Bau und Reaktionsverhalten der Carbonylgruppe

Bau und Reaktionsverhalten der Carbonylgruppe Übung

• Nenne Vorkommen von Carbonyl-Verbindungen.

  Tipps

  Methanol ist der einfachste Alkohol.

  Diethylether nennt man gewöhnlich einfach „Ether“.

  Amine wie Ethylamin enthalten keinen Sauerstoff.

  Thiole wie diese kurzkettige Verbindung enthalten keinen Sauerstoff.

  Lösung

  Die Carbonylgruppe ist die funktionelle Gruppe von Aldehyden und Ketonen. Sie besteht aus einem Kohlenstoffatom, an das ein Sauerstoffatom doppelt gebunden ist. Die Carbonylgruppe spielt in der Biochemie eine große Rolle:

  • Sie ist vorhanden in Vitaminen und Hormonen.
  • Sie ist molekularer Bestandteil von Zuckern.
  • Sie spielt eine wichtige Rolle beim Zuckerstoffwechsel.

  Auch Ether und Alkohole besitzen Sauerstoffatome in ihren funktionellen Gruppen, allerdings sind diese nicht doppelt gebunden:

  • Ether besitzen eine Sauerstoff-Brücke -O-.
  • Alkohole haben eine Hydroxy-Gruppe -OH.

  Thiole und Amine enthalten überhaupt keinen Sauerstoff.

• Erkläre die Ladungen in der Carbonylgruppe.

  Tipps

  Die Ungleichverteilung der Außenelektronen (Valenzelektronen) hat mit den Elektronegativitäten an den beiden verschiedenen Atomen der Carbonylgruppe zu tun.

  Ein weiterer Grund für die Ladungen ist der Einfluss einer Grenzstruktur der Carbonylgruppe.

  Lösung

  In der Carbonylgruppe herrscht eine Ungleichverteilung der Außenelektronen (Valenzelektronen) vor. Es bilden sich sogenannte Partialladungen. Diese sind nicht ganzzahlig. Die Ladung am Sauerstoff-Atom ist negativ, die Ladung am Kohlenstoff-Atom positiv. Für diese Tatsache lassen sich zwei Gründe benennen:

  • Die Elektronegativität von Sauerstoff ist 3,5. Kohlenstoff hat eine Elektronegativität von 2,5. Das Sauerstoff-Atom zieht gemeinsame Elektronen stärker an als das Kohlenstoff-Atom.
  • Für die Carbonylgruppe lässt sich eine bestimmte mesomere Grenzstruktur formulieren. In dieser Darstellung besitzt das Sauerstoff-Atom eine Ladung von minus eins und das Kohlenstoff-Atom eine Ladung von plus eins.

  Beide Faktoren führen dazu, dass das Sauerstoff-Atom über eine negative Partialladung verfügt, das Kohlenstoff-Atom hingegen über eine positive Partialladung. Die Gesamtladung der Carbonylgruppe ist null.

• Entscheide, ob folgende Verbindungen Carbonyl-Verbindungen sind.

  Tipps

  Die Gruppe C=O ist in Carbonyl-Verbindungen ohne weitere funktionelle Gruppen enthalten.

  Im Kohlenstoffdioxid-Molekül ist ein weiteres Sauerstoff-Atom mit dem CO verbunden.

  In Carbonsäuren ist ein weiteres Sauerstoff-Atom mit der Carbonylgruppe verbunden.

  Lösung

  Die Entscheidung fällt nicht schwer. Man spricht von Carbonyl-Verbindungen nur dann, wenn die entsprechenden Moleküle nur Carbonyl-Gruppen und keine weiteren Atome (meist Sauerstoff-Atome) am Carbonyl enthalten. Die Stoffklassen, die durch die Carbonylgruppe als funktionelle Gruppe gekennzeichnet sind, sind daher nur die Aldehyde und Ketone. Folgende Verbindungen gehören damit nicht zu den Carbonyl-Verbindungen:

  • Carbonsäuren wie Essigsäure,
  • Kohlenstoffdioxid,
  • Carbonate und Kohlensäure.

• Erläutere die Polarisierbarkeit der Carbonylgruppe.

  Tipps

  Polarisierbarkeit beinhaltet die Fähigkeit der Carbonylgruppe, durch äußere Einwirkung eine höhere Polarisierung der Partialladungen zu erreichen.

