Chemische Bindung

Carbenium-Ionen als Reaktionsintermediate

Bei welchen Reaktionen Carbenium-Ionen als Zwischenstufe auftreten, welches Kation sich bildet und wie man den radikalischen Weg davon unterscheidet.

Prüfungsrelevanz: gut zu wissen ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze6 Punkte
  • Carbenium-Ionen sind kationische Zwischenstufen, die durch heterolytische Bindungsspaltung bei polaren Reaktionen entstehen.
  • Die ionische HBr-Addition an Propen verläuft über das höher substituierte 2-Propyl-Kation zu 2-Brompropan.
  • tert-Butanol reagiert mit HCl nach \(\mathrm{S_N1}\) über das tert-Butyl-Kation, die Pinakol-Umlagerung über ein Kation nach Protonierung und Wasserabspaltung.
  • Bei der Hydrolyse von Benzylchlorid entsteht im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt das mesomeriestabilisierte Benzylkation.
  • \(\ce{SbCl5}\) abstrahiert als Lewis-Säure Chlorid aus 3-Chlorcyclopropen und wird zu \(\ce{SbCl6-}\).
  • Mit Peroxid addiert HBr radikalisch an Propen zu 1-Brompropan, ohne Carbenium-Ion.

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Worum es geht

Carbenium-Ionen sind kurzlebige Zwischenstufen vieler polarer Reaktionen, von der Addition an Alkene bis zur Umlagerung. Wer sie in einem Reaktionsschema erkennt, kann Produkt und Mechanismus vorhersagen. Das gilt auch für die Synthese und Zersetzung von Arzneistoffen.

Reaktionen über Carbenium-Ionen

Ein Carbenium-Ion entsteht, wenn eine Bindung zum Kohlenstoff heterolytisch bricht. Das Bindungselektronenpaar geht dabei mit der Abgangsgruppe. Struktur und Stabilität stehen unter Carbenium-Ionen und mesomeriestabilisierte Kationen. Hier geht es darum, wo sie auftreten.

Typische Reaktionen

Meist gibt eine Säure den Anstoß. Ein Proton macht aus einer OH-Gruppe die gute Abgangsgruppe Wasser oder addiert an eine Doppelbindung. Alternativ zieht eine Lewis-Säure ein Halogenid ab.

Reaktion Bildung des Kations Zwischenstufe
Propen + HBr (ionisch) Protonierung der C=C-Bindung 2-Propyl-Kation (sekundär)
tert-Butanol + HCl (\(\mathrm{S_N1}\)) Protonierung, Abspaltung von \(\ce{H2O}\) tert-Butyl-Kation
Pinakol-Umlagerung Protonierung, Abspaltung von \(\ce{H2O}\) tertiäres Kation, dann 1,2-Verschiebung
Hydrolyse von Benzylchlorid Abgang von \(\ce{Cl-}\) Benzylkation
3-Chlorcyclopropen + \(\ce{SbCl5}\) Chloridabstraktion Cyclopropenyl-Kation

Bei der Addition entsteht stets das stabilere, höher substituierte Kation. Propen liefert daher 2-Brompropan (mehr dazu bei der Markownikow-Regel). Ebenso bildet ein protonierter Alkohol neben einem Cyclobutanring durch Wasserabspaltung ein tertiäres Kation. Solche Kationen sind Ausgangspunkt für Umlagerungen.

Bei Benzylchlorid ist die Bildung des Benzylkations der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Die positive Ladung verteilt sich auf die ortho- und para-Positionen. Wasser fängt das Kation anschließend ab.

Benzylchlorid verliert Chlorid, das Benzylkation wird mit vier Grenzformeln gezeigt, dann greift Wasser an.

Benzylchlorid bildet ein mesomeriestabilisiertes Benzylkation, das von Wasser abgefangen wird.

Antimonpentachlorid nimmt das Chlorid auf und wird zu Hexachloroantimonat:

\[\ce{C3H3Cl + SbCl5 -> C3H3+ + SbCl6-}\]

Das Cyclopropenyl-Kation ist mit zwei π-Elektronen sogar aromatisch.

Strukturformel von 3-Chlorcyclopropen, Pfeil mit SbCl5, Produkt Cyclopropenyl-Kation neben SbCl6-Anion.

Chlorid-Abstraktion durch \(\ce{SbCl5}\) liefert das aromatische Cyclopropenyl-Kation.

Der radikalische Gegenweg

Mit Peroxid ändert sich der Mechanismus der HBr-Addition. Ein Bromradikal greift C1 an. Es entsteht ein sekundäres Radikal und am Ende 1-Brompropan. Die Bindungen brechen hier homolytisch, ein Carbenium-Ion kommt nicht vor.

Zwei Reaktionswege von Propen mit HBr nebeneinander, links über ein sekundäres Kation zu 2-Brompropan, rechts über ein sekundäres Radikal zu 1-Brompropan.

HBr-Addition an Propen: ionisch über das Carbenium-Ion, mit Peroxid radikalisch über das Kohlenstoffradikal.
🎯 Examensrelevant: HBr-Addition an Propen

Die HBr-Addition an Propen wird im Examen gerne gefragt. Ohne Peroxid läuft sie ionisch über das sekundäre Carbenium-Ion zu 2-Brompropan. Mit Peroxid läuft sie radikalisch zu 1-Brompropan, ganz ohne Carbenium-Ion.

Zwischenstufe an Formeln erkennen

Die Reagenzien verraten den Weg. Achte auf diese Kombinationen:

  • Säure plus OH-Gruppe oder Doppelbindung: Carbenium-Ion
  • Lewis-Säure wie \(\ce{SbCl5}\) plus Halogenid: Carbenium-Ion durch Abstraktion
  • tertiäres oder benzylisches Zentrum mit Abgangsgruppe: \(\mathrm{S_N1}\) über das Kation
  • Peroxid oder Licht: Radikal statt Kation

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Aussage 1

Die peroxidinitiierte Addition von HBr an Propen verläuft über ein sekundäres Carbenium-Ion zu 1-Brompropan.

Mit Peroxid verläuft die Addition radikalisch: Ein Bromradikal greift C1 an, Zwischenstufe ist ein sekundäres Radikal. Ein Carbenium-Ion tritt nicht auf.

Aussage 2

\(\ce{SbCl5}\) wirkt bei der Bildung des Cyclopropenyl-Kations aus 3-Chlorcyclopropen als Lewis-Säure und geht dabei in \(\ce{SbCl6-}\) über.

Antimonpentachlorid nimmt das Chlorid als Elektronenpaar-Akzeptor auf. Zurück bleibt das aromatische Cyclopropenyl-Kation.

Aussage 3

Bei der Umsetzung von tert-Butanol mit HCl tritt das tert-Butyl-Kation als Zwischenstufe auf.

Nach Protonierung der OH-Gruppe spaltet sich Wasser ab. Das tertiäre Kation wird dann von Chlorid abgefangen (\(\mathrm{S_N1}\)).

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