Organische Chemie macchiato - ISBN 978-3-8689 ... - Pearson Schule

Organische Chemie macchiato

Kurt Haim
Illustriert von Klaus Müller
Organische Chemie macchiato
Cartoonkurs für Schüler und Studenten
Higher Education
München · Harlow · Amsterdam · Madrid · Boston
San Francisco · Don Mills · Mexico City · Sydney
a part of plc Pearson worldwide

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte
bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
Die Informationen in diesem Buch werden ohne Rücksicht auf einen eventuellen Patentschutz veröffentlicht.
Warennamen werden ohne Gewährleistung der freien Verwendbarkeit benutzt. Bei der Zusammenstellung von
Texten und Abbildungen wurde mit größter Sorgfalt vorgegangen. Trotzdem können Fehler nicht ausgeschlos-
sen werden. Verlag, Herausgeber und Autoren können für fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine
juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen. Für Verbesserungsvorschläge und Hinweise auf
Fehler sind Verlag und Herausgeber dankbar.
Alle Rechte vorbehalten, auch die der fotomechanischen Wiedergabe und der Speicherung in elektronischen Me-
dien. Die gewerbliche Nutzung der in diesem Produkt gezeigten Modelle und Arbeiten ist nicht zulässig.
Fast alle Produktbezeichnungen und weitere Stichworte und sonstige Angaben, die in diesem Buch verwendet
werden, sind als eingetragene Marken geschützt. Da es nicht möglich ist, in allen Fällen zeitnah zu ermitteln, ob
ein Markenschutz besteht, wird das ® Symbol in diesem Buch nicht verwendet.
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
14 13 12
ISBN 978-3-86894-059-6
© 2012 Pearson Studium
ein Imprint der Pearson Deutschland GmbH
Martin-Kollar-Str. 10-12, D-81829 München
Alle Rechte vorbehalten
www.pearson.de
A part of Pearson plc worldwide
Programmleitung: Birger Peil, bpeil@pearson.de
Lektorat: Irmgard Wagner, irmwagner@t-online.de
Fachlektorat: a.o. Uni. Prof. Karl Gatterer, Technische Universität Graz
Korrektorat: Petra Kienle, Fürstenfeldbruck
Herstellung: Martha Kürzl-Harrison, mkuerzl@pearson.de
Satz: m2 design, Sterzing, www.m2-design.org
Druck und Verarbeitung: Drukarnia Dimograf, Bielsko – Biala
Printed in Poland

Früchte in der Reifeprüfung!
3

46
3
Alkene
Alkene
Früchte in der Reifeprüfung!
Alkene kommen wie Alkane in riesigen Mengen im Erdöl vor. Durch
Destillation trennt man sie von den anderen Ölbestandteilen ab und
verwendet sie als wichtige Rohstoffe für die chemische Industrie.
Alkene spielen aber auch in der Natur eine wichtige Rolle. Vor allem
Pflanzen und Insekten beherrschen es, Alkene selbst herzustellen und
sie für essenzielle Funktionen einzusetzen.
Insekten kommunizieren untereinander durch die Freisetzung von Al-
kenen. Mit diesen als Pheromone bezeichneten Verbindungen steuern
sie ihr Sexualverhalten, markieren sie Wegrouten und versetzen ihre
Artgenossen in Alarmbereitschaft. Muscalur ist zum Beispiel ein Phe-
romon der Hausfliege.
Auch Früchte können Alkene produzieren, die wir als Aroma- und Ge-
ruchsstoffe sehr zu schätzen wissen. So entwickeln Zitrusfrüchte das
Limonen, den Aromastoff des Zitrusöls. Mit diesem Alken schützt sich
die Zitrusfrucht vor bakteriellen Angriffen.

