Die Radikalische Substitution

Um die genaueren Reaktionsbedingungen der photochemischen Halogenierung zu untersuchen, werden folgende Versuche unternommen:

Versuch 1: Ein trockener 100-mL-Erlenmeyerkolben wird mit ca. 30 mL n-Heptan* gefüllt und mit 5-6 Tr. Brom* versetzt. Die Lösung wird nach dem Durchmischen in zwei kleinere Kolben oder Schnappdeckel
gläser geteilt. Beide Kolben bzw. Gläser werden mit einem Uhrglas abgedeckt und auf dem OHP durch eine rote (A) bzw. blaue Glasscheibe (B) oder Kunststofffolie bestrahlt. Nach dem Versuch wird die Gasphase mit angefeuchtetem Indikatorpapier bzw. einem Tr. konz. Ammoniak-Lösung getestet.

Versuch 2: Versuch 1 wird in der Weise wiederholt, dass nach der Aufteilung in den Kolben B ein Iodkri
stall gegeben wird. Nach dessen Auflösung (Farbe?) werden beide Kolben mit dem Uhrglas abgedeckt und zeitgleich mit dem weißem Licht des OHPs bestrahlt. Nachdem sich die Lösung in einem der beiden Kolben entfärbt hat, wird wie in Versuch 1 mit feuchtem Indikatorpapier und konz. Ammoniak-Lösung getestet.

Arbeitsaufträge:

1.	Beobachte genau den Versuchsverlauf in beiden Versuchen, besonders die zeitlichen Unterschiede in der Entfärbung und notiere genau die Beobachtungen.

2.	Welche Lichtfarbe ist für die Bromierung notwendig? Begründe anhand der Versuchsergebnisse und der beiden Tabellen.

3.	Zeichne ein einfaches Energiediagramm der Reaktion und erweitere es um Interdukt und Tradukt!

4.	Erkläre die V-Ergebnisse aus V2 mit diesem Reaktions
modell.

5.	Formuliere den beschriebenen Reaktionsverlauf in Form von Reaktionsgleichungen! Teile die Gesamtreaktion in Phasen ein!

Wie die Versuchsergebnisse zeigen, läuft ohne Licht nichts bei der Reaktion zwischen Brom und dem Alkan. Offensichtlich übernimmt das Licht die Aufgabe, der Reaktion die notwendige Aktivierungsenergie zu liefern. Die Reaktion durchläuft also von einem energetisch relativ hohen Niveau aus einen Ener
gieberg", um dann in ein tieferes Energietal" zu fallen.

Was passiert nun auf dem Energieberg"? Eine chemische Reaktion befindet sich auf der Spitze ihrer energetischen Gesamtsituation, wenn Bindungsbruch- und neubildung der reagierenden Spezies gleichzeitig stattfinden. Dann entspricht der Energieberg einem Übergangszustand oder Tradukt, dessen Lebensdauer der Dauer des Bindungsbruchs und -neubildung entspricht.

Es ist aber auch denkbar, dass für kurze Zeit intermediär neue Teilchen entstehen, die als reaktive Zwischenstufe" oder Interdukt" bezeichnet werden. Da diese Teilchen eine reale Lebenszeit haben, also auch nachweisbar sind, liegen sie energe
tisch in einem Zwischental". Da die Bromierung von Heptan mit Blaulicht schneller verläuft als mit Rotlicht, kann vermutet werden, dass in einem ersten Schritt Brom-Moleküle durch Lichtquanten des blauen Lichts in Bromatome getrennt werden (homolytische Bindungstrennung). Die energiereichen Brom-Atome =Brom-Radikale sind als reaktive Zwischenstufen nachweisbar, sie reagieren mit den C-H-Bindungen unter Bildung von Bromwasserstoffgas HBr und Heptyl-Radikalen. Die Heptyl-Radikale reagieren nun wiederum mit Brom-
Molekülen unter Bildung von Brom-Alkanen und Brom-Radikalen. Der 2. Schritt dieser Reaktion ist der Beginn des 1. Schritts, beide bilden zusammen eine Kettenreaktion", die nur einmal durch die Spaltung des Brom-Moleküls ausgelöst sein muss. Treffen jedoch Radikale verschiedener Art aufeinander, bilden sie in Abbruchreaktionen wieder Moleküle mit kovalenten Bindungen.