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Nucleophile Addition 13:14 min

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Transkript Nucleophile Addition

Guten Tag und herzlich willkommen! Dieses Video heisst "Nucleophile Addition". An Vorkenntinissen solltest du die Grundlagen der organischen Chemie beherrschen, die Lewis-Schreibweise ist dir vertraut. Im Video möchte ich das Wesen der Nucleophilen Addition an zwei Beispielen erklären. Der Film besteht aus fünf Abschnitten. 1. Nucleophile

2.Angriff an Mehrfachbindungen

3.Cyanhydrinsynthese

4.Michael-Addition

5.Zusammenfassung

Erstens:Nucleophile. Bei chemischen Reaktionen ist es sinnvoll, die Reaktanten, je nach vorhandener Ladung negativ oder positiv zu unterscheiden. Wird der Reaktant durch negative Ladung wirksam, sprechen wir von einem Nucleophil. Bei der Wirkung einer positiven Ladung, nennen wir den Reaktanten, Elektophil. In den Reaktionsgleichungen verwendet man Symbole. Häufig für Elektrophil ein E+. Ein Nucleophil wird durch ein Nu Symbolisiert. Jedes Nucleophil besitzt ein freies Elektronenpaar. Ein Nucleophil muss nicht unbedingt negativ geladen sein. Die elektrische Ladung eines Nucleophils kann durchaus Null sein. Ich möchte nun einige anionische Nucleophile vorstellen. Dieses Anion, kurz Hydroxid oder Hydroxidion genannt. Dieses Anion heisst Alkoholat oder Alkoholation. In diesem Ion stehen für X=F, Cl, Br, oder I, die Halogene. Man nennt es Halogenid oder Halogenidion. Und schließlich dieses Anion. Man nennt es Cyanid, oder Cyanidion. Neutrale Nucleophile tragen keine Ladung. Ein Vertreter sind die Amine. Auch Aklohole sind Nucleophile. Wasser ist ein neutrales Nucleophil. Und schließlich, Kohlenstoff-monoxyd.

Zweitens: Angriff an Mehrfachbindungen. Bei der Nucleophilen Addition werden Mehrfachbindungen angegriffen. Die wichtigsten sind die folgenden vier. Die Carbonylgruppe oder Ketogruppe. Vertreter davon sind die Ketone. Die Kohlenstoff-Kohlenstoff Doppelbindung, die Alkene. Die Kohlenstoff-Stickstoff Dreifachbindung. Das ist die Stoffklasse der Nitrile. Die Kohlenstoff-Kohlenstoff Dreifachbindung. Das ist die Stoffklasse der Alkine. Damit Alkene reagieren können, müssen sie durch geeignete Substituenten aktiviert werden. Und nun kommen wir zum ersten Beispiel.

