Aromaten und die Hückel-Regel

Aromaten sind eine besondere Klasse von zyklischen, ungesättigten Kohlenwasserstoffen mit besonderen Eigenschaften. Die Hückel-Regel, benannt nach Erich Hückel, definiert aromatische Verbindungen:

Definition: Ein Aromat ist eine Verbindung, deren ebenes (planares) und ringförmiges, konjugiertes System (4n+2) delokalisierte Elektronen besitzt, wobei n eine ganze Zahl ist (n = 0, 1, 2, ...).

Benzol ist das klassische Beispiel für einen Aromaten mit 6 delokalisierten Elektronen (4·1+2, n=1).

Wichtige Eigenschaften von Aromaten:

• Alle C-C Bindungen sind gleich lang
• Sie bilden ein regelmäßiges, planares Sechseck
• Die Bindungslänge liegt zwischen einer Einfach- und einer Doppelbindung (139 pm)
• Aromaten sind um 151 kJ/mol energieärmer als das hypothetische Cyclohexatrien (Mesomerieenergie)

Example: Benzol (C₆H₆) ist der einfachste Aromat und dient als Grundstruktur für viele komplexere aromatische Verbindungen.

Elektrophile Substitution (SE) ist die charakteristische Reaktion von Aromaten. Dabei wird ein Wasserstoffatom durch ein Elektrophil ersetzt. Wichtige elektrophile Substitutionsreaktionen sind:

• Halogenierung (z.B. mit Br₂)
• Sulfonierung (z.B. mit SO₃)
• Nitrierung (z.B. mit HNO₃)
• Alkylierung (z.B. mit C₂H₄)

Highlight: Die KKK-Regel (Kälte, Katalysator, Kern) begünstigt die elektrophile Substitution am aromatischen Ring, während die SSS-Regel (Sonnenlicht, Siedehitze, Seitenkette) Reaktionen an der Seitenkette fördert.

Elektrophile Zweitsubstitution und Effekte von Substituenten

Bei der elektrophilen Zweitsubstitution an Aromaten nimmt der Erstsubstituent Einfluss auf die Reaktivität und Orientierung der Zweitsubstitution. Dies geschieht durch induktive (I-Effekt) und mesomere Effekte (M-Effekt).

Definition:

• I-Effekt: Änderung der Elektronendichte im Ring aufgrund einer Elektronegativitätsdifferenz
• M-Effekt: Einbeziehung bzw. Herausziehen eines Elektronenpaares in die / aus der Mesomerie des Ringes

Substituenten können die Reaktivität des Rings im Vergleich zu Benzol erhöhen (Aktivierung) oder verringern (Desaktivierung). Sie dirigieren auch die Zweitsubstitution in bestimmte Positionen:

• ortho (o): direkt benachbart
• para (p): gegenüber
• meta (m): mittig

Example:

• Aktivierende Gruppen mit +M-Effekt (z.B. -OH, -NH₂) dirigieren in o,p-Position
• Desaktivierende Gruppen mit -M-Effekt (z.B. -NO₂, -COOH) dirigieren in m-Position

Die Reaktivität und Orientierung hängen vom Zusammenspiel von I- und M-Effekten ab:

• Wenn -I < +M, erfolgt die Zweitsubstitution in o,p-Position
• Wenn -I > +M, erfolgt die Zweitsubstitution in m-Position

Highlight: Die Kenntnis dieser Effekte ist entscheidend für die Vorhersage und Kontrolle von Reaktionen in der organischen Synthese.

Eigenschaften des Lichts und Grundlagen der Farbigkeit

Die Farbigkeit in der Chemie basiert auf den Eigenschaften des Lichts und der Wechselwirkung von Licht mit Materie. Der sichtbare Bereich des Lichts umfasst Wellenlängen von 380 nm bis 780 nm im elektromagnetischen Spektrum.

Die Absorption von Licht durch Moleküle führt zu Elektronenübergängen zwischen verschiedenen Energieniveaus, insbesondere vom HOMO (höchstes besetztes Molekülorbital) zum LUMO (niedrigstes unbesetztes Molekülorbital).

Definition: HOMO steht für "highest occupied molecular orbital" und LUMO für "lowest unoccupied molecular orbital".

Die Farbigkeit von Molekülen wird durch zwei Hauptfaktoren bestimmt:

1. Chromophore: Dies sind konjugierte Doppelbindungssysteme, die für die Grundfarbigkeit verantwortlich sind.
2. Auxochrome: Diese Molekülgruppen liefern oder nehmen Elektronen auf und beeinflussen dadurch die Farbintensität.

Highlight: Je länger das konjugierte System eines Chromophors ist, desto längerwelliges Licht wird absorbiert, was zu einer Verschiebung der Farbe in Richtung Rot führt. Dies wird als bathochrome Verschiebung bezeichnet.

Die Mesomerie spielt eine wichtige Rolle bei der Farbigkeit. Je vollkommener die Mesomerie, desto längerwelliges Licht wird absorbiert.

Vocabulary: Mesomerie beschreibt die Erscheinung, dass die Elektronenverteilung zwischen mehreren (fiktiven) Grenzformeln liegt.