Już wiesz

Reakcja substytucjisubstytucjasubstytucji rodnikowej przebiega zgodnie z ogólnym schematem:

RH+X2 hvRX+HX

R – reszta cząsteczki danego alkanu

X – fluorowiec (w praktyce chlor albo brom)

11
Polecenie 1

Przyjrzyj się równaniu reakcji chlorowania i bromowania propanu. Jak myślisz, jakie produkty powstaną w obu przypadkach? Czy potrafisz zapisać wzory strukturalne powstających izomerów? Jakie rodnikirodnikrodniki tworzą się w trakcie reakcji? Narysuj proponowane wzory półstrukturalne produktów chlorowania i bromowania, a następnie sprawdź poprawną odpowiedź.

Zapoznaj się z opisem równania reakcji chlorowania i bromowania propanu. Jak myślisz, jakie produkty powstaną w obu przypadkach? Jakie rodniki tworzą się w trakcie reakcji? Sprawdź poprawną odpowiedź.

R1VBNaX8Kl16g
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
RqcJPBe1XNUsD
Odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.
R15xiFu0rU8hf
(Uzupełnij).
bg‑lime

Jak przewidzieć ilość powstających produktów w reakcji substytucji wolnorodnikowej alkanów?

Podczas halogenowania alkanów o łańcuchach dłuższych niż w etanie powstają produkty izomeryczne. W jaki sposób można przewidzieć, który atom zostanie podstawiony atomem halogenu?

Czy w ten sam sposób przebiega chlorowanie i bromowanie alkanów?

bg‑gray1

1. Chlorowanie

Polecenie 2

Przeanalizuj poniższe kroki i sprawdź, jak obliczyć liczbę powstających izomerów w trakcie chlorowania propanu.

Krok 1. Oceń rzędowość każdego atomu węgla i liczbę atomów wodorów z nimi związanych.
R189tD7vOOUEW

Propan posiada 6 atomów wodoru przy 1º (pierwszorzędowych) atomach węgla oraz 2 atomy wodoru przy 2º (drugorzędowym) atomie węgla.

Krok 2. Oceń ilość równocennych atomów wodoru.

Ocena ilości równocennych atomówatomy równocennerównocennych atomów wodoru:

R10OVqgw79cPJ

produkt 1:

Sześć atomów wodoru (zaznaczone kolorem zielonym), połączonych z 1º (pierwszorzędowym) atomem węgla, utworzy w reakcji chlorowania 1‑chloropropan.

R1aqodF7mWRRN

produkt 2:

Z kolei podstawienie dowolnego z dwóch atomów wodoru (zaznaczone kolorem czerwonym), połączonych z 2º atomem węgla, prowadzi do utworzenia 2‑chloropropanu.

RIeQFpFJWiwUL

Prawdopodobieństwo oderwania pierwszorzędowego atomu wodoru do drugorzędowego atomu wodoru wynosi 6:2, czyli 3:1.

Krok 3. Ustalenie stosunku procentowego powstających izomerów.

Czy 1‑chloropropan i 2‑chloropropan tworzą się w stosunku ilościowym 3 : 1?
Aby odpowiedzieć na to pytanie, należy wziąć pod uwagę reaktywność atomów wodoru o różnej rzędowościrzędowośćrzędowości.

„Badania reakcji chlorowania licznych alkanów wykazały, że szybkość odrywania atomów wodoru jest następująca: 3º > 2º> 1º. (…) W temperaturze pokojowej stosunek szybkości, w odniesieniu do jednego atomu wodoru, wynosi 5 : 3,8 : 1,0. Stosując te wartości, możemy z dużą dokładnością przewidzieć, w jakim stosunku powstaną izomeryczne produkty chlorowania określonego alkanu.”
Indeks dolny Źródło: Morrison R. T., Boyd R. N., Chemia organiczna. t. 1, Warszawa 1985. Indeks dolny koniec

W celu obliczenia stosunków powstających izomerów, należy skorzystać z ogólnego wzoru, uwzględniając reaktywność atomów wodoru o różnej rzędowości.

izomer 1izomer 2=liczba H 1oliczba H 2o·reaktywność H 1oreaktywność H 2o=1-chloropropan2-chloropropan=62·13,8=67,6

Procentowa zawartość 1‑chloropropanu i 2‑chloropropanu wynosi łącznie 100%. Zatem 6 + 7,6 = 13,6

Zawartość (%) 1‑chloropropanu w mieszaninie izomerów można obliczyć z proporcji:

13,6 -100%(1-chloropropan + 2-chloropropan) 6 -(%)1-chloropropanu
(%)1-chloropropanu=6·100%13,6=44%

Zawartość (%) 2‑chloropropanu wynosi:
(%)2-chloropropanu=100%-44%=56%

Chlorowanie propanu daje zarówno 1‑chloropropan, jak i 2‑chloropropan jako produkty monochlorowane.

Zawartość (%) 1‑chloropropanu = 44%
Zawartość (%) 2‑chloropropanu = 56%

Indeks górny Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY‑SA 3.0. Indeks górny koniec

bg‑gray1

2. Bromowanie

Polecenie 3

Przeanalizuj poniższe kroki i sprawdź, jak obliczyć liczbę powstających izomerów w trakcie bromowania propanu.

ROggqsWyFmNBC
Krok 1.Oceń rzędowość każdego atomu węgla i ilość atomów wodorów z nimi związanych.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
bg‑lime

Podsumowanie

Wyznaczona doświadczalnie względna reaktywność atomów wodoru połączonych z atomami węgla o różnej rzędowościrzędowośćrzędowości wskazuje jednoznacznie, że łatwiej ulega oderwaniu atom wodoru połączony z atomem węgla o wyższej rzędowości.

Rzędowość atomów wodoru

Selektywność halogenowania

Chlorowanie

1

3,8

5

Bromowanie

1

82

1600

Co istotne, bromowanie jest bardziej selektywną reakcją. Podczas bromowania wyjątkowo produkt główny jest zwykle jeden i jego wydajność sięga ok. 99%.

Słownik

substytucja
substytucja

(łac. substitutio „podstawianie”) (inaczej reakcja podstawiania, podstawienie) reakcja chemiczna, w której następuje podstawienie atomu lub grupy atomów innym atomem lub grupą atomów

karborodnik
karborodnik

(łac. carbo „węgiel”) rodnik, w którym niesparowany elektron jest zlokalizowany na atomie węgla

rodnik
rodnik

indywiduum zbudowane z jednego lub powiązanych ze sobą atomów, z niesparowanym elektronem na powłoce walencyjnej jednego z atomów, w umownym zapisie oznacza się go kropką

rzędowość
rzędowość

rzędowość atomu węgla to w praktyce liczba atomów węgla bezpośrednio z nim połączonych; określanie rzędowości atomów wodoru lub atomów węgla o innej hybrydyzacji niż spIndeks górny 3 jest błędem

atomy równocenne
atomy równocenne

atomy są równocenne wówczas, gdy podstawienie jednego z nich innym atomem daje ten sam związek chemiczny

Bibliografia

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Węglowodory. Repetytorium i zadania, Kraków 2020.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Kompendium terminologii oraz nazewnictwa związków organicznych. Poradnik dla nauczycieli i uczniów, Kraków 2020.

Encyklopedia PWN

Majewski W., Mechanizmy reakcji organicznych, Lublin 2012.

Morrison R. T., Boyd R. N., Chemia organiczna, tłum. W. Antkowiak i in., t. 1‑2, Warszawa 2010.

Vollhardt P., Schore N. E., Organic Chemistry structure and function, 6th Edition, New York 2007.