Reaktionen der Alkane – radikalische Substitution
Bei der radikalischen Substitution in der Chemie, ersetzen wir Molekül- oder Atomgruppen durch ein anderes Molekül oder Atom. Dabei entstehen reaktive Radikale. In einer dreistufigen Kettenreaktion machen wir dich step by step mit dem Prozess vertraut und zeigen dir, was bei einer spezifischen Halogenierung passiert. Dazu lüften wir das Geheimnis um die Stabilität von Radikalen. Interesse an der faszinierenden Welt der chemischen Reaktionen? Dann lies weiter!
in nur 12 Minuten? Du willst ganz einfach ein neues
Thema lernen in nur 12 Minuten?
-
5 Minuten verstehen
Unsere Videos erklären Ihrem Kind Themen anschaulich und verständlich.
92%der Schüler*innen hilft sofatutor beim selbstständigen Lernen. -
5 Minuten üben
Mit Übungen und Lernspielen festigt Ihr Kind das neue Wissen spielerisch.
93%der Schüler*innen haben ihre Noten in mindestens einem Fach verbessert. -
2 Minuten Fragen stellen
Hat Ihr Kind Fragen, kann es diese im Chat oder in der Fragenbox stellen.
94%der Schüler*innen hilft sofatutor beim Verstehen von Unterrichtsinhalten.
Grundlagen zum Thema Reaktionen der Alkane – radikalische Substitution
Radikalische Substitution – Chemie
In der Chemie gibt es einige Reaktionsmechanismen. Eine davon ist die radikalische Substitution. Doch was passiert überhaupt bei einer Substitution? Und was entsteht bei einer radikalischen Substitution? Alle diese Fragen werden im folgenden Text beantwortet.
Was ist die radikalische Substitution? – Definition
Einfach erklärt ist die radikalische Substitution $S_R$ ein Reaktionsmechanismus in der organischen Chemie. Substituieren bedeutet ersetzen einer Molekül- oder Atomgruppe durch ein anderes Molekül oder Atom (häufig durch Halogen- oder Sauerstoffatome). Bei einem Radikal handelt es sich um Atome oder Verbindungen, die ungepaarte Elektronen besitzen. Dargestellt werden Radikale mit einem Punkt neben dem Elementsymbol. Sie sind sehr reaktionsfreudig. Bei der radikalischen Substitution kommt es zu einer Radikalkettenreaktion. Es werden drei Schritte durchlaufen:
- Startreaktion der radikalischen Substitution
- Kettenreaktion bzw. Kettenfortpflanzung der radikalischen Substitution
- Abbruchreaktion bzw. Kettenabbruch der radikalischen Substitution
Aber wann wird die Kettenreaktion bei der radikalischen Substitution abgebrochen und wie kommt es überhaupt zum Kettenabbruch? Das schauen wir uns jetzt im Folgenden Schritt für Schritt an.
Wie läuft die radikalische Substitution ab? – Beispiel Halogenierung
Als Beispiel für eine radikalische Substitution $S_R$ schauen wir uns nun die Halogenierung genauer an. Die Halogenierung ist ein Reaktionsmechanismus, bei dem Alkane mit den gebildeten Radikalen der Halogene reagieren. Die Halogene befinden sich in der VII. Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente. Zu diesen gehören zum Beispiel Fluor $\ce{F}$, Chlor $\ce{Cl}$ oder Brom $\ce{Br}$. Das Radikal kann dann mit dem zu substituierenden Molekül in einer Kettenreaktion reagieren, bis es zum Kettenabbruch kommt.
