Phillipps- Universität Marburg Isabelle Kuhn Organisch Chemisches Grundpraktikum Lehramt WS 2006/07 Praktikumsleiter: Herr Reiß Gruppe 05: Alkylchloride gegenüber AgNO 3 Reaktion: am Beispiel des sekundären Butylchlorid Chemikalien: Eingesetzte Stoffe Gefahrensymbole R- und S- Sätze Sekundäres Butylchlorid Tertiäres Butylchlorid (2- Chlor-2- Methylpropan) Ethanolische(C 2 H 5 OH) Silbernitrat- Lösung(AgNO 3 ) C 2 H 5 OH w( AgNO 3 ) = 0,01 F R 11 S 9-16-29 F R 11 S 9-16-29 Silbernitrat: C, N Ethanol: F Silbernitrat: R 34-50/53 S 26-45-60-61 Ethanol: S 7-16 R 11 Materialien: Reagenzgläser, Becherglas, 5 ml Pipette, Tropfpipette
Aufbau: Reagenzglas 1 Reagenzglas 2 Reagenzglasständer Reagenzglas 3 Durchführung: In drei Reagenzgläser gibt man je 5 ml vom primären (Reagenzglas 1), sekundären (Reagenzglas 2) und tertiären Butylchlorid (Reagenzglas 3) und gibt anschließend einige Tropfen der ethanolischer Silbernitrat-Lösung dazu. Man beobachtet die Lösungen ca. 5 Min. Beobachtung: Zu Beginn des Versuches handelt es sich wie auf Foto A gut zu erkennen bei den Butylchloriden um farblose, klare Flüssigkeiten. A Gibt man nun die ethanolische AgNO 3 Lösung hinzu (Foto B), kann man sofort erkennen wie sich in Reagenzglas 3, dem tertiären Butylchlorid (Foto B rechts) ein weißer Niederschlag bildet. Beim sekundären Butylchlorid im Reagenzglas 2 (Foto B mitte) kommt es erst allmählich zu einer Trübung, die mit der Zeit und nach einigem Schütteln (siehe Foto C) immer deutlicher wird. B
Beim Primären Butylchlorid (Reagenzglas 1, Foto B links) erfolgt auch nach Schütteln keine Reaktion. C Entsorgung: Die Chemikalien werden sauer in die Silberabfälle entsorgt. Fachliche Analyse: Cl Cl primäres sekundäres tertiäres Butylchlorid 2- Chlor-2- Methylpropan Bei der Reaktion mit Silbernitrat-Lösung fällt beim tert. und sek. Butychlorid weißes Silberchlorid aus. Es handelt sich dabei um eine unimolekulare nucleophile Substitution (S N 1). Das Chlorid-Ion wird durch Dissoziation vom Butylchlorid heterolytisch abgespalten und es entsteht ein Carbenium-Ion. Dies ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Die Chlorid-Ionen werden durch die Silbernitratlösung gefällt.
Es entsteht AgCl. Anhand des ausgefallenen Feststoffes kann man die Reaktionsgeschwindigkeit verfolgen. Je mehr AgCl ausgefallen ist, desto mehr Chlorid wurde abgespalten, desto schneller ist die Reaktion. Das gebildete tert.-butylkation ist ein starkes Elektrophil und das Lösungsmittel Ethanol greift das eletronenarme Carbenium nucleophil an. HO H O Danach wird es deprotoniert. Mit sekundärem Butylchlorid erfolgt eine ähnliche Reaktion, allerdings langsamer. Grund hierfür ist die Unterschiedliche Stabilisierung der Carbokationen in den Geschwindigkeitsbestimmenden Schritten durch Hyperkonjugation. Hyperkonjugation am Beispiel eines Dimethylethylkation An der Abbildung der Hyperkonjugation wird deutlich das ein tert. Kation besser als ein sek. und deutlich besser als ein primäres Kation stabilisiert ist. Beim primären Butylchlorid erfolgt keine S N 1-Reaktion, die Reaktivität des Substrats nimmt also mit der Reihe tertiär > sekundär > primär ab.
Methodisch- Didaktische Analyse: Die Vorbereitungszeit sowie die Nachbereitungszeit ist sehr kurz und kann in einer kurzen Schulpause geschehen. Auch die Durchführung ist recht kurz und kann als begleitender Versuch zum normalen Unterricht durchgeführt werden. Auch die Anzahl der Geräte ist sehr gering und in jeder Schule vorhanden. Der finanzielle Aufwand ist demnach und wegen weniger Chemikalien recht gering. Der Didaktisch Wert dieses Versuches ist dafür umso höher. Er funktioniert tadellos und ist recht einfach zu handhaben, schön ist auch das für die Schüler sofort zu erkennen ist (durch das Ausfallen des Silberchlorids) wo eine Reaktion abläuft und wo nicht. Diese Tatsache macht das Transportieren der Informationen aus dem Versuch für den Schüler sehr einfach. Er zeigt sehr gut die unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten von Halogenalkanen und nimmt dabei Bezug zur Anorganik durch die Fällung der Chlorid- Ionen (dies sollte zum Vorwissen der Schüler gehören, kann jedoch an dieser Stelle auch kurz besprochen werden). Außerdem kann man an ihm viele für den Unterricht relevanten Themen aus dem hessischen Lehrplan erklären, wie zum Beispiel die Hyperkonjugation und die Stabilität der Carbokationen. Ich habe auch gelesen das man den Induktiven Effekt an diesem Versuch zu erklären versucht, dies halte ich jedoch für verwirrend, so kann es leicht passieren, dass die Schüler die Stabilität der Radikale versuchen mit dem Induktiven Effekt zu erklären. Das Vorwissen der Schüler sollte in jedem Fall die S N Reaktionen umfassen, da es ansonsten ein bisschen viel auf einmal zu lernen wäre. Nach der Soester Liste schon für den Einsatz in der Sekundarstufe I als Schülerversuch geeignet, bietet sich jedoch erst in der Oberstufe nach den Themen nukleobhile Substitution wirklich an. Literatur: Skriptum von Prof. Dr. Butenuth http://de.wikipedia.org http://www.staff.uni-marburg.de/%7egeyer/download/01oc1bindungsverhaeltnisse.pdf Organische Chemie; Vierte Auflage, K.Peter C.Vollhardt, Neil E.Shore; Willey-VCH, 2005