Organische Chemie 1 - Exam

Aufgabe 1)

Betrachte das Molekül der Kohlensäure (H\textsubscript{2}CO\textsubscript{3}). Die Strukturformel zeigt, dass das Molekül Doppelbindungen und Einfachbindungen enthält. Anhand des VSEPR-Modells soll die Geometrie des Moleküls und seine Bindungslängen und -winkel vorhergesagt werden.

a)

Zeichne die Lewis-Struktur der Kohlensäure (H\textsubscript{2}CO\textsubscript{3}) und benenne die Art jeder einzelnen kovalenten Bindung im Molekül (Einfachbindung, Doppelbindung).

Lösung:

Um die Lewis-Struktur der Kohlensäure (H₂CO₃) zu zeichnen, folgen wir diesen Schritten:

• Bestimme die Anzahl der Valenzelektronen.

Kohlensäure besteht aus:

• 2 Wasserstoffatomen mit je 1 Valenzelektron: 2 * 1 = 2 Elektronen
• 1 Kohlenstoffatom mit 4 Valenzelektronen: 4 Elektronen
• 3 Sauerstoffatomen mit je 6 Valenzelektronen: 3 * 6 = 18 Elektronen

Insgesamt hat H₂CO₃ also:

2 + 4 + 18 = 24 Valenzelektronen

• Zunächst ordnen wir die Atome an. Kohlenstoff (C) befindet sich im Zentrum, mit Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H) darum herum:

H - O - C - O - O - H

• Als nächstes zeichnen wir Paarbindungen zwischen den Atomen:

Die zentrale Struktur sieht etwa so aus:

H - O - C = O

| O

Jetzt legen wir die verbleibenden Elektronenpaare so, dass jedes Atom (unter Berücksichtigung der Oktettregel) am stabilsten ist.

• Zuerst erreichst du das von Sauerstoff die Oktettregel erfüllt wird. Danach werden was übrig bleibt, zur Kohlenstoffatomen hinzugefügt. H hat ja immer nur 2 Elektronen.

Die finale Lewis-Struktur sieht folgendermaßen aus:

       H      O    /H - O - C = O      \       O

Jede Bindung in dieser Struktur ist wie folgt zu charakterisieren:

• Zwischen C und zwei der O-Atome gibt es zwei Doppelbindungen (C=O).
• Zwischen C und der verbleibenden O gibt es eine Einfachbindung (C-O).
• Zwischen dem O- und den H-Atomen gibt es zwei Einfachbindungen (O-H).

Die einzelnen Bindungen sind daher:

• C=O – Doppelbindung
• C-O – Einfachbindung
• O-H – Einfachbindungen

b)

Nutze das VSEPR-Modell, um die Geometrie des Kohlensäure-Moleküls zu bestimmen. Berechne dabei die Bindungswinkel. Gehe auch auf die Unterschiede zwischen Einfach- und Doppelbindungen bezüglich der Bindungslänge ein und erkläre, warum die Bindungslängen unterschiedlich sind.

Lösung:

Um die Geometrie des Kohlensäure-Moleküls (H₂CO₃) zu bestimmen, nutzen wir das VSEPR-Modell (Valence Shell Electron Pair Repulsion-Modell). Dieses Modell hilft uns, die räumliche Anordnung der Atome in einem Molekül vorherzusagen, basierend auf der Abstoßung der Elektronenpaare in der Valenzschale des zentralen Atoms (in diesem Fall das Kohlenstoffatom).

• Zuerst bestimmen wir die Anzahl der Elektronenpaare um das zentrale Kohlenstoffatom.

Gemäß der Lewis-Struktur, die wir im vorherigen Schritt gezeichnet haben:

       H      O    /H - O - C = O      \       O

Das Kohlenstoffatom hat drei Bindungen zu Sauerstoffatomen und eine Bindung zu einem Wasserstoffatom. Die Gesamtzahl der Bindungen um das Kohlenstoffatom beträgt also vier.

• Das VSEPR-Modell sagt uns, dass vier Elektronenpaare um ein Zentralatom eine tetraedrische Geometrie erzeugen sollte.

Allerdings ist die tatsächliche Geometrie der Sauerstoffatome etwas anders aufgrund der Effekte der Doppelbindungen.

