Butan-2-ol aus dem Raffinat
AFB I–IIIn der Raffinerie fällt eine Mischung aus But-1-en und But-2-en an. Durch säurekatalysierte Hydratisierung (Schwefelsäure oder saure Ionenaustauscher) gewinnt man daraus Butan-2-ol, das zum Lösungsmittel Butanon (Methylethylketon) weiterverarbeitet wird. Butan-1-ol entsteht dabei praktisch nicht.
- Formulieren Sie den Mechanismus der Hydratisierung von But-1-en.
- Erklären Sie, warum Butan-1-ol praktisch nicht entsteht.
- Begründen Sie, dass auch But-2-en Butan-2-ol liefert.
- Berechnen Sie die Masse Butan-2-ol aus 10 t Butengemisch bei 90 % Ausbeute (M: Buten 56,1 g/mol; Butan-2-ol 74,1 g/mol).
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
1) H⁺ addiert an C-1: sekundäres Carbokation CH₃–CH₂–C⁺H–CH₃. 2) H₂O greift mit einem freien Elektronenpaar C-2 an: Oxonium-Ion CH₃–CH₂–CH(OH₂⁺)–CH₃. 3) Abgabe von H⁺: Butan-2-ol; der Katalysator wird zurückgebildet.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Butan-1-ol erforderte die Protonierung an C-2 und damit ein primäres Carbokation. Dieses ist mit nur einem Alkylrest (+I) deutlich weniger stabil, der Übergangszustand liegt höher, die Aktivierungsenergie ist größer — der Weg ist sehr viel langsamer (Markownikow-Regel).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Protonierung von But-2-en (an C-2 oder C-3) liefert in beiden Fällen dasselbe sekundäre Kation CH₃–C⁺H–CH₂–CH₃; der Angriff von Wasser ergibt Butan-2-ol. Beide Isomere der Mischung können also ohne Trennung eingesetzt werden.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
n(Buten) = 1,0·10⁷ g : 56,1 g/mol = 1,78·10⁵ mol; n(Butanol) = 0,90 · 1,78·10⁵ mol = 1,60·10⁵ mol; m = 1,60·10⁵ mol · 74,1 g/mol ≈ 1,19·10⁷ g ≈ 11,9 t.
Ein Produkt, das nicht vorgesehen war
AFB II–IIIEine Arbeitsgruppe leitet Chlorwasserstoff in 3,3-Dimethylbut-1-en, CH₂=CH–C(CH₃)₃. Die gaschromatographische Analyse zeigt zwei Produkte in etwa gleichen Anteilen: 3-Chlor-2,2-dimethylbutan und 2-Chlor-2,3-dimethylbutan, (CH₃)₂CCl–CH(CH₃)₂. Letzteres hat ein anderes Kohlenstoffgerüst als das Edukt.
- Begründen Sie, welches der beiden Produkte nach der Markownikow-Regel zu erwarten ist.
- Erklären Sie die Bildung von 2-Chlor-2,3-dimethylbutan durch eine Umlagerung des Carbokations.
- Deuten Sie den Befund als Beleg für ein offenes Carbokation als Zwischenstufe.
- Entwickeln Sie eine begründete Vorhersage der Produkte für die Addition von HBr an 3-Methylbut-1-en, CH₂=CH–CH(CH₃)₂.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
H⁺ addiert an C-1 (zwei H-Atome), es entsteht das sekundäre Kation CH₃–C⁺H–C(CH₃)₃; Cl⁻ bindet an C-2: 3-Chlor-2,2-dimethylbutan (CH₃–CHCl–C(CH₃)₃) ist das Markownikow-Produkt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Im sekundären Kation wandert eine Methylgruppe mit ihrem Bindungselektronenpaar vom benachbarten quartären C-Atom zum positiven C-Atom (1,2-Methylverschiebung). Dadurch entsteht das tertiäre Kation (CH₃)₂C⁺–CH(CH₃)₂, das durch drei Alkylreste stabiler ist. Cl⁻ greift es an: 2-Chlor-2,3-dimethylbutan.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Eine Umlagerung des Kohlenstoffgerüsts setzt ein freies positives C-Atom mit Elektronensextett voraus, zu dem die Methylgruppe wandern kann. Bei einem einstufigen Mechanismus oder einer überbrückten Zwischenstufe wäre das Umlagerungsprodukt nicht zu erklären. Das Produktbild belegt also ein Carbokation und dessen Tendenz, in ein stabileres Kation überzugehen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Protonierung an C-1 liefert das sekundäre Kation CH₃–C⁺H–CH(CH₃)₂ → Produkt 2-Brom-3-methylbutan. Durch Wanderung eines H-Atoms mit Elektronenpaar (Hydridverschiebung) vom Nachbar-C entsteht das tertiäre Kation CH₃–CH₂–C⁺(CH₃)₂ → 2-Brom-2-methylbutan. Erwartet wird ein Gemisch, in dem das Umlagerungsprodukt einen großen Anteil hat, weil das tertiäre Kation stabiler ist.