Organische Chemie

Kohlenwasserstoffe

Die organische Chemie befasst sich mit Stoffen, die ein Grundgerüst aus Kohlenstoff besitzen – allerdings zählen nicht alle kohlenstoffhaltigen Verbindungen zu den organischen Stoffen: Kohlenstoffoxide (CO, CO₂), Graphit und Cyanide gehören zur anorganischen Chemie. Kohlenstoff bildet Einfachbindungen (σ-Bindungen, stabil), aber auch Doppel- und Dreifachbindungen (zusätzlich π-Bindungen, reaktiver, da eine höhere Elektronendichte auf kleinem Raum vorherrscht). Je nach Bindungsverhältnissen ist Kohlenstoff sp³-hybridisiert (tetraedrisch, 109,5°, z. B. Methan), sp²-hybridisiert (planar, 120°, z. B. Ethen) oder sp-hybridisiert (linear, 180°, z. B. Ethin). Kohlenstoffatome werden je nach Anzahl der direkt gebundenen weiteren C-Atome als primär (1), sekundär (2), tertiär (3) oder quartär (4) bezeichnet. Da sich die Elektronegativitäten von Kohlenstoff und Wasserstoff kaum unterscheiden, ist die C-H-Bindung nahezu unpolar – reine Kohlenwasserstoffe wie Alkane sind daher unpolar und chemisch wenig reaktiv.

Bei der vollständigen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen wie Methan entstehen Kohlenstoffdioxid und Wasser (CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O); bei unvollständiger Verbrennung (Sauerstoffmangel) entstehen stattdessen elementarer Kohlenstoff (Ruß) oder Kohlenstoffmonoxid. Beide Reaktionen sind exotherm, wobei die vollständige Verbrennung deutlich mehr Energie freisetzt. Gesättigte Verbindungen (nur Einfachbindungen, z. B. Alkane) sind besonders stabil; ungesättigte Verbindungen (mit Doppel- oder Dreifachbindungen, z. B. Alkene und Alkine) sind aufgrund ihrer höheren Elektronendichte reaktionsfreudiger und additionsfähig.

Alkane (allgemeine Formel C_nH_2n+2) besitzen ausschließlich Einfachbindungen, sind unpolar, wasserunlöslich und wenig reaktiv – ideal als Schmierstoffe oder Energieträger. Sie bilden eine homologe Reihe, bei der sich jedes Glied vom vorherigen durch eine zusätzliche CH2-Gruppe unterscheidet (Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan, Octan …). Der Siedepunkt steigt mit der Kettenlänge, da größere Moleküle mehr Elektronen und eine größere Oberfläche besitzen, wodurch die intermolekularen Van-der-Waals-Kräfte (temporäre Dipole) stärker werden und mehr Energie zur Trennung der Moleküle nötig ist – kurze Alkane wie Propan sind daher gasförmig, längere wie Pentan bereits flüssig. Ab Butan treten Konstitutionsisomere auf: Moleküle mit gleicher Summenformel, aber unterschiedlicher Struktur (z. B. n-Butan, Siedepunkt −0,5 °C, gegenüber dem verzweigten Isobutan, Siedepunkt −12 °C – Verzweigung senkt tendenziell den Siedepunkt, da die Moleküloberfläche für Van-der-Waals-Kontakte kleiner wird).

Cycloalkane (C_nH_2n) entstehen, wenn sich eine Alkankette zu einem Ring schließt (kleinstmöglicher Ring: Cyclopropan, da kürzere Ketten nicht zyklisieren können). Kleine Ringe wie Cyclopropan oder Cyclobutan sind wegen Ringspannung reaktiver, größere wie Cyclohexan spannungsfrei und stabiler. Alkene (C_nH_2n) besitzen mindestens eine Doppelbindung, sind sp²-hybridisiert (planar, 120°) und reagieren u. a. durch Hydrierung (Addition von H₂ → Alkan), Halogenierung (Addition von Halogenen → Dihalogenverbindung) und Hydratisierung (Addition von Wasser → Alkohol); durch die eingeschränkte Rotation um die Doppelbindung zeigen sie cis-trans- (E/Z-)Isomerie. Alkine (C_nH_2n−2) besitzen mindestens eine Dreifachbindung, sind sp-hybridisiert (linear, 180°) und noch reaktionsfreudiger als Alkene – das einfachste Alkin ist Ethin (Acetylen), ein gängiges Brenngas.

Zwei Begriffe helfen, die Reaktivität organischer Verbindungen zu verstehen: Nukleophile sind Teilchen mit hoher Elektronendichte (z. B. mit freien Elektronenpaaren), die elektronenarme Zentren angreifen; Elektrophile sind umgekehrt positiv geladene oder elektronenarme Teilchen. Die leicht zugänglichen π-Elektronen von Doppel- und Dreifachbindungen machen Alkene und Alkine besonders anfällig für elektrophile Additionsreaktionen: Ein Elektrophil wird an die Mehrfachbindung addiert, die sich dabei zur Einfachbindung (bzw. zur weniger stark ungesättigten Bindung) auflöst.

Aromaten besitzen ein ringförmiges, konjugiertes System delokalisierter π-Elektronen, das sie – trotz formal vorhandener Doppelbindungen – besonders reaktionsträge und stabil macht (Erfüllung der Hückel-Regel: (4n+2) π-Elektronen, z. B. 6 π-Elektronen bei Benzol). Der bekannteste Vertreter ist Benzol (C₆H₆); weitere Beispiele sind Toluol und Anilin. Aromatische Ringe finden sich auch in wichtigen Biomolekülen (z. B. den Aminosäuren Phenylalanin und Tyrosin oder den Nukleinbasen Adenin und Guanin). Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs, z. B. Naphthalin, Anthracen) entstehen v. a. bei unvollständigen Verbrennungsprozessen (Tabakrauch, Autoabgase, gegrilltes Fleisch) und gelten als krebserregend, da sie im Körper zu DNA-schädigenden Metaboliten umgewandelt werden können.