Drittens: Cyanhydrinsynthese. Als wirksames Agenz wird dieses Anion verwendet. Es ist das Nucleophil und heisst Cyanidion. Es reagiert mit der C-O Doppelbindung. Durch die hohe Elektronegativität des Sauerstoffatoms, bildet sich am Kohlenstoffatom eine positive Partialladung heraus. Dadurch ist der Nucleophil Angriff des Cyanidions möglich. Die Reaktion soll mit einem Keton erfolgen. Als Kugel-Stab-Modell sieht das so aus. Das Cyanidion reagiert mit dem Keton. Hier befindet sich die positive Paartialladung des Ketons. Zunächst muss das Nucleophil entstehen. Es bildet sich aus Blausäure HCn. Blausäure dissoziiert, spaltet ein Wasserstoffatom ab und es entsteht das Cyanidion. Damit haben wir das Nucleophil. Das Nucleophil reagiert im nächsten Schritt mit dem Keton. Es handelt sich hier um Aceton. Aceton ist das einfachste Keton. Die Struktur des Ketons ist am Reaktionszentrum ist trigonal-planar. Alle hier gezeigten Atome liegen auf einer Ebene. Hier befindet sich die positive Partialladung, an der der Nucleophile Angriff stattfindet. Dieser Reaktionsschritt läuft langsam ab. Das Nucleophil verbindet sich mit dem Acetonmolekül zu einem neuen Teilchen. Dieses Intermediat ist ein Anion. Das Reaktionszentrum besitzt nun Tetraederstruktur. Das gebildete Anion reagiert nun weiter. Es erfolgt eine schnelle Reaktion, nämlich die Reaktion mit dem Eingangs gebildeten Wasserstoffion. Es entsteht das Reaktionsprodukt, Cyanydrin. Nun wollen wir den Mechanismus noch in Formelschreibweise aufschreiben. Im ersten Schritt findet die Dissoziation der Blausäure statt. Ein Wasserstoffion und ein Cyanidion entstehen. Das Cyanidion ist das Nucleophil. Im zweiten Schritt reagiert das Nucleophil mit dem Keton. Das Kohlenstoffatom mit positiver Partialladung wird attackiert und es entsteht dieses Teilchen. Es ist ein Anion. Am Reaktionszentrum hat es Tetraeder-Struktur. Im abschließenden Schritt reagiert das Anion mit dem Eingangs gebildetem Wasserstoffion und es entsteht das Reaktionsprodukt. Es heißt Cyanhydrin. Viertens: Michael-Addition. Die Michael-Addition ist eine der berühmtesten Reaktionen der organischen Chemie. Entdeckt hat sie Arthur Michael. Er war Amerikaner. Bemerkenswert ist, dass er aus gesundheitlichen Gründen keinen Hochschulabschluss erlangen konnte. Die Entdeckung der Reaktion fand um 1887 statt. Ein Carbanion reagiert als Nucleophil mit alpha, beta-ungesättigten Carbonylverbindungen. Eine klassische Karbanionen Quelle ist diese Verbindung. Malonsäure-diethylester. An dieser Stelle kann das Molekül Wasserstoffionen abspalten und zum Nucleophil werden. Die Verbindung nennt man auch Michael-Donor. Sie reagiert mit der alpha, beta-ungesättigten Carbonylverbindung. Für das Beispiel habe ich Cyclohexenon erwählt. Das ist ein Michael-Akzeptor. Als Katalysator wird das Ethylation, EthenO- gewählt. Lösungsmittel ist Alkohol. An das Cyclohexenon Molekül, findet die nucleophile Attacke, wie eingezeichnet statt. Es kommt zu einer Kohlenstoff-Kohlenstoff Verknüpfung. Zum Beginn der Reaktion, reagiert der Diethylmalonsäureester mit dem Katalysator. Das Wasserstoffion verlässt die aktive Stelle des Manonatmoleküls und wird an das Ethylation übertragen. Es entsteht ein Ethanolmolekül. Für die Reaktion wichtig, ist die Entstehung des Nucleophils, eines Carbanions. Das ist der erste Reaktionsschritt. Im zweiten Schritt reagiert das Carbanion mit der alpha, beta-ungesättigten Carbonylverbindung, mit dem Cyclohexenon. Der Angriff auf die bezeichnete Stelle findet statt, weil es hier um eine Lewis-Base und eine Lewis-Säure handelt. Sowohl Lewis-Base, als auch Lewis-Säure sind weich. Weiche Basen reagieren mit weichen Säuren. Durch den nuclephilen Angriff kommt es zu einer Elektronenverschiebung in dem Cyclohexenonmolekül. Durch die Kohlenstoff-Kohlenstoff Verknüpfung entsteht das Enolation. Nun kommt der dritte Schritt. Das Enolation reagiert  mit einem Wasserstoffion, welches aus dem Ethanolmolekül gebildet wird. Es bildet sich ein Enol. Damit ist der dritte Reaktionsschritt vollzogen. Nun kommt es zu einer Wanderung des Wasserstoffions, welches sich von der Hydroxilgruppe ablöst. Die Doppelbindung verschiebt sich, und es bildet sich eine Carbonylgruppe. Damit sind wir auch schon beim vierten, abschließenden Schritt, der Tautomerie. Tautomerie bezeichnet eine Wasserstoffionen-Wanderung. Im Ergebnis erhalten wir ein Keton.

