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Kohlenstoff bildet vier Bindungen und verknüpft sich mit sich selbst zu Ketten, Verzweigungen und Ringen – aus einem einzigen Element entsteht so eine ganze Stoffwelt. Genau deshalb wirkt das OC-Grundmodul auf den ersten Blick wie eine endlose Namensliste. Dahinter steckt aber ein kleiner Satz Regeln: Das Kohlenstoffgerüst liefert nur das Grundgerüst, reagiert wird an den funktionellen Gruppen. Wer erkennt, welche Stelle eines Moleküls elektronenreich und welche elektronenarm ist, sagt seine Reaktionen vorher, statt sie auswendig zu lernen.
Diese organische Chemie Zusammenfassung geht die klausurrelevanten Blöcke in der Reihenfolge durch, in der sie aufeinander aufbauen: Vierbindigkeit und Hybridisierung des Kohlenstoffs mit den Bindungswinkeln 109,5°, 120° und 180°, die Kohlenwasserstoffe Alkane, Alkene und Alkine, die IUPAC-Nomenklatur, Isomerie bis hin zur Chiralität, die funktionellen Gruppen mit ihren Stoffklassen, die typischen OC Reaktionen samt Mechanismen – radikalische Substitution, elektrophile Addition, SN1 gegen SN2, E1 gegen E2 und die elektrophile Substitution am Aromaten – sowie die Oxidationsreihen der Alkohole, Veresterung und Verseifung. Atombau, Periodensystem und Bindungstypen aus der Allgemeinen Chemie werden dabei vorausgesetzt.
Besonderes Gewicht liegt auf den Stellen, an denen in der OC Klausur regelmäßig Punkte verloren gehen: Nach Markownikow geht das Proton an das C-Atom mit den meisten Wasserstoffatomen, weil so das stabilere Carbokation entsteht. SN2 läuft einstufig über einen Rückseitenangriff und kehrt die Konfiguration um, SN1 zweistufig über ein planares Carbokation und liefert ein Racemat. Ein asymmetrisches C-Atom trägt vier verschiedene Substituenten. Aromaten reagieren unter Substitution statt Addition, weil sonst die Mesomeriestabilisierung verloren ginge. Und tertiäre Alkohole lassen sich nicht zum Keton oxidieren. Alle Strukturen stehen hier in linearer Schreibweise wie CH₃–CH₂–OH, also so, wie du sie in der Klausur auf Papier notierst. Du kannst alles direkt hier durcharbeiten – oder die Inhalte kostenfrei in deinen Learnboost Account übernehmen und dort mit Spaced Repetition, Lernplan und KI-Tutor weiterlernen.
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Die organische Chemie ist die Chemie der Kohlenstoffverbindungen: Das Kohlenstoffgerüst bestimmt die Gestalt eines Moleküls, die funktionellen Gruppen sein Verhalten. Alle Strukturen stehen hier in linearer Schreibweise, Verzweigungen in Klammern.
Kohlenstoff hat vier Valenzelektronen und ist damit stets vierbindig. Weil C–C-Bindungen ungewöhnlich stabil sind, entstehen Ketten, Verzweigungen und Ringe. C₄H₁₀ existiert deshalb als Butan CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ und als 2-Methylpropan CH₃–CH(CH₃)–CH₃.
Die Hybridisierung bestimmt die Geometrie. sp³: tetraedrisch, Bindungswinkel 109,5°, nur Einfachbindungen – Methan CH₄. sp²: trigonal-planar, 120°, dazu ein unbeteiligtes p-Orbital – Ethen CH₂=CH₂. sp: linear, 180°, dazu zwei p-Orbitale – Ethin HC≡CH. Eine σ-Bindung überlappt entlang der Kernverbindungsachse und ist frei drehbar, eine π-Bindung seitlich ober- und unterhalb dieser Achse; sie blockiert die Rotation. Eine Doppelbindung besteht aus einer σ- und einer π-Bindung, eine Dreifachbindung aus einer σ- und zwei π-Bindungen. Die π-Bindung ist die schwächere – deshalb sind Alkene und Alkine reaktiv, Alkane träge. Bindungslängen: C–C 154 pm, C=C 134 pm, C≡C 120 pm.
Die homologe Reihe der Alkane folgt CₙH₂ₙ₊₂: von Methan CH₄ über Ethan C₂H₆ und Propan C₃H₈ bis Decan C₁₀H₂₂, jedes Glied um eine CH₂-Gruppe größer. Alkene mit einer Doppelbindung haben CₙH₂ₙ (Propen CH₃–CH=CH₂), Alkine mit einer Dreifachbindung CₙH₂ₙ₋₂ (Ethin HC≡CH). Kohlenwasserstoffe sind unpolar und kaum wasserlöslich; zwischen ihren Molekülen wirken nur van-der-Waals-Kräfte, weshalb der Siedepunkt mit der Kettenlänge steigt. Verzweigung senkt ihn: n-Pentan siedet bei 36 °C, das isomere 2,2-Dimethylpropan schon bei 9,5 °C.
Der Name entsteht in drei Schritten. 1. Hauptkette: die längste Kette, die die vorrangige funktionelle Gruppe enthält, liefert den Stammnamen. 2. Nummerierung: so, dass die vorrangige Gruppe die kleinste Nummer bekommt; sonst entscheidet die Mehrfachbindung, danach die Substituenten. 3. Substituenten mit Positionsnummer voranstellen, alphabetisch geordnet, Mehrfachnennungen mit di-, tri-, tetra-.
Beispiele: CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₃ ist 2-Methylbutan, CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃ ist Butan-2-ol, CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₂–OH ist 3-Methylbutan-1-ol. Vereinfachte Prioritätsreihe: Carbonsäure vor Ester vor Amid vor Aldehyd vor Keton vor Alkohol vor Amin. Die höchstrangige Gruppe bestimmt die Endung (-säure, -al, -on, -ol, -amin), alle anderen erscheinen als Präfix (Hydroxy-, Oxo-, Amino-). In CH₃–CH(OH)–COOH ist deshalb die Carboxygruppe namengebend: 2-Hydroxypropansäure.
Konstitutionsisomere haben dieselbe Summenformel, aber eine andere Verknüpfung der Atome: Ethanol CH₃–CH₂–OH und Dimethylether CH₃–O–CH₃ sind beide C₂H₆O und trotzdem völlig verschiedene Stoffe.
Cis/trans-Isomerie tritt an einer Doppelbindung auf, weil dort die Rotation blockiert ist – und nur, wenn jedes der beiden doppelt gebundenen C-Atome zwei verschiedene Substituenten trägt. But-2-en CH₃–CH=CH–CH₃ gibt es deshalb zweimal: cis mit beiden Methylgruppen auf derselben Seite, trans auf entgegengesetzten Seiten. Bei mehr als zwei verschiedenen Resten nutzt man Z und E: Stehen die nach den CIP-Regeln höherrangigen Substituenten beider Seiten zusammen, liegt Z vor, sonst E.
Ein Molekül ist chiral, wenn es mit seinem Spiegelbild nicht zur Deckung zu bringen ist. Häufigster Grund ist ein asymmetrisches C-Atom mit vier verschiedenen Substituenten: In Butan-2-ol CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃ trägt das zweite C-Atom H, OH, CH₃ und CH₂–CH₃, in Propan-2-ol CH₃–CH(OH)–CH₃ dagegen zwei gleiche Methylgruppen – nur das erste Molekül ist chiral. Enantiomere verhalten sich wie Bild und Spiegelbild: gleiche Schmelz- und Siedepunkte, aber entgegengesetzte Drehung der Polarisationsebene und unterschiedliches Verhalten gegenüber chiralen Partnern – weshalb die Enantiomere eines Arzneistoffs im Körper verschieden wirken können. Ein Racemat ist ihr 1:1-Gemisch und optisch inaktiv. Diastereomere sind Stereoisomere, die keine Bild-Spiegelbild-Paare sind; sie unterscheiden sich auch physikalisch. Die R/S-Nomenklatur ordnet die vier Substituenten nach CIP-Priorität, richtet den niedrigstrangigen nach hinten und liest die übrigen ab: im Uhrzeigersinn R, gegen den Uhrzeigersinn S – über die Drehrichtung sagt das nichts.
Zu erkennen sind: Halogenalkan R–X (CH₃–CH₂–Br), Alkohol mit Hydroxygruppe –OH (CH₃–CH₂–OH), Ether R–O–R (CH₃–CH₂–O–CH₂–CH₃), Aldehyd mit Carbonylgruppe am Kettenende (CH₃–CHO), Keton mit Carbonylgruppe –CO– zwischen zwei C-Resten (CH₃–CO–CH₃), Carbonsäure mit Carboxygruppe –COOH (CH₃–COOH), Ester R–COO–R (CH₃–COO–CH₂–CH₃), Amin mit Aminogruppe –NH₂ (CH₃–CH₂–NH₂) und Amid –CO–NH₂ (CH₃–CO–NH₂), dieselbe Verknüpfung wie in der Peptidbindung.
Alkohole teilt man nach dem C-Atom ein, das die OH-Gruppe trägt: primär mit höchstens einem C-Nachbarn (CH₃–CH₂–OH), sekundär mit zwei (CH₃–CH(OH)–CH₃), tertiär mit drei (CH₃–C(CH₃)₂–OH). Bei Aminen zählt dagegen die Zahl der C-Reste am Stickstoff – eine beliebte Fehlerquelle. Alkohole bilden untereinander Wasserstoffbrücken und sieden deshalb weit höher als Ether: Butan-1-ol bei 118 °C, der isomere Diethylether bei 35 °C. Carbonsäuren sind sauer, weil das Carboxylat-Ion CH₃–COO⁻ mesomeriestabilisiert ist.
Alkane reagieren mit Halogenen unter Licht in einer radikalischen Substitution, einer Kettenreaktion in drei Phasen. Start: Cl₂ → 2 Cl· durch homolytische Spaltung. Fortpflanzung: Cl· + CH₄ → HCl + CH₃·, danach CH₃· + Cl₂ → CH₃–Cl + Cl· – das Chlorradikal kehrt zurück und startet den Zyklus erneut. Abbruch: zwei Radikale verbinden sich, etwa CH₃· + Cl· → CH₃–Cl. Weil das Produkt weiter chloriert wird, entsteht ein Gemisch bis hin zu CCl₄.
Alkene reagieren unter elektrophiler Addition: Das elektronenreiche π-System greift das Elektrophil an. Schritt 1: Das Proton lagert sich an ein C-Atom der Doppelbindung an, am anderen entsteht ein Carbokation. Schritt 2: Das Nucleophil lagert sich an dieses positive C-Atom an. Die Markownikow-Regel sagt, wo das Proton landet: an dem C-Atom mit den meisten Wasserstoffatomen, weil so das höher substituierte und damit stabilere Carbokation entsteht. Beispiel: CH₃–CH=CH₂ + HBr → CH₃–CHBr–CH₃, also 2-Brompropan statt 1-Brompropan; ebenso CH₃–CH=CH₂ + H₂O → CH₃–CH(OH)–CH₃ (säurekatalysiert). Mit Brom läuft die Addition über ein cyclisches Bromonium-Ion, sodass das Bromid von der Gegenseite eintritt: CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br.
SN2 verläuft einstufig: Das Nucleophil greift das C-Atom auf der Rückseite an, genau gegenüber der Abgangsgruppe; im Übergangszustand ist das C-Atom von fünf Partnern umgeben, eine Zwischenstufe gibt es nicht. Weil der Angriff nur von hinten möglich ist, kehrt sich die Konfiguration am Stereozentrum um (Walden-Umkehr). Kinetik: v = k·c(Substrat)·c(Nucleophil), also zweite Ordnung. Begünstigt durch primäre Halogenalkane, starke Nucleophile und polar-aprotische Lösungsmittel. Beispiel: CH₃–CH₂–Br + OH⁻ → CH₃–CH₂–OH + Br⁻.
SN1 verläuft zweistufig: Im langsamen, geschwindigkeitsbestimmenden Schritt löst sich die Abgangsgruppe mit dem Bindungselektronenpaar ab, zurück bleibt ein planares, sp²-hybridisiertes Carbokation. Im schnellen zweiten Schritt lagert sich das Nucleophil an – von beiden Seiten der Ebene gleich wahrscheinlich, aus einem chiralen Substrat entsteht deshalb ein Racemat. Kinetik: v = k·c(Substrat), also erste Ordnung; mehr Nucleophil beschleunigt nichts. Begünstigt durch tertiäre Halogenalkane mit stabilem Carbokation und abgeschirmter Rückseite, schwache Nucleophile und polar-protische Lösungsmittel. Beispiel: CH₃–C(CH₃)₂–Br + H₂O → CH₃–C(CH₃)₂–OH + HBr. Gute Abgangsgruppen sind schwache Basen: I⁻ vor Br⁻ vor Cl⁻.
Bei der Eliminierung wird HX abgespalten, aus dem Halogenalkan entsteht ein Alken. E2 läuft einstufig: Eine starke Base nimmt das Proton vom Nachbar-C-Atom ab, während die Abgangsgruppe die Gegenseite verlässt; beide müssen anti zueinander stehen. Kinetik: zweite Ordnung. E1 läuft zweistufig über dasselbe Carbokation wie SN1; danach nimmt eine Base ein Proton vom Nachbar-C-Atom ab, dessen Elektronenpaar die Doppelbindung bildet. Kinetik: erste Ordnung. Nach der Saytzeff-Regel entsteht bevorzugt das höher substituierte, stabilere Alken: Aus 2-Brombutan CH₃–CHBr–CH₂–CH₃ wird überwiegend But-2-en CH₃–CH=CH–CH₃. Substitution und Eliminierung konkurrieren; Hitze und starke, sperrige Basen begünstigen die Eliminierung.
Benzol C₆H₆ ist ein ebener, sechsgliedriger Ring aus sp²-hybridisierten C-Atomen; ihre sechs p-Orbitale überlappen zu einem delokalisierten π-Elektronensystem ober- und unterhalb der Ringebene, und alle C–C-Bindungen sind gleich lang (139 pm, zwischen Einfach- und Doppelbindung). Nach der Hückel-Regel ist ein ebener, ringförmig durchkonjugierter Molekülteil mit 4n+2 π-Elektronen aromatisch – Benzol hat sechs, also n = 1. Die Delokalisierung senkt die Energie um rund 150 kJ/mol (Mesomerieenergie).
Deshalb reagieren Aromaten unter elektrophiler Substitution und nicht unter Addition, die das π-System dauerhaft zerstören würde. Der Mechanismus: Das Elektrophil wird vom π-System angegriffen, es entsteht ein mesomeriestabilisiertes Kation ohne Aromatizität; die Abgabe des Protons vom angegriffenen C-Atom stellt sie wieder her. Beispiele: C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅–NO₂ + H₂O (Katalysator konzentrierte Schwefelsäure) und C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅–Br + HBr (Katalysator FeBr₃). Anders als ein Alken entfärbt Benzol kein Bromwasser.
Wie weit sich ein Alkohol oxidieren lässt, hängt allein davon ab, wie viele H-Atome am C-Atom mit der OH-Gruppe sitzen. Primärer Alkohol → Aldehyd → Carbonsäure: CH₃–CH₂–OH → CH₃–CHO → CH₃–COOH. Sekundärer Alkohol → Keton, dort endet die Reihe: CH₃–CH(OH)–CH₃ → CH₃–CO–CH₃. Tertiäre Alkohole wie CH₃–C(CH₃)₂–OH lassen sich nicht zu Aldehyd oder Keton oxidieren, weil dort kein H-Atom mehr sitzt. Die Reduktion kehrt die Reihe um. Nur Aldehyde reduzieren das Tollens-Reagenz zum Silberspiegel und die Fehling-Lösung zum ziegelroten Kupfer(I)-oxid – der klassische Test gegen Ketone.
Die Veresterung verbindet Carbonsäure und Alkohol unter Wasserabspaltung: CH₃–COOH + HO–CH₂–CH₃ ⇌ CH₃–COO–CH₂–CH₃ + H₂O, katalysiert von konzentrierter Schwefelsäure. Das Wasser entsteht aus der OH-Gruppe der Säure und dem H-Atom der Alkoholgruppe; der Sauerstoff der Esterbrücke stammt also aus dem Alkohol. Als Gleichgewichtsreaktion verschiebt man sie nach rechts, indem man Wasser entfernt oder einen Ausgangsstoff im Überschuss einsetzt.
Die Verseifung ist die Esterspaltung mit Lauge: CH₃–COO–CH₂–CH₃ + NaOH → CH₃–COO⁻ Na⁺ + HO–CH₂–CH₃. Sie läuft praktisch vollständig ab, weil das mesomeriestabilisierte Carboxylat-Ion dem Gleichgewicht entzogen wird – die echte Umkehrung der Veresterung ist die saure Hydrolyse. Aus Fetten, den Triestern des Glycerins HO–CH₂–CH(OH)–CH₂–OH, entstehen auf diesem Weg die Seifen.
Frage antippen, um die Antwort aufzudecken.
Kohlenstoff hat vier Valenzelektronen und ist damit immer vierbindig. Weil C–C-Bindungen ungewöhnlich stabil sind, verknüpft er sich mit sich selbst zu unverzweigten Ketten, verzweigten Ketten und Ringen – dazu kommen Doppel- und Dreifachbindungen. Aus derselben Summenformel entstehen dadurch verschiedene Stoffe: C₄H₁₀ gibt es als Butan CH₃–CH₂–CH₂–CH₃ und als 2-Methylpropan CH₃–CH(CH₃)–CH₃. Das Gerüst liefert nur die Gestalt; reagiert wird an den funktionellen Gruppen, die daran hängen.
sp³: vier gleichwertige Hybridorbitale, tetraedrisch, Bindungswinkel 109,5°, ausschließlich Einfachbindungen – z. B. Methan CH₄ und Ethan CH₃–CH₃. sp²: drei Hybridorbitale in einer Ebene, trigonal-planar, 120°, dazu ein unbeteiligtes p-Orbital, das die π-Bindung bildet – z. B. Ethen CH₂=CH₂. sp: zwei Hybridorbitale, linear, 180°, dazu zwei p-Orbitale für zwei π-Bindungen – z. B. Ethin HC≡CH. Faustregel: Je höher der s-Anteil, desto größer der Bindungswinkel und desto kürzer die Bindung.
Die σ-Bindung entsteht durch Überlappung entlang der Kernverbindungsachse und ist frei drehbar. Die π-Bindung entsteht durch seitliche Überlappung zweier p-Orbitale ober- und unterhalb dieser Achse; sie blockiert die Rotation, weshalb es an einer C=C-Doppelbindung cis/trans-Isomere gibt. Eine Doppelbindung besteht aus einer σ- und einer π-Bindung, eine Dreifachbindung aus einer σ- und zwei π-Bindungen. Die π-Bindung ist die schwächere und leichter angreifbare – deshalb sind Alkene und Alkine deutlich reaktiver als Alkane. Bindungslängen: C–C 154 pm, C=C 134 pm, C≡C 120 pm.
Alkane CₙH₂ₙ₊₂, Alkene mit einer Doppelbindung CₙH₂ₙ, Alkine mit einer Dreifachbindung CₙH₂ₙ₋₂. Die homologe Reihe der Alkane: Methan CH₄, Ethan C₂H₆, Propan C₃H₈, Butan C₄H₁₀, Pentan C₅H₁₂, Hexan C₆H₁₄, Heptan C₇H₁₆, Octan C₈H₁₈, Nonan C₉H₂₀, Decan C₁₀H₂₂. Jedes Glied unterscheidet sich vom nächsten um eine CH₂-Gruppe; dieselben Namensstämme gelten unverändert für alle weiteren Stoffklassen.
1. Hauptkette bestimmen: die längste Kette, die die vorrangige funktionelle Gruppe enthält – hier vier C-Atome, also Butan. 2. Nummerieren: so, dass die vorrangige Gruppe oder Mehrfachbindung die kleinste Nummer bekommt, sonst die Substituenten. 3. Substituenten mit Positionsnummer voranstellen, alphabetisch geordnet, Mehrfachnennungen mit di-, tri-, tetra-. Ergebnis: 2-Methylbutan. Weitere Beispiele: CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃ ist Butan-2-ol, CH₃–CH=CH–CH₃ ist But-2-en, CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₂–OH ist 3-Methylbutan-1-ol.
Vereinfachte Prioritätsreihe: Carbonsäure vor Ester vor Amid vor Aldehyd vor Keton vor Alkohol vor Amin. Die höchstrangige Gruppe bestimmt Endung und Nummerierung: -säure, -ester, -amid, -al, -on, -ol, -amin. Alle nachrangigen Gruppen werden als Präfix genannt, etwa Hydroxy- für –OH, Oxo- für die Carbonylgruppe und Amino- für –NH₂. Beispiel: In CH₃–CH(OH)–COOH ist die Carboxygruppe vorrangig, der Name lautet deshalb 2-Hydroxypropansäure und nicht ein Alkoholname mit Carboxy-Präfix.
Nur dort, wo die Rotation blockiert ist – an einer Doppelbindung oder im Ring – und nur dann, wenn jedes der beiden doppelt gebundenen C-Atome zwei verschiedene Substituenten trägt. But-2-en CH₃–CH=CH–CH₃ existiert deshalb zweimal: cis mit beiden Methylgruppen auf derselben Seite, trans mit den Methylgruppen auf entgegengesetzten Seiten. Bei mehr als zwei verschiedenen Resten nutzt man Z und E: Nach den CIP-Regeln bestimmt man auf jeder Seite den höherrangigen Substituenten; stehen beide auf derselben Seite, liegt Z vor, sonst E. Cis- und trans-Isomere sind verschiedene Stoffe mit verschiedenen Siede- und Schmelzpunkten.
