Wenn du bräunlich gefärbtes Brom-Wasser zu einem Alken, wie z. B. Hexen, gibst, kannst du beobachten, dass sich das Bromwasser sehr schnell entfärbt und die Lösung farblos wird (Abb. 1). Das Brom aus dem Brom-Wasser reagiert mit dem Alken zu einem Bromalkan. Deswegen nutzt man Bromwasser auch zum Nachweis von Doppel- und Dreifachbindungen. Warum Brom so gut mit Alkenen reagiert und was dabei auf Teilchenebene passiert erfährst du in diesem Artikel.
Eigenschaften der Edukt-Moleküle
Alken-Moleküle enthalten mindestens eine Doppelbindung. Die