Wiley-Schnellkurs Organische Chemie II Reaktionen E-Book

David R. Klein

• Herausgeber: Wiley-VCH GmbH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Wiley Schnellkurs
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2021

Seitenzahl: 209

Beschreibung

Ist der Anfang bei der Organischen Chemie getan, geht es auch gleich weiter, denn nach den Grundlagen kommen die Reaktionen. David R. Klein erklärt Ihnen in dieser umfassend korrigierten Auflage, was Sie zu Substitutions-, Eliminierungs-, und Additionsreaktionen wissen sollten. Ein Kapitel zu Alkoholen und eine Einführung in die Synthesen runden das Buch ab. So ist dieser Schnellkurs die richtige Hilfestellung, wenn es in der Organischen Chemie ein wenig mehr als nur die Grundlagen sein soll. Mit zahlreichen Übungsaufgaben samt Lösungen können Sie Ihr Wissen gleich auch noch testen und festigen.

Leseprobe

EINSTIEGSTEST – HIER KÖNNEN SIE SEHEN, WO SIE STEHEN

Zum Einstieg können Sie sich mit diesen Aufgaben orientieren. Jede Aufgabe behandelt das Thema eines Kapitels. Dabei entspricht die Aufgabennummer der Kapitelnummer. Wenn Sie es eilig haben, können Sie damit Ihre Schwächen herausfinden, und die entsprechenden Kapitel sollten Sie dann vielleicht zuerst lesen.

Zeigen Sie die Bewegung der Elektronen bei einem nucleophilen Angriff auf Pent-3-en-2-on in β-Stellung und kategorisieren Sie jeden dafür erforderlichen geschwungenen Pfeil.Warum folgt die Umsetzung von 2-Brompentan mit Chloridionen in DMSO zu 2-Chlorpentan dem SN2-Mechanismus?Warum führt die Eliminierung von HBr aus (2R,3R)-2-Brom-3-methylpentan nach dem E2-Mechanismus stereospezifisch zu (E)-Pent-2-en?Was ist das Markownikow-Produkt der Addition von Bromwasserstoff an Methylcyclohexen?Welche Produkte lassen sich durch sukzessive Oxidation von 1-Propanol erhalten? Geben Sie jeweils die Oxidationszahl des betreffenden Kohlenstoffatoms an.

LÖSUNGEN DER AUFGABEN DES EINSTIEGSTESTS

Bei dieser einfachen Reaktion finden alle drei Pfeilkategorien Verwendung: freies Elektronenpaar → BindungBindung → BindungBindung → freies ElektronenpaarDie Substitution erfolgt an einem sekundären Kohlenstoffatom, so dass die Reaktion zunächst einmal genauso gut nach SN1 wie nach SN2 ablaufen könnte. Alleine anhand des Substrats lässt sich die Frage also nicht beantworten. Es sind weitere Faktoren zu berücksichtigen: Das Chloridion ist kein übermäßig starkes Nucleophil, was eher für eine Reaktion nach SN1 spricht.Bromid ist zwar eine gute, aber keine ausgezeichnete Abgangsgruppe, so dass die spontane Entstehung des für eine Reaktion nach SN1 erforderlichen Carbokations relativ lange auf sich warten lassen dürfte. Das spricht eher für einen Reaktionsverlauf nach SN2.Ausschlaggebend ist hier das Lösungsmittel: Dimethylsulfoxid ist polar-aprotisch und begünstigt die Reaktion nach SN2.Zunächst einmal sollten Sie die Keilstrichformel in eine Newman-Projektion umwandeln (wobei Sie sich sinnvollerweise auf die Einfachbindung konzentrieren, die zu einer Doppelbindung werden soll). Nutzen Sie dann ggf. die freie Drehbarkeit um die betreffende Einfachbindung aus, um die beiden Reste, die im Zuge der Eliminierung abgespalten werden sollen, in antiperiplanare Position zueinan- der zu bringen (hier bereits erfolgt), denn nur aus dieser Konformation heraus kann die Eliminierung nach E2 erfolgen.