Die Struktur weist zwei Doppelbindungen (C=O) und zwei Einfachbindungen (C-OH) auf. Die Doppelbindungen bewirken eine stärkere Abstoßung als Einfachbindungen, da die Elektronendichte höher ist. Dies führt dazu, dass die Bindungswinkel leicht verändert werden.

• Nach VSEPR-Modell ergibt sich eine gebogene Geometrie um jedes Kohlenstoff-Sauerstoff-Wasserstoff-Bindungsdreieck. Dies ergibt formal eine trigonale planar Struktur (wenn die Elektronenwolken aus Doppelbindungen nicht übermäßig zählen): Einfachbindungen weisen darauf hin, dass jeder C-O- und O-H-Winkel ungefähr 120° beträgt.

Die Bindungswinkel in der Kohlensäure sind daher:

• C=O: ungefähr 120°

• C-O-H und C-O: etwas kleiner als 120° auf Grund der höheren Elektronendichte und besseren Kompaktheit.

• Einfachbindungen (C-O und O-H): sind länger (ca. 1.43 Å) als Doppelbindungen (C=O), aufgrund der unterschiedlichen Elektronendichte. Die Elektronenverteilung in der Doppelbindung (C=O) beinhalten Pi-Bindungen, welche die Atome enger zusammenzieht und sie kürzer machen (ca. 1.23 Å).

Der Unterschied in den Bindungslängen entsteht, weil Doppelbindungen mehr Elektronen enthalten als Einfachbindungen, wodurch eine stärkere elektrostatische Anziehung zwischen den Atomen in der Doppelbindung erzeugt wird. Dies führt zu einer stärkeren und kürzeren Bindung im Vergleich zu Einfachbindungen.

Zusammenfassend:

• Die Geometrie des H₂CO₃-Moleküls ist gewinkelt/trigonal planar mit Idealwinkeln von etwa 120°.
• Einfachbindungen sind länger als Doppelbindungen aufgrund der geringeren Elektronendichte in Einfachbindungen.

Aufgabe 2)

Substitutionsreaktionen: SN1 und SN2In organischen Reaktionen treten häufig nucleophile Substitutionen auf, die über zwei hauptsächliche Mechanismen ablaufen, nämlich SN1 und SN2. Der SN1-Mechanismus ist unimolekular und verläuft in zwei Schritten, wobei ein Carbokation als Zwischenprodukt entsteht. Polar, protische Lösungsmittel begünstigen diese Reaktion. Der SN2-Mechanismus hingegen ist bimolekular und geschieht in einem einzelnen, konzertierten Schritt; er wird durch weniger sterisch gehinderte Substrate und polare, aprotische Lösungsmittel bevorzugt.

• SN1: unimolekular; zwei Schritte; Bildung eines Carbokations; geeignete Lösungsmittel: polar, protisch
• SN2: bimolekular; ein Schritt; konzertiert; geeignet für weniger sterisch gehinderte Substrate; Lösungsmittel: polar, aprotisch
• SN1-Reaktion:
  1. Bildung eines Carbokations
  2. Nucleophiler Angriff
  3. R = Substituent
  4. Y (Nucleophil) greift am Carbokation an
• SN2-Reaktion:
  1. Direkter Angriff des Nucleophils R – Y an das Substrat X mit Übergangszustand
  2. Inversion der Konfiguration
• Reaktionsgeschwindigkeit:
  • SN1: Unimolekular, v = k[Substrat]
  • SN2: Bimolekular, v = k[Substrat][Nucleophil]

a)

Beschreibe den Mechanismus der SN1-Reaktion. Welche Schritte sind daran beteiligt und wie wird die Geschwindigkeit dieser Reaktion durch die Konzentration der beteiligten Stoffe beeinflusst?

Lösung:

Mechanismus der SN1-Reaktion

Die SN1-Reaktion (Substitution Nucleophil, unimolekular) ist ein zweistufiger Prozess, und ihr Mechanismus kann wie folgt beschrieben werden:

1. Bildung des Carbokations: Der erste und geschwindigkeitsbestimmende Schritt der SN1-Reaktion ist die Abspaltung der Abgangsgruppe vom Substrat, wodurch ein Carbokation (positiv geladenes Kohlenstoffion) entsteht. Dies ist der langsamste Schritt, da die Herstellung eines stabilen Carbokations Energie erfordert. Beispiel: R–X → R+ + X– Hierbei ist R das Substrat und X die Abgangsgruppe.
2. Nucleophiler Angriff: Der zweite Schritt besteht im Angriff eines Nucleophils auf das gebildete Carbokation. Dieser Schritt ist relativ schnell, da das Carbokation sehr reaktiv ist und leicht vom Nucleophil angegriffen wird. Beispiel: R+ + Y– → R–Y Hierbei ist Y das Nucleophil, das das Substituent R angreift.