In der folgenden Tabelle ist eine allgemeine Reaktionsgleichung mit der jeweiligen Erklärung zur Substitutionsreaktion dargestellt:
Reaktion | Erklärung | |
---|---|---|
Start- reaktion |
$ \footnotesize{\ce{\overset{Halogenmolekül}{X2} ->[\Delta T] \overset{2 Radikale}{X. + X.}}}$ | Bildung eines Radikals: Radikale bilden sich, indem Licht oder Wärme hinzugefügt wird. Die Energiezufuhr führt dazu, dass die kovalente Bindung gespalten wird. Dem Halogenatom bleibt ein Bindungselektron. Es ist also ein Radikal. |
Ketten- reaktion |
$\footnotesize{\ce{\overset{Halogenradikal}{X.} + \overset{Alkan}{R-H} -> \overset{Halogenwasserstoff}{H-X} + \overset{Alkylradikal}{R.}}}$ $ \footnotesize{ \ce{\overset{Alkylradikal}{R.} + \overset{Halogenmolekül}{X2} -> \overset{Halogenalkan}{R-X} + \overset{Halogenradikal}{X.}}}$ |
Das Halogenradikal greift den Kohlenwasserstoff an. Dabei reagiert es zu einem Halogenwasserstoff und einem Alkylradikal. Im weiteren Verlauf reagiert das Alkylradikal mit dem Halogenmolekül. Es entstehen ein Halogenalkan und ein Halogenradikal. |
Ketten- abbruch |
$\footnotesize{ \ce{\overset{ Alkylradikal und Halogenradikal}{R. + X.} -> \overset{Halogenalkan}{R-X}}}$ $ \footnotesize{\ce{\overset{Zwei Alkylradikale}{R. + R.} -> \overset{Alkan}{R-R}}}$ $ \footnotesize{\ce{\overset{Zwei Halogenradikale}{X. + X.} -> \overset{Halogenmolekül}{X2}}}$ |
Sobald zwei Radikale aufeinandertreffen, kommt es zur Abbruchreaktion. Dabei können drei Kombinationsmöglichkeiten auftreten: 1. Alkylradikal und Halogenradikal 2. Zwei Alkylradikale 3. Zwei Halogenradikale |
Der dabei ablaufende Reaktionsmechanismus der radikalischen Substitution wird in der folgenden Abbildung an einem konkreten Beispiel noch einmal verdeutlicht:
Für die bei der Reaktion dieser radikalischen Substitution entstehenden Halogenkohlenwasserstoffe gibt es einen Nachweis: In Verbindung mit dem Element Kupfer $\ce{Cu}$ weisen Halogenkohlenwasserstoffe eine grüne Flammenfärbung auf.
Weitere Beispiele für radikalische Substitutionsreaktionen sind zum Beispiel die Bromierung, die Peroxygenierung, die Sulfochlorierung oder die Nitrierung.
Radikalische Substitution an Aromaten
Bei der radikalischen Substitution an Aromaten $S_Ar$ greifen die Radikale bevorzugt den aliphatischen Teil – also die Seitenkette – an. Der Ring bildet den aromatischen Teil einer chemischen Verbindungen. Die radikalische Substitution von Benzol ist beispielsweise eine radikalische aromatische Substitution.
Stabilität der Radikale – Hyperkonjugation und Konjugation
Die radikalische Substitution verläuft über das stabilste Radikal. Die Stabilität der Radikale wird durch Hyperkonjugation und Konjugation bestimmt.
Was ist Hyperkonjugation?
Je größer die Anzahl der Kohlenstoffatome, die an ein C-Atom mit dem ungepaarten Elektron gebunden ist, desto stabiler ist dieses Radikal. Ein tertiäres Radikal ist also stabiler als ein sekundäres und dieses wiederum stabiler als ein primäres Radikal. Aber wieso ist das so? Je mehr Alkylgruppen um ein Kohlenstoffatom mit einem einzelnen, nicht bindenden Elektron gruppiert sind, desto größer wird die Möglichkeit der Hyperkonjugation. Unter Hyperkonjugation versteht man eine elektronische Wechselwirkung zwischen einem vollständig besetzten Orbital einer $\sigma$-Bindung (meist einer C-H- oder C-C-Bindung) und einem benachbarten unbesetzten oder einfach besetzten Molekülorbital. Die Überlappung dieser beiden Orbitale ermöglicht dann eine zusätzliche Delokalisierung der Elektronen aus der $\sigma$-Bindung – daraus resultiert eine zusätzliche Mesomeriestabilisierung.
Konjugation bei der radikalischen Substitution
Auch bei der radikalischen Substitution ist die Voraussetzung für die Konjugation das Vorhandensein von mindestens zwei Doppelbindungen. Wichtig ist dabei, dass sie nicht auseinander liegen, sondern nebeneinander, jeweils getrennt durch eine Einfachbindung. Die Konjugation kommt zustande, weil an jedem Kohlenstoffatom $\pi$-Orbitale vorhanden sind, die in der gleichen Richtung angeordnet sind. Die Elektronen dieser Orbitale treten dann in Wechselwirkung. Diesen Effekt nennt man Konjugation. Diese Überlappung der $\pi$-Orbitale bedeutet auch Delokalisierung der $\pi$-Elektronen. Dadurch kommt es zu einer Stabilisierung des Systems.
Radikalische Substitution – Zusammenfassung
Die radikalische Substitution ist ein Reaktionsmechanismus der Chemie, bei der es zu einer Radikalkettenreaktion kommt. Dabei werden drei Schritte durchlaufen: die Startreaktion, die Kettenreaktion (Kettenfortpflanzung) und die Abbruchreaktion (Kettenabbruch). Ein Beispiel für eine radikalische Substitution ist die Halogenierung. Die radikalische Substitution erfolgt vorzugsweise an Aliphaten. Sie verläuft über das stabilste Radikal. Die Stabilität der Radikale wird durch Hyperkonjugation und Konjugation bestimmt.
Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben zur radikalischen Substitution, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!
Reaktionen der Alkane – radikalische Substitution Übung
-
Benenne die Reaktionspartner der Halogenierung von Methan mit Chlor (radikalische Substition).
TippsBei der radikalischen Substitution wird ein Wasserstoff-Atom des Alkans ersetzt durch ein Halogen wie Chlor.
Lösung„Substitution“ bedeutet „Austausch“ oder „Ersetzung“. In der Chemie beschreibt dieser Begriff eine Reaktion, bei der ein Atom oder eine Atomgruppe eines Moleküls durch ein anderes Atom oder eine andere Atomgruppe ersetzt wird.
Betrachten wir also erst einmal, was ausgetauscht, also substituiert, wird: Bei der radikalischen Substitution wird ein Wasserstoff-Atom aus einem Alkan durch ein Atom eines anderen Elements, beispielsweise ein Halogen wie Chlor, ersetzt.
Chlor liegt bei Raumtemperatur und Normaldruck als zweiatomiges Molekül ($\ce{Cl2}$) vor. In diesem Zustand ist das Gas stabil, weil die beiden Chlor-Atome durch eine starke Elektronenpaarbindung miteinander verbunden sind. Es reagiert daher nicht spontan mit Alkanen, da dazu zunächst Energie benötigt wird, um die Bindung zu spalten. Diese Energie kann entweder durch hohe Temperaturen $\pu{(> 300 °C)}$ oder durch Bestrahlung mit UV-Licht bereitgestellt werden.
Dann findet nämlich der erste Schritt einer mehrstufigen Reaktion statt.
-
Sortiere die einzelnen Schritte der Reaktion von Methan mit Chlorgas.
TippsEin Kettenstart (Bestrahlung mit UV-Licht) erzeugt Radikale.
Es gibt mehrere Kettenfortpflanzungen, bei denen wiederum Radikale entstehen.
LösungKettenstart der radikalischen Substitution:
Wird das Gemisch eines Alkans, beispielsweise Methan $\ce{(CH4)}$ und Chlorgas $\ce{(Cl2)}$, mit UV-Licht bestrahlt, wird die Bindung im Chlor-Molekül aufgespalten: Es bilden sich zwei einzelne Chlor-Atome, die über je ein freies Außenelektron verfügen. Das sind Chlor-Radikale. Radikal deshalb, weil sie so schnell wie möglich wieder eine Bindung anstreben und darum besonders reaktiv sind.Kettenfortplanzung der radikalischen Substitution:
In diesem Schritt reagiert das Chlor-Radikal mit einem Wasserstoffatom vom Methan-Molekül $\ce{(CH4)}$. So entsteht einerseits Chlorwasserstoff $\ce {(HCl)}$ und andererseits bleibt ein Methyl-Radikal übrig. Wir haben hier also eine Kettenreaktion: Ein Radikal führt zum nächsten.
Das Methyl-Radikal kann mit einem noch intakten Chlor-Molekül $\ce{(Cl2)}$ reagieren. So entsteht das Substitutionsprodukt: Chlormethan $\ce{(CH3Cl)}$, ein sogenanntes Halogenalkan (bei dem nun ein Wasserstoff-Atom durch ein Chlor-Atom substituiert wurde). Außerdem entsteht wiederum ein Chlor-Radikal, das weiterreagieren kann.Kettenabbruch der radikalischen Substitution:
Er findet immer dann statt, wenn zwei Radikale sich zu einem Molekül verbinden. Da gibt es mehrere Möglichkeiten:- Ein Methyl-Radikal und ein Chlor-Radikal können sich zum entsprechenden Chlormethan $\ce{(CH3Cl)}$ ergänzen.
- Zwei Methyl-Radikale reagieren zu Ethan $\ce{(C2H6)}$.
- Zwei Chlor-Radikale können erneut zu einem Chlor-Molekül $\ce{(Cl2)}$ reagieren.
-
Erkläre die mehrfache Halogenierung der Alkane.
TippsMethylen bezeichnet die Gruppe $\ce{-CH2-}$.
In Alkanen mit mehreren Kohlenstoff-Atomen ist die Halogenierung nicht gleichmäßig verteilt.
LösungDurch eine Weiterführung der Kettenreaktion ist auch eine mehrfache Halogenierung möglich. So können beispielsweise neben Chlormethan (Methylchlorid) auch Dichlormethan (Methylenchlorid), Trichlormethan (Chloroform) und Tetrachlormethan (Tetrachlorkohlenstoff) entstehen.
Bei Alkanen mit mehreren Kohlenstoff-Atomen gibt es zudem noch weitere Variationen. Denn es macht durchaus einen Unterschied, an welchem*Kohlenstoff-Atom die Substitution stattfindet.
Ein Halogen wie Chlor kann an einen primären, einen sekundären oder bei verzweigten Alkanen auch an einen tertiären Kohlenstoff gebunden werden.Man könnte annehmen, dass die Halogenalkane eines Alkans entsprechend der Anzahl der primären, sekundären und tertiären Kohlenstoff-Atome entstehen.
Tatsächlich ist die Reaktion jedoch selektiv. Das bedeutet, dass Halogene bevorzugt an tertiären Kohlenstoff-Atomen binden, gefolgt von sekundären und zuletzt primären Kohlenstoff-Atomen.
Diese Selektivität liegt daran, dass das entstehende Radikal an tertiären Kohlenstoff-Atomen energetisch stabiler ist als an sekundären oder primären Kohlenstoff-Atomen. -
Erläutere die Selektivität der Alkane bei der Halogenierung mittels radikaler Substitution.
TippsDie Halogenierung der Alkane findet nicht mit allen Halogenen mittels radikaler Substitution statt.
LösungDie Halogenierung eines Alkans mit Chlor oder Brom findet bevorzugt an einem tertiären Kohlenstoff-Atom statt. Das liegt daran, dass bei der radikalischen Substitution zunächst ein Zwischenprodukt entsteht: ein Kohlenstoff-Radikal.
Die Stabilität dieses Radikals hängt davon ab, wie viele Alkylgruppen an den Kohlenstoff gebunden sind: Tertiäre Radikale sind stabiler als sekundäre und diese wiederum stabiler als primäre. Der Grund hierfür liegt in der Elektronendelokalisation der Alkylgruppen, die das Radikal stabilisieren. Diese bevorzugte Reaktion an energetisch günstigeren Stellen wird als Selektivität bezeichnet.
Beim Halogen Brom ist die Selektivität noch deutlich stärker ausgeprägt.
Mit Fluor und Jod hingegen findet keine radikalische Substitution statt: Fluor ist zu reaktiv und reagiert auf andere Weise, während Jod zu wenig reaktiv für eine radikale Substitution ist.
Zusätzlich kann durch die Kettenreaktion eine mehrfache Halogenierung erfolgen, bei der aus einem Alkan mehrere Halogenalkane entstehen, zum Beispiel Dichlormethan, Trichlormethan oder Tetrachlormethan.
-
Gib an, welche Bedingungen für den Start einer radikalischen Substitution notwendig sind.
TippsAlkane sind eher reaktionsträge.
LösungAlkane sind eher reaktionsträge. Das heißt allerdings nicht, dass sie gar nicht reagieren. Sie sind zum Beispiel bei hohen Temperaturen brennbar, reagieren also mit Sauerstoff. Sie können ebenfalls mit Elementen der siebten Hauptgruppe reagieren: den sogenannten Halogenen.
Das kann je nach Reaktionsbedingungen auf unterschiedliche Arten geschehen. Wir sehen uns hier nur einen Reaktionsmechanismus an: die radikalische Substitution.
Voraussetzungen für eine radikalische Substitution sind hohe Temperaturen $\pu{(> 300 °C)}$ oder, was häufiger gemacht wird, eine Bestrahlung mit UV-Licht.
Damit die radikalische Substitution nicht verlangsamt oder sogar unterbrochen wird, ist die kontinuierliche Zufuhr von Wärme oder Bestrahlung mit UV-Licht notwendig. Auch die Abwesenheit von Radikalfängern ist für den effektiven Ablauf der Reaktion notwendig.
-
Kennzeichne radikalische Substitutionen.
TippsBei der Reaktion von Brom mit einem Alkan entsteht Bromwasserstoff.
Lösung1) Die Halogenierung von Methan mit Chlor ist eine radikalische Substitution:
$\ce{CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl}$2) Die Halogenierung von Methan mit Fluor ist keine radikalische Substitution. In der Praxis läuft diese Reaktion sehr heftig ab und führt oft zur Zerstörung des Alkans.
3) Die Halogenierung von Heptan mit Brom ist eine radikalische Substitution:
$\ce{C7H16 + 3Br2 → C7H13Br3 + 3HBr}$
Bei dieser Reaktion werden mehrere Wasserstoff-Atome durch das Halogen Brom ersetzt.4) Die Halogenierung von Heptan mit Jod ist keine radikalische Substitution. Iod ist für eine radikalische Substitution zu wenig reaktiv.
Kohlenwasserstoffe – Einführung
Eigenschaften der Alkane
Nomenklatur der Alkane
Reaktionen der Alkane – radikalische Substitution
Nomenklatur von Alkanen (Übungsvideo 1)
Bindungswinkel im Methanmolekül
Hinweise zur chemischen Bindung
Reaktionen der Alkane – Homolytischer und heterolytischer Bindungsbruch
Verbrennung von Alkanen
Was sind Halogenkohlenwasserstoffe?
Cycloalkane
Thiole und Thioether
8.906
sofaheld-Level
6.601
vorgefertigte
Vokabeln
7.861
Lernvideos
37.599
Übungen
33.716
Arbeitsblätter
24h
Hilfe von Lehrkräften
Inhalte für alle Fächer und Klassenstufen.
Von Expert*innen erstellt und angepasst an die Lehrpläne der Bundesländer.
Testphase jederzeit online beenden
Beliebteste Themen in Chemie
- Periodensystem
- Ammoniak Verwendung
- Entropie
- Salzsäure Steckbrief
- Kupfer
- Stickstoff
- Glucose Und Fructose
- Salpetersäure
- Redoxreaktion
- Schwefelsäure
- Natronlauge
- Graphit
- Legierungen
- Dipol
- Molare Masse, Stoffmenge
- Sauerstoff
- Elektrolyse
- Bor
- Alkane
- Verbrennung Alkane
- Chlor
- Elektronegativität
- Tenside
- Toluol, Toluol Herstellung
- Wasserstoffbrückenbindung
- Fraktionierte Destillation Von Erdöl
- Carbonsäure
- Ester
- Harnstoff, Kohlensäure
- Reaktionsgleichung Aufstellen
- Redoxreaktion Übungen
- Cellulose Und Stärke Chemie
- Süßwasser und Salzwasser
- Katalysator
- Ether
- Primärer Alkohol, Sekundärer Alkohol, Tertiärer Alkohol
- Van-der-Waals-Kräfte
- Oktettregel
- Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Oxide
- Alfred Nobel Und Die Dynamit Entdeckung
- Wassermolekül
- Ionenbindung
- Phosphor
- Saccharose Und Maltose
- Aldehyde
- Kohlenwasserstoff
- Kovalente Bindungen
- Wasserhärte
- Peptidbindung
- Fermentation