Die Bromierung von n-Heptan und 1-Hexen. Versuchsauswertung und der Einsatz in der Schule (Sekundarstufe II)

Inhalt

1. Theorieteil
1.1 Die radikalische Substitutionsreaktion
1.2 Energiebilanz der radikalischen Substitution von Brom an Alkanen
1.3 Die elektrophile Additionsreaktion von Halogenen an Alkene

2.Versuchsteil
2.1 Versuchsaufbau
2.2 Durchführung
2.3 Entsorgung
2.4 Sicherheitshinweise
2.5 Beobachtung
2.6 Auswertung

3. Fachdidaktische Reflexion

4. Literaturverzeichnis

1. Theorieteil

1.1 Die radikalische Substitutionsreaktion

Die radikalische Substitutionsreaktion ist ein Reaktionsmechanismus der organischen Chemie, bei der ein Wasserstoffatom eines Alkan-Moleküls durch beispielsweise ein Halogen-Atom¹ ersetzt wird. Die Reaktion verläuft über drei Teilschritte und beginnt mit der Kettenstartreaktion, bei der die Bindung im Halogen-Molekül auf Grund einer äußeren Energiezufuhr in Form von Licht oder Wärme homolytisch gespalten wird (siehe Abb. 1). Zur besseren Lesbarkeit gilt für den gesamten Theorieteil: X= Cl (Chlor) oder Br (Brom).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 - Homolytische Spaltung eines Halogen-Moleküls (eigens erstellte Grafik nach Hart 2007, S.77)

Der nächsteReaktionsschritt, die Kettenfortpflanzung wird in Abbildung 2 visualisiert. Das Halogen-Radikalreagiert mit einem Alkan-Molekül unter Abspaltung eines Wasserstoff-Atoms zu einem Alkyl-Radikal und einem Halogenwasserstoff–Molekül (vgl. Hart 2007, S.77).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 - Kettenfortpflanzung der radikalischen Substitution (eigens erstellte Grafik nach Hart 2007, S. 77)

Schließlich reagiert das Alkyl-Radikal mit einem weiterenHalogen-Molekül zu einem Halogenalkan-Molekül und einem Halogen-Radikal (siehe Abb. 3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 - Reaktion eines Alkyl-Radikals mit einem Halogen-Molekül (eigens erstellte Grafik nach Hart 2007, S. 77)

Der Abbruch der Kettenreaktion erfolgt, wenn zwei Radikale unter Rekombination miteinander reagieren (vgl. Schmuck 2013, S. 112). Die drei Möglichkeiten der Rekombinationen sind in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 - Möglichkeiten der Kettenabbruchreaktion (eigens erstellte Grafik nach Schmuck 2013, S. 112)

Die Rekombination von zwei Halogen-Radikalen oder zwei Alkyl-Radikalen sind darüber hinaus Nebenreaktionen, die bereits im Reaktionsschritt der Kettenfortpflanzung ablaufen (vgl. ebd).

1.2 Energiebilanz der radikalischen Substitution von Brom an Alkanen

Auf Grund der unterschiedlichen Bindungsdissoziationsenergien unterscheiden sich die Energiebilanzen der einzelnen Teilreaktionen der radikalischen Substitution. Die erste Teilreaktion der radikalischen Substitution, bei der ein Brom-Radikal mit einem Alkan-Molekülreagiert, ist stark endotherm und verläuft sehr viel langsamer als die darauffolgenden Teilreaktionen. Folglich ist dies der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Gesamtreaktion (vgl. Peter 2011, S. 122). Tabelle 1 zeigt die unterschiedlichen Reaktionsenthalpien am Beispiel der Bromierung von Methan.

Tabelle 1 - Reaktionsenthalpien derReaktionsteilschritte bei der radikalischen Substitution von Methan (vgl. Peter 2011, S. 122)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1.3 Die elektrophile Additionsreaktion von Halogenenan Alkene

Die elektrophile Addition an Alkene ist ein Reaktionsmechanismus der organischen Chemie, bei der ein elektrophiles Teilchen an eine Doppelbindung eines Alken-Moleküls angreift. Die Doppelbindung eines Alken-Molekülsist auf Grund der delokalisierten Elektronen der beiden Kohlenstoffatome der Doppelbindung starknucleophil. Nähert sich ein Halogen-Molekül dieser nukleophilen Stelle an, wird das Halogen-Molekül polarisiert und die X-X-Bindung wird auf Grund der immer stärkeren Polarisierung heterolytisch gespalten.Das der Doppelbindung näher gelegene Halogen-Atom erhält eine positive Partialladung und greift elektrophil an die Doppelbindung an. Wie in Abbildung 5 zu sehen, bildet sichdas cyclischeHalonium-Ion und einnegativ geladenes Halogenid-Ion (vgl. Schmuck 2013, S. 219).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5 - Bildung des Halonium-Ions (eigens erstellte Grafik nach Schmuck 2013, S.219)

Im nächsten Schritt greift das Halogenid-Ion nucleophil an eines der beiden Kohlenstoff-Atome der ursprünglichen Doppelbindung an. Dabei wird die C-X-Bindung im Halonium-Ion heterolytisch gespalten und gleichzeitig eine neue Bindung zwischen dem Halogenid-Ion und dem anderem Kohlenstoff-Atom gebildet (vgl. ebd, S. 220). Abbildung 6 zeigt die zwei unterschiedlichen Möglichkeiten des nucleophilen Angriffes des Halogenid-Ions, farblich gekennzeichnet in grün und rot.Auf Grund von sterischer Hinderung kann der nucleophile Angriffnur von der Rückseite erfolgen. Es bildet sich das so genannte anti -Additionsprodukt (vgl. ebd., S.214).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Halonium-Ion Anti-Additionsprodukt

Abbildung 6 - Rückseitenangriff des Halogenid-Ions (eigens erstellte Grafik nach Schmuck 2013, S. 220)

Die beiden möglichen Reaktionsprodukte sind zwei Enantiomere, welche als racemisches Gemisch im Verhältnis 1:1 vorliegen (vgl. ebd., S.73).

Nach der Lewisschreibweiseist das Halogen-Atom imHalonium-Ion zwar formal positiv geladen, weist unter Betrachtung des elektrostatischen Oberflächenpotenzials (ESP)jedocheine hohe negative Ladungsdichte auf. Auf Grund dessen werden die beiden Kohlenstoffatome der ursprünglichen Doppelbindung positiv polarisiert und stellen demzufolge die elektrophilen Stellen imHalonium-Iondar, an denen das Halogenid-Ion nucleophilangreifen kann (vgl. Schmuck 2013, S. 219ff).

Abbildung 7 visualisiert das Oberflächenpotenzial im Halonium-Ion. Der rote Bereichveranschaulichtdie negative Ladungsdichte im Bereich des Halogen-Atoms, der blaue Bereich die positive Ladungsdichte im Bereich der beiden Kohlenstoff-Atome.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7–Oberflächenpotenzial desHalonium-Ions (eigens erstellte Grafik nach Schmuck 2013, S.221)

2.Versuchsteil

2.1 Versuchsaufbau

Materialien: Aluminiumfolie, Schnappdeckelgläser mit Verschlusskappen, Vorratskasten, Tropfpipette, Messpipette

Chemikalien: Brom, n-Heptan, 1-Hexen, Natriumthiosulfat-Lösung (

Die Schnappdeckelgläser, das Brom und die Tropfpipette wurden bereitgestellt. Anschließend wurden je 5 mL n- Heptan in zwei Schnappdeckelgläser gegeben. Eines der Schnappdeckelgläser wurde anschließend mit Aluminiumfolie umwickelt, sodass kein Licht durch die Wände des Schnappdeckelglases gelangen konnte.

Nun wurden 5 mL1-Hexen in zwei weitere Schnappdeckelgläser gegeben, wovon eines ebenfalls mit Aluminiumfolie umwickelt wurde.

Eine Natriumthiosulfat-Lösung wurde bereitgestellt, um gegebenenfalls elementares Brom umsetzen zu können.

2.2 Durchführung

In die Schnappdeckelgläser wurde je ein Tropfen Brom gegeben und diese sofort verschlossen. Die mit Aluminiumfolie umwickelten Schnappdeckelgläser wurden zur besseren Abschirmung von Licht unter einem Vorratskasten gestellt. Alle Lösungen wurden nach 5 Minuten beobachtet.

2.3 Entsorgung

Die gefärbten Lösungen wurden bis zur vollständigen Entfärbung unter Lichteinwirkung im Abzug stehen gelassen. Die entfärbten Lösungen wurden dann im Abfallbehälter für halogenierte organische Lösungen entsorgt.

2.4 Sicherheitshinweise

Tabelle 2- Sicherheitshinweise (DGUV 2017)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Laut DGUVist der Umgang mit Bromwasserstoff, 1-Hexen und n -Heptan für Schülerinnen und Schüler ab Jahrgangsstufe 5 erlaubt. Der Umgang mit Natriumthiosulfat-Lösung unterliegt keiner Tätigkeitsbeschränkung. Der Umgang mit Brom ist für Schülerinnen und Schüler untersagt. Ferner ist für Brom eine Ersatzstoffprüfung erforderlich. 1,2-Dibromhexan, 1-Bromheptan und Tetradecan sind nicht aufgelistet(DGUV, 2017).

[...]

¹ Die in diesem Protokoll genannten Reaktionen sind lediglich mit Chlor-Molekülen und Brom-Molekülen präparativ sinnvoll. Mit Flour-Molekülen ist die Halogenierung nicht kontrollierbar, da sie zu stark exotherm ist. Bei der Halogenierung mit Iod-Molekülen ist der erste Reaktionsschritt stark endotherm, sodass die Halogenierung mit Iod-Molekülen auf Grund der fehlenden thermodynamischen Triebkraft nicht abläuft (vgl. Schmuck 2013, S. 118). Auf Grund dessen wird im Folgenden vereinfacht von Halogen-Molekülen bzw. Halogen-Radikalen gesprochen, umfassen jedoch lediglich die Halogene Chlor und Brom.