Halogenierung

Guten Tag und herzlich willkommen!

Dieses Video heißt "Halogenierung". Der Film gehört zur Reihe "Reaktionsmechanismen". An Vorkenntnissen solltest du die organische Chemie bis Benzol beherrschen. Ziel ist es, dir einen Überblick über die Halogenierung durch Substitution zu verschaffen.

Der Film besteht aus 6 Abschnitten: 1. Was ist das? 2. Unterschiede bei den Halogenen 3. Ring und Kette 4. Reaktion am Ring 5. Reaktion an der Kette und 6. Zusammenfassung.  

Halogenierung

1. Was ist das?

Die Halogene sind die Elemente der VII. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente. Die stabilen Vertreter sind: Fluor, Chlor, Brom und Iod. Bei allen organischen Verbindungen handelt es sich um Kohlenwasserstoffe oder deren Derivate. Die Moleküle dieser Verbindungen enthalten Wasserstoff. Bei der Halogenierung werden eben diese Wasserstoffatome ausgetauscht, und zwar gegen Atome der Elemente Fluor, Chlor, Brom und Iod. Einen solchen Austausch bezeichnet man in der organischen Chemie als Substitution. Man könnte die Atome der Halogene auch durch Addition einführen. Doch diese Reaktion möchte ich in diesem Video nicht besprechen.  

1. Unterschiede bei den Halogenen

Betrachten wir noch einmal die 4 Halogene hinsichtlich ihrer Reaktionsfähigkeit. Fluor ist ein sehr aktives Element, es ist sehr aggressiv. Chlor und Brom arbeiten gut und schnell, sie sind fleißig. Iod hingegen ist wenig reaktionsfreudig, es ist faul. Somit ist die Reaktionsfreudigkeit des Fluors gegenüber Chlor viel größer. Chlor ist reaktionsfähiger als Brom und Brom ist wieder viel reaktionsfähiger als Iod. Für die Halogenierung sind dem zufolge Chlor und Brom am besten geeignet. Iod reagiert mit Kohlenwasserstoffen direkt nicht. Fluor reagiert dagegen zu heftig, man erhält zu viele Verbindungen, eine sogenannte "geplatzte Apotheke". Chlor und Brom reagieren gemäßigt. Sie sind für eine gezielte Synthese gut verwendbar.  

1. Ring und Kette

Benzol und ein Alkan reagieren bei der Halogenierung verschieden. Benzol ist ein Aromat. Ein Alkan ist ein Aliphat. Der Benzolring wird auch als Kern bezeichnet. Ein Alkan nennt man auch Seitenkette. Die Halogenierung am Kern findet in der Kälte statt, das bedeutet, bei Raumtemperatur und niedriger. Die Reaktion an der Seitenkette findet in der Siedehitze statt, das heißt, bei Temperaturen oberhalb von 100°C. Für die Halogenierung am Kern benötigt man einen geeigneten Katalysator. Die Halogenierung an der Seitenkette benötigt Sonnenlicht. Die Reaktionsbedingungen für den Ring werden als KKK-Regel zusammengefasst. Die Reaktionsbedingungen für die Kette bezeichnet man als SSS-Regel. Der Angriff erfolgt bei Ring und Kette auf verschiedene Arten. Am Ring findet der Angriff eines Kations statt, an der Seitenkette der Angriff eines Radikals. Daher ist die erste Reaktion ionisch, die zweite Reaktion hingegen radikalisch.  

1. Reaktion am Ring

Benzol kann am Ring durch Brom substituiert werden, wenn man elementares Brom und einen geeigneten Katalysator, in diesem Fall Eisen(III)-bromid, hinzufügt. Bei der Reaktion wird Bromwasserstoff frei. Die Halogenierung, die hier eine Bromierung ist, liefert Brombenzol. Die Reaktion ist eine elektrophile Substitution. Schaut euch bitte die weiterführenden Videos zu diesem Thema an.

