Funktionalisierte Aromaten und ihr Reaktionsverhalten 07:45 min

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Transkript Funktionalisierte Aromaten und ihr Reaktionsverhalten

Reaktionsverhalten funktionalisierter Aromaten

Hallo! Hast du dich schon mal gefragt, wie Kopfschmerztabletten hergestellt werden?

Um solche Wirkstoffe herstellen zu können, ist es wichtig die Chemie zu verstehen, die dahinter steckt. Bei Kopfschmerztabletten ist der Wirkstoff oft Acetylsalicylsäure, kurz ASS. Dies ist eine Verbindung mit einem aromatischen Ring. Um die Chemie solcher Verbindungen zu verstehen, zeige ich dir erst was ein aromatischer Ring ist. Dann lernst du verschiedene funktionelle Gruppen kennen und wie diese das Reaktionverhalten des Rings beeinflussen, wenn sie am Ring gebunden sind.

Zunächst also zum Benzol: Benzol ist ein aromatischer Kohlenwasserstoff, in dem sich 6 pi-Elektronen befinden. Diese werden in der Formel durch die Doppelbindungen dargestellt. Die pi-Elektronen verteilen sich allerdings in Wirklichkeit frei über den gesamten Ring, sie sind also delokalisiert. Deshalb lassen sich zwei mesomere Strukturen formulieren. An diesem Ring können nun die Wasserstoffatome gegen funktionelle Gruppen ausgetauscht werden. Der Ring wird also funktionalisiert.

Häufig vorkommende funktionelle Gruppen sind die Hydroxygruppe, die Carboxygruppe, die Cyanogruppe, die Aminogruppe, die Nitrogruppe und die Methylgruppe. Solche Gruppen üben nun unterschiedliche Effekte auf den Ring aus. Einige ziehen Elektronen aus dem System, sie üben also einen negativen induktiven Effekt aus. Dieser wird mit minus-I-Effekt abgekürzt. Dazu gehören die Hydroxy-, die Carboxy, die Cyano, die Amino und die Nitrogruppe. Andere Gruppen, wie die Methylgruppe, schieben Elektronen in das System und üben so einen positiven induktiven Effekt aus. Dieser wird mit plus-I-Effekt abgekürzt.

Daneben wirkt auch der mesomere Effekt auf den Ring. Nimmt der Substituent teil an der Mesomerie des Rings, kann er entweder die Elektronendichte im Ring erhöhen, wie die Amino, die Methyl und die Hydroxygruppe, dann spricht man vom plus-M-Effekt, oder sie verringern, wie die Carboxy-, die Cyano- und die Nitrogruppe, dann spricht man vom minus-M-Effekt.

Ist nun also eine funktionelle Gruppe bereits am Ring, beeinflussen diese Effekte der Gruppe die weitere Substitution am Ring. Um die Position der zweiten Gruppe zur ersten zu benennen, werden diese mit griechischen Vorsilben betitelt. Die Position genau gegenüber des Substituenten wird para genannt, die Position direkt neben dem Substituenten ortho und die Position dazwischen heißt meta.

Ein Beispiel: Beim ortho-Nitrotuluol beispielsweise substituiert die Methylgruppe genau in Nachbarstellung zur Nitrogruppe. Um zu verstehen, wie die Effekte der funktionellen Gruppe wirken, betrachten wir als erstes Beispiel Nitrobenzol, also eine Verbindung mit einer Nitrogruppe am Ring: Sie hat einen elektronenziehenden Effekt und zieht somit Elektronen aus dem System. Dies wird ermöglicht durch die Sauerstoffatome am Stickstoff, die elektronenziehend wirken und in der Lage sind Doppelbindungen auszubilden. Es können sich also mesomere Grenzformeln im Substituenten ausbilden unter Einbeziehung des Benzolrings. Dies soll anhand folgender Strukturformeln gezeigt werden.

Hier siehst du, dass die Nitrogruppe Elektronen aus dem aromatischen System zieht und dadurch positive Ladungen in ortho-Stellung sowie in para-Stellung entstehen.

Dies erklärt warum ein weiterer Substituent, der elektrophil an diese Struktur angreift nicht in ortho-/oder para-Stellung dirigiert werden würde. Da er elektrophil ist, bevorzugt er den Angriff an der Stelle mit der höchsten Elektronendichte: hier ist das die meta-Position. Die Nitrogruppe dirigiert einen Zweitsubstituenten, der elektrophil angreift, also in die meta-Position.

Als zweites erkläre ich dir den plus-M-Effekt am Beispiel von Anilin. Bei Anilin handelt es sich um einen Benzolring, der mit einer Aminogruppe verbunden ist. Die Aminogruppe besitzt ein freies Elektronenpaar am Stickstoff und kann durch die Ausbildung mesomerer Grenzstrukturen Elektronen in das System schieben. Da hier Wasserstoffatome am Stickstoff gebunden sind, ist also auch kein elektronenziehender Substituent vorhanden.

Die Elektronen können also nur in den Ring geschoben werden. Aufgrund der hohen Elektronendichte die nun im Ring vorherrscht, kommt es zur Ausbildung negativer Ladungen innerhalb des Rings. Diese befinden sich in ortho-/ und para-Stellung. Wenn nun ein zweiter Substituent elektrophil angreift, werden die Positionen mit der höchsten Elektronendichte bevorzugt. Dies sind in diesem Fall die ortho-Positionen und die para-Position.

Du siehst also, wie verschiedene Substituenten und funktionelle Gruppen Einfluss auf das Reaktionsverhalten von Molekülen nehmen können und wie man diese beschreiben kann. Zu den meta-dirigierenden Gruppen gehören: die Nitrogruppe, die Cyanogruppe und die Carboxygruppe. Ortho und para-dirigierend sind die Methyl-, die Amino und die Hydroxygruppe.

Nun weißt du also, dass funktionelle Gruppen die Elektronenverteilung am aromatischen Ring beeinflussen können. Schiebt eine Gruppe die Elektronen in den Ring, dann greift ein zweiter Substituent in ortho oder para-Position an. Wenn die Gruppe die Elektronen aus dem Ring zieht, dann greift der zweite Substituent in meta-Position an. Auch bei der Synthese von Kopfschmerztabletten müssen solche Effekte berücksichtigt werden. Eine Vorstufe von ASS ist die Salicylsäure, also eine Verbindung, in der Carboxy und Hydroxygruppe in ortho-Position sein müssen. Es ist also immer wichtig die Chemie zu verstehen, die dahinter steckt.

Tschüß!

2 Kommentare
  1. Default

    Gut!

    Von Richa J., vor 6 Monaten
  2. Default

    Das Video hat mir super geholfen Aromaten besser zu verstehen. Danke! :)

    Von Strawberrey, vor etwa 4 Jahren

Funktionalisierte Aromaten und ihr Reaktionsverhalten Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Funktionalisierte Aromaten und ihr Reaktionsverhalten kannst du es wiederholen und üben.

  • Bestimme, welche der folgenden funktionellen Gruppen meta-dirigierend und welche ortho- oder para-dirigierend sind.

    Tipps

    Der Angriff einer funktionellen Gruppe am Aromaten erfolgt immer elektrophil, also an den Positionen mit höchster Elektronendichte.

    Ziehen Gruppen Elektronen aus dem System, entstehen positive Ladungen in ortho- und para-Position.

    Lösung

    Die Funktionalisierung des Benzolrings erfolgt durch eine elektrophile Substitution. Es wird also ein Wasserstoffatom des Ringes gegen eine funktionelle Gruppe ausgetauscht. Der Angriff der funktionellen Gruppe ist dabei elektrophil, also „Elektronen liebend“.

    Ist nun bereits eine funktionelle Gruppe am Ring substituiert, verändert diese die Elektronendichte im Ring. Einige Gruppen ziehen Elektronen aus dem Ring, wodurch positive Ladungen in ortho- und para-Postion entstehen. In diesem Fall greift ein elektrophiler Substituent in meta-Position an. Zu diesen meta-dirigierenden Gruppen gehören:

    • die Carboxygruppe,
    • die Nitrogruppe und
    • die Cyanogruppe.
    Einige Gruppen schieben allerdings auch Elektronen ins System. In diesem Fall entsteht eine größere Elektronendichte in ortho- und para-Position des Rings, wodurch diese dann bevorzugt durch elektrophile Gruppen angegriffen werden. Zu den ortho- bzw. para-dirigierenden Gruppen gehören:
    • die Hydroxygruppe,
    • die Methylgruppe und
    • die Aminogruppe.

  • Benenne die folgenden funktionellen Gruppen richtig.

    Tipps

    Überlege dir, welche Stoffklassen du schon kennst und welche funktionellen Gruppen diese besitzen.

    Alkohole besitzen eine Hydroxygruppe, Carbonsäuren eine Carboxygruppe.

    Lösung

    Um sich in der organischen Chemie gut zurechtzufinden, ist es wichtig, die funktionellen Gruppen mit Namen und Formel zu kennen. Einige funktionelle Gruppen kennst du ja vielleicht schon. Die Hydroxygruppe ist die funktionelle Gruppe der Alkohole, die Carboxygruppe kennst du von den Carbonsäuren und die Aminogruppe von den Aminen oder den Aminosäuren. Den Namen der Methylgruppe kannst du dir leicht merken, weil sie vom Namen „Methan“ abgeleitet ist. Die Cyanogruppe hat ihren Namen von ihrer anorganischen Verbindung HCN, die du möglicherweise unter Blausäure kennst. Die Farbbezeichnung „cyan“ für die türkisblaue Farbe kennst du ja auch vielleicht und so kannst du dir den Namen gut merken. Oft findest du bei organischen Verbindungen aber auch „Nitrilgruppe“ anstelle von Cyanogruppe. Zuletzt noch die Nitrogruppe: Die Funktionalisierung erfolgt oft durch Umsetzung mit Salpetersäure. Die Salze der Salpetersäure sind Nitrate und damit hast du wieder eine gute Verbindung zwischen Namen und Formel.

