elektrophile Teilchen

01.8 Angriffsfreudige Teilchen

Was du auf dieser Seite lernst

Chemische Reaktionen werden nach dem angreifenden Teilchen benannt. Du lernst drei Typen kennen: Radikale (Einzelelektronen), Elektrophile (Elektronenpaarlücke) und Nucleophile (freie Elektronenpaare). Diese Konzepte sind die Grundlage für alle Reaktionsmechanismen in der organischen Chemie.

Grundlagen aus der 9. Klasse

Freie Elektronenpaare und Strukturformeln von Molekülen hast du in der 9. Klasse behandelt:
→ Lewis-Formeln für Moleküle (Kl. 9) · → HNO-Regel (Kl. 9)

1.8 Angriffsfreudige Teilchen

1.8.1 Teilchen mit Einzelelektronen: Radikale

Bsp.:

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Radikale sind meist unbeständige Teilchen. Sie entstehen durch homolytische Spaltung (meist) unpolarer Bindungen unter Energiezufuhr (z. B. Wärme, Licht). Radikale sind sehr reaktionsfreudig und reagieren mit ihresgleichen oder mit Molekülen unter Neubildung von Radikalen.

1.8.2 Teilchen mit Elektronenpaarlücke: Elektrophile Teilchen

Bsp.:

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Allgemeine Strukturformel eines Elektrophils (vergrößert)

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Elektrophile Teilchen: H⁺, BF₃, AlCl₃ (vergrößert)

Elektrophile Teilchen sind sehr reaktionsfreudige Teilchen; sie wollen sich an ein freies Elektronenpaar anlagern (= Lewis-Säuren – für die Universität).

1.8.3 Teilchen mit freien Elektronenpaaren: Nucleophile Teilchen oder Basen

Bsp.:

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Allgemeine Strukturformel eines Nucleophils / Lewis-Base (vergrößert)

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Nucleophile Teilchen / Lewis-Basen: H₂O, OH⁻, NH₃, Cl⁻ (vergrößert)

a) Nucleophile wollen positiv geladene oder positivierte Teilchen anlagern:

als Basen: Protonen
als nucleophile Teilchen (Lewis-Basen): andere Teilchen mit Elektronenpaarlücke (elektrophile Teilchen)

b) Basizität und Nucleophilie verlaufen annähernd parallel

so ist z. B. das Hydroxid-Ion stärker basisch und stärker nucleophil als Wasser
Basizität und Nucleophilie sind von der Zahl der freien Elektronenpaare unabhängig!

Zusammenfassung:

Reaktionen werden nach der Funktion der angreifenden Teilchen benannt.
Als Angreifer wird i. a. das kleinere Teilchen bezeichnet.

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Zusammenfassung der Reaktionsmechanismen (vergrößert)

Auf einen Blick – die wichtigsten Aussagen

RADIKALE

Teilchen mit einem ungepaarten Elektron. Entstehen durch homolytische Spaltung unter Energiezufuhr. Sehr reaktiv.

ELEKTROPHILE

Teilchen mit Elektronenpaarlücke. Suchen freie Elektronenpaare (= Lewis-Säuren). Bsp.: H⁺, BF₃, AlCl₃.

NUCLEOPHILE

Teilchen mit freien Elektronenpaaren. Greifen elektrophile Zentren an (= Lewis-Basen). Bsp.: OH⁻, NH₃, H₂O.

REAKTIONSNAME

Der Name einer Reaktion folgt dem angreifenden Teilchen: radikalisch · elektrophil · nucleophil.

Häufige Fragen – Angriffsfreudige Teilchen

Was ist ein Radikal und wie entsteht es?

Ein Radikal ist ein Teilchen mit einem ungepaarten Elektron (Einzelelektron). Radikale entstehen durch homolytische (symmetrische) Spaltung einer kovalenten Bindung: Dabei erhält jeder Bindungspartner genau eines der beiden Bindungselektronen. Dies geschieht unter starker Energiezufuhr – etwa durch UV-Licht oder hohe Temperaturen. Radikale sind meist kurzlebig und sehr reaktionsfreudig, weil das Einzelelektron nach einem Bindungspartner „sucht".

Was ist der Unterschied zwischen einem Elektrophil und einem Nucleophil?

Ein Elektrophil hat eine Elektronenpaarlücke – es ist elektronenarm und sucht ein freies Elektronenpaar (= Lewis-Säure). Ein Nucleophil hat freie Elektronenpaare – es ist elektronenreich und greift elektronenärmere Zentren an (= Lewis-Base). Elektrophile und Nucleophile sind komplementäre Partner: Der Nucleophil spendet sein Elektronenpaar an die Lücke des Elektrophils.

Warum sind Radikale so reaktionsfreudig?

