Kohlemwasserstoffe

So mangels neuer Blogthemen fange ich mal weiter in meiner losen Reihe von Chemie-Grundlagenblogs einen neuen hinzufügen. Heute beginnen wir mal mit den Grundlagen er organischen Chemie: Den Alkanen, Alkenen und Alkinen. Diese Verbindungen sind aliphatische (kettenförmige) Kohlenwasserstoffe und Hauptbestandteil des Erdöls. Für einen Chemiker sind sie allerdings recht langweilluge Substanzen, denn sie gelten als reaktionsträge.

Nun sagen sie „reaktionsträge? die Feuerwehr nennt sie Brandbeschleuniger und da gibt es diese tollen Explosionen im Fernsehen….“. Ja, sie sind reaktionsträge, denn bei normalen Temperaturen, sagen wir mal Zimmertemperatur, reagieren sie mit fast nichts. Also nicht mit Sauerstoff, Säuren, Laugen, Reduktionsmitteln. Man kann elementares Natrium in Petroleum lagern, das sogar mit Wasser reagiert. Eine Reaktion in einer Flamme bei 800°C sagt gar nichts aus, weil bei diesen Temperaturen nahezu alles reagiert. Den Nach der RGT Regel steigert sich die Reaktionsgeschwindigkeit pro 10°C um 100%. RGT :Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel).

Der Grund dafür ist dass die C-H Bindung bei Kohlenwasserstoffen fast genauso stark wie die C-C Bindung ist. Die Energie um ein Wasserstoffatome abzuspalten, ist nahezu gleich groß wie die für die Spaltung der Kette.

Alkane, das sind gesättigte Kohlenwasserstoff reagieren unter Normalbedingungen nur mit Halogenen. Dieser Mechanismus beruht auf der hohen Reaktivität von Radikalen. Radikale reagieren unspezifisch mit allem was sie finden. Es ist nicht so einfach Radikale zu erzeugen, doch bei den Halogenen geht es verhältnismäßig einfach, weil dieintermolekulare Bindung schwach ist. Es reicht etwas höhere Temperatur oder sogar Licht dazu aus.

Was dann passiert ist folgendes:

Cl₂ + Energie ? 2 Cl*

Cl* + C_nH_2n ? HCl + CnH_2n–1*

C_nH_2n–1 + Cl₂ ? C_nH_2n–1Cl + Cl*

Jedes Sternchen stehet für ein Radikal. Wenn man sich das genauer ansieht, dann wird am Ende der dritten Reaktion ein Chlorradikal freigesetzt, das wieder in die zweite Reaktion eingeht. Das setzt die Kette fort – das ganze ist eine Kettenreaktion, die stoppt, wenn entweder ein Substrat (Chlor, Alkan) zuende geht, oder die freiwerdende Energie bei der Reaktion nicht mehr ausreicht weitere Radikale zu erzzeugen – die Reaktion ist exotherm, das bedeutet es wird Energie frei.

Obwohl Alkane reaktionsträge sind, ist der Effekt bei geeigneten Umständen enorm: Erste Oranikvorlesung. Beginn mit den Alkanen. Der Assistent fühlt in einen Luftballon Chlorgas und Butan. Das ganze kommt in einen Drahtkäfig. Dann wird ein Foto gemacht – Bumm! Die Energie des Blitzes reichte aus, so viele Chloratome zu spalten, dass die Kettenreaktion aufrechterhalten bleibt und die freiwerdende Energie bewirkt dann die Spaltung weiterer Chloratome. Die Reaktion bezeichnet man als radikalische Substitution. Die Benennung der Reaktionstypen ist in der organischen Chemie relativ geradlinig: Das Substantiv ist der Reaktionstyp und das Verb die Reaktionsumstände.

Allerdings war es dann schon auch. Außer der unspezifischen Verbrennung oder dem Cracken, der Aufspaltung bei hoher Temperatur in kleinere Molekülbruchstücke, gibt es keine Reaktionen der Alkane.

