Reaktionen der Alkane – Radikalische Substitution

Guten Tag und herzlich willkommen. Dieses Video heißt Reaktionen der Alkane. Radikalische Substitution. Der Film ist wie folgt gegliedert: 1. Substitution 2. Radikalkettenreaktion 3. Aktivierungsenergien bei Chlorierung und Bromierung 4. Reaktionsgeschwindigkeit und Selektivität 5. Radikalfänger 1. Alkane reagieren mit Halogenen wie Chlor und Brom. Wenn das einfachste Alkan mit Chlor zusammengebracht wird, passiert nichts. Erst wenn UV-Strahlung auftrifft oder wenn das Reaktionsgemisch erwärmt wird, findet eine Umsetzung statt. Dabei wird ein Wasserstoffatom gegen ein Chloratom ausgetauscht, und es entsteht Chlorwasserstoff. Methan reagiert zu Chlormethan. Man nennt es auch Methylchlorid. Wenn ein Wasserstoffatom gegen ein Chloratom ersetzt wird, sagt man auch, es wird substituiert. Wenn Chlor weiter reagiert und weitere Wasserstoffatome austauscht, entstehen weitere Substitutionsprodukte. Es bilden sich Dichlormethan, auch Methylenchlorid genannt. Trichlormethan, man nennt es häufig Chloroform. Oder Tetrachlormethan. Tetrachlorkohlenstoff. 2. Radikalkettenreaktion. Bei der Reaktion von Chlor mit Alkanen bildet sich eine Reaktionskette. Im ersten Schritt entstehen aus dem Chlormolekül durch Einstrahlung von UV-Licht, 2 Chlorradikale, 2 Chloratome. Damit hat die Kettenreaktion begonnen. Es ist der Kettenstart. Im zweiten Schritt reagiert das Alkanmolekül mit dem Chlorradikal zu einem radikalen R^., und es entsteht Chlorwasserstoff. Im dritten Schritt nun reagiert das Radikal R^. mit einem Chlormolekül zu dem Chloralkan RCl, und es entsteht wieder ein Chlorradikal. Die Reaktionen 2 und 3 werden als Kettenfortpflanzungsschritt bezeichnet. Nach 3 kann wieder 2 erfolgen und so weiter. Es gibt aber auch andere Reaktionen, die das Kettenwachstum bremsen. Zum Beispiel könnte das Radikal R^. mit einem Chlorradikal reagieren, und es bildet sich ein Chloralkan RCl. Es könnten auch 2 Radikale R^. miteinander rekombinieren, und es bildet sich ein Alkan: RR. Und auch die nächste Möglichkeit ist nicht ausgeschlossen. 2 Chlorradikale Cl^. bilden zusammen ein Chlormolekül Cl2. Diese 3 Reaktionen bezeichnet man als Kettenabruchreaktionen. 3. Aktivierungsenergien bei Chlorierung und Bromierung. Ich möchte zunächst in einer Grafik schematisch die Freienergien gegen die Reaktionskoordinate bei der Chlorierung auftragen. Links die Ausgangsstoffe, ein Alkan und ein Chlorradikal. Und rechts die Reaktionsprodukte. Die Ausgangsstoffe müssen einen kleinen Energieberg überwinden. Das ist die Aktivierungsenergie: Delta G. Im Fall der Bromierung treffen wir eine andere Situation an. Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte verhalten sich anders. Hier kommt es zu einem Energiezuwachs. Im Unterschied zur Chlorierung ist hier die Aktivierungsenergie viel höher. Aus dieser Tatsache Delta G Aktivierung für Chlorierung ist kleiner als Delta G Aktivierung für Bromierung kann man eine sehr wichtige Folgerung ableiten. Die Chlorierung läuft schneller ab als die Bromierung. 4. Reaktionsgeschwindigkeit und Selektivität. Betrachten wir einmal das Molekülgerüst des Propans. Wir haben hier 2 Sorten von Wasserstoffatomen. Nämlich primäre und sekundäre. Wenn ein Chlorradikal auf das Propanmolekül einwirkt, so können wir 2 Substitutionsprodukte erwarten. Das primär Substituierte und das sekundär Substituierte. Und zwar im Verhältnis 3:1. Warum ist das so? Das ist das statistische Verhältnis von primären zu sekundären Wasserstoffatomen. Nämlich 6:2 oder 3:1. Und tatsächlich erhält man so ein Verhältnis bei einer Reaktion bei 600°C. Bei einer Temperatur von 25°C erhält man allerdings ein Verhältnis von 43% primär zu 57% sekundär. Warum ist das so? Das ergibt sich ganz einfach aus der unterschiedlichen Reaktivität von primären und sekundären Wasserstoffatomen. Es ist nämlich so, das primäre Wasserstoffatome weniger reaktiv sind gegenüber radikalischer Substitution als sekundäre Wasserstoffatome. Somit haben wir eine Menge gelernt über die Substitution mit Chlor. Schauen wir uns nun die Substitution mit Brom an. Es stellt sich heraus, das bei dieser Reaktion viel mehr sekundäres Reaktionsprodukt als primäres Produkt gebildet wird. Erinnert euch bitte an den Vergleich der Aktivierungsenergien von Chlorierung und Bromierung. Bei der Chlorierung ist die Aktivierungsenergie recht klein. Daher ist der Überschuss vom sekundären Reaktionsprodukt relativ gering. Bei der Bromierung ist die Aktivierungsenergie recht groß. Daher wird viel mehr sekundäres Reaktionsprodukt als primäres Produkt produziert. Wir wollen nun Chlorierung und Bromierung hinsichtlich der Selektivität primär, sekundär und tertiär vergleichen. Bei der Chlorierung ist die Aktivierungsenergie sehr klein. Nur wenig größer als 0. Bei der Bromierung gibt es eine relativ große Aktivierungsenergie. Die Aktivierungsenergien bestimmen die Geschwindigkeiten einer chemischen Reaktion. Die Chlorierung läuft recht schnell ab, während die Bromierung nur mit gemäßigter Geschwindigkeit abläuft. Grob gesprochen kann man auch sagen, dass bei der Chlorierung die primären, sekundären und tertiären Wasserstoffatome mit etwa gleicher Menge substituiert werden. Bei der Bromierung ist es anders. Primäre Wasserstoffatome werden seltener substituiert als die sekundären und diese wieder seltener als tertiäre. Wir können somit schlussfolgern: Die Selektivität fällt mit der Reaktionsgeschwindigkeit. Und zum Abschluss noch ein kleines Kapitel: 5. Radikalfänger. Wenn man von Haloginierung sprich, so könnte man sich darunter vorstellen, dass die vielen stabilen Halogene Wasserstoffatome austauschen. Nämlich Fluor, Chlor, Brom und Jod. Auf die Alkane wirken die Moleküle ein. F2, Cl2, Br2 und I2. Für die direkte Halogenierung reagiert Fluor zu stark. Jod hingegen reagiert überhaupt nicht. Man kann Jod allerdings einsetzen, um die Kettenreaktion abzubrechen. Ein Jodmolekül reagiert mit einem Chlorradikal zu Cl und einem Jodradikal. 2 Jodradikale können wieder zu einem Jodmolekül rekombinieren. Somit reagiert Jod als Radikalfänger, und es kommt zum Kettenabbruch der Radikalkettenreaktion. Ich danke für eure Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen.