Stoffklassen und Isomerie
Funktionelle Gruppen bestimmen Eigenschaften und Reaktionen; gleiche Summenformel heißt noch lange nicht gleicher Stoff (5.1.1–5.1.5).
Funktionelle Gruppen (5.1.1)
–OH (Alkanole), –CHO (Alkanale), C=O in der Kette (Alkanone), –COOH (Alkansäuren); O–H-Gruppen bilden Wasserstoffbrücken. Primäre Alkanole → Aldehyd → Säure, sekundäre → Keton, tertiäre nicht oxidierbar.
Halogenalkane (5.1.2)
C–X polar (δ+ am C), Siedetemperatur steigt dennoch von F nach I: Van-der-Waals-Kräfte dominieren. Kaum wasserlöslich; FCKW zerstören Ozon.
Ester und Ether (5.1.3)
Ester: Säure + Alkohol ⇌ Ester + Wasser, Name Alkyl-alkanoat. Ether R–O–R′. Beide ohne O–H → niedrigere Siedetemperaturen.
Isomerie (5.1.4)
Konstitutionsisomere: Ketten-, Stellungs-, Funktionsisomerie. cis-trans-Isomerie an der starren C=C-Bindung, wenn jedes C zwei verschiedene Reste trägt.
Bromwasserprobe (5.1.5)
Sofortige Entfärbung im Dunkeln zeigt C=C bzw. C≡C; Alkane und Benzol entfärben nicht (nur Extraktion in die obere Phase).
Erst die Heteroatome suchen
O-, N- und Halogenatome markieren, dann deren Nachbarn prüfen: So unterscheiden Sie Aldehyd-, Keto-, Carboxy-, Ester- und Ethergruppe sicher.
Reaktionstypen und Synthesen
Die Stoffbilanz ordnet Reaktionen in wenige Typen; Radikalkette, Veresterungsgleichgewicht und Selektivität entscheiden über Produkt und Ausbeute (5.2.1–5.2.5).
Reaktionstypen (5.2.1)
Addition (2 → 1, Mehrfachbindung verschwindet), Eliminierung (1 → 2, entsteht), Substitution (Austausch), Kondensation (Verknüpfung unter Wasserabspaltung), Hydrolyse.
Radikalische Substitution (5.2.2)
Start im Licht (Homolyse), Fortpflanzung (1 → 1 Radikal), Abbruch (2 → 0). Nebenprodukt HX, Mehrfachsubstitution bei Halogenüberschuss.
Veresterung (5.2.3)
¹⁸O-Markierung: Säure gibt OH ab, Alkohol das H. Säurekatalysiert, Gleichgewicht; Ausbeute steigt mit Überschuss oder Wasserentzug.
Konkurrierende Produkte (5.2.4)
Anteil ∼ Zahl der H · Reaktivität; Radikalstabilität tert. > sek. > prim. Chlor reaktiv und unselektiv, Brom wählerisch (Reaktivitäts-Selektivitäts-Prinzip).
Synthesewege (5.2.5)
Retrosynthese vom Zielmolekül rückwärts; zu jedem Pfeil Reagenz, Bedingungen, Reaktionstyp. Wenige, selektive Stufen.
Typ ist nicht Mechanismus
Addition, Substitution und Eliminierung beschreiben nur die Bilanz. Wie die Elektronen wandern (radikalisch, elektrophil, nucleophil), sagt erst der Mechanismus.
Reaktionsmechanismen
Bindungsspaltung, reaktive Teilchen und Elektroneneffekte erklären, wie und wo Reaktionen ablaufen (5.3.1–5.3.7).
Homolyse und Heterolyse (5.3.1)
Homolyse → zwei Radikale (Licht, Hitze, Gasphase); Heterolyse → Kation + Anion (polare Bindung, polares Lösungsmittel). Halber Pfeil = ein Elektron, ganzer = Paar.
Reaktive Teilchen (5.3.2)
Radikal: ungepaartes Elektron. Elektrophil: Elektronenlücke (H⁺, Carbokation, BF₃). Nucleophil: freies Elektronenpaar oder π-Elektronen (OH⁻, NH₃, H₂O).
Induktive Effekte (5.3.3)
−I: Halogene, O, N, CN, COOH ziehen σ-Elektronen; +I: Alkylgruppen, –O⁻ schieben. Wirkung additiv, nach etwa drei Bindungen abgeklungen.
Elektrophile Addition (5.3.4)
π-Komplex, Heterolyse von Br–Br, cyclisches Bromonium-Ion, Rückseitenangriff von Br⁻ → anti-Addition. Mit HX offenes Carbokation.
Markownikow-Regel (5.3.5)
Das Proton addiert so, dass das stabilste Carbokation entsteht (tert. > sek. > prim.); mit Peroxiden radikalisch → Anti-Markownikow.
Nucleophile Substitution (5.3.6)
SN2: ein Schritt, Rückseitenangriff, Walden-Umkehr, primär. SN1: Carbokation, Racemat, tertiär. Abgangsgruppe I⁻ > Br⁻ > Cl⁻.
Säurestärke (5.3.7)
−I-Gruppen verteilen die Ladung im Carboxylat-Ion → kleinerer pKs; Wirkung nimmt mit dem Abstand ab, +I erhöht den pKs.
Die stabilste Zwischenstufe gewinnt
Ob Radikal (5.2.4), Carbokation (5.3.5) oder Anion (5.3.7): Elektroneneffekte stabilisieren Zwischenstufen und Produkte — daraus folgen Produktverteilung, Regioselektivität und Säurestärke.
Aromaten und Mesomerie
Das delokalisierte π-Elektronensextett erklärt Bau, Stabilität und Reaktionsverhalten des Benzols; Grenzstrukturen beschreiben Elektroneneffekte am Ring (5.4.1–5.4.4).
Benzolmolekül (5.4.1)
Ebenes Sechseck, sechs C–C-Bindungen à 139 pm, sp²-C, sechs delokalisierte π-Elektronen. Aromat: Ring, eben, konjugiert, 4n + 2 π-Elektronen.
Mesomerie (5.4.2)
Grenzstrukturen: gleiche Atomlagen, verschobene π- bzw. freie Elektronenpaare, Oktettregel. ↔ ist kein Gleichgewicht; Delokalisierung stabilisiert.
Mesomere Effekte (5.4.3)
+M (–OH, –NH₂, –OR, Halogene): Elektronendichte in o/p erhöht, lenkt o/p. −M (–NO₂, –CHO, –COOH, –CN): lenkt m, desaktiviert. Phenol pKs 10, Anilin schwache Base.
Mesomerieenergie (5.4.4)
Vergleich mit hypothetischem Cyclohexatrien über Hydrierungsenthalpien; Aromaten substituieren statt zu addieren, weil sonst EM verloren ginge.
Substitution statt Addition
Benzol entfärbt Bromwasser nicht: Eine Addition zerstörte das aromatische System. Mit FeBr₃ wird substituiert — das Elektronensextett bleibt erhalten.
