Die Additions- & Eliminierungsreaktion sind chemische Reaktionen der Kohlenwasserstoffe. Die Additionsreaktion wird hier am Beispiel der elektrophilen Additionsreaktion gezeigt, was elektronenliebende Hinzufügereaktion bedeutet, wenn man es wörtlich übersetzt. Die Eliminierungsreaktion ist die Rück- oder Umkehrreaktion der Additionsreaktion, hier wird also etwas aus einem Molekül entfernt.

Inhalt

Die elektrophile Additionsreaktion

Die elektrophile Additionsreaktion ist eine Reaktion von ungesättigten Kohlenwasserstoffen, d. h. von Kohlenwasserstoffen, die Mehrfachbindungen, also Doppelbindung und Dreifachbindungen besitzen. Kohlenwasserstoffe mit mindestens einer Doppelbindung bezeichnet man als Alkene und Kohlenwasserstoffe mit mindestens einer Dreifachbindung bezeichnet man als Alkine.

Allgemeine Formel der Additionsreaktion

Die Additionsreaktion folgt der allgemeinen Formel:

(1) A \ \ \ + \ \ \ B \ \ \rightarrow \ \ \ C

Wobei eines der Edukte (entweder A oder B) ein Alken oder Alkin sein muss. Das Produkt C wird aus den beiden Stoffen A & B zusammen gesetzt.

Nehmen wir als Beispiel die elektrophile Additionsreaktion von Brom ans Ethen.

(2) Br_{2} \ \ \ + \ \ \ C_{2}H_{4} \ \ \ \rightarrow \ \ \ C_{2}H_{4}Br_{2}

Als Summenformel kann man kaum erkennen, das etwas passiert ist. Das Pluszeichen zwischen dem Br2 und dem C2H4 ist verschwunden und das Br2 wurde einfach hinten an das C2H4 gehangen. Das war’s. In der Lewis-Schreibformel sieht das ganze dann so aus:

elektrophile Additionsreaktion von Brom und Ethen

Abb. 1: Reaktionsgleichung der elektrophilen Additionsreaktion von Ethen mit Brom. Das reaktionsprodukt ist 1,2-Dibromethan.

Woran erkennt man eine Additionsreaktion

Eine elektrophile Additionsreaktion erkennt man an den folgenden Punkten:

  • sie folgt dem Schema A \ \ \ + \ \ \ B \ \ \rightarrow \ \ \ C, daher
  • wird aus 2 Edukten ein Produkt.
  • Eines der Edukte muss eine Mehrfachbindung tragen (also ein Alken oder Alkin sein).
  • Im Produkt muss dann die Doppelbindung zur Einfachbindung; die Dreifachbindung zur Doppelbindung geworden sein.

Der Reaktionsmechanismus

Die Reaktion verläuft in mehreren Schritten. Zunächst muss sich das Brom dem Ethen nähern. Dabei bildet sich ein π-Komplex.

Der π-Komplex

In diesem π-Komplex wird das Brom durch die elektrische Abstossung zwischen den negativ geladenen Elektronen der Doppelbindung und den freien Elektronenpaaren des Broms polarisiert. Innerhalb des Brom Moleküls entstehen Partialladungen (δ+ & δ–; Teiladungen).

Elektrophile-Addition-Komplex

Abb. 2: Darstellung des π-Komplexes bei der elektrophilen Additionsreaktion und seine Auswirkung (Polarisierung des Broms -> elektrophiler Angriff)

Abbildung 2 zeigt den π-Komplex. Die linke Darstellung ist die gebräuchliche Darstellung des π-Komplexes, wo gegen in der rechten Darstellung die Elektronen mit eingezeichnet sind und die Wechselwirkungen, die sich aus der Interaktion der Elektronen ergeben.