  • Erkläre, warum eine Nitrogruppe einen zweiten Substituenten in meta-Position dirigiert.

    Tipps

    Die Nitrogruppe ist elektronenziehend.

    Ein zweiter elektrophil angreifender Substituent wird immer an der Position mit größter Elektronendichte angreifen.

    Lösung

    Durch die beiden Sauerstoffatome am Stickstoff ist die Nitrogruppe eine Elektronen ziehenende Gruppe. Sie zieht also Elektronen aus dem System. Die Nitrogruppe ist außerdem in der Lage, unter Einbeziehung des Rings mesomere Grenzstrukturen auszubilden. Dadurch bilden sich positive Ladungen in ortho- oder para-Position. Hier ist also die Elektronendichte besonders gering. Greift nun ein zweiter elektrophiler Substituent an, wird er die Position mit größter Elektronendichte bevorzugen, also die meta-Position.

  • Erkläre, welche funktionelle Gruppe bei der Synthese von ortho-Nitrotoluol zuerst am Ring substituiert sein muss.

    Tipps

    Wenn sich beide Substituenten zueinander in ortho-Position am Ring befinden, dann bedeutet das, der erste Substituent muss ortho-dirigieren.

    Lösung

    Da beide funktionelle Gruppen zueinander in ortho-Position am Aromaten substituiert sind, muss als Erstes eine Gruppe subsituiert sein, die die zweite dann in ortho-Position dirigiert.

    Die Nitrogruppe ist eine elektronenziehende Gruppe und somit würde sie die Elektronendichte in der ortho-Position verringern. Die Methylgruppe dagegen schiebt Elektronen ins System und erhöht die Elektronendichte in ortho-Position. Da ein elektrophiler Substituent eine elektronenreiche Position bevorzugt, muss also erst die Methylgruppe substituieren.

  • Benenne folgende substituierte Aromaten.

    Tipps

    Folgende Abkürzungen stehen für:

    • o: ortho,
    • p: para,
    • m: meta.

    Phenole sind Aromaten mit Hydroxygruppe, Nitrile mit Cyanogruppe.

    Überlege dir, welche griechische Vorsilbe für welche Position steht.

    Lösung

    Um organische Verbinungen richtig zu benennen, ist es wichtig, den Namen der funktionellen Gruppen zu kennen, die griechische Vorsilbe, die die Position der Gruppen zueinander beschreibt, und gebräuchliche Namen funktionalisierter organischer Verbindungen.

    So ist der gebräuchliche Name eines Benzolrings mit Carboxygruppe nicht Benzolcarbonsäure, sondern Benzoesäure. Ein Benzolring mit Hydroxygruppe heißt Phenol, mit Cyanogruppe Benzonitril und mit Methylgruppe Toluol. Nun kannst du die griechische Silbe davor setzen – ortho als Position genau neben dem ersten Substituenten, dann meta und gegenüber liegt die para-Position – und den Namen der funktionellen Gruppe, die als zweites substituiert ist.

    Bei den hier abgebildeten Strukturen handelt sich also um:

    • ortho-Nitrotoluol,
    • para-Aminophenol,
    • meta-Brombenzonitril und
    • para-Nitrophenol.

  • Beschreibe die Reaktionsschritte bei der Synthese von Salicylsäure.

    Tipps

    Überlege dir, welche Substituenten du bei der Salicylsäure am Ring substituiert hast und welche Verbindung die Ausgangsverbindung ist.

    Lösung

    Bei der Salicylsäure sind Hydroxygruppe und Carboxygruppe in ortho-Stellung am Benzol substituiert. Bei der Synthese muss daher von der Verbindung ausgegangen werden, die eine funktionelle Gruppe besitzt, die die zweite funktionelle Gruppe ortho dirigiert. Es muss also von der Verbindung ausgegangen werden, die eine Hydroxygruppe enthält, also vom Phenol.

    Die Hydroxygruppe dirigiert dann die Carboxygruppe in ortho-Position. Zur Carboxylierung wird oft Kohlendioxid verwendet, wobei erst im basischen Milieu gearbeitet wird, sodass die Natriumsalze entstehen. Im Anschluss wird das Natriumsalz der Salicylsäure mit Schwefelsäure protoniert, sodass die gewünschte Salicylsäure vorliegt.