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Demonstrationsexperiment auf Video

Hydrolyse der tertiären Butylhalogenide

Lernziel: Nucleophile Substitution - SN1, Einfluss der Abgangsgruppe auf die Reaktionsgeschwindigkeit

Peter Keusch




English version




Chemikalien:

99-proz. 2-Chlor-2-methylpropan  (M = 92.57, d = 0.851)
98-proz. 2-Brom-2-methylpropan  (M = 137.03, d = 1.221)
96-proz. Ethanol
0.2-proz. Lösung von Bromthymolblau in 96-proz. EtOH
2 N NaOH

Sofern die Butylhalogenide nicht farblos vorliegen, müssen sie frisch destilliert werden (2-Chlor-2-methylpropan, Sdp. 51 - 52 °C;
2-Brom-2-methylpropan, Sdp. 73.3 °C). Die Butylhalogenide sind in braunen Fläschchen aufzubewahren.

Reagenzlösung: 800 mL 96-proz. Ethanol + 6.6 mL 0.2-proz. Lösung von Bromthymolblau in 96-proz. Ethanol + 6.6 mL 2 N NaOH + 200 mL H2O

Glaswaren:
2 Reagierkelche, graduiert, 500 mL
2 Messzylinder 500 mL
1 Becherglas 1500 mL
2 Messpipetten 10 / 0.1 mL
2 Peleusbälle
2 Schnappdeckelgläser 10 mL
2 Glasrührstäbe


Gefahren und Sicherheitsmaßnahmen:

Die tertiären Butylhalogenide schaden der Gesundheit, sofern sie eingeatmet oder verschluckt werden. Sie reizen Haut und Augen.
Ethanol ist leicht entzündlich.

Schutzhandschuhe, Schutzbrille und gute Raumdurchlüftung erforderlich.


Versuchsdurchführung:

Zwei Reagierkelche werden mit jeweils 400 mL der auf 60°C erwärmten Reagenslösung gefüllt. Anschließend versetzt man die Lösungen unter Rühren jeweils mit dem Alkylhalogenid:


  Reagierkelch
1   		  2-Brom-2-methylpropan   5.6 mL = 50 mmol  
Reagierkelch
2 		2-Chlor-2-methylpropan   5.5 mL = 50 mmol


Versuchsergebnis:

Ca 20 Sekunden nach Zugabe von 2-Brom-2-methylpropan schlägt die Farbe in Reagierkelch 1 schlagartig nach Gelb um. Die Bromthymolblaulösung in Reagierkelch 2 bleibt unverändert.




Videoclip (Download RealPlayer .rm Datei)
































Deutung des Versuchsergebnisses:

·   Bromthymolblau (Umschlagbereich: pH 6.0-7.8) ist ein Säure-Base-Indikator, der im alkalischen Medium eine blaue, im neutralen Medium eine grüne und in saurem Medium eine gelbe Farbe besitzt. Das Umschlagen des Indikators wird durch den bei der Hydrolyse der tertiären Alkylhalogenide freigesetzten Halogenwasserstoff bedingt.

·   Das tertiäre Halogenid reagiert mit Wasser nach dem SN1-Typ. Die Reaktion is unimolekular - nur eine Spezies ist am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt beteiligt. Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt nur von der Konzentration des Alkylhalogenids (R - X) ab:  R = k [ R - X].

Die SN1 - Reaktion (monomolekulare nucleophile Substitution) umfasst zwei Schritte. In einem ersten langsamen, geschwindigkeitsbestimmenden Schritt erfolgt die Bildung eines trigonal-planaren Carbokations. Im zweiten Schritt reagiert das Carbokation schnell mit dem Nucleophil. Je stabiler das Carbokation ist, desto leichter wird es gebildet und desto schneller ist die SN1 - Reaktion. Das Nucleophil kann von beiden Seiten (mit annähernd gleicher Wahrscheinlichkeit) das planare Carbokation angreifen. Folglich führt die SN1 - Reaktion zu einer Razemisierung, in der sowohl Retention als auch Inversion der Konfiguration an einem chiralen Zentrum in gleichem Ausmaß erfolgen. Es entsteht ein Gemisch von zwei Enantiomeren (Spiegelbildisomeren).

    Gleichung


·   Im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der SN1-Reaktion wird das Alkylhalogenid (R - X) in ein positiv geladenes Carbokation und eine negativ geladene Abgangsgruppe gespalten. Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt nicht nur von der Polarität des Lösungsmittels und der Stabilität des Carbokations ab, sondern auch von der Stabilität der Abgangsgruppe. Je stabiler die Abgangsgruppe, desto leichter wird die R - X -Bindung gespalten und desto höher ist die Reaktionsgeschwindigkeit. Konjugierte Basen von starken Säuren sind gute Abgangsgruppen. Obiges Experiment zeigt, dass Bromid eine bessere Abgangsgruppe ist als Chlorid. Bromid ist eine schwächere Base als Chlorid. Die schwächere Base ist stabiler und wird leichter gebildet.

Relative Hydrolysegeschwindigkeit von R - X   (R = tertiäre Alkylgruppe)

X  =  I  >  Br  >  Cl



Hinweis:
Experimente in Projektion   Hydrolyse der tertiären Butylhalogenide
Computergestützte Experimente   Reaktionslinetik: Hydrolyse tertiärer Butylhalogenide - eine Reaktion erster Ordnung
Computer-Interfaced Experiments   Reaktionskinetik: Hydrolyse des tertiären Butylchlorids - eine Reaktion erster Ordnung
Rod Beavon   SN1 Nucleophilic Substitution unimolecular - Animation
SN1 Mechanism / SN2 Mechanism


Liste der Experimente






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