Chlormethane als Lösungsmittel
AFB I–IIDichlormethan löst Lacke und Klebstoffe und wurde früher zum Entkoffeinieren von Kaffee genutzt; Trichlormethan (Chloroform) und Tetrachlormethan waren verbreitete Lösungsmittel. Die Tabelle zeigt Messwerte der vier Chlormethane.
| Stoff | CH₃Cl | CH₂Cl₂ | CHCl₃ | CCl₄ |
|---|---|---|---|---|
| Dipolmoment in D | 1,87 | 1,60 | 1,04 | 0 |
| Siedetemperatur in °C | −24 | 40 | 61 | 77 |
- Zeichnen Sie die Strukturformel von Dichlormethan mit allen Teilladungen und erläutern Sie den induktiven Effekt der Cl-Atome.
- Beschreiben Sie, wie sich die positive Teilladung am C-Atom von CH₃Cl zu CCl₄ ändert.
- Erklären Sie, warum das Dipolmoment trotzdem von CH₃Cl zu CCl₄ auf null sinkt.
- Beurteilen Sie die Aussage: „Je mehr Chlor-Atome, desto polarer und desto stärker die Dipol-Dipol-Kräfte — deshalb steigt die Siedetemperatur.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
C im Zentrum, zwei H und zwei Cl; Cl je δ−, C δ+. Cl ist elektronegativer als C und zieht die σ-Elektronen der C–Cl-Bindungen an (−I-Effekt); das C-Atom wird positiviert.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Sie nimmt zu: Die −I-Effekte der Cl-Atome addieren sich, in CCl₄ ist das C-Atom am stärksten positiviert.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Das Dipolmoment ist die vektorielle Summe der Bindungsdipole. Im Tetraeder heben sich die Bindungsdipole mit zunehmender Symmetrie teilweise, in CCl₄ vollständig auf. Polare Bindungen ergeben daher nicht automatisch ein polares Molekül.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Nur teilweise richtig: Die Bindungen werden zwar zahlreicher polar, das Molekül aber weniger polar (Dipolmoment sinkt). Die Siedetemperatur steigt, weil Elektronenzahl und Oberfläche wachsen und damit die Van-der-Waals-Kräfte stärker werden; die Dipol-Dipol-Kräfte nehmen sogar ab.
Der I-Effekt im NMR-Spektrum
AFB II–IIIIn der ¹H-NMR-Spektroskopie misst man die chemische Verschiebung δ der Wasserstoff-Kerne (in ppm). Je geringer die Elektronendichte um einen H-Kern, desto weniger ist er abgeschirmt und desto größer ist δ. Die Tabelle zeigt Messwerte für Methan und Halogenmethane; in Chlorethan (CH₃–CH₂–Cl) findet man für die CH₂-Gruppe δ = 3,57 ppm und für die CH₃-Gruppe δ = 1,48 ppm.
| Verbindung | CH₄ | CH₃I | CH₃Br | CH₃Cl | CH₃F | CH₂Cl₂ | CHCl₃ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| EN des Substituenten | 2,2 (H) | 2,7 | 3,0 | 3,2 | 4,0 | – | – |
| δ(H) in ppm | 0,23 | 2,16 | 2,68 | 3,05 | 4,26 | 5,30 | 7,26 |
- Beschreiben Sie den Zusammenhang zwischen Elektronegativität des Substituenten und δ(H) in der Reihe CH₄ bis CH₃F.
- Erklären Sie diesen Zusammenhang mit dem induktiven Effekt.
- Berechnen Sie die Zunahme von δ(H) je zusätzlichem Cl-Atom von CH₃Cl über CH₂Cl₂ zu CHCl₃ und deuten Sie das Ergebnis.
- Beurteilen Sie anhand der Werte für Chlorethan die Reichweite des induktiven Effekts.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Mit steigender EN des Substituenten (2,2 → 4,0) steigt δ(H) von 0,23 auf 4,26 ppm, also in derselben Richtung.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Der Substituent X zieht über den −I-Effekt Elektronendichte vom C-Atom ab; dieses holt sich Elektronendichte aus den C–H-Bindungen. Die H-Kerne werden schwächer abgeschirmt, δ steigt — umso mehr, je elektronegativer X ist.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
CH₂Cl₂ − CH₃Cl: 5,30 − 3,05 = 2,25 ppm; CHCl₃ − CH₂Cl₂: 7,26 − 5,30 = 1,96 ppm. Jedes Cl-Atom erhöht δ um rund 2 ppm: Die −I-Effekte addieren sich näherungsweise.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die CH₂-Gruppe direkt am Cl liegt mit 3,57 ppm im Bereich von CH₃Cl (3,05 ppm; zusätzlicher Beitrag durch den Methylrest). Die CH₃-Gruppe eine Bindung weiter liegt nur noch bei 1,48 ppm: Ihr Wert ist gegenüber einer reinen Alkyl-CH₃-Gruppe (≈ 0,9 ppm) nur um etwa 0,6 ppm erhöht. Der Effekt nimmt also schon nach einer weiteren Bindung stark ab — kurze Reichweite.