Kohlenwasserstoffe

Als Kohlenwasserstoffe werden Verbindungen bezeichnet, die ausschließlich aus den Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff aufgebaut sind. Sie bilden die Grundlage der organischen Chemie.

Durch die Anlagerung weiterer Atome oder funktioneller Gruppen entstehen aus Kohlenwasserstoffverbindungen vielfältige Stoffklassen. Zu diesen zählen beispielsweise Alkohole, Aldehyde, Ketone und Amine.

Die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Kohlenwasserstoffen werden maßgeblich durch ihre Molekülstruktur bestimmt. Dabei sind sowohl die Länge und räumliche Anordnung des Kohlenstoffgerüsts als auch die Art der Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen entscheidend.

Merke

Kohlenwasserstoffe bestehen ausschließlich aus den Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff. Alle weiteren organischen Verbindungen leiten sich von ihnen ab.

Die Klassifikation der Kohlenwasserstoffe erfolgt anhand ihrer Molekülstruktur. Dabei wird zwischen aromatischen und aliphatischen Kohlenwasserstoffen differenziert, wobei sich letztere weiter in gesättigte und ungesättigte Verbindungen unterteilen lassen.

Alkane sind kettenförmige Kohlenwasserstoffe, deren C-Atome ausschließlich durch Einfachbindungen miteinander verknüpft sind. Alle C-Atome sind daher sp³-hybridisiert. Da jedes Kohlenstoffatom die maximal mögliche Anzahl an Wasserstoffatomen trägt, bezeichnet man Alkane als gesättigt.

Unverzweigte Alkane werden entsprechend der Anzahl ihrer Kohlenstoffatome benannt. Der jeweilige Stammname erhält dabei die Endung „-an“. Für die homologe Reihe der kettenförmigen Alkane gilt die allgemeine Summenformel:

Beispiele wichtiger Alkane:

Konstitutionsisomerie:

Verzweigte Alkane werden häufig als iso-Alkane (i-Alkane) bezeichnet. Besitzen zwei oder mehr Verbindungen die gleiche Summenformel, unterscheiden sich jedoch in der Verknüpfung ihrer Atome, spricht man von Konstitutionsisomeren.

Die Konstitutionsisomerie lässt sich am Beispiel der Summenformel C₄H₁₀ verdeutlichen. Sie umfasst zwei Konstitutionsisomere:

1. Das unverzweigte n-Butan und
2. Das verzweigte iso-Butan, welches nach der systematischen IUPAC-Nomenklatur auch als 2-Methylpropan bezeichnet wird.

Cycloalkane:

Cycloalkane sind ringförmige, gesättigte Kohlenwasserstoffe. Wie bei den Alkanen sind daher alle Kohlenstoffatome sp³-hybridisiert. Ihre Benennung erfolgt durch das Voranstellen der Vorsilbe "Cyclo-" vor den entsprechenden Alkannamen. Durch den Ringschluss besitzen sie zwei H-Atome weniger als das entsprechende Alkan. Für Cycloalkane mit einem Ring gilt die allgemeine Summenformel:

Physikalische Eigenschaften:

Alkane besitzen ausschließlich unpolare C–C- und C–H-Bindungen, weshalb zwischen den Molekülen überwiegend Van-der-Waals-Kräfte wirken. Alkane sind hydrophob und in Wasser praktisch unlöslich. Sie lösen sich hingegen gut in unpolaren Lösungsmitteln wie Chloroform oder Benzol.

Mit zunehmender Kettenlänge bzw. Molekülgröße verstärken sich die Van-der-Waals-Kräfte, wodurch auch die Schmelz- und Siedepunkte ansteigen. Während kurzkettige Verbindungen unter Standardbedingungen gasförmig vorliegen, sind mittelkettige Vertreter flüssig und langkettige fest.

Reaktionsverhalten:

Gesättigte Kohlenwasserstoffe zeichnen sich durch eine geringe chemische Reaktivität aus, da ihre C–C- und C–H-Einfachbindungen über eine hohe Stabilität verfügen und sie darüber hinaus keine funktionellen Gruppen aufweisen.

Trotz ihrer geringen Reaktivität gehen gesättigte Kohlenwasserstoffe unter geeigneten Bedingungen vor allem zwei charakteristische Reaktionen ein:

• Verbrennung (Oxidation): Bei vollständiger Verbrennung entstehen CO₂ und H₂O unter Energiefreisetzung, bei Sauerstoffmangel auch das giftige Kohlenstoffmonoxid (CO).
• Radikalische Substitution (S_R): Unter Licht- oder Wärmeeinwirkung werden H-Atome durch Halogenatome ersetzt.

Cycloalkane zeigen grundsätzlich dasselbe Reaktionsverhalten wie Alkane. Kleine Ringsysteme wie Cyclopropan oder Cyclobutan besitzen aufgrund ihrer ausgeprägten Ringspannung jedoch eine erhöhte chemische Reaktivität.

 Info

Mechanismus der radikalischen Substitution (Chlorierung von Methan)

Die Reaktion verläuft als Radikalkettenreaktion in drei Phasen:

1. Startreaktion (Initiation): Licht (hν) spaltet das Chlormolekül homolytisch – jedes Chloratom erhält ein Elektron des Bindungspaares. Es entstehen zwei Chlorradikale.

Cl₂ → 2 Cl• (Licht, hν)

2. Kettenfortpflanzung (Propagation): Ein Chlorradikal entreißt dem Methan ein H-Atom. Das entstandene Methylradikal reagiert mit einem weiteren Cl₂-Molekül, wobei erneut ein Chlorradikal frei wird – die Kette läuft vielfach weiter.

Cl• + CH₄ → HCl + •CH₃

•CH₃ + Cl₂ → CH₃Cl + Cl•

3. Kettenabbruch (Termination): Treffen zwei Radikale aufeinander, verbinden sie sich zu einem stabilen Molekül (z.B. 2 Cl• → Cl₂, •CH₃ + Cl• → CH₃Cl). 

→ Bruttogleichung:

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

 Merke

Radikale sind Teilchen, die mindestens ein ungepaartes Elektron besitzen und daher sehr reaktiv sind. Die radikalische Substitution ist die charakteristische Reaktion der Alkane.

 Info

Medizinischer Bezug

Radikalkettenreaktionen laufen auch im Körper ab: Bei der Lipidperoxidation greifen Sauerstoffradikale bspw. die ungesättigten Fettsäuren der Zellmembranen an. Antioxidantien wie Vitamin E (Tocopherol) und Vitamin C wirken als Radikalfänger und brechen die Kette ab.

Ungesättigte Kohlenwasserstoffe enthalten mindestens eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Mehrfachbindung. Je nach Art der Mehrfachbindung werden sie in Alkene (C=C-Doppelbindung) und Alkine (C≡C-Dreifachbindung) unterteilt. Die in den Mehrfachbindungen enthaltenen π-Bindungen sind vergleichsweise reaktiv und bestimmen maßgeblich das chemische Verhalten dieser Stoffklasse.

Alkene

Alkene sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die mindestens eine C=C-Doppelbindung aufweisen. Aufgrund ihrer Struktur besitzen sie weniger Wasserstoffatome als entsprechende Alkane und sind chemisch reaktiver.

Die Nomenklatur unverzweigter Alkene erfolgt nach denselben Grundprinzipien wie bei den Alkanen, wobei das Suffix „-en“ die Doppelbindung kennzeichnet. Für die homologe Reihe der kettenförmigen Alkene mit einer Doppelbindung gilt die allgemeine Summenformel:

Beispiele wichtiger Alkene:

Alkine

Alkine sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe, die eine oder mehrere C≡C-Dreifachbindungen enthalten. Aufgrund der Dreifachbindung besitzen sie noch weniger Wasserstoffatome als Alkene.

Die Nomenklatur unverzweigter Alkine erfolgt nach denselben Grundprinzipien wie bei den Alkanen, wobei das Suffix „-in“ die Dreifachbindung kennzeichnet. Für die homologe Reihe der kettenförmigen Alkine mit einer Dreifachbindung gilt die allgemeine Summenformel:

Beispiele wichtiger Alkine:

Physikalische Eigenschaften

Trotz ihrer Mehrfachbindungen besitzen Alkene und Alkine einen überwiegend unpolaren Charakter. Zwischen den Molekülen wirken hauptsächlich Van-der-Waals-Kräfte, weshalb sie hydrophob sind und sich bevorzugt in unpolaren Lösungsmitteln lösen.

Mit zunehmender Kettenlänge bzw. Molekülgröße verstärken sich die intermolekularen Wechselwirkungen, wodurch die Schmelz- und Siedepunkte ansteigen.

Insgesamt unterscheiden sich die physikalischen Eigenschaften ungesättigter Kohlenwasserstoffe nur geringfügig von denen entsprechender Alkane.

Reaktionsverhalten

Die chemischen Eigenschaften ungesättigter Kohlenwasserstoffe werden maßgeblich durch ihre Mehrfachbindungen bestimmt. Während die σ-Bindungen eine hohe Stabilität besitzen, können die zusätzlichen π-Bindungen vergleichsweise leicht umgesetzt werden.

