Beim Cracken werden zwei Alkane als Produkte angegeben. Für zwei gesättigte Bruchstücke fehlt der Wasserstoff - eines der Produkte ist stets ein Alken.

Aktive Wiederholung

Erkläre, warum im Destillationsturm Benzin oben und Bitumen unten gewonnen wird, und beurteile, warum lange Fraktionen gecrackt werden.

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Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: OpenStax Chemistry 2e, Kap. 20 "Hydrocarbons" (OpenStax)

IUPAC-Nomenklatur organischer Verbindungen#

~4 Min LesezeitBasisCHE-Org-7.2

Ein IUPAC-Name ist ein Bauplan: Wer ihn korrekt liest, kann die Strukturformel zeichnen, und wer die Struktur hat, kann den Namen bilden - beides wird in der Reifeprüfung verlangt, und beides folgt demselben festen Ablauf. Der Name besteht immer aus drei Teilen: Präfixe für die Substituenten, ein Stamm für die Hauptkette, ein Suffix für die wichtigste funktionelle Gruppe.

Der erste Schritt ist die Hauptkette. Sie ist die längste durchgehende Kohlenstoffkette, die die höchstrangige funktionelle Gruppe enthält - und sie darf im Formelbild Ecken machen, denn die gezeichnete Leserichtung hat keine chemische Bedeutung. Bei gleicher Länge entscheidet die größere Zahl an Substituenten. Der Stammname folgt aus der C-Zahl: Meth-, Eth-, Prop-, But-, Pent-, Hex-, Hept-, Oct-, Non-, Dec-.

Das Suffix nennt die wichtigste funktionelle Gruppe: -an für Alkane, -en für Alkene, -in für Alkine, -ol für Alkohole, -al für Aldehyde, -on für Ketone, -säure für Carbonsäuren. Ist mehr als eine Gruppe vorhanden, entscheidet die Rangfolge, welche als Suffix erscheint und welche als Präfix; sie lautet absteigend Carbonsäure, Ester, Amid, Aldehyd, Keton, Alkohol, Amin. Eine Hydroxygruppe neben einer Carbonsäure wird deshalb zum Präfix Hydroxy-, wie in 2-Hydroxypropansäure, dem systematischen Namen der Milchsäure.

Nun wird beziffert, und zwar so, dass die höchstrangige funktionelle Gruppe den kleinstmöglichen Lokanten erhält. Fehlt eine solche Gruppe, entscheidet die Mehrfachbindung; fehlt auch die, bekommt der erste Substituent die kleinste Nummer. Bleibt es weiterhin unentschieden, gewinnt die Ziffernfolge, die beim ersten Unterschied die kleinere Zahl trägt. Jeder Substituent erhält seinen eigenen Lokanten, auch wenn zwei am selben C-Atom sitzen: 2,2-Dimethylpropan trägt die Zwei zweimal.

Die Substituenten werden als Präfixe mit ihrem Lokanten vorangestellt und ALPHABETISCH geordnet - Chlor vor Ethyl vor Methyl -, nicht nach Position und nicht nach Größe. Die Vervielfachungssilben di-, tri-, tetra- zählen dabei nicht mit: In 4-Ethyl-2,3-dimethylhexan steht Ethyl vor Dimethyl, weil nach „e" und „m" alphabetisiert wird. Zusammengesetzte Substituentennamen wie Isopropyl werden dagegen mit ihrem vollständigen Namen einsortiert.

Zusammengesetzt ergibt sich der Name in der Reihenfolge Präfixe - Stamm - Suffix, wobei jeder Lokant unmittelbar vor dem Bestandteil steht, auf den er sich bezieht. Für

\ce{CH3-CH(CH3)-CH2-CH2-OH}

heißt das: vier C-Atome in der Hauptkette (But-), die Hydroxygruppe am Ende erhält die 1, die Methylgruppe sitzt an C3 - also 3-Methylbutan-1-ol. Umgekehrt lässt sich aus diesem Namen die Struktur eindeutig zurückzeichnen, und genau diese Eindeutigkeit ist der Zweck der Nomenklatur: Trivialnamen wie Essigsäure oder Aceton sind zulässig und geläufig, tragen aber keine Strukturinformation.

Vokabeln

→ Kartei

HauptketteLängste durchgehende C-Kette, die die höchstrangige funktionelle Gruppe enthält; sie liefert den Stammnamen.
SuffixEndung des Namens; sie benennt die höchstrangige funktionelle Gruppe.
PräfixVorangestellter Namensteil für Substituenten und für nachrangige funktionelle Gruppen.
LokantZiffer, die die Position eines Substituenten oder einer Mehrfachbindung angibt.
Vervielfachungssilbedi-, tri-, tetra-; sie zählt bei der alphabetischen Ordnung nicht mit.
TrivialnameHistorisch gewachsener Name ohne Strukturinformation, etwa Essigsäure oder Aceton.

Aufbau eines IUPAC-Namens

\text{Stamm} + \text{Bindungsendung} + \text{Suffix der Hauptgruppe}

Die Reihenfolge ist fest: Präfixe für die Substituenten (alphabetisch, jeweils mit Lokant), dann der Stammname nach der C-Zahl der Hauptkette, dann das Suffix der höchstrangigen funktionellen Gruppe mit ihrem Lokanten.

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Musterbeispiel

Strukturformel nach IUPAC benennen

Benenne $\ce{CH3-CH(CH3)-CH2-CH2-OH}$ nach IUPAC.

Hauptkette und Funktion
Wichtigste Gruppe ist die OH-Gruppe (Alkohol, Suffix -ol). Längste Kette mit OH umfasst 4 C-Atome -> Butan-Gerüst.
Bezifferung
Vom OH-naehesten Ende zählen: C1 trägt OH, an C3 sitzt eine Methylgruppe.
Name zusammensetzen
Substituent 3-Methyl, Stamm Butan, Suffix -1-ol -> 3-Methylbutan-1-ol.

Ergebnis: 3-Methylbutan-1-ol. Vertiefung im Abschnitt "Alkohole, Phenole, Ether".

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank3 Punkte

Aufgabenstellung

Leite die Strukturformel von 2-Methylbutan-1-ol aus dem IUPAC-Namen ab und begründe Hauptkette und Bezifferung.

Deine Antwortwird nicht automatisch bewertet

Typische Fehler

Nicht die längste Kette wird als Hauptkette gewählt, weil sie im Formelbild um eine Ecke läuft. Die Zeichnung gibt keine Leserichtung vor.
Die Bezifferung startet am falschen Ende, sodass die funktionelle Gruppe eine zu hohe Nummer erhält.
Die Vervielfachungssilben di- und tri- werden alphabetisch mitgezählt; alphabetisiert wird der Substituentenname selbst.
Die höchstrangige funktionelle Gruppe erscheint nicht als Suffix; aus einer Hydroxycarbonsäure wird dann fälschlich ein Alkohol.
Ein Lokant wird weggelassen, wenn zwei gleiche Substituenten am selben C-Atom sitzen. Jeder trägt seinen eigenen: 2,2-Dimethylpropan.

Aktive Wiederholung

Benenne die Verbindung $\ce{CH3-CH(CH3)-CH2-CH2-OH}$ nach IUPAC und begründe Hauptkette und Bezifferung.

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Quellen: IUPAC Recommendations - Nomenclature of Organic Chemistry (IUPAC)