Organische Chemie: Reaktionsmechanismen von Kohlenwasserstoffen

Verbrennung von Kohlenwasserstoffen

Verbrennungsreaktionen sind Oxidationsreaktionen, also Reaktionen mit Sauerstoff (Oxigenium). Bei der vollständigen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entstehen CO₂ und H₂O. Die Menge der für die vollständige Verbrennung eines Kohlenwasserstoff-Moleküls benötigten Sauerstoff-Moleküle lässt sich leicht berechnen. Wenn man einen Kohlenwasserstoff mit der Summenformel C_mH_n hat, benötigt man 2m Sauerstoff-Atome für die C-Atome und n/2 für die H-Atome. Also benötigt man 2m+n/2 Sauerstoff-Atome pro Molekül. Allerdings kommt Sauerstoff nicht als Einzelatom, sondern als O₂-Molekül vor, woraus sich die Formel (2m+n/2)/2 ergibt, welche sich zu m+n/4 kürzen lässt und die Anzahl der benötigten Moleküle angibt

Beispiele:

Verbrennung von Methan (CH₄):

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{⟶}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Verbrennung von Buten (C₄H₈):

${\mathrm{C}}_{\mathrm{4}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{8}}\mathrm{+}\mathrm{6}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{⟶}\mathrm{4}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{4}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Verbrennung von Cyclopropan (C₃H₆):

$\mathrm{2}{\mathrm{C}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{6}}\mathrm{+}\mathrm{9}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{⟶}\mathrm{6}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{6}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Da hier 4,5 Moleküle benötigt werden, verdoppelt man alle Molekülzahlen, um ganzzahlige Werte zu erhalten

Substitutionsreaktion

Der Begriff "Substitution" leitet sich vom lateinischen "substituere" ab, was so viel wie "ersetzen" bedeutet. Es ist also eine Ersetzungsreaktion. Bei Kohlenwasserstoffen wird ein Wasserstoffatom durch ein Radikal ersetzt, während das neue Wasserstoff-Radikal sich an ein neues Molekül zu binden versucht und so wieder neue Radikale "produziert". Diese Kettenreaktion wird durch die Rekombination zweier Radikale zu einem stabilen Molekül abgebrochen.

Diese Reaktion benötigt nur eine Geringe Aktivierungsenergie, so dass bereits Belichtung ausreicht, um sie in Gang zu setzen.

Beispiel: Substitution von Methan (CH₄) mit Chlor (Cl₂):

Startreaktion:

$\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\mathrm{⟶}\mathrm{2}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{\cdot }$

Ein Chlor-Molekül wird in zwei Chlor-Radikale gespalten

Kettenfortpflanzung:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}\mathrm{+}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{\cdot }\mathrm{⟶}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{+}\mathrm{H}\mathrm{\cdot }$

Ein Chlor-Radikal ersetzt ein Wasserstoff-Atom => Chlormethan entsteht

$\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{H}\mathrm{\cdot }\mathrm{⟶}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{+}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{\cdot }$

Ein Wasserstoff-Radikal ersetzt ein Chlor-Atom => Chlorwasserstoff entsteht

Abbruchreaktion:

$\mathrm{2}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{\cdot }\mathrm{⟶}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}$

Zwei Chlor-Radikale werden zu einem Chlor-Molekül kombiniert

$\mathrm{2}\mathrm{H}\mathrm{\cdot }\mathrm{⟶}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}$

Zwei Wasserstoff-Radikale werden zu einem Wasserstoff-Molekül kombiniert

$\mathrm{H}\mathrm{\cdot }\mathrm{+}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{\cdot }\mathrm{⟶}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$

Ein Wasserstoff- und ein Chlor-Radikal werden zu einem Chlorwasserstoff-Molekül kombiniert.

Additionsreaktion

Bei Kohlenwasserstoffen ist eine Additionsreaktion nur möglich, wenn mindestens eine $\mathrm{C}\mathrm{=}\mathrm{C}$-Doppelbindung, oder eine $\mathrm{C}\mathrm{\equiv }\mathrm{C}$-Dreifachbindung vorhanden ist, da diese aufgespalten wird. An die so entstandenen freien Elektronen lagern sich dann die zu addierenden Atome oder Atomgruppen an. Anders als bei der Substitutionsreaktion kann diese Reaktion auch ohne Belichtung erfolgen, was zur Unterscheidung beider Reaktionstypen dient.

Beispiele:

Chlor(Cl₂) wird zu Ethen(C₂H₄) addiert:

${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}\mathrm{=}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\mathrm{⟶}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{-}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}\mathrm{-}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{-}\mathrm{C}\mathrm{l}$

Brom(Br₂) wird zu Ethin(C₂H₂) addiert:

$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{\equiv }\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{+}\mathrm{B}{\mathrm{r}}_{\mathrm{2}}\mathrm{⟶}\mathrm{B}\mathrm{r}\mathrm{-}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{=}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{-}\mathrm{B}\mathrm{r}$

Chlor(Cl₂) wird zu 1,2-Dibrom-Ethen(C₂H₂Br₂) addiert:

$\mathrm{H}\mathrm{B}\mathrm{r}\mathrm{C}\mathrm{=}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{B}\mathrm{r}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\mathrm{⟶}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{-}\mathrm{H}\mathrm{B}\mathrm{r}\mathrm{C}\mathrm{-}\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{B}\mathrm{r}\mathrm{-}\mathrm{C}\mathrm{l}$

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