Reaktionen der Alkane – Homolytischer und heterolytischer Bindungsbruch

Reaktionen der Alkane – Homolytischer und heterolytischer Bindungsbruch Übung

• Definiere die Begriffe homolytische und heterolytische Bindungsspaltung.

  Tipps

  Die Vorsilbe homo- bedeutet so viel wie gleich-, lysieren bedeutet so viel wie lösen.

  Lösung

  Den Begriff homolytisch kann man in etwa mit gleich gelöst übersetzen. Bei der Lösung einer Bindung werden die Elektronen der Bindung also gleich auf die Bindungspartner verteilt.
  Analog dazu bedeutet heterolytisch so viel wie unterschiedlich gelöst. Bei der Lösung einer Bindung zwischen zwei Atomen werden die Elektronen unterschiedlich aufgeteilt, ein Bindungspartner erhält beide Elektronen.

• Nenne Verbindungen, die mit Hexan zur Reaktion gebracht werden können.

  Tipps

  Natrium kann zum Schutz vor Oxidation in Hexan aufbewahrt werden.

  Lösung

  Hexan und andere Alkane unterscheiden sich in ihrem Reaktionsverhalten von Lösungsmitteln wie Wasser oder Alkohol. Sie reagieren mit einigen Stoffe, die mit Wasser keine Reaktion zeigen. Mit anderen Stoffen, mit denen Wasser heftig reagiert, reagieren sie gar nicht.
  Wasser reagiert nicht mit Sauerstoff – man kann Wasser nicht verbrennen. Viele Alkane brennen an der Luft, sie reagieren also mit Sauerstoff. Brom und Chlor lösen sich in Wasser, ohne damit zu reagieren. Beide Stoffe reagieren jedoch mit Alkanen wie Hexan.

• Ermittle die wahrscheinlichsten Reaktionsprodukte bei einer homolytischen Bindungsspaltung.

  Tipps

  Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen, die weitere Bindungen zu Kohlenstoffatomen haben, sind mit weniger Energieaufwand zu spalten.

  Lösung

  Für die Bindungsspaltung im $H_3C-CH_3$-Molekül gibt es nur eine Möglichkeit: Die $C-C$-Bindung wird homolytisch gespalten und es entstehen zwei $\bullet CH_3$-Radikale.
  Auch beim $HC(CH_3)_3$-Molekül führt jede homolytische Spaltung einer $C-C$-Bindung zum gleichen Ergebnis: Es entsteht ein $\bullet CH_3$-Radikal und ein $H \overset{\bullet}{C}(CH_3)_2$-Radikal.
  Für die Spaltung einer $C-C$-Bindung im Butanmolekül sind zwei Möglichkeiten denkbar: Zwischen dem ersten und dem zweiten Kohlenstoffatom oder in der Mitte des Moleküls. Da eine Bindungsspaltung zwischen zwei sekundären Kohlenstoffatomen weniger Energie erfordert als die Spaltung einer Bindung zwischen einem primären und einem sekundären Kohlenstoffatom, erfolgt die Spaltung in der Mitte des Moleküls. Es entstehen daher zwei $H_3C-\overset{\bullet}{C}H_2$-Radikale.
  Mit der gleichen Begründung entsteht bei der homolytischen Spaltung einer $C-H$-Bindung im Propanmolekül mit einer höheren Wahrscheinlichkeit das $H_3C-\overset{\bullet}{C}H-CH_3$-Radikal.

• Vergleiche die zur homolytischen Bindungsspaltung erforderliche Energie.

  Tipps

  Die Spaltung von $C-H-$-Bindungen erfordert mehr Energie als die Spaltung von $C-C$-Bindungen.

  Lösung

  Die Höhe der Energie, die bei Alkanen zur Spaltung von $C-C$-Bindungen erforderlich ist, hängt von der Position der Bindung im Molekül ab. Je mehr Bindungen die beiden Bindungspartner zu weiteren Kohlenstoffatomen haben, desto weniger Energie ist zur Spaltung der Bindung notwendig.
  In dem Molekül ist die Bindung mit der geringsten Bindungsenergie daher die Bindung zwischen den beiden tertiären Kohlenstoffatomen. Die Spaltung der Bindung zwischen dem sekundären und dem tertiären Kohlenstoffatom benötigt bereits etwas mehr Energie.
  Noch mehr Energie benötigt die Spaltung der Bindung zwischen zwei sekundären Kohlenstoffatomen, gefolgt von der energiereichsten $C-C$-Bindung im Molekül, der Bindung zwischen einem sekundären und einem primären Kohlenstoffatom.
  Die Spaltung der Bindung zwischen Wasserstoff und Kohlenstoff erfordert jedoch noch mehr Energie.

• Schildere, warum die homolytische Bindungsspaltung bevorzugt abläuft.

  Tipps

  Die Vorsilbe homo- bedeutet so viel wie gleich-, lysieren bedeutet so viel viel lösen.

  Lösung

  Eine Grundregel in der Chemie lautet: Beim Knüpfen von Bindungen wird Energie frei, um Bindungen zu spalten, muss Energie aufgewandt werden.
  Damit es zur Bindungsspaltung kommt, muss dem Stoff also Energie, zum Beispiel in Form von Wärme, zugeführt werden. Nun wird zuerst die Art der Bindungsspaltung zum Tragen kommen, die weniger Energie benötigt, denn die erforderliche Energie wird früher erreicht. Bei den Alkanen reicht – bei entsprechenden Reaktionsbedingungen – zum Teil schon die Energie der Umgebungswärme zur heterolytischen Bindungsspaltung aus. Daher kommt es bei Alkanen bevorzugt zu diesem Typ der Bindungsspaltung.

• Erkläre, warum bei Alkanmolekülen eine homolytische Spaltung der Bindung und beim Wassermolekül eine heterolytische Bindungsspaltung erfolgt.

  Tipps

  Eine Bindung ist polar, wenn der Unterschied der Elektronegativität beider Bindungspartner zwischen 0,5 und 1,7 liegt.

  Lösung

  Bei einer kovalenten Bindung teilen sich die beiden Bindungspartner ein Elektronenpaar, um so ihre äußeren Elektronenschalen aufzufüllen. Je nach Element werden die Elektronen dabei stärker zu einem Atom hin gezogen, ein Maß hierfür ist die Elektronegativität. Bei Bindungen zwischen Atomen unterschiedlicher Elemente können so unpolare Bindungen entstehen, bei denen sich die Bindungselektronen häufiger bei dem Atom aufhalten, das die höhere Elektronegativität hat.
  Bei stark polaren Bindungen kann man sich daher gut vorstellen, dass es einfacher ist, wenn beide Bindungselektronen beim Bindungspartner mit der höheren Elektronegativität bleiben, als wenn die Elektronen zwischen den Atomen aufgeteilt werden.
  Bei unpolaren Bindungen hingegen ist weniger Energie erforderlich, wenn die Bindung sozusagen „in der Mitte durchgerissen" wird – beide Atome also ein Bindungselektron zugesprochen bekommen.