Olefination nennen Chemiker das Verfahren zwischen komplizierten Verbindungen gezielt Doppelbindungen zu knüpfen. Olefination stammt vom Wort „Olefin“ ab, welches eine alte Bezeichnung für „Alkene“ ist. Das Verfahren bzw. die Methode dafür ist die Wittig-Reaktion, bei der Phosphor-Kohlenstoff-Verbindungen als Reagenzien eingesetzt werden. Das Problem dabei ist jedoch eine große Menge an chemischem Abfall, der während der Reaktion entsteht. Deshalb haben Forscher eine neue Synthesemethode entwickelt. Die Verbesserung im Vergleich zum alten Verfahren liegt darin, dass die zu verbindenden Kohlenstoffatome als Carbene vorliegen und somit nur zwei statt vier Bindungen eingehen können. Dieser Zustand ist hochreaktiv. Als neuer Katalysator dient nun das Metall Ruthenium, das im Gegensatz zum alten Katalysator deutlich billiger ist. Anfallende Nebenprodukte sind Stickstoff sowie ungiftiges Dimethylsulfoxid, das man allerdings weiterverwenden kann. Ein weiterer positiver Aspekt der neuen Synthesemethode ist die hohe Selektivität. Dadurch können Moleküle hergestellt und Gruppen an die Seite der Doppelbindung gehangen werden, wo sie gewünscht sind. Doch welche Kohlenwasserstoffverbindungen gibt es noch, die nicht nur eine Doppelbindung besitzen, sondern eine Einfach- oder Dreifachbindung aufweisen? Welche verschiedenen Schreibweisen existieren? Wie lautet die Nomenklatur nach IUPAC? All diese Fragen sollst du nach Lesen des Artikels, der Bearbeitung der Aufgaben und dem aufmerksamen Anschauen des Lernvideos beantworten können.

1. Die Alkane

1.1 Definition

Unter einer homologen Reihe versteht man eine Gruppe von chemisch verwandten Verbindungen. Dabei besitzt das jeweils nächstgrößere Molekül eine CH2 Gruppe mehr. Alkane sind Kohlenwasserstoffe, die ausschließlich Einfachbindungen vorweisen und zu den gesättigten Kohlenwasserstoffen gehören.

1.2 Vorkommen und Bedeutung

Alkane sind in Erdgas, Erdöl und in der belebten Natur zu finden. Beispielsweise entsteht Methan bei der Fermentation von organischen Molekülen und wird oft als Biogas betitelt. Durch die vielfältige Nutzung des Erdöls haben die Alkane eine große technische Bedeutung erlangt. Es gibt eine Vielfalt von Erdölprodukten, vor allem im Kunststoffbereich, die unseren Alltag stark prägt.

Abb. 1: Erdölpumpe

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1.3 Die homologe Reihe der Alkane

Tab. 1: Die homologe Reihe der Alkane

1.4 Chemische Eigenschaften

Alkane sind relativ gering reaktiv, da sie durch ihre Kohlenstoff-Wasserstoff und Kohlenstoff-Kohlenstoff sehr stabil gebaut sind und schwer zu zerbrechen sind. Auch sind bei Alkanen keine funktionelle Gruppen vorhanden. Reaktionen mit polaren Substanzen sind eher selten. Auch mit Säuren oder Basen sind kaum Reaktionen zu finden, was auch anhand des Trivialnamens Paraffin zu erkennen ist. Ein gutes Beispiel für Alkane sind im Erdöl zu finden. Diese sind chemisch gesehen seit Millionen von Jahren unverändert. Welche Reaktionen jedoch häufig festzustellen sind, Redoxreaktionen, vor allem mit Sauerstoff oder Halogenen (Edelgase). Dies liegt daran, dass die Kohlenstoffatome sich in einem stark reduzierten Zustand befinden. Das sog. „Cracken“ ist ein Verfahren bei dem aus langkettigen und unverzweigten Alkanen kurzkettige und verzweigte hergestellt werden. Hierfür werden Radikale (Moleküle mit ungepaarten Elektronenpaaren => hochreaktiv) benötigt.

1.5 Verschiedene Schreibweisen

Summenformel: $$C_nH_{2n+2}$$

Strukturformel:

Die Strukturformel, auch Valenzstrichformel genannt, zeigt die Verknüpfung der einzelnen Atome im Molekül. Die durch gemeinsame Elektronenpaare verknüpften Atome werden mit sogenannten Valenzstrichen dargestellt.

Abb. 2: Pentan

Halbstrukturformel:

Das Zeichnen und Lesen von Strukturformeln kann man sich durch die Verwendung von Halbstrukturformeln erleichtern. Im Gegensatz zur Strukturformel, die eine zwei- oder dreidimensionale Darstellung erlaubt, kann die Halbstrukturformel in einer Zeile geschrieben werden.

Abb. 3: Butan

Skelettformel:

Die Schreibweise als Skelettformel ist die übersichtlichste und einfachste Darstellung eines Alkans. Dabei werden Wasserstoffatome (H) und Kohlenstoffatome (C) ausgespart. Es bleibt folglich nur noch die „Zick-Zack-Kette“ übrig.

Abb. 4: Pentan

1.6 Die radikalische Substitution

Eine Substitutionsreaktion lässt sich als Austauschreaktion bezeichnen, d.h. am Molekül wird ein Atom oder eine Atomgruppe ausgetauscht. Das Grundgerüst bleibt jedoch erhalten. Man unterscheidet zwischen einer nucleophilen Substitution, der elektrophilen Substitution und einer radikalischen Substitution. Substitution bedeutet "ersetzen".

Charakteristisch für die Alkane ist die radikalische Substitution, welche in drei Phasen abläuft. Als Beispiel wird im Folgenden die Bromierung von Methan (bzw. die Halogenierung von Alkanen) veranschaulicht und erklärt. (Merke: Ein Radikal ist ein Teilchen mit einem ungepaarten Elektron.)

Startreaktion: Zuerst muss das Halogen-Molekül homolytisch (radikalisch, symmetrisch) gespalten werden, damit die Reaktion mit dem Alkan ablaufen. Dazu reicht es völlig aus, das Halogen mit Licht einer bestimmten Wellenlänge zu bestrahlen.

Abb. 5: Startreaktion

Kettenreaktion: Nach der Spaltung des Brommoleküls reagieren die Radikale mit dem Methanmolekül. Zunächst entsteht Bromwasserstoff und ein Methylradikal.

Abb. 6: Kettenreaktion I

Danach reagiert das Methylradikal mit einem noch nicht gespaltenen Brommolekül. Es entsteht ein Bromradikal und Brommethan.

Abb. 7: Kettenreaktion II

Diese beiden Reaktionen laufen solange ab bis fast keine Brommoleküle mehr vorhanden sind. Die Radikalkonzentration ist jetzt so weit angestiegen, dass die Wahrscheinlichkeit besteht, dass zwei Radikale kollidieren und mit einander reagieren. Es folgt die letzte Phase.

Kettenabbruch: Für den Kettenabbruch gibt es drei verschiedene Möglichkeiten. Bei der ersten können zwei Bromradikale mit einander reagieren. Die zweite Möglichkeit besteht darin, dass zwei Methylradikale mit einander reagieren. Es entsteht Ethan. Die letzte Option wäre eine Reaktion zwischen einem Bromradikal und einem Methylradikal. Das Produkt ist Brommethan.

Abb. 8: Kettenabbruch

1.7 Die Nomenklatur nach IUPAC

  1. Die Kohlenwasserstoffe mit der Kohlenstoff-Anzahl 1 bis 4 erhalten sogenannte „Trivialnamen“. Bei allen anderen unverzweigten Alkanen ergibt sich der Name aus dem griechischen Zahlwort für die Kettenlänge und einem angehängten „an“. Geradkettige, unverzweigte KW heißen n-Alkane, also n-Pentan, n-Hexan, usw.

  2. Bei den nicht geradkettigen oder verzweigten Alkanen bestimmt die längste Kette, die sogenannte Hauptkette, den Stammnamen, also -pentan, -hexan usw. Wenn in einem Molekül zwei gleich lange „längste“ Ketten auftreten, dann ist die Kette mit den meisten Seitenketten (Substituenten) die Hauptkette. Abb. 9: Haupt- und Seitenketten

  3. Die Kohlenstoffatome der Hauptketten werden so durchnummeriert, dass die Substituenten tragenden Kohlenstoffatome möglichst niedrige Ziffern erhalten. Abb. 10: Durchnummerierung der Kohlenstoffatome von der Hauptkette

  4. Die einwertigen Alkanreste tragen die Endung „-yl“ (allgemein: „-alkyl“), also: CH3- Methyl-Rest , C2H5- Ethyl

  5. Der Name der Seitenkette wird dem Namen der Hauptkette vorangestellt. Dabei wird dem Namen des Alkylrestes die Nummer des Kohlenstoffatoms der Verzweigungsstelle von der Hauptkette vorangestellt. Bsp.: 2-Methylbutan Abb. 11: Beschriftete Hauptkette
    Tritt die gleiche Alkylgruppe mehrfach auf, wird durch die Vorsilbe (Präfix) „di-“, „tri-“, „tetra-“ usw. angegeben, wie oft diese im Molekül vorhanden ist. Dabei werden die Ziffern des betreffenden Kohlenstoffatoms, an dem die Seitengruppe sitzt, so oft angegeben wie diese vorhanden ist.
    Bsp.: 2,3,4-Trimethylpentan
    Abb. 12: 2,3,4-Trimethylpentan
    Sind mehrere, unterschiedliche Alkylgruppen vorhanden, so werden werden sie im gesamten Molekülnamen in alphabetischer Reihenfolge angeführt. Für die Vorsilben gilt dies nicht!
    Bsp.: 2,2-Diethyl-3-methyl-5-isopropyloctan

1.8 Iso-Alkane

Isomere sind Moleküle, welche die selben Summenformeln haben, sich im Aufbau aber unterscheiden, was auch „Konstitutionsisomerie“ genannt wird. Steigt die Anzahl an Kohlenstoffatomen, sind somit auch immer mehr verschiedene Möglichkeiten für verschiedene Strukturen möglich. Bei Butan kann in n-Butan und iso-Butan unterschieden werden. Denn beide besitzen die selbe Summenformel, die Kohlenstoffatome können sich aber auf zwei verschiedene Weisen anordnen. Umso langkettiger die Alkane sind, desto stärker steigt die Anzahl der möglichen Isomere an. Dabei ist jedoch zu beachten, dass der Großteil dieser nur in der Theorie existieren, in der Realität jedoch nur selten oder ganz kurz auftreten.

2. Die Alkene

2.1 Defintion

Kohlenwasserstoffe, deren Moleküle mindestens eine C-C-Doppelbindung enthalten, werden als Alkene (früher Olefine) bezeichnet. Sie gehören zur Gruppe der ungesättigten Kohlenwasserstoffe, da an die Moleküle andere Atome addiert werden können.

Das einfachste Alkenmolekül wird Ethen genannt:

Abb. 13: Ethen

Durch Anhängen von je einer Methylengruppe (CH2) bildet sich die homologe Reihe der Alkene

Abb. 14: Ethen reagiert mit einer Methylengruppe

2.2 Vorkommen und Bedeutung

Da die Doppelbindungen der Alkene sehr reaktiv sind, gelten sie als wichtiger Ausgangsstoff für viele andere Grundstoffe der chemischen Industrie. So wird das Ethen in der Lebensmittelindustrie zum Nachreifen von Obst verwendet. Des Weiteren benutzt man es zur Herstellung von Kunststoffen, Klebstoffen und Lösungsmitteln. Zuletzt wird Ethen noch in der Pharmaindustrie eingesetzt. Propen hingegen findet Verwendung als Brenngas (Flüssiggas) und in der Benzin- sowie Kunststoffherstellung. Buten wird benötigt um Kunststoff und Synthesekautschuk herzustellen.

2.3 Die homologe Reihe der Alkene

Tab. 2: Die homologe Reihe der Alkene

(Quelle: https://www.msa-berlin.de/chemie/kohlenwasserstoffe-alkane-alkene-alkine-1/ )

Es gilt die allgemeine Summenformel: $$C_nH_{2\cdot n}$$

hier abgebildet: Hexen

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2.4 Chemische Eigenschaften

Kurzkettige Alkene liegen in gasförmiger Form vor (ca. Ethen bis Buten). Penten bis Pentadeken liegen meist in flüssiger Form vor. Alle Alkene mit mehr Kohlenstoffatome sind somit im festen Zustand zu finden. Alkene sind in Wasser nur schwer löslich, brennen jedoch mit stark rußender Flamme. Im Gegensatz zu den Alkanen sind die Alkene sehr reaktionsfreudig, da die Doppelbindung relativ schwach ist und so leichter zerbrochen werden kann.Auch können Alkene mit Halogenen zu Halogenalkanen reagieren.

2.5 Die elektrophile Addition

Bei der elektrophilen Addition von Halogenen an Alkene entsteht immer ein Dihalogenalken. Beide Edukte reagieren zu einem Produkt ohne Abspaltung weiterer Produkte, man spricht von einer "Additionsreaktion". Die Reaktion wird außerdem als "elektrophil" bezeichnet, da sich das elektrophile Halogen an die Doppelbindung des Alkens bindet. Um den Mechanismus der elektrophilen Addition zu erklären, wird er an der Reaktion von Ethen und Brom zu 1,2-Dibromethan veranschaulicht.

(Merke: Elektrophil: Teilchen, das ein Elektronendefizit bzw. eine positive (Partial-)Ladung besitzt und daher "elektronenliebend" ist; hier: Bromkation // Nukleophil: Teilchen, das einen Elektronenüberschuss bzw. eine negative (Partial-)Ladung aufweist und daher "kernliebend" ist; hier: Ethenmolekül, Bromidion)

Vorgänge auf Teilchenebene:

Ein Brommolekül wird durch die elektronenreiche Doppelbindungen eines Ethenmoleküls polarisiert, d.h. das bindende Elektronenpaar im Brommolekül wird so verschoben, dass Teilladungen entstehen.

Abb. 15: Polarisierung des Brommoleküls und Entstehung von Teilladungen

Elektrophiler Angriff: Nach einer heterolytischen Spaltung des Brommoleküls wird das entstehende Elektrophil (Bromkation) an die Doppelbindung gebunden. Dabei entstehen ein Nukleophil (Bromanion) und als kurzlebige Zwischenstufe das cyclische Bromoniumion.

Abb. 16: Elektrophiler Angriff

Nukleophiler (Rückseiten-)Angriff: Dabei addiert das nukleophile (Brom-)Anion von der Rückseite an ein Kohlenstoffatom des Bromoniumions.

Abb. 17: Nukleophiler Angriff des (Brom-)Anions

Ergebnis: Es ist ein 1,2-Dibromethanmolekül entstanden.

Abb. 18: 1,2-Dibromethan als Produkt

2.6 Die Nomenklatur nach IUPAC

Für die Benennung der Alkene gelten die folgenden Regeln:

1.Die Endung der Namen der Alkene ist „-en“.

2.Für die Anfangsglieder der homologen Reihe der Alkene existieren noch die veralteten Trivialnamen Ethylen, Propylen und Butylen, man sollte aber die IUPAC-Namen Eth-en, Prop-en und But-en benutzen. Die Bezeichnungen der Alkene, abgeleitet von den entsprechenden Alkanen, gelten auch für größere Moleküle der Gruppe der Alkene.

Ab 5 Kohlenstoffatomen werden für die Stammverbindungen, wie schon bei den Alkanen, die griechischen bzw. lateinischen Zahlwörter als Anfangssilben gesetzt und die Endsilbe -en angehängt, z.B. Pent-en, Hex-en, Hept-en Oct-en usw.

3.Die Stammverbindung wird durch die längste im Molekül vorhandene Kette von Kohlenstoffatomen bestimmt (Hauptkette). Hier ist zu berücksichtigen, dass in dieser Hauptkette die Doppelbindung liegen muss.

4.Die Lage der Doppelbindung wird durch Zahlen gekennzeichnet. Die Nummerierung der Kohlenstoffatome beginnt an dem Ende der Hauptkette, dem die Doppelbindung am nächsten liegt. Es wird das Kohlenstoffatom gekennzeichnet, auf das die Doppelbindung folgt. Die Zahl wird vor die Endung „-en“ (mit Bindestrich) gesetzt.

Abb. 19: Pent-2-en

Gibt es mehr als eine Doppelbindung, dann wird die Anzahl der Doppelbindung als griechische Vorsilbe vor die Endung "-en" geschrieben: -dien, trien, tetraen usw.

Abb. 20: 1,3-Butadien

5.Bei verzweigten Verbindungen werden die Seitenketten wie bei den Alkanen benannt. Durch die Lage der Doppelbindung liegt die Nummerierung fest. Die Stellung der Seitenkette wird mit der Ziffer des Kohlenstoffatoms gekennzeichnet, an das die Gruppe gebunden ist.

2.7 Cycloalkene

In chemischen Eigenschaften und Reaktionsverhalten gibt es zwischen Cycloalkenen und Alkenen kaum Unterschiede. Doch durch die ringförmige Struktur (cyclo) weisen diese immer wieder Besonderheiten auf.

hier abgebildet: Metilciclohexano

[https://pixabay.com/de/metilciclohexano-2865277/]()

2.7.1 Definition

Cycloalkene sind wie die geradkettigen Alkene Kohlenwasserstoffe, deren Moleküle mindestens eine Doppelbindung haben. Die ringförmige Molekülstruktur verleiht diesen ihren besonderen Namen. Das kleinste Cycloalken ist Cyclopropen. Das Molekül steht unter Spannung der Stoff ist daher hochreaktiv. Mit ansteigender Molekülanzahl an Kohlenstoffatomen verringert sich diese Ringspannung.

2.7.2 Die Nomenklatur der Cycloalkene

Auch in der Benennung unterscheiden sich die Cycloalkene von den Alkenen kaum. Die Kohlenstoffatome nummeriert man so, dass die Doppelbindung oder einer der Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatom 1 und 2 liegt. Da es bei einem cyclischen Molekül kein Anfang oder Ende gibt, ist die Position der Doppelbindung nicht im Namen zu nennen.

2.7.3 Vorkommen und Bedeutung

Alkylsubstituierte Cycloalkene sind nicht nicht nur in der Theorie oder im Labor zu finden, sondern treten auch in der Natur auf. Terpene und Steroide sind zwei wichtige Beispiele für diese.. Sie ähneln sich im Verlauf der Biosynthese und dass sie häufig in der cyclischen Form auftreten.

Beispiele:

Steroide: In der Tier und Pflanzenwelt sind Steroide weit verbreitet. Die Basisstruktur der Steroide besteht aus vier Ringen und enthält 21-30 Kohlenstoffatome. Diese Basisstruktur macht den größten Teil des Steroides aus. Sexualhormone, Nebennierenhormone und Gallensäure gehören zu den wichtigsten Steroid-Verbindungsklassen.

Cholesterol: Cholesterol ist eines der meist verbreiteten Steroide. Interessant ist, dass die Funktion von Cholesterol im Körper des Menschen noch nicht vollständig erforscht ist. Was jedoch bekannt ist, ist dass ein zu hoher Cholesterolwert im Blut zur Ablagerung dieses Steroides führen kann, was dann zu Kreislauferkrankungen führen kann. Auch Gallensteine bestehen zu Großteil aus diesem Stoff. Progesteron: Progesteron ist ausschließlich bei weiblichen Individuen zu finden, da dieses ein weibliches Sexualhormon ist. Es wird in den Eierstöcken produziert. Es ist für die Vorbereitung des Uterus auf eine befruchtete Eizelle zuständig und verhindert, dass eine Eizelle erneut befruchtet wird. Aufgrund dieser Aufgaben wird es passend Schwangerschaftshormon genannt. Wird mit einer Fehlgeburt gerechnet setzten Ärzte dieses Hormon ein um die Schwangerschaft zu stabilisieren.

3. Die Alkine

3.1 Definition

Kohlenwasserstoffe, deren Moleküle mindestens eine C-C Dreifachbindung enthalten, werden als Alkine bezeichnet. Sie gehören zur Gruppe der ungesättigten Kohlenwasserstoffe, da an die Moleküle andere Atome addiert werden können. Die allgemeine Formel lautet: $$C_nH_{2n-2}$$

3.2 Vorkommen und Bedeutung

In der Natur sind Alkine kaum aufzufinden (ca. 1000 Verbindungen sind bekannt) und davon sind nur einige wenige in Organismen aktiv. Von technischer Bedeutung sind nur Ethin (veraltet: Acetylen) und Propin. Sie werden zum autogenen Schneiden und Schweißen von Stahlteilen benutzt, da durch die Verbrennung Temperaturen von bis zu 3100°C erreicht werden. Neben dem Einsatz als Schneid- und Schweißgas wird das Ethin als Ausgangsstoff für Polyvinylchlorid (PVC) eingesetzt.

Abb. 21: Ethin als Schweißgas

3.3 Die homologe Reihe der Alkine

Tab. 3: Die homologe Reihe der Alkine

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3.4 Chemische Eigenschaften

Bei Alkine handelt es sind um ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen. Diese haben eine dreifache Kohlenstoff-Kohlenstoff Verbindung. Das hat zu Folge, dass Alkine noch reaktionsfreudiger sind als Alkene, da eine Dreifach Bindung noch schwächer ist.

Reaktionen:

Hydrierung mit normalem Katalysator: Alkine können mit Wasserstoff zu Alkanen hydriert werden. Hierfür werden Katalysatoren wie Platin oder Palladium benötigt.

Herstellung von Ethin: (1) Hydrolisierung von Calciumcarbid: $$CaC_2+2H_20\rightarrow C_2H_2+Ca(OH)_2$$

(2) Dimerisierung/Dehydrierung von Methan: $$2CH_4\rightarrow C_2H_2+3H_2$$

(3) Partielle Methanoxidation: $$4CH_4+O_2\rightarrow2C_2H_2+2CO+7H_2$$

Hier reagiert Methan zu Ethin, Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Jetzt muss nur noch das Ethin herausgefiltert werden.

3.5 Die Nomenklatur nach IUPAC

  1. Die Endung der Namen der Alkine ist „-in“.

  2. Für die Stammverbindung werden, wie schon bei den Alkanen und Alkenen, die griechischen bzw. lateinischen Zahlwörter als Anfangssilben gesetzt und die Endsilbe „-in“ angehängt, z.B. Pent-in, Hex-in, Hept-in Oct-in usw.

  3. Die Stammverbindung wird durch die längste im Molekül vorhandene Kette von Kohlenstoffatomen bestimmt (Hauptkette). Hier ist zu berücksichtigen, dass in dieser Hauptkette die Dreifachbindung liegen muss.

  4. Die Lage der Dreifachbindung wird durch Zahlen gekennzeichnet. Die Nummerierung der Kohlenstoffatome beginnt an dem Ende der Hauptkette, dem die Dreifachbindung am nächsten liegt. Es wird das Kohlenstoffatom gekennzeichnet, auf das die Dreifachbindung folgt. Die Zahl wird vor die Endung „-in“ (mit Bindestrich) gesetzt.
    Beispiel: Abb. 22: Pent-2-in

  5. Bei verzweigten Verbindungen werden die Seitenketten wie bei den Alkanen benannt. Durch die Lage der Dreifachbindung liegt die Nummerierung fest. Die Stellung der Seitenkette wird mit der Ziffer des Kohlenstoffatoms gekennzeichnet, an das die Gruppe gebunden ist.

Um umzusetzen was in diesem Artikel genannt und erklärt wurde, solltest du einige Aufgaben zu diesem Thema üben.

Zu den Aufgaben kommst du hier:

[https://de.serlo.org/chemie/organische-chemie/uebungsaufgaben-alkanen-alkenen-alkinen]()

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