Alkene
Struktur und Eigenschaften
Alkene sind Kohlenwasserstoffe, die mindestens eine Doppelbindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen zwischen zwei Molekülen aufweisen.
Alkene mit einer Doppelbindung bilden eine homologe Reihe mit der allgemeinen Formel
CnH2n
Das einfachste Alken ist das Ethen mit zwei Kohlenstoffatomen:
Ethen ist planar aufgebaut. Alle Atome liegen auf einer Ebene und der Bindungswinkel beträgt 120°.
Im Gegensatz zu Alkanen sind Alkene nicht linear aufgebaut, sondern zeigen einen "Knick" an der Doppelbindung. Daher können sich die Moleküle nicht so dicht aneinander lagern wie die Alkanmoleküle, die Van-der-Waals-Kräfte zwischen den Molekülen ist geringer und die Schmelz- und Siedepunkte sind geringfügig niedriger als bei den Alkanen.
Siedetemperaturen der Alkane und Alkene.
Wie die Alkane sind die Alkene unpolar und lösen sich demzufolge fast nicht in polaren Lösungsmitteln wie Wasser. An den Doppelbindungen liegt eine hohe Elektronendichte vor, weswegen Alkene sehr reaktionsfreudig sind.
Nomenklatur und Isomerie
Alkene führen die Endung -en im Namen. Ansonsten ähnelt die Nomenklatur der der Alkane, wobei zu beachten ist, dass es selbstverständlich kein Methen geben kann, das eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung vorhanden sein muss. Demnach heißen die ersten Alkene Ethen, Propen, Buten, Penten, usw.
Die sogenannten n-Alkane haben die Doppelbindung jeweils am ersten Kohlenstoffatom. n-Buten wird auch als 1-Buten oder But-1-en bezeichnet. Eine strukturisomere Verbindung von 1-Buten ist 2-Buten oder But-2-en.
Die strukturisomeren Verbindungen 1-Buten (But-1-en) und 2-Buten (But-2-en)
Polyene enthalten mehr als eine Doppelbindung. So finden wir im Pentadien zwei davon, wobei verschiedene Anordnungen möglich sind, nämlich Penta-1,2-dien, Penta-1,3-dien und Penta-1,4-dien.
\begin{align*}
&\ce{H2C=C=CH-CH2-CH3} & \text{Penta-1,2-dien} \\ \\
&\ce{H2C=CH-CH=CH-CH3} & \text{Penta-1,3-dien} \\ \\
&\ce{H2C=CH-CH2-CH=CH2} & \text{Penta-1,4-dien}
\end{align*}
$$
Benachbarte Doppelbindungen werden als kumuliert bezeichnet (z.B. Penta-1,2-dien). Wechseln sich Doppelbindungen und Einfachbindungen ab, befindet sich also genau eine Einfachbindung zwischen zwei Doppelbindungen, spricht man von konjugierten Doppelbindungen (z.B. Penta-1,3-dien). Liegen mindestens zwei Einfachbindungen zwischen zwei Doppelbindungen, so handelt es sich um isolierte Doppelbindungen (z.B. Penta-1,4-dien).
Konjugierte Doppelbindungen sind häufig bei sekundären Pflanzenstoffen zu finden, insbesondere bei den Carotinen, die u.a. im farbigen Gemüse zu finden sind, wie eben in Karotten. Das β-Carotin bildet die Vorstufe von Retinol, welches auch als Vitamin A bekannt ist. Vitamin A ist ein fettlösliches Vitamin, wie alle sogenannten EDEKA-Vitamine (E, D, K und A), und wird hauptsächlich im Dünndarm aus Retinol synthetisiert. Hierzu muss aber gemeinsam mit dem Provitamin A Fett aufgenommen werden.
β-Carotin und Retinol.
Die Leber einiger Tiere enthält sehr viel Vitamin A. Besonders viel ist im Lebertran vorhanden, weshalb zu früheren Zeiten Kinder häufig dazu genötigt worden, Lebertran einzunehmen. Dieses wird aus der Leber verschiedener Fische hergestellt. Ein Überschuss an Vitamin A kann zu einer Hypervitaminose führen, also einem Überschuss an Vitamin. Im harmlosesten Fall lagert es sich in Zellen ab und die Menschen bekommen eine orange-gelbe Hautfarbe.
Katzen können übrigens interessanterweise nicht Vitamin A aus Retinol aufnehmen und müssen dieses mit der Nahrung aufnehmen.
Des Weiteren tritt an der Doppelbindung eine cis-trans-Isomerie auf. An der Doppelbindung ist das Molekül relativ starr und die Bindung nicht frei drehbar. Als Beispiel wollen wir uns But-2-en betrachten.
cis-But-2-en, (Z)-But-2-en, Sdp.=-139°C
trans-But-2-en, (E)-But-2-en, Sdp.=-106°C.
Im Grunde haben wir hier zwei Methylgruppen als Reste (Substituenten) an den beiden Kohlenstoffatomen, die an der Doppelbindung beteiligt sind. Hierbei ergeben sich zwei Möglichkeiten. Einmal sind die beiden Methylgruppen auf einer Seite der Doppelbindung (hier unten). Man könnte ein für "C" darauf schreiben. Das ist die cis-Form. Befinden sich die Substituenten auf entgegengesetzten Seiten, sprechen wir von der trans-Form.
Neben der cis-trans-Benennung gibt es auch die analoge Unterscheidung nach der (Z)-(E)-Isomerie. (Z) steht hier für "zusammen" und (E) für "entgegengesetzt".
Reaktionen der Alkene
Reaktion mit Halogenen
Die typische Nachweisreaktion der Alkene, also eigentlich der C-C-Doppelbindung ist die elktrophile Addition von Brom. Hierzu wird, da Brom giftig ist, normalerweise Bromwasser genutzt. Dieses wird hergestellt, indem Brom in Wasser gelöst wird. Im Wasser liegen nach wie vor Brommoleküle vor. Beim Vorhandensein von Alkenen entfärbt sich das Brom bzw. das Bromwasser. Eine Zufuhr von Energie, z.B. durch Licht wie bei der Substitutionsreaktion mit Alkanen, ist nicht notwendig.
\ce{H2C=CH2 + Br-Br -> BrH2C-CH2Br}
$$
Reaktion mit Baeyer-Reagenz
Baeyer-Reagenz wird hergestellt, indem eine verdünnte Kaliumpermanganatlösung mit Natriumcarbonat alkalisch gemacht wird. Es entstehen Alkohole mit zwei Hydroxygruppen im Molekülen. Man spricht auch von Diolen.
Durch den entstehenden Braunstein \(\ce{MnO2}\) färbt sich das Reaktionsgemisch gelb-braun.
\begin{align*}
\text{Ox: } & \ce{ H2\overset{-II}{C}=\overset{-II}{C}H2 + 2 OH- -> HOH2\overset{-I}{C}-\overset{-I}{C}H2OH + 2 e- } \quad \big \vert \cdot 3\\
\text{Red: } & \ce{\overset{VII}{Mn}O4- + 3 e- + 2 H2O -> \overset{IV}{Mn}O2 + 4 OH- } \quad \big \vert \cdot 2\\ \\
\text{Redox: } & \ce{3 H2C=CH2 + 6 OH- + 2 MnO4- + 6 e- + 4 H2O -> 3 HOH2C-CH2OH + 6 e- + 2 MnO2 + 8 OH-} \\
& \ce{ 3 H2C=CH2 + 2 MnO4- + 4 H2O -> 3 HOH2C-CH2OH + 2 MnO2 + 2 OH- }
\end{align*}
$$
Herstellung von Alkenen
Eliminierung von Ethanol
Erhitzt man gleiche Volumina von Ethanol und konzentrierter Schwefelsäure auf 160°C, so entsteht ein Gas, das Bromwasser entfärbt. Die Baeyer-Probe verläuft ebenfalls positiv.
Ethanol wird eliminiert. Wie bei jeder Eliminierung wird die Mehrfachbindung aufgelöst und als Nebenprodukt entsteht hier Wasser. Man spricht deshalb auch von einer Dehydratisierung. Das Hauptprodukt ist dann natürlich Ethen.
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\ce{H3C-CH2OH<=>[\ce{H2SO4}] H2C=CH2 + H2O}
$$
Wählt man die Temperatur etwas niedriger, entsteht hier jedoch kein Ethen sondern Diethylether.
\ce{H3C-CH2OH + HOCH2-CH3 <=>[\ce{H2SO4}] H3C-CH2-O-CH2-CH3 + H2O}
$$
Eliminierung von Ethan
Man kann Ethan mit Hilfe geeigneter Katalysatoren dehydrieren, wobei als Nebenprodukt dieser Eliminierungsreaktion Wasserstoff entsteht.
$$
\ce{H3C-CH3 ->[\text{Kat.}] H2C=CH2 + H-H}
$$
Cracken
Das Wort Cracken kommt aus dem Englischen und bedeutet soviel wie brechen.
Langkettige Kohlenwasserstoffe werden in kurzkettige Kohlenwassere unter hohem Druck, hohen Temperaturen und unter Einsatz geeigneter Katalysatoren gespalten.
So kann Hexadecan gecrackt werden, wobei z.B. Octan, Ethen, Methan und Kohlenstoff als Ruß entstehen kann.
\ce{C16H34 (l) -> C8H18 (l) + 3 C2H4 (g) + CH4 (g) + C (s)}
$$
