Nomenklatur von Alkanen

Benennung: Wortstamm = griechisches Zahlwort entsprechend der Zahl der C-Atome und Anhängen der Silbe „-an“.

Bindet jedes C-Atom höchstens zwei andere, so entstehen unverzweigte Ketten.

Unverzweigte Alkane

werden durch ein vorgesetztes n- als normal gekennzeichnet.

verzweigte Alkane

„Hauptname“ der Verbindung: entsprechend der längsten unverzweigten Kette: [z.B. 8 C-Atome in der längsten Kette: -octan]

bei Verzweigung am zweiten C-Atom der Kette: durch vorgestelltes „iso“ bei Butan, Pentan und Hexan

Die abzweigenden Seitenketten werden als Substituenten aufgefasst; Bezeichnung mit Namen des Alkans gleicher C-Zahl und Anhängung

von „yl“

für CH3- Methyl-

für CH3-CH2- Ethyl-

allgemein „Alkyl-“

als Substituent auch BezeichnungIsopropyl- möglich

Vor jeden Substituenten Nummer des jeweiligen Verzweigungs-C-Atoms angeben, so dass Verzweigungsstelle niedrigst mögliche Nummer erhält.

Bei mehreren gleichlangen Substituenten: durch Zahlwörter (aus dem griechischen abgeleitet) angeben (2 = di, 3 = tri, 4 = tetra, 5 = penta, 6= hexa)

Reihenfolge der Substituenten im Namen: in alphabetischer Reihenfolge angeben

CH3 CH

CH3

H3C CH2 CH CH2 CH2 CH3

CH3

3-Methylhexan

CH3 CH

CH3

C CH2

CH3

CH3

CH2 CH3

primäres C-Atom

sekundäres C-Atom

tertiäres C-Atom

quartäres C-Atom

2,3,3-Trimethylhexan

H3C CH CH2 CH2 CH2 CH3

CH3

2-Methylhexan oder Isoheptan

Isomerie

gleiche Summenformel, aber unterschiedliche

Anordnung der Atome

• Konstitutionsisomerie (Strukturisomerie)

• Konformationsisomerie: Molekülformen, die durch Rotation um Einfachbindungen ineinander übergehen können

• Konfigurationsisomerie: gleiche Konstitution, können aber nicht durch Rotation um Einfachbindungen ineinander übergehen

Konformationsisomerie bei Alkanen

gestaffelt:

energetisch günstiger

ekliptisch

C CH

H

H

H

H

H

z.B. bei Ethan:

C CH

H

H

H

H

C

H

H

HC

C

HH

HC

H HH

HH

Bei n-Alkanen gestaffelte Konformation bevorzugt

z.B. Propan:

Bei höheren Homologen: Zickzackketten

z.B.: n-Decan (C10H22)

C

C

CC

C

C

CC C

C

C

CC

C

C

C

CC C C

C

C

CC

C

C

C CC C

C

C

C CC C

CC

n-Verbindung isomere Verbindungen

C4H10

C-C-C-Cn-Butan

2-Methylpropan;Isobutan

C5H12

CH3-CH2-CH2-CH2-CH3

n-Pentan2,2-Dimethylpopan

2-Methylbutan;Isopentan

C6H14

C-C-C-C-C-Cn-Hexan

2,2-Dimethylbutan

3-Methylpentan

2,3-Dimethylbutan

2-Methylpentan;Isohexan

Strukturisomere bei Alkanen

C C C C

C

C C C C

C

C

Mit der Größe der Moleküle wächst die Zahl der

möglichen Strukturisomeren, bei Eicosan (C20H42) gibt

es bereits 366319 Strukturisomere

Siedepunkte von verzweigten KW niedriger als von

geradkettigen!

z.B.: n-Butan -0,5°C

iso-Butan -11,7°C

„Van der Waalsche Kräfte“

Kohlenwasserstoffe: lipophil, daher mit Wasser nicht mischbar. Stets leichter als Wasser, schwimmen auf der Wasseroberfläche

in der Atmosphäre unterschiedliche Wirkungen: "Treibhaus-Gase", d.h. sie absorbieren infrarotes Licht → Erwärmung der Atmosphäre. Reaktion auch mit Ozon, das dabei zersetzt wird.Jährliche Kohlenwasserstoff-Emission: ca. 5-10·108 Tonnen geschätzt. 95% davon sind Methan.

Halogenierung von Alkanen Reaktionsmechanismus: Radikalische Substitution „SR“

(Substitution = Austausch eines Atoms oder einer Atomgruppe an einem C-Atom gegen einen anderen Substitutenten)

hier Austausch von H-Atomen gegen Halogen-Atome

Beispiel: Chlorierung von Methan

Startreaktion:Homolytische Spaltung von Chlor durch Lichteinwirkung

Kettenfortpflanzung:

Methylchlorid Chlormethan)

Radikalbildung!

[Radikal: Atom oder Atomgruppe mit einsamem (ungepaartem) Elektron, sehr reaktiv, kurzlebig]

Cl Cl Cl + Cl

CH4 + Cl HCl + CH3

Cl Cl CH3+ CH3Cl + Cl

Auf Grund der hohen Reaktivität der Radikale könnenviele verschiedene Kettenfortpflanzungsreaktionenstattfinden Bildung uneinheitlicher Produktgemische

Abbruchreaktionen:

Cl Cl+ Cl2

Cl CH3+ CH3Cl

CH3 CH3+ CH3 CH3

u. v. m.

