Bromierung von Hexan
Wie immer in meinem Chemieunterricht fangen wir mit einem kleinen Versuch an, und zwar wollen wir - aber was rede ich, sehen Sie selbst:
Schulversuch zur Bromierung von Heptan, bei dem abgebildeten Versuch wird auch der Einfluss der Lichtfarbe untersucht.
Autor: Ulrich Helmich 2015, Lizenz: Public domain
Hier sehen wir zwei Erlenmeyerkolben auf einem Overhead-Projektor. Der eine Kolben steht auf einer roten Kunststoffscheibe, der andere auf einer blauen.
Beobachtungen: Nur in dem Kolben, der mit blauem Licht bestrahlt wird, ist eine Entfärbung des Stoffgemisches sowie eine leichte Rotfärbung des Indikatorpapiers zu sehen, das mit Hilfe des Stopfens in den Erlenmeyerkolbenhals eingeklemmt wurde.
Eine genau Beschreibung des Versuchs sowie der Beobachtungen finden Sie auf dieser Seite.
Einfache Erklärung des Versuchs
In der Einführungsphase EF wird dieser Versuch auch schon mal durchgeführt. Die Entfärbung des Kolbeninhalts sowie die Rotfärbung des Indikatorpapiers wird dann mit einer einfachen Reaktionsgleichung erklärt:
$C_6 H_{14} + Br_2 \to C_6 H_{13}Br + HBr $
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Elementares Brom hat eine rotbraune Farbe. Da dieses Edukt für die Bildung des Hauptproduktes Bromhexan verbraucht wird, verschwindet diese Färbung natürlich. Als Nebenprodukt entsteht Bromwasserstoff HBr, eine Säure, die das Indikatorpapier rot färbt.
Vielleicht wurde in der EF auch schon der Begriff der Substitution eingeführt: Eines der H-Atome des Hexans wird durch ein Br-Atom substituiert, also ersetzt.
Auch auf den Seiten für die Stufe EF wird dieser Versuch beschrieben und sehr ausführlich gedeutet.
Oberstufenmäßige Erklärung des Versuchs
Sie befinden sich jetzt aber in der Qualifikationsphase, daher wollen wir die Reaktion genauer betrachten. Die Reaktion besteht aus einer Startreaktion, zwei wesentlichen Schritten sowie einer Abbruchreaktion am Ende.
Fangen wir doch einfach mal mit der Startreaktion an.
Startreaktion
Das energiereiche blaue Licht spaltet die kovalente Bindung zwischen den beiden Brom-Atomen eines Brom-Moleküls homolytisch:
$Br_2 \to 2 \ Br\bullet$
Das führt zur Bildung von zwei Brom-Radikalen.
Radikale sind allgemein Atome, Moleküle oder Ionen mit einem ungepaarten Elektron bzw. einer nur einfach besetzten Kugelwolke. Die Bezeichnung "Radikal" spielt auf die extrem hohe Reaktionsfreudigkeit solcher Teilchen an.
Kommen wir nun zu den beiden wesentlichen Schritten der Reaktion, bei denen die beiden Produkte HBr und Bromhexan gebildet werden.
Kettenfortpflanzungsschritt 1
Jedes Brom-Radikal versucht jetzt, in den Besitz eines weiteren Elektrons zu gelangen, um den Edelgaszustand mit 8 Außenelektronen zu erreichen. Dies gelingt den Brom-Radikalen, indem sie je ein H-Atom aus den Alkan-Molekülen abstrahieren. "Abstrahieren" ist der Fachausdruck für "Herausziehen" oder "Wegnehmen":
$Br\bullet + \ \color{red} H \mbox{-}C_6 H_{13} \to Br\mbox{-} \color{red}H + \bullet C_6 H_{13}$
Durch das Abstrahieren eines H-Atoms bildet sich Bromwasserstoff HBr. Diese Säure ist das Nebenprodukt der Alkan-Bromierung.
Das eigentliche Produkt der homolytischen Abspaltung eines H-Atoms aus dem Alkan-Molekül ist aber ein um ein H-Atom verkleinertes Hexan- oder Heptan-Molekül, das dann als Hexyl- bzw. Heptyl-Radikal bezeichnet werden muss. An der Stelle, wo das abstrahierte H-Atom saß, schwirrt jetzt nur noch ein ungepaartes Elektron in seiner Kugelwolke herum.
