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Reaktionsmechanismen

In diesem Kapitel .

• erfahren Sie, was Reaktionsmechanismen sind und wozu man sie braucht
• schieben Sie fröhlich Elektronen hin und her
• erfahren Sie anhand der Regiochemie und der Stereochemie, dass »Verstehen« wirklich besser ist als »Auswendiglernen«
• haben Sie die Möglichkeit, sich Ihre eigene Lernhilfe zusammenzustellen

Reaktionsmechanismen stellen den Schlüssel zum Erfolg in diesem Kurs dar. Wenn Sie die Reaktionsmechanismen meistern, werden Sie hier gut abschneiden. Wenn Sie sich vor diesem Thema drücken wollen, werden Sie Probleme bekommen. Aber was sind eigentlich Reaktionsmechanismen - und warum sind sie so wichtig?

Wenn zwei Verbindungen miteinander zu neuen, gänzlich anders gearteten Produkten reagieren, versuchen wir zu verstehen, wie die Reaktion abläuft. Jede Reaktion ist mit einer Verschiebung der Elektronendichte verbunden - Elektronen bewegen sich, so dass Bindungen gebrochen oder neu geknüpft werden. Reaktionsmechanismen veranschaulichen dabei die Bewegung der Elektronen während einer Reaktion. Der Elektronenfluss wird dabei mit geschwungenen Pfeilen verdeutlicht; zum Beispiel so:

Diese Pfeile zeigen uns, wie die Reaktion abläuft: Sie verraten uns, woher die betreffenden Elektronen kommen und wohin sie wandern. Bei den meisten Reaktionen, denen Sie in diesem Semester begegnen werden, sind die Reaktionsmechanismen wohlbekannt (obwohl es einige Reaktionen gibt, deren Mechanismen selbst heute noch diskutiert werden). Einen Reaktionsmechanismus sollten Sie sich als »Buchhaltung von Elektronen« vorstellen: Ähnlich wie die Buchhaltung den Kapitalfluss einer Firma überwacht (Geld kommt herein, Geld geht hinaus), beschreibt ein Reaktionsmechanismus den Elektronenfluss während einer Reaktion.

Wenn Sie einen Reaktionsmechanismus verstanden haben, wird Ihnen klar, warum die Reaktion stattgefunden hat, warum sich die Chiralitätszentren genau so und nicht anders verändert haben, und so weiter. Wenn Sie einen Reaktionsmechanismus hingegen nicht verstehen, werden Sie vermutlich zumindest versucht sein, sich an jedes kleinste Detail jeder winzigen Teilreaktion zu erinnern. Falls Sie nicht gerade mit einem fotografischen Gedächtnis gesegnet sind, stellt das eine große Herausforderung dar. Und außerdem ist es nicht nur unnötig anstrengend, sondern bringt auch einfach nichts: Erst wenn Sie Reaktionsmechanismen verstehen, begreifen Sie auch den ganzen Sinn dieses Kurses. Und dann werden Sie auch in der Lage sein, alle Reaktionen im Kopf zu behalten und eigenständig zu organisieren.

Im ersten Teil Ihres Kurses werden Sie die wichtigsten Reaktionsmechanismen der ganzen OC kennenlernen. Zu diesem Zeitpunkt werden Sie sich dann entweder mit dem Konzept, Elektronen mit Hilfe von Pfeilen zu verschieben, und den Reaktionsmechanismen anfreunden . oder eben nicht. Wenn Sie sich nicht auf diese Denkweise einlassen, werden Sie auch mit allen folgenden Reaktionsmechanismen Ihre Probleme haben, und dann wird jeder weiterer Schritt auf der Reise durch die Organische Chemie zum Alptraum. Es ist daher absolut unerlässlich, die Reaktionsmechanismen dieser ersten, so besonders wichtigen Reaktionen, mit denen Sie es zu tun bekommen, wirklich zu begreifen. Dann haben Sie alle Werkzeuge beisammen, die Sie für jegliche weiteren Reaktionsmechanismen in Ihrem Kurs brauchen werden.

In diesem Kapitel werden wir jedoch nicht jeden einzelnen Reaktionsmechanismus betrachten, den Sie kennen müssen. Wir werden uns stattdessen eher allgemein auf die Werkzeuge konzentrieren, mit denen Sie einen Reaktionsmechanismus korrekt lesen und die wichtigen Informationen daraus ableiten können. Sie werden einige grundlegende Ideen hinter der Elektronen-Verschiebe-Technik kennenlernen, mit denen Sie die ersten Reaktionsmechanismen bewältigen können. In der zweiten Hälfte dieses Kapitels finden Sie dann eine Reihe von Reaktionsmechanismen, an denen Sie sich im Verlaufe des Kurses immer wieder orientieren können. Mit dieser sorgfältig geordneten Reihe (die Sie selbst mit der Zeit gewiss immer weiter verlängern werden) werden Ihnen die Schlüsselinformationen direkt in die Hand gelegt, also können Sie diese Liste wunderbar als Lernleitfaden für Ihre Prüfungen nutzen.

