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B978-3-437-42836-4.00017-5

10.1016/B978-3-437-42836-4.00017-5

978-3-437-42836-4

Abb. 17.1

[L253]

MethanMethan und EthanEthan

Abb. 17.2

[L253]

Ein verzweigtes AlkanAlkan

Abb. 17.3

[L253]

n-Butan und Isobutan

Abb. 17.4

[L253]

Die verschiedenen Darstellungen und Konformationsisomere des Ethans

Abb. 17.5

[L253]

Butanol als Valenzstrich- und Skelettformel

Abb. 17.6

[L253]

Cyclohexan und Decalin als Beispiele für Mono- und Bicyclen

Abb. 17.7

[L253]

3,5-Dimethylhex-2-en

Abb. 17.8

[L253]

Z/E-But-2-en

Abb. 17.9

[L253]

Ethin

Homologe Reihe der Alkane

Tab. 17.1
Name Summenformel Siedepunkt bei Normaldruck in °C
Methan CH4 −162
Ethan C2H6 −89
Propan C3H8 −42
Butan C4H10 0
Pentan C5H12 36
Hexan C6H14 69
Heptan C7H16 98
Octan C8H18 126

Alkane, Alkene und Alkine

Alkane

AlkanDie erste organische Stoffklasse, die wir in diesem Buch kennenlernen werden, sind die Alkane.
Alkane sind Kohlenwasserstoffe, die sich dadurch auszeichnen, dass jedes C-Atom sp3-hybridisiert ist, also vier Einfachbindungen zu benachbarten Atomen ausbildet.

Homologe Reihe

Ein möglichst einfaches Alkan besteht nur aus einem C-Atom, das mit vier H-Atomen verbunden ist, das Methan. Kommt nun ein weiteres C-Atom dazu, müssen auch noch zwei weitere H-Atome dazukommen, damit alle Bindungen besetzt sind. Dies ist das zweiteinfachste Alkan, das Ethan (Abb. 17.1). Durch eine weitere CH2-Gruppe entsteht das nächst-komplexere Alkan. Diese Anordnung von einfachen zu komplexen Alkanen bezeichnet man als homologe Reihehomologe Reihe (Tab. 17.1).
Ihr erkennt zudem: Die Siedetemperatur nimmt mit zunehmender Größe des Moleküls zu. Dieses Phänomen lässt sich durch die stärkeren Van-der-Waals-Kräfte erklären. So ist das kurze Propan bei Zimmertemperatur gasförmig (man denke an den Campingkocher), während höhere Alkane erst flüssig, dann zunehmend viskos und ab einer gewissen Kettenlänge auch fest sein können.

Allen Alkanen liegt eine gemeinsame allgemeine Summenformel zugrunde. Diese lautet CnH2n+2.

Es wurde bereits erwähnt, dass SummenformelnSummenformel das Verhältnis der Atome in einer Verbindung zueinander angeben. StrukturformelnStrukturformel dagegen machen deutlich, wie die Atome untereinander verknüpft sind. Bei Alkanen, die genauso lang wie oder länger als Butan sind, kann man allerdings aus der Summenformel mehrere Strukturformeln „basteln“, indem man die C-Atome nicht in einer Kette, sondern verzweigt anordnet (Abb. 17.2). Solche Moleküle, die sich in ihrer Strukturformel unterscheiden, obwohl sie die gleiche Summenformel haben, nennt man KonstitutionsisomereKonstitutionsisomer.
Da man die Moleküle nicht alle durch ihre Summenformel eindeutig charakterisieren kann, wurde die IUPAC-Nomenklatur (IUPAC steht für International Union of Pure and Applied Chemistry) eingeführt, die jedem Molekül einen eindeutigen Namen zuweist. Deren grundlegende Regeln zur Nomenklatur sollte man kennen.
Manche Moleküle haben neben ihrem IUPAC-Namen auch noch einen oder mehrere anderen Namen, die historisch bedingt sind und sich nicht aus der Struktur- bzw. Summenformel ableiten lassen. Da diese Namen aber teilweise nach wie vor gebräuchlich sind, werden sie, dort wo sie noch relevant sind, in diesem Buch erwähnt.
Die Regeln werden dabei immer anhand eines Beispiels eingeführt (Abb. 17.2):
  • 1.

    Der Stammname der Verbindung wird bei Alkanen durch die längste Kette bestimmt, in unserem Fall Hexan. Die Endung „an“ macht dabei deutlich, dass es sich um ein Alkan handelt.

  • 2.

