VL Alkane & radikalische Substitution

Alkane (Atome, Formel, Restformel, Bindungen, Gruppen, Winkel, Hybridisierung, Dipole, 4 Eigenschaften der Bindung, Wasser, Aggregatzustand, Schmelz und Siedepunkt)

• Zusammensetzung nur aus C und H

• Allgemeine Formel: CnH2n+2

• Formel Rest: CnH2n+1

• Nur C-C Einfachbindungen (Sigma), keine funktionelle Gruppen

• Bindungswinkel H-C, C-C-H, C-C-C -> 109,5° (da nur sp3 hybridisierte C-Atome)

• Bindungslänge C-C -> 154pm / C-H -> 108pm

• Keine permanenten Dipole

• Sehr unpolare kovalente Verbindungen

• Lipophil, hydrophob

• Nicht mischbar mit Wasser (geringe Dichte)

• C1-C4 gasförmig bei Raumtemperatur / C5-C17 Öl / ab C18 Wachs, Feststoff

• Haben niedrigen Schmelz- und Siedepunkt weil keine WBB

Apolarität und Polarität (Dipol wann, Methan, Wasser, VDWW)

• Methan: kleine EN Differenz zwischen C und H Atomen (Dipol=Summe der Partialladungen=0), tetraedrische Anordnung führt zur gegenseitigen Aufhebung der Dipolmomente -> kein permanentes Dipolmoment (temp. Und induz. Dipol -> London-Dispersions-Kräfte)

• Wasser: große EN Differenz zwischen O und H Atomen, gewinkelte Anordnung führt nicht zur Aufhebung der Dipolmomente -> hat permanentes Dipolmoment (Perm. Dipol -> polare Kräfte)

• Van der Waals Wechselwirkungen: alle intermolekularen Kräfte einschließlich Dipol/Dipol, Dipol/induz. Dipol und London Dispersion (induz. Dipol/induz. Dipol)

Nomenklatur verzweigter Alkane (3 Schritte)

1. Längste Kette: längste unverzweigte Kohlenstoffkette bestimmt Stammname, Namen der Substituenten (alle an Kette gebundenen Reste außer H) auch bestimmen

2. Kettennummerierung: längste Kette durchnummerieren -> Substituenten am C-Atom mit niedrigster Nummer am besten

3. Mehrere Substituenten: Nummerierung so wählen, dass Summe der Plätze an denen Substituenten stehen möglichst klein ist, alphabetisch ordnen und mit Positionsnummern dem Stamm voranstellen (Zahlwörter in alphabetischer Ordnung nicht beachten)

Reaktionen von Alkanen (5+1)

Heterolytische Spaltung -> beide Bindungselektronen gehen zu einem der beiden Atome

• nucleophile Substitution Sn1/2  (Halogenalkan -> anderes substituiertes Alkan)

• Eliminierung E1/E2 (Halogenalkan -> Alken)

• Elektrophile Addition (Alkene -> Alkane)

• Elektrophile aromatische Substitution (Aromat -> substituierter Aromat)

• Nukleophile aromatische Substitution (Halogenaromat -> substituierter Aromat)

 

Homolytische Spaltung -> jedes Atom enthält ein Elektron aus Bindung -> Radikale

• Radikalische Substitution (unsubstituiertes Alkan -> substituiertes Alkan)

Reaktionen von unsubstituierten Alkanen (wie, warum, Verwendung, 4 Reaktionen)

• Sind reaktionsträge da C-C und C-H unpolar -> Verwendung als inerte Lösungsmittel

• Cracken von Rohöl: Abspaltung von längeren Alkanketten in kürzere wertvolle Alkane/Alkene -> Bindungsbrüche durch hohe Temperaturen initiieren und durch fraktionierte Destillation durch verschiedene Siedepunkte aufreinigen (Pyrolyse)

• können oxidiert werden

• Höherkettige Alkane neigen zum Rußen (unvollständige Verbrennung) -> es fehlt der benötigte Sauerstoff zur CO2 Bildung

• Verbrennungsreaktionen typisch (Radikalreaktion) -> homolytische Spaltung C-C oder C-H

Reaktion substituierter Alkane (wie, warum, Reaktion, Ergebnisse)

• H ist durch Heteroatom ersetzt -> polar durch unterschiedliche EN -> reaktiver

• Heterolytische Spaltung -> Anionen und Kationen entstehen (kurzlebig)

• Carbokationen: enthalten positiv geladenes C-Atom, stabilisiert durch +I

• Carbanionen: haben negative Ladung an C-Atom, stabilisiert durch -I

Radikalische Substitution, Radikale (was passiert, Radikale, Bildung wodurch, Hybridisierung, Stabilisierung)

• Austausch von H durch Halogen

Radikale:

• Verbindungen mit ungepaartem Elektron

• hochreaktiv

• Bildung erfolgt durch homolytische Spaltung der schwächsten Bindung -> jedes Fragment enthält ein Elektron

• sp2 hybridisiert

• können stabilisiert werden durch Hyperkonjugation (Abgabe von Elektronendichte durch benachbarte C-H Bindung) -> induktiver Effekt -> radikalisches Zentrum stabilisiert, trotzdem noch reaktiv

Halogenierung von Kohlenwasserstoffen (was passiert, Iodierung, Bromierung, Chlorierung, Fluorierung, Stabilitäten, Enfluss von Cl auf Siedepunkt)

• mehrere Kohlenwasserstoffe eines Alkane können ausgetauscht werden -> unterschiedliche Halogenatome können eingesetzt werden (gleichwertiger Bindungsbruch)

  • Iodierung: Reaktion läuft nicht ab, Ea kann nicht überwunden werden, stark endotherm

  • Bromierung: leicht endotherm, selektiv, tertiäres H-Atom leichter durch Brom substituiert als primäres H-Atom, Stabilität indirekt proportional zur aufgewandten Dissoziationsenthalpie

  • Chlorierung: leicht endothermer Schritt einmal aufzubringen bevor Kettenreaktion anfängt (keine Reaktion im Dunkeln) -> Reaktion leicht exotherm (langsame Reaktion), (Siedepunkt steigt mit zunehmender Anzahl an Chloratomen weil van der waals kräfte und dipol-dipol ww auftreten denn C-Cl Bindung ist polarisiert)

  • Fluorierung: ungünstig, niedrige Ea Barriere, stark exotherm -> explosionsartig

• Hohe Stabilität -> geringer Energieaufwand / geringe Stabilität -> höherer Energieaufwand

Beispiel: Methan und Brom (3 Schritte)

• Kettenstart (Radikalbildung): Brom liegt immer Molekül vor -> 2 Atome verbunden, Lichtenergie spaltet Elektronenverbindung -> Radikale entstehen

• Kettenreaktion: reaktives Bromradikal verbindet sich mit H von Methan -> Bromwasserstoff entsteht und Methylradikal bleibt übrig, Methylradikal verbindet sich mit Brommolekül -> Brommethan, Bromradikal bleibt übrig -> kann sich immer wiederholen

• Abbruchreaktion: 2 (Methyl)Radikale reagieren zu Ethan oder ein Bromradikal und ein Methylradikal reagieren zu Brommethan oder 2 Bromradikale reagieren zu Brom

Hammond Postulat (Theorie, exotherm, endotherm, Selektivität)

• Energetisch ähnliche Zustände sind auch geometrisch und strukturell ähnlich

• Bei exergonischen Reaktionen sind Strukturen von Übergangszuständen Edukten ähnlich

• Bei endergonischen Reaktionen ist es umgekehrt da Übergangszustände energetisch und geometrisch den Produkten näher sind

• -> je unreaktiver ein Reaktand umso selektiver ist Reaktion und umgekehrt