Die Chemie-Schule


Homepage Lexikon

Organische Verbindungen - Kohlenwasserstoffe

80. Alkane - Reaktionstyp Substitution

0
0
0

Begriff Substitution

In der Chemie bezeichnet die Substitution (spätlateinisch substituere: ersetzen) eine chemische Reaktion, bei der Atome oder Atomgruppen in einem Molekül durch ein anderes Atom oder eine andere funktionelle Gruppe (oder auch Substituenten) ersetzt werden

Ersatz von Wasserstoffatomen

Neben Oxidationsvorgängen ist für Alkane der Reaktionstyp der Substitution kennzeichnend (Versuch 1). Bestrahlt man eine Brom-Hexan-Mischung mit energiereichem Licht, so entweicht ein stechend riechendes, farbloses Gas, das in feuchter Luft Nebel bildet. Wenn man das Gas auf eine Lackmuslösung leitet, dann zeigt die Rotfärbung die Anwesenheit von Wasserstoff-Ionen an. Leitet man das Gas auf Silbernitratlösung, dann weist ein ausfallender gelblicher Niederschlag (Silberbromid) auf das Gas Bromwasserstoff hin. Die Reaktion ist verständlich, da von den Reaktionspartnern nur Hexan Wasserstoff enthält.

 
 
Vermische 15 ml Hexan mit 0,5 ml Brom und bestrahle Lösung wird mit energiereichem Licht (Höhensonne, Diaprojektor). Leite das entstehende Gas auf Lackmuslösung und Silbernitratlösung. Ziehe aus den Beobachtungen deine Schlüsse. Schau dir auch das Video weiter unten an.

Die Wasserstoffatome des Hexans wurden also durch Bromatome ersetzt. Nach folgendem Reaktionsmechanismus spaltet die Lichtenergie die Brommoleküle in einzelne Bromradikale:

$ \mathrm {Br \; – \ Br \ \xrightarrow{Licht} \ 2 \ Br \centerdot} $

Die Bromradikale entreißen dann dem Hexan ein Wasserstoffatom. Es entsteht ein Radikal:

$ \mathrm { H \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \; H + Br \ \centerdot \; \longrightarrow \; \underbrace { H \; – \; {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \ \centerdot }_{Hexylradikal} \underbrace {+ H \; – \; Br}_{Bromwasserstoff} }$

$ \mathrm { H \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \; H + Br \ \centerdot \; \longrightarrow \; \\ \; \longrightarrow \; \underbrace { H \; – \; {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \ \centerdot }_{Hexylradikal} \underbrace {+ H \; – \; Br}_{Bromwasserstoff} }$

Das Hexylradikal kann nun weitere Brommoleküle spalten:

$ \mathrm { H \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \centerdot + Br \ – \ Br \ \longrightarrow \ Br \centerdot + \underbrace { H \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ Br }_{1-Monobromhexan} } $

$ \mathrm { H \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \centerdot + Br \ – \ Br \ \longrightarrow \\ \longrightarrow \ Br \centerdot + \underbrace { H \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ Br }_{1-Monobromhexan} } $

Die vereinfachte Gesamtgleichung lautet also:

$ \mathrm { \underbrace { H \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – H }_{Hexan} + Br_2 \ \longrightarrow \ HBr + \underbrace { H \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ Br }_{1-Monobromhexan} } $

$ \mathrm { \underbrace { H \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – H }_{Hexan} + Br_2 \ \longrightarrow \\ \longrightarrow \ HBr + \underbrace { H \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ {\overset {\large H} {\overset {|} {\underset {\large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ Br }_{1-Monobromhexan} } $

Radikal Monobromhexan

Die oben beschriebene Reaktion läuft so lange weiter, bis alles Brom verbraucht ist. Die Lösung wird dadurch farblos. Bei Bromüberschuß könnten sogar alle Wasserstoffatome des Hexans durch Bromatome ersetzt werden. In der Chemie heißt es: Die Wasserstoffatome werden substituiert. Wenn in der Chemie Atome oder Atomgruppen durch andere Atome oder Atomgruppen ersetzt werden, nennt man dies Substitution.

 
Wasserstoffatome der Alkane können von Halogenen substituiert werden
Bild 1. Bromierung von Hexan
 

Wenn man man ein Gemisch aus Methan und Chlor einer Höhensonne oder dem Sonnenlicht aussetzen würde, dann würde die Reaktion explosionsartig ablaufen. Wiederum entstehen durch die Lichtenergie Radikale:

$ \mathrm { Cl \; – \ Cl \ \xrightarrow{Licht} \ 2 \ Cl \centerdot } $

 
Substituieren Sie Alle Wasserstoffatome des Methylchlorids (Chlormethan) in jeweils zwei Reaktionsschritten
 
Hexan und Eicosan werden mit Natronlauge, Salzsäure und Kaliumpermanganatlösung geschüttelt: Beobachtungen?
 

Die Chlorradikale können nach und nach die Substitution der Wasserstoffatome des Methans hervorrufen:

$ \mathrm { H \; – \ {\overset {\Large H} {\overset {|} {\underset {\Large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ H + Cl \ \centerdot \quad \longrightarrow \quad HCl + H \; – \ {\overset {\Large H} {\overset {|} {\underset {\Large H} {\underset {|} C}}}} \centerdot }$
       Methan                                                Methylradikal

 
Substitution ist der Ersatz eines Atoms oder einer Atomgruppe in einem Molekül durch andere Atome oder Atomgruppen

$ \mathrm { H \; – \ {\overset {\Large H} {\overset {|} {\underset {\Large H} {\underset {|} C}}}} \centerdot\ + \ Cl_2 \quad \longrightarrow \quad Cl \centerdot + H \; – \ {\overset {\Large H} {\overset {|} {\underset {\Large H} {\underset {|} C}}}} \; – \ Cl }$
        Methan                             Monochlormethan oder Methylchlorid

Entsprechend bilden sich:

$ \mathrm { H \; – \ {\overset {\Large Cl} {\overset {|} {\underset {\Large Cl} {\underset {|} C}}}} \; – H }$
Dichlormethan
oder Methylenchlorid

$ \mathrm { H \; – \ {\overset {\Large Cl} {\overset {|} {\underset {\Large Cl} {\underset {|} C}}}} \; – Cl }$
Trichlormethan
oder Chloroform

$ \mathrm { Cl \; – \ {\overset {\Large Cl} {\overset {|} {\underset {\Large Cl} {\underset {|} C}}}} \; – Cl }$
Tetrachlormethan
oder Tetrachlorkohlenstoff

Allgemeine Reaktionsfähigkeit

 
Paraffin ist eine alte Bezeichnung für Alkane

Das reaktionsträge Verhalten der Alkane gegenüber chemisch so aggressiven Substanzen wie Salzsäure, Natronlauge oder Kaliumpermanganat (ein starkes Oxidationsmittel) kennzeichet diese Verbindungen als recht stabil. Sie zeigen kaum ein Bestreben (»parum affinis») Reaktionen einzugehen und hießen deshalb früher Paraffine.