Konjugation und Mesomeriestabilisierung
Wann sich π-Elektronen und Ladungen über mehrere Atome verteilen und welche Moleküle und Ionen dadurch stabilisiert werden.
Das Wichtigste in Kürze
- Konjugation ist die lückenlose Überlappung paralleler p-Orbitale. Sie ermöglicht die Mesomeriestabilisierung durch Delokalisierung.
- Schon eine \(\ce{CH2}\)-Gruppe zwischen Doppelbindungen (Hepta-2,5-dien) oder zwischen Doppelbindung und Ladung (But-3-en-1-yl-Kation) verhindert Mesomerie.
- In konjugierten Polyenen sind Einfachbindungen kürzer als in Alkanen und Doppelbindungen länger als in isolierten Alkenen.
- Carboxylat, Enolat und Imid-Anion sind mesomeriestabilisiert, das Alkoholat nicht. Im Acetat sind beide C–O-Bindungen gleich lang.
- Amide haben eine zwitterionische Grenzformel (\(\ce{O^-}\), \(\ce{N^+}\)). Ammonium-Ionen sind nicht mesomeriestabilisiert.
Dieses Kapitel ist für Supporter
Relaxed ins Stex ist ein kleines, unabhängiges Projekt. Mit einem Zugang unterstützt du uns und schaltest das ganze 1. Staatsexamen frei. ❤️
Bitte bestätige zuerst deine E-Mail-Adresse
Wir haben dir einen Link geschickt. Erst mit bestätigter E-Mail-Adresse kannst du einen Zugang freischalten und nutzen.
Worum es geht
Mesomerie ist nur möglich, wo p-Orbitale lückenlos nebeneinanderliegen. Daraus folgt, welche Moleküle und Ionen stabilisiert sind. Das ist die Grundlage, um Säurestärke, Basizität und Reaktivität von Arzneistoffen zu begründen.
Delokalisierte π-Systeme
Konjugation heißt: Die p-Orbitale benachbarter Atome stehen lückenlos parallel. Das gilt für abwechselnde Doppel- und Einfachbindungen. Es gilt auch für π-Bindungen neben freien Elektronenpaaren, Ladungen oder leeren p-Orbitalen. Die Elektronen delokalisieren, und die Energie sinkt. Diese Mesomeriestabilisierung beschreibt man mit Grenzformeln.
Gruppen, die ein Elektronenpaar ins π-System schieben (\(\ce{-NH2}\), \(\ce{-OH}\)), zeigen einen +M-Effekt. Gruppen, die Elektronendichte abziehen (\(\ce{C=O}\), \(\ce{-NO2}\)), zeigen einen −M-Effekt. Beides fasst man als mesomeren Effekt zusammen. Schwächer wirkt die Hyperkonjugation: Eine benachbarte C–H-σ-Bindung überlappt mit einem leeren p-Orbital oder einem π-System.
Konjugiert, isoliert, kumuliert
Liegt ein sp³-Atom zwischen den π-Bausteinen, endet die Konjugation. Buta-1,3-dien ist konjugiert. In Hepta-2,5-dien isoliert eine \(\ce{CH2}\)-Gruppe die Doppelbindungen, es gibt keine Mesomeriestabilisierung. Im kumulierten Allen stehen die beiden π-Bindungen senkrecht zueinander (Kumulene). Im Crotonsäureethylester \(\ce{CH3-CH=CH-COOEt}\) stabilisiert dagegen die Konjugation von C=C und C=O das Molekül.
Für Ladungen gilt dieselbe Regel. Das Allyl-Kation verteilt seine Ladung auf zwei C-Atome. Im But-3-en-1-yl-Kation \(\ce{CH2=CH-CH2-CH2^+}\) trennt eine \(\ce{CH2}\)-Gruppe Doppelbindung und Ladung. Ebenso wenig hilft eine Ring-Doppelbindung, die vom Kationzentrum isoliert ist.
Das wird im Examen gerne gefragt: Nur eine Doppelbindung direkt neben Ladung oder zweiter π-Bindung stabilisiert mesomer. Achte an der Skelettformel auf jede \(\ce{CH2}\)-Gruppe dazwischen, denn sie hebt die Mesomerie auf.
Bindungslängen in Polyenen
Delokalisierung gleicht die Bindungslängen an. In konjugierten Polyenen wie Hexa-1,3,5-trien sind die Einfachbindungen kürzer als in Alkanen. Die Doppelbindungen sind länger als in isolierten Alkenen. So ist die C2–C3-Bindung des Buta-1,3-diens kürzer als die entsprechende Bindung in n-Butan.
Mesomeriestabilisierte Anionen
Ein Anion ist stabilisiert, wenn das geladene Atom nach der Deprotonierung neben einer π-Bindung steht. Das gilt für Carboxylate wie Acetat, dessen beide C–O-Bindungen gleich lang sind. Es gilt auch für Enolate und Imid-Anionen. Im Alkoholat wie Ethanolat bleibt die Ladung dagegen am Sauerstoff lokalisiert, anders als im Phenolat.
Das Enolat von Cyclohexanon ist besser stabilisiert als das von δ-Valerolacton. Im Lacton beansprucht der Ring-Sauerstoff die C=O-Gruppe mit seinem Elektronenpaar schon selbst.
Amide und Kationen
Carbonsäureamide haben eine zwitterionische Grenzformel mit \(\ce{O^-}\) und \(\ce{N^+}\). Im Formamid ist der Sauerstoff deshalb negativ, der Stickstoff positiv polarisiert. Auch Harnstoff, protonierte Essigsäure, das Allyl-Kation und das 4-Aminopyridinium-Ion sind mesomeriestabilisiert. Im Acetamidinium-Ion verteilt sich die Ladung über das zentrale C-Atom und beide N-Atome (Amidine). Ammonium- und Tetraalkylammonium-Ionen fehlt ein benachbartes π-System, ihre Ladung bleibt am N.
Quiz
Aussage 1
Die beiden Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen des Acetat-Ions unterscheiden sich nicht in ihrer Länge.
Die negative Ladung ist über beide O-Atome delokalisiert, beide Bindungen sind deshalb gleichwertig.
Aussage 2
Die C2–C3-Bindung von Buta-1,3-dien ist länger als die entsprechende C–C-Bindung in n-Butan.
Durch Konjugation erhält die Einfachbindung Doppelbindungscharakter und ist kürzer als in n-Butan.
Aussage 3
Im But-3-en-1-yl-Kation \(\ce{CH2=CH-CH2-CH2^+}\) verteilt sich die positive Ladung mesomer auf zwei Kohlenstoffatome.
Eine \(\ce{CH2}\)-Gruppe trennt Doppelbindung und Kationzentrum, daher gibt es keine Konjugation. Eine solche Verteilung zeigt erst das Allyl-Kation.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.