Unter Alkenen (früher auch Olefine) versteht man Kohlenwasserstoffe mit einer Doppelbindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen. Die Doppelbindung kann sich dabei an beliebiger Position befinden. Alkene sind ungesättigte Verbindungen im Gegensatz zu den Alkanen, bei denen alle Valenzen des Kohlenstoffatoms abgedeckt sind. Alkene kommen im geringen Maßstab im Erdöl vor, in der Natur wird es als Pheromon und Phytohormon verwendet.
Alkene bilden eine homologe Reihe mit der allgemeinen Summenformel CnH2n beginnend mit dem Ethen. Der veraltete Name Olefine ergibt sich aus dem alten Namen Olefin von Ethen, da es mit Halogenen ölige, wasserunlösliche Flüssigkeiten bildet. Es gibt auch cyclische Alkene, die Cycloalkene, deren wichtigster Vertreter das Cyclohexen ist.
Alkene mit zwei Doppelbindungen nennt man Diene und Alkene mit drei Doppelbindungen nennt man Triene, allgemein werden diese Polyene genannt.
Eigenschaften
Die Alkene sind von Ethen (C2H4) bis Buten (C4H8) gasförmig und damit leichtflüchtig. Von Penten mit 5 bis zu Pentadeken mit 15 Kohlenstoff-Atomen sind die Alkene flüssig. Alkene mit mehr als 15 Kohlenstoffatomen sind fest. In Wasser sind Alkene unlöslich, sie verbrennen mit rußender Flamme. Die Alkene sind reaktionsfreudig. Die schwache Doppelbindung bietet einen Angriffspunkt für Reagenzien. Alkene reagieren mit Halogenen zu Alkan-Halogenen. Dies geschieht durch eine elektrophile Addition.
Isomere
Neben der normalen Isomerie, bei der die Kohlenstoffatome unterschiedliche angeordnet sind, können bei Alkenen noch weitere Isomere auftreten: Die cis-trans-Isomerie und die Anordnung der Doppelbindung (Strukturisomerie).
Die Anordnung der Doppelbindung in der Kohlenstoffkette wird im Namen durch eine Zahl angegeben. Für die Zahl wird die Kohlenstoffkette nummeriert, sodass das Kohlenstoffatom mit der Doppelbindung immer die kleinste Zahl erhält.
Da die Doppelbindung im Gegensatz zur Einfachbindung nicht frei drehbar ist, kann es bei anhängenden Atomen oder Atomgruppen an der Doppelbindung zu zwei möglichen Anordnungen kommen. cis-trans-Isomere unterscheiden sich in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften. Sie lassen sich über das Dipolmoment und über IR-Spektroskopie unterscheiden. Während das cis im Verbindungsnamen erwähnt wird, kann man das trans auch weglassen.
Am Beispiel der isomeren 2-Butene lässt sich die cis-trans-Isomerie nachvollziehen. Beim cis-2-Buten liegen beide Methylgruppen als Kettenreste diesseits (lat. cis), das heißt auf der gleichen Seite. Beim trans-2-Buten liegen die Methylgruppen auf der jeweils anderen Seite der Doppelbindung (lat. trans).
Verwendung
Aufgrund der recht reaktiven Doppelbindung, sind Alkene wichtige Ausgangsstoffe für viele andere Grundstoffe der chemischen Industrie.
Alkene werden als Treibstoffe und zur Herstellung von Halogenwasserstoffen, Alkoholen und Ketonen, Glykolen und Olefinoxide, von Kunststoffen und Waschmittelkomponenten gebraucht. Propen wird zur Synthese verwendet von Glycerin, Phenol, Isopropylalkohol, Epoxyharzen oder zur isotaktischen Polymerisation bennötigt.
Herstellungsverfahren
Alkene können durch thermisches Cracken von höheren Kohlenwasserstoffen bei ungefähr 1000 °C hergestellt werden, wobei Ethen, höhere Alkene oder Diene entstehen. Eine unwirtschaftliche Methode ist die Dehydratisierung von Alkoholen. Bei Anwesenheit eines Katalysators wie Schwefelsäure reagieren die Alkohole unter Abspaltung der Hydroxylgruppe (-OH) zu Alkenen und Wasser.
Typische Reaktionen
Der für Alkene typische Reaktionsmechanismus ist die Elektrophile Addition. Auf dieser Reaktion beruht auch die typische Nachweismethode für Alkene, die Bromwasserprobe. Gibt man Alkene oder andere ungesättigte Kohlenwasserstoffe mit Brom zusammen, wird Brom an das Alken addiert und es tritt eine rasche Entfärbung des Gemisches ein.
Addition von Brom (Bromierung)
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Addition von Halogenwasserstoffen
Ähnlich wie bei der Elektrophilen Addition von Halogenen an Alkenen, findet die Reaktion mit Halogenwasserstoffen statt. Da das Molekül aus zwei verschiedenen Atomen besteht, gibt es bei unsymmetrischen Alkenen zwei mögliche Produkte. Allerdings ist die Anlagerung nicht beliebig, denn es gibt nach der Markownikoff-Regel eine bevorzugte Variante..
Regioselektive Reaktion - Markownikoff-Regel
Mit einer regioselektiven Reaktion, bezeichnet man eine chemische Veränderung, die vorzugsweise an einer von mehreren möglichen Stellen eintritt. Bei Alkenen besagt die Markownikoff-Regel, dass bei der Anlagerung von Halogenwasserstoffen das Halogen bevorzugt an das Kohlenstoff wandert, das die wenigsten Wasserstoffatome besitzt.
Grund dafür ist, das Alkylgruppen als Elektornendonatoren wirken, das heißt sie begünstigen die Verteilung (Delokalisation) der positiven Ladung. Die Stabilität der positiven Carbeniumionen ist um so großer, je mehr Alkylgruppen an dem geladenen Kohlenstoffatom hängen. Deshalb ist ein tertiäres Carbeniumionen stabiler als ein sekundäres und ein primäres C-Atom. Das Stabilisieren des Carbeniumions (oder auch Carbo-Kations) nennt sich auch Induktiver Effekt (hier Elektronen schiebend).
Abweichungen von der Markownikoff-Regel treten bei der Reaktion von Allylverbindungen auf.
Bei Reaktionen mit Radikalmechanismus (also Vorhandensein eines Radikalstarters und Licht/Strahlung) kommt es zu Anti-Markovnikoff-Additionen.
Reaktion mit konzentrierte Schwefelsäure
Die Anlagerung erfolgt nach der Markownikoff-Regel. Technisch dient dieses Verfahren zur Darstellung von Alkoholen aus Alkenen. Alkylschwefelsäure sind durch Hydrolyse leicht in Alkohole überführen.
Reaktion mit Hypochloriger Säure
Diese Reaktion ist regioselektiv. Das Chloratom lagert sich an das C-Atom an, welches die meisten Wasserstoff-Atome trägt. Ebenso läuft die Reaktion mit Nitrosylchlorid und Nitrosylbromid an Alkene anlagern.
Reaktion mit einem Oxidationsmittel
Die Oxidation erfolgt entweder mit Osmiumtetroxid oder mit alkalischer Kaliumpermanganatlösung. Zuerst entsteht unter einer cis-Addition ein cyclisches Ester, die Hydrolyse führt zu Glykol.
Ozonierung von C=C-Doppelbindungen
Wenn Ozon in wasserfreies Alken geleitet wird, bilden sich Ozonide, die im trockenen Zustand explosiv sind. Die Ozonolyse ist für die Ermittlung des Aufbaus einer Kohlenstoffkette eine wichtige Reaktion, da die Spaltprodukte Aufschluß über die Lage der Doppelbindung geben. Das Ozon kann dunkle Entladung aus Luftsauerstoff in einem Ozonisator erzeugt werden.
Katalytische Hydrierung
Die Hydrierung, das heißt das Aufbrechen der Doppelbindung und Anlagerung von Wasserstoff, mit Hilfe eines Katalystors. Die Reaktion erfolgt bei Raumtemperatur in Gegenwart von Platin oder Palladium, das mit Wasserstoff gesättigt ist. Beispiel:
Polymerisation
Eine der wichtigsten Umsetzungsreaktion der Alkene und ihrer Verbindungen (Derivate) ist die Polymerisation. Die Kettenbildung erfolgt unter einer Aufspaltung der Doppelbindung und einer Verküpfung unter Zusammensetzung dieser Elektronen für neue Einfachbindungen. Ein wichtiges Polymer ist das Polyethen, sowie die halogenierten Polyvinylchlorid (PVC) und Polytetrafluorethen (Teflon).
Nachweis
Zum Nachweis, besonders zur Unterscheidung von den Alkane, wird Ethen in das braune Bromwasser eingeleitet. Die Alken-Moleküle addieren an jedem C-Atom der C=C-Doppelbindung nach dem Reaktionsmechanismus der elektrophilen Addition ein Brom-Atom; als Reaktionsprodukt bildet sich das Halogenalkan 1,2-Dibromethan. Das Bromwasser entfärbt sich aufgrund dieser Reaktion, ein eingeleitetes Alkan würde das Bromwasser nicht entfärben. Alkene entfärben auch aufgrund desselben Reaktionsmechanismus eine angesäuerte, violette Kaliumpermanganat-Lösung, diese Reaktion wird Baeyersche Probe genannt. Diese Nachweise sind aber nicht sehr spezifisch, Alkene können durch sie nicht von Alkinen unterschieden werden.
Literatur
- Beyer, Walter: Lehrbuch der organischen Chemie. S. Hirzel-Verlag, Stuttgart, 1991
- Vollhardt: Organische Chemie. VCH, Weinheim, 1990