In der Pflanzenwelt fungieren Alkene auch als Pflanzenhormone. Sie
steuern das Wachstum, die Blütenbildung und die Fruchtreifung.
Verstehen wir die Chemie der Alkene, können wir die Wirkung dieser
Stoffe in der Natur erforschen und begreifen und so in den natürlichen
Zyklus eingreifen. Mit der Entwicklung von Pheromonfallen besitzen wir
ein umweltfreundliches Instrument, aus dem Gleichgewicht geratene
Insektenpopulationen einzudämmen. Kennt man den Aromastoff der
Zitrone, kann man dieses Aroma aus anderen Rohstoffen wie z.B. Erdöl
herstellen und ist nicht mehr von der Zitrusernte abhängig. Weiß man,
wie Alkene das Reifen der Früchte steuern, ist es möglich, in den Reife-
prozess einzugreifen. Dadurch können Ernteverluste vermieden und die
Gewinnspanne im Obsthandel erhöht werden.
Dass so mancher Eingriff Folgen für das Ökosystem hat und einen Ver-
lust der Lebensmittelqualität mit sich bringt, liegt auf der Hand. Natur-
wissenschaftliche Grundbildung hilft, Nutzen und Risiko gegeneinander
abzuwägen und sich so eine eigene Meinung zu bilden.
Einteilung und Nomenklatur von Alkenen
Alkene sind Kohlenwasserstoffe, die mindestens eine Doppelbindung
innerhalb der C-Kette enthalten. Da sich an die Doppelbindungen
noch Atome anlagern können, nennt man solche Verbindungen auch
ungesättigte Kohlenwasserstoffe.
Alkene
3
47

48
3
Nomenklatur verzweigter Alkene
Wie n-Alkene zu ihren Namen kommen
■■ Die Nomenklatur erfolgt analog der Alkane, nur die Endung -an
ändert sich in –en.
■■ Die Nummerierung erfolgt von jenem Ende, das der Doppelbin-
dung am nächsten ist.
■■ Ab Buten muss die Position der Doppelbindung angegeben
werden. Die Zahl, bei der die Doppelbindung beginnt, wird vor
dem Stammnamen geschrieben.
■■ Kohlenwasserstoffe mit mehreren Doppelbindungen erhalten
vor der Endung -en die Vorsilben di, tri ..., z.B. dien (für zwei
Doppelbindungen in einer C-Kette).
Summenformel: CnH2n
Wie bei den Alkanen können auch die Alkene in einer homologen Reihe
aufgelistet werden.
Nomenklatur verzweigter Alkene
■■ Die Hauptkette ist die längste durchgehende C-Kette, welche
die Doppelbindung enthält.
■■ Die Nummerierung erfolgt von jenem Ende, das der Doppelbin-
dung am nächsten ist (unabhängig von den Seitenketten).
■■ Die Seitenketten werden alphabetisch gereiht. Die Vorsilben
bleiben wie bei den Alkanen unberücksichtigt.

■■ Stellt eine ungesättigte Kohlenwasserstoffkette eine Seitenkette
dar, ändert sich die Endung -en auf –enyl. Allgemein bezeich-
net man diese Gruppen als Alkenyle. Die Doppelbindung wird
so gesetzt, dass die Vierbindigkeit des C-Atoms gegeben ist.
Im folgenden Parcours wird gezeigt, wie in wenigen Schritten aus dem
Namen eines Alkens die Molekülstruktur erstellt wird:
Ermittlung der Struktur von 4-Ethyl-2-hexen
Alkene
3
49

50
3
Nomenklatur verzweigter Alkene
Ermittlung der Struktur von 1,2,3-Cyclobutatrien
Struktur von 3-Ethenyl-6-ethyl-2-octen
Und nun von der Struktur zum Namen:

Eigenschaften der Alkene
Aufgrund der Tatsache, dass Alkene aus den gleichen Atomen aufge-
baut sind wie die Alkane, können all die besprochenen Eigenschaften
direkt auch auf die Alkene übertragen werden.
Alkene sind reine Kohlenwasserstoffe und somit unpolare
Verbindungen. Sie verhalten sich hydrophob, also wasser-
abweisend. Zwischen den Molekülen können demnach nur
Van-der-Waals-Kräfte wirken, die mit der Kettenlänge stärker
werden.
Kurzkettige Alkene sind somit bei Raumtemperatur gasförmig, die mit-
telkettigen flüssig und die langkettigen fest. Sie besitzen ebenfalls eine
hohe Neigung, mit Sauerstoff zu reagieren, und sie verbrennen wie die
Alkane zu Kohlenstoffdioxid und Wasser.
Aber einen Unterschied gibt es und der ist von großer Bedeutung.
Warum die Doppelbindung so bestimmend ist
Die Doppelbindung bildet im Alken das Reaktivitätszentrum und wird
daher auch als funktionelle Gruppe bezeichnet. Funktionelle Gruppen
sind für die Eigenschaften und das Reaktionsverhalten von entscheiden-
der Bedeutung. Und wie so oft sind die Elektronen der Doppelbindung
für das typische Verhalten dieser Stoffklasse verantwortlich.
Alkene
Grundsätzlich gehen von jedem C-Atom vier Bindungselektronen weg.
Im Fall einer C=C-Doppelbindung sind allerdings nur drei dieser Elekt-
ronen von gleicher Natur (Sigmabindungen) und bilden drei Elektrone-
norbitale, die in einer Ebene liegen und den größtmöglichen Abstand
3
51