Kettenfortpflanzungsschritt 2
Das im Kettenfortpflanzungsschritt 1 gebildete Alkyl-Radikal ist ebenfalls sehr reaktionsfreudig und kann nun ein Br2-Molekül angreifen. Das Alkyl-Radikal abstrahiert dabei ein Brom-Atom aus dem Br2-Molekül, und so entsteht dann das Hauptprodukt der Reaktion, nämlich das Bromhexan bzw. Bromheptan.
$Br\mbox{-} \color{red}{Br} + \bullet C_6 H_{13} \to Br \bullet + \ \color{red}{Br}\mbox{-}C_6 H_{13}$
Kettenreaktion
Das bei diesem Teilschritt entstandene Brom-Radikal kann nun wieder ein neues Hexan- oder Heptan-Molekül angreifen, womit wir wieder beim ersten Kettenfortpflanzungsschritt wären. Das Ganze wiederholt sich nun ständig, daher spricht man hier auch von einer Kettenreaktion.
In der Informatik würde man diese Kettenreaktion mit einer while- oder repeat-Schleife vergleichen. Eine solche Schleife wird immer wieder von vorn durchlaufen, bis eine bestimmte Abbruchbedingung erfüllt ist.
Kettenabbruch
Es gibt vier Möglichkeiten, eine solche Kettenreaktion abzubrechen. Die erste der Möglichkeiten ist trivial: Die Reaktion bricht ab, wenn eines der beiden Edukte aufgebraucht ist.
Aber auch vorher kann es schon zu einem Abbruch der Reaktionskette kommen, zu einem sogenannten Kettenabbruch. Ein Kettenabbruch findet nämlich immer dann statt, wenn zwei Radikale aufeinander treffen. Man spricht dann von einer Rekombination:
$Br\bullet+ \bullet Br \to Br\mbox{-}Br$
$Br\bullet+ \bullet C_6H_{13} \to Br\mbox{-} C_6H_{13}$
$C_6H_{13}\bullet+ \bullet C_6H_{13} \to C_{12}H_{26}$
Radikalische Substitution
Den Begriff "Substitution" hatten wir bereits besprochen: Ein H-Atom des Alkans wird durch ein Br-Atom ersetzt. Weil bei jeden der Teilschritte dieser Kettenreaktion Radikale eine entscheidende Rolle spielen, bezeichnet man diese spezielle Art der Substitution auch als Radikalische Substitution, abgekürzt als SR.
Die Bedeutung der Radikalischen Substitution
Die Radikalische Substitution ist einer der wichtigsten Reaktionsmechanismen der Organischen Chemie. Warum ist das so, könnte man jetzt fragen. Ganz einfach: Mit der Radikalischen Substitution oder kurz SR kann man in einfach gebaute Kohlenwasserstoffe eine funktionelle Gruppe einfügen, beispielsweise ein Chlor- oder Brom-Atom.
In weiteren Reaktionsschritten kann dieses Halogen-Atom dann durch andere Atome oder Atomgruppen ersetzt werden, beispielsweise durch eine OH-Gruppe. So könnte man aus Propan zunächst 2-Brompropan herstellen und dann aus dem 2-Brompropan den sekundären Alkohol Propan-2-ol, den man anschließend zu Propanon (Aceton) oxidiert. Damit haben Sie schon mal einen ersten Vorgeschmack auf den Begriff "Reaktionskette" erhalten.
Aufgaben
Aufgabe 1
Formulieren Sie alle Reaktionsschritt der Chlorierung von Ethan.
Zu dieser Aufgabe gibt es keinen Lösungsvorschlag, Sie müssen schon selbst eine Lösung finden.
Aufgabe 2
Rotes Licht hat einen Energiegehalt zwischen 159 und 183 kJ/mol, grünes von 213 bis 238 kJ/mol und blaues von 248 bis 271 kJ/mol.
Die Bindungsdissoziationsenergie einer Cl-Cl-Bindung beträgt 242 kJ/mol, die einer Br-Br-Bindung 193 kJ/mol.
Ermitteln Sie, welche Reaktion (Chlorierung, Bromierung) mit Hilfe von grünem Licht, welche mit Hilfe von blauem Licht durchgeführt werden kann.
Auch zu dieser Aufgabe stelle ich Ihnen keinen Lösungsvorschlag zur Verfügung, so dass Sie selbst überlegen müssen.
Aufgabe 3
Aus Butan kann man durch Chlorierung 1-Chlorbutan herstellen.
a) Formulieren Sie alle Schritte dieser Reaktion mit Strukturformeln
b) Notieren Sie kurz die Folgeprodukte, die man aus 1-Chlorbutan herstellen könnte.
Auch hier müssen Sie wieder selbst überlegen!
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