Addition von Alkenen
Die Hauptreaktion der Alkene ist die Elektrophile Addition. Weil die C=C-Doppelbindung insgesamt vier Bindungselektronen besitzt, ist dort die Elektronendichte besonders hoch. Das zieht natürlich elektrophile Teilchen an, zum Beispiel Protonen. Bei der Addition von Bromwasserstoff HBr spaltet sich das HBr-Molekül heterolytisch, und das Proton addiert sich an eines der beiden C-Atome der C=C-Doppelbindung. Dabei gilt die Regel von Markownikow, nach der sich das Proton stets so an die Doppelbindung setzt, dass das stabilere Carbenium-Ion entsteht.
Carbenium-Ionen sind ebenfalls Elektrophile
Nun ist ein Carbenium-Ion positiv geladen. Das heißt, ein Carbenium-Ion ist ebenfalls ein elektrophiles Teilchen, ein sehr starkes sogar. Auf der Suche nach Elektronen kann sich ein Carbenium-Ion an eine C=C-Doppelbindung anlagern, die ja zwei locker gebundene pi-Elektronen besitzt.
Die Dimerisierung von Isobuten
Autor: Ulrich Helmich 2020, Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0
- Das schwarz gezeichnete Isobuten-Molekül wird protoniert (die Reaktion läuft unter Säure-Katalyse ab), es bildet sich ein Carbenium-Ion.
- Das Carbenium-Ion reagiert als Elektrophil mit der C=C-Doppelbindung eines zweiten Isobuten-Moleküls (blau). Es bildet sich ein neues, doppelt so großes Carbenium-Ion.
- Durch Abspaltung eines Protons entstehen die beiden Verbindungen 2,4,4-Trimethyl-pent-1-en und 2,2,4-Trimethyl-pent-2-en. Einen solchen Zusammenschluss von zwei Molekülen bezeichnet man auch als Dimerisierung; ein Dimer ist ein Gebilde, das aus zwei Molekülen besteht.
- Durch Hydrierung der beiden Reaktionsprodukte entsteht das gewünschte Isooctan, wichtiger Treibstoffzusatz für Benzin.
Ipatjew-Synthese
Bereits in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts entwickelte der russische Chemiker Ipatjew ein etwas anderes Verfahren zur Synthese von Isooctan. In der deutschen Wikipedia findet sich eine schöne Darstellung der Reaktion:
Mechanismus der Ipatjew-Synthese
Quelle: Wikipedia, Artikel "Ipatjew-Synthese", Autor: Stolze Rose
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Hier die Beschreibung, wie sie in der deutschen Wikipedia veröffentlicht wurde:
"Zunächst wird das Isobuten (1) mit Hilfe einer Säure [hier: Flusssäure (HF)] katalytisch protolysiert und es bildet sich unter Abspaltung eines Fluorid-Anions ein Carbeniumion 2. An dieses addiert sich daraufhin ein weiteres Molekül Isobuten. Das Zwischenprodukt ist ein weiteres Carbeniumion mit acht Kohlenstoff-Atomen 3. Dieses deprotoniert dann ein Isobutan-Molekül (4) und wird so zum Isooctan (5). Das deprotonierte Isobutan bildet dann wieder das Carbeniumion 2. Somit kann die Reaktion so lange ablaufen, bis das komplette Isobutan aufgebraucht ist."Die ersten beiden Schritte stimmen also mit dem zuvor beschriebenen Dimerisierungs-Verfahren überein. Der dritte Schritt ist dann anders. Es wird kein Proton abgespalten, sondern im Gegenteil, es wird ein Hydrid-Ion H- aufgenommen, und man erhält sofort das Isooctan. Das Interessante an der Sache ist nun, woher das Hydrid-Ion stammt. Dazu wird nämlich ein Isobutan-Molekül genommen. Das tertiäre H-Atom kann vom Isobutan relativ leicht als Hydrid-Ion abgespalten werden, zurück bleibt dann ein sehr stabiles tertiäres Carbenium-Ion.
Und nun setzt eine Kettenreaktion ein, wie wir sie bereits von der radikalischen Substitution her kennen: Das neu erschaffene Carbenium-Ion kann sich dann wieder mit einem weiteren Isobuten-Molekül zu einem Dimer-Carbenium-Ion vereinigen, das dann wieder ein Hydrid-Ion von einem Isobutan-Molekül aufnimmt.
Laut Wikipedia wird diese Synthese wegen der unerwünschten Nebenprodukte und der geringen Atomökonomie nur selten durchgeführt. Diese Behauptung wird in der Wikipedia mit einem Literaturverweise aus dem Jahre 1924 belegt, ist also auch nicht gerade aktuell.