Wikipedia · einfach zusammengefasst · Stand
Dreifachbindung
Eine Dreifachbindung ist eine Form der chemischen Bindung zwischen zwei Atomen, die über Elektronenpaare vermittelt wird (→ Elektronenpaarbindung).
Inhalt5 Abschnitte
Grundprinzip und Bedeutung
Eine Dreifachbindung ist eine chemische Bindung zwischen zwei Atomen, bei der drei Paare von Bindungselektronen den Zusammenhalt eines Moleküls vermitteln. Sie ist damit eine Form der Elektronenpaarbindung. Dreifachbindungen treten zum Beispiel in Ethin, Dicyan, Kohlenstoffmonoxid und molekularem Stickstoff (N₂) auf.
Wichtig ist die Dreifachbindung, weil sie Molekülen besondere Stabilität oder besondere Reaktivität geben kann. Welche Wirkung überwiegt, hängt stark davon ab, zwischen welchen Atomen die Dreifachbindung liegt. Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindungen reagieren häufig leicht mit Elektrophilen, während die Dreifachbindung im Stickstoffmolekül N₂ sehr stabil ist und zu einem trägen Reaktionsverhalten führt.
Reaktivität und Bindungsenergie
Dreifachbindungen besitzen eine hohe Elektronendichte. Deshalb können sie grundsätzlich leicht elektrophile Additionsreaktionen eingehen. Eine elektrophile Addition ist eine Reaktion, bei der ein elektronenarmes Teilchen an eine Mehrfachbindung angelagert wird. Bei Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindungen (C≡C) ist dies typisch.
C-C-Dreifachbindungen sind energiereicher als C-C-Doppel- oder Einfachbindungen. Bei der Bildung einer Dreifachbindung werden durchschnittlich 811 kJ·mol⁻¹ frei, bei einer Doppelbindung 615 kJ·mol⁻¹ und bei einer Einfachbindung 345 kJ·mol⁻¹. Drei einzelne Bindungen setzen zusammen mehr Energie frei als eine Dreifachbindung. Bei Additionen an C-C-Dreifachbindungen kann der Energieaufwand daher meist durch neu entstehende Bindungen ausgeglichen werden; häufig entsteht ein deutlicher Energiegewinn.
Bei Stickstoff ist die Situation anders. Die Dreifachbindung im Stickstoffmolekül N₂ hat eine Bindungsenergie von 945 kJ·mol⁻¹ und ist damit relativ sehr stabil. Eine N-N-Doppelbindung setzt bei ihrer Bildung 466 kJ·mol⁻¹ frei, eine N-N-Einfachbindung nur 159 kJ·mol⁻¹. Die Energieunterschiede können normalerweise nicht durch zusätzliche Bindungen zu Reaktionspartnern ausgeglichen werden. Deshalb gilt molekularer Stickstoff als Beispiel für eine starke Dreifachbindung mit hoher Stabilität und geringer Reaktivität.
Die höchste Bindungsenergie einer Dreifachbindung besitzt Kohlenstoffmonoxid (Kohlenmonoxid, CO) mit 1077 kJ·mol⁻¹. Zusätzlich zur Dreifachbindung kommt dort eine schwache ionische Bindung hinzu.
Orbitalmodell
Aus quantenchemischer Sicht entstehen Bindungen durch die Überlappung von Atomorbitalen zu Molekülorbitalen. Ein Orbital beschreibt den Aufenthaltsbereich von Elektronen. Bei der geläufigsten Beschreibung der Dreifachbindung in Alkinen besteht sie aus einer σ-Bindung und zwei π-Bindungen.
Die σ-Bindung entsteht aus sp-Hybridorbitalen und liegt auf der Kernverbindungsachse, also der gedachten Linie zwischen den beiden Atomkernen. Die zwei π-Bindungen liegen außerhalb dieser Achse und stehen in einem Winkel von 90° zueinander.
Eine alternative, aber vollständig gleichwertige Beschreibung verwendet drei gleichwertige „Bananenbindungen“. Diese entstehen durch Überlappung von sp³-Hybridorbitalen.
Bindungslänge
Kovalente Bindungslängen können nach Pauling als Summe zweier Atomradien abgeschätzt werden. Kovalent bedeutet, dass Atome durch gemeinsam genutzte Elektronenpaare verbunden sind.
Auf Grundlage experimenteller und quantenchemischer Daten wurden additive Kovalenzradien für Atome in Dreifachbindungen veröffentlicht, und zwar für die Elemente von Beryllium bis Copernicium. Der Datensatz ist selbstkonsistent und enthält nur einen Radius für alle Oxidationszustände und Koordinationszahlen der berücksichtigten Elemente. Durch einfaches Addieren der Atomradien lässt sich eine Vorhersage über die Länge einer Dreifachbindung machen.
Molekülklassen und Beispiele
Moleküle mit Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindungen gehören zur Stoffgruppe der Alkine. Die Chemie der Alkine ist besonders durch Additionen von Elektrophilen an die Dreifachbindung geprägt. Ein Kohlenstoffatom, das an einer Dreifachbindung beteiligt ist, ist sp-hybridisiert. Deshalb sind Alkinanionen relativ stabil und können als Nukleophile eingesetzt werden. Nukleophile sind elektronenreiche Teilchen, die mit elektronenarmen Reaktionspartnern reagieren. Die Bindungslänge einer C-C-Dreifachbindung in Alkinen beträgt 120 pm.
Dreifachbindungen können auch mit anderen Elementen auftreten. 2012 stellte eine Arbeitsgruppe der Universität Würzburg erstmals eine Verbindung her, die eine bis etwa 200 °C stabile Dreifachbindung zwischen zwei Bor-Atomen enthält. 1984 synthetisierte eine Arbeitsgruppe an der Freien Universität Berlin erstmals eine Kohlenstoff-Schwefel-Dreifachbindung, und zwar in Form des Trifluorethylidinschwefeltrifluorids. Diese Verbindung ist ein farbloses Gas, das schnell oligomerisiert.
Verbindungen mit Silicium-Silicium-Dreifachbindungen heißen Disiline. Das erste stabile Disilin wurde 2004 von Akira Sekiguchi synthetisiert: 1,1,4,4-Tetrakis[bis(trimethylsilyl)methyl]-1,4-diisopropyl-2-tetrasilin. Außerdem gibt es Siline, die eine Kohlenstoff-Silicium-Dreifachbindung besitzen.