Fünftens: Zusammenfassung. Ein Nucleophil verfügt über ein freies Elektronenpaar. Dadurch ist ein Angriff auf Stellen eines Moleküls mit Elektronenmangel möglich. Die nuclephile Addition erfolgt an Mehrfachbindungen. Alkene müssen durch geeignete Substituenten aktiviert werden. Danke für das Zuhören, bei diesem schwierigen Material, ich hoffe es hat euch was genutzt und ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss!

4 Kommentare
  1. Upps da war ich zu voreilig, am ende des videos steht es schon.

    Von Saramaggi, vor fast 5 Jahren
  2. Ich hab mir die cyanidhydrinsynthese im video nochmal angesehen, aber da steht z.b. Wenn sich das cyanid ion mit dem aceton verbindet nicht, welches produkt es erstellt, denn dies finde ich wichtig man kann sich zwar denken was entsteht es wäre aber doch lieber wenn es irgendwo gesagt wird sodass man die sicherheit hat das der eigene gedanke auch richtig war,
    Wäre es möglich das nochmal in der kommentar spalte hinzuschreiben?

    Von Saramaggi, vor fast 5 Jahren
  3. Hängt vom Studiengang ab und davon, was die Prüfer wollen. Wenn man sich interessiert, kann man nie genug kennen.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor fast 5 Jahren
  4. Gutes video! Aber sind die beispiele die dort genannt. Werden konstant? Oder muss man auch anderekennen?

    Von Saramaggi, vor fast 5 Jahren

Nucleophile Addition Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Nucleophile Addition kannst du es wiederholen und üben.

  • Entscheide, welche Reagenzien nucleophil sind.

    Tipps

    Beachte, dass der Kern eines Atoms positiv ist.

    Unterschiedliche Ladungen ziehen sich an.

    Lösung

    Nuceophile Reagenzien sind prinzipiell kernsuchend. Darüber hinaus suchen sie auch Elektronenlücken, um ihre negative Ladung zu kompensieren. Aufgrunddessen sind sie häufig negative Ionen oder Verbindungen mit freien, ungebundenen Elektronenpaaren. Auch die Doppelbindung stellt aufgrund ihrer Ladungsdichte ein Nucleophil dar. Aromaten, wie zum Beispiel das Benzol, sind aufgrund ihrer korrespondierenden Doppelbindungen auch ein Nucleophil. Die korrespondierenden Reagenzien zu den Nucleophilen sind die elektrophilen Reagenzien.

  • Beschreibe den Mechanismus der Cyanhydrinsynthese.

    Tipps

    Ungleiche Ladungen ziehen sich an.

    Nucleophil heißt, einen positiven Partner zu suchen.

    Lösung

    Die funktionellen Gruppen der Alkanale und der Alkanone sind Carbonylgruppen. Die Carbonylgruppe ist aufgrund der Elektronegativität der beteiligten Atome an der Doppelbindung zum Kohlenstoffatom partiell polar. Das heißt, es gibt eine Elektronenverschiebung auf der Bindungsachse. Sie bilden jeweils Dipole aus. Das so entstandene partiell positiv geladene C-Atom ist verantwortlich für die nucleophile Addition durch entsprechende Nucleophile. Im Beispiel ist das Nucleophil das Cyanidanion, das durch Dissoziation von Blausäure entsteht. Es greift am partiell positiv geladenen C-Atom der Ketogruppe an und spaltet die Doppelbindung auf. Es entsteht das Anion der Verbindung, das mit den Wasserstoff-Ionen reagiert. Das Endprodukt ist Cyanhydrin. Diese Reaktionen werden oft durch ein saures Medium begünstigt.

  • Bestimme die Reaktionsprodukte, die durch nucleophile Addition an Aldehyden entstehen.

    Tipps

    Ein Nucleophil sucht einen positiven Partner.

    Was entsteht, wenn die Carbonylgruppe vom Reaktionspartner angegriffen wird?

    Lösung

    Wenn Aldehyde nucleophil angegriffen werden, dann erfolgt der Angriff am Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe.

