Mesomerie

Mesomerie am Beispiel des Benzols

Zusammenfassung

•  Mesomerie  hat man nur, wenn man abwechselnd Doppel- und Einfachbindungen hat (konjugierte Doppelbindungen, im Gegensatz zu  kumuliert ).
  • Das Molekül muss aber eben sein, damit sich die p-Orbitale überlappen können
  • Bei ringförmigen Molekülen kann man auch Aromaten haben (Hückel-Regel)
• Die $\pi$-Elektronen sind nicht in einzelnen Doppelbindungen lokalisiert sondern  delokalisiert  (verteilt) über mehrere Doppelbindungen.
  • Deshalb ist ein Stoff/Zustand mit Mesomerie energiearm (siehe Bild) und damit stabiler, d.h. er ist wenig reaktiv.

Warum wir uns mit Mesomerie beschäftigen

Die Mesomerie hat in vielen Bereichen der Chemie eine große Bedeutung, denn Sie hat Einfluss auf Eigenschaften und den Verlauf von chemischen Reaktionen. Durch gezielte Einflussnamen auf die Mesomiere kann man so auch ganz spezielle Produkte herstellen, ganz nach Wunsch.

Nun aber zu ein paar Beispielen der Anwendung ...

Phenol reagiert als Säure

Die in Alkoholen enthaltene OH-Gruppe kann zwar H⁺ abgeben, aber dieser Zustand ist üblicherweise nicht sehr stabil, so dass man Alkohole im allgemeinen nicht als Säure bezeichnet.

Beispiel: Gibt Ethanol ein H⁺ ab, so entsteht das Ethanolat-Ion, dass aber bald wieder zurück zu Ethanol reagiert.

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  Ethanol

• 

  Ethanolat

Beim  Phenol  (-ol wegen der enthaltenen Alkohol-Gruppe) dageben - früher auch unter dem Namen Karbolsäure bekannt - ist es etwas anders. Nach Abgabe eines H⁺-Ions bietet der Benzolring aufgrund der Mesomerie die Möglichkeit die negative Ladung zu verteilen.

In der tatsächlichen Struktur ist dadurch die negative Ladung verteilt/delokalisiert und somit ist an den vier Stellen, an denen die Ladung in den Grenzstrukturen auftauchen kann, keine echte negative Ladung zu finden, sondern ... wenn man es vereinfacht formuliert ... nur 1/4 der negativen Ladung. Dadurch ist die Rückreaktion, also die Aufnahme des H⁺ nicht so leicht möglich und damit ist auch das Phenol/Phenolat-Gleichgewicht weiter nach rechts verschoben und man hat eine (immerhin) schwache Säure.

Vergleich der Reaktionen von verschiedenen Kohlenwasserstoff und Benzol mit Brom

In Klasse 11 haben wir uns mit den Reaktionen von Brom mit Alkanen und Alkenen beschäftigt.

• Alkane reagieren, bei ausreichend Licht, in einer  Substitution Radikalischen Substitution .
• Alkene sind aufgrund der großen Elektronenkonzentration in der Doppelbindung reaktiver und reagieren quasi sofort mit Brom in einer  Radikalischen Substitution .

Zur Erinnerung: Addition bedeutet, dass in diesem Fall das Br2-Molekül zu dem Cyclohexen-Molekül dazu genommen wird. Bei einer Substitution wird ein Teil des vorherigen Moleküls entfernt und durch einen Teil des Reaktionspartners ersetzt. Bei der Reaktion von Alkanen mit Brom, wird ein H im Alkan durch ein Br-Atom ersetzt. Elektrophil bedeutet Elektronenliebend. Moleküle mit hoher Elektronendichte (Doppel- oder Dreifachbindung reagieren leicht mit Stoffen, die wenig Elektronen haben, manchmal auch als E+ abgekürzt. Man nimmt als Beispiel häufig Brom als Reaktionspartner, wo das Elektrophil erst durch Trennung von Br2 in Br+ und Br- entsteht. Radikalisch kommt vom Begriff  Radikal , wo ein Atom ein ungepaartes Elektron hat. Meist entstehen Radikale durch den Einfluss von Licht oder leicht zersetzbaren Sauerstoffverbindungen. Bei einer radikalischen Reaktion sind Radikale als Zwischenstufen beteiligt.

Auch beim  Cyclohexen  findet, wie bei anderen Alkenen, eine Elektrophile Addition statt, was hier auf dem Bild zu sehen ist.

Anders beim Benzol, wo ich ja auch viele Elektronen in dem $\pi$-Elektronensystem habe. Hier findet kein Addition sondern eine Substitution statt. Mit ein Grund dafür, ist die Tatsache, dass eine der Zwischenstufen bei dieser  aromatische Substitution Elektrophilen Aromatischen Substitution  mesomeriestabilisiert ist, was im Folgenden Bild zu sehen ist.

Eine gute Erklärung, warum letztendlich keine Addition sondern eine Substitution stattfindet, könnt ihr auf dieser Seite nachlesen.

Weitere Beispiele zur Anwendung der Mesomerie

Aufgabe Versucht bei den folgenden Themen herauszusuchen, wie die Mesomerie einen Einfluss hat. Fasst zuerst zusammen um was es bei dem Thema geht und zeigt dann die Stelle, ab der sich die Mesomerie auswirkt. WICHTIG: Ihr sollt nicht einen Vortrag zu dem gesamten Thema halten. Konzentriert euch auf die Einleitungen, um über die Bedeutung etwas zu erfahren. Sucht dann die Stelle im Text, wo die Mesomerie vorkommt und versucht zu verstehen, welche Bedeutung hier die Mesomerie hat. Warum sind  Carbonsäuren  denn Säuren? Ähnlich wie beim Phenol stellt sich die Frage: Hilft vielleicht die Mesomerie dabei, das Carboxylat-Ion zu stabilisieren? Warum ist  Anilin  nur eine schwache Base? Anilin enthält ja eine Aminogruppe NH2. Man kann Verbindungen, die eine solche Aminogruppe enthalten als Derivate des Ammoniaks sehen, bei dem ein oder mehrere H durch eine Kohlenwasserstoff-Gruppe ersetzt wurde. Solche Amine sind alle  Basen , denn das freie Elektronenpaar am Stickstoff kann ein H+ an sich binden. Warum ist Anilin keine so starke Base wie andere Amine. Die dirigierende Wirkung der Aminogruppe im  Anilin  bei der Bromierung. Informiere dich auf dieser Seite über die Bromierung von Anilin. Erkläre welche möglichen Isomere bei der Bromierung (Elektrophil!) entstehen könnten und welche aber tatsächlich überwiegend entstehen. Suche dazu die Bedeutung der Begriffe ortho, meta und para heraus. Zweitsubstitution von Phenol am Beispiel der Bromierung http://www.chemieunterricht.de/dc2/phenol/subst.htm Wie Substituenten in die Mesomerie hineingezogen werden, am Beispiel des  Indigos  Sucht die Formel des Farbstoffes Indigo heraus und versucht weitere mesomere Grenzstrukturen zu finden. Wie die OH-Gruppe dabei eingezogen werden kann, könnt ihr hier sehen und für die Aminogruppe hier