1. Allgemeines

1.1 Rekapitulation Schulwissen

Einige Halogenalkane
Autor: Ulrich Helmich 2017, Lizenz: siehe Seitenende.

In den Schulbüchern der gymnasialen Oberstufe wird die Stoffklasse der Halogenalkane in folgenden Zusammenhängen behandelt:

• Radikalische Substitution: Halogenalkane sind die Reaktionsprodukte der Chlorierung und Bromierung von Alkanen.
• Nucleophile Substitution: Halogenalkane sind die Ausgangsstoffe für die Synthese von Alkoholen und anderen Verbindungen.
• Umweltchemie: Halogenalkane sind wichtige Verbindungen im Haushalt und in der Industrie und sind teils recht problematisch, was die Umweltverträglichkeit angeht.

1.1.1 Radikalische Substitution

Diesen Reaktionstyp kennen Sie aus dem Abschnitt über Alkane. Es handelt sich um eine radikalische Kettenreaktion mit einem Kettenstart, zwei Kettenfortpflanzungsschritten und drei möglichen Kettenabbruchreaktionen.

Chloriert man Methan, bildet sich zunächst Chlormethan. Lässt man dieses Produkt weiter mit Chlor reagieren, erhält man Dichlormethan, dann Tri- und schließlich Tetrachlormethan. Beim Propan erhält man schon zwei verschiedene Monochlorierungs-Produkte, nämlich 1-Chlorpropan und 2-Chlorpropan. Das 2-Chlorpropan entsteht häufiger als man rein statistisch erwarten kann, weil das Zwischenprodukt der Reaktion ein sekundäres Kohlenstoff-Radikal ist. Sekundäre Radikale sind bekanntlich stabiler als primäre, daher verläuft dieser Reaktionsschritt relativ schnell.

In der Industrie werden meisten Chlorierungen durchgeführt, da Chlor erstens reaktiver und zweitens vor allem billiger herzustellen ist als Brom. Bromierungen von Alkanen sind dagegen typische Labor-Reaktionen. Iodierungen scheitern an der geringen Reaktivität der Reaktion, und Fluorierungen sind in der Regel zu gefährlich, um sie durchzuführen.

1.1.2 Nucleophile Substitution

Besonders tertiäre Halogenalkane wie beispielsweise 2-Brom-2-methyl-propan sind hervorragende Substrate für die nucleophile Substitution. In einem bekannten Schulversuch werden drei verschiedene Brombutane mit Ethanol versetzt: 1-Brombutan, 2-Brombutan und 2-Brom-2-methyl-propan.

In dem genannten Versuch wird das Brom-Atom durch eine O-C₂H₅-Gruppe ersetzt, es entstehen also Ether. Beim primären 1-Brombutan kann man so gut wie keine Reaktion beobachten, beim sekundären 2-Brombutan setzt mit der Zeit eine Trübung ein, und beim tertiären 2-Brom-2-methyl-propan kann man sofort eine Reaktion beobachten, das tertiäre Edukt reagiert am schnellsten. Der Grund: Es liegt eine S_N1-Substitution vor, und als Zwischenprodukt entsteht ein tertiäres Carbenium-Ion. Ähnlich wie tertiäre C-Radikale bilden sich tertiäre Carbenium-Ionen am schnellsten, das liegt an dem stabilisierenden +I-Effekt der benachbarten Alkylgruppen, durch den die Elektronendichte am positiv geladenen (oder radikalischen) C-Atom etwas erhöht wird.

1.1.3 Umweltchemie

Dieses Thema steht zwar in jedem Schulbuch, wird aber aus Zeitgründen oft gar nicht im Unterricht behandelt. Ich selbst bin bisher auch kaum dazu gekommen und habe das Thema dann oft als Schüler-Referat vergeben.

Wir wollen doch jetzt einmal sehen, was ChatGPT zu diesem Thema zu sagen hat. Dazu müssen wir uns zunächst eine griffige Fragestellung ausdenken. Wie wäre es mit "Welchen Einfluss haben Halogenalkane auf die Umwelt?". Versuchen wir es mal. Hier das Ergebnis:

Das hört sich auf den ersten Blick gar nicht mal so schlecht an, müsste jetzt natürlich Aussage für Aussage überprüft werden, weil ChatGPT bekannt dafür ist, relativ häufig Fehler in seine Ergebnisse einzubauen. Schauen wir am besten mal in ein paar gängige Schulbücher.

• Die Sache mit dem Ozonabbau stimmt. In dem alten Schroedel-Band "Chemie heute" von 1998 findet man noch recht wenig, aber in den neueren Ausgaben kann man viel über die Zerstörung der Ozonschicht durch FCKWs lesen.
• Dass Halogenalkane Treibhausgabe sind, findet man auch in Schulbüchern bestätigt. Vor allem Trichlorfluormethan CCl₃F und Dichlordifluormethan CCl₂F₂ werden hier erwähnt ("Chemie heute SII Einführungsphase" von 2014).
• Die Toxizität von Halogenalkanen ist unbestreitbar, wegen der geringen Wasserlöslichkeit und guten Fettlöslichkeit sind sie von lebenden Organismen nur sehr schwer abbaubar und reichern sich in der Nahrungskette an, wie man in guten Biologie-Büchern im Bereich der Ökologie lesen kann. Dort spricht man dann von einer Bioakkumulation.
  Manche Halogenalkane haben Ähnlichkeit mit Steroiden (Hormonen) und können so auch in den Hormonhaushalt von Tieren und Menschen eingreifen. Bei Fischen wurden schon Geschlechtsumwandlungen entdeckt, die durch solche Giftstoffe ausgelöst wurden, wie man in dem Dokument "Hormonaktive Substanzen im Wasser" auf der Webseite von bund-naturschutz.de nachlesen kann.
• Zur Sache mit der Grundwasserverschmutzung habe ich jetzt in Schulbüchern keine Informationen gefunden, und im Internet findet man zu diesem Thema auch nicht sehr viel, aber an sich klingt die Aussage völlig logisch.