Wenn es mit seinem Spiegelbild nicht zur Deckung zu bringen ist – wie linke und rechte Hand. Der häufigste Grund ist ein asymmetrisches C-Atom, also ein C-Atom mit vier verschiedenen Substituenten. In Butan-2-ol CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃ trägt das zweite C-Atom H, OH, CH₃ und CH₂–CH₃ – vier verschiedene Reste, das Molekül ist chiral. Propan-2-ol CH₃–CH(OH)–CH₃ ist es nicht, weil dort zwei gleiche Methylgruppen hängen. Prüfe deshalb immer alle vier Reste auf Verschiedenheit, nicht nur drei.
Enantiomere verhalten sich wie Bild und Spiegelbild. Sie haben identische Schmelz- und Siedepunkte und unterscheiden sich nur in der Drehrichtung der Polarisationsebene und im Verhalten gegenüber anderen chiralen Partnern – deshalb wirken die beiden Enantiomere eines Arzneistoffs im Körper oft völlig verschieden. Diastereomere sind Stereoisomere, die keine Bild-Spiegelbild-Paare sind, etwa bei zwei Stereozentren oder bei cis/trans-Isomeren; sie unterscheiden sich auch in den physikalischen Eigenschaften. Ein Racemat ist das 1:1-Gemisch beider Enantiomere und deshalb optisch inaktiv. Bei n Stereozentren gibt es höchstens 2ⁿ Stereoisomere.
Halogenalkan R–X, z. B. CH₃–CH₂–Br. Alkohol mit Hydroxygruppe –OH, z. B. CH₃–CH₂–OH. Ether R–O–R, z. B. CH₃–CH₂–O–CH₂–CH₃. Aldehyd mit der Carbonylgruppe am Kettenende, z. B. CH₃–CHO. Keton mit der Carbonylgruppe –CO– zwischen zwei C-Resten, z. B. CH₃–CO–CH₃. Carbonsäure mit der Carboxygruppe –COOH, z. B. CH₃–COOH. Ester R–COO–R, z. B. CH₃–COO–CH₂–CH₃. Amin mit der Aminogruppe –NH₂, z. B. CH₃–CH₂–NH₂. Amid –CO–NH₂, z. B. CH₃–CO–NH₂ – dieselbe Verknüpfung wie in der Peptidbindung.
In drei Phasen. Kettenstart: Licht oder Hitze spaltet das Chlormolekül homolytisch, jedes Chloratom nimmt ein Bindungselektron mit: Cl₂ → 2 Cl·. Kettenfortpflanzung: Cl· + CH₄ → HCl + CH₃· und anschließend CH₃· + Cl₂ → CH₃–Cl + Cl· – das zurückgebildete Chlorradikal startet den nächsten Zyklus, ein einziges Startradikal setzt daher viele Moleküle um. Kettenabbruch: zwei Radikale treffen aufeinander, z. B. CH₃· + Cl· → CH₃–Cl oder CH₃· + CH₃· → CH₃–CH₃. Nachteil: Das Produkt wird weiter chloriert, es entsteht ein Gemisch bis hin zu CCl₄.
Das elektronenreiche π-Elektronensystem greift das Elektrophil an. Schritt 1: Das Proton lagert sich an ein C-Atom der Doppelbindung an, am anderen C-Atom entsteht ein Carbokation. Schritt 2: Das Nucleophil lagert sich an dieses positive C-Atom an. Markownikow: Bei unsymmetrischen Alkenen geht das Proton an das C-Atom, das bereits die meisten Wasserstoffatome trägt – denn dann entsteht das höher substituierte und damit stabilere Carbokation (tertiär vor sekundär vor primär). Beispiel: CH₃–CH=CH₂ + HBr → CH₃–CHBr–CH₃, also 2-Brompropan statt 1-Brompropan. Mit Brom läuft die Addition über ein cyclisches Bromonium-Ion, das Bromid tritt von der Gegenseite ein: CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br–CH₂Br. Die Entfärbung von Bromwasser ist der klassische Nachweis für Mehrfachbindungen.
Einstufig: Das Nucleophil greift das C-Atom auf der Rückseite an, genau gegenüber der Abgangsgruppe. Im Übergangszustand ist das C-Atom von fünf Partnern umgeben; die neue Bindung bildet sich, während die alte bricht – es gibt keine Zwischenstufe. Weil der Angriff nur von hinten möglich ist, klappt das Molekül dabei um und die Konfiguration am Stereozentrum kehrt sich um (Walden-Umkehr). Die Geschwindigkeit hängt von beiden Reaktionspartnern ab: v = k·c(Substrat)·c(Nucleophil), also zweite Ordnung. Begünstigt durch primäre Halogenalkane (wenig sterische Hinderung), starke Nucleophile und polar-aprotische Lösungsmittel. Beispiel: CH₃–CH₂–Br + OH⁻ → CH₃–CH₂–OH + Br⁻.
Zweistufig. Schritt 1 (langsam, geschwindigkeitsbestimmend): Die Abgangsgruppe löst sich mit dem Bindungselektronenpaar ab, zurück bleibt ein planares, sp²-hybridisiertes Carbokation. Schritt 2 (schnell): Das Nucleophil lagert sich an – von beiden Seiten der Ebene gleich wahrscheinlich, aus einem einheitlichen chiralen Substrat entsteht deshalb ein Racemat. Die Geschwindigkeit hängt nur vom Substrat ab: v = k·c(Substrat), also erste Ordnung; mehr Nucleophil beschleunigt nichts. Begünstigt durch tertiäre Halogenalkane (stabiles Carbokation, abgeschirmte Rückseite), schwache Nucleophile und polar-protische Lösungsmittel. Beispiel: CH₃–C(CH₃)₂–Br + H₂O → CH₃–C(CH₃)₂–OH + HBr.
Bei der Eliminierung wird HX abgespalten, aus dem Halogenalkan entsteht ein Alken. E2 läuft einstufig: Eine starke Base nimmt das Proton von einem Nachbar-C-Atom ab, während die Abgangsgruppe die Gegenseite verlässt; H-Atom und Abgangsgruppe müssen dafür anti zueinander stehen. Kinetik zweiter Ordnung. E1 läuft zweistufig über dasselbe Carbokation wie SN1; erst danach nimmt eine Base ein Proton vom Nachbar-C-Atom ab, dessen Elektronenpaar die Doppelbindung bildet. Kinetik erster Ordnung. Nach der Saytzeff-Regel entsteht bevorzugt das höher substituierte, stabilere Alken: Aus 2-Brombutan CH₃–CHBr–CH₂–CH₃ wird überwiegend But-2-en CH₃–CH=CH–CH₃ und nur wenig But-1-en CH₂=CH–CH₂–CH₃.
Benzol C₆H₆ ist ein ebener, sechsgliedriger Ring aus sp²-hybridisierten C-Atomen; ihre sechs p-Orbitale überlappen zu einem delokalisierten π-Elektronensystem ober- und unterhalb der Ringebene, und alle C–C-Bindungen sind gleich lang (139 pm). Diese Delokalisierung senkt die Energie um rund 150 kJ/mol. Eine Addition würde das π-System dauerhaft zerstören; die Substitution stellt es dagegen wieder her: Das Elektrophil greift an, es entsteht ein mesomeriestabilisiertes Kation ohne Aromatizität, und mit der Abgabe des Protons vom angegriffenen C-Atom ist die Aromatizität zurück. Deshalb entfärbt Benzol – anders als ein Alken – kein Bromwasser. Beispiele: C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅–NO₂ + H₂O (Schwefelsäure als Katalysator) und C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅–Br + HBr (FeBr₃ als Katalysator).
Primärer Alkohol → Aldehyd → Carbonsäure: CH₃–CH₂–OH → CH₃–CHO → CH₃–COOH. Sekundärer Alkohol → Keton, und dort endet die Reihe: CH₃–CH(OH)–CH₃ → CH₃–CO–CH₃. Tertiäre Alkohole wie CH₃–C(CH₃)₂–OH lassen sich nicht zu Aldehyd oder Keton oxidieren, weil am C-Atom mit der OH-Gruppe kein Wasserstoff mehr sitzt, der abgegeben werden könnte – das ginge nur unter Zerstörung des Kohlenstoffgerüsts. Die Reduktion kehrt die Reihe um. Aldehyde und Ketone unterscheidest du im Reagenzglas: Nur Aldehyde reduzieren das Tollens-Reagenz zum Silberspiegel und die Fehling-Lösung zum ziegelroten Kupfer(I)-oxid.
Veresterung: Carbonsäure + Alkohol ⇌ Ester + Wasser, katalysiert von konzentrierter Schwefelsäure – CH₃–COOH + HO–CH₂–CH₃ ⇌ CH₃–COO–CH₂–CH₃ + H₂O. Das Wasser entsteht aus der OH-Gruppe der Säure und dem H-Atom der Alkoholgruppe. Weil es eine Gleichgewichtsreaktion ist, verschiebt man sie nach rechts, indem man Wasser entfernt oder einen Ausgangsstoff im Überschuss einsetzt. Verseifung: Esterspaltung mit Lauge – CH₃–COO–CH₂–CH₃ + NaOH → CH₃–COO⁻ Na⁺ + HO–CH₂–CH₃. Sie läuft praktisch vollständig ab, weil das mesomeriestabilisierte Carboxylat-Ion dem Gleichgewicht entzogen wird; die echte Umkehrung der Veresterung ist die saure Hydrolyse. Aus Fetten, den Triestern des Glycerins HO–CH₂–CH(OH)–CH₂–OH, entstehen so die Seifen.
Lösung:
Es entsteht Propan-2-ol: CH₃–CH=CH₂ + H₂O → CH₃–CH(OH)–CH₃. Nach Markownikow lagert sich das Proton an das endständige CH₂ an, weil dort die meisten Wasserstoffatome sitzen; dadurch entsteht am mittleren C-Atom ein sekundäres Carbokation. An dieses lagert sich Wasser an, die Abgabe eines Protons liefert die OH-Gruppe.
Die Markownikow-Regel ist keine Willkür, sondern eine Folge der Carbokation-Stabilität: Alkylgruppen schieben Elektronendichte in das positive Zentrum, deshalb gilt tertiär vor sekundär vor primär. Landete das Proton am mittleren C-Atom, entstünde ein primäres Carbokation – dieser Weg ist deutlich ungünstiger, Propan-1-ol bleibt daher Nebenprodukt. Propanon wäre ein Oxidationsprodukt des Propan-2-ols und entsteht bei einer Addition nicht; Propan erhielte man nur durch Hydrierung mit H₂ am Katalysator.
Lösung:
3-Methylpentan. Die längste durchgehende Kohlenstoffkette umfasst fünf C-Atome, der Stammname lautet also Pentan. Die Methylgruppe sitzt am dritten C-Atom – von beiden Enden aus gezählt dieselbe Nummer.