    Nun müssen die Seitenketten benannt werden: Dafür nummeriert man die Hauptkette so durch, dass die erste Seitenkette eine möglichst kleine Zahl erhält. In unserem Beispiel können wir der kürzeren Kette die Ziffer 2 zuteilen, während die längere Kette an Position 3 steht. Die Seitenketten erhalten natürlich auch einen Namen. Ein Rest aus einem C-Atom heißt Methyl, ein Rest aus zwei C-Atomen Ethyl. Die Reste werden also, abhängig von ihrer Länge, wie die Alkane benannt, lediglich mit der Endung „yl“ statt „an“. Die Position der Seitenkette wird durch eine Zahl und einen Bindestrich vor ihr deutlich gemacht. Die Seitenketten werden dabei alphabetisch sortiert. In unserem Beispiel heißt das Molekül mit Seitenketten folglich: 3-Ethyl-2-methylhexan.

Liegen bei einer Verbindung zwei gleichlange Reste vor, werden die Positionen beider Reste angegeben, durch Kommas getrennt und die Vorsilbe „di“ angehängt.
Übrigens: Der Präfix „n“, wird im Rahmen der IUPAC-Nomenklatur nicht benötigt, begegnet einem aber des Öfteren im Praktikum. Er gibt an, dass ein Molekül unverzweigt vorliegt. n-Butan ist also eine unverzweigte Kette aus 4 C-Atomen (Abb. 17.3).
Wenn ein Stoff als Iso-ButanIsobutan bezeichnet wird, bedeutet dies, dass die Verbindung ein Konstitutionsisomer des n-Butans ist. Diese Verbindung ist folglich verzweigt (Abb. 17.3).
Für alle, die mehr üben wollen: Im Internet gibt es Freeware zum Download, mit der man Strukturformeln erstellen kann, die dann vom Programm automatisch benannt werden, sodass man überprüfen kann, ob man mit seinem Namen richtig gelegen hat.
Anhand eines Modells eines Alkans kann man sehen, dass die Atome in der Realität nicht wirklich in einer Linie liegen, wie es die Strukturformel suggeriert. Das liegt daran, dass die C-Atome sp3-hybridisiert sind, sodass die bindenden Elektronenpaare in die Ecken eines Tetraeders (Bindungswinkel = 109,5°) weisen. Die Struktur der meisten Kohlenwasserstoffe ist deshalb eher zickzackartig.
Außerdem: Konstitutionsisomere zeigen unterschiedliche physikalische Eigenschaften. Van-der-Waals-Kräfte nehmen mit zunehmender Moleküloberfläche zu. Diese ist bei verzweigten Molekülen kleiner. Man kann sich auch vorstellen, dass zwei Isobutan-Moleküle wegen der Verzweigungen schlechter „in Kontakt treten“ können, um Anziehungskräfte aufeinander auszuüben. Dementsprechend hat Isobutan einen geringeren Schmelzpunkt als n-Butan.

Konformationsisomere

KonformationsisomerBetrachtet man das Ethan, erkennt man, dass sowohl Summen- wie auch Strukturformel eindeutig zu genau einem Molekül führen. Es existieren keine Konstitutionsisomere. Zwischen den beiden C-Atomen besteht eine Einfachbindung. Diese ist, wie bereits besprochen, frei drehbar. Betrachten wir nun das Molekül so, dass das eine Kohlenstoff-Atom das andere genau verdeckt (man bezeichnet diese Darstellungsweise auch als Newman-ProjektionNewman-Projektion), erkennen wir, dass durch Drehen der Einfachbindung mehrere räumliche Anordnungen möglich sind (Abb. 17.4).
Moleküle mit gleicher Summenformel, gleicher Strukturformel, aber unterschiedlicher Anordnung, nennt man grundsätzlich Stereoisomere. Da wir von der einen Anordnung durch simples Drehen in die anderen Anordnungen kommen (also ganz ohne Bindungen auflösen und neu verknüpfen zu müssen), bezeichnen wir diese Strukturen im Speziellen als Konformationsisomere oder Konformere. Weniger verbreitet, aber naheliegender ist der Begriff Rotamere.
Unterschiedliche Konformationen können auch mit der Sägebock-Schreibweise dargestellt werden.
Doch welche Konformation nimmt das Ethan eigentlich an? Die Natur strebt nach einem energiearmen Zustand. Dieser wird erreicht, wenn die H-Atome in größtmöglichem Abstand, also gestaffelt, vorliegen.
Die verdeckte oder ekliptische Konformation ist durch die Nähe der H-Atome zueinander energiereicher und tritt damit in der Natur nicht bevorzugt auf.