Mit ein wenig Übung kann man schon anhand der Newman-Projektion des Edukts die Stereochemie des Eliminierungsproduktes erkennen. Bitte beachten Sie, dass die resultierende Doppelbindung (E)-und trotzdem cis-konfiguriert ist.

Die Addition nach Markownikow basiert darauf, dass zunächst der positiv polarisierte Wasserstoff von HX die negative Ladungsdichte der Doppelbindung elektrophil angreift, so dass intermediär ein Carbokation entsteht. Bei Methylcyclohexen sind ein sekundäres und ein tertiäres Carbokation denkbar; letzteres ist allerdings durch den induktiven Effekt der Alkylreste stabiler.

Aus diesem Grund entsteht 1-Brom-1-methylcyclohexan.

Setzt man ein moderates Oxidationsmittel (wie Pyridiniumchlorochromat, PCC) ein, erhält man Propanal (a). Mit stärkeren Oxidationsmitteln (wie Natriumdichromat im schwefelsauren Medium) erhält man Propansäure (b).

Beachten Sie, dass die Oxidationszahl bei jedem Oxidationsschritt um +2 gesteigert wird.

Bibliografische Informationder Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diesePublikation in der Deutschen Nationalbibliografie;detaillierte bibliografische Daten sind im Internet überhttp://dnb.d-nb.de abrufbar.

2. Auflage 2021© 2021 Wiley-VCH GmbH, Weinheim

Original English language edition Organic Chemistry as a second language. First semester topics © 2011 by Wiley Publishing, Inc.

All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form. This translation published by arrangement with John Wiley and Sons, Inc.

Copyright der englischsprachigen Originalausgabe Organic Chemistry as a second language. First semester topics © 2011 by Wiley Publishing, Inc.

Alle Rechte vorbehalten inklusive des Rechtes auf Reproduktion im Ganzen oder in Teilen und in jeglicher Form. Diese Übersetzung wird mit Genehmigung von John Wiley and Sons, Inc. publiziert.

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Wiley und darauf bezogene Gestaltungen sind Marken oder eingetragene Marken von John Wiley & Sons, Inc., USA, Deutschland und in anderen Ländern.

Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Cover: Torge Stoffers Design, LeipzigDesign: pp030 - Produktionsbüro Heike Praetor, BerlinKorrektur: Dietmar Schmidt, Ulf Ritgen

Print ISBN: 978-3-527-53055-7ePub ISBN: 978-3-527-83583-6

Inhalt

Cover

Titelblatt

Impressum

Einführung

Wie Sie dieses Buch benutzen können

Wie Sie am besten lernen

1 Reaktionsmechanismen

Geschwungene Pfeile

Mit Pfeilen Elektronen verschieben

Zwischenstufen zeichnen

Nucleophile und Elektrophile

Basen und Nucleophile

Der Mechanismus bestimmt die Regiochemie

Der Mechanismus bestimmt die Stereochemie

Eine Liste von Reaktionsmechanismen

2 Substitutionsreaktionen

Die Reaktionsmechanismen

Faktor 1 – das Elektrophil (Substrat)

Faktor 2 – das Nucleophil

Faktor 3 – die Abgangsgruppe

Faktor 4 – das Lösungsmittel

Alle vier Faktoren verwenden

Substitutionsreaktionen lehren uns wichtige Zusammenhänge

3 Eliminierungsreaktionen

Der E2-Reaktionsmechanismus

Einfluss der Regiochemie auf den Verlauf der E2-Reaktion

Einfluss der Stereochemie auf den Verlauf der E2-Reaktion

Der E1-Reaktionsmechanismus

Einfluss der Regiochemie auf den Verlauf der E1-Reaktion

Einfluss der Stereochemie auf den Verlauf der E1-Reaktion

Substitution oder Eliminierung?

