Chemie Semster 3

Abiturwiederholung
Chemie
Thematischer Schwerpunkt 3: Halogenierte Kohlenwasserstoffe als Zwischen- und Endprodukte
der chemischen Industrie
Stoffklassen (Halogene, Halogenwasserstoffe, homologe Reihen der Alkane, Alkene und Alkanole)
sowie halogenierte Kohlenwasserstoffe
Chemische und physikalische Eigenschaften (Struktur-Eigenschafts-Beziehungen)
Reaktionstypen (Substitution, Addition, Polymerisation und Eliminierung)
Reaktionsmechanismen (Radikalische und nucleophile Substitution)
Anwendungsbeispiele (Lösemittel, Kühlmittel sowie die Kunststoffe Polyvinylchlorid und
Polytetrafluorethen)
Auswirkungen auf Umwelt und Gesundheit
Chemische und physikalische Eigenschaften
a. Bei chemischen und physikalischen Eigenschaften von Halogenierten Kohlenwasserstoffen, muss
man die nachfolgenden Effekte beachten. Diese entscheiden darüber, wie und ob ein Stoff
löslich ist, wie die Siede-Temperatur ist, wie stark oder schwach eine Säure ist etc.
b. Wasserstoff Brückenbindungen
Dipol Kräfte ergeben sich aus der Differenz der Elektronegativität, 0,5 ≤ ΔEN ≤ 1,4, gibt den
Bereich an, in welchem eine Bindung als polar gilt. Wasserstoff und Sauerstoff haben
beispielsweise einen Δen Wert von 1,3, was die starke Polarität von Wasser erklärt. Polare
Verbindungen mit Wasserstoff sind immer sehr stark, da Wasserstoff nur 1 Außenelektron
besitzt, was bedeutet, wenn dieses in eine Richtung gezogen wird, nur der positiv geladenen
Kern zurück bleibt. Besonders stark sind die H-Brücken bei N,O,F und Cl.
c. Van der Waals Kräfte
Diese Kräfte sind sehr schwach und entstehen quasi durch spontane Dipole. Da diese aber nur
spontan sind, sind polare Bindungen wesentlich stärker. (Bedenke bei zunehmender
Kettenlänge, steigen aber die zwischenmolekularen Kräfte)
d. Induktiver Effekt
Durch die Elektronegativität bestimmter Stoffe, werden die Ladungen in einer Bindung
beeinflusst, genau wie bei der Induktion in Physik. Es gibt den +I Effekt (Elektronen schiebend)
und den –I Effekt (Elektronen ziehend).
+I Effekt
Die negative Ladung wird quasi in das System geschoben, durch Substituenten mit geringem En
Wert. Bsp.: Alkylgruppe, wenn man Brom und 2,3-Dimethylbut-2-en bei einer elektrophilen
Addition reagieren lässt, dann ist die Reaktion schneller, als wenn man Brom und Propen
reagieren lässt. Dies kann man mit dem +I Effekt begründen, da die Elektronen durch den
Alkylteil zur Doppelbindung gedrückt werden, weshalb die Reaktivität zu nimmt.
-I Effekt
Die negative Ladung wird quasi aus dem System gezogen, dies geschieht durch Substituenten
mit hoher Elektronegativität. Besonders dominant sind hierbei: z.B. -NO2, -NH2, -OH
-F, -Cl, -Br, -I.
e. Substituentenstellung
Bei Doppel und Ringbindungen, kann man den Induktiven Effekt besonders gut sehen, das
Problem bei Doppelbindungen ist allerdings, dass man die verschiedenen Anordnungen
betrachten muss, da man nicht einfach eine Drehung um die „Doppelbindungs-Achse“ machen
kann. Sind sich die Substituenten gegenüber von einander, dann heben sich die Effekte zum Teil
auf, so heben sich die Dipolmomente von E-Dichlorethen auf, wobei sie sich bei Z-Dichlorethen
verdoppeln. E (oder trans) steht dabei für entgegen, Z (oder cis) steht dabei für zusammen.
Mark Kremer
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f.
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Allgemeine Struktur
Die Allgemeine Struktur ist ebenfalls sehr wichtig, z.B. beim Teflon, welches nur in der Pfanne,
hält aufgrund seines gewinkelten Aufbaus. Wichtig ist auch, ob z.B. eine Doppelbindung vorliegt
und wie lang das Molekül ist.
Reaktionstypen
a. Addition
Bei der Addition, reagiert oft ein Alkan, Alken, Alkin, Aldehyd oder Keton ohne Abspaltung von
irgendwas zu einem neuen Stoff. Es wird nichts ersetzt oder abgespalten, sondern nur etwas
angehängt. Da meist C-C Doppelbindungen angegriffen werden, handelt es sich meist um
elektrophile Additionen. Es laufen bei einer Addition an eine C-C Doppelbindung folgende
Schritte ab:
Elektrophile Addition
Elektrophiler Angriff und Bildung eines π-Komplexes
Hierbei wird beispielsweise ein Brom-Molekül polarisiert, die positive Teilladung nährt sich
einem negativem Ladungszentrum an, was man dann als π-Komplex bezeichnet.
Es folgt die Ausbildung einer Bindung zwischen dem Molekül mit der Doppelbindung und dem
Brommolekül. Dadurch wird das Brommolekül heterolytisch gespalten. Es bildet sich ein
Bromoniumion und ein Bromid-Ion. Das Bromid Ion greift nun rückseitig an und die kovalente
Bindung wird ausgebildet.
Markownikow-Regel
Wenn man z.B. die Addition von Propen und HCl betrachtet, dann entsteht bevorzugt,
2-Chlorpropan, und nicht 1-Chlorpropan, dies liegt an den Zwischenprodukten, denn nachdem
sich der π-Komplex gebildet hat, lagert sich das H-Atom an, je nachdem wo es sich anlagert,
wirken verschieden viele +I Effekte. Wenn es sich „außen“ anlagert, dann liegt die positive
Teilladung des Carbenium-Ions in der Mitte des Moleküls und es wirken zwei +I Effekte, die das
Carbenium-Ion stabilisieren, wenn sich das Wasserstoff Atom aber „mittig“ anlagern würde,
dann liegt die positive Teilladung außen und es wirkt nur ein +I Effekt. Folglich ist die erste
Variante stabiler. Daraus lässt sich die Regel ableiten, dass sich bei Halogen-Wasserstoffen, das
Halogen, am ehesten dort anlagert, wo die wenigsten H-Atome gebunden sind. (Also meist mehr
Alkylreste)
Anwendung:
Man kann Doppelbindungen durch die Addition nachweisen, indem man den zu überprüfenden
Stoff in Bromwasser leitet, wenn es sich entfärbt, passiert die oben geschilderte Reaktion, wenn
nicht, dann liegt keine Doppelbindung vor.
Nucleophile Addition
Wenn man eine Doppelbindung zwischen beispielsweise einem C und einem O Atom betrachtet,
dann wird das C-Atom stark polarisiert, somit kann ein nucleophiles Teilchen Angreifen.
Bsp.: Carbonyl-Gruppe und Wasser. Bei dieser Reaktion lagert sich zunächst das Wasser an die
polarisierte Doppelbindung an, danach geschieht eine intra-molekulare Protolyse, wobei
Methanalhydrat entsteht.
von http://www.chempage.de/theorie/nucladd.htm
Mark Kremer
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b. Eliminierung
Die Eliminierung ist die Umkehrung der Addition und wird durch Zufuhr von thermischer Energie
begünstigt und durch Zugabe eines elektrophilen Teilchens erreicht. Es gibt drei verschiedene
Reaktionsmechanismen (E1, E1cb und E2) jedoch laufen die meisten nach dem gleichen Schema
ab.
Beim E1 Mechanismus zuerst durch eine heterolytische Spaltung die Funktionelle Gruppe
abgespalten, es bildet sich meist ein Carbokation, (Carbenium-Ion). Danach wird ein weiteres
Atom vom angreifenden nucleophilen Teilchen abstrahiert, dieses ist diesmal jedoch positiv
geladen (meist H+). Wenn man diese Reaktion für Alkohol betrachtet, dann spaltet sich zunächst
ein OH- Ion ab, danach ein H+, es entsteht also Wasser, deshalb nennt man diesen besonderen
Vorgang auf Dehydratisierung. Beim E1cb wird zuerst das später positiv geladene Atom
abgespalten, also andersherum, beim E2 Mechanismus bildet das angreifende nucleophile
Teilchen eine Verbindung mit einem Proton. Beide Gruppen werden dann abgespalten und die
Doppelbindung entsteht.
c. Polymerisation
Die Polymerisation beschriebt die die Verknüpfung von Molekülen mir Doppelbindung, zu
Polymeren. Es gibt im wesentlichen 2 verschiedene Arte. Zum einen die radikalische
Polymerisation, zum anderen die ionische Polymerisation, welche sich allerdings in kationische
und anionische Polymerisation gliedern lässt.
Mark Kremer
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