Geschwindigkeit der SN1-Reaktion

• Die Geschwindigkeit der SN1-Reaktion hängt nur von der Konzentration des Substrats ab, da der geschwindigkeitsbestimmende Schritt die Bildung des Carbokations ist. Der Geschwindigkeitsausdruck lautet: v = k[Substrat] Dies bedeutet, dass die Reaktionsgeschwindigkeit direkt proportional zur Konzentration des Substrats ist.
• Die Konzentrationen des Nucleophils und des Lösungsmittels haben keinen direkten Einfluss auf die Geschwindigkeit der SN1-Reaktion, da sie nicht am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt beteiligt sind.
• Polare, protische Lösungsmittel begünstigen die SN1-Reaktion, da sie die Stabilisierung des Carbokations unterstützen.

b)

Erläutere den Mechanismus der SN2-Reaktion. Was unterscheidet ihn grundlegend vom SN1-Mechanismus und wie wirkt sich die sterische Hinderung darauf aus?

Lösung:

Mechanismus der SN2-Reaktion

Die SN2-Reaktion (Substitution Nucleophil, bimolekular) ist ein einstufiger Prozess, der sich durch einen konzertierten Mechanismus auszeichnet. Der Mechanismus der SN2-Reaktion kann wie folgt beschrieben werden:

1. Direkter nucleophiler Angriff: Das Nucleophil greift das Substrat direkt an, indem es sich gleichzeitig mit der Abgangsgruppe verbindet. Der Angriff erfolgt von der Seite gegenüber der Abgangsgruppe, was zu einem Übergangszustand führt, in dem das Substrat sowohl das Nucleophil als auch die Abgangsgruppe vorübergehend gebunden hat.Beispiel:Y– + R–X → [Y–R–X]‡ → R–Y + X–Hierbei ist Y das Nucleophil, R das Substrat und X die Abgangsgruppe.
2. Inversion der Konfiguration: Nachdem das Nucleophil das Substrat angegriffen und das alte Bindungssystem aufgebrochen hat, erfolgt eine Inversion der molekularen Konfiguration des Substrats. Wird ein chirales Zentrum angegriffen, führt dies zu einer spezifischen räumlichen Umkehr der Konfiguration.

Unterscheidungsmerkmale zum SN1-Mechanismus

• Die SN2-Reaktion verläuft in einem einzigen konzertierten Schritt, während die SN1-Reaktion in zwei Schritten abläuft, die Bildung eines Carbokations als Zwischenprodukt beinhaltet.
• Die Geschwindigkeit der SN2-Reaktion hängt sowohl von der Konzentration des Substrats als auch von der Konzentration des Nucleophils ab. Der Geschwindigkeitsausdruck lautet:v = k[Substrat][Nucleophil]Im Gegensatz dazu hängt die Geschwindigkeit der SN1-Reaktion nur von der Konzentration des Substrats ab: v = k[Substrat]

Einfluss der sterischen Hinderung

• Die SN2-Reaktion wird stark durch sterische Hinderung beeinflusst. Aufgrund des Konzentrationsmechanismus ist ein weniger sterisch gehindertes Substrat günstiger, da ein nucleophiler Angriff erleichtert wird. Primäre Alkylhalogenide reagieren daher schneller als sekundäre, während tertiäre Alkylhalogenide für die SN2-Reaktion fast unzugänglich sind.
• Bei der SN1-Reaktion spielt die sterische Hinderung eine weniger wichtige Rolle, da der geschwindigkeitsbestimmende Schritt die Bildung eines Carbokations ist, welches durch polare, protische Lösungsmittel stabilisiert werden kann.

c)

Gegeben sei die folgende Substratstruktur: tert-Butylbromid. Welcher der beiden Mechanismen (SN1 oder SN2) ist für die nucleophile Substitution dieses Substrats geeigneter? Begründe deine Antwort.

