Kinetik im Schülerlabor
AFB I–IIIn einem Schülerlabor wird 2-Chlor-2-methylpropan in einem Wasser-Aceton-Gemisch mit Natronlauge umgesetzt. Die Anfangsgeschwindigkeit wird über die Leitfähigkeit verfolgt, weil sich Hydroxid-Ionen gegen Chlorid-Ionen austauschen.
| Versuch | c(RCl) in mol/L | c(OH⁻) in mol/L | v₀ in 10⁻⁵ mol/(L·s) |
|---|---|---|---|
| 1 | 0,10 | 0,10 | 1,4 |
| 2 | 0,20 | 0,10 | 2,8 |
| 3 | 0,10 | 0,20 | 1,4 |
| 4 | 0,05 | 0,30 | 0,7 |
- Formulieren Sie die Reaktionsgleichung in Halbstrukturformeln und nennen Sie den Reaktionstyp.
- Werten Sie die Messwerte aus und berechnen Sie die Geschwindigkeitskonstante.
- Erklären Sie das Geschwindigkeitsgesetz mithilfe des Reaktionsmechanismus.
- Vergleichen Sie die zu erwartenden Messwerte für 1-Chlorbutan unter denselben Bedingungen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{(CH3)3C-Cl + OH- -> (CH3)3C-OH + Cl-}\); Produkt 2-Methylpropan-2-ol. Nucleophile Substitution.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
V1→V2: c(RCl) verdoppelt, v verdoppelt → erste Ordnung bezüglich RCl. V1→V3: c(OH⁻) verdoppelt, v unverändert → nullte Ordnung bezüglich OH⁻. V4 bestätigt: halbe c(RCl), halbe v. \(v = k\cdot c(\text{RCl})\); \(k = 1{,}4\cdot10^{-5}\,\tfrac{\text{mol}}{\text{L·s}} : 0{,}10\,\tfrac{\text{mol}}{\text{L}} = 1{,}4\cdot10^{-4}\,\text{s}^{-1}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
SN1: 1) langsame Heterolyse \(\ce{(CH3)3C-Cl -> (CH3)3C+ + Cl-}\) — geschwindigkeitsbestimmend, nur das Substrat beteiligt; 2) schneller Angriff von OH⁻ am planaren Carbokation. Das tertiäre Kation ist durch drei +I-Methylgruppen stabilisiert; die Rückseite ist abgeschirmt, daher kein SN2.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
1-Chlorbutan reagiert nach SN2: \(v = k\cdot c(\text{RCl})\cdot c(\text{OH}^-)\). In V3 verdoppelt sich v, in V4 ist v gegenüber V1 um den Faktor 0,5 · 3 = 1,5 größer. Insgesamt ist die Reaktion deutlich langsamer, weil kein stabiles Kation entsteht und Chlorid eine mäßige Abgangsgruppe ist.
Das Hughes-Experiment
AFB II–III1935 setzten E. D. Hughes und Mitarbeiter optisch reines (S)-2-Iodoctan in Aceton mit Natriumiodid um, das radioaktives Iod-128 enthielt. Sie verfolgten zugleich den Einbau des radioaktiven Iods (Austausch) und den Drehwinkel der Lösung im Polarimeter. Die Tabelle zeigt nachgestellte Messwerte.
| t in min | ausgetauschte Moleküle in % | Drehwinkel α |
|---|---|---|
| 0 | 0 | +12,00° |
| 20 | 5,0 | +10,80° |
| 40 | 9,8 | +9,65° |
| 60 | 14,3 | +8,57° |
- Formulieren Sie den SN2-Mechanismus des Iodaustauschs mit räumlicher Darstellung.
- Werten Sie die Tabelle aus, indem Sie den relativen Drehwinkel mit dem Anteil ausgetauschter Moleküle vergleichen.
- Erklären Sie den Faktor 2 mit der Walden-Umkehr.
- Beurteilen Sie, welches Ergebnis bei einem SN1-Mechanismus zu erwarten wäre und was das Experiment damit belegt.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{^{128}I-}\) greift das C-2-Atom von der dem Iodatom abgewandten Seite an; Übergangszustand [¹²⁸I···C···I]⁻ mit planar angeordneten H, CH₃ und C₆H₁₃; das alte I⁻ tritt aus. Die drei Substituenten klappen um: Aus (S)-2-Iodoctan entsteht (R)-2-(¹²⁸I)Iodoctan.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
α/α₀: 0,900 (20 min), 0,804 (40 min), 0,714 (60 min). Der Drehwinkel sinkt jeweils um den doppelten Austauschanteil: 1 − 2 · 0,050 = 0,900; 1 − 2 · 0,098 = 0,804; 1 − 2 · 0,143 = 0,714. Die Racemisierung verläuft doppelt so schnell wie der Austausch.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Jeder Austausch erzeugt ein (R)-Molekül, das den Drehwert eines verbliebenen (S)-Moleküls genau aufhebt. Pro ausgetauschtem Molekül fallen also zwei Moleküle aus der Bilanz: α = α₀ · (1 − 2x). Jeder einzelne Austausch verläuft demnach mit Inversion.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Bei SN1 entstünde aus jedem umgesetzten Molekül ein Racemat (je 50 % R und S); ein ausgetauschtes Molekül trüge im Mittel nichts zum Drehwert bei: α = α₀ · (1 − x), Racemisierung und Austausch wären gleich schnell. Der gemessene Faktor 2 belegt deshalb den Rückseitenangriff mit vollständiger Inversion — ein starker experimenteller Beleg für SN2 bei diesem sekundären Substrat mit gutem Nucleophil in Aceton.