  Die ${\pi}$-Elektronen und die ${\sigma}$-Elektronen haben einen völlig verschiedenen Einfluss auf die Polarisierbarkeit der Carbonylgruppe.

  ${\pi}$-Elektronen sind stark delokalisierbar.

  Die Delokalisierung von Elektronen erleichtert die Polarisierbarkeit eines Teilchens.

  Lösung

  Moleküle bewegen sich bei Temperaturerhöhung schneller. Druckerhöhung führt in der Regel zu einer Erhöhung der Dichte. Beide Tatsachen stehen jedoch in keinem Zusammenhang mit der Polarisierbarkeit. In einem elektrischen Feld werden die Partialladungen der Carbonylgruppe voneinander entfernt. Es kommt zur Polarisierung. Die Carbonyl-Bindung besitzt eine Doppelbindung. Eine Bindung der Doppelbindung ist eine ${\sigma}$-Bindung. Die andere Bindung ist eine ${\pi}$-Bindung. Bei der ${\sigma}$-Bindung ist die Überlappung der Elektronen groß. Die Delokalisierung der Elektronen ist gering. Ihr Beitrag zur Polarisierbarkeit der Carbonylgruppe ist klein. Bei der ${\pi}$-Bindung dagegen ist die Überlappung der Elektronen gering. Es gibt eine starke Delokalisierung der Elektronen. Das führt zu einer starken Erhöhung der Polarisierbarkeit der Carbonylgruppe.

• Bestimme die Anzahl der Elektronen (Valenzelektronen) der Carbonylgruppe.

  Tipps

  Ein Bindungsstrich symbolisiert ein Elektronenpaar.

  Elektronen zwischen Atomen sind bindende Elektronen.

  Elektronen, die nur zu einem Atom gehören, sind nichtbindende Elektronen.

  Erinnere dich, über wie viel Elektronen ein Kohlenstoff-Atom oder ein Sauerstoff-Atom im Molekül verfügt.

  Lösung

  Die Summe der bindenden und der nichtbindenden Elektronen am Sauerstoff-Atom oder am Kohlenstoff-Atom ist jeweils acht entsprechend der Oktettregel. Ein Bindungsstrich bedeutet dabei jeweils ein Elektronenpaar. Um die Elektronenanzahl der Atome zu bestimmen, muss Folgendes beachtet werden:

  • Bindungselektronen befinden sich zwischen den Atomen.
  • Nichtbindende Elektronen befinden sich immer nur an einem Atom.
  • Ein Kohlenstoff-Atom besitzt vier Außenelektronen.
  • Das Kohlenstoff-Atom geht vier Bindungen ein, um acht genutzte Elektronen zu erhalten.
  • Das Sauerstoff-Atom nutzt nur zwei Elektronen für Bindungen. Es hat vier nichtbindende Elektronen.
  • Ein Paar an Elektronen sind immer zwei Elektronen.

• Unterscheide zwischen nucleophilen und elektrophilen Teilchen.

  Tipps

  Ein nucleophiles Teilchen weist immer einen Überschuss an Elektronen auf.

  Ein elektrophiles Teilchen weist immer einen Mangel an Elektronen auf.

  Ein Teilchen ohne Aktivität weist weder einen Überschuss noch einen Mangel an Elektronen auf.

  Lösung

  Carbonylverbindungen reagieren mit Verbindungen. Durch die Polarität der Carbonylgruppe entsteht an dem Sauerstoffatom ein elektrophiles Zentrum und an dem Kohlenstoffatom ein nucleophiles Zentrum. Die Carbonylgruppe kann also sowohl von Elektrophilen als auch von Nucleophilen angegriffen werden.

  • Nucleophile haben entweder eine negative Ladung (Hydroxid, Wasser) oder nichtbindende Elektronen (Ammoniak, Wasser).
  • Elektrophile sind positiv geladene Ionen (Kationen) wie das Proton ${H^+}$, das Natrium-Ion ${Na^+}$ und andere Ionen (${NO^+}$, ${NO_2}^+$).
  • Teilchen ohne Aktivität erkennt man daran, dass sie keine Ladung besitzen und über keine nichtbindenden Elektronenpaare verfügen. Beispiele sind die Atome des Heliums und Kupfers sowie Gold. Auch die Methan-Moleküle erfüllen diese Bedingung.