Lösung:

Substrat: tert-Butylbromid

Das Substrat tert-Butylbromid besitzt die folgende Struktur:

C4H9Br

Es handelt sich um ein tertiäres Alkylhalogenid, bei dem das Halogen an einem tertiären Kohlenstoffatom gebunden ist.

Geeigneter Mechanismus: SN1

Für die nucleophile Substitution von tert-Butylbromid ist der SN1-Mechanismus besser geeignet als der SN2-Mechanismus. Hier sind die Gründe dafür:

• Stabilität des Carbokations: Im SN1-Mechanismus bildet sich im ersten Schritt ein Carbokation. Ein tertiäres Carbokation, wie jenes, das aus tert-Butylbromid entstehen würde, ist besonders stabil, da es durch die benachbarten Alkylgruppen stabilisiert wird. Diese Stabilität fördert die Reaktion über den SN1-Mechanismus.
• Sterische Hinderung: Der SN2-Mechanismus erfordert einen direkten Angriff des Nucleophils auf das Kohlenstoffatom, welches die Abgangsgruppe trägt. In tertiären Alkylhalogeniden, wie tert-Butylbromid, ist der zentrale Kohlenstoff jedoch stark durch die benachbarten Methylgruppen abgeschirmt, wodurch der Zugang für das Nucleophil stark behindert wird. Dies macht den SN2-Mechanismus weniger wahrscheinlich.
• Lösungsmittelwahl: Polare, protische Lösungsmittel, die den SN1-Mechanismus fördern, stabilisieren das Carbokation und die Abgangsgruppe (Bromid). Solche Lösungsmittel sind besonders effektiv für tertiäre Substrate wie tert-Butylbromid.

Zusammenfassung: Aufgrund der Stabilität des entstehenden tertiären Carbokations und der sterischen Hinderung, die einen nucleophilen Angriff erschwert, ist der SN1-Mechanismus für die nucleophile Substitution von tert-Butylbromid deutlich geeigneter als der SN2-Mechanismus.

d)

Betrachte die folgende Reaktion:

     R-Br + Nu⁻ → R-Nu + Br⁻

Lösung:

Geschwindigkeitsgesetze

Für die gegebene Reaktion

R-Br + Nu⁻ → R-Nu + Br⁻

• SN1-Mechanismus:Das Geschwindigkeitsgesetz für eine SN1-Reaktion lautet:v = k[Substrat]Hierbei hängt die Reaktionsgeschwindigkeit nur von der Konzentration des Substrats (R-Br) ab, da der geschwindigkeitsbestimmende Schritt die Bildung des Carbokations ist.
• SN2-Mechanismus:Das Geschwindigkeitsgesetz für eine SN2-Reaktion lautet:v = k[Substrat][Nucleophil]Hierbei hängt die Reaktionsgeschwindigkeit sowohl von der Konzentration des Substrats (R-Br) als auch von der Konzentration des Nucleophils (Nu⁻) ab, da beide Reaktanten im Übergangszustand beteiligt sind.

Experimentelle Unterscheidung der Mechanismen

Um experimentell zu bestimmen, welcher Mechanismus (SN1 oder SN2) bei der Reaktion abläuft, können verschiedene Ansätze verwendet werden:

• Reaktionsgeschwindigkeit bei variierter Nucleophilkonzentration:Ändere die Konzentration des Nucleophils (Nu⁻) und beobachte, wie sich die Reaktionsgeschwindigkeit verändert. Wenn eine Erhöhung der Nucleophilkonzentration die Reaktionsgeschwindigkeit nicht beeinflusst, deutet dies auf einen SN1-Mechanismus hin. Wenn die Reaktionsgeschwindigkeit proportional zur Nucleophilkonzentration zunimmt, deutet dies auf einen SN2-Mechanismus hin.
• Einfluss der sterischen Hinderung:Untersuche die Reaktion bei verschiedenen Substraten mit unterschiedlichen sterischen Hinderungen. Sterisch gehinderte Substrate (z.B. tertiäre Alkylhalogenide) neigen dazu, den SN1-Mechanismus zu bevorzugen, während weniger sterisch gehinderte Substrate (z.B. primäre Alkylhalogenide) den SN2-Mechanismus bevorzugen.
• Solventeffekte:Verwende verschiedene Lösungsmittel und beobachte die Reaktionsgeschwindigkeit. Polare, protische Lösungsmittel fördern den SN1-Mechanismus, indem sie das Carbokation stabilisieren. Polare, aprotische Lösungsmittel begünstigen den SN2-Mechanismus, da sie weniger Wechselwirkungen mit dem Nucleophil eingehen und so die Reaktivität des Nucleophils erhöhen.
• Stereochemische Untersuchung:Analysiere die Stereochemie des Produkts. Eine SN2-Reaktion führt zu einer Inversion der Konfiguration am Kohlenstoffatom (Walden-Inversion), während eine SN1-Reaktion zu einem racemischen Gemisch führen kann, wenn das Carbokation planar und frei drehbar ist.

Aufgabe 3)

Hybridisierung und Molekülgeometrie: Hybridisierung ist die Vermischung von Atomorbitalen zu neuen Hybridorbitalen. Molekülgeometrie beschreibt die räumliche Anordnung der Atome in einem Molekül.

• sp-Hybridisierung: Lineare Geometrie, Winkel von 180°, z.B. H-C≡C-H
• sp²-Hybridisierung: Trigonal-planare Geometrie, Winkel von 120°, z.B. CH₂=CH₂
• sp³-Hybridisierung: Tetraedrische Geometrie, Winkel von 109.5°, z.B. CH₄
• VSEPR-Modell: Vorhersage der Molekülgeometrie basierend auf der Abstoßung von Elektronenpaaren

a)

Beschreibe die Hybridisierung und Molekülgeometrie für das Molekül \text{BCl₃}. Gehe dabei auf die Winkel zwischen den Bindungen und die räumliche Anordnung der Atome ein.

Lösung:

Hybridisierung und Molekülgeometrie von BCl₃:

Um die Hybridisierung und die Molekülgeometrie des Bortrichlorids (BCl₃) zu beschreiben, gehen wir Schritt für Schritt vor:

• Bestimmung der Hybridisierung: Das Bor-Atom in BCl₃ hat drei Valenzelektronen, die jeweils eine σ-Bindung mit einem Chlor-Atom eingehen. Da es insgesamt drei σ-Bindungen gibt, benötigt Bor drei Hybridorbitale zur Bildung dieser Bindungen. Diese werden durch die sp²-Hybridisierung erreicht. Daher ist die Hybridisierung des Bor-Atoms in BCl₃ sp².
• Geometrie des Moleküls: Da das Bor-Atom sp²-hybridisiert ist, arrangieren sich die drei sp²-Hybridorbitale in einer trigonal-planaren Geometrie. Das bedeutet, die drei Chlor-Atome liegen in einer Ebene um das Bor-Atom herum.
• Bindungswinkel: In einer trigonal-planaren Geometrie sind die Bindungswinkel zwischen den Atomen idealerweise 120°. Daher haben die Bindungen im BCl₃ Molekül ebenfalls einen Winkel von 120° zueinander.

Zusammenfassend hat das BCl₃ Molekül eine sp²-Hybridisierung, eine trigonal-planare Geometrie und die Bindungswinkel zwischen den Chlor-Atomen und dem Bor-Atom betragen 120°.

b)

Erläutere, warum das Molekül \text{NH₃} trotz sp³-Hybridisierung eine Winkel von etwa 107° aufweist, anstatt den idealen tetraedrischen Winkel von 109.5°.

Lösung:

Hybridisierung und Molekülgeometrie von NH₃:

Um zu verstehen, warum das Ammoniakmolekül (NH₃) einen Bindungswinkel von etwa 107° aufweist, obwohl eine sp³-Hybridisierung vorliegt, müssen wir die Struktur und die Elektronenpaar-Geometrie näher betrachten:

• sp³-Hybridisierung: Das Stickstoff-Atom in NH₃ hat fünf Valenzelektronen. Drei dieser Elektronenpaare bilden σ-Bindungen mit den Wasserstoff-Atomen, während das vierte Elektronenpaar ein nichtbindendes (freies) Elektronenpaar bleibt. Die vier Elektronenpaare (drei bindende und ein nichtbindendes) arrangieren sich in einer tetraedrischen Geometrie, um den Abstoßungen gemäß dem VSEPR-Modell (Valence Shell Electron Pair Repulsion) zu minimieren. Daher erwartet man für sp³-hybridisierte Atome im Allgemeinen einen idealen tetraedrischen Winkel von 109.5°.
• Einfluss des freien Elektronenpaars: Nichtbindende Elektronenpaare sind räumlich ausgedehnter als bindende Elektronenpaare, da sie nur vom Zentralatom angezogen werden und keine weiteren Kerne in der unmittelbaren Umgebung haben, mit denen sie eine Bindung eingehen. Diese größere Raumforderung führt zu stärkeren Abstoßungen gegenüber den bindenden Elektronenpaaren.
• Geometrie des NH₃ Moleküls: Aufgrund der stärkeren Abstoßung des freien Elektronenpaars werden die bindenden Elektronenpaare weiter zusammengedrückt. Dies führt zu einem etwas kleineren Bindungswinkel als der ideale tetraedrische Winkel von 109.5°. In NH₃ beträgt der Winkel zwischen den H-N-H-Bindungen ungefähr 107°.

Zusammengefasst: Das Molekül NH₃ hat eine sp³-Hybridisierung, aber aufgrund der stärkeren Abstoßung des freien Elektronenpaars wird der Bindungswinkel von den idealen 109.5° auf etwa 107° verringert.

c)

Berechne den Winkel zwischen den Bindungen im Molekül \text{C₂H₂}. Begründe Deine Antwort unter Verwendung des Konzepts der Hybridisierung.

Lösung:

Hybridisierung und Molekülgeometrie von C₂H₂:

Um den Winkel zwischen den Bindungen im Molekül Ethin (C₂H₂) zu berechnen, betrachten wir die Hybridisierung der beteiligten Atome:

• Bestimmung der Hybridisierung: Jedes Kohlenstoffatom in Ethin hat zwei Valenzelektronen, die an zwei σ-Bindungen beteiligt sind: eine σ-Bindung zu einem Wasserstoffatom und eine σ-Bindung zum anderen Kohlenstoffatom. Zusätzlich hat jedes Kohlenstoffatom zwei unhybridisierte p-Orbitale, die zwei π-Bindungen zu dem anderen Kohlenstoffatom bilden (insgesamt eine Dreifachbindung zwischen den beiden Kohlenstoffatomen).
• sp-Hybridisierung: Da jedes Kohlenstoffatom zwei Hybridorbitale benötigt (eine für die σ-Bindung mit dem Wasserstoffatom und eine für die σ-Bindung mit dem anderen Kohlenstoffatom), findet eine sp-Hybridisierung statt. Bei der sp-Hybridisierung werden ein s-Orbital und ein p-Orbital gemischt, wodurch zwei sp-Hybridorbitale entstehen. Die verbleibenden zwei p-Orbitale bleiben unhybridisiert und bilden die π-Bindungen.
• Geometrie des Moleküls: Die beiden sp-Hybridorbitale eines jeden Kohlenstoffatoms richten sich linear aus, um die Abstoßungen zu minimieren. Daher haben wir eine lineare Geometrie für das C₂H₂ Molekül.
• Bindungswinkel: In einer linearen Geometrie beträgt der Winkel zwischen den Bindungen idealerweise 180°. Da Ethin (C₂H₂) eine lineare Geometrie aufweist, haben die Bindungen in diesem Molekül einen Winkel von 180° zueinander.

Zusammenfassend hat das C₂H₂-Molekül eine sp-Hybridisierung mit einer linearen Geometrie und die Bindungswinkel zwischen den Atomen betragen 180°.

d)

Für das Molekül \text{CH₄} (Methan) ist die tetraedrische Geometrie stabil. Berechne den theoretischen optimalen Winkel zwischen zwei Wasserstoffatomen im Methanmolekül mithilfe der VSEPR-Theorie.

Lösung:

Molekülgeometrie von CH₄ (Methan):

Um den theoretischen optimalen Winkel zwischen zwei Wasserstoffatomen im Methanmolekül (CH₄) zu berechnen, verwenden wir die VSEPR-Theorie (Valence Shell Electron Pair Repulsion-Theorie) und das Konzept der Hybridisierung.

• sp³-Hybridisierung: Das Kohlenstoffatom in Methan hat vier Valenzelektronen, die jeweils eine σ-Bindung mit einem Wasserstoffatom eingehen. Hierbei wird eine sp³-Hybridisierung realisiert, bei der ein s-Orbital und drei p-Orbitale von Kohlenstoff zu vier sp³-Hybridorbitalen kombiniert werden. Diese vier sp³-Hybridorbitale sind gleichwertig und richten sich räumlich so aus, dass die Abstoßung zwischen ihnen minimiert wird.
• Tetraedrische Geometrie: Die vier sp³-Hybridorbitale ordnen sich in einer tetraedrischen Geometrie an, um die Abstoßung der Elektronenpaare zu minimieren. In dieser tetraedrischen Geometrie befinden sich die vier Wasserstoffatome an den Ecken eines Tetraeders mit dem Kohlenstoffatom im Zentrum.
• Optimale Bindungswinkel: In der tetraedrischen Geometrie beträgt der ideale Bindungswinkel zwischen den Bindungen 109.5°. Dieser Winkel ergibt sich durch gleichmäßige Verteilung der vier Bindungen um den Kohlenstoffatom herum und ist der Winkel, der die Abstoßung der Elektronenpaare am besten minimiert.

Daher beträgt der theoretische optimale Winkel zwischen zwei Wasserstoffatomen im Methanmolekül 109.5°.

Aufgabe 4)

Aromatische Kohlenwasserstoffe sind organische Verbindungen, die auf Benzol basieren (C₆H₆), einem planaren, zyklischen Molekül mit konjugierten Doppelbindungen und einem delokalisierten π-System. Benzol ist durch Aromatizität sehr stabil, was durch die Hückel-Regel beschrieben wird: Aromaten haben (4n+2) π-Elektronen. Zu den wichtigsten Derivaten zählen Toluol (Methylbenzol), Anilin (Phenylamin) und Phenol (Hydroxybenzol). Typische Reaktionen von Benzol und seinen Derivaten sind die elektrophile aromatische Substitution (EAS), darunter Nitrierung, Halogenierung und die Friedel-Crafts-Reaktion. Benzol ist eine farblose Flüssigkeit mit charakteristischem Geruch und ist gesundheitsschädlich und krebserregend.

a)

1. (a) Beschreibe die Struktur von Benzol und erkläre die Aromatizität mit Bezug auf die Hückel-Regel. Berechne die Anzahl der π-Elektronen in Benzol und erkläre, warum Benzol besonders stabil ist.

(b) Toluol ist ein Derivat von Benzol, bei dem ein Wasserstoffatom durch eine Methylgruppe ersetzt wurde. Zeichne die Strukturformel von Toluol. Beschreibe, wie diese Substitution die chemischen Eigenschaften im Vergleich zu Benzol beeinflusst und benenne eine wichtige Reaktionsart, die bei Toluol auftreten kann.

Lösung:

Diese Aufgabe hat zwei Teile, in denen es um die Struktur und Aromatizität von Benzol und seine Derivate geht.

1. (a) Struktur und Aromatizität von Benzol:

• Benzol (C₆H₆) hat eine hexagonal-planare Struktur, bei der jedes Kohlenstoffatom sp²-hybridisiert ist.
• Die sechs sp²-hybridisierten Kohlenstoffatome sind in einem Ring angeordnet, wobei jedes Kohlenstoffatom an ein Wasserstoffatom gebunden ist.
• Die p-Orbitale der Kohlenstoffatome überlappen, wodurch ein delokalisiertes π-System entsteht, das über den gesamten Ring verteilt ist.
• Benzol besitzt 6 π-Elektronen, die gemäß der Hückel-Regel für Aromatizität (4n+2 π-Elektronen) Stabilität verleihen, wobei n=1 ist.
• Die Delokalisierung dieser π-Elektronen trägt zur besonderen Stabilität und Aromatizität von Benzol bei.

(b) Struktur und Eigenschaften von Toluol:

• Toluol ist ein Derivat von Benzol, bei dem ein Wasserstoffatom durch eine Methylgruppe (–CH₃) ersetzt wurde.
• Die Strukturformel von Toluol sieht folgendermaßen aus:
• Durch die Methylsubstitution wird Toluol weniger stabil als Benzol, da die Methylgruppe eine +I-Effekt ausübt und die Elektronendichte im aromatischen Ring erhöht.
• Eine wichtige Reaktionsart, die bei Toluol auftreten kann, ist die elektrophile aromatische Substitution (EAS), insbesondere die Nitrierung, durch die Toluol zu Trinitrotoluol (TNT) umgewandelt werden kann.