Radikale besitzen ein ungepaart vorliegendes Elektron, das energetisch ungünstig ist. Das Radikal strebt danach, eine stabile Elektronenpaarung zu erreichen. Es reagiert deshalb sofort mit verfügbaren Molekülen oder anderen Radikalen. Bei der Reaktion mit einem Molekül entsteht häufig ein neues Radikal – dies führt zu einer Kettenreaktion, wie sie bei der radikalischen Substitution der Alkane auftritt. Mehr dazu: → Radikalische Substitution.

Was haben Nucleophile und Brønsted-Basen gemeinsam?

Beide besitzen freie Elektronenpaare. Eine Brønsted-Base nimmt ein Proton (H⁺) auf – dazu braucht sie ein freies Elektronenpaar. Ein Nucleophil greift allgemein elektronenärmere Teilchen an. Basizität und Nucleophilie verlaufen daher annähernd parallel: Das Hydroxid-Ion (OH⁻) ist sowohl stärker basisch als auch stärker nucleophil als Wasser (H₂O). Entscheidend ist aber nicht die Anzahl der freien Elektronenpaare, sondern deren Verfügbarkeit (Polarisierbarkeit).

Was versteht man unter Lewis-Säure und Lewis-Base?

Das Lewis-Konzept ist eine Erweiterung des Brønsted-Konzepts und gilt für die Universität: Eine Lewis-Säure ist ein Elektronenpaarakzeptor (= Elektrophil) – sie nimmt ein Elektronenpaar auf. Eine Lewis-Base ist ein Elektronenpaardonor (= Nucleophil) – sie stellt ein Elektronenpaar zur Verfügung. Das Lewis-Konzept ist weiter gefasst als das Brønsted-Konzept, da es keine Protonen benötigt: BF₃ ist eine Lewis-Säure, obwohl es kein Proton abgeben kann. Mehr zur Säure-Base-Theorie: → Brønsted-Definition (Kl. 9).

Lernkarten – Angriffsfreudige Teilchen

Klicke auf eine Karte, um die Antwort zu sehen.

1

Was kennzeichnet ein Radikal? Wie entsteht es?

Ein Radikal hat ein ungepaart vorliegendes Elektron. Es entsteht durch homolytische Spaltung einer Bindung unter Energiezufuhr (Wärme, UV-Licht).

2

Was ist ein Elektrophil? Nenne zwei Beispiele.

Elektrophil = Teilchen mit Elektronenpaarlücke; sucht freie Elektronenpaare (Lewis-Säure). Bsp.: H⁺, BF₃, AlCl₃.

3

Was ist ein Nucleophil? Nenne zwei Beispiele.

Nucleophil = Teilchen mit freiem Elektronenpaar; greift elektronenärmere Zentren an (Lewis-Base). Bsp.: OH⁻, NH₃, H₂O.

4

Wie heißt eine Reaktion, bei der ein Nucleophil angreift?

Nucleophile Reaktion (z. B. nucleophile Substitution S_N). Reaktionen werden nach dem angreifenden Teilchen benannt – das ist i. d. R. das kleinere.

5

Ordne zu: H⁺ · OH⁻ · Cl• – Radikal, Elektrophil oder Nucleophil?

H⁺ → Elektrophil (Elektronenpaarlücke)
OH⁻ → Nucleophil (freies Elektronenpaar)
Cl• → Radikal (Einzelelektron)

Weiter im Kapitel Alkane

← 1.7 Eigenschaften der Alkane → 1.9 Radikalische Substitution

🔁 Grundlagen: Lewis-Formeln (Kl. 9) · Brønsted-Definition (Kl. 9)

04.1.2 Halbacetalbildung

4.1.2 Halbacetalbildung bei Zucker (z.B. Glucose)

a) Strukur eines Aldehyds (Alkanals)

Folgende Abbildung zeigt, wie eine Aldehydgruppe angegriffen werden. Durch die höhere Elektronegativität des Sauerstoffatoms werden die Elektronen vom Kohlenstoff weg hin zum Sauerstoff gezogen (polare Atombindung). Dadurch kann am Kohlenstoff ein nucleophiles (kernliebendes Teilchen) angreifen. Nucleophile Teilchen besitzen ein freies Elektronenpaar, mit dem es angreifen kann.

Der Sauerstoff der Aldehydgruppe besitzt ein freies Elektronenpaar. Hier kann ein elektrophiles Teilchen (wie z.B. ein H⁺ (Proton)) angreifen.

Strukturformel eines Aldehyds. C ist positiviert und kann nucleophil angegegriffen werden; Sauerstoff besitzt eine negative Partialladung und ein freies Elektronenpaar und kann von einem elektrophilen Teilchen angegriffen werden.

Das Aldehydmolekül enthält eine polare Doppelbindung mit freien Elektronenpaaren; Additionsreaktionen sind möglich.

b) Aldehyd + Alkohol (A_N-Reaktion = nucleophile Addition)

Reaktionsgleichung in Strukturformel zur Billdung eines Halbacetals

Halbacetale kann man selten isolieren (Ausnahme: Zucker). Ein Halbacetal kann mit Alkohol zu einem Vollacetal weiterreagieren (vgl. Disaccharide).

