6 Kohlenwasserstoffe Alkane Alkene Alkine Arene Moleklbau Reaktionen

6. Kohlenwasserstoffe – Alkane, Alkene, Alkine, Arene – Molekülbau, Reaktionen und Herstellung Moleküle, die nur Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten, werden Kohlenwasserstoffe genannt Prof. Dr. Ivo C. Ivanov 1

Alkane. Radikalische Substitution Alkane sind gesättigte KW. Alkane enthalten Einfachbindungen. Alkene, Alkine und mit Einschränkung auch Aromaten sind ungesättigt. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe können unter bestimmten Bedingungen Moleküle wie Wasserstoff oder Halogen addieren, wodurch Absättigung der Doppelbindung eintritt. Prof. Dr. Ivo C. Ivanov 2

Alkane. Radikalische Substitution Mit zunehmendem Molekulargewicht steigt die Anzahl der Isomeren rapide an. Homologe Reihe. Alkane bilden eine homologe Reihe. Darunter versteht man eine Reihe von Verbindungen, die sich nur durch eine bestimmte Atomgruppe, meistens CH 2, unterscheiden. Prof. Dr. Ivo C. Ivanov 3

Alkane Die Summenformel der Alkane folgt der allgemeinen Gleichung: C n. H 2 n+2. Prof. Dr. Ivo C. Ivanov 4

Radikalische Substitution Chlorierung von Methan (eine SR-Reaktion) Bei Raumtemperatur findet in der Dunkelheit keine Reaktion statt 2. Bei Temperaturen >300°C kommt es zu einer Reaktion auch bei Dunkelheit 3. Bestrahlung mit UV-Licht führt zu einer Reaktion bereits bei Raumtemperatur 1. + Cl-Cl hn Prof. Dr. Ivo C. Ivanov + H-Cl 5

Kettenreaktion der radikalischen Substitution n Kettenstart: Bildung von Radikalen (Schritt 1) X 2 n 2 X Kettenfortpflanzung (Schritt 2 und 3) CH 4 + X CH 3 + X 2 n HX + CH 3 X + XCH 3 Kettenabbruch CH 3 + X CH 3 + CH 3 X+ X CH 3 -CH 3 X-X Prof. Dr. Ivo C. Ivanov 6

Halogenierung von Alkanen Die Reaktivität der Halogene gegenüber Alkanen nimmt innerhalb der Hauptgruppe von oben nach unten ab ¨ ¨ F 2>Cl 2>Br 2>>I 2 reagiert nicht mit Alkanen, da die Reaktion endotherm ist Mehrfachhalogenierung ist möglich ¨ Die Produkt-Zusammensetzung wird durch das Mengenverhältnis der Edukte beeinflusst Sind verschiedene Wasserstoffe im Molekül vorhanden, erhält man immer ein Gemisch aus verschiedenen Produkten! Prof. Dr. Ivo C. Ivanov 7

Halogenierung von Propan hn, 25°C Propan (Überschuss) + 2 -Chlorpropan 55% 1 -Chlorpropan 45% n n Als statistische Verteilung erwartet man ein Verhältnis von 6: 2 (75: 25 %) Sekundäre C-H-Bindungen sind reaktiver als primäre Prof. Dr. Ivo C. Ivanov 8

Die radikalische Substitution an Alkanen n Kettenreaktion Im allgemeinen wenig selektiv (Bromierungen sind selektiver als Chlorierungen) C-H-Bindungen haben unterschiedliche Energie und folglich unterschiedliche Reaktivität u n die Stabilität der Radikale nimmt deshalb in folgender Reihe zu: u n primäre C-H > sekundäre C-H > tertiäre C-H primär < sekundär < tertiär Die Geometrie der Alkylradikale liegt zwischen tetraedrisch (sp 3) und planar (sp 2). Prof. Dr. Ivo C. Ivanov 9

Stabilisierung der freien Radikale durch Hyperkonjugation Isopropylradikal t-Butylradikal Ethylradikal Wechselwirkung der gefüllten sp 3 -Hybridorbitale mit dem teilweise gefüllten p-Orbital: Delokalisation von Elektronendichte = Stabilisierung des Radikals! Prof. Dr. Ivo C. Ivanov 10

Chlorierung von Alkanen in Gegenwart von Schwefeldioxid n mit einem Gemisch aus SO 2 und Cl 2 bei Belichtung: Mechanismus: Prof. Dr. Ivo C. Ivanov 11

Na-Salze von Sulfonsäuren finden Verwendung als Waschmittel, sofern R darin langkettig ist: z. B. Natrium-4 -(5 -Dodecyl)benzolsulfonat (ein Tensid): Prof. Dr. Ivo C. Ivanov 12

Darstellung von Alkanen n n aus Erdgas oder Erdöl: Methan bis Pentan Aus Alkylhalogenid und Natrium (Wurtz-Reaktion) Triebkraft der Reaktion ist die Bildung von Natriumhalogenid. Prof. Dr. Ivo C. Ivanov 13

§ Aus Natriumcarboxylat durch Elektrolyse nach Kolbe: An der negativ geladenen Elektrode (Kathode) entwickelt sich Wasserstoff, an der positiv geladenen Elektrode (Anode) bilden sich Carboxyl-Radikale, die rasch in CO 2 und Alkylradikale R • zerfallen. Prof. Dr. Ivo C. Ivanov 14

Verbrennung und Octanzahl n Die Verbrennung eines Kohlenwasserstoffs ist eine komplizierte Radikalreaktion, bei der Kohlendioxid und Wasser entstehen: „Klopfen“ des Motors - Dieses Klopfen erhöht den Benzinverbrauchund setzt außerdemdie Lebensdauer des Motors herab. Die Klopffestigkeit wird durch die Octanzahl ausgedrückt. Klopffest dagegen sind verzweigte und aromatische Kohlenwasserstoffe: “Isooctan” Prof. Dr. Ivo C. Ivanov 15