Elektrophile Addition - Einführung

Einführung elektrophile Addition A_E

Im Video wird der Mechanismus erklärt, mit dem Halogen-Wasserstoff-Verbindungen (z.B. HCl oder HBr) an Doppelbindungen in Alkenen addiert werden.

Der Reaktionsmechanismus der elektrophilen Addition wird als A_E abgekürzt. Elektrophil bedeutet soviel wie „elektronenliebend“ – die angreifende Komponente hat also einen Elektronenmangel den das Substrat (eine Doppelbindung o.ä.) „ausgleichen“ kann.

Mechanismus am Beispiel von Ethen (0:34)

Halogenwasserstoffe sind Dipole, denn die Halogene sind elektronegativer als Wasserstoff, ziehen also stärker an den bindenden Elektronenpaaren. Der negative Bereich des Dipols befindet sich also am Halogen-, der positive Bereich am Wasserstoffatom.

In Kohlenwasserstoffen mit Doppelbindungen, wie z.B. im Ethen, ist die Elektronendichte zwischen den doppelt gebundenen Kohlenstoff-Atomen besonders hoch – hier gibt es ja 2 bindende Elektronenpaare statt nur einem bei den „normalen“ Einfachbindungen.

Bei der elektrophilen Addition greifen die Elektronen aus der elektronenreichen Doppelbindung das positiv polarisierte Wasserstoffatom an. Dadurch werden die Elektronen der ohnehin schon polarisierten Bindung im Halogenwasserstoff noch weiter zum  Halogen hin verschoben, sodass sich eine Zwischenstufe bildet (1:32):

die bindenden Elektronenpaare im Halogenwasserstoff gehen komplett auf das Halogenatom über, es wird zu einem einfach negativ geladenem Halogenid-Ion.
Ein Elektronenpaar der Doppelbindung wird zum bindenden Elektronenpaar zum Wasserstoff-Atom, wodurch die Doppelbindung also zerstört ist. Das heißt, das Wasserstoff-Atom wird an ein Kohlenstoff-Atom der Doppelbindung addiert. Es entsteht ein Carbenium-Ion oder Carbo-Kation, also ein einfach positiv geladener Kohlenwasserstoff als Gegen-Ion zum Halogenid-Ion.

Die Elektronen des Halogenid-Ions greifen nun das positiv geladene Kohlenstoff-Atom an, es kommt zu einer weiteren Atombindung. Das Endprodukt ist also Mono-Halogen-Ethan. An den einen Kohlenstoff der Doppelbindung wurde das Wasserstoff-Atom, an den anderen das Halogen-Atom addiert.

Elektrophile Addition II

Bei der elektrophilen Addition reagieren ungesättigte Kohlenwasserstoffe, also Alkene oder Alkine, mit Elektrophilen, die die Reaktion auslösen. Ein Elektrophil ist eine Elektronenmangelverbindung.

1. Beispiel: Addition von Brom Br₂ an Ethen (0:27)

Das einfachste Beispiel für einen ungesättigten Kohlenwasserstoff ist das Ethen. In diesem Molekül sind zwei Kohlenstoffatome durch eine Doppelbindung verbunden und jeweils noch mit zwei Wasserstoff-Atomen einfach gebunden. Im Beispiel soll an die Doppelbindung elementares Brom addiert werden.

Reaktionsvoraussetzung: Polarisierung von Br₂
Durch die Doppelbindung ist die Elektronendichte zwischen den zwei Kohlenstoff-Atomen im Ethen besonders hoch, denn vier Elektronen sind an der Bindung beteiligt.
Die zwei Brom-Atome im Br₂-Molekül teilen sich ihr bindendes Elektronenpaar sozusagen gleichmäßig, sie sind beide gleich elektronegativ, ziehen also gleich stark an den Elektronen. Daher ist die Bindung im Brom absolut kovalent und nicht polarisiert. Gerät nun ein
Br₂-Molekül in die Umgebung der Doppelbindung so wird das unpolare Molekül durch die Doppelbindung polarisiert: Die Elektronen in der Doppelbindung stoßen die freien Elektronenpaare des näheren Brom-Atoms ab (dieses Phänomen kann man mit dem Grundprinzip der van-der-Waals-Wechselwirkung vergleichen – hier werden Dipole induziert).

Im Br₂-Molekül wird deshalb die Elektronendichte in der Nähe der Doppelbindung niedriger (= positiver Bereich des polarisierten Brom-Moleküls) und weiter entfernt von der Doppelbindung höher (= negativer Bereich des polarisierten Brom-Moleküls). Aus dem unpolaren Brom-Molekül ist ein polarisiertes Brom-Molekül mit negativer und positiver Partial-Ladung geworden.

Erster Reaktionsschritt: die Addition (2:10)
Das partial positiv-geladene Brom-Atom reagiert mit den Elektronen der Doppelbindung zunächst zu einem sogenannten п-Komplex. Aus diesem bildet sich dann eine σ-Bindung, dh. ein Elektronenpaar der Doppelbindung wird zum bindenden Elektronenpaar zum partial positiv-geladenen Brom-Atom. Dadurch wird die kovalente Bindung im Brom-Molekül gebrochen, das bindende Elektronenpaar geht vollständig auf das negativierte Brom-Atom über, das zum Bromid-Ion wird.

Die Zwischenprodukte der Reaktion sind also ein Bromid-Ion und einfach positiv geladenes Carbenium-Ion oder Carbo-Kation – eine cyclische Zwischenstufe. Es handelt sich dabei um einen Dreiring ähnlich eines Epoxides wobei hier eine postive Ladung im Ring verteilt vorliegt – das sogenannte Bromomiumion.

Zweiter Reaktionsschritt, die Anti-Addition (4:10)
Die freien Elektronenpaare des Bromid-Ions, greifen nun das positiv geladene Kohlenstoff-Atom von der anderen Seite her an, daher heißt der zweite Reaktionsschritt Anti-Addition. Es bildet sich eine zweite Atombindung zwischen den ehemaligen Ionen.
An jedes der zwei Kohlenstoff-Atome wurde also ein Brom-Atom addiert. Das Reaktionsprodukt heißt somit 1,2-Dibromethan.

2. Beispiel: Addition von Bromwasserstoff (5:01)
Das Reaktionsprinzip ist hier genau dasselbe, nur dass Bromwasserstoff dissoziiert vorliegt als Bromid-Ion Br^- und Proton H⁺. Dh. die Reaktionsvoraussetzung, die Polarisierung der zu addierenden Verbindung, ist schon erfüllt.
Der Angriff erfolgt wieder durch das Elektrophil, also in diesem Fall durch das Proton. Durch Kontakt mit den Elektronen der Doppelbindung bildet eines der zwei Kohlenstoff-Atome eine σ-Bindung zum Proton aus, es entsteht wieder das Zwischenprodukt, ein Carbo-Kation oder Carbenium-Ion (C₂H₅⁺). Dieses bildet durch die Anti-Addition eine weitere Bindung zum Bromid-Ion aus, es entsteht als Reaktionsprodukt Monobromethan.

Dies waren zwei sehr einfache Beispiele für die elektrophile Addition. Reagieren kompliziertere ungesättigte Kohlenwasserstoffe, so gilt es einige weitere Regeln zu beachten, z.B. die Regel von Markownikow.