Insgesamt ist das Ergebnis von ChatGPT durchaus verwendbar, Sachfehler konnte ich nicht entdecken, aber teils sind die Aussagen doch recht oberflächlich. Typisch für ChatGPT ist auch das "Gelaber" am Ende ("Es ist wichtig anzumerken..."), wo noch einmal eine Art zusammenfassende Bewertung versucht wird.

1.2 Studienvorbereitung und

1.3 Was sagt die Fachliteratur?

Was wird im Studium zum Allgemeinwissen über Halogenalkane verlangt? Da schauen wir doch am besten einmal in die gängigen Hochschul-Lehrbücher hinein.

Der Vollhardt/Schore hält sich nicht lange mit allgemeinen Ausführungen zu Halogenalkanen auf. In der Einleitung zu dem entsprechenden Kapitel weist das Buch auf die Bedeutung der Halogenalkane für chemische Synthesen hin (leichte Austauschbarkeit der Halogen-Atome gegen andere funktionelle Gruppen) und dass man Halogenalkane sehr leicht aus Alkanen und Alkenen gewinnen kann.

Auch der Morrison/Boyd geht gleich in die Vollen, er beginnt das Thema Halogenalkane mit einer Betrachtung über funktionelle Gruppen und geht dann gleich zur Nomenklatur und den physikalischen Eigenschaften über.

Umweltchemie scheint die großen Lehrbücher der Organischen Chemie so gut wie gar nicht zu interessieren, vielleicht, weil es zu diesem Thema jede Menge spezielle Fachbücher gibt.

Im Clayden, der ja sehr anspruchsvoll ist, werden Halogenalkane auf Seite 34 kurz erwähnt, hier wird kurz auf die Giftigkeit von Iodmethan CH₃I eingegangen, mehr nicht. Ein eigenes Kapitel über Halogenalkane gibt es in diesem Buch nicht.

Schließlich schauen wir noch einmal in den Buddrus/Schmidt. Auf Seite 245 beginnt ein großes Kapitel über Halogenkohlenwasserstoffe, und es gibt sogar eine Einleitung "Bedeutung von Halogenkohlenwasserstoffen". Hier werden zwei Halogenkohlenwasserstoffe vorgestellt, die auch in der Natur vorkommen (im Seetang und in Rotalgen), und dann wird kurz auf die Umweltproblematik verwiesen. Dann gibt es allerdings einen längeren Abschnitt "Halogenkohlenwasserstoffe im Alltag" (S. 249-253), in dem auch auf die Umweltproblematik eingegangen wird. Der Abbau von Ozon wird kurz erklärt:

$CF_2Cl_2 \to CF_2Cl \bullet + \bullet Cl$

Diese homolytische Zersetzung von Dichlor-difluor-methan erfolgt im UV-Licht, es entstehten zwei Radikale, eines davon ist ein Chlor-Radikal.

Das Chlor-Radikal reagiert nun mit dem Ozon:

$Cl \bullet + O_3 \to ClO \bullet + O_2$

Es bildet sich ein ClO-Radikal, das erneut mit Ozon reagiert:

$ClO \bullet + O_3 \to Cl \bullet + 2 O_2$

In der Gesamtbilanz bilden sich also aus zwei O₃-Molekülen drei O₂-Moleküle, das Ozon der Ozonschicht wird so langsam abgebaut:

$2 O_3 \to 3 O_2$

Was mich jetzt mal persönlich interessieren würde - alle Leute reden ja über ChatGPT und andere KIs: Was meint ChatGPT zu diesem Thema? Stellen wir die KI auf die Probe:

Alle Achtung, das hört sich auf den ersten Blick sehr gut an. Hier ist die KI besser als der entsprechende Abschnitt im Buddrus/Schmidt, von den anderen Büchern ganz zu schweigen.

Aber die Ergebnisse von ChatGPT und anderer KIs muss man ja immer kritisch hinterfragen, und das wollen wir jetzt einmal machen.

Anmerken könnte man hier, dass die korrekte Bezeichnung dieser Stoffklasse Fluorkohlenwasserstoffe (FCKWs) heißt und nicht "chlorierte Fluorkohlenwasserstoffe (CFCs)", wie ChatGPT behauptet. Der Begriff "Photodissoziation" ist im Deutschen eher ungewöhnlich, meistens spricht man von einer Photolyse. Das Lexikon der Physik aus dem Spektrum-Verlag allerdings verwendet diesen Begriff.

Und der Begriff "Kettenreaktion" wird überhaupt nicht erwähnt, geschweige denn "Kettenfortpflanzungsschritte" und "Kettenabbruchreaktion".

Hier noch eine Ergänzung aus der Wikipedia:

Konzentration in nmol/m³ im Meeresspiegel von CF₂Cl₂, gemessen in den 1990er-Jahren.
Plumbago at English Wikipedia, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Hier sieht man sehr schön, wie die Konzentration von CF₂Cl₂ von 1940 bis 1990 stark zunahm. Seit 2000 stagniert sie auf einem hohen Niveau.