Das ändert sich bei den Alkenen Alkene haben eine Doppelbindung im Molekül. Diese Doppelbindung ist erheblich reaktionsfreudiger als die C-H Bindung der Alkane. Es gibt dafür zwei Gründe. Zum einen ist die Sp3 Konfiguration die der Kohlenstoff bei den Alkanen hat energetisch ungünstig. Die Elektronen in der Doppelbindung stoßen sich gegenseitig ab und die Bindungswinkel betragen nun 120 anstatt 109 Grad. Daher ist die Energie die nötig ist um sie zu spalten auch geringer als bei der zweiten Bindung. Das zweite ist das so viele Elektronen auf einem Fleck Verbindungen anziehen die einen gewissen Elektronenmangel haben oder elektronenliebend sind, weshalb man auvh von einer elektrophilen Addition spricht.

Alkan addieren Verbindungen des Typs XY wobei X an einem der Atome der Doppelbindung und Y an dem anderen addiert wird. Wenn die Reste an beiden Atomen unterschiedlich sind, so gibt es eine Regel:

Der Teil von XY der elektrophil ist addiert sich an dem Atom mit den meisten oder längsten Resten. Auch hier verläuft die Reaktion in mehreren Schritten. Nehmen wir mal die Addition von Wasser:

CH₃-CH=Ch₂ + H₂O ? CH₃-CH₂⁺-CH₃ + OH^–

CH₃-CH2⁺-CH₃ + OH^– ? Ch₃-CHOH-CH₃

Das zwischendurch gebildete Ion (mit der positiven Ladung) nennt man auch Carbeniumion. Es sucht den stabilsten Zustand, d.h. die positive Ladung verschiebt sich dorthin wo das Kohlenstoffatom am besten mit ihr zurecht kommt. Das ist bei dem Kohlenstoffatom mit den meisten Resten der Fall. Sie haben weitere Elektronen in Bindungen und können daher eine positive Teilladung aufnehmen. Der Wasserstoff kann dies nicht, da er nur eine Bindung hat.

Die meisten Verbindungen die addiert werden haben ein Wasserstoffatom in der Bindung wie Wasser, Säuren (HCl, H₂SO₄). Es können aber auch Halogene, Peroxide oder Boran addiert werden. Der gleiche Mechanismus wird auch bei der Addition von Alkanen genutzt wobei man nur mit geringen Mengen an Additionsmitteln zusetzt. Dann kann das Carbeniumion keinen Reaktionspartner finden und sucht sich ein anderes Alkan/Alken zur Addition wobei ein neues Carbeniumion entsteht.

Aufgrund der vielseitigen Möglichkeiten der Addition und Verknüpfung sind daher Alkene die Ausgangsstoffe für die industrielle Synthese von zahlreichen Stoffen, so Halogenide, Alkohole, Sulfonate und höhere Alkanen.

Bleiben noch die Alkine. Sie haben eine Dreifachbindung im Molekül. Alles über die Alkane gesagte, gilt daher auch für die Alkine, nur sind sie noch reaktionsfreudiger. Das hat zwei Folgen. Zum einen ist die Reaktion praktisch nicht stoppbar. Es ist nicht möglich nur ein Molekül zu addieren und auf der Stufe der Alkene stehen zu bleiben, sondern meistens reagieren diese dann weiter. Das zweite ist, dass das Spektrum der Substanzen mit denen reagiert wird noch größer. So reagieren sie z.B. mit Schwermetallen zu Acetylieden, die jedoch stoßempfindlich sind,  Wer noch als Kind die Spielzeugpistolen in Erinnerung hat: Die Substanz die dort knallt ist Silberacetylid oder Kupferacetylid.

Genauso reaktiv sind konjungierte Doppelbindungen, die Diene. Doch dazu kommen wir noch.