VL Alkane & radikalische Substitution

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

• Zusammensetzung nur aus C und H

• Allgemeine Formel: CnH2n+2

• 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)

• 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)

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

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

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