Die Aldoladdition

Ethanol ist ein primrer*) Alkohol und als Komponente in alkoholischen Getrnken bekannt.

Sein Name leitet sich vom Kohlenwasserstoff Ethan ab.

Ebenso wie das Molekl von Ethan hat das Ethanol-Molekl zwei Kohlenstoffatome.

*) primr bedeutet: das C-Atom, welches die OH-Gruppe trgt, ist mit einem weiteren C-Atom verbunden. Im Fall eines sekundren Alkohols ist jenes C-Atom mit zwei weiteren C-Atomen verknpft und in einem tertiren Alkohol mit drei weiteren C-Atomen.

Bei den Kohlenwasserstoffen haben wir bislang nur die Elemente Kohlenstoff und Wasserstoff kennengelernt. Bei den Alkoholen kommt nun das Element Sauerstoff hinzu.

Ein O-Atom ist im ungeladenen Zustand zweibindig, d.h. zwei der insgesamt sechs Auenelektronen (= Valenz-elektronen) befinden sich in Hybridorbitalen (in der Regel sp3-Hybridorbitale), die mit entsprechenden Orbitalen der Bindungspartner berlappen und auf diese Weise Atombindungen ausbilden.

Die Valenzelektronen Nr. 3, 4, 5 und 6 des O-Atoms finden wir paarweise als sogenannte freie Elektronenpaare in sp3-Hybridorbitalen, die nicht mit anderen Orbitalen berlappen.

In der obigen Abbildung sind sie gem der Schreibweise nach Lewis als Striche wiedergegeben.

freies Elektronenpaar

Die Abbildung rechts zeigt ein Ethanol-Molekl in der sogenannten Strukturformel.

Der Sinn einer Strukturformel ist, die dreidimensionalen Verhltnisse in einem Molekl aufzuzeigen.

Im Fall der vierbindigen C-Atome sollten zwei der Bindungen in der Papierebene zu liegen kommen und als durchgezogene Striche gezeichnet werden.

Eine weitere Bindung ragt hinter die Papierebene vom Betrachter weg und wird als gestrichelt gezeichneter Keil wiedergegeben.

Die vierte Bindung ragt vom Kohlenstoffatom ausgehend dem Betrachter entgegen. Ihr Symbol ist der durchgezogene Keil.

Siedepunkt: 78,3CMolare Masse: 46,07 g / molEthanolEthanol ist bei Raumtemperatur flssig und hat unter Normaldruck einen Siedepunkt von 78,3C.

Siedepunkt: 78,3CMolare Masse: 46,07 g / molEthanolEthanol ist bei Raumtemperatur flssig und hat unter Normaldruck einen Siedepunkt von 78,3C.Molare Masse ???!

Siedepunkt: 78,3CMolare Masse: 46,07 g / molEthanolEthanol ist bei Raumtemperatur flssig und hat unter Normaldruck einen Siedepunkt von 78,3C.Molare Masse ???!

Ein Mol ist die Stoffmenge, die ca. 6,022 x 1023 Teilchen entspricht.

Ein Mol Ethanol, als ungefhr 6,022 x 1023 Ethanol-Molekle, haben eine Masse von 46,07 g.

Siedepunkt: 78,3CMolare Masse: 46,07 g / molEthanol

n-PropanMolare Masse: 44,10 g / molSiedepunkt: 42C Der Kohlenwasserstoff n-Propan mit einer nur geringfgig kleineren molaren Masse ist bei Raumtemperatur hingegen ein Gas mit einem Siedepunkt von 42C.

Siedepunkt: 78,3CMolare Masse: 46,07 g / molEthanol

n-Propann-ButanMolare Masse: 44,10 g / molMolare Masse: 58,12 g / molSiedepunkt: 0,5CSiedepunkt: 42C Und auch das in der homologen Reihe der Alkane folgende n-Butan mit einer hheren molaren Masse liegt bei Raumtemperatur gasfrmig vor (Siedepunkt: 0,5C).

Die Alkohol-Molekle werden also offenbar strker als ein Kohlenwasserstoff durch zwischenmolekulare Krfte zusammengehalten und am Verdampfen (= Abgang von der Flssigkeitsoberflche in die Gasphase) gehindert.

Welche Krfte sind das?

Warum ist der Brennstoff Bioethanol bei Raumtemperatur flssig und der Brennstoff n-Butan nicht?

C-AtomkernC-AtomkernO-AtomkernH-AtomkernH-AtomkernH-AtomkernH-AtomkernH-Atomkern(= Proton)EN (H) = 2,1EN (H) = 2,1EN (H) = 2,1EN (H) = 2,1EN (H) = 2,1EN (C) = 2,5EN (C) = 2,5EN (O) = 3,5

Zur Klrung dieser Frage betrachten wir die Atombausteine in einem Ethanol-Molekl.

Das eine H-Atom, das mit dem O-Atom verknpft ist (siehe Pfeil), leidet wegen des Zugs des O-Atoms auf die beiden Bindungselektronen unter einem Mangel an Elektronendichte.

C-AtomkernC-AtomkernO-AtomkernH-AtomkernH-AtomkernH-AtomkernH-AtomkernH-Atomkern(= Proton)EN (H) = 2,1EN (H) = 2,1EN (H) = 2,1EN (H) = 2,1EN (H) = 2,1EN (C) = 2,5EN (C) = 2,5EN (O) = 3,5

Wir betrachten nun als Ausschnitt aus einem zweiten Molekl Ethanol, welches sich in direkter Nhe befindet, einzig und allein dessen O-Atom mit den dazugehrigen Elektronenpaaren (die Kerne der beiden Bindungspartner C und H sind hier nicht mit abgebildet). O-Atomkern eines zweiten Molekls Ethanol

C-AtomkernC-AtomkernO-AtomkernH-AtomkernH-AtomkernH-AtomkernH-AtomkernH-Atomkern(= Proton)EN (H) = 2,1EN (H) = 2,1EN (H) = 2,1EN (H) = 2,1EN (H) = 2,1EN (C) = 2,5EN (C) = 2,5EN (O) = 3,5

Das Defizit an Elektronendichte, unter dem das H-Atom der OH-Gruppe des ersten Ethanol-Molekls leidet, kann durch eines der beiden freien Elektronenpaare des O-Atoms des zweiten Ethanol-Molekls zumindest zum Teil ausgeglichen werden.

C-AtomkernC-AtomkernO-AtomkernH-AtomkernH-AtomkernH-AtomkernH-AtomkernH-Atomkern(= Proton)EN (H) = 2,1EN (H) = 2,1EN (H) = 2,1EN (H) = 2,1EN (H) = 2,1EN (C) = 2,5EN (C) = 2,5EN (O) = 3,5

Die gestrichelte Linie gibt eine elektronische Wechselwirkung wieder, nmlich die zwischen einem freien Elektronenpaar in einem Molekl und einem elektronenhungrigen H-Atom eines anderen Molekls, das mit einem deutlich strker elektronegativen Partner verbunden ist (und daher diesen Hunger nach Elektronen versprt).

Wasserstoffbrckenbindungzwischen zwei Ethanol-MoleklenWasserstoffbrckenbindungen sind strker als van-der-Waals-Krfte, die z.B. zwischen zwei Moleklen eines Kohlenwasserstoffs wirken.

Daher hat Ethanol mit 78,3C einen hheren Siedepunkt als n-Butan ( 0,5C) , obwohl n-Butan die hhere Molmasse hat.Diese Art von elektronischer Wechselwirkung bezeichnet man als Wasserstoffbrckenbindung.

Wir merken uns die folgenden Voraussetzungen fr das Zustandekommen einer Wasserstoffbrckenbindung:

Im Molekl Nr. 1 mu ein H-Atom mit einem stark elektronegativen Element (i.d.R. Sauerstoff) verbunden sein.

Im Molekl Nr. 2 mu mindestens eines der Atome ber mindestens ein freies Elektronenpaar verfgen.

Ein weiterer kurzer Exkurs zur Klrung der Frage:

Was sind van-der-Waals-Krfte ?

Versuchen wir, dieser Frage anhand des Kohlenwasserstoffs n-Butan auf den Grund zu gehen.

Die Abbildung zeigt uns die Atomkerne (4 x C und 10 x H) sowie die Bindungselektronen im n-Butan.

Van-der-Waals-Krfte sind die einzigen Anziehungskrfte, die zwischen den Moleklen von Kohlenwasserstoffen wirken.

Ein Kohlenwasserstoff wie n-Butan ist unpolar, da sich aufgrund des geringen EN-Unterschieds zwischen C und H die Bindungselektronen bevorzugt im mittleren Bereich zwischen den Atomkernen aufhalten und daher keine Dipole erzeugt werden.

Die hier in der Abbildung gezeigte Verteilung der Bindungselektronen stellt jedoch nur eine Momentaufnahme dar.

Wir wissen zwar, da sich die Bindungselektronen zwischen C und H bevorzugt im Bereich der Mitte zwischen den Atomkernen aufhalten.

Das hei aber nicht, da sie vllig statisch immer auf ihren Pltzen bleiben.

Betrachten wir in dieser kurzen Momentaufnahme einmal das mit einem Pfeil markierte Bindungselektron.

In einer zweiten Momentaufnahme, den winzigen Bruchteil einer Sekunde spter, hat sich jenes Elektron so bewegt, da es sich kurzfristig nher als blicherweise am Kern des C-Atoms aufhlt.

Die Folge davon ist die extrem kurzfristige Ausbildung eines vorbergehenden Dipols zwischen dem C-Atom (das in diesem kurzen Augenblick einen leichten berschu an Elektronendichte hat; dies wird durch das Symbol wiedergegeben) und dem H-Atom mit einem entsprechenden Defizit an Elektronendichte (was mit dem Symbol + gekennzeichnet wird). + _ Molekl Nr. 1 temporrer Dipol + aufgrund unsymmetrischer Elektronenverteilung ( am C-Atom; + am H-Atom)Molekl Nr. 2 durch Dipol Nr. 1 induzierter zweiter Dipol +

Im ersten Molekl n-Butan (in der Abbildung oben) erzeugt eine solche kurzfristig unsymmetrische Elektronenverteilung einen temporren Dipol.

In der direkt benachbarten C-H-Bindung eines zweiten Molekls n-Butan wird unter dem Einflu des Dipols im ersten Molekl kurzfristig ebenfalls ein Dipol induziert.

Auf den elektrostatischen Wechselwirkungen solcher kurzfristigen temporren Dipole beruhen die Anziehungskrfte zwischen ansonsten vllig unpolaren Moleklen, die sogenannten van-der-Waals-Krfte.

Nur aufgrund dieser Krfte ist bei Raumtemperatur Benzin flssig und eine Paraffinkerze fest. +

+