Werden Aromaten und Benzolringe im Chemieunterricht behandelt, so triffst du auch auf die KKK- und SSS-Regel. Mit diesen Regeln kannst du bestimmen, ob etwa ein Brom-Atom an die Seitenkette oder direkt an den Kern des Aromaten gebunden werden soll.
Bei der KKK- und SSS-Regel handelt es sich genauer gesagt um Regeln zur Reaktionsselektivität bei Substitutionsreaktionen – dazu gehören beispielsweise die Chlorierung, bei der ein Chlor-Atom gebunden wird, oder Bromierung, bei der ein Brom-Atom gebunden wird. Diese Reaktionen finden an alkyl-substituierten Aromaten statt. Zu den Aromaten, die in einer Substitutionsreaktion reagieren können, zählen Toluol oder Ethylbenzol.
KKK- und SSS-Regel – Der Unterschied
Abbildung 1: Darstellung aromatischer Kern und Seitenkette an Toluol
Die Grafik zeigt dir den Aufbau von Toluol, an dem die KKK- und SSS-Regel am besten verdeutlicht werden können.
Bei Toluol handelt es sich um einen sogenannten Aromaten, der aus einer farblosen Flüssigkeit besteht. In der Industrie wird er hauptsächlich aus Erdöl gewonnen. Eine andere Bezeichnung für Toluol ist Methylbenzol. Der Name stammt daher, dass Toluol aus einem Benzolring und einer Methylgruppe aufgebaut ist.
Die Summenformel sieht folgendermaßen aus:
Die KKK-Regel
Die KKK-Regel sagt aus, dass die Substitutionsreaktion am aromatischen Kern der Verbindung stattfindet. Dafür benötigst du jedoch Kälte und einen Katalysator. Somit sind die drei K eine Abkürzung für:
Die KKK-Regel leitet sich von der elektrophilen Substitutionsreaktion ab. Diese Reaktion findet nur unter der Gegenwart eines Katalysators (Reaktionsbeschleuniger) wie Eisen (III)-bromid, also Eisentribromid (), statt. Dabei steigert der Katalysator die Elektrophilie des angreifenden Elektrophils.
Eine Wärmezufuhr würde den Reaktionsverlauf so begünstigen, dass die aliphatischen Seitenketten den bevorzugteren Reaktionspartner darstellen. Deswegen findet diese Reaktion in einem kälteren bis milderen Milieu statt und spielt sich am aromatischen Ring selbst ab – die aliphatischen Seitenketten wiederum werden dabei nicht angegriffen.
Aromatisch: Bei Aromaten handelt es sich um regelmäßig angeordnete (planare), in einem Ring angeordnete (cyclische) Moleküle. Sie besitzen zudem konjugierende, also "wandernde" Doppelbindungen.
Aliphatisch: Aliphatisch sind alle Kohlenwasserstoffatome, die nicht aromatisch sind. Das sind beispielsweise gesättigte, ungesättigte, cyclische und acyclische chemische Verbindungen aus Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H).
Elektrophilie: Die Elektrophilie stellt in der Chemie ein abstraktes Maß dar. Es misst sozusagen die Fähigkeit eines elektrophilen (="elektronenliebenden") Moleküls mit einem anderen Molekül (mit einer erhöhten Elektronendichte) zu reagieren.
Die SSS-Regel:
Die SSS-Regel gibt an, dass die Reaktion unter bestimmten Bedingungen an der aliphatischen Seitenkette, und nicht wie bei der KKK-Regel am Kern, stattfindet. Diese Substitutionsreaktion bedingt hohe Temperaturen und eine Bestrahlung. Somit stehen die drei S für:
- Strahlung / Sonne
- Siedehitze
- Seitenkette
Diese aufgelisteten Bedingungen lassen sich von der radikalischen Substitutionen an aliphatischen Verbindungen ableiten: Dabei findet diese Reaktion nur bei hohen Temperaturen statt, da die Siedehitze von vielen organischen Lösungsmitteln wie Toluol bei 100–200 °C liegt.
Zudem muss die Reaktion unter Bestrahlung (Sonnenlicht, UV-Lampe etc.) ablaufen, da sich erst dann Radikale bilden, die Du für radikalische Substitutionsreaktion benötigst.
Die aromatischen Ringe dagegen werden bei diesen Bedingungen nicht angegriffen.
Wie Du sehen kannst, werden bei der Auflistung der KKK- und SSS-Regel zuerst die Bedingungen der Reaktion genannt und zuletzt, wo diese Reaktion dann stattfindet, wenn diese Bedingungen erfüllt sind. Es ist also hilfreich, dir diese Reihenfolge und Abkürzungen zu merken.
KKK- und SSS-Regel – Beispiel Substitutionsreaktion
Toluol kann mit dem Element Brom (Br) sowohl eine elektrophile als auch eine radikalische Substitutionsreaktion eingehen. Je nachdem, um welche Reaktion es sich handelt, erhältst du das Brom entweder am Benzolring von Toluol oder an dessen Methylgruppen-Seitenkette.
Zusammengefasst gibt es hierbei also zwei denkbare Szenarien:
- Bromierung der Seitenkette (radikalische Substitution)
- Bromierung am aromatischen Ring (elektrophile Substitution)
Beide wirst Du jetzt genauer kennenlernen.
Radikalische Substitution von Brom und Toluol nach der KKK-Regel
Abbildung 2: Allgemeine Substitutionsreaktion nach der SSS-Regel
In der obigen Abbildung siehst Du die radikalische Substitutionsreaktion von Brom und Toluol. Dabei wird Licht und Hitze gebraucht. Das liegt daran, dass Toluol prinzipiell eher reaktionsträge ist. Letztlich bindet sich das Brom dann an die Methylgruppen-Seitenkette () des Benzolrings. Dabei wird ein Wasserstoffatom (H) substituiert. Das bedeutet, das Wasserstoffatom wurde durch das Brom-Atom ausgetauscht.
Elektrophile Substitution von Brom und Toluol nach der KKK-Regel
Abbildung 3: Allgemeine Substitutionsreaktion nach der KKK-Regel
Auch hierbei siehst Du die allgemeine Reaktionsgleichung von Brom mit Toluol. Es handelt sich dabei um eine elektrophile Substitution. Hier kommt ein Katalysator ins Spiel, um die Reaktion auszuführen. Als Katalysator wird Eisen (III)-bromid () verwendet.
Wie Du am Ende der Reaktion sehen kannst, hat sich das Brom-Atom an den aromatischen Kern gebunden. Dieses Brom-Atom bindet sich dabei meistens gegenüber der Methyl-Gruppe. Das andere Brom-Atom (Br) reagiert schließlich mit einem Wasserstoff-Atom (H) zur sogenannten Bromwasserstoffsäure (HBr).
Schrittabfolge der radikalischen und elektrophilen Substitution im Überblick
Damit Du Dir die zuvor gezeigten Reaktionsgleichungen besser erschließen kannst, findest Du im Folgenden einen kleinen Überblick über die Schrittabfolge sowohl von der radikalischen, als auch von der elektrophilen Substitution. Dabei reagiert Toluol weiterhin mit Brom.
Abbildung 4: Schrittabfolge der radikalischen und elektrophilen Substitution im Überblick
Du möchtest mehr über die Substitutionsreaktionen erfahren? Schaue dafür einfach in den entsprechenden Artikel.
SSS-Regel - Das Wichtigste
- Bei der KKK- und SSS-Regel handelt es sich um Regeln zur Reaktionsselektivität bei Substitutionsreaktionen.
- Dazu gehört die Chlorierung oder die Bromierung.
- Diese Reaktionen finden an alkyl-substituierten Aromaten statt.
- Zu den Aromaten, die in einer Substitutionsreaktion reagieren können, zählen Toluol oder Ethylbenzol.
- KKK-Regel = radikalische Substitutionsreaktion:
- SSS-Regel = elektrophile Substitutionsreaktion:
- Strahlung / Sonne (-nlicht)
- Siedehitze
- Seitenkette
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