Alkene & Alkine: Struktur, Eigenschaften und Additionsreaktionen

Alkine: Struktur und Eigenschaften

Alkine sind kettenförmige Kohlenwasserstoffe (KW), die mindestens eine Dreifachbindung enthalten. Sie bilden eine homologe Reihe mit der allgemeinen Summenformel C_nH_2n-2.

Die C-H-Bindung beim Ethin ist polarer als bei anderen C-H-Bindungen. Daher kann Ethin Protonen abgeben und reagiert in Wasser (H₂O) schwach sauer.

Ethin – Der einfachste Alkin-Vertreter

• Ethin besitzt eine Dreifachbindung, was zu einer hohen Elektronendichte führt und es sehr reaktiv für Additionsreaktionen (A_E) macht.
• Die sp-Hybridorbitale sind (wegen des hohen s-Anteils) kleiner als sp²-Hybridorbitale und sp³-Hybridorbitale.
• Die Bindungslänge der C-C- und C-H-Bindungen ist kürzer als im Ethen- und Ethanmolekül. Die Pi-Elektronen werden stärker von den Kernen angezogen, weshalb Additionsreaktionen langsamer ablaufen können als bei Alkenen.

Alkene: Ungesättigte Kohlenwasserstoffe

Alkene sind kettenförmige Kohlenwasserstoffe mit einer oder mehreren Doppelbindungen. Sie bilden eine homologe Reihe mit der Summenformel C_nH_2n.

• Kohlenwasserstoffe mit mehreren Doppelbindungen werden als Diene (zwei Doppelbindungen) oder Polyene (mehr als zwei Doppelbindungen) bezeichnet.
• Die Doppelbindungen können direkt benachbart (kumuliert) oder wechselnd (konjugiert) angeordnet sein.

Struktur und Reaktivität

Die Kohlenstoffatome der Doppelbindung liegen in sp²-Hybridisierung vor. Die Pi-Elektronen bilden senkrecht zur Molekülebene eine Ladungswolke. Diese Elektronendichte bietet einen Angriffspunkt für ein elektrophiles Reagenz (ein Teilchen mit Elektronenmangel, das freie Elektronenpaare oder Pi-Elektronen angreift).

Die charakteristische Reaktion der Alkene ist die Elektrophile Addition (A_E), die auch im Dunkeln abläuft. Dabei wird eine Doppelbindung gespalten und es bilden sich zwei neue Einfachbindungen. Diese Reaktion ist mit einem Energiegewinn verbunden, da stabilere Produkte entstehen. Die Bindungen im Winkel von 120° reagieren sehr leicht.

Wichtige Additionsreaktionen der Alkene

Halogenierung

Addition von zwei Halogen-Atomen an die Kohlenstoffatome der Doppelbindung. Es werden Dihalogenkohlenwasserstoffe gebildet.

CH2=CH2 + Br2 → CH2Br-CH2Br

Hydrohalogenierung

Addition eines Halogenwasserstoffmoleküls (z. B. HCl) an die Doppelbindung. Es werden Halogenkohlenwasserstoffe gebildet.

CH2=CH2 + HCl → CH3-CH2Cl

Hydrierung (Katalytische Addition von Wasserstoff)

Addition von zwei Wasserstoffatomen an die Doppelbindung. Es werden gesättigte Kohlenwasserstoffe gebildet. Diese Reaktion benötigt geeignete Katalysatoren (z. B. Nickel bei 500 °C).

CH3-CH=CH-CH3 + H2 --(Ni, 500°C)--> CH3-CH2-CH2-CH3

Polymerisation

Hierbei entstehen makromolekulare Verbindungen.

Physikalische und Chemische Eigenschaften der Alkene

1. Alkene sind unpolare Kohlenwasserstoffe. Ihre physikalischen Eigenschaften und die Brennbarkeit sind denen der Alkane sehr ähnlich (sie sind in H₂O unlöslich).
2. Sie verbrennen mit rußender Flamme und sind reaktionsfreudig.
3. Die Doppelbindung bietet einen Angriffspunkt für elektrophile Reagenzien.
4. Sie reagieren mit Halogenen zu Halogenalkanen.