Die Funktion des Reagenzes bestimmen

Reaktionsmechanismen identifizieren

Produkte vorherbestimmen

4 Additionsreaktionen

Terminologie zur Beschreibung der Regiochemie

Terminologie zur Beschreibung der Stereochemie

H und H addieren

H und X addieren, Markownikow

H und Br addieren, Anti-Markownikow

H und OH addieren, Markownikow

H und OH addieren, Anti-Markownikow

Synthesetechniken

Br und Br addieren / Br und OH addieren

OH und OH addieren,

anti

OH und OH addieren, syn

Oxidative Alkenspaltung

Zusammenfassung aller Reaktionen

5 Alkohole

Alkohole benennen und kategorisieren

Die Löslichkeit von Alkoholen bestimmen

Die relative Acidität eines Alkohols abschätzen

Alkohole herstellen: Eine Zusammenfassung

Alkohole per Reduktion herstellen

Alkohole mithilfe von Grignard-Reaktionen herstellen

Methoden zur Herstellung von Alkoholen: eine Zusammenfassung

Reaktionen mit Alkoholen: Substitution und Eliminierung

Reaktionen mit Alkoholen: Oxidation

Einen Alkohol zu einem Ether umsetzen

6 Synthese

Ein-Schritt-Synthesen

Mehrschritt-Synthesen

Retrosynthese

Eigene Aufgaben erstellen

Lösungen

Stichwortverzeichnis

End User License Agreement

Orientierungspunkte

Cover

Inhaltsverzeichnis

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Einführung

In der Organischen Chemie geht esnicht ums Auswendiglernen. Viel wichtiger ist es, den Sinn der Handlung, der einzelnen Szenen und der individuellen Konzepte zu begreifen, die in Ihrer Gesamtheit unsere Geschichte erzählen. Natürlich müssen Sie trotzdem die Terminologie beherrschen (hier hilft Ihnen der Wiley-Schnellkurs Organische Chemie. Grundlagen), aber mit genügend Übung wird Ihnen auch diese Terminologie bald in Fleisch und Blut übergehen. Im Folgenden gebe ich Ihnen nun eine kurze Vorschau, was Sie in diesem Band zu den Reaktionen erwartet.

Wie der Name schon sagt, es geht in diesem Buch um Reaktionen in der Organischen Chemie. Genau genommen werde ich Ihnen erst einmal allgemein die Reaktionsmechanismen erklären. In den drei darauf folgenden Kapiteln erläutere ich jeweils, was Sie zu Substitutions-, Eliminierungs- und Additionsreaktionen wissen sollten. Zum Abschluss widme ich mich dann den Alkoholen und gebe Ihnen einen Ausblick auf die Synthese. Diese wird ausführlicher in einem Folgeband zu diesem Buch behandelt.

Wie Sie dieses Buch benutzen können

Dieses Buch soll Ihnen dabei helfen, effektiver zu lernen, damit Sie Ihre Zeit nicht sinnlos verschwenden. Es zeigt Ihnen die wichtigsten Szenen im großen Handlungsbogen Reaktionen der Organische Chemie. Dazu erläutert dieses Buch Ihnen die entscheidenden Prinzipien und erklärt, warum sie für den Rest des Kurses von Bedeutung sind. In jedem Abschnitt werden Ihnen Werkzeuge mit auf den Weg gegeben, mit denen Sie Ihr Skript und Ihre Vorlesungen besser verstehen können. Außerdem erwarten Sie zahlreiche Möglichkeiten, alle grundlegenden Fähigkeiten zu trainieren, die Sie zur Lösung von Prüfungsaufgaben benötigen. Dieses Buch ist keine Reclam-Kurzzusammenfassung der Reaktionen der Organischen Chemie. Es vermittelt Ihnen vielmehr die grundlegenden Konzepte, die Ihnen dabei helfen sollen, erfolgreich(er) zu lernen und Ihre Übungen zu meistern. Und um dieses Buch am effektivsten verwenden zu können, sollten Sie wissen, wie Sie mit diesem Kurs am besten lernen.

