Reaktionstypen der Organischen Chemie

Die organische Chemie zeichnet sich durch eine enorme Vielfalt an Reaktionen aus. Das Verständnis der grundlegenden Reaktionstypen – Substitution, Addition, Elimination – ist der Schlüssel zum Verständnis komplexer synthetischer Wege in der Forschung und Industrie. Von der Herstellung einfacher Kunststoffe bis zur Synthese komplexer Wirkstoffe – diese Reaktionstypen sind überall.

Überblick der Reaktionstypen

Die vier Haupttypen organischer Reaktionen:

Substitution – Austausch eines Atoms oder einer Atomgruppe
Addition – Anlagerung an eine Doppel- oder Dreifachbindung
Elimination – Abspaltung unter Bildung einer Mehrfachbindung
Redoxreaktionen – Elektronenübertragung (siehe auch Redoxreaktionen)

Substitutionsreaktionen

Was ist eine Substitution?

Bei Substitutionsreaktionen wird ein Atom oder eine Atomgruppe durch ein anderes ersetzt.

Allgemeines Schema:

$$\ce{R-X + Y -> R-Y + X}$$

Nucleophile Substitution (S_N)

Nucleophile Substitution – Angreifer (Nucleophil) ersetzt eine Abgangsgruppe.

S_N2-Mechanismus (bimolekular)

Eigenschaften:

Einzeitiger Prozess
Inversion am Kohlenstoff (Walden-Umkehr)
Kinetik: $v = k[\ce{R-X}][\ce{Nu-}]$

Beispiel: Hydrolyse von Methyliodid

$$\ce{CH3I + OH- -> CH3OH + I-}$$

Übergangszustand:

    H
    |
H — C — I  +  OH⁻  →  [H₃C---I---OH]‡  →  CH₃OH + I⁻
    |
    H

Faktoren:

Primäre Halogenide reagieren am schnellsten
Sterische Hinderung verlangsamt Reaktion
Polare aprotische Lösungsmittel beschleunigen

S_N1-Mechanismus (unimolekular)

Eigenschaften:

Zweizeitiger Prozess
Bildung eines Carbocations (Zwischenstufe)
Kinetik: $v = k[\ce{R-X}]$

Beispiel: Hydrolyse von tert-Butylchlorid

Schritt 1: $\ce{(CH3)3C-Cl -> (CH3)3C+ + Cl-}$ (langsam)

Schritt 2: $\ce{(CH3)3C+ + OH- -> (CH3)3C-OH}$ (schnell)

Gesamt: $\ce{(CH3)3C-Cl + OH- -> (CH3)3C-OH + Cl-}$

Faktoren:

Tertiäre Halogenide reagieren bevorzugt
Stabile Carbikationen fördern Reaktion
Polare protische Lösungsmittel begünstigen

Elektrophile Substitution (S_E)

Elektrophile Substitution –typisch für Aromaten

Beispiel: Nitrierung von Benzol

$$\ce{C6H6 + HNO3 -> C6H5NO2 + H2O}$$

Mechanismus: $$\ce{C6H6 + NO2+ -> C6H6-NO2+} \text{ (Komplex)}$$

$$\ce{C6H6-NO2+ -> C6H5NO2 + H+}$$

Anwendung:

Herstellung von Nitrobenzol
Sulfonierung
Friedel-Crafts-Alkylierung

Radikalische Substitution

Radikalische Substitution – Kettenreaktion mit Radikalen

Beispiel: Chlorierung von Methan

Initiierung: $\ce{Cl2 -> 2Cl^.}$ (Licht/Hitze)

Propagation: $\ce{CH4 + Cl^. -> CH3^. + HCl}$

$\ce{CH3^. + Cl2 -> CH3Cl + Cl^.}$

Terminierung: $\ce{2Cl^. -> Cl2}$

$\ce{2CH3^. -> C2H6}$

$\ce{CH3^. + Cl^. -> CH3Cl}$

Additionsreaktionen

Was ist eine Addition?

Bei Additionsreaktionen lagern sich Atome oder Moleküle an eine Doppel- oder Dreifachbindung an.