Der Mechanismus der Elektrophilen Addition (A_E)

Die Addition ist die Anlagerung von Reagenzien an Substrate, die mindestens eine Mehrfachbindung aufweisen. Aufgrund der Mehrfachbindung werden zwei neue Sigma-Bindungen (starke kovalente Bindungen) gebildet. Da diese Reaktion mit Energiegewinn verbunden ist, ist die A_E die bevorzugte Reaktion der Alkene und Alkine.

Definition der Elektrophilen Addition

Die Elektrophile Addition ist ein Reaktionsmechanismus der organischen Chemie, bei dem ungesättigte Kohlenwasserstoffe (Alkene/Alkine) mit verschiedenen Stoffklassen reagieren. Die Reaktion wird durch den Angriff eines elektronensuchenden Teilchens, des Elektrophils (E⁺), an die Doppel- oder Dreifachbindung eingeleitet.

Eigenschaften von Elektrophilen

Elektrophile Teilchen werden von negativen Ladungen angezogen (sie selbst sind positiv geladen, polarisiert oder haben allgemein ein hohes Bestreben, Elektronen aufzunehmen). Typische Elektrophile sind Carbokationen, H⁺-Ionen und Halogene.

Beispiele für Elektrophile Additionen

A_E von Halogenwasserstoffen (Hydrohalogenierung)

Halogenwasserstoffe können an Alkene addiert werden, wodurch Halogenalkane gebildet werden.

1. Angriff des Protons: Das Proton (H⁺) greift als Elektrophil die Doppelbindung an, wodurch ein Carbokation gebildet wird. Das Proton lagert sich an das Kohlenstoffatom der Doppelbindung an, an dem bereits die meisten Wasserstoffatome gebunden sind (Markovnikov-Regel).
2. Angriff des Anions: Das Bromidion (Br^-) reagiert mit dem Carbokation zum 2-Brompropan.

Hydrobromierung von Propen (Beispiel nach Markovnikov)

H2C=CH-CH3 + H-Br ↔ [H3C-CH+-CH3 + Br-] → H3C-CH(Br)-CH3 (2-Brompropan)

A_E von Brom (Halogenierung)

1. Pi-Komplex-Bildung: Das Brommolekül nähert sich der elektronenreichen Doppelbindung und bildet einen Pi-Komplex (basierend auf der Wechselwirkung zwischen den Pi-Elektronen der Doppelbindung und freien Koordinationsstellen). Die Atombindung im Brommolekül wird polarisiert.
2. Heterolytische Spaltung: Das Brommolekül wird heterolytisch gespalten. Es bildet sich ein cyclisches Bromonium-Ion und ein Bromid-Anion (Br^-).
3. Nucleophiler Angriff: Das Bromid-Ion greift das Bromonium-Ion von der Rückseite nucleophil an (trans-Addition). Es entsteht ein 1,2-Dibromalkan.

Hinweis: Bei dieser chemischen Reaktion entsteht ein Produkt; es findet keine Substitution statt, da das Reagenz addiert wird. Für diese Reaktion können alle anderen Halogene verwendet werden. Brom ist sehr reaktiv und reagiert mit allen Doppelbindungen.

Abgrenzung: Radikalische Substitution (S_R)

Heterolytische und Homolytische Bindungsspaltung

• Heterolytische Spaltung: Die Bindungselektronen verbleiben bei einem Bindungspartner; es entsteht somit ein Kation und ein Anion. (Typisch für A_E).
• Homolytische Spaltung: Die Bindung wird gleichwertig aufgeteilt. Es entstehen Radikale (ungeladene Elemente, die Elektronen suchen und ungepaarte Elektronen besitzen). (Typisch für S_R).

Die S_R-Reaktion

Die Radikalische Substitution (S_R) ist eine Reaktion, die schrittweise (als Mechanismus) abläuft. Sie verläuft über Radikale, die durch homolytische Bindungstrennung entstehen. Bei der Substitution wird ein Teilchen durch ein anderes ersetzt (substituiert), im Gegensatz zur Addition, bei der ein Teilchen angelagert wird und die Mehrfachbindung aufgelöst wird.