Wie Sie am besten lernen

Unser Schnellkurs umfasst zwei voneinander getrennte Aspekte:

Prinzipien verstehen

Aufgaben lösen

Obwohl sich diese beiden Aspekte komplett voneinander unterscheiden, werden Ihre Dozenten Ihr Verständnis der grundlegenden Prinzipien dadurch überprüfen, dass sie Sie Aufgaben lösen lassen. Daher müssen Sie beide Aspekte des Kurses meistern. Die Prinzipien finden Sie zwar vermutlich in Ihrem Skript, aber wie Aufgaben gelöst werden können, müssen Sie für sich selbst herausfinden. Die meisten Studierenden tun sich dabei sehr schwer. In diesem Buch lernen Sie einige Schritt-für-Schritt-Abläufe kennen, mit denen sich Aufgaben analysieren lassen. Dabei sollten Sie sich Folgendes möglichst rasch angewöhnen: Stellen Sie die richtigen Fragen.

Wenn Sie bei Bauchschmerzen einen Arzt aufsuchen, stellt dieser Ihnen mit Sicherheit viele Fragen: Wie lange haben Sie schon Schmerzen? Wo befindet sich der Schmerz genau? Kommt und geht der Schmerz oder ist er immer da? Was haben Sie zuletzt gegessen? Und so weiter. Dabei zeigt der Arzt zwei sehr wichtige und grundverschiedene Fähigkeiten. Zum einen hat er gelernt, die richtigen Fragen zu stellen. Und zum anderen wendet er die Erkenntnisse an, die er aus Ihren Antworten erhalten hat, um zur richtigen Diagnose zu gelangen. Bitte beachten: der erste Schritt besteht immer darin, die richtigen Fragen zu stellen.

Stellen wir uns nun vor, dass Sie ein Fast-Food-Restaurant Ihrer Wahl verklagen wollen, weil Sie sich heißen Kaffee über den Schoß gegossen haben. Sie gehen also zu einer Anwältin, die Ihnen eine Reihe von Fragen stellt, und diese ermöglichen ihr dann, ihr Fachwissen auf Ihren speziellen Fall anzuwenden. Wieder fängt es also zunächst damit an, dass Fragen gestellt werden.

Tatsächlich besteht in fast jedem Beruf das Problem zu diagnostizieren, im Ermitteln der passenden Fragestellungen. Sagen wir nun, Sie würden ernsthaft in Erwägung ziehen, selbst Arzt zu werden. In diesem Fall erheben sich eine Reihe schwieriger, grundsätzlicher Fragen, die Sie sich unbedingt beantworten sollten. Letztendlich läuft es also immer auf das Gleiche hinaus: Man muss lernen, die richtigen Fragen zu stellen.

Das Gleiche trifft auch auf das Lösen von Vorlesungsübungen zu. Unglücklicherweise wird dabei von Ihnen verlangt, dass Sie damit allein fertig werden. In unserem Buch wollen wir uns daher einige allgemeine Aufgaben-typen näher anschauen; daran können Sie lernen, welche Fragen Sie in welchem Zusammenhang stellen müssen. Und gleichzeitig werden Sie – was noch wichtiger ist – Fähigkeiten entwickeln, mit deren Hilfe Sie herauszufinden können, welche Fragen Sie bei einem Problem stellen müssen, mit dem Sie es bisher noch nie zu tun hatten.