52
3
cis-trans-Isomerie – kleiner Unterschied mit großer Wirkung
besitzen. Die mit diesen Orbitalen überlappten Bindungspartner sind
wie bei den Alkanen sehr intensiv überlappt und somit sehr stabil, also
kaum zu brechen.
Das vierte Elektronenorbital des Kohlenstoffs, das an der Doppelbin-
dung beteiligt ist, nimmt die Form einer Hantel an und steht senkrecht
zu der eben erwähnten Ebene der anderen drei Elektronen. Da jedes
Elektron einen Partner besitzen möchte, überlappen sich die beiden
senkrecht stehen Orbitale parallel zueinander. Diese Bindung ist sehr
schwach und kann als eine Art Zweckbindung gesehen werden. Solan-
ge kein besserer Partner zur Verfügung steht, bleiben die beiden Orbita-
le überlappt. Da diese Bindung von ganz anderer Natur ist, sprechen wir
auch von einer π-Bindung.
Über die spezIelle Natur der C=C-Doppelbindung findet man noch mehr
im Internet auf unserer Companion Website.
cis-trans-Isomerie – kleiner Unterschied mit großer Wirkung
Eine Besonderheit der Doppelbindung ist, dass die Drehbarkeit der C=C-
Atome blockiert ist. Somit sind die Positionen der Bindungspartner an
der C=C-Doppelbindung fixiert.
Hierdurch ergibt sich die Ausbildung geometrischer Isomere wie zum
Beispiel der sehr bedeutenden cis-trans-Isomere. Sie besitzen die glei-
che Summenformel und die gleichen Bindungsverhältnisse, unterschei-
den sich jedoch in der räumlichen Anordnung ihrer Atome. Obwohl der
Unterschied im Molekülaufbau sehr gering ist, zeigen cis-trans-Isomere
oft gravierende Unterschiede im Reaktionsverhalten. Dies geht sogar so
weit, dass ein cis-Isomer für unseren Körper gesund sein kann, während
die trans-Form gesundheitsschädlich ist, oder umgekehrt.

Von cis-trans-Isomeren spricht man immer dann, wenn an den Kohlen-
stoffatomen der Doppelbindung jeweils ein H-Atom durch einen Sub-
stituenten ersetzt wurde.
Befinden sich die entsprechenden Substituenten auf dersel-
ben Seite der C=C-Doppelbindung, spricht man von cis (von
lat. cis, diesseits).
Liegen die Substituenten auf der gegenüberliegenden Seite,
erhält der Molekülname die Vorsilbe trans (von lat. trans, jen-
seits).
Gehen von der Doppelbindung allerdings vier unterschiedliche Substitu-
enten weg, verwendet man nicht mehr die cis-trans-Bezeichnung, son-
dern die E/Z-Nomenklatur.
Details über die E/Z-Nomenklatur findet man auf unserer Website.
cis-trans-Isomerie am Beispiel von 1,2-Dichlorethen
cis-trans-Isomerie von
Doppelbindungen in
einer C-Kette!
Alkene
3
53

54
3
cis-trans-Isomerie – kleiner Unterschied mit großer Wirkung
So ähnlich sich diese isomeren Verbindungen auch sind, umso unter-
schiedlicher wirken sie auf unseren Organismus. Ein treffendes Beispiel
hierfür sind die trans-Fette. Während viele trans-Fettsäuren gesund-
heitlich sehr bedenklich sind, wirken cis-Fettsäuren positiv auf unseren
Körper. Mehr dazu im Kapitel „Lipide“.
cis-trans-Isomerie am Beispiel der Urocaninsäure
Vor allem im Sommer spielt eine körpereigene Substanz namens
Urocaninsäure eine wichtige Rolle, da sie uns vor schädlicher UV-
Strahlung schützt.
Trifft UV-Strahlung auf die trans-Urocaninsäure, absorbiert diese die
hochenergetische Strahlung und wandelt sich in die cis-Urocanin-
säure um. Etwas zeitversetzt gibt die cis-Form die aufgenommene
Strahlungsenergie in Form unschädlicher Wärmeenergie ab und das
Molekül kehrt in die energetisch stabilere trans-Form zurück. Dies
scheint auch mit ein Grund dafür zu sein, dass wir uns nach einem
Sonnenbad energiegeladen fühlen.
Neueste Untersuchungen zeigten auch, dass die cis-Urocaninsäu-
re aufgrund der besseren Wasserlöslichkeit in tiefere Hautschich-
ten wandern kann und dort die Ausschüttung einer schmerzhaften
Substanz hervorruft. Diese Schmerzsignale sollen den Körper vor
weiterer UV-Belastung schützen.

Reaktionsverhalten
Warum Alkene reaktionsfreudig sind
In der gesamten organischen Chemie geht es stets um die Wechselwir-
kung elektronenreicher Teilchen mit elektronenarmen Teilchen.
In allen organischen Reaktionen werden elektronenreiche
Teilchen stets von elektronenarmen Teilchen angezogen!
Um organische Reaktionen also verstehen zu können, müssen wir elekt-
ronenarme bzw. elektronenreiche Moleküle erkennen können.
Im Vergleich zu den Alkanen sind Alkene viel reaktionsfreudigere Ver-
bindungen. Der Grund hierfür liegt in der schon erwähnten besonderen
Art der Doppelbindung, genauer gesagt der π-Bindung.
Die Elektronen der π-Bindung bilden eine schwach überlappte, jedoch
elektronenreiche Wolke. Aufgrund der besonderen räumlichen Aus-
bildung (hantelförmig) ist diese Elektronenwolke sehr leicht zugäng-
lich für elektronenarme Moleküle. Da elektronenarme Teilchen stets
eine Vorliebe für Elektronenreiche haben, nennen wir sie wissenschaft-
lich auch elektrophile Teilchen.
Alkene
3
55

56
3
Wie Alkene eine Addition eingehen
Hier nun eine Zusammenstellung elektronenarmer, also elektrophiler
Teilchen:
Positiv polarisierte Teilchen (z.B. H-CN)
Das H-Atom ist aufgrund seiner geringeren Elektronegativität
positiv polarisiert und wird zur negativen Elektronenwolke
der Doppelbindung hingezogen. Ein Angriff auf die Doppel-
bindung ist naheliegend.
Positiv geladene Teilchen (z.B. H + -Ionen einer Säure)
Radikale wie zum Beispiel Halogenradikale (Cl • )
Radikale besitzen ein ungepaartes Elektron und haben die
höchste Affinität zu einem zweiten Elektron. Damit sind sie
auch die stärksten elektrophilen Teilchen.
Wie Alkene eine Addition eingehen
In der Chemie bedeutet eine Addition nicht gleich eine Rechenope-
ration. Können elektrophile Teilchen mit den π-Elektronen der C=C-
Doppelbindung wechselwirken, werden sie vom Kohlenstoff gebunden
bzw. addiert und es bildet sich eine neue gesättigte Verbindung.
Derartige Reaktionen nennt man allgemein Additionsreaktionen.

Aufgrund der hohen Reaktionsfreudigkeit der C=C-Doppelbindung ist
bei einer Additionsreaktion keine zusätzliche Energie wie z.B. UV-Strah-
lung mehr notwendig.
Da es verschiedene Arten von Additionsreaktionen gibt, muss jene der
Alkene noch genauer bezeichnet werden. Es handelt sich konkret um
elektrophile Additionsreaktionen, da die Anlagerung stets mit ei-
nem elektrophilen Teilchen beginnt. Hier nun einige Beispiele, die helfen
sollen, den Ablauf von Additionsreaktionen zu verstehen.
Für das Anschreiben gibt es zwei Möglichkeiten. In der allgemeinen
Reaktionsgleichung gibt man an, welche Ausgangstoffe zu welchen
Endprodukten reagieren.
Will man den Umwandlungsprozess jedoch exakt und schrittweise be-
schreiben, formuliert man einen Reaktionsmechanismus. Hat man
den Mechanismus einmal verstanden, kann man sämtliche Additions-
reaktionen vorhersagen. Egal, ob es sich um einfache Alkene oder um
sehr komplex gebaute Biomoleküle handelt.
Elektrophile Addition von Halogenwasserstoffen an Alkene
Den genauen Reaktionsmechanismus dieser Reaktion findet man übri-
gens wieder auf unserer Website.
Elektrophile Addition von Halogenen an Alkene
Wie aus der Formel von Chlor zu erkennen ist, liegt im ersten Mo-
ment kein elektrophiles Teilchen vor. Die Reaktion läuft jedoch
trotzdem ab, da die Bindung im Halogenmolekül sehr schwach ist
und von der π-Elektronenwolke leicht aufgelöst wird.
Alkene
3
57

