Reaktionsmechanismen: radikalische Substitution und elektrophile Addition

Im Schullabor von Lena und Tim wird ein Gemisch aus Methan und Chlor in einem Standzylinder aus Glas aufbewahrt. Im Dunkeln beobachten die beiden keine Veränderung. Sobald der Zylinder dem Licht einer starken Lampe ausgesetzt wird, verschwindet die gelbgrüne Farbe allmählich. Ein feuchtes Universalindikatorpapier an der Öffnung färbt sich rot.

1. a) Nennen Sie den Reaktionstyp, der bei der Umsetzung von Methan mit Chlor unter Lichteinwirkung abläuft.

1. b) Stellen Sie die Reaktionsgleichung für die Bildung von Chlormethan aus Methan und Chlor mit Strukturformeln (Valenzstrichformeln) auf. Nennen Sie das entstehende zweite Produkt und begründen Sie damit die Rotfärbung des Indikatorpapiers.

1. c) Beschreiben Sie die Rolle des Lichts bei dieser Reaktion.

Die radikalische Substitution von Methan mit Chlor verläuft als Kettenreaktion. Folgende Teilschritte werden formuliert:

(1) $\mathrm{Cl_2 \longrightarrow 2\;Cl\cdot}$

(2) $\mathrm{CH_4 + Cl\cdot \longrightarrow \cdot CH_3 + HCl}$

(3) $\mathrm{\cdot CH_3 + Cl_2 \longrightarrow CH_3Cl + Cl\cdot}$

(4) $\mathrm{\cdot CH_3 + \cdot CH_3 \longrightarrow C_2H_6}$

1. a) Ordnen Sie die Teilschritte (1) bis (4) den Phasen Start, Kettenfortpflanzung und Abbruch zu.

1. b) Begründen Sie, warum Schritt (4) bei der Kettenreaktion ein Nebenprodukt liefert, und nennen Sie dieses.

1. c) Erklären Sie, warum bei der Chlorierung von Methan neben Chlormethan auch Dichlormethan entstehen kann.

In einem Labor wird Chlormethan durch Bestrahlung eines Gemisches aus Methan und Chlor hergestellt. Eingesetzt werden $3{,}20\,\mathrm{g}$ Methan und Chlor im Überschuss. Man erhält $7{,}07\,\mathrm{g}$ Chlormethan. Es gilt $M(\mathrm{CH_4}) = 16{,}0\,\mathrm{g/mol}$, $M(\mathrm{CH_3Cl}) = 50{,}5\,\mathrm{g/mol}$.

1. a) Berechnen Sie die theoretisch mögliche Masse an Chlormethan sowie die Ausbeute $\eta$ der Reaktion.

1. b) Berechnen Sie die Masse an Chlorwasserstoff, die bei dieser Ausbeute entstanden ist. Nehmen Sie an, dass ausschließlich Chlormethan gebildet wurde. Es gilt $M(\mathrm{HCl}) = 36{,}5\,\mathrm{g/mol}$.

1. c) In technischen Verfahren setzt man häufig Methan im Überschuss ein. Erklären Sie diese Maßnahme anhand des Reaktionsmechanismus.

Bei der Bestrahlung eines Gemisches aus Propan und einem Halogen entstehen jeweils 1-Halogenpropan und 2-Halogenpropan. Die Produktverteilung wurde für zwei Halogene bestimmt (Anteile der Monosubstitutionsprodukte):

1. a) Beschreiben Sie die Daten der Tabelle.

1. b) Erläutern Sie, wie in der Kettenfortpflanzung beide Isomere des Halogenpropans aus Propan entstehen können. Formulieren Sie die jeweiligen Teilschritte mit Propyl-Radikalen.

1. c) Die Stabilität der entstehenden Radikale nimmt vom primären zum sekundären Kohlenstoffatom hin zu. Erklären Sie damit die Tabellenwerte und beurteilen Sie, welches Halogen sich zur gezielten Herstellung von 2-Halogenpropan besser eignet.

Bromwasser ist eine gelbbraune Lösung von Brom in Wasser. Leitet man im Dunkeln Ethen in Bromwasser, so entfärbt sich die Lösung sofort. Leitet man Ethan unter gleichen Bedingungen ein, bleibt die Farbe erhalten.

1. a) Stellen Sie die Reaktionsgleichung für die Reaktion von Ethen mit Brom mit Strukturformeln auf und benennen Sie das Produkt.

1. b) Nennen Sie den Reaktionstyp und die Atombindung im Ethen-Molekül, die für diese Reaktion verantwortlich ist.

1. c) Erklären Sie, weshalb die Reaktion mit Bromwasser als Nachweis für Alkene geeignet ist.

Propen reagiert mit Bromwasserstoff zu 2-Brompropan als Hauptprodukt. 1-Brompropan entsteht nur in Spuren. Bei der Reaktion verläuft die Anlagerung zweistufig über eine Zwischenstufe mit positiv geladenem Kohlenstoffatom.

1. a) Erläutern Sie den Mechanismus der Reaktion von Propen mit Bromwasserstoff. Verwenden Sie Elektronenpaar-Verschiebungspfeile, Partialladungen $\delta^+$/$\delta^-$ und geben Sie die Zwischenstufe an.

1. b) Erklären Sie, weshalb 2-Brompropan Hauptprodukt ist. Berücksichtigen Sie dabei die beiden möglichen Carbenium-Ionen und den Einfluss der Alkylgruppen auf deren Stabilität.

1. c) Leitet man Ethen in Bromwasser, das zusätzlich Natriumchlorid gelöst enthält, so findet man neben 1,2-Dibromethan auch 1-Brom-2-chlorethan. Erklären Sie diese Beobachtung mithilfe des Mechanismus der elektrophilen Addition.

Ein Schüler behauptet: „Brom reagiert mit Alkanen und Alkenen, daher ist die Entfärbung von Bromwasser kein Nachweis für Alkene.“ Zur Überprüfung werden Ethan und Ethen im Dunkeln und im Licht mit Bromwasser getestet:

1. a) Erläutern Sie die Polarisierung eines Brom-Moleküls bei Annäherung an die Doppelbindung des Ethens und ihre Bedeutung für den ersten Schritt der Reaktion.

1. b) Stellen Sie die Gleichungen der beiden Reaktionen von Ethan und von Ethen mit Brom auf. Geben Sie jeweils den Reaktionstyp an und begründen Sie die unterschiedlichen Reaktionsbedingungen.

1. c) Beurteilen Sie die Behauptung des Schülers anhand der Messwerte und formulieren Sie Bedingungen, unter denen die Entfärbung von Bromwasser als Nachweis für Alkene sinnvoll ist.

Eine Schülergruppe untersucht zwei farblose Flüssigkeiten, Hexan (Probe A) und Hex-1-en (Probe B), mit Brom. Die Versuchsbedingungen und Beobachtungen sind in der Tabelle zusammengefasst.

1. a) Bestimmen Sie für beide Proben jeweils den Reaktionstyp und begründen Sie Ihre Zuordnung anhand der Beobachtungen.

1. b) Stellen Sie die Reaktionsgleichungen für die Umsetzung von Hexan zu einem Monobromhexan (z. B. 1-Bromhexan) und von Hex-1-en zu 1,2-Dibromhexan mit Halbstrukturformeln auf.

1. c) Erklären Sie, weshalb bei Probe A ein Gas entsteht, bei Probe B jedoch nicht.

Ein unbekannter Kohlenwasserstoff Z hat die Summenformel $\mathrm{C_4H_8}$. Es werden folgende Untersuchungen durchgeführt:

• Versuch 1: $0{,}70\,\mathrm{g}$ von Z entfärben im Dunkeln vollständig eine Lösung, die $2{,}00\,\mathrm{g}$ Brom enthält. Dabei entsteht kein Gas.

• Versuch 2: Als einziges Produkt der Reaktion von Z mit Brom wird 2,3-Dibrombutan nachgewiesen.

Es gilt $M(\mathrm{C_4H_8}) = 56{,}0\,\mathrm{g/mol}$ und $M(\mathrm{Br_2}) = 159{,}8\,\mathrm{g/mol}$.

1. a) Bestimmen Sie das Stoffmengenverhältnis $n(\mathrm{Z}) : n(\mathrm{Br_2})$ und schließen Sie daraus auf den Reaktionstyp und die Anzahl der Mehrfachbindungen in Z.

1. b) Zeichnen Sie die Strukturformeln aller Alkene mit der Summenformel $\mathrm{C_4H_8}$ einschließlich der cis-trans-Isomere.

1. c) Leiten Sie mithilfe von Versuch 2 ab, um welche(n) Stoff(e) es sich bei Z handeln kann. Begründen Sie, warum Versuch 1 allein dafür nicht ausreicht.