Viele Studenten verlieren in einer Prüfung vor Nervosität fast den Kopf, wenn ihnen eine Aufgabe gestellt wird, die sie nicht lösen können. Wenn Sie hören könnten, was für Gedanken durch die Köpfe solcher Studenten schießen, würden Sie wahrscheinlich Folgendes vernehmen: »Ich schaff' das nicht … Ich werde bestimmt durchfallen.« Diese Gedanken sind jedoch kontraproduktiv und kosten nur wertvolle Zeit. Wenn alle Stricke reißen, sollten Sie daran denken, dass es immer eine Frage gibt, die Sie sich vorlegen können: »Welche Überlegung sollte ich als Nächstes anstellen?«.

Der einzige Weg zur Meisterschaft im Lösen von Aufgaben besteht darin, jeden Tag zu üben, immer und immer wieder. Wie Sie selbst ganz eigenständig Aufgaben lösen können, werden Sie niemals alleine aus Büchern lernen. Sie müssen es selbst versuchen, Sie müssen auch Fehler begehen und dann einen Anlauf wagen. Lernen Sie aus Ihren Fehlern! Reagieren Sie ruhig frustriert, wenn Sie eine Aufgabe nicht lösen können. Das gehört zum Lernprozess dazu. Wann immer Sie eine Aufgabe in diesem Buch finden, nehmen Sie einen Stift in die Hand und versuchen Sie sich daran. Überspringen Sie bloß nicht die Übungen! Diese Aufgaben sind ja gerade dazu gedacht, jene Fähigkeiten zu trainieren, die Sie brauchen, um Übungen später selbstständig lösen zu können.

Sie könnten keinen größeren Fehler begehen, als lediglich die Lösungen der Übungen zu lesen und dann zu glauben, Sie wüssten nun, wie man solche Aufgaben löst. So funktioniert das nicht. Wenn Sie es auf die Note 1 anlegen, müssen Sie ein wenig schwitzen (ohne Fleiß kein Preis). Das bedeutet nicht, dass Sie Tag und Nacht Dinge auswendig lernen sollen. Studenten, die sich nur aufs Pauken konzentrieren, mögen damit sehr viel Fleiß an den Tag legen, aber den großen Preis (die Note 1) erreicht man damit nur in den allerallerseltensten Fällen.

Dabei ist das Rezept ganz einfach: Lesen und durchdenken Sie die Prinzipien so lange, bis Sie verstehen, wie sie zusammenpassen und sich in den Gesamtzusammenhang einfügen. Danach sollten Sie die gesamte noch verbliebene Zeit dazu nutzen, Aufgaben zu lösen. Aber keine Sorge. Der Kurs ist nur halb so schwer, wenn Sie mit der richtigen Einstellung an die Sache herangehen. Dieses Buch soll Ihnen auf dem Weg des Lernens als Landkarte dienen.

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Reaktionsmechanismen

In diesem Kapitel …

erfahren Sie, was Reaktionsmechanismen sind und wozu man sie brauchtschieben Sie fröhlich Elektronen hin und hererfahren Sie anhand der Regiochemie und der Stereochemie, dass »Verstehen« wirklich besser ist als »Auswendiglernen«haben Sie die Möglichkeit, sich Ihre eigene Lernhilfe zusammenzustellen

Reaktionsmechanismen stellen den Schlüssel zum Erfolg in diesem Kurs dar. Wenn Sie die Reaktionsmechanismen meistern, werden Sie hier gut abschneiden. Wenn Sie sich vor diesem Thema drücken wollen, werden Sie Probleme bekommen. Aber was sind eigentlich Reaktionsmechanismen – und warum sind sie so wichtig?