Bindungselektronen sind Elektronen (Strich in der Lewis-Schreibweise von einem Element zum nächsten), die sich zwischen zwei Elementen befinden und so die kovalente Bindung bilden. Freie Elektronenpaare (Strich, der sich nur neben einem Element befindet) hingegen sind nur einem Element zugeordnet und haben keinen Anteil an der chemischen Bindung.

Wie in der Abb. 2 zu sehen werden die freien Elektronenpaare, die in der Lewis-Schreibweise um die Bromatome herum angeordnet sind von den Elektronen in der Doppelbindung abgestoßen. Angedeutet durch die hellblauen Pfeile. Dadurch wird das zum Ethen zugewandte Ende des Broms leicht positiv geladen (weniger negative Ladung von den Elektronen – δ+). Durch diese entstandene positive Ladung kann jetzt ein elektrophiler (elektronenliebender) Angriff auf die Doppelbindung erfolgen. In der Abb. 2 angedeutet durch den unter dem Brom liegenden roten Pfeil. Dieser Angriff ist auch der Namensgeber für die Reaktion.

Übergangszustand

Elektrophile-Addition-Uebergangszustand

Abb. 3: Entstehung des Übergangszustands bestehend aus einem Carbeniumion und einem Bromidion aus dem π-Komplex

Durch den elektrophilen Angriff klappt nun (angedeutet durch die hellblauen Pfeile) eine Bindung aus der Doppelbindung heraus aufs Brom und ein freies Elektronenpaar des Broms als Bindung auf das frei werdende Kohlenstoff. Dadurch wird die Bindung zwischen den beiden Bromatomen auf gelöst und es entsteht ein Carbenium- und ein Bromidion.

Mesomere Grenzformeln des Carbeniumions

Der Übergangszustand ist mesomerie-stabilisiert, d. h. dass das Carbeniumion in verschiedenen mesomeren Gerenzformeln vorkommt.

Elektrophile Addition: Mesomerie des Uebergangszustands

Abb. 4: Darstellung der mesomeren Grenzformeln des Carbeniumions

Wie in Abbildung 4 zu sehen kann das Carbeniumion verschiedene Grenzformeln annehmen, je nachdem ob die linke Bindung oder die rechte Bindung aufs Brom klappt (angedeutet durch die kleinen Pfeile; blau links, rot rechts). Dadurch verlagert sich die Ladung vom Brom (Struktur in der Mitte) entweder aufs linke oder aufs rechte Kohlenstoffatom. Alle diese Strukturen sind Teil des Carbeniumions und stellen die Möglichkeiten dar, wie die Ladung innerhalb des Carbeniumions verteilt werden kann. Die beiden Kohlenstoff- und das Bromatom tragen jeweils dann nur ein Teil der positiven Ladung. Man spricht dann davon, dass die Ladung delokalisiert ist, also keinem bestimmten Ort zugeordnet werden kann.

Mesomere Grenzformel sorgen deshalb dafür, dass dieser ungünstige Zustand, eine Ladung zu besitzen, auf mehrere Atome verteilt wird und somit wird der Zustand stabiler. Es ist so als ob eine Last auf mehrere Schultern verteilt wird. So wird es für jeden der Träger leichter. Wir werden dann im Energiediagramm sehen, dass durch diese Mesomeriestabilisierung des Übergangszustands sich das Energieniveau des Überganszustandes absenkt. Aus den äußeren grenzformeln lässt sich auch leicht erkennen, wo das zweite Brom hin geht.

Rückseitiger Angriff des Bromidions

Im Video ist es etwas vereinfacht dargestellt, dass das Bromidion an den ladungstragenden Kohlenstoffatomen angreift. In diesem Beispiel findet eigentlich ein Rückseitigerangriff des Bromidions statt. Das bedeutet, ausgehend von der mittleren Grenzformel, wird die „Vorderseite“ durch das Brom blockiert. Daher kommt das Bromidion nur von hinten an die Kohlenstoffatome ran, also von der Rückseite.