58
3
Wie Alkene eine Addition eingehen
Elektrophile Addition von Wasserstoff an Alkene
Da Wasserstoff lateinisch Hydrogenium heißt, nennt man derartige
Additionsreaktionen auch Hydrierung. Wie hier ebenfalls aus der
Formel von H 2 zu sehen ist, liegt im ersten Moment kein elektro-
philes Teilchen vor. Da H 2 eine sehr stabile Verbindung ist, muss
man sich hier eines Katalysators bedienen, um den Wasserstoff zu
aktivieren.
Zur exakten Nachvollziehung der obigen Reaktionen steht ein Reakti-
onsmechanismus auf unserer Website.
Derartige Hydrierungen kommen auch bei der Herstellung von Marga-
rine aus pflanzlichen Ölen zum Einsatz. Problematisch ist hier der in der
Margarine zurückbleibende Katalysator Nickel. Obwohl es geringe Ni-
ckelmengen sind, kann dies für Nickelallergiker ein Problem darstellen.
Außerdem kommt es während der Hydrierung oft zu Umlagerungen
von lebensnotwendigen cis-Fettsäuren in schädliche trans-Fettsäuren.
Mehr dazu im Kapitel „Lipide“.
Warum Additionsreaktionen unterschiedlich schnell ablaufen!
Wie leicht bzw. wie schnell eine Additionsreaktion vonstattengeht,
hängt nicht nur vom elektrophilen Teilchen ab, sondern auch davon,
wie hoch die Ladungsdichte der Elektronenwolke in der Doppelbindung
ist. Beeinflusst wird diese Elektronendichte durch die Substituenten, die
an der Doppelbindung hängen. Aufgrund unterschiedlicher Elektrone-

gativität zu den C-Atomen der Doppelbindung können sie eine elektro-
nenschiebende bzw. elektronenziehende Wirkung besitzen. In solchen
Fällen spricht man von einem induktiven Effekt! Während elektronen-
schiebende Gruppen, wie zum Beispiel eine Methylgruppe, die Reak-
tionsgeschwindigkeit erhöhen, senken elektronenziehende Substituen-
ten, wie die Halogene, die Reaktionsfreudigkeit.
Wie die induktiven Effekte die Reaktionsgeschwindigkeiten genau be-
einflussen, ist auf unserer Website nachzulesen.
Bedeutung von Ethen in der Natur
Was Ethen mit der Reifeprüfung zu tun hat
Reift eine Samenanlage zu einer Frucht heran, werden Zellwände abge-
baut und die Frucht wird weich. Auch der Chlorophyllgehalt der Zellen
nimmt ab, wodurch die Frucht ihr grünes Aussehen verliert. All diese
Vorgänge sind Reifeerscheinungen, die durch Ethen, ein von der Frucht
selbst produziertes Gas, eingeleitet werden.
Diese Kenntnisse werden im Obsthandel eingesetzt. Soll der Reifepro-
zess von Früchten hinausgezögert werden, saugt man das Ethen durch
Anlegen eines Unterdrucks einfach ab. Da man dabei den Abbau von
grünem Chlorophyll verhindert, wird vor allem der sichtbare Reifepro-
zess gestoppt. Im Inneren reifen Früchte ungehindert weiter. Dadurch
kann es passieren, dass man grüne Bananen kauft, die zwei Tage später
schon überreif schmecken.
Alkene
3
59

60
3
Bedeutung von Ethen in der Natur
Sollen unreif gepflückte Bananen sofort einen Abnehmer finden, begast
man sie mit Ethen, um den Chlorophyllabbau voranzutreiben. Isst man
eine auf diese Weise behandelte Banane, schmeckt man einen mehligen
Klumpen. Kohlenhydrate, wie die Stärke, hatten noch keine Zeit, sich in
süßen Fruchtzucker umzuwandeln. Pferdefuß dieser Behandlungen ist
also, dass der Konsument keine Möglichkeit hat, den wahren Reifegrad
der Banane zu erkennen. Bei Bioprodukten ist diese Prozedur übrigens
nicht erlaubt.
Alkene sind also wie die Alkane reine Kohlenwasserstoffe und
weisen dadurch auch sehr ähnliche Eigenschaften auf. Durch die
Anwesenheit einer oder mehrerer Doppelbindungen zeigen Al-
kene jedoch ein viel höheres Reaktionsverhalten, da sich an die
π-Elektronenwolke leicht elektrophile Teilchen addieren lassen.