Nitrierung von Benzol

Nitrierung von Benzol Übung

• Nenne den Reaktionstypen, bei dem es sich um die Nitrierung von Benzol handelt.

  Tipps

  Bei die Nitrierung werden zwei Atome miteinander ausgetauscht. Wie heißt der Fachbegriff für Austausch?

  Überlege, welche Ladung das Nitronium-Ion hat.

  Lösung

  In der organischen Chemie gibt viele verschiedene Reaktionstypen. Die Nitrierung von Benzol gehört zum Reaktionstyp elektrophile Substitution. Bei dieser Reaktion werden zwei Atome miteinander ausgetauscht, sie werden substituiert. In diesem Fall wird das Wasserstoffatom des Benzols durch das Nitronium-Ion ausgetauscht. Das Nitronium-Ion ist ein Kation, es ist also positiv geladen - $NO_2^+$. Es ist deshalb ein Elektrophil. Elektrophile sind positiv geladene Ionen oder sie sind Teilchen, die allgemein ein sehr großes Bestreben haben, Elektronen aufzunehmen.

• Benenne die Stoffe in der Reaktionsgleichung zur Herstellung des Nitronium-Ions.

  Tipps

  Ionen besitzen immer eine Ladung.

  Welche zwei Säuren sind die Ausgangsstoffe?

  $H_3O^+$ wird auch als Oxonium-Ion bezeichnet.

  Lösung

  Die Salpetersäure $HNO_3$ allein genügt nicht, um das Nitronium-Ion $NO_2^+$ dazustellen. Dafür benötigt man ein Gemisch aus Salpetersäure und konzentrierter Schwefelsäure $H_2SO_4$. Dieses Gemisch wird auch als Nitriersäure bezeichnet. Daraus lässt sich dann das gewünscht Nitronium-Ion darstellen. Als Nebenprodukt dabei entsteht das positiv geladene Hydronium-Ion $H_3O^+$ und das negativ geladene Hydrogensulfat-Ion $HSO^{-}_{4}$.

• Erläutere den Reaktionsverlauf der Nitrierung von Benzol.

  Tipps

  Die Satzanfänge helfen dir bei der Bestimmung der Reihenfolge.

  Beim $\pi$-Komplex ist das Nitronium-Ion noch nicht fest an das Molekül gebunden.

  Überlege, ob der $\sigma$- oder der $\pi$-Komplex über drei mesomere Grenzstrukturen dargestellt werden kann.

  Lösung

  Bei der Nitrierung von Benzol handelt es sich um eine elektrophile Substitution. Das Elektrophil in dieser Reaktion ist das Nitronium-Ion. Es ist ein Elektrophil, weil es positiv geladen ist und somit negative Ladung anzieht. Das Nitronium-Ion wird aus der Nitriersäure dargestellt. Danach verbindet sich das Ion mit dem Elektronensextett des Benzols. Es entsteht der sogenannte $\pi$-Komplex. Bei diesem Komplex sind noch alle sechs $\pi$-Elektronen erhalten und das Nitronium-Ion ist über diese verteilt. Danach bindet sich das Nitronium-Ion fest an eines der sechs Kohlenstoffatome. Dieser Zustand wird als $\sigma$-Komplex bezeichnet. Die positive Ladung und die $\pi$-Elektronen sind über die restlichen fünf Kohlenstoffatome delokalisiert. Diese Situation kann mit drei mesomeren Grenzstrukturen dargestellt werden. Als Letztes spaltet sich das Proton ab und es ist Nitrobenzol entstanden.

• Erkläre die Zustände im sigma- bzw. pi-Komplex.

  Tipps

  Überlege, wie viele $\pi$-Elektronen sich im Benzolring befinden.

  Zwischen den $\pi$-Elektronen wird etwas ausgetauscht.

  Woran bindet sich das Nitronium-Ion?

  Die Ladung des Nitronium-Ions hat keinen festen Platz im $\sigma$-Komplex.

  Lösung

  Der $\pi$- und der $\sigma$-Komplex sind wichtige Schritte in der Nitrierung von Benzol. Im $\pi$-Komplex geht das positiv geladene Nitronium-Ion eine Bindung mit dem Elektronensextett des Benzolringes ein. Das Ion ist aber noch nicht fest gebunden. Deshalb sind die sechs $\pi$-Elektronen auch noch frei beweglich und stehen im ständigen Ladungsaustausch. Im $\sigma$-Komplex hingegen hat sich das Nitronium-Ion fest mit einem Kohlenstoffatom verbunden. Die positive Ladung des Ions ist über die restlichen fünf Kohlenstoffatome, die nicht mit dem Ion verbunden sind, verteilt, oder besser delokalisiert. Das Gleiche gilt auch für die restlichen $\pi$-Elektronen. Mithilfe von mesomeren Grenzstrukturen, drei an der Zahl, kann diese Situation dargestellt werden.

• Bestimme die Hybdrisierung der Kohlenstoffatome im Nitrobenzol.

  Tipps

  Die Orbitale liegen in einer Ebene.

  Die Kohlenstoffatome haben einen Winkelabstand von 120 °.

  Lösung

  Ein Kohlenstoffatom kann vier Bindungen eingehen. Beim Benzolmolekül stehen den Kohlenstoffatomen jedoch nicht genügend Bindungspartner zur Verfügung. Deshalb entsteht eine gesättigte Verbindung mit Doppelbindungen. Es kommt zur Kreuzung zwischen einem 2s-Orbital und zwei 2p-Orbitalen. Dabei entstehen drei $sp^2$-Hybdridorbitale. Diese sind von der Form her dem $sp^3$-Hybridorbital sehr ähnlich. Die Hantelform ist beim $sp^2$-Hybridorbital aufgrund des größeren s-Anteils nicht so stark gestreckt. Die $sp^2$-Hybridorbitale bilden einen Winkel von 120° in einer Ebene. Diesen Zustand des Kohlenstoffes bezeichnet man auch als trigonal-planar.

• Erschließe, warum es nur drei mesomere Grenzstrukturen gibt.

  Tipps

  Zeichne das Nitronium-Ion einmal an alle Kohlenstoffatome an. Was fällt dir auf?

  Lösung

  Das Nitronium-Ion verbindet sich im $\sigma$-Komplex fest mit einem der Kohlenstoffatome. Für diese Situation gibt es nur drei mesomere Grenzstrukturen. Würde man sechs aufschreiben, also wo sich das Nitronium-Ion an jedem Kohlenstoffatom befindet, dann wäre dies nicht ganz korrekt, denn sie würden sich doppeln. Es wären die gleichen Darstellungen. Die drei Möglichkeiten des $\sigma$-Komplexes bezeichnet man auch als Resonanzstrukturen. Diese existieren nach heutigem Wissen gleichzeitig.