Die Hauptkette ist immer die längste Kette, nicht die zuerst notierte. Hier läuft sie von der ersten CH₃-Gruppe über CH₂ und das verzweigte C-Atom weiter über CH₂ zur letzten CH₃-Gruppe, umfasst also fünf C-Atome; die Methylgruppe in der Klammer ist der Substituent. Der Name 2-Ethylbutan beschreibt zwar dasselbe Molekül, verletzt aber die Regel der längsten Kette und ist deshalb kein gültiger IUPAC-Name. 3-Methylbutan ist zu kurz gezählt, und 2-Methylpentan bezeichnet ein anderes Molekül, nämlich CH₃–CH(CH₃)–CH₂–CH₂–CH₃.
Lösung:
Zutreffend sind der einstufige Ablauf, der Rückseitenangriff, die Konfigurationsumkehr und die Kinetik zweiter Ordnung.
SN2 kennt keine Zwischenstufe, sondern nur einen Übergangszustand, in dem das C-Atom von fünf Partnern umgeben ist. Genau deshalb behindern Substituenten die Reaktion: Am tertiären C-Atom ist die Rückseite abgeschirmt, dort läuft stattdessen SN1. Das planare Carbokation ist die Zwischenstufe der SN1-Reaktion, die erster Ordnung ist, weil ihr langsamer Schritt allein vom Substrat abhängt. Merke die gegenläufige Reihenfolge: SN2 primär vor sekundär vor tertiär, SN1 genau umgekehrt.
Lösung:
CH₃–CH₂–Br ist ein primäres Halogenalkan (Bromethan). Hier dominiert SN2: Das Nucleophil greift das C-Atom von der Rückseite an, während das Bromid austritt. Es gibt keine Zwischenstufe, sondern nur einen Übergangszustand mit fünf Partnern am C-Atom. Kinetik: v = k·c(Substrat)·c(Nucleophil), also zweite Ordnung. An einem Stereozentrum kehrt sich die Konfiguration um (Walden-Umkehr); Bromethan selbst besitzt kein Stereozentrum.
CH₃–C(CH₃)₂–Br ist ein tertiäres Halogenalkan (2-Brom-2-methylpropan). Hier dominiert SN1: Im langsamen ersten Schritt löst sich das Bromid mit dem Bindungselektronenpaar ab, es entsteht ein planares, von drei Methylgruppen stabilisiertes Carbokation. Im schnellen zweiten Schritt lagert sich das Nucleophil an – von beiden Seiten der Ebene gleich wahrscheinlich, aus einem chiralen Substrat entstünde daher ein Racemat. Kinetik: v = k·c(Substrat), also erste Ordnung; die Nucleophil-Konzentration spielt keine Rolle.
Grund für den Wechsel: Die drei Methylgruppen schirmen die Rückseite ab und machen den SN2-Angriff sterisch unmöglich, stabilisieren gleichzeitig aber das Carbokation.
Volle Punktzahl gibt es nur, wenn beide Begründungslinien auftauchen: die sterische Zugänglichkeit für SN2 und die Carbokation-Stabilität für SN1. Beide wirken hier in dieselbe Richtung, weshalb primär und tertiär die klaren Fälle sind; am sekundären C-Atom konkurrieren beide Mechanismen, und Nucleophilstärke sowie Lösungsmittel entscheiden. Häufiger Fehler ist die Behauptung, mehr Nucleophil beschleunige auch SN1 – der langsame Schritt ist dort der Zerfall des Substrats, an dem das Nucleophil gar nicht beteiligt ist. Ebenfalls typisch: Racemat und Walden-Umkehr werden vertauscht.
Lösung:
Chiral ist CH₃–CH(OH)–COOH, die 2-Hydroxypropansäure. Ihr mittleres C-Atom trägt vier verschiedene Substituenten: H, OH, CH₃ und COOH. Das Molekül lässt sich deshalb nicht mit seinem Spiegelbild zur Deckung bringen.
In CH₃–CH(OH)–CH₃ trägt das mittlere C-Atom zwei identische Methylgruppen, es ist also nicht asymmetrisch. In CH₃–CH₂–COOH und CH₃–CO–CH₃ gibt es überhaupt kein C-Atom mit vier verschiedenen Resten. Entscheidend ist die Definition: Chiralität heißt, dass Molekül und Spiegelbild nicht deckungsgleich sind; ein asymmetrisches C-Atom ist der häufigste, aber nicht der einzige Grund dafür. Zwei Enantiomere unterscheiden sich weder im Schmelz- noch im Siedepunkt, wohl aber in der Drehrichtung der Polarisationsebene und in ihrer Wirkung im Körper.
Lösung:
Zutreffend sind die Beschreibung des delokalisierten π-Systems, die Hückel-Regel, der zweistufige Ablauf über das mesomeriestabilisierte Kation und die einheitliche Bindungslänge im Ring.
Die Delokalisierung senkt die Energie des Benzols um rund 150 kJ/mol. Eine Addition würde dieses π-System dauerhaft aufheben und ist deshalb energetisch ungünstig – nicht aus sterischen Gründen. Bei der Substitution ist die Aromatizität nur im Zwischenschritt aufgehoben und kehrt mit der Abspaltung des Protons zurück. Deshalb entfärbt Benzol Bromwasser nicht; für eine Bromierung braucht es einen Katalysator wie FeBr₃, und das Produkt ist Brombenzol C₆H₅–Br, also ein Substitutionsprodukt.
Lösung:
Reaktionstyp: radikalische Substitution.