Wenn zwei Verbindungen miteinander zu neuen, gänzlich anders gearteten Produkten reagieren, versuchen wir zu verstehen, wie die Reaktion abläuft. Jede Reaktion ist mit einer Verschiebung der Elektronendichte verbunden – Elektronen bewegen sich, so dass Bindungen gebrochen oder neu geknüpft werden. Reaktionsmechanismen veranschaulichen dabei die Bewegung der Elektronen während einer Reaktion. Der Elektronenfluss wird dabei mit geschwungenen Pfeilen verdeutlicht; zum Beispiel so:

Diese Pfeile zeigen uns, wie die Reaktion abläuft: Sie verraten uns, woher die betreffenden Elektronen kommen und wohin sie wandern. Bei den meisten Reaktionen, denen Sie in diesem Semester begegnen werden, sind die Reaktionsmechanismen wohlbekannt (obwohl es einige Reaktionen gibt, deren Mechanismen selbst heute noch diskutiert werden). Einen Reaktionsmechanismus sollten Sie sich als »Buchhaltung von Elektronen« vorstellen: Ähnlich wie die Buchhaltung den Kapitalfluss einer Firma überwacht (Geld kommt herein, Geld geht hinaus), beschreibt ein Reaktionsmechanismus den Elektronenfluss während einer Reaktion.

Wenn Sie einen Reaktionsmechanismus verstanden haben, wird Ihnen klar, warum die Reaktion stattgefunden hat, warum sich die Chiralitätszentren genau so und nicht anders verändert haben, und so weiter. Wenn Sie einen Reaktionsmechanismus hingegen nicht verstehen, werden Sie vermutlich zumindest versucht sein, sich an jedes kleinste Detail jeder winzigen Teilreaktion zu erinnern. Falls Sie nicht gerade mit einem fotografischen Gedächtnis gesegnet sind, stellt das eine große Herausforderung dar. Und außerdem ist es nicht nur unnötig anstrengend, sondern bringt auch einfach nichts: Erst wenn Sie Reaktionsmechanismen verstehen, begreifen Sie auch den ganzen Sinn dieses Kurses. Und dann werden Sie auch in der Lage sein, alle Reaktionen im Kopf zu behalten und eigenständig zu organisieren.

Im ersten Teil Ihres Kurses werden Sie die wichtigsten Reaktionsmechanismen der ganzen OC kennenlernen. Zu diesem Zeitpunkt werden Sie sich dann entweder mit dem Konzept, Elektronen mit Hilfe von Pfeilen zu verschieben, und den Reaktionsmechanismen anfreunden … oder eben nicht. Wenn Sie sich nicht auf diese Denkweise einlassen, werden Sie auch mit allen folgenden Reaktionsmechanismen Ihre Probleme haben, und dann wird jeder weiterer Schritt auf der Reise durch die Organische Chemie zum Alptraum. Es ist daher absolut unerlässlich, die Reaktionsmechanismen dieser ersten, so besonders wichtigen Reaktionen, mit denen Sie es zu tun bekommen, wirklich zu begreifen. Dann haben Sie alle Werkzeuge beisammen, die Sie für jegliche weiteren Reaktionsmechanismen in Ihrem Kurs brauchen werden.

In diesem Kapitel werden wir jedoch nicht jeden einzelnen Reaktionsmechanismus betrachten, den Sie kennen müssen. Wir werden uns stattdessen eher allgemein auf die Werkzeuge konzentrieren, mit denen Sie einen Reaktionsmechanismus korrekt lesen und die wichtigen Informationen daraus ableiten können. Sie werden einige grundlegende Ideen hinter der Elektronen-Verschiebe-Technik kennenlernen, mit denen Sie die ersten Reaktionsmechanismen bewältigen können. In der zweiten Hälfte dieses Kapitels finden Sie dann eine Reihe von Reaktionsmechanismen, an denen Sie sich im Verlaufe des Kurses immer wieder orientieren können. Mit dieser sorgfältig geordneten Reihe (die Sie selbst mit der Zeit gewiss immer weiter verlängern werden) werden Ihnen die Schlüsselinformationen direkt in die Hand gelegt, also können Sie diese Liste wunderbar als Lernleitfaden für Ihre Prüfungen nutzen.