04.1.3 Ringstruktur der Monosaccharide

4.1.3 Ringstruktur der Monosaccharide

Widersprüche:

Schiffsche Reagenz (typ. Nachweis für Aldehyde) zeigt keine Farbreaktion.
Drehwinkel in wässriger Lsg. 52,7° statt 112,2°.
Tollens (1883) schloss daraus, dass Glucose nicht in der offenen Aldehydform vorliegt.
Die Ursache hierfür ist in der intramolekularen Verknüpfung der Carbonylgruppe mit einer Hydroxylgruppe des gleichen Zuckermoleküls zu suchen. Es kommt also zu einer innermolekularen Halbacetalbildung.

nucleophiler Angriff bei der Ringbildung

Haworth-Schreibweise

zyklisches Glucose Molekül wird als liegendes Sechseck [Pyranosen] oder Fünfeck [Furanosen] gezeichnet;
Ringsauerstoffatom findet sich in der rechten hinteren Ecke [Pyranosen] bzw. im hinteren Eck [Furanosen];
Substituenten, die in der FISCHERprojektion nach links weisen, stehen in der HAWORTH-Projektion oben ["Kommunistenregel"]

Ringbildung bei Glucose in der Hawoarth-Projektion

Erklärung der negativen Reaktion der Glucose mit der Schiffschen Reagenz: Es liegt ein Gleichgewicht zwischen der offenen Kette und dem Ring vor, wobei der Anteil der offenen Kette, bei der wirklich ein Aldehyd vorliegt verschwindend gering ist (< 1%):

Aldehydform (offenkettig) ⇌ Halbacetalform (Ring)

Fuchsinschweflige Säure (Schiffsches Reagenz) bildet mit dem Aldehyd eine reversible (umkehrbare) Reaktion, daher findet kein Entzug des Aldehyds statt. Das heißt, es gibt keine GG-Verschiebung und damit keinen wirklichen Aldehydnachweis (der Anteil an offener aldehydhaltigen Glucose ist zu gering).
Bei der Fehling-Probe und der Tollens-Probe (Silberspiegel) findet eine GG-Verschiebung statt! Die offene Form wird laufend entzogen, neue Ringe gehen auf und es findet langsam der Aldehydnachweis statt.

Durch Ringbildung entstehen 2 Strukturisomere der D-(+)-Glucose (keine Spiegelbildisomere).

Mutarotation und Ringbildung von Glucose

In wässriger Lösung liegen vor:

36% 0,26% 64%

Drehwinkel: 112,2° 18,7°

Es entsteht ein neues asymmetrisches C-Atom (= anomeres Kohlenstoffatom) und damit 2 Diasteromere. Anomere = Isomere, die sich nur durch die Stellung der Hydroxylgruppen am anomeren Kohlenstoffatom unterscheiden.

α-Form: OH-Gruppe am neuen asymmetrischen C-Atom liegt auf derselben Seite wie die am untersten asymmetrischen C-Atom.

Muta¹rotation: Drehwinkel einer Lösung einer optisch aktiven Substanz ändert sich vom Zeitpunkt des Ansetzens der Lösung kontinuierlich bis zum Erreichen eines festen Wertes. Grund dafür ist, dass man z.B. α-Glucose in eine wässrige Lösung gibt. Sobald sich das Molekül in Wasser löst, öffnen sich einige wenige Moleküle. Bei der erneuten Ringbildung, bildet sich auch β-Glucose. Erst wenn sich der Anteil wie oben angegeben einstellt, ändert sich der Drehwinkel nicht mehr.

Glucose α-Form ⇌ offene Form ⇌ β-Form

Bei Glucose ist der Endwert: 0,36 * 112,2° + 0,64 * 18,7° = 52,36°

Haworth-Schreibweise
Achtet auf die Durchnummerierung der C-Atome. Am C₁ war ursprünglich die Aldehydgruppe.

Glucose Rinigstrukturen in der Haworth-Schreibweise

α-D-Glucose β-D-Glucose

Nachweis von Glucose: GOD-Test (Glucose-Oxidase-Stäbchen); Achtung beim schriftlichen Abitur: Fehling oder Tollens ist kein Nachweis für Glucose, sondern nur für Aldehydgruppen!

Glucose-Oxidase = Enzym: Oxidiert Glucose am C1-Atom zu Gluconsäure und Wasserstoffperoxid (H₂O₂).
Durch das Enzym Peroxidase (z.B. aus Meerettich) wird das Wasserstoffperoxid zu Wasser reduziert.
je mehr Glucose, umso intensiver die Farbe.
Im Handel als Teststreifen für Diabeteserkrankung.

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¹: Lat. mutare = ändern