Alkine und cis-trans-Isomerie
Der Schweißbrenner in einer Kfz-Werkstatt im Ruhrgebiet erreicht über 3000 °C, wenn Ethin verbrennt. Ein Kohlenwasserstoff mit nur zwei C-Atomen liefert so viel Energie. Woran liegt das? Und warum schmilzt die Ölsäure im Olivenöl schon bei 13 °C, ihr „Zwilling" Elaidinsäure aus gehärteten Fetten aber erst bei 44 °C, obwohl beide dieselbe Summenformel haben? Beides hat mit der Art der Mehrfachbindung zu tun.
Alkine: Bau und Nomenklatur
Alkine sind Kohlenwasserstoffe mit mindestens einer C≡C-Dreifachbindung. Sie ist die Funktionelle Gruppe der Stoffklasse. Die Dreifachbindung besteht aus drei gemeinsamen Elektronenpaaren zwischen zwei C-Atomen.
Das einfachste Alkin ist Ethin (Trivialname Acetylen), $\mathrm{H{-}C{\equiv}C{-}H}$ mit der Summenformel $\mathrm{C_2H_2}$. Das nächste Glied ist Propin, $\mathrm{H_3C{-}C{\equiv}C{-}H}$, $\mathrm{C_3H_4}$.
Nach dem EPA-Modell (Elektronenpaarabstoßungsmodell) halten sich die Bindungspartner eines C-Atoms möglichst weit voneinander entfernt. Ein C-Atom der Dreifachbindung hat nur zwei Bindungspartner. Das ergibt einen Bindungswinkel von $180^\circ$: Die Atomgruppe $\mathrm{C{-}C{\equiv}C{-}C}$ ist linear.
Die Nomenklatur folgt dem Muster der Alkene: Die Endung -in zeigt die Dreifachbindung an. Bei längeren Ketten gibt man die Position an, etwa But-1-in und But-2-in. Die Kette wird so nummeriert, dass die Dreifachbindung die kleinstmögliche Nummer erhält.
| Name | Strukturformel (Halbstruktur) | Summenformel |
|---|---|---|
| Ethin | $\mathrm{HC{\equiv}CH}$ | $\mathrm{C_2H_2}$ |
| Propin | $\mathrm{HC{\equiv}C{-}CH_3}$ | $\mathrm{C_3H_4}$ |
| But-1-in | $\mathrm{HC{\equiv}C{-}CH_2{-}CH_3}$ | $\mathrm{C_4H_6}$ |
| But-2-in | $\mathrm{H_3C{-}C{\equiv}C{-}CH_3}$ | $\mathrm{C_4H_6}$ |
Ethin ($\mathrm{C_2H_2}$) ist das einfachste Alkin und wird u. a. beim Autogenschweißen verwendet. a) Zeichnen Sie die Strukturformel von Ethin und benennen Sie die Art…
Ethin ($\mathrm{C_2H_2}$) ist das einfachste Alkin und wird u. a. beim Autogenschweißen verwendet.
- a) Zeichnen Sie die Strukturformel von Ethin und benennen Sie die Art der Mehrfachbindung.
- b) Geben Sie die allgemeine Summenformel der Alkine an und nennen Sie Name und Formel von Propin.
Herstellung von Ethin und Stoffmengenrechnung
Ethin wird u. a. aus Calciumcarbid und Wasser hergestellt:
$$\mathrm{CaC_2 + 2\,H_2O \longrightarrow C_2H_2 + Ca(OH)_2}$$Wie viel Gas entsteht aus einer gegebenen Masse Carbid? Hier hilft das bekannte Vorgehen der Stöchiometrie: Masse → Stoffmenge → Stoffmenge des Produkts (Verhältnis der Koeffizienten) → Volumen oder Masse.
Ethin wird großtechnisch u. a. aus Calciumcarbid ($\mathrm{CaC_2}$) und Wasser hergestellt: $\mathrm{CaC_2 + 2\,H_2O \rightarrow C_2H_2 + Ca(OH)2}$. a) Berechnen Sie das…
Ethin wird großtechnisch u. a. aus Calciumcarbid ($\mathrm{CaC_2}$) und Wasser hergestellt: $\mathrm{CaC_2 + 2\,H_2O \rightarrow C_2H_2 + Ca(OH)_2}$.
- a) Berechnen Sie das Volumen an Ethin bei Normbedingungen, das aus $32{,}0\,\text{g}$ Calciumcarbid ($M = 64\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) entsteht ($V_m = 22{,}4\,\text{L}\cdot\text{mol}^{-1}$).