Alkene (ungesättigte, acyclische KW) (Trivialname: Olefine)

Charakteristisch: mind. eine Kohlenstoff-Kohlenstoff- Doppelbindung

Für ein Alken mit nur einer Doppelbindung ergibt

sich wegen des formalen Fehlens zweier H-Atome

die Bruttoformel CnH2n

Nomenklatur: Name des entsprechenden Alkans,

aber die Endung "en" statt "an".

Lage der Doppelbindung wird durch die Nummer des

C-Atoms, von dem die Doppelbindung ausgeht,

festgelegt. Sind mehrere Doppelbindungen anwesend,

wird dies durch die entsprechenden griechische

Zahlwörter angegeben.

(„di“ für zwei, „tri“ für drei Doppelbindungen)

C CH

H H

H

Ethen

CH3C

CC

H

HCH3 CH CH2

Propen

oder

Beispiele:

CH2 CH CH2 CH3

Buten-(1)

CH3 CH CH CH3

Buten-(2)

CH2 CH CH CH2

Butadien-(1,3)

CH2 CH CH2 CH2CH

CH2 CH CH CH CH3

CH2 C CH CH3CH2

Pentadien-(1,2) [instabil]

Pentadien-(1,3)

Pentadien-(1,4)

kumulierte Doppelbindungen

konjugierte Doppelbindungen

isolierte Doppelbindungen

Physikalische Eigenschaften

ähnlich wie bei Alkanen; da Doppelbindungen geringfügig

polarisiert, höhere Schmelz- und Siedepunkte.

Chemische Eigenschaften

Durch Doppelbindung etwas reaktiver als Alkane

Konfiguration der Valenzelektronen der an der Doppel-

Bindung beteiligten C-Atome:

3 einfach besetzte 2sp²-Orbitale

1 einfach besetztes 2p-Orbital

Energie

2 sp²2 p

Dabei bleibt an jedem C-Atom ein p-Orbital mit einem Elektron übrig.Diese p-Orbitale stehen senkrecht zur Molekülebene und können gleichfalls überlappen:

neue, zusätzliche Bindung, die sog. -Bindung.

die durch Überlappung von sp2-Hybridorbitalen zustande kommenden Bindungen werden als σ-Bindungen bezeichnet.

Eine σ- und eine -Bindung bilden gemeinsam eine C=C-Doppelbindung.

freie Rotation um C=C-Doppelbindung nicht möglich; Systeme mit Doppelbindungen sind relativ starr; alle Substituenten in einer Ebene.

s + 2p

Durch p-Molekülorbitale relativ hohe Elektronendichte oberhalb und unterhalb der Ebene der Doppelbindung

Angriff von elektrophilen (=elektronenarmen) Reagenzien begünstigt

Typische Reaktion: elektrophile Additionsreaktion (AE -Reaktion)

• Addition von Brom an Ethen:

C

C

H H

HH

+ Br BrC

C

H H

HH

-Br Brδδ δ

-+

Annäherung des Br2 an die - Elektronen-wolke des Ethens

gegenseitige Polarisierung

+ -δδ

δ Br Br-C

C

H H

HH

C

C

H H

HH

Br+ + Br-

Bildung eines -Komplexes

+BrC

C

H H

HH

CH

H

Br

CH

H

+

CH

H

CH

H

Br +

Carbenium-Ion Bromonium-Ion

Ausbildung kovalenter Bindung(-Komplex) zu Carbenium-Ion, mesomer mit Bromoniumion

Mesomerie: Elektronenverteilung zwischen mehreren Grenzstrukturen (mesomere Strukturen, Resonanzstrukturen, Grenzstrukturen; Bindungsverhältnisse nicht durch eine einzige Strukturformel darstellbar)

CH

H

Br

CHH

+

Br-

CH

H

Br

CBr

H

H

Addition des Bromid-Ions

Bildung von 1,2-Dibromethan

Elektronegativitätswerte nach Pauling

H 2,1 C 2,5 F 4,0

N 3,0 Cl 3,0

O 3,5 Br 2,8

S 2,5 I 2,4

Induktiver Effekt

Praktisch alle Substituenten üben aufgrund ihrer jeweiligen Elektronegativität einen induktiven Effekt (I-Effekt) aus:

(Elektronegativität: Bestreben eines Atoms innerhalb eines Moleküls Bindungselektronen zu sich heran zu ziehen)

Elektronenanziehende Substituenten (Elektronenakzeptoren)

wie Halogenatome ziehen das

bindende Elektronenpaar etwas weiter zu sich; sie erhalten

selbst eine negative Partialladung (symbolisiert durch δ-)

Substituenten mit negativem induktiven Effekt (-I - Effekt).

F > NO2 > Cl > Br > I > OH > C6H5 > H

Elektronenreiche Substituenten (Elektronendonatoren) wie

Alkylgruppen stoßen das bindende Elektronenpaar von

sich ab;

sie selbst nehmen eine positive Partialladung (δ+) an

Substituenten mit positivem induktiven Effekt (+I - Effekt).

(CH3)3C- > (CH3)2CH- > CH3-CH2- > CH3 > H

CH 3 C CH 2

CH 3

z.B.:

δ+

δ -

• Addition von Wasser:

CH3 C CH2

CH3

2-Methylpropen

+ CH3 C

CH3

CH3

CH3 C

CH3

CH3+ O

H H

δ

δ +

-

CH3 C

CH3

CH3

OHH

CH3 C

CH3

CH3

OHH

CH3 C

CH3

CH3

OH

2- -2-Hydroxy methylpropan

.-tert Butanol

H