Geschwungene Pfeile

Ich hoffe, Sie haben schon ein wenig Erfahrung im Umgang mit geschwungenen Pfeilen gesammelt. Es gibt jedoch einen gewaltigen Unterschied zwischen den geschwungenen Pfeilen, die wir bei Resonanzstrukturen einsetzen, und denen, die wir zur Beschreibung von Reaktionsmechanismen brauchen: Bei den Resonanzstrukturen haben wir gesehen, dass sich die Elektronen in Wahrheit gar nicht bewegt haben. Wir haben uns nur vorgestellt, sie würden sich bewegen, damit wir alle Resonanzstrukturen zeichnen konnten. Im Gegensatz dazu zeigen die geschwungenen Pfeile in Reaktionsmechanismen eine echte Elektronenbewegung an: Elektronen bewegen sich, um Bindungen zu lösen und neu zu knüpfen (daher der Begriff chemische Reaktion). Warum ist dieser Unterschied so bedeutsam? Zunächst müssen wir uns darüber klar werden, was diese Pfeile eigentlich bedeuten, und dann können wir uns den Regeln des Elektronenverschiebens zuwenden.

Als wir lernten, Resonanzstrukturen zu zeichnen, sind wir zwei Geboten begegnet, die wir nicht verletzen durften: (1) Brich nie eine Einfachbindung auf! und (2) Geh bei Elementen der zweiten Periode nie über das Oktett hinaus! Wenn wir Reaktionsmechanismen aufstellen, versuchen wir nachzuvollziehen, wohin sich die Elektronen bewegen, um Bindungen zu lösen und neu einzugehen. Deswegen ist es hier völlig in Ordnung, Einfachbindungen zu brechen. Das geschieht sogar bei den meisten Reaktionen. Beim Zeichnen von Reaktionsmechanismen müssen wir also nur ein Gebot befolgen: Gehe bei Elementen der zweiten Periode nie über das Oktett hinaus! Da wir nun einige der Grundregeln geklärt haben, lassen Sie uns die Eigenschaften und Arten von geschwungenen Pfeilen noch einmal kurz wiederholen. Jeder geschwungene Pfeil besitzt einen Kopf und einen Schwanz. Dabei ist es wichtig, dass sich sowohl der Kopf als auch der Schwanz eines Pfeils in einer Zeichnung an genau den richtigen Stellen befinden. Der Schwanz zeigt an, woher die Elektronen kommen, der Kopf weist dorthin, wohin sich die Elektronen bewegen:

Daher müssen Sie nur auf zwei Dinge achten, wenn Sie einen solchen Pfeil zeichnen:

Der Kopf muss an der richtigen Position sein.

Der Schwanz muss an der richtigen Position sein.

Denken Sie dabei daran, dass sich Elektronen in Orbitalen aufhalten und dabei entweder Teil einer Bindung sind oder als freies Elektronenpaar vorliegen. Der Schwanz eines Pfeils kann also immer nur an einer existierenden Bindung oder einem freien Elektronenpaar platziert werden, während der Kopf immer nur so gesetzt werden darf, dass an der Stelle, auf die er weist, eine Bindung oder ein freies Elektronenpaar entsteht. Dadurch ergeben sich vier Möglichkeiten:

Freies Elektronenpaar → Bindung

Bindung → Freies Elektronenpaar

Bindung → Bindung

Freies Elektronenpaar → Freies Elektronenpaar

Die letzte Möglichkeit funktioniert jedoch nicht, da wir nicht einfach so Elektronen von einem freien Elektronenpaar zu einem anderen verschieben können (zumindest nicht in einem Schritt). Also brauchen wir nur die ersten drei Möglichkeiten zu betrachten. Jeder Pfeil wird einer dieser drei Kategorien entsprechen. Lassen Sie uns daher nun einige Beispiele für jede der drei Möglichkeiten betrachten.