- b) Berechnen Sie die Masse Brom ($M = 160\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$), die dieses Ethin vollständig zu 1,1,2,2-Tetrabromethan umsetzt.
Additionsreaktionen der Alkine
Wie die Alkene sind Alkine ungesättigt: Die Mehrfachbindung kann aufgespalten werden, und es werden Atome angelagert. Bei der Dreifachbindung geschieht das in zwei Stufen. Zuerst wird die Dreifachbindung zur Doppelbindung, dann die Doppelbindung zur Einfachbindung.
Mit Brom:
$$\mathrm{HC{\equiv}CH \xrightarrow{+\,Br_2} \underset{1,2\text{-Dibromethen}}{BrHC{=}CHBr} \xrightarrow{+\,Br_2} \underset{1,1,2,2\text{-Tetrabromethan}}{Br_2HC{-}CHBr_2}}$$Die erste Stufe liefert ein Alken (Zwischenprodukt, ein Halogenalken), die zweite ein Halogenalkan (Endprodukt). Insgesamt addiert 1 mol Ethin 2 mol $\mathrm{Br_2}$.
Nachweis: Bromwasser ist orange-braun. Wird es von einem Kohlenwasserstoff entfärbt, enthält dieser Mehrfachbindungen (Addition statt Substitution; bei der Substitution würde HBr entstehen). Die Menge an Brom verrät mehr: Ein Alken addiert 1 mol $\mathrm{Br_2}$ pro mol Substanz, ein Alkin (oder ein Dien mit zwei C=C-Bindungen) 2 mol.
Auch mit Wasserstoff läuft die Addition in Stufen ab (Katalysator, z. B. Nickel oder Platin): Ethin → Ethen → Ethan, insgesamt 2 mol $\mathrm{H_2}$.
Ethin reagiert mit Brom in zwei Stufen. a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung der vollständigen Addition von Brom an Ethin mit Strukturformeln. b) Benennen Sie das…
Ethin reagiert mit Brom in zwei Stufen.
- a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung der vollständigen Addition von Brom an Ethin mit Strukturformeln.
- b) Benennen Sie das Zwischenprodukt nach Aufnahme von einem Äquivalent Brom und das Endprodukt.
Ein Kohlenwasserstoff $\mathrm{X}$ ($M = 54\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) entfärbt Bromwasser. $1{,}00\,\text{mol}$ $\mathrm{X}$ addiert vollständig…
Ein Kohlenwasserstoff $\mathrm{X}$ ($M = 54\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$) entfärbt Bromwasser. $1{,}00\,\text{mol}$ $\mathrm{X}$ addiert vollständig $2{,}00\,\text{mol}$ Wasserstoff zu Butan.
- a) Bestimmen Sie die Summenformel von $\mathrm{X}$ und geben Sie zwei mögliche Strukturen (Alkin und Dien) mit Namen an.
- b) Berechnen Sie die Stoffmenge Brom, die $1{,}00\,\text{mol}$ $\mathrm{X}$ vollständig addiert, und begründen Sie, warum sich das Alkin und das Dien anhand dieser Brommenge nicht unterscheiden lassen.
Hydratisierung von Ethin: Keto-Enol-Tautomerie
Auch Wasser lässt sich an Ethin addieren (Katalysator $\mathrm{Hg^{2+}}$ in saurer Lösung). Dabei entsteht zunächst Ethenol (Vinylalkohol), ein Enol: Hydroxygruppe direkt an einem C-Atom einer C=C-Doppelbindung.
$$\mathrm{HC{\equiv}CH + H_2O \longrightarrow \underset{Enol}{H_2C{=}CH{-}OH} \longrightarrow \underset{Ethanal}{H_3C{-}CHO}}$$Das Enol ist instabil und lagert sich sofort um: Das H-Atom der OH-Gruppe wandert an das andere C-Atom, die Doppelbindung verschiebt sich, und es entsteht eine C=O-Doppelbindung (Carbonylgruppe). Das Ergebnis ist ein Alkanal, hier Ethanal. Man nennt das Keto-Enol-Tautomerie: Zwei Konstitutionsisomere stehen im Gleichgewicht, und die Umwandlung erfolgt durch Wanderung eines H-Atoms.
Warum liegt das Gleichgewicht fast vollständig auf der Seite des Carbonyls? Die C=O-Doppelbindung zusammen mit einer neuen C–H-Bindung ist energetisch günstiger (stärkere Bindungen) als die Kombination aus C=C und O–H. Das Produkt ist stabiler, und das Gleichgewicht liegt auf dieser Seite.
