Chlorowanie dimetylobutanu w obecności światła

Szczegóły: Opublikowano: 14. March 2026

Wpływ światła na nasze życie jest bezdyskusyjny. Z chemicznego punktu widzenia reakcje inicjowane światłem są kluczowe nawet dla naszego istnienia, w końcu gdyby nie proces fotosyntezy, życie na ziemi mogłoby wyglądać dosyć marnie (o ile by w ogóle istniało). Na lekcjach chemii prawdopodobnie usłyszeliście (albo jeszcze usłyszycie) zaledwie tylko o jednej takiej reakcji, do której światło to totalny must have (tak, chodzi o bromowanie czy chlorowanie alkanów), ale takich procesów z udziałem światła jest o wiele więcej!

Zanim jednak omówimy konkretne reakcje musimy sobie szybko wytłumaczyć, czym jest światło 💡

Światło jako promieniowanie elektromagnetyczne

Tak naprawdę za słowem „światło” stoi straszny termin „promieniowanie elektromagnetyczne”, które jest falą pól elektrycznego i magnetycznego. Co ważne, wszelkie promieniowanie elektromagnetyczne w próżni porusza się z niewyobrażalnie szybką prędkością 3,00 ∙ 10⁸ m/s! Ta wyjątkowa prędkość ma nawet swój symbol „c”, tak to dokładnie to samo „c”, które występuje we wzorze E = mc²!

Światło jest falą co oznacza, że ma swoją częstotliwość. W zależności od częstotliwości możemy je podzielić między innymi na światło widzialne, mikrofale, promieniowanie ultrafioletowe (UV) czy promieniowanie podczerwone. Istotną zależnością światła jest to, że im ma większą częstotliwość tym ma większą energię.

Ostatnią ważną sprawą (w kontekście fizycznym), jest to pojęcie fotonu. Foton jest najmniejszą porcją energii fali elektromagnetycznej, którą wyrażamy wzorem E = h𝝂, gdzie E jak zwykle oznacza energię, h to tak zwana stała Plancka (6,626 070 15⋅10^-34 J⋅s) a ta egzotyczna literka przypominająca naszą literkę v, która jest tak naprawdę grecką literą “ni”, oznacza częstotliwość promieniowania emitowanego (lub pochłanianego przez ciało doskonale czarne). Teraz z tymi podstawami możemy (w końcu!) przejść do sedna sprawy.

Przeczytaj także: Izomeria w Chlorowaniu Trimetylopentanu

Halogenowanie alkanów

Chlorowanie (halogenowanie) alkanów poznajemy zazwyczaj na początku naszej przygody z chemią organiczną. Zacznijmy od omówienia tego jak zapisujemy światło w tej reakcji. Zazwyczaj nad strzałką zapisujemy albo słownie „światło”, lub to tajemnicze h𝝂 (mam nadzieje, że po tym krótkim fizycznym wstępie, rozumiecie co to znaczy w praktyce). Co istotne (względem matury) jest to, że reakcja przebiega według mechanizmu substytucji rodnikowej. Sama reakcja składa się z 3 etapów (inicjacji, propagacji i terminacji).

Etapy substytucji rodnikowej

Inicjacja: Tutaj światło (a dokładniej światło ultrafioletowe o długości od 100nm do 400nm) gra kluczową rolę, gdyż rozbija nam chlor cząsteczkowy na dwa rodniki chlorowe, jest to tak zwany rozpad homolityczny.
Propagacja: W pierwszym etapie propagacji rodniki reagują (w tym przykładzie) z cząsteczką metanu odrywając od niego atom wodoru tworząc HCl oraz rodnik metylowy. Następnie rodnik metylowy reaguje z cząsteczką chloru tworząc chlorometan i nowy rodnik chlorowy, który ponownie uczestniczy w pierwszym etapie propagacji. Taką reakcję nazywamy reakcją łańcuchową!
Terminacja: Mogliście zauważyć, że w reakcji powstaje wiele rodników (a to przecież najprostszy przypadek bo mamy tutaj tylko jeden węgiel), więc czy nie istnieją przypadki, gdzie np. dwa rodniki metylowe się ze sobą zderzą? Odpowiedź jest jasna- oczywiście, że istnieją takie przypadki! Ten etap zachodzi jednak dosyć rzadko, ponieważ stężenie rodników w dowolnym momencie reakcji jest dosyć niskie i prawdopodobieństwo zderzenia się dwóch rodników jest również małe.

Samo chlorowanie czy bromowanie alkanów jest absolutnie jedną z ulubionych reakcji nie tylko autorów zadań maturalnych ale też ostatnio autorów zadań olimpijskich!

Czynniki wpływające na halogenowanie alkanów

Aby halogenowanie alkanów w ogóle ruszyło, potrzebny jest bodziec, który rozerwie cząsteczkę halogenu. Najczęściej stosuje się:

światło UV - oznaczane w równaniach jako hν,
podwyższoną temperaturę,
inicjatory rodnikowe, np. nadtlenki organiczne.

Bez takiego „kopa energetycznego” wiązanie Cl-Cl lub Br-Br jest stosunkowo stabilne i reakcja praktycznie nie zachodzi.