Elektrophile-Addition-Rueckseitigerangriff-Bromidion

Abb. 5: Rückseitiger Angriff des Bromidions. (Die Keile stellen die Bindungen dar, die aus der Bildebene heraus ragen. Vor die Bildebene, ausgefüllt; hinter die Bildebene, gestreift.)

Bei anderen Additionsreaktionen wie zum Beispiel beim Chlor und beim Flur, entsteht auf Grund der starken Elektronegativität kein Carbeniumion, das doppelt gebunden ist. In diesem Fall sieht das Carbeniumion nur wie die rechte oder linke Grenzformel aus. Je nachdem was in der elektrophile Additionsreaktion addiert wird, kann es sogar zu einem Angriff auf der Vorderseite kommen (Beispiel: Hydroborierung). Wenn man es hier ganz genau wissen will, muss man sich eben die entsprechende Literatur heraussuchen, das ist was ich damit sagen will.

Nach dem rückseitigen Angriff des Bromidions erhalten wir unser Produkt, das 1,2-Dibromethan.

Überblick über den Reaktionsmechanismus

Hier jetzt nochmal der Reaktionsmechanismus im Überblick.

Elektrophile-Addition-Reaktionsmechanismus

Abb. 6: Reaktionsmechanismus der elektrophilen Additionsreaktion am Beispiel von Ethen und Brom

Die Eliminierungsreaktion

Wie bereits am Anfang gesagt handelt es sich bei der Eliminierungsreaktion um die Rück- oder Umkehrreaktion der Additionsreaktion. In Abbildung 7 dargestellt durch den roten Reaktiospfeil, der einfach umgedreht wurde im Vergleich zur elektrophilen Additionsreaktion.

Eliminierungsreaktion

Abb. 7: Die Eliminierungsreaktion am Beispiel der Eliminierung von Brom aus 1,2-Dibromethan.

In der unteren Reaktion ist gezeigt, zum einen, welche Atome eliminiert werden (roter Kasten) und zum anderen die Klapprichtung der beiden Bindungen (hellblaue Pfeile).

Allgemeine Formel der Eliminierungsreaktion

Die Eliminierungsreaktion folgt der allgemeinen Formel:

(3) A \ \ \ \rightarrow \ \ \ B \ \ \ + \ \ \ C

Wobei eines der Edukte (A) in der Regel ein Alkan ist (kann aber auch ein Alken sein). Eines der Produkte (B oder C) muss nach der Reaktion eine Mehrfachbindung tragen.

Woran erkennt man eine Eliminierungsreaktion

Eine Eliminierungsreaktion erkennt man an den folgenden Punkten:

  • sie folgt dem Schema A \ \ \ \rightarrow \ \ \ B \ \ \ + \ \ \ C, daher
  • wird aus einem Edukt 2 Produkte.
  • Eines der Produkte muss eine Mehrfachbindung tragen (also ein Alken oder Alkin sein).
  • Im Produkt muss dann die Einfachbindung zur Doppelbindung; die Doppelbindung zur Dreifachbindung geworden sein.

Video zur Additions- & Eliminierungsreaktion

In diesem Video geht es um den Reaktionsmechanismus der Additions- und Eliminierungsreaktion. Hier wird gezeigt, wie der elektrophile Angriff funktioniert so wie der mesomeriestabilisierte Übergangszustand. Im Anschluss wird die Eliminierungsreaktion gezeigt, was die Rückreaktion der elektrophilen Additionsreaktion ist.
Abgerundet wird das Video mit verschiedenen Beispielen für die Additions- und Eliminierungsreaktion.

Die Lösung für die im Video gestellten Übungsaufgaben findet ihr hier. Versucht es aber erst mal selbst.

Übungsaufgaben aus dem Video:

Additionsreaktion

  1. Salzsäure und 1-Chlorethen
  2. Chlor und 1-Chlorethen
  3. Brom und 3-Chlorbut-1-en

Frohes Üben.

Gruß Naso

 

 

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