Allgemeines Schema:

$$\ce{R1-CH=CH-R2 + A-B -> R1-CH(A)-CH(B)-R2}$$

Elektrophile Addition

Beispiel: Addition von Brom an Ethen

$$\ce{CH2=CH2 + Br2 -> CH2Br-CH2Br}$$

Mechanismus:

Schritt 1: $\ce{CH2=CH2 + Br2 -> CH2-CH2-Br+ + Br-}$

Schritt 2: $\ce{CH2-CH2-Br+ + Br- -> CH2Br-CH2Br}$

Markownikow-Regel:

Bei Addition von HX an unsymmetrische Alkene lagert sich H an das C mit mehr H-Atomen:

$$\ce{CH3-CH=CH2 + HBr -> CH3-CHBr-CH3}$$

(Propen) → (2-Brompropan)

Nucleophile Addition

Beispiel: Addition von Wasser an Aldehyde

$$\ce{R-CHO + H2O -> R-CH(OH)2}$$

Beispiel: Cyanhydrat-Bildung

$$\ce{R-CHO + HCN -> R-CH(OH)-CN}$$

Katalytische Hydrierung

Beispiel: Hydrierung von Ethen

$$\ce{CH2=CH2 + H2 -> CH3-CH3}$$

Katalysator: Pd, Pt, Ni

Anwendung:

Härtung von Fetten
Reduktion von Alkenen zu Alkanen

Eliminierungsreaktionen

Was ist eine Elimination?

Bei Eliminierungsreaktionen werden Atome oder Gruppen aus benachbarten Kohlenstoffatomen abgespalten, wobei eine Doppelbindung entsteht.

Allgemeines Schema:

$$\ce{R-CH2-CH2-X -> R-CH=CH2 + HX}$$

E1-Mechanismus (unimolekular)

Beispiel: Elimination aus 2-Brom-2-methylpropan

Schritt 1: $\ce{(CH3)3C-Br -> (CH3)2C=CH2 + HBr}$

Schritt 2: $\ce{(CH3)2C=CH2 + Br- -> \text{Produkte}}$

Eigenschaften:

Bildung eines Carbocations
Konkurrenz mit S_N1
Saytzeff-Regel: Wasserstoff wird vom benachbarten Kohlenstoff mit weniger Wasserstoffatomen entfernt

E2-Mechanismus (bimolekular)

Beispiel: Elimination aus 1-Brompropan

$$\ce{CH3-CH2-CH2-Br + Base -> CH3-CH=CH2 + HBr}$$

Base ($\ce{OH-}$) entfernt H, während $\ce{Br-}$ abspaltet

Eigenschaften:

Einzeitiger Prozess
Anti-periplanare Anordnung von H und Abgangsgruppe
Konkurrenz mit S_N2

Konkurrenz: Substitution vs. Elimination

Wann tritt was auf?

Bedingung	Substitution	Elimination
Primäres Halogenid	S_N2 dominiert	E2 bei starker Base, hoher Temperatur
Sekundäres Halogenid	S_N2/E2 Konkurrenz	E2 bei starker Base
Tertiäres Halogenid	S_N1 bei schwachem Nucleophil	E1 bei starker Base, hoher Temperatur

Beispiel: 2-Brombutan

Mit schwachem Nucleophil ($\ce{H2O}$): S_N1 → 2-Butanol

Mit starker Base ($\ce{OH-}$): E2 → But-2-en

Polymerisation

Was ist Polymerisation?

Polymerisation ist die Verknüpfung vieler kleiner Moleküle (Monomere) zu großen Molekülen (Polymeren).

Kettenpolymerisation (Additionspolymerisation)

Radikalische Polymerisation

Beispiel: Polyethylen aus Ethen

Initiierung: $\ce{Radikal^. + CH2=CH2 -> ^.CH2-CH2^.}$

Wachstum: $\ce{^.CH2-CH2^. + n CH2=CH2 -> ^.(CH2-CH2)_{n}^.}$

Terminierung: $\ce{2 ^.(CH2-CH2){n}^. -> (CH2-CH2){2n}}$

Anwendung:

Polyethylen (PE)
Polypropylen (PP)
Polystyrol (PS)
PVC (Polyvinylchlorid)

Polykondensation

Polykondensation – Monomere verbinden sich unter Abspaltung kleiner Moleküle.

Beispiel: Polyamid (Nylon) aus Hexamethylendiamin und Adipinsäure

$$\ce{n H2N-(CH2)6-NH2 + n HOOC-(CH2)4-COOH ->}$$

$$\ce{-> -(NH-(CH2)6-NH-CO-(CH2)4-CO)_{n}- + 2n H2O}$$

Anwendung:

Nylon (Polyamid)
PET (Polyethylenterephthalat)
Polycarbonate

Weitere wichtige Reaktionstypen

Oxidation und Reduktion

Oxidation von Alkoholen:

Primärer Alkohol: $\ce{R-CH2-OH -> R-CHO -> R-COOH}$

(Aldehyd) → (Carbonsäure)

Sekundärer Alkohol: $\ce{R2CH-OH -> R2C=O}$

(Keton)

Tertiärer Alkohol: $\ce{R3C-OH -> \text{keine Oxidation}}$

Beispiel: Oxidation von Ethanol

$$\ce{CH3CH2OH + [O] -> CH3CHO + H2O}$$

(Alkohol) → (Aldehyd)

Veresterung

Veresterung – Carbonsäure + Alkohol reagieren zu Ester + Wasser

$$\ce{R-COOH + R’-OH <=> R-COO-R’ + H2O}$$

Katalysator: Säure ($\ce{H2SO4}$)

Beispiel: Essigsäure + Ethanol → Essigsäureethylester

$$\ce{CH3COOH + C2H5OH <=> CH3COOC2H5 + H2O}$$

Verseifung

Verseifung – Ester-Hydrolyse mit Lauge

$$\ce{R-COO-R’ + NaOH -> R-COONa + R’-OH}$$

Anwendung: Herstellung von Seife aus Fetten

Reaktionsmechanismen verstehen

Energieprofile

S_N2:

Energie
  ↑
  │      /\ Übergangszustand
Ea │     /  \
  │    /    \
  │___/      \__________
  └─────────────────→
  Edukte    Produkte

S_N1:

Energie
  ↑
  │   /\   Carbokation
Ea │  / \  (Zwischenstufe)
  │ /   \
  │/     \__________
  └─────────────────→
  Edukt  Produkte

Regeln für Reaktionsverlauf

Hammond-Postulat: Der Übergangszustand ähnelt energetisch der nächstgelegenen Spezies (Edukt oder Produkt).

Bell-Evans-Polanyi-Prinzip: Exotherme Reaktionen haben frühe Übergangszustände, endotherme Reaktionen späte.

Praktische Anwendungen

1. Kunststoffherstellung

Polyethylen (PE):

$$\ce{n CH2=CH2 -> -(CH2-CH2)_{n}-}$$

Polypropylen (PP):

$$\ce{n CH2=CH-CH3 -> -(CH2-CH(CH3))_{n}-}$$

2. Pharmazeutische Industrie

Aspirin-Synthese:

Salicylsäure + Essigsäureanhydrid → Acetylsalicylsäure + Essigsäure

3. Lebensmittelchemie

Margarine-Herstellung:

Hydrierung ungesättigter Fettsäuren

4. Farbstoffsynthese

Azofarbstoffe:

Diazotierung + Kupplung → Azoverbindung (Farbstoff)

Experimente

Experiment 1: Addition von Brom

Materialien: Ethen (oder Cyclohexen), Bromwasser

Durchführung:

Bromwasser in Gasentwicklungsapparat
Eten zuleiten
Entfärbung beobachten

Erklärung: Elektrophile Addition an Doppelbindung

Experiment 2: Veresterung

Materialien: Essigsäure, Ethanol, konc. H₂SO₄, Wasserbad

Durchführung:

Alle Komponenten mischen
Erhitzen (60°C, 10 Min)
Geruch beobachten

Erklärung: Bildung von Essigsäureethylester

Experiment 3: Polymerisation (Modell)

Materialien: Styrol, Peroxid (Initiator), Wasserbad

Durchführung:

Styrol mit Peroxid mischen
Erhitzen (80°C)
Verfestigung beobachten

Erklärung: Radikalische Kettenpolymerisation

Vorhersage von Reaktionen

Checkliste für Reaktionsverlauf:

Welche funktionelle Gruppe?
- C=C: Addition möglich
- C-X: Substitution/Elimination
- C=O: Nucleophile Addition
Welche Reaktionsbedingungen?
- Base: Elimination/Substitution
- Säure: Katalyse
- Hitze: Elimination begünstigt
Welches Lösungsmittel?
- Polar protisch: S_N1/E1
- Polar aprotisch: S_N2
Welche Struktur?
- Primär: S_N2
- Sekundär: Konkurrenz
- Tertiär: S_N1/E1

Lernziele

Nach Abschluss dieses Themenbereichs sollten Sie:

✅ Substitutionsreaktionen (S_N1, S_N2) unterscheiden können
✅ Additionsreaktionen erklären können
✅ Eliminierungsreaktionen vorhersagen können
✅ Die Markownikow-Regel anwenden können
✅ Polymerisationstypen unterscheiden können
✅ Mechanismen skizzieren können
✅ Reaktionsbedingungen auswählen können
✅ Praxisbeispiele zuordnen können

Weiterführende Themen

Erdöl und Organische Stoffklassen – Grundlagen organischer Verbindungen
Produkte der Organischen Chemie – Anwendungen
Redoxreaktionen – Oxidation/Reduktion
Gleichgewicht und Geschwindigkeit – Reaktionskinetik
Molekülstudio – 3D-Visualisierung von Molekülen