Kettenstart: Licht spaltet das Chlormolekül homolytisch, jedes Chloratom behält ein Bindungselektron: Cl₂ → 2 Cl·
Kettenfortpflanzung: Cl· + CH₄ → HCl + CH₃·, danach CH₃· + Cl₂ → CH₃–Cl + Cl·. Das zurückgebildete Chlorradikal startet den nächsten Zyklus, ein einziges Startradikal setzt daher viele Moleküle um.
Kettenabbruch: Zwei Radikale treffen aufeinander, z. B. Cl· + Cl· → Cl₂, CH₃· + Cl· → CH₃–Cl oder CH₃· + CH₃· → CH₃–CH₃.
Kein einheitliches Produkt: Das gebildete Chlormethan ist selbst wieder angreifbar, in Folgeschritten entstehen CH₂Cl₂, CHCl₃ und CCl₄. Man erhält ein Gemisch, dessen Zusammensetzung vom Chlorüberschuss abhängt.
Punkte gibt es für die homolytische Spaltung im Startschritt – es entstehen Radikale, keine Ionen –, für die beiden Fortpflanzungsschritte in der richtigen Reihenfolge und für einen Abbruchschritt, in dem Radikale verschwinden. Bei größeren Alkanen kommt die Selektivität hinzu: Radikale sind umso stabiler, je stärker das tragende C-Atom substituiert ist, also tertiär vor sekundär vor primär. Propan wird deshalb bevorzugt am mittleren C-Atom chloriert. Wer den Startschritt als Spaltung von Methan formuliert, verliert Punkte: Die C–H-Bindung ist deutlich stabiler als die Cl–Cl-Bindung.
Lösung:
Es entsteht Propanon CH₃–CO–CH₃. Propan-2-ol ist ein sekundärer Alkohol: Das C-Atom mit der OH-Gruppe hat zwei C-Nachbarn und trägt nur noch ein H-Atom. Nach dessen Abgabe entsteht die Carbonylgruppe eines Ketons – und dort endet die Oxidationsreihe.
Wie weit die Oxidation läuft, hängt allein davon ab, wie viele H-Atome am C-Atom mit der OH-Gruppe sitzen. Primäre Alkohole haben dort zwei H-Atome und werden über den Aldehyd bis zur Carbonsäure oxidiert: CH₃–CH₂–OH → CH₃–CHO → CH₃–COOH. Sekundäre haben nur eines und enden beim Keton. Tertiäre wie CH₃–C(CH₃)₂–OH haben keines mehr und lassen sich ohne Zerstörung des Kohlenstoffgerüsts nicht oxidieren. Propanal und Propansäure setzten außerdem ein anderes Kohlenstoffgerüst voraus, nämlich eine endständige OH-Gruppe wie in Propan-1-ol. Aldehyd und Keton unterscheidet man mit der Fehling- oder der Tollens-Probe, die nur beim Aldehyd positiv ausfällt.
Lösung:
Zutreffend sind die Definition der Konstitutionsisomerie, die Bedingung für cis/trans-Isomerie, die Definition des asymmetrischen C-Atoms und die Eigenschaften von Enantiomeren.
Die π-Bindung verhindert die Rotation um die Doppelbindung; genau deshalb sind cis- und trans-But-2-en zwei verschiedene, bei Raumtemperatur beständige Stoffe mit unterschiedlichen Siedepunkten. Ein Racemat enthält beide Enantiomere zu gleichen Teilen, ihre Drehwerte heben sich exakt auf – es ist optisch inaktiv. Für die Klausur zählt die Abstufung: Konstitutionsisomere unterscheiden sich in der Verknüpfung, Stereoisomere nur in der räumlichen Anordnung; unter diesen sind Enantiomere Bild und Spiegelbild, alle übrigen heißen Diastereomere.
Lösung:
Reaktionsgleichung: CH₃–COOH + HO–CH₂–CH₃ ⇌ CH₃–COO–CH₂–CH₃ + H₂O
Reaktionstyp: Veresterung, eine Kondensation aus Carbonsäure und Alkohol; das Produkt ist Essigsäureethylester. Bedingungen: katalytische Menge konzentrierter Schwefelsäure, Erwärmen. Das Wasser entsteht aus der OH-Gruppe der Säure und dem H-Atom der Alkoholgruppe.
Ausbeute: Es handelt sich um ein Gleichgewicht. Man verschiebt es nach rechts, indem man das entstehende Wasser laufend entfernt oder einen der beiden Ausgangsstoffe im Überschuss einsetzt. Der Katalysator beschleunigt nur die Einstellung des Gleichgewichts, verschieben kann er es nicht.
Abgrenzung: Die Verseifung spaltet den Ester mit Lauge: CH₃–COO–CH₂–CH₃ + NaOH → CH₃–COO⁻ Na⁺ + HO–CH₂–CH₃. Sie läuft praktisch vollständig ab, weil das mesomeriestabilisierte Carboxylat-Ion dem Gleichgewicht entzogen wird. Die echte Umkehrung der Veresterung ist dagegen die saure Hydrolyse, die ein Gleichgewicht bleibt.
Der häufigste Fehler ist, die Verseifung als bloße Umkehrung der Veresterung zu bezeichnen. Die Umkehrung ist die saure Hydrolyse; die alkalische Spaltung liefert ein Salz, das nicht zurückreagiert. Der zweite typische Fehler betrifft das Wasser: Es entsteht aus der OH-Gruppe der Säure und dem H-Atom des Alkohols – der Sauerstoff der Esterbrücke stammt also aus dem Alkohol, was sich mit markiertem Sauerstoff nachweisen lässt. Für die volle Punktzahl müssen Gleichung, Katalysator, Gleichgewichtslage und Abgrenzung genannt sein.
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