Sulfonierung von Benzol

Hallo, liebe an Chemie Interessierte, hier ist wieder André. Heute möchte ich Euch ein Video über die Sulfonierung von Benzol vorstellen. Welche Voraussetzungen solltet ihr dafür mitbringen? Zum einen solltet ihr Bescheid wissen, was Benzol ist. Als nächstes wäre es schön, wenn ihr Euch bereits mit Aromaten befasst hättet. Als 3. schließlich würde ich Euch an´s Herz legen, das Video mit der Bromierung von Benzol anzuschauen. Und als 4. wäre als Übung gut, auch die Nitrierung von Benzol nachzuvollziehen. Zu jedem der einzelnen Themen gibt es bereits Videos von mir, und was die Aromaten betrifft, gibt es sogar mehrere Exemplare. Was bedeutet Sulfonierung? Nun, formal, dass zwischen einem Wasserstoffatom und einem Kohlenstoffatom die Gruppe -SO3 eingeschoben wird. In der Praxis verwendet man dafür konzentrierte Schwefelsäure, besser noch Oleum, Schwefelsäure die freies Schwefeltrioxid SO3 enthält. Das Dreieck unterhalb des Reaktionspfeils bedeutet, dass man bei dieser Reaktion unbedingt Wärme zuführen muss. Welche Voraussetzungen müssen für die Reaktion erfüllt sein? Wir haben gesehen, dass man Benzol als Sechsring mit delokalisierten p-Elektronen darstellen kann. Das kann geschehen durch die formale Struktur, durch ein Stammkugelmodell oder auch durch ein Kalottenmodell. Für unsere Belange ist die Variante des regelmäßigen Sechsecks mit eingezeichneten Kreis der 6 p-Elektronen symbolisiert, die geeignetste. Das bedeutet, dass Benzol, das von Hause aus stabil ist, für einen elektrophilen Angriff eines Agents besonders geeignet ist. Die Bildung des Elektrophils des elektronen- suchenden Teilchens geschieht durch die Reaktion von 2 Molekülen Schwefelsäure zu einen Hydronium-Ion, einem Hydrogensulfat-Ion und einem Molekül Schwefeltrioxid. Hab ich Euch da beschummelt? Ist SO3, Schwefeltrioxid, tatsächlich ein Elektrophil? Betrachten wir die Valenzstrichweise für das SO3 Molekül, hier links dargestellt, so erhalten wir noch keine Erklärung. Wenn wir aber betrachten, dass am Schwefelatom mehr als 8 Elektronen vorhanden sind, d.h. mehr als nach der Oktettregel von Nöten, besteht die Möglichkeit, dass es zu einer Elektronenseparation kommt. Das heißt, zu einer partiell positiven Ladung am Schwefelatom, bzw. an einem der Sauerstoffatome. Dieses kann zu 3 mesomeren Grenzstrukturen führen. Wenn man eine zweifache Ladungsseparation vornimmt, wie hier rechts dargestellt, erhält man zusätzlich 3 mesomere Grenzstrukturen. Mit diesem einfachen Modell können wir zeigen, dass im Schwefeltrioxidmolekül ein Ladungsmangel am Schwefelatom besteht. Am Schwefelatom gibt es eine positive elektrische Ladung. Damit ist Schwefeltrioxid ein Elektrophil. Der Angriff des Elektrophils Schwefeltrioxid SO3 erfolgt, indem die positive Ladung, die am Schwefelatom sitzt, mit der negativen Ladung des Elektronensextetts des Benzolringes koordiniert. Es bildet sich der sogenannte π-Komplex. Die Hybridisierung aller Kohlenstoffatome am Benzolring bleibt erhalten, sp2. Bemerkung: Aus Gründen der Übersichtlichkeit habe ich nur die Ladung eines mesomeren Falles am Schwefelatom eingetragen 2+. Nun erfolgt der Schlüsselschritt der Reaktion. Die Bildung des Sigmakomplexes. Das SO3 Teilchen migriert aus seiner zentralen Stellung von den 6 π-Elektronen zu einem der Kohlenstoffatome. Dieses verliert seine sp2 Hybridisierung und erreicht eine sp3 Hybridisierung. An diesem Kohlenstoffatom befindet sich der Wasserstoff und die Gruppe -SO3. Die positive Ladung wird über alle 5 Kohlenstoffatome, die nach wie vor sp2 hybridisiert sind, delokalisiert. Das Gleiche geschieht mit den 4 noch vorhandenen π-Elektronen. Als Ergebnis erhält man den bereits von der Bromierung und Nitrierung des Benzols wohl bekannten σ-Komplex. Und noch einmal zur Festigung: Am Kohlenstoffatom mit der -SO3 Gruppe ist die Hybridisierung sp3. Alle anderen Kohlenstoffatome sind sp2 hybridisiert. Den jetzt folgenden Exkurs kann man beim erstmaligen Anschauen des Videos auslassen. Um die energetische Struktur des σ-Komplexes zu verstehen, habe ich ihn mit einer einzigen, mesomeren Grenzstruktur diesmal ausführlich gezeichnet. Es ist zu sehen, dass neben der Mesomerie des Ringes auch eine Mesomerie der -SO3 Gruppe vorliegt. Allein die Mesomerie führt zur Stabilisierung des σ-Komplexes. Im Ring können wir 3 mesomere Grenzstrukturen zählen. Das gleiche gilt für den -SO3^- Rest. Kombinieren wir diese Strukturen miteinander, erhält man 3×3=9 mesomere Grenzstrukturen. Damit ist das System mesomeriestabilisiert. Dem gegenüber erfährt der σ-Komplex eine Destabilisierung durch die Ladungsseparation, d.h. die Trennung von Ladung innerhalb des Moleküls. Als Ergebnis ist festzustellen, dass der σ-Komplex relativ instabil ist, im Vergleich zu den Komplexen der Bromierung oder Nitrierung. Der finale Schritt der Sulfonierung von Benzol ist die Abspaltung des Protons. Dabei erhält man ein Ion, das sogenannte Sulfonat-Ion. Anschließend laufen 2 weitere Reaktionen ab. Die Bildung von Schwefelsäure aus dem Proton und dem Hydrogensulfat-Ion sowie die Vereinigung des Sulfonat-Ions mit dem Hydronium-Ion zu Benzolsulfonsäure und Wasser. Zum Abschluss nur noch die Bruttoreaktion. Benzol reagiert mit konzentrierter Schwefelsäure, vorzugsweise Oleum, zur Benzolsulfonsäure. Es entsteht Wasser. Die Darstellung der Reaktion ist nur hier bedingt richtig. Unter anderen findet die Stöchiometrie keinen exakten Niederschlag. Die Komplexität des Mechanismus der Reaktion wird nicht berücksichtigt. Zum Schluss das Fazit: Die Sulfonierung von Benzol ist eine elektrophile aromatische Substitution. Eine Substitution am Kern. So, das wär's auch wieder für heute. Ich bedanke mich für eure Aufmerksamkeit, wünsche euch viel Erfolg und vielleicht sehen oder hören wir uns wieder. Tschüss.