Ungesättigte Kohlenwasserstoffe sind daher deutlich reaktiver und gehen bevorzugt Additionsreaktionen ein, bei denen Atome oder Atomgruppen an die Mehrfachbindung angelagert werden.

Zu den wichtigsten Reaktionen zählen die Hydrierung, Halogenierung, Hydrohalogenierung und Hydratisierung. Darüber hinaus können ungesättigte Kohlenwasserstoffe oxidiert oder polymerisiert werden.

Wichtige Additionsreaktionen (am Beispiel Ethen):

Aromatische Kohlenwasserstoffe (Arene) stellen eine besondere Gruppe ringförmiger, planarer Kohlenwasserstoffe dar. Sie zeichnen sich durch ein delokalisiertes π-Elektronensystem aus, welches ihnen eine ausgeprägte thermodynamische Stabilität verleiht.

Damit ein Molekül als aromatisch gilt, müssen folgende Kriterien erfüllt sein:

• Cyclischer Aufbau: die Atome sind in einem geschlossenen Ringsystem angeordnet
• Planare Molekülstruktur: die Atome liegen in einer Ebene
• Vollständig konjugiertes π-System: alle Ringatome sind sp²-hybridisiert
• Erfüllung der Hückel-Regel: die Anzahl der π-Elektronen muss der Hückel-Regel (4n + 2) entsprechen, wobei n eine ganze Zahl (0, 1, 2, …) ist.

Einteilung:

Aromatische Kohlenwasserstoffe werden anhand der Anzahl ihrer aromatischen Ringsysteme in monocyclische und polycyclische Aromaten eingeteilt. Monocyclische Aromaten besitzen einen einzelnen aromatischen Ring, während polycyclische Vertreter aus mindestens zwei kondensierten aromatischen Ringsystemen bestehen.

Benzol:

Der bekannteste Vertreter monocyclischer Aromaten ist Benzol (C₆H₆). Alle Kohlenstoffatome des Benzolrings sind sp²-hybridisiert und tragen jeweils ein senkrecht zur Ringebene stehendes p-Orbital bei. Durch die Überlappung der p-Orbitale entsteht ein delokalisiertes π-Elektronensystem. Im Gegensatz zu Alkenen liegen die Doppelbindungen im Benzolring daher nicht lokalisiert zwischen einzelnen Kohlenstoffatomen vor. Stattdessen sind sie über das gesamte Ringsystem verteilt. Dieses Phänomen wird als Mesomerie bezeichnet.

Der Benzolring bildet die Grundstruktur einer Vielzahl von aromatischen Verbindungen, die durch den Austausch eines oder mehrerer Wasserstoffatome gegen funktionelle Gruppen oder Seitenketten entstehen. Zu den bekanntesten Benzolderivaten zählen Toluol, Phenol, Anilin und Benzoesäure.

Ein Beispiel für polycyclische Aromaten ist Naphthalin, dessen Molekül aus zwei kondensierten Benzolringen aufgebaut ist. Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) entstehen häufig bei unvollständigen Verbrennungsprozessen. Da viele Verbindungen dieser Stoffklasse mutagene und kanzerogene Eigenschaften besitzen, sind sie von toxikologischer sowie umweltmedizinischer Relevanz.

Physikalische Eigenschaften

Aromaten besitzen wie die übrigen Kohlenwasserstoffe überwiegend unpolaren Charakter und sind daher in Wasser nur schwer löslich. Da sie über eine gute Lipidlöslichkeit verfügen, können sich insbesondere polycyclische Aromaten in Nervensystem, Leber, Fettgewebe und Knochenmark anreichern.

Reaktionsverhalten

Das chemische Verhalten aromatischer Kohlenwasserstoffe unterscheidet sich grundlegend von dem der Alkene. Trotz ihrer Doppelbindungen gehen Aromaten kaum Additionsreaktionen ein. Stattdessen reagieren sie bevorzugt über elektrophile Substitutionsreaktionen, da hierbei das stabile aromatische System erhalten bleibt. Dabei werden Wasserstoffatome durch andere Atome oder funktionelle Gruppen ersetzt. Typische Beispiele sind die Nitrierung, Halogenierung, Sulfonierung, Alkylierung und Acylierung.

Heteroaromaten:

Enthält ein aromatischer Ring neben Kohlenstoff auch Heteroatome (meist N, O oder S), spricht man von Heteroaromaten (z.B. Pyridin, Pyrrol, Furan, Imidazol). Heteroaromatische Ringe sind Bausteine zahlreicher Biomoleküle (Nukleinbasen, Häm, Vitamine) und Arzneistoffe.

Kohlenwasserstoffe im Überblick: