3.1 Lineare und verzweigte Alkane

3 Gesättigte Kohlenwasserstoffe

Homologe Reihe der geradkettigen Alkane

HC

H

H H

HC

C

H H

H

H HH

CC

H H

C

H H

H

H H

HC

C

H H

C

H H

C

H H

H

H H

CH3

CH3

4

CH3

CH3

10

Methan Ethan Propan n-Butan

CH4 C2H6C3H8 C4H10

n-Pentan n-Hexan n-Dodecan

C5H12 C6H14 C12H26

3 Gesättigte Kohlenwasserstoffe

Gesättigte, offenkettige Verbindungen: CnH2n+2

Siedepunkt steigt mit Kettenlänge um 20-30oC pro CH2-Gruppe an (Ethan, Propan,

Butan: Gase; Pentan-Heptadecan: Flüssigkeiten; ab Octadecan: Feststoffe

Bezeichnung von Alkylresten

H

H

H

H *

H

H

H CH3

*

H

H

H

HH

H

*

H

H

HH

H

CH3

CH2

*

CH3

10 H

HH

*

CH3

10

HH

*10

=

Meth an Meth yl

=

Ethan Eth yl

=

anyl

DodecDodec

3 Gesättigte Kohlenwasserstoffe

IUPAC Regeln

IUPAC Regeln

Benennung verzweigter Alkane

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3 CH

3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

1

23

4

5 1

234

5

2-Methyl pentan 2,3-Dimethylpentan

12

34

56

2,2-Dimethylhexan

12

34

56

7

1

2

3

45

67

8

4-Ethylheptan5-Ethyl-3-methyloctan

3 Gesättigte Kohlenwasserstoffe

Benennung verzweigter Alkylreste

H

H

H

H

H

H

HH *

H

H

H

H

H

H

H

*

H

H

H

H

H

HH

**

**

*

=

=

1-Propyl

1-Methylethyl(Isopropyl)

1

234

5 1

3-Methyl butyl

2

346

2-Propyl hexyl

5

12

3

4

1-Ethyl pentyl

3 Gesättigte Kohlenwasserstoffe

Spontane Polarisation von unpolaren Teilchen (induzierte Dipole) = Anziehung von aliphatischen Ketten!

9

3.1.3 Struktur und physikalische Eigenschaften der linearen Alkane

3 Gesättigte Kohlenwasserstoffe

Struktur-Eigenschafts-Beziehungen:

physikalische Eigenschaften in Abhängigkeit

von der Kettenlänge bzw. Molekulargewicht

Intermolekulare van-der-Waals-Wechsel-

wirkungen (2 kJ/ mol/ CH2-Gruppe)

126 °C

Sdp. 106 °C Verzweigte Alkane

Zickzack-Anordnung

Gesättigte Kohlenstoffketten: Ethan

Newman-Projektion

vom Ende betrachten Keil/Strich-Schreibweise zur räumlichen

Klarstellung

Newman Projektion

hinteres C-Atom

vorderes C-Atom

Gesättigte Kohlenstoffketten: Ethan

Newman-Projektion

Sägebock-Schreibweise

ekliptisch gestaffelt

3 Gesättigte Kohlenwasserstoffe

Ethan

3.1.4 Dynamische Struktur der linearen Alkane: Konformationen

Energieprofil (potentielle Energie) der Rotamere des Ethans:

Drehung um die C-C-Einfachbindung

3 Gesättigte Kohlenwasserstoffe

Reaktionskoordinate

Aktivierungsenergie

pot. Energie

Die chemische Reaktivität hängt von Konformationen ab

Übergangszustand

Energieprofil der Drehung um die C2-C3-Bindung bei n-Butan

3 Gesättigte Kohlenwasserstoffe

Konformationen des n-Butans (Kalottenmodell)

synklinal = gauche antiperiplanar = gestaffelt

n-Butan

3 Gesättigte Kohlenwasserstoffe

Cyclopropan Cyclobutan Cyclopentan Cyclohexan

Cycloheptan Cyclooctan Cyclodecan

C3H6 C4H8 C5H10 C6H12

C7H14 C8H16 C10H20

Namen und Formel von Monocyclische Alkane: CnH2n

3.4 Cycloalkane

Geometrische und elektronische Struktur des Cyclopropans

3.4 Cycloalkane

Ringspannung: DH° = 115 kJ/mol / 38 kJ/mol pro CH2-Gruppe)

3.4.1 Ringspannung und Struktur der Cycloalkane

Schwächere C-C-Bindungen:

DH° = 272 kJ/mol

Strukturen von Cyclobutan (C4H8), Cyclopentan (C5H10)

3.4 Cycloalkane

Ringspannung: DH° = 110 kJ/mol / 28 kJ/mol/CH2-Gruppe)

Ringspannung: DH° = 27 kJ/mol / 5.4 kJ/mol/CH2-Gruppe)

Struktur von Cyclohexan (C6H12)

3.4 Cycloalkane

Ringspannung: DH° = 0.4 kJ/mol / 0 kJ/mol/CH2-Gruppe)

Cyclohexan ist spannungsfrei!

axial (ax)

equatorial (eq)

Bei Ringinversion werden Substituenten in equatorialer bzw. axialer Stellung ausgetauscht

3.4.2 Cyclohexan, ein spannungsfreies Cycloalkan

3.4 Cycloalkane

cis- und trans-1,4-Dimethylcyclohexan

CH3

CH3

CH3 (a)

H(e) H3C

H H

CH3 (e)

CH3 (a)

H

cis-1.4

CH3

CH3

H

CH3 (e)(e) H

3C

H CH3 (a)

H

CH3 (a)

H

trans-1.4

3.4 Cycloalkane

DG° = 14.2 kJ/mol

DG° = 0 kJ/mol

3.4 Cycloalkane

Carbocyclische Naturstoffe

OH

CH3

H

CH3

H

CH3

H

CH3

CH3

H

Cholesterin

A B

C D

O

CH3

H

CH3

H

O

H

O

OHOH

Cortison

A B

C D

O

CH3

H

CH3

HH

OCH

3

OH

Progesteron

A B

C D

O

CH3

H

CH3

OH

HH

Testosteron

A B

C D

3.4 Cycloalkane

Reaktionen von Alkanen:

Reaktionen mit Sauerstoff(Verbrennung) und mit Halogenen(radikalische

Chlorierung, Fluorierung usw.)

Einschub: was ist eigentlich Benzin?

3 Gesättigte Kohlenwasserstoffe

• Name hat nichts mit Carl Benz zu tun, sondern kommt über Umwege vom Benzoeharz

• Ein komplexes Gemisch aus Kohlenwasser- stoffen (typ. 4-12 C Atome)

• Genaue Zusammensetzung variiert je nach Anwendung

E10

MTBE

Isooctan

GC-MS Analyse

3.3.1 Chlorierung von Methan (Radikalische Substitution – Kettenmechanismus)

Cl Cl Cl Cl

C H 3

H Cl C H 3

C H 3

Cl Cl C H 3

Cl Cl

Cl Cl Cl Cl

C H 3

C H 3

C H 3 C H 3

Cl C H 3 Cl C H 3

CH 4 + Cl-Cl

Licht

oder Wärme

CH 3 -Cl + HCl

+

+ + HCl

+ +

+

+

+

Kettenstart

Kettenfortpflanzung

Kettenabbruch

Licht

oder Wärme DH° = -104.5 kJ/mol

242.4 kJ/mol

438.9 kJ/mol

430.5 kJ/mol

355.3 kJ/mol

3 Gesättigte Kohlenwasserstoffe

Energiediagramm des zeitlichen Verlaufs der Methanchlorierung (Kinetik)

3.3 Reaktionen der Alkane

3.3.3 Struktur und Stabilisierung von Alkylradikalen: Hyperkonjugation

3.3 Reaktionen der Alkane

R3C -Radikale streben eine ebene Anordnung an

R3C -Radikale werden durch Hyperkonjugation stabilisiert (ca. 10-11 kJ/mol/CH3-Gruppe)

Cl H

H

HCl

H

HH

H

H

Cl

H

HH

H H

HH

H

H

HH

H H

HH

C

H

HH

H H

HH

H C

H

HH

H

HH

H

H

HH

Cl H

HH

Chlormethan Chlorethan

1-Chlorpropan 2-Chlorpropan

primär

sekundär

3.3.4 Chlorierung höherer Alkane: Regioisomerie bei Chloralkanen

3.3 Reaktionen der Alkane

Produktverhältnis 43 : 57