Die elektrophile Substitution für Fluor verläuft am Ring nicht. Man kann aber Fluor in den Ring einführen, indem man ein geeignetes Diazoniumsalz benutzt. Das ist es, unser Diazoniumsalz. Durch Erwärmen werden Stickstoff und Bortrifluorid abgespalten. Es entsteht Fluorbenzol. Die Halogenierung ist erfolgt. Diese geschickte Art der Fluorierung trägt den Namen Schiemann-Reaktion.

Auch Iod kann nicht direkt in den Ring eingeführt werden, weil Iod zu wenig reaktionsfähig ist. Für eine erfolgreiche Synthese kann man aber wieder ein Diazoniumsalz verwenden. Das Diazoniumsalz wird mit Kaliumiodid umgesetzt. Es entsteht das Produkt Iodbenzol. Außerdem werden bei der Reaktion Stickstoff und Kaliumhydrogensulfat abgespalten.  

1. Reaktion an der Kette

Aliphatische Verbindungen benötigen zunächst Licht, welches für die Aufspaltung des Brom-Moleküls benutzt wird. Alternativ kann man auch Wärme verwenden. Es entstehen Brom-Atome. Den Beginn der Reaktion bezeichnet man als Initiierung. Die Brom-Atome haben ungepaarte Elektronen und heißen Radikale. Sie sind reaktionsfähig und reagieren mit aliphatischen Kohlenwasserstoffen, zum Beispiel, wie hier, mit Methan. Es entsteht ein Methylradikal und HBr wird frei. In der 2. Stufe der Reaktion regiert das Methylradikal mit einem weiteren Brom-Molekül. Es entsteht Monobrommethan und ein weiteres Bromradikal bildet sich. Weiter geht es so: (1) und (2), dann wieder (1) und (2) und so weiter. Eine Reaktion mit einem solchem Mechanismus bezeichnet man als Kettenreaktion. Fluor und Iod reagieren so nicht. Fluor reagiert zu schnell und Iod ist einfach für die Reaktion viel zu träge. Fluor kann man in die Kohlenwasserstoffkette jedoch auf andere Art einfügen. Man lässt ein Monobromalkan mit Quecksilber(I)-fluorid reagieren. Es entsteht das Reaktionsprodukt Monofluralkan und außerdem bildet sich Quecksilber(I)-bromid. Noch ausgleichen und die Reaktionsgleichung stimmt. Diese Art der Fluorierung heißt Swarts-Reaktion. Auch Iod lässt sich elegant in die Kette einfügen. Dafür benötigt man einen Alkohol und Iodwasserstoff. Es bildet sich das Produkt, das Iodalkan, und Wasser wird frei. Die Reaktion läuft nach dem Mechanismus der nucleophilen Substitution ab. Videos dazu gibt es bei uns.  

1. Zusammenfassung

Halogenierung bedeutet Einführung von Halogenen in den Kohlenwasserstoff. Fluor ist viel reaktionsfähiger als Chlor, Chlor reaktionsfähiger als Brom und dieses wieder viel reaktionsfähiger als Iod. Am besten für die direkte Halogenierung sind Chlor und Brom geeignet. Bei der Reaktion hat man zu unterscheiden zwischen aromatischem Ring und aliphatischer Kette. Am Ring ist die elektrophile Substitution von Chlor und Brom gut möglich. An der Kette findet entsprechend eine radikalische Kettenreaktion statt. Fluor kann in den aromatischen Ring durch ein geeignetes Diazoniumsalz eingefügt werden. Das ist die Schiemann-Reaktion. Die aliphatische Kette wird durch eine Austauschreaktion nach Swarts fluoriert. Iod wird in den aromatischen Ring auch über ein Diazoniumsalz eingeführt. Hierbei reagiert das Salz mit Kaliumiodid. Aus der Kette erhält man ein Iodalkan, indem einen Alkohol mit nucleophiler Substitution umsetzt.   Ich danke für Eure Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen!