In der organischen Chemie existieren zahlreiche farbige Verbindungen. Diese Farbigkeit setzt das Vorhandensein von Mehrfachbindungen voraus. Allerdings ist es häufig schwierig, zu bestimmen, an welchen Stellen sich die Mehrfachbindungen befinden. Als Hilfsmittel gibt es verschiedene Methoden, wie diese Mehrfachbindungen bei beispielsweise Alkenen und Alkinen chemisch und physikalisch nachgewiesen werden können.
Mehrfachbindungen in der Chemie
Mehrfachbindungen treten hauptsächlich in der organischen Chemie auf. Dort wurden sie auch intensiv untersucht und nachgewiesen. Viele der hier dargestellten Nachweise beziehen sich auf Stoffklassen, die man aus der organischen Chemie kennt. Doch auch in der anorganischen Chemie gibt es solche Mehrfachbindungen zwischen den Atomen, nur allerdings deutlich seltener.
Chrom ist ein Übergangsmetall, das häufig für Farbigkeit sorgt. Es wird ebenfalls in der organischen Chemie verwendet und kann sogar bis zu Fünffachbindungen ausbilden.
Mehrfachbindungen im Schalenmodell
Eine der einfachsten Vorstellungen für Bindungen ist das Schalenmodell bzw. das Bohrsche Atommodell. Auch hier treten Mehrfachbindungen auf. Zwar erklärt dieses Modell nicht, warum diese Bindungen auftreten, doch es skizziert sie in einfacher Weise, wie es in der folgenden Abbildung bei Sauerstoff (O₂) der Fall ist.
Anhand der Abbildung ist eine Doppelbindung zu erkennen. Hier sind nicht nur zwei Elektronen beteiligt, sondern gleich vier, die entsprechend zwei Bindungen ausbilden. So entsteht die bekannte Doppelbindung zwischen den Sauerstoffatomen.
Mehrfachbindungen in den Molekülorbitalen
Erklärend wirkt hier vielmehr die Molekülorbitaltheorie. Diese gibt Hinweise darauf, warum Doppelbindungen entstehen.
Als Orbital bezeichnet man einen Raum um den Atomkern, in dem die Elektronen eine bestimmte Aufenthaltswahrscheinlichkeit besitzen. Diese Orbitale können sich überlagern. In einem solchen Fall kommt es dann zur Bindung.
Entsprechend dieser Theorie befinden sich Elektronen auf verschiedenen Energieniveaus. Diese können jeweils doppelt besetzt werden. Sind sie allerdings nur einfach besetzt, können sie Bindungen eingehen, was zur Entstehung von Molekülorbitalen führt. Im Fall einer Mehrfachbindung unterscheidet man zwischen den σ-Bindungen, die auch in den Einfachbindungen vorkommen, und den π-Bindungen, die besonders die Mehrfachbindungen charakterisieren.
Die Bindungstypen unterscheiden sich hauptsächlich in ihrem Energieniveau. Die Anzahl der Bindungen wird beispielsweise mit der Molekülorbitaltheorie über die Bindungsordnung gegeben.
Mehr Informationen darüber findest Du im Artikel zur Molekülorbitaltheorie. Dort sind alle Einzelheiten noch einmal genauer erklärt.
Physikalischer Nachweis von Mehrfachbindungen
Eine komplexe Methode ist der Nachweis von Mehrfachbindungen über verschiedene physikalisch-chemische Verfahren zur Strukturanalyse. Der Vorteil liegt hier besonders darin, dass die Position der Mehrfachbindung sehr genau bestimmt werden kann. Ein Beispiel dafür ist die NMR-Spektroskopie (nuclear magnetic resonance).
Hier sorgt eine Mehrfachbindung für eine Verschiebung des Signals. Inzwischen ist dank zahlreicher Experimente in diese Richtung in der Literatur bereits angegeben, wie solche Verschiebungen in der Ergebnisanalyse aussehen.
Die Verschiebung des Signals entsteht aufgrund des Vergleichs mit einer Referenzsubstanz. In den meisten Fällen wird dafür TMS (Tetramethylsilan, (CH3)4Si) verwendet. Die Messung selbst erfolgt größtenteils an den magnetisch aktiven Wasserstoffkernen (1H-Atomkerne). Der Unterschied im Signal zwischen TMS und der Probe ist dann als Verschiebung zu bezeichnen.
Eine weitere Methode der Analyse ist die UV-VIS-Spektroskopie, bei der ausgewertet wird, welche Wellenlängen von den entsprechenden Molekülen absorbiert werden. Die Absorption von langwelligem Licht ist hier ein Zeichen für Mehrfachbindungen.
Chemischer Nachweis von Mehrfachbindungen mit Bromwasser
Eine der bekanntesten Nachweise von Mehrfachbindungen ist jener mit Bromwasser. Dieser wird vor allem für Alkene verwendet, eine organische Stoffgruppe mit Doppelbindungen. Aufgrund dieser Doppelbindungen sind Alkene reaktiver als Alkane.
Bei Bromwasser handelt es sich um eine gesättigte, wässrige Lösung mit Brom (Br2). Es können damit C=C-Doppelbindungen nachgewiesen werden.
Versuchsaufbau und Ablauf des Nachweises
Für diesen Versuch wird der zu untersuchende Stoff in ein Gefäß mit Bromwasser gegeben. Die Reaktion ist nach einer Zeit von etwa zehn Minuten besonders deutlich. Das ehemals aufgrund des Broms bräunliche Bromwasser entfärbt sich, wenn mindestens eine Doppelbindung enthalten ist. Konkret bedeutet das, dass die Anzahl der Doppelbindungen nicht bekannt ist und auch nicht ermittelt werden kann.
Dennoch funktioniert diese Reaktion auch mit Aromaten, wobei dann Bromwasserstoffsäure entsteht (HBr). Um den Aromaten nun eindeutig zu bestimmen, sind weitere Nachweise notwendig, beispielsweise mit einem Universalindikator oder Silbernitrat, wodurch ein gelber Niederschlag gebildet wird.
Erklärung des Nachweises mit Bromwasser
Die grundlegende Reaktion hinter diesem Nachweis ist eine Elektrophile Addition. Eine Beispielreaktion dafür ist die Reaktion von Ethen mit Brom.
Ethen + Brom → Dibromethan
Aufgrund der hohen Elektronendichte an der Doppelbindung wird Brom als Elektrophil davon angezogen. Es kommt zum Aufbrechen der Doppelbindung. Brom wird heterolytisch gespalten und die entstandenen Bromonium-Ionen reagieren mit der Doppelbindung, sodass Brom an Ethen gebunden wird und Dibromethan entsteht. Aufgrund der Verbindung von Brom mit Ethen gibt es fast keine freien Brommoleküle mehr, weshalb es zu einer Entfärbung der Flüssigkeit kommt.
Zwar hast Du hier nur den Versuch für Alkene mit einer Doppelbindung kennengelernt, er wirkt aber genauso in anderen Strukturen mit beispielsweise Dreifachbindungen.
Chemischer Nachweis von Mehrfachbindungen mit Kaliumpermanganat
Eine zweite Methode des chemischen Nachweises von Mehrfachbindungen funktioniert mit Kaliumpermanganat (KMnO4). Hintergrund dieser Reaktion ist eine Redoxreaktion.
Diese Methode ist unter anderem auch als Baeyer-Probe bekannt. Benannt wurde sie nach dem Chemiker Adolf von Baeyer. Damit lassen sich zuverlässig die Doppelbindungen in Alkenen nachweisen.
Auch hier bezieht sich der Fokus hauptsächlich wieder auf organische Substanzen und die Doppelbindungen in den Alkenen.
Versuchsaufbau und Ablauf der Baeyer-Probe
Für diesen Versuch wird zuerst die Baeyer-Reagenz hergestellt, indem eine Spatelspitze Natriumcarbonat (NaHCO3) in 10 ml einer Kaliumpermanganatlösung gelöst wird. Die Kaliumpermanganatlösung beinhaltet dabei 10 g Kaliumpermanganat pro 100 ml Wasser.
Diese Lösung ist ursprünglich violett. Wenn der zu untersuchende Stoff und die Baeyer-Reagenz in gleichen Mengen zusammengeschüttet werden, kommt es im Fall einer vorhandenen Doppelbindung zur Entfärbung. Ein bräunlicher Niederschlag fällt aus. Eine Negativ-Kontrolle zeigt keine Veränderung.
Erklärung der Baeyer-Probe
Die Reaktion beruht auf einer Redoxreaktion. Dabei wird die Doppelbindung ebenfalls aufgespalten und ein Diol entsteht. Hierbei handelt es sich um die Oxidation. Kaliumpermanganat hingegen wird reduziert und es entstehen Kaliummanganat (KMnO4) und Braunstein (MnO2), wobei letzterer als Niederschlag ausfällt.
Bei einem Diol handelt es sich um einen Alkohol, der zweimal die charakteristische, funktionelle Gruppe, die Hydroxid-Gruppe, enthält.
Die Reaktion kannst Du Dir so vorstellen:
Die einzelnen Redoxreaktionen können ebenfalls dargestellt werden. Die Reaktion in diesem Beispiel wurde mit Ethen durchgeführt.
| Abschnitt | Reaktionsgleichung |
| Reduktion | |
| Oxidation | |
| Gesamtgleichung | |
gekürzt: | |
Obwohl die Baeyer-Probe ebenfalls eindeutige Aussagen darüber trifft, ob Mehrfachbindungen vorhanden sind, ist sie nicht spezifisch und reagiert auf jegliche Mehrfachbindungen. So reagiert diese Probe bei Doppelbindungen und Dreifachbindungen zwischen jeglichen Atomen wie Kohlenstoff-Kohlenstoff-Mehrfachbindungen, Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindungen oder Kohlenstoff-Stickstoff-Mehrfachbindungen.
Zu Beginn war die Rede von Fünffachbindungen, die zwischen Chromatomen bestehen. Solche Bindungen können mit herkömmlichen Nachweismitteln nicht aufgezeigt werden. In einem solchen Fall ist eine Strukturanalyse verpflichtend. Theoretisch sind sogar Sechsfachbindungen möglich. Diese wurden bisher allerdings kaum beobachtet, da sie nicht sehr stabil sind.
Nachweis von Mehrfachbindungen – Das Wichtigste
- Mehrfachbindungen bestehen zwischen zwei Atomen, wenn mehr als zwei Elektronen daran beteiligt sind. Laut Molekülorbitaltheorie existieren dann σ- und π-Bindungen.
- Der physikalische Nachweis von Mehrfachbindungen kann mit der NMR- oder UV-VIS-Spektroskopie erfolgen. Diese Methoden ermöglichen eine spezifische Lokalisation.
- Bromwasser weist Mehrfachbindungen nach, indem sich die bräunliche Flüssigkeit entfärbt. Die Doppelbindung wird dabei gelöst und Brom gebunden.
- Kaliumpermanganat fördert eine Redoxreaktion im Fall einer Doppelbindung, bei der sich die Flüssigkeit von ihrem violett entfärbt und ein brauner Niederschlag (Braunstein) entsteht.
- Vierfach-, Fünffach- und Sechsfachbindungen sind mit herkömmlichen Mitteln nicht nachweisbar. Sie müssen über die Strukturanalyse lokalisiert werden.
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