Skelettformeln

SkelettformelnStrukturformeln in der organischen Chemie können recht umfangreich werden. Um sich das Zeichnen etwas zu erleichtern, greift man auf Skelettformeln zurück, die mit etwas Erfahrung auch relativ problemlos gelesen werden können (Abb. 17.5). Im Unterschied zu den bisher bekannten Schreibweisen werden in den Skelettformeln die C-Atome nicht gezeichnet. Man zeichnet lediglich die Bindungen zwischen den C-Atomen, sodass man wissen muss, dass die C-Atome an deren Enden bzw. in den „Knicks“ liegen. Die H-Atome werden ebenfalls nicht gezeichnet. Sie muss man in Gedanken ergänzen, indem man sich ansieht, wie viele seiner 4 Bindungen ein C-Atom ausgebildet hat. Die restlichen, nicht eingezeichneten Bindungen sind diejenigen zu den H-Atomen. HeteroatomeHeteroatome und somit auch funktionelle Gruppen werden ebenfalls in den Skelettformeln eingezeichnet.
Darüber hinaus tragen die Skelettformeln auch den räumlichen Anordnungen Rechnung, indem Einfachbindungen zwischen C-Atomen nicht linear, sondern als „Zickzack“ gezeichnet werden.

Cycloalkane

CycloalkaneWenn ein Alkan an jedem Ende seiner Kette ein H-Atom abspaltet und eine neue C-C-Bindung ausbildet, entsteht ein Ring. Dieser Ring wird als Cycloalkan bezeichnet und besteht nach wie vor nur aus Einfachbindungen. Die allgemeine Summenformel lautet CnH2n.

Nomenklatur

Man benennt Cycloalkane, indem man die Anzahl der C-Atome im Ring bestimmt und den zugehörigen Alkannamen wählt (also bei 5 C-Atomen „Pentan“). Nun hängt man nur noch die Vorsilbe „Cyclo“ an und ist fertig (also „Cyclopentan“).
Verfügt der Cycloalkan noch über Seitenketten, nummeriert man diese so, dass die Reste möglichst kleine Zahlen erhalten. Ist nur ein Rest vorhanden, muss man ihm keine Nummer zuweisen.

Cyclopropan ist das kleinste Cycloalkan. Alkane falten sich erst ab drei C-Atomen zu einem Ring.

Stabilität

Prinzipiell streben C-Atome, die über Einfachbindungen verbunden sind, nach einem Winkel von 109,5° zwischen den Elektronenpaaren. Da der Cyclopropanring einem gleichseitigen Dreieck ähnelt, bei dem jeder Winkel bekanntermaßen 60° beträgt, steht dieser unter großer Spannung, weil jedes Kohlenstoff-Atom einen größeren Winkel zwischen seinen bindenden Elektronenpaaren bevorzugen würde. Der Ring ist folglich instabil und damit reaktionsfreudig. Mit zunehmender Anzahl von C-Atomen im Ring nähern sich die Bindungswinkel zunehmend den 109,5° an, bis diese dann beim Cyclohexan erreicht sind, sodass dieses Cycloalkan vergleichsweise stabil ist (Abb. 17.6).
Man sollte außerdem bedenken, dass Cyclopropan vollständig und Cyclobutan weitgehend eben ist. Beim Cyclopropan kann dies aufgrund seiner trigonalen Struktur nicht anders sein und beim Cyclobutan wird der Ring durch die starke Spannung quasi „plattgezogen“. Eine unebene Anordnung führt zu einer zusätzlichen Verringerung der mit 90° ohnehin schon sehr kleinen Bindungswinkel. Ab dem Cyclopentan ist die Ringspannung soweit gesunken, dass der Ring aufgrund der annähernd tetraedrischen Anordnung der Bindungselektronen uneben ist. Sobald man in der Chemievorlesung ein Modell einer organischen Verbindung gezeigt bekommt, kann man sich diese Tatsache leicht vorstellen.
Cycloalkane können auch Moleküle bilden, die aus zwei (BicyclenBicyclen) oder mehr (PolycyclenPolycyclen) Ringen bestehen. Dabei ist mindestens ein C-Atom Bestandteil beider Ringe.

Alkene

AlkenAlkene sind wie die Alkane Kohlenwasserstoffe. Allerdings enthalten Alkene mindestens eine C-C-Doppelbindung. Man bezeichnet sie auch als ungesättigt, da sie theoretisch noch mehr H-Atome besitzen können, also noch nicht „gesättigt“ sind. Die Bindungswinkel zwischen ihren Elektronenpaaren betragen 120°. Die allgemeine Summenformel der Alkene lautet CnH2n.

Die allgemeine Summenformel der Alkene ist identisch zu der der Cycloalkane. Da man aus der Summenformel des Cyclobutans (C4H8) auch das Buten (ebenfalls C4H8) basteln könnte, sind die Alkene und die Cycloalkane Konstitutionsisomere.

Bei den Alkenen begegnen uns einige Besonderheiten, was die Nomenklatur angeht. Es dreht sich alles um die Doppelbindung:
  • 1.

    Es reicht nicht aus, einfach die längste Kette zu suchen. Diese Kette muss auch die Doppelbindung enthalten. Die Namen der Alkene enden auf „en“.

  • 2.

    Man nummeriert nun nicht mehr so, dass die Positionen der Seitenketten die kleinsten Zahlen erhalten, sondern nummeriert das Molekül so durch, dass die Doppelbindung eine möglichst kleine Nummer erhält.

  • 3.

    Die Position der Doppelbindung wird durch eine Zahl vor dem „en“ deutlich gemacht, allerdings kann man sie, wenn die Doppelbindung am Anfang der Kette steht, auch weglassen. Sind mehrere Doppelbindungen vorhanden, wird zwischen den Zahlen und dem „en“ die Vorsilbe „di“ bzw. „tri“ eingebaut. Ein Molekül mit drei Doppelbindungen an Position 2, 4 und 7 endet folglich auf „… 2,4,7-trien“.

  • 4.

    Die Seitenketten werden wie gehabt benannt.

Das Molekül in Abb. 17.7 heißt demnach 3,5-Dimethylhex-2-en.

Konfigurationsisomere

IsomerKonfigurationsisomerBei Alkenen gibt es eine „neue“ Form der Isomerie. Als Beispiel soll das But-2-en dienen, von dem es zwei derartige Isomere gibt. Beide Moleküle besitzen dieselbe Summenformel und die gleiche Strukturformel, denn in dem einen Molekül ist jedes Atom mit den gleichen Atomen verknüpft wie in dem anderen. Es gibt allerdings 2 mögliche räumliche Anordnungen (also wieder Stereoisomere), je nachdem, ob die C-Atome auf „derselben“ Seite oder auf „gegenüberliegenden“ Seiten liegen. Da die Doppelbindung aber wie bereits besprochen nicht drehbar ist, lassen sich die Anordnungen nicht durch Drehen in die jeweils andere überführen. Es handelt sich folglich nicht um Konformere. Man muss Bindungen lösen und dann die Atome neu verknüpfen, um die Anordnung zu ändern. Diese Art der Isomerie bezeichnet man als Konfigurationsisomerie.
Wie kann man nun diese beiden Isomere am Namen unterscheiden? Man sucht die beiden Substituenten mit der höchsten Ordnungszahl. Stehen diese auf derselben Seite des Moleküls (aber natürlich nicht am selben Ende der Doppelbindung), bezeichnet man das Molekül als Z-But-2-en. Stehen sie auf gegenüberliegenden Seiten, heißt es E-But-2-en (Abb. 17.8).

Z = zusammen

E = entgegen

Früher verwendete man anstelle von E- „trans-“ und anstelle von Z- „cis-“.

Doppelbindungen

BindungDoppel-DoppelbindungIn größeren Molekülen kann man Doppelbindungen noch weiter charakterisieren:
Konjugierte DoppelbindungenSind Doppelbindungen durch eine Einfachbindung voneinander getrennt, spricht man von konjugierten Doppelbindungen. Es kommt zu einem mesomeren Effekt, der dazu führt, dass Verbindungen mit konjugierten Doppelbindungen energetisch günstiger und damit stabiler sind als solche ohne.
Isolierte DoppelbindungenSind Doppelbindungen durch zwei oder mehr Einfachbindungen voneinander getrennt, spricht man von isolierten Doppelbindungen.
Kumulierte DoppelbindungenWenn zwei Doppelbindungen unmittelbar benachbart sind, also ein C-Atom zwei Doppelbindungen ausbildet, spricht man von kumulierten Doppelbindungen.

Alkine

AlkinAlkine sind ebenfalls ungesättigte Kohlenwasserstoffe, wobei sie mindestens eine Dreifachbindung enthalten. Die allgemeine Summenformel für ein Alkin mit einer Dreifachbindung lautet CnH2n-2. Die Nomenklatur gestaltet sich analog zu den Alkenen, wobei nicht die Endung „en“, sondern die Endung „in“ verwendet wird. Allerdings kann es weder Konfigurations- noch Koformationsisomerie geben, da die C-Atome, die an der Dreifachbindung beteiligt sind, zu einer linearen Anordnung in diesem Teil des Moleküls führen. Die Bildung von Cycloalkinen ist dennoch möglich, aber dazu braucht es i. d. R. einen sehr großen Ring (mindestens 8 C-Atome). Das einfachste Alkin, das EthinEthin, hat noch einen anderen Namen, der nach wie vor gebräuchlich ist: Acetylen (Abb. 17.9).

Zusammenfassung

  • Grundkenntnisse der IUPAC-Nomenklatur sind essenziell, um organische Moleküle korrekt benennen zu können.

  • Skelettformeln vereinfachen die Darstellung komplexer organischer Moleküle.

  • Doppelbindungen können konjugiert, isoliert und kummuliert vorliegen.

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