Geschwungene Pfeile

Ich hoffe, Sie haben schon ein wenig Erfahrung im Umgang mit geschwungenen Pfeilen gesammelt. Es gibt jedoch einen gewaltigen Unterschied zwischen den geschwungenen Pfeilen, die wir bei Resonanzstrukturen einsetzen, und denen, die wir zur Beschreibung von Reaktionsmechanismen brauchen: Bei den Resonanzstrukturen haben wir gesehen, dass sich die Elektronen in Wahrheit gar nicht bewegt haben. Wir haben uns nur vorgestellt, sie würden sich bewegen, damit wir alle Resonanzstrukturen zeichnen konnten. Im Gegensatz dazu zeigen die geschwungenen Pfeile in Reaktionsmechanismen eine echte Elektronenbewegung an: Elektronen bewegen sich, um Bindungen zu lösen und neu zu knüpfen (daher der Begriff chemische Reaktion). Warum ist dieser Unterschied so bedeutsam? Zunächst müssen wir uns darüber klar werden, was diese Pfeile eigentlich bedeuten, und dann können wir uns den Regeln des Elektronenverschiebens zuwenden.

Als wir lernten, Resonanzstrukturen zu zeichnen, sind wir zwei Geboten begegnet, die wir nicht verletzen durften: (1) Brich nie eine Einfachbindung auf! und (2) Geh bei Elementen der zweiten Periode nie über das Oktett hinaus! Wenn wir Reaktionsmechanismen aufstellen, versuchen wir nachzuvollziehen, wohin sich die Elektronen bewegen, um Bindungen zu lösen und neu einzugehen. Deswegen ist es hier völlig in Ordnung, Einfachbindungen zu brechen. Das geschieht sogar bei den meisten Reaktionen. Beim Zeichnen von Reaktionsmechanismen müssen wir also nur ein Gebot befolgen: Gehe bei Elementen der zweiten Periode nie über das Oktett hinaus! Da wir nun einige der Grundregeln geklärt haben, lassen Sie uns die Eigenschaften und Arten von geschwungenen Pfeilen noch einmal kurz wiederholen. Jeder geschwungene Pfeil besitzt einen Kopf und einen Schwanz. Dabei ist es wichtig, dass sich sowohl der Kopf als auch der Schwanz eines Pfeils in einer Zeichnung an genau den richtigen Stellen befinden. Der Schwanz zeigt an, woher die Elektronen kommen, der Kopf weist dorthin, wohin sich die Elektronen bewegen:

Daher müssen Sie nur auf zwei Dinge achten, wenn Sie einen solchen Pfeil zeichnen:

• Der Kopf muss an der richtigen Position sein.
• Der Schwanz muss an der richtigen Position sein.

Denken Sie dabei daran, dass sich Elektronen in Orbitalen aufhalten und dabei entweder Teil einer Bindung sind oder als freies Elektronenpaar vorliegen. Der Schwanz eines Pfeils kann also immer nur an einer existierenden Bindung oder einem freien Elektronenpaar platziert werden, während der Kopf immer nur so gesetzt werden darf, dass an der Stelle, auf die er weist, eine Bindung oder ein freies Elektronenpaar entsteht. Dadurch ergeben sich vier Möglichkeiten:

1. Freies Elektronenpaar Bindung
2. Bindung Freies Elektronenpaar
3. Bindung Bindung
4. Freies Elektronenpaar Freies Elektronenpaar

Die letzte Möglichkeit funktioniert jedoch nicht, da wir nicht einfach so Elektronen von einem freien Elektronenpaar zu einem anderen verschieben können (zumindest nicht in einem Schritt). Also brauchen wir nur die ersten drei Möglichkeiten zu betrachten. Jeder Pfeil wird einer dieser drei Kategorien entsprechen. Lassen Sie uns daher nun einige Beispiele für jede der drei Möglichkeiten betrachten.

Von einem freien Elektronenpaar zu einer Bindung

Schauen Sie sich den folgenden Schritt an, bei dem eine Einfachbindung entsteht:

Der Schwanz des Pfeils steht über einem der beiden freien Elektronenpaare am Sauerstoffatom, während der Pfeilkopf eine Bindung zwischen Sauerstoff und Kohlenstoff andeutet. Da der Kopf auf ein Atom weist, scheint es, als würden sich die Elektronen vom freien Elektronenpaar eines Atoms zu einem anderen Atom bewegen, aber das ist nicht der Fall. Die Elektronen verlassen das freie Elektronenpaar des Sauerstoffatoms und bilden eine neue Bindung zum Kohlenatom aus. Wenn Sie diese Erklärung nicht glücklich macht, gibt es einen alternativen (aber etwas aufwendigeren) Weg, den Pfeil zu zeichnen, wodurch alles noch klarer wird:

Die gestrichelte Linie deutet die Bindung an, die gerade gebildet wird: Auf diese Linie lassen wir den Pfeil zeigen. Aus dieser Zeichnung geht viel besser hervor, dass der Kopf des Pfeils eine neue Bindung entstehen lässt. Wenn Sie einen gezeichneten Pfeil so wie in der ersten Abbildungen sehen (in der es wirkt, als würde er auf das Atom zeigen und nicht auf eine neue Bindung), lassen Sie sich davon bitte nicht verwirren - ein solcher Pfeil zeigt immer die Entstehung einer neuen Bindung an.

Von einer Bindung zu einem freien Elektronenpaar

Betrachten wir nun den nächsten Schritt, in dem eine Einfachbindung aufgebrochen wird:

Der Schwanz des Pfeils schwebt über einer Bindung, der Kopf weist auf ein Chloratom, an dem dann ein neues freies Elektronenpaar entsteht. In der Bindung hatten sich das Chlor- und das...