1-Brombutan im Grundkurs: zwei Vorschriften, ein Eliminierungsprodukt
Zwei Kurse stellen 1-Brombutan her. Gruppe A erhitzt 20,0 g Butan-1-ol (M = 74,0 g/mol) mit 25 g Natriumbromid und 25 mL konzentrierter Schwefelsäure 45 Minuten am Rückfluss, destilliert das Produkt ab, wäscht mit Wasser, trocknet und erhält 18,5 g. Gruppe B arbeitet mit derselben Menge Butan-1-ol und Natriumbromid, setzt aber nur 8 mL Schwefelsäure zu und verdünnt mit 40 mL Wasser; sie erhält 7,2 g und beobachtet beim Erhitzen ein farbloses, brennbares Gas, das Bromwasser entfärbt. Eine dritte Gruppe verwendet 2-Methylpropan-2-ol nach derselben Vorschrift wie Gruppe A und erhält fast ausschließlich ein Gas statt der erwarteten Flüssigkeit. M(1-Brombutan) = 137 g/mol, M(HBr) = 81,0 g/mol. Die Kurse sollen ihre Ergebnisse vergleichend auswerten.
1. Berechnen Sie die Ausbeuten beider Gruppen sowie die Atomökonomie der Reaktion und beurteilen Sie das Ergebnis von Gruppe A.
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Theoretische Ausbeute: n(Butan-1-ol) = 20,0 g / 74,0 g/mol = 0,270 mol; da Natriumbromid im Überschuss vorliegt, ist der Alkohol limitierend. m(th) = 0,270 mol · 137 g/mol = 37,0 g.
Gruppe A: 18,5 / 37,0 = 50 % Gruppe B: 7,2 / 37,0 = 19,5 %
Atomökonomie: Butan-1-ol + HBr → 1-Brombutan + H2O; AE = 137 / (74,0 + 81,0) = 137 / 155 = 88 %. Wasser ist das einzige Koppelprodukt, die Reaktion ist atomökonomisch günstig.
Beurteilung von A: 50 % ist für eine schulische Synthese ein brauchbarer Wert, aber kein Beleg für eine gute Vorschrift. Verluste entstehen durch die Aufarbeitung (Waschen entfernt Produktreste, Destillation mit Hold-up), durch Nebenprodukte (Dibutylether bei zu wenig Bromid, But-1-en bei zu heißer Reaktion) und durch unvollständige Umsetzung. Die Atomökonomie beschreibt nur die Theorie; die tatsächliche Ausbeute hängt an der Reaktionsführung – genau das ist der Unterschied zwischen beiden Kennzahlen.
2. Erklären Sie den Unterschied zwischen den Gruppen A und B mit dem SN2-Mechanismus und der Rolle der Schwefelsäure.
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Mechanismus: Der Angriff erfolgt bimolekular; Br^- greift in einer Reaktion zweiter Ordnung (v = k · [Butan-1-ol] · [HBr]) das C1 von hinten an, unter Inversion. Primäres Carbokation ist energetisch nicht erreichbar, deshalb SN2 und nicht SN1.
Rolle der Schwefelsäure: Sie setzt aus NaBr den Bromwasserstoff frei (NaBr + H2SO4 → NaHSO4 + HBr), protoniert die Hydroxygruppe und macht sie zur guten Abgangsgruppe (Wasser), und sie bindet das entstehende Wasser.
Gruppe B: Die Verdünnung mit Wasser senkt [HBr] und [Br^-] und damit die Reaktionsgeschwindigkeit (beide Konzentrationen stehen im Geschwindigkeitsgesetz). Wasser konkurriert als Nucleophil und hydrolysiert entstandenes Bromid zurück; außerdem verschiebt das Wasser die Protonierung und damit die Gleichgewichtslage. Bei den hohen Temperaturen wirkt HSO4^-/H2O zusätzlich als Base: es kommt zu E2-Eliminierung, das beobachtete Gas ist But-1-en (Entfärbung von Bromwasser durch Addition).
Fazit: Konzentration und Wasserentzug entscheiden hier über Substitution oder Eliminierung, nicht die Menge an Natriumbromid. Gruppe B hat keinen schlechteren Katalysator, sondern konkurrierende Reaktionswege erzeugt.
3. Erklären Sie das Ergebnis der dritten Gruppe, geben Sie eine bessere Vorschrift an und nennen Sie eine analytische Prüfung, ob das Produkt von Gruppe A noch Butan-1-ol enthält.
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Erklärung: 2-Methylpropan-2-ol ist tertiär. Die Protonierung und Wasserabspaltung führt über ein tertiäres Carbokation, das durch Induktion und Hyperkonjugation stabil ist – die Reaktion läuft nach SN1. Unter den heißen, stark sauren Bedingungen von Gruppe A ist die E1-Eliminierung jedoch der schnellere Weg: ein β-Proton wird abgezogen, es entsteht 2-Methylpropen (Sdp. −6,9 °C), das sofort gasförmig entweicht. Die Schwefelsäure wirkt hier zusätzlich als Dehydratisierungsmittel, das entstehende Wasser wird gebunden und zieht das Gleichgewicht zur Eliminierung.
Bessere Vorschrift: 2-Methylpropan-2-ol mit konzentrierter Salzsäure oder Bromwasserstoff bei Raumtemperatur umsetzen (SN1 ohne starkes Erhitzen), oder gezielt 2-Methylpropen mit konzentriertem HBr bei tiefer Temperatur addieren (Markownikow).
Analytische Prüfung: IR-Spektrum – eine breite OH-Valenzschwingung bei 3200–3600 cm^-1 zeigt restliches Butan-1-ol an. Ergänzend Siedepunktskontrolle (1-Brombutan 102 °C, Butan-1-ol 118 °C), eine Probe mit Bromwasser (Nachweis nicht umgesetzten Alkens) oder gaschromatographische Reinheitskontrolle.