Selektywność halogenowania

Klucz do zrozumienia, które atomy wodoru w alkanie są łatwiej odrywany, tkwi w energiach wiązań C-H. Im słabsze wiązanie C-H, tym łatwiej oderwać atom wodoru. Oderwanie wodoru prowadzi do powstania rodnika węglowego. Przyczyna leży w efekcie indukcyjnym i tzw. hiper sprzężeniu. Grupy alkilowe (-CH3, -C2H5 itd.) „rozpraszają” nieco niesparowany elektron rodnika, co obniża jego energię. Dla halogenowania oznacza to, że tworzenie rodnika 3° jest energetycznie korzystniejsze niż rodnika 2°, a ten z kolei - niż rodnika 1°.

Przeczytaj także: Skutki chlorowania wody z fenolem

Bromowanie z kolei jest:

wolniejsze,
bardziej selektywne - wyraźnie preferuje najbardziej reaktywne miejsca.

Różnica wynika z energii poszczególnych kroków propagacji.

Wpływ światła, temperatury i inicjatorów

Rozszczepienie cząsteczki Cl₂ czy Br₂ wymaga dostarczenia energii. W praktyce robi się to, stosując promieniowanie o odpowiedniej długości fali (ultrafiolet lub niebieska część widma). Im silniejsze i bardziej energetyczne światło, tym szybciej rodniki powstają, a reakcja przyspiesza.

Podgrzanie mieszaniny zwiększa energię cząsteczek i ułatwia zarówno inicjację (homoliza wiązań), jak i poszczególne kroki propagacji. W niektórych procesach przemysłowych akceptuje się wyższą temperaturę, bo liczy się przede wszystkim wydajność i prędkość, a mieszanina i tak trafia do dalszej obróbki.

Halogenowanie alkanów w praktyce

Chlorowanie metanu i wyższych lekkich alkanów jest jednym z podstawowych procesów w przemyśle chemicznym. Ponieważ reakcje są mało selektywne, często nie dąży się do pojedynczego produktu, lecz do kontrolowanej mieszaniny, którą później rozdziela się destylacją frakcyjną.

Przeczytaj także: Płukanie studni: jak to zrobić poprawnie?

Bezpieczeństwo i praktyka pracy z halogenami

Rodnikowy charakter halogenowania oznacza, że niewielka zmiana temperatury, oświetlenia czy stężenia może gwałtownie zwiększyć szybkość reakcji. W pracy codziennej chemika najwięcej uwagi wymaga chlor gazowy i brom ciekły.

Kilka reguł, które wynikają wprost z ich właściwości:

Stosuje się szkło borokrzemowe lub stal kwasoodporną, unika się zwykłych metali podatnych na korozję.
Uszczelki dobiera się z materiałów odpornych na halogeny (np. teflon, Viton).

Przykładowe zadanie

Olimpiada Chemiczna; Zadanie A4, Folder Wstępny

I Związek A to węglowodór o wzorze sumarycznym C₈H₁₀. Wiadomo że nie reaguje z HBr, natomiast w wyniku rodnikowego bromowania (1 mol Br₂, światło) możliwe jest powstanie tylko jednego produktu A1 o wzorze sumarycznym C₈H₉Br. Reaguje również z bromem w obecności żelaza co prowadzi również do jednego możliwego produktu A2 o tym samym wzorze sumarycznym co A1. Żaden z wymienionych związków nie jest chiralny.

II Związek B to węglowodór o wzorze sumarycznym C₇H₁₄. Nie reaguje z HBr, natomiast w wyniku rodnikowego bromowania (1 mol Br₂, światło) możliwe jest powstanie tylko trzech produktów B1, B2 i B3 o wzorze sumarycznym C₇H₁₃Br, z których B1 i B2 są związkami chiralnymi. W wyniku eliminacji HBr ze związku B1 mogą powstać dwa produkty o wzorze C₇H₁₂, natomiast z B2 powstaje tylko jeden produkt.

III Węglowodory C i D mają wzór sumarycznym C₆H₁₂. Wiadomo że związki te reagują z HBr i bromem bez udziału światła. W wyniku tych reakcji z C powstają wyłącznie produkty, które nie są chiralne. Natomiast z D powstają chiralne bromopochodne jako mieszaniny diastereoizomerów (również produkt addycji HBr).

Uwaga: W celu uproszczenia rozważań przyjmij dodatkowe założenia: Nie uwzględniaj związków, które zawierają małe pierścienie: trójczłonowe oraz czteroczłonowe (tj. cyklopropany i cyklobutany), jeśli będzie taka możliwość. W reakcjach z udziałem węglowodorów nie uwzględniaj również ewentualnych/możliwych przegrupowań.

Informacja pomocnicza: w reakcji cykloheksenu z Br₂ powstaje tylko jeden diastereoizomer.

Polecenia:

Podaj wzory strukturalne związków A, A1, A2, B, B1, B2, B3.
Podaj wszystkie możliwe wzory strukturalne związków C i D, które spełniają warunki zadania.

tags: #chlorowanie #dimetylobutanu #w #obecnosci #swiatla