    Es gibt eine Reihe von Nucleophilen, die angreifen können. Das können zum einen Anionen sein, wie das Cyanidion der Blausäure, oder Moleküle, die ein Atom enthalten, an dem freie Elektronenpaare vorhanden sind. Hierzu gehören zum Beispiel Wasser, Ammoniak oder auch Alkohole. Im Video hast du schon gesehen, dass aus Cyanid und Aldehyd ein Cyanhydrin wird und dass aus Wasser (bzw. dem Hydroxid-Ion) und Aldehyd ein Diol entsteht. Aus Aldehyden und Alkoholen bilden sich Acetale, die vor allem in der Zuckerchemie eine große Rolle spielen. Und aus Ammoniak und Aldehyd wird ein Acetaldehydammoniak.

  • Erkläre das Prinzip der Michael-Addition.

    Tipps

    Nucleophilie heißt, einen positiven Partner suchen.

    Ein Donor oder Donator ist eine Verbindung, die einen Elektronenüberschuss hat.

    Ein Akzeptor ist eine Verbindung, die Elektronen aufnehmen kann.

    Lösung

    Die nucleophile Addition ist gebunden an nucleophile Reagenzien und an funktionelle Gruppen, die nucleophile Mechanismen ermöglichen. Bei der Michael-Addition wird katalytisch an einem Ester eine negative Partialladung initiiert. Es entsteht ein Carban-Ion, welches als Nucleophil agiert. Das Nucleophil greift eine Verbindung an, die einen Elektronenmangel (Akzeptor) aufweist und es entsteht eine neue $-C-C$-Bindung. Das Molekül, das als Akzeptor agiert, ist ein Alkanal oder ein Keton. Über Michael-Addition können so sehr lange Verknüpfungen von Molekülen erfolgen. Ausgangspunkt ist aber immer die Entstehung eines Nucleophils.

  • Beschreibe den prinzipiellen Reaktionsmechanismus für eine nucleophile Addition an einem Alkanon.

    Tipps

    Vergleiche die funktionellen Gruppen von Ketoverbindungen und Alkoholverbindungen.

    Die funktionelle Gruppe der Ketone ist polar.

    Lösung

    Die Ketone verfügen wie die Aldehyde über funktionelle Gruppen, die an der jeweiligen Doppelbindung zwischen dem C-Atom und dem Sauerstoff polarisiert sind. Aufgrund dieser Polarität erfolgt von einem Nucleophil ein sogenannter nucleophiler Angriff am C-Atom. Im Gegensatz zur nucleophilen Addition an Aldehyden wird an Ketonen die Doppelbindung aufgelöst. Es entsteht die alkoholische Hydroxylgruppe $(-OH)$ am C- Atom. Diese Hydroxylgruppe ist durch eine Einfachbindung zwischen C-Atom der funktionellen Gruppe und dem Sauerstoff der Hydroxylgruppe gekennzeichnet $(R_3-C-O-H)$. Die Bindung zwischen Sauerstoff und Wasserstoff in dieser Gruppe befähigt die Alkohole zu dissoziieren. Sie protonieren, indem sie Wasserstoff-Ionen abgeben.

  • Erkläre, an welchen Molekülen ein nucleophiler Angriff erfolgen kann.

    Tipps

    Dppelbindungen weisen Partialladungen auf.

    Ein Nuclephil sucht einen positiven Partner.

    Eine positive Partialladung reicht für einen negativen Angriff.

    Lösung

    Eine nucleophile Addition ist gebunden an nucleophile Reagenzien. Solche Reagenzien sind solche Stoffe oder Teilchen, die positive Partner suchen. Partialladungen an Doppelbindungen sind dafür geeignet, da sie polar sind. Diese Polarität hat ihre Ursache in der unterschiedlichen Elektronegativität der an der Doppelbindung beteiligten Atome. Durch nucleophile Reagenzien, d.h. nach positiven Partnern Suchende, werden z.B. die funktionellen Gruppen von Alkanalen (Aldehyden) und Ketonen Hydroxylgruppen der Alkanole. Es entstehen dabei Diole.