Hydrohalogenierung

Wusstest Du, dass Chlorethan in der Medizin zur Lokalbetäubung genutzt wird? Man kann Chlorethan durch die sogenannte Hydrohalogenierung herstellen, bei der im Fall von Chlorethan Salzsäure (HCl) mit Ethen (C₂H₄) reagiert beziehungsweise Salzsäure an Ethen addiert wird.

Hydrohalogenierung - Definition

Der Begriff Hydrohalogenierung bedeutet so viel wie das Hinzufügen, also die Addition eines Halogenwasserstoffs an ein Molekül. Hydro- steht hierbei für Wasserstoff und leitet sich von dem lateinischen Wort hydrogenium ab, das "wasserezeugender Stoff" bedeutet. Ein Halogen ist ein Element aus der siebten Hauptgruppe des Periodensystems und diese Elemente sind sogenannte Salzbildner.

Die Halogenwasserstoffe, die Dir begegnen werden, sind Fluor-, Chlor-, Iod- und Bromwasserstoff beziehungsweise mit den Summenformeln: HF, HCl, HI und HBr. Ein sogenanntes Alken reagiert mit einem dieser Halogenwasserstoffe. Ein Alken ist eine Kohlenwasserstoffverbindung mit einer Doppelbindung. Das einfachste Alken ist Ethen mit der Summenformel C₂H₄.

Abb. 1: Strukturformel von Ethen.

Um einen ersten, einfachen Überblick zu bekommen: Ein Kohlenstoffatom der Doppelbindung erhält das Halogen, in diesem Fall Chlor, und das andere Kohlenstoffatom das Wasserstoffatom der Salzsäure (HCl). Außerdem wird aus der Doppelbindung eine Einfachbindung. Wichtig ist hierbei, dass in einem großen Molekül trotz mehrerer Kohlenstoffatome, die einfach oder zweifach miteinander verbunden sind, nur die Kohlenstoffatome mit den Doppelbindungen jeweils ein Atom des Halogenwasserstoffs erhalten.

Der Reaktionsmechanismus der Hydrohalogenierung

Der Reaktionsmechanismus der Hydrohalogenierung gliedert sich in die drei Reaktionsschritte:

1. heterolytische Bindungsspaltung
2. elektrophile Addition
3. nucleophiler Angriff

Im Folgenden werden die Schritte an der Beispielreaktion von Ethen mit Salzsäure (HCl) nachvollzogen. Du willst also von Ethen zu Chlorethan kommen.

Schritt 1: Heterolytische Bindungsspaltung

Der Sachverhalt ist ähnlich zu Magneten, bei denen sich ungleichnamige Pole, also Plus- und Minuspol, anziehen. Insofern ziehen sich Wasserstoffatom und Doppelbindung an, weil sie jeweils partiell positiv oder negativ geladen sind. Doch genauso weißt Du bestimmt, dass sich bei einem Magneten gleichnamige Pole, also zum Beispiel Minus- und Minuspol, abstoßen. Deshalb stoßen sich Chloratom und Doppelbindung voneinander ab, weil beide negativ oder partiell negativ geladen sind. Das macht sich dadurch bemerkbar, dass das Chloratom von der Doppelbindung abgewandt ist. Das HCl-Molekül steht folglich unter Zugspannung, da es in entgegengesetzte Richtungen gezogen wird.

Durch die gegenseitige Anziehung nähert sich das Wasserstoffatom der Doppelbindung und zieht über die Einfachbindung zum Chloratom dieses mit. Dadurch wird die elektrostatische Abstoßung zwischen Doppelbindung und Chloratom stärker. Du hast bestimmt schon versucht, mit einem Pol eines Magneten den gleich geladenen Pol eines anderen Magneten zu berühren. Sicherlich hast Du auch gemerkt, dass es immer schwieriger wurde, je näher Du die Pole aneinander gebracht hast, weil die Abstoßung immer stärker wurde. Hier ist es dasselbe.

Sobald sich das HCl-Molekül und die Doppelbindung zu nahe kommen und die elektrostatische Abstoßung zwischen Chloratom und Doppelbindung zu stark wird, resultiert eine Bindungsspaltung im HCl-Molekül, weil die Einfachbindung nicht stark genug ist, um Chloratom und Wasserstoffatom zusammenzuhalten. Das bedeutet, dass sich Chloratom und Wasserstoffatom voneinander trennen und keine Elektronen mehr in Form einer Einfachbindung teilen. Sie sind nun gegeneinander frei beweglich und das Chloratom kann von der Doppelbindung Abstand gewinnen, während sich das Wasserstoffatom der Doppelbindung weiter nähert.

