Organische Ionen – Carbokationen

Hallo liebe Freundinnen und Freunde der Chemie! Herzlich willkommen zu diesem Video. Es geht wieder um diesen wohlsituierten, klugen älteren Herrn - um Gilbert Newton Lewis und um seine Lewis-Formeln. Mit anderen Worten: Man kann auch sagen, es geht um die Valenzstrichschreibweise. Heute schauen wir schon das 9. Video über Lewis-Formeln. Das Video heißt: Carbokationen. Die alten Hasen wissen bereits, was man für die Erstellung von Lewis-Formeln braucht. Man benötigt das Periodensystem der Elemente: PSE. Bei Carbokationen treffen wir im Wesentlichen 2 chemische Elemente an. Wir benötigen Kohlenstoffatome und Kohlenstoff steht in der 4. Hauptgruppe. Ein Kohlenstoffatom besitzt daher 4 Außenelektronen, die es in eine chemische Bindung eingeben kann. Das chemische Element Wasserstoff steht in der 1. Hauptgruppe. Ein Wasserstoffatom hat ein Außenelektron, das chemische Bindungen bilden kann. Steigen wir doch gleich mit einem Beispiel ein: Im Zentrum des Carbokations befindet sich ein Kohlenstoffatom. Dieses Kohlenstoffatom ist über 3 Bindungen, die jeweils Elektronenpaare darstellen, mit einem Wasserstoffatom verbunden. Es handelt sich um ein Kation. Die positive Ladung befindet sich beim Kohlenstoffatom, denn Kohlenstoff verfügt nur über 3 Elektronen, die für die Ladungszählung relevant sind. Alle Außenelektronen in diesem Teilchen sind gepaart; damit wird die Zweielektronenregel erfüllt. Für alle Wasserstoffatome wird die Edelgaskonfiguration erfüllt, denn die Wasserstoffatome besitzen die Elektronenstruktur des Edelgasatoms Helium. Das Kohlenstoffatom hingegen erfüllt die Bedingungen für die Edelgaskonfiguration nicht. Die elektronische Struktur des Edelgasatoms Neon wird nicht erreicht. Bei dem hier betrachteten Carbokation handelt es sich um das Methyl-Kation. Zwei Bemerkungen: 1. Ich ziehe diese Schreibweise mit Bindestrich zwischen den beiden Begriffen vor. 2. Unter "Methylion" versteht man mitunter auch "Methyl-Kation". Neben der bereits dargestellten Schreibweise gibt es auch noch einige andere, die in der Literatur verwendet werden. Eine Möglichkeit besteht darin, dass man die Bindungswinkel einfach hier als 90 Grad ansetzt. Eine rationale, verkürzte Schreibweise stelle ich euch hier rechts vor: CH3+. Es muss allerdings erwähnt werden, dass es sich hierbei um keine exakte Lewis-Formel handelt. Kommen wir nun zu einem etwas größeren Carbokation, das aus 2 Kohlenstoffatomen und 5 Wasserstoffatomen besteht. Es hat eine positive Ladung, die sich an einem der Kohlenstoffatome befindet. Zweifelsohne wird die Zweielektronenregel für dieses Teilchen eingehalten, denn alle Elektronen sind gepaart. Die Edelgaskonfigurationen werden für die Wasserstoffatome erfüllt. Alle Wasserstoffatome haben Heliumkonfigurationen. Für das linke Kohlenstoffatom wird die Edelgaskonfiguration des Neonatoms erreicht. Das rechte Kohlenstoffatom mit der positiven Ladung hingegen erreicht die Edelgaskonfiguration des Neonatoms nicht. Damit wird die Bedingung der Edelgaskonfiguration für das gesamte Teilchen nicht erreicht. Das Carbokation heißt "Ethyl-Kation". Das Ethyl-Kation kann wahlweise dargestellt werden als: CH3, Bindungsstrich, CH2, positive Ladung. Oder einfach: CH3CH2, positive Ladung. Oder es gibt noch die ganz kurze Schreibweise: C2H5, positive Ladung. Das nächste Beispiel für ein Carbokation ist etwas komplizierter. 3 Kohlenstoffatome sind durch Bindungen miteinander verknüpft. Am 1. und 3. Kohlenstoffatom befinden sich jeweils 2 Wasserstoffatome, am mittleren Kohlenstoffatom ein Wasserstoffatom. Zusätzlich besteht zwischen den Kohlenstoffatomen links und in der Mitte eine 2. Bindung. Die positive Ladung des Ions befindet sich am rechten Kohlenstoffatom. Es ist offensichtlich, dass die Zweielektronenregel für das gesamte Teilchen erfüllt wird, denn alle Elektronen sind gepaart. Die Edelgaskonfiguration wird für alle Atome des Ions erfüllt – mit einer Ausnahme. Und zwar betrifft diese Ausnahme das rechte Kohlenstoffatom, das die positive Ladung trägt. Es hat 2 Elektronen zu wenig, um die Edelgaskonfiguration des Neonatoms zu erreichen. Was bringt uns dieses Teilchen Neues, werdet ihr fragen. Nur wartet es einmal ab. Ich zeichne jetzt das Strukturgerüst dieses Ions noch einmal rechts daneben auf. Die ersten Bindungen sehen genauso aus wie die Bindungen in der Valenzstrukturschreibweise links daneben. Jetzt gibt es aber eine Veränderung: Die Doppelbindung hat jetzt nicht mehr den Platz zwischen den Kohlenstoffatomen links und in der Mitte, sondern zwischen dem mittleren Kohlenstoffatom und dem Kohlenstoffatom rechts. Die positive Ladung ändert ihren Platz von ganz rechts nach ganz links. Man kann die Struktur dieses Carbokations auf 2 Weisen schreiben; das wird angedeutet durch einen Doppelpfeil, der in beide Richtungen zeigt. Man sagt auch, dass man hier 2 mesomere Grenzstrukturen formulieren konnte. Es handelt sich hiermit um ein nicht-klassisches Ion (siehe auch Video 8). Der systematische Name für dieses Ion wird kaum verwendet; man nennt es hingegen fast immer "Allyl-Kation". Die rationalen Strukturen für die beiden mesomeren Grenzformeln möchte ich über den Namen dieses Ions aufschreiben. Als letztes Beispiel möchten wir ein etwas größeres Ion betrachten. Der Sechsring sieht genauso aus wie der, den wir bereits aus dem Benzol kennen (siehe Benzol-Video). Oben befindet sich anstelle des Wasserstoffatoms, was wir im Benzol hätten, die Gruppierung CH2, positive Ladung. Die Zweielektronenregel wird für alle beteiligten Atome dieses Systems eingehalten. Die Edelgaskonfiguration wird für alle Atome erfüllt – bis auf das Kohlenstoffatom, das die positive Ladung trägt. Um mit diesem System effektiv arbeiten zu können, wähle ich eine rationale Schreibweise. Ich lasse die Kohlenstoffatome einfach in den Ecken eines Sechsecks stehen. Die Wasserstoffatome schreibe ich nicht dran; lediglich die Gruppierung CH2+ bleibt am Sechsring stehen. Die 3 Doppelbindungen können wahlweise ihre Plätze tauschen. Das kennt ihr bereits aus dem Video "Benzol". Neu hingegen ist, dass die Doppelbindung von dem Kohlenstoffatom aus der Gruppierung CH2 in den Ring migrieren kann und sich eine Doppelbindung zwischen CH2 und dem Sechsring ausbildet. Die Doppelbindung kann sich im Sechsring an 3 verschiedenen Orten befinden. Wenn wir nun alle mesomeren Grenzstrukturen, die wir durch unterschiedliche Valenzstrichschreibweisen formulieren können, zusammenzählen, kommen wir auf eine Zahl von 5. Da wir mehrere Valenzstrukturen schreiben können, handelt es sich hier um ein nicht-klassisches Ion. Dieses hat den Namen "Benzyl-Kation". Man kann auch sagen "Benzyl-Ion", wenn man an die Vereinbarung denkt, die ich euch bereits genannt habe. Wir wollen zum Abschluss die klassischen und nicht-klassischen Carbokationen miteinander vergleichen. Die Einteilung wird gewählt, wenn man die Zahl der möglichen Valenzstrichformeln miteinander vergleicht. Klassische Carbokationen lassen sich nur auf eine Weise als Valenzstrichformeln schreiben. Bei nicht-klassischen Strukturen hingegen gibt es immer mehrere Möglichkeiten. Als Beispiele für klassische Carbokationen haben wir in diesem Video das Methyl-Kation und das Ethyl-Kation vorgestellt. Nicht-klassische Carbokationen sind zum Beispiel das Allyl-Kation und das Benzyl-Kation. Klassische und nicht-klassische Carbokationen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Stabilität. Klassische Ionen zeigen eine geringe Stabilität, nicht-klassische Ionen sind mesomeriestabilisiert, sie haben eine hohe Stabilität. Wir können somit resümieren: Die Zahl der mesomeren Grenzstrukturen ist ein Maß für die Stabilität eines Carbokations. Das wär's wieder für heute. Schreibt mir, was ich noch besser machen kann. Und schreibt mir auch, was euch gefallen hat. Alles Gute. Tschüss!