Nachweis von Ethanal: Mit der Fehling-Probe (roter Niederschlag von Kupfer(I)-oxid) oder der Tollens-Probe (Silberspiegel) lassen sich Alkanale nachweisen; beides sind Nachweise für die Carbonylgruppe der Alkanale (Aldehydgruppe).
Die Hydratisierung von Ethin mit Wasser (Katalysator $\mathrm{Hg^{2+}}$) führt über eine instabile Enol-Zwischenstufe zu Ethanal. a) Formulieren Sie die…
Die Hydratisierung von Ethin mit Wasser (Katalysator $\mathrm{Hg^{2+}}$) führt über eine instabile Enol-Zwischenstufe zu Ethanal.
- a) Formulieren Sie die Reaktionsschritte mit Strukturformeln (Vinylalkohol als Zwischenprodukt).
- b) Erklären Sie die Umlagerung von Enol zu Aldehyd (Keto-Enol-Tautomerie) und begründen Sie, warum das Gleichgewicht auf Seiten des Aldehyds liegt.
- c) Nennen Sie einen Nachweis für Ethanal im Produktgemisch.
cis-trans-Isomerie
Eine C–C-Einfachbindung ist frei drehbar. Eine C=C-Doppelbindung nicht: Die beiden Molekülhälften sind fest zueinander ausgerichtet. Sitzen an beiden C-Atomen der Doppelbindung jeweils zwei verschiedene Substituenten, gibt es zwei Möglichkeiten der räumlichen Anordnung. Das sind zwei verschiedene Stoffe mit gleicher Konstitution: Stereoisomere.
Warum braucht es verschiedene Substituenten? Trägt ein C-Atom zwei gleiche Gruppen (z. B. zwei H-Atome), ergibt das Vertauschen nichts Neues. Bei But-1-en ($\mathrm{H_2C{=}CH{-}CH_2{-}CH_3}$) trägt das erste C-Atom zwei H-Atome, also gibt es keine cis-trans-Isomerie. Bei Butan fehlt die Doppelbindung: Die Einfachbindung ist drehbar, die Formen gehen ineinander über.
Auch Verbindungen mit anderen Substituenten sind betroffen: 1,2-Dichlorethen ($\mathrm{ClHC{=}CHCl}$) hat an jedem C-Atom ein H und ein Cl, also gibt es ein cis- und ein trans-Isomer. Bei 2-Methylbut-2-en trägt ein C-Atom zwei Methylgruppen, es gibt keine cis-trans-Isomerie.
But-2-en kommt in zwei Stereoisomeren vor, dem cis- und dem trans-Isomer. a) Zeichnen Sie beide Strukturformeln. b) Erklären Sie, warum bei Alkanen wie Butan keine…
But-2-en kommt in zwei Stereoisomeren vor, dem cis- und dem trans-Isomer.
- a) Zeichnen Sie beide Strukturformeln.
- b) Erklären Sie, warum bei Alkanen wie Butan keine cis-trans-Isomerie auftritt.
Gegeben sind die Verbindungen Pent-2-en, 2-Methylbut-2-en, But-1-en und 1,2-Dichlorethen. a) Entscheiden Sie jeweils, ob cis-trans-Isomerie auftritt, und begründen Sie…
Gegeben sind die Verbindungen Pent-2-en, 2-Methylbut-2-en, But-1-en und 1,2-Dichlorethen.
- a) Entscheiden Sie jeweils, ob cis-trans-Isomerie auftritt, und begründen Sie dies mit den Substituenten an den C=C-Atomen.
- b) Zeichnen Sie für 1,2-Dichlorethen beide Isomere.
Folgen für die Stoffeigenschaften
cis- und trans-Isomere haben dieselbe Summenformel und dieselben funktionellen Gruppen, aber unterschiedliche Molekülform. Diese bestimmt, wie gut sich die Moleküle packen und wie stark die zwischenmolekularen Kräfte wirken. Daraus folgen unterschiedliche Schmelz- und Siedetemperaturen.
Fettsäuren: Ölsäure (cis) hat an der Doppelbindung einen Knick in der Kette. Die Moleküle lassen sich schlecht dicht packen, die van-der-Waals-Kräfte sind schwächer, und die Schmelztemperatur liegt bei $13\,°\mathrm{C}$. Elaidinsäure (trans) ist fast gestreckt wie eine gesättigte Fettsäure. Die Ketten lagern sich dicht nebeneinander, die Wechselwirkungen sind stärker, die Schmelztemperatur beträgt $44\,°\mathrm{C}$. Deshalb sind trans-Fettsäuren in gehärteten Fetten fest.
Butendisäuren: Maleinsäure (cis) und Fumarsäure (trans) tragen jeweils zwei Carboxygruppen. In der Maleinsäure liegen sie auf derselben Seite, nahe beieinander. Dadurch können sich Wasserstoffbrücken überwiegend innerhalb des Moleküls (intramolekular) ausbilden. Es stehen weniger Carboxygruppen für Wasserstoffbrücken zu Nachbarmolekülen (intermolekular) zur Verfügung, und die Moleküle passen schlechter in ein Kristallgitter. In der Fumarsäure liegen die Carboxygruppen weit auseinander, jedes Molekül bildet Wasserstoffbrücken zu seinen Nachbarn (intermolekular) und baut ein stabiles Gitter auf. Die Schmelztemperatur ist höher ($287\,°\mathrm{C}$ gegenüber $135\,°\mathrm{C}$).
Beim Erhitzen kann Maleinsäure Wasser abspalten: Die beiden benachbarten Carboxygruppen reagieren zu einem cyclischen Anhydrid (Fünfring aus vier C-Atomen und einem O-Atom). Bei der Fumarsäure liegen die Carboxygruppen auf entgegengesetzten Seiten, zu weit voneinander entfernt, um einen Ring zu schließen. Dort entsteht kein cyclisches Anhydrid.
Ölsäure liegt in der cis-Form vor, ihr trans-Isomer heißt Elaidinsäure (Schmelztemperatur $44\,{^\circ}\text{C}$ gegenüber $13\,{^\circ}\text{C}$ bei Ölsäure). a)…
Ölsäure liegt in der cis-Form vor, ihr trans-Isomer heißt Elaidinsäure (Schmelztemperatur $44\,{^\circ}\text{C}$ gegenüber $13\,{^\circ}\text{C}$ bei Ölsäure).
- a) Skizzieren Sie die Kettenform der cis- und trans-Fettsäure in Worten.
- b) Erklären Sie anhand der Molekülform und der zwischenmolekularen Kräfte den Schmelztemperaturunterschied.
Maleinsäure (cis-Butendisäure, Schmelztemperatur $135\,{^\circ}\text{C}$) und Fumarsäure (trans-Butendisäure, Schmelztemperatur $287\,{^\circ}\text{C}$) sind…
Maleinsäure (cis-Butendisäure, Schmelztemperatur $135\,{^\circ}\text{C}$) und Fumarsäure (trans-Butendisäure, Schmelztemperatur $287\,{^\circ}\text{C}$) sind Stereoisomere. Maleinsäure bildet beim Erhitzen ein cyclisches Anhydrid, Fumarsäure nicht.
- a) Zeichnen Sie beide Isomere.
- b) Erklären Sie den Unterschied der Schmelztemperaturen mit intra- und intermolekularen Wechselwirkungen.
- c) Erläutern Sie, warum nur das cis-Isomer ein cyclisches Anhydrid bilden kann.
Zurück zum Einstieg: Ethin liefert beim Schweißen so viel Energie, weil die Verbrennung stark exotherm verläuft und das kleine Molekül sehr viel gebundene Energie in der Dreifachbindung enthält. Der Schmelzpunktunterschied zwischen Ölsäure und Elaidinsäure erklärt sich durch die cis-trans-Isomerie: Die cis-Form ist geknickt und packt sich schlecht, die trans-Form ist gestreckt und schmilzt später.
Auf einen Blick
-
Alkine enthalten eine C≡C-Dreifachbindung, $\mathrm{C_nH_{2n-2}}$, Endung -in; die Atome an der Dreifachbindung sind linear angeordnet.
-
Ethin entsteht u. a. aus Calciumcarbid und Wasser (Stoffmengenverhältnis 1 : 1).
-
Additionen an Alkine verlaufen in zwei Stufen: Alkin → Alken → Alkan. 1 mol Ethin addiert 2 mol $\mathrm{Br_2}$ oder $\mathrm{H_2}$; Bromwasser wird entfärbt.
-
Die Hydratisierung von Ethin führt über ein instabiles Enol (Keto-Enol-Tautomerie) zu Ethanal.
-
cis-trans-Isomerie: Doppelbindung nicht drehbar und an jedem C-Atom zwei verschiedene Substituenten.
-
cis- und trans-Isomere unterscheiden sich in Molekülform, zwischenmolekularen Kräften und damit in Schmelztemperatur und Reaktivität.