Die Elektronen der Einfachbindung gehen nach der Bindungsspaltung nicht verloren, sondern werden auf das Chloratom übertragen. Das Chloratom erhält dadurch eine negative Ladung und das Wasserstoffatom eine positive Ladung. Man spricht von einer heterolytischen Bindungsspaltung, bei der Elektronen im Zuge einer Bindungsspaltung ungleich aufgeteilt werden. Es liegen jetzt Wasserstoffion (H⁺) und Chloridion (Cl^-) vor.

Schritt 2: Elektrophile Addition

Da das Wasserstoffatom jetzt nicht mehr an das Chloratom gebunden ist, kann es eine neue Bindung mit einem Kohlenstoffatom der Doppelbindung eingehen. Das Wasserstoffatom erhält die Elektronen dabei aus der Doppelbindung. Aufgrund der elektrostatischen Anziehung zur Doppelbindung entzieht das Wasserstoffatom ein Elektronenpaar aus der Doppelbindung, welches dann für eine Einfachbindung zu einem Kohlenstoffatom (C₁) genutzt wird. Du kannst es Dir so vorstellen, dass das Wasserstoffatom C₂ die Elektronenpaarbindung zu C₁ stiehlt. Deshalb ist das Wasserstoffatom zwar nicht mehr positiv geladen, aber dafür C₂. Ein positiv geladenes Kohlenstoffatom nennt man Carbeniumion.

Es handelt sich bei der Bindungsausbildung des Wasserstoffions um eine elektrophile Addition. Das liegt daran, dass die Bindungsausbildung nur deshalb funktioniert, weil das Wasserstoffion positiv geladen ist und deswegen die elektronenreiche und deshalb stark negativ geladene Doppelbindung angreifen kann. Das Wasserstoffion ist ein elektrophiles Teilchen, also ein elektronenliebendes Teilchen.

Schritt 3: Nucleophiler Angriff

Um von dem Molekül, das Du in Schritt 2 erhalten hast, zu Chlorethan zu gelangen, muss nur noch das Chloridion an C₂ binden, womit die Hydrohalogenierung beendet ist. Wie in Schritt 2 bereits erwähnt, liegt C₂ als Carbeniumion vor und ist somit positiv geladen, während das Chloridion negativ geladen ist. Insofern ist es naheliegend, dass sich Carbeniumion und Chloridion gegenseitig anziehen, dadurch näher kommen und das Chloridion schließlich mit einem seiner vier freien Elektronenpaare an das Carbeniumion bindet.

Mit den Punkten wird, wie in Schritt 1, die elektrostatische Anziehung kennzeichnet. Der Pfeil vom freien Elektronenpaar des Chloridions zum Carbeniumion hin verdeutlicht, dass das freie Elektronenpaar zur Bindungsausbildung genutzt wird. Man spricht bei diesem letzten Schritt von einem nucleophilen Angriff. Nucleophil bedeutet sinngemäß, dass ein Teilchen das Bestreben hat, eine Bindung zu positiv geladenen Teilchen auszubilden, weil es selbst negativ oder partiell negativ geladen ist, das Gegenteil eines elektrophilen Teilchens. Das Chloridion ist das nucleophile Teilchen. Mit diesem letzten Schritt ist die Hydrohalogenierung von Ethen mit Salzsäure abgeschlossen und es ist Chlorethan entstanden.

Die Verwendung der Hydrohalogenierung

Mithilfe der Hydrohalogenierung kann man 2-Chlorbutan herstellen. 2-Chlorbutan wiederum wird für die Herstellung von verschiedensten Endprodukten benötigt, etwa Duftstoffe, Pestizide und Arzneimittel.

Abbildung 9: Strukturformel von 2-Chlorbutan

Es gibt kaum spezifische Produkte, die insbesondere durch die Hydrohalogenierung gewonnen werden. Die Hydrohalogenierung wird aber im weiteren Sinne für die Einführung von Halogengruppen in Moleküle mit Doppelbindungen genutzt. Das kann zum Beispiel deshalb gemacht werden, um ein Molekül polarer und damit auch wasserlöslicher zu machen. Insofern erlaubt die Hydrohalogenierung also primär die Modifikation organischer Moleküle mit Doppelbindungen.