Stoffklassen, Bindungsmodelle und Analytik
Das Themenfeld Stoffklassen, Bindungsmodelle und Analytik verbindet Struktur und Eigenschaften: Siedepunkte und Löslichkeit folgen aus zwischenmolekularen Kräften, Reaktivität aus den Bindungsverhältnissen, die Strukturaufklärung aus IR, NMR, Massenspektrometrie und nasschemischen Nachweisen.
Stoffklassen und Eigenschaften
Alkane sind unpolar (London-Kräfte), Alkohole bilden Wasserstoffbrücken und sieden daher deutlich höher als gleich schwere Alkane; ihre Wasserlöslichkeit sinkt mit der Kettenlänge. Ether und Ester können untereinander keine Wasserstoffbrücken ausbilden und sieden niedriger als die entsprechenden Alkohole oder Carbonsäuren. Carbonsäuren dimerisieren über Wasserstoffbrücken und haben pKs-Werte um 4 bis 5. Aldehyde und Ketone sind über den Carbonyl-Dipol polar.
Bindungsmodelle
Nach EPA/VSEPR stoßen sich Elektronenpaare ab: Tetraeder 109,5°, trigonal-planar 120°, linear 180°. Freie Elektronenpaare verkleinern die Winkel (NH3 107°, H2O 104,5°). Am Carbonylkohlenstoff liegt sp2-Hybridisierung vor; die Mesomerie erklärt die negative Teilladung am Sauerstoff und die elektrophile Angreifbarkeit des Kohlenstoffs. Elektronegativitätsdifferenzen steuern Polarität, Bindungslänge und Bindungsenergie.
Analytik
IR: breite O–H-Bande 3200–3600 cm–1, C=O 1650–1750 cm–1 (Ester höher als Keton), C–H 2900 cm–1, Aldehyd-C–H bei ca. 2720 cm–1. 1H-NMR: Zahl der Signale gleich Zahl nichtäquivalenter Wasserstoffe, Integration gleich Mengenverhältnis, Aufspaltung nach n+1, chemische Verschiebung (Aldehyd 9–10 ppm, Aromat 7–8, CH3 0,9–1,5). MS: Molekülion M+, Isotopenmuster (Cl, Br), charakteristische Fragmente. Nasschemisch: Fehling und Tollens für Aldehyde, Bromwasser oder Baeyer-Probe für C=C, Carbonat-Test für Carbonsäuren.
Beispiel
Eine Verbindung C4H8O2 zeigt im IR eine Bande bei 1740 cm–1 und keine breite O–H-Bande; das Doppelbindungsäquivalent ist 1 und entspricht dem C=O. Im 1H-NMR finden sich drei Signale: Triplett 1,26 ppm (3H), Singulett 2,04 ppm (3H), Quartett 4,12 ppm (2H). Triplett und Quartett belegen eine Ethylgruppe am Sauerstoff (CH3CH2–O–), das Singulett bei 2,0 eine Methylgruppe an der Carbonylgruppe. Ergebnis: Ethylethanoat, CH3COOCH2CH3.
Typische Fehler
Siedepunkte werden allein mit der Molmasse begründet, ohne Wasserstoffbrücken zu nennen. NMR-Signale werden gezählt, ohne die Äquivalenz der Protonen zu prüfen, IR-Banden überinterpretiert. Aldehyd und Keton werden im IR nicht unterschieden, obwohl die Aldehyd-C–H-Schwingung ein zusätzliches Argument liefert. In der MS wird ein Fragment mit dem Molekülion verwechselt.