Von einem freien Elektronenpaar zu einer Bindung

Schauen Sie sich den folgenden Schritt an, bei dem eine Einfachbindung entsteht:

Der Schwanz des Pfeils steht über einem der beiden freien Elektronenpaare am Sauerstoffatom, während der Pfeilkopf eine Bindung zwischen Sauerstoff und Kohlenstoff andeutet. Da der Kopf auf ein Atom weist, scheint es, als würden sich die Elektronen vom freien Elektronenpaar eines Atoms zu einem anderen Atom bewegen, aber das ist nicht der Fall. Die Elektronen verlassen das freie Elektronenpaar des Sauerstoffatoms und bilden eine neue Bindung zum Kohlenatom aus. Wenn Sie diese Erklärung nicht glücklich macht, gibt es einen alternativen (aber etwas aufwendigeren) Weg, den Pfeil zu zeichnen, wodurch alles noch klarer wird:

Die gestrichelte Linie deutet die Bindung an, die gerade gebildet wird: Auf diese Linie lassen wir den Pfeil zeigen. Aus dieser Zeichnung geht viel besser hervor, dass der Kopf des Pfeils eine neue Bindung entstehen lässt. Wenn Sie einen gezeichneten Pfeil so wie in der ersten Abbildungen sehen (in der es wirkt, als würde er auf das Atom zeigen und nicht auf eine neue Bindung), lassen Sie sich davon bitte nicht verwirren – ein solcher Pfeil zeigt immer die Entstehung einer neuen Bindung an.

Von einer Bindung zu einem freien Elektronenpaar

Betrachten wir nun den nächsten Schritt, in dem eine Einfachbindung aufgebrochen wird:

Der Schwanz des Pfeils schwebt über einer Bindung, der Kopf weist auf ein Chloratom, an dem dann ein neues freies Elektronenpaar entsteht. In der Bindung hatten sich das Chlor- und das Kohlenstoffatom die beiden Elektronen geteilt. Nun aber wandern beide Elektronen zum Chloratom. Dadurch verliert Kohlenstoff ein Elektron, Chlor gewinnt eines hinzu, so dass Kohlenstoff eine positive Ladung erhält, Chlor eine negative Ladung.

Ein Chloratom mit einer negativen Ladung wird übrigens Chloridion genannt (die Endung -id weist auf die negative Ladung hin). In dieser Reaktion spaltet sich also das Chloratom ab und hinterlässt ein Carbokation (ein Kohlenstoff atom mit einer positiven Ladung).

Von einer Bindung zu einer Bindung

Schauen Sie sich den ersten Pfeil in der folgenden Abbildung an: Hier nutzen wir die π-Elektronen einer Doppelbindung dazu, ein Proton (H+) anzugreifen und dabei Clfreizusetzten:

Sie erinnern sich gewiss, dass eine Doppelbindung immer aus einem σ- und einem π-Anteil besteht. Dort hatten wir auch gesagt, wir bezeichnen Doppelbindungen im Allgemeinen als π-Bindungen. Das ist zwar fachsprachlich nicht ganz korrekt, spart aber unglaublich viel Zeit und ist vor allem in amerikanischen Lehrbüchern gang und gäbe. (Aber für den Fall, dass Ihr Prüfer ein echter Formalist ist, sollten Sie sich immer bewusst sein, dass diese vereinfachte Bezeichnung eigentlich falsch ist.) Also: Der Schwanz des ersten Pfeils steht über der π-Bindung, sein Kopf bildet eine Bindung zwischen dem Kohlenstoffatom und dem Proton.

Beachten Sie, dass es im obigen Beispiel zwei Pfeile gibt. Der erste Pfeil führt von einer Bindung zu einer Bindung. Der zweite Pfeil führt jedoch von einer Bindung zu einem freien Elektronenpaar. Wir sehen also, dass gleichzeitig auch mehrere Pfeile in einem Reaktionsschritt auftreten können.

Tatsächlich können sogar alle drei Pfeilarten in einem Schritt vereint sein. Betrachten Sie dazu das folgende Beispiel: