3 Gesättigte Kohlenwasserstoffe

3.1 Lineare und verzweigte Alkane

3 Gesättigte Kohlenwasserstoffe

Homologe Reihe der geradkettigen Alkane

H C H H H

H C C H H

H H H

H C C H H

C H H

H H H

H C C H H

C H H

C H H

H H H

C

H₃ CH₃

4

C

H₃ CH₃

10

Methan Ethan Propan n-Butan

CH₄ C₂H₆ C₃H₈ C₄H₁₀

n-Pentan n-Hexan n-Dodecan

C₅H₁₂ C₆H₁₄ C₁₂H₂₆

3 Gesättigte Kohlenwasserstoffe

Gesättigte, offenkettige Verbindungen: C_nH_2n+2

Siedepunkt steigt mit Kettenlänge um 20-30^oC pro CH₂-Gruppe an (Ethan, Propan, Butan: Gase; Pentan-Heptadecan: Flüssigkeiten; ab Octadecan: Feststoffe

Bezeichnung von Alkylresten

H H

H

H *

H H

H H₃C

*

H H H

H H H

* H H

H H H

C

H₃ CH₂

*

C H₃

10 H

H H

* C

H₃

10

H H

10 *

=

Meth an Meth yl

=

Ethan Ethyl

=

an yl

Dodec

Dodec

3 Gesättigte Kohlenwasserstoffe

IUPAC Regeln

IUPAC Regeln

Benennung verzweigter Alkane

C

H₃ CH₃

CH₃

C

H₃ CH₃

CH₃ CH₃

CH₃ C

H₃

C

H₃ CH₃

CH₃ C

H₃

CH₃

CH₃ C

H₃

CH₃ C

H₃

1 3 2

4

5 1

3 2 5 4

2-Methylpentan 2,3-Dimethylpentan

1 3 2

5 4 6

2,2-Dimethylhexan

1 3 2

5 4 6 7

1 2

3

4 5

6 7 8

4-Ethylheptan

5-Ethyl-3-methyloctan

3 Gesättigte Kohlenwasserstoffe

Benennung verzweigter Alkylreste

H

H H

H H

H

H H *

H

H H

H H

H H

*

H H

H H

H H H

* *

* * *

=

=

1-Propyl

1-Methylethyl (Isopropyl)

1

3 2 4

5 1

3-Methylbutyl

2 4 3

6

2-Propylhexyl

5

2 1

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: C_nH_2n

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

C H₃

CH₃ (a)

(e) H₃C H

H H

CH₃ (e) CH₃ (a)

H cis-1.4

CH₃

C H₃

H

CH₃ (e) (e) H₃C

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

O H

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

H H

O

CH₃ OH

Progesteron

A B

C D

O

CH₃ H

CH₃OH

H H

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 H ₃ C Cl Cl

Cl Cl

Cl Cl C

H ₃ H ₃ C H ₃ C C H ₃ Cl H ₃ C 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

H Cl

H

HH H

H

Cl H

HH

H H H H

H H

H H

H H H H

C H

HH

H H H H

H C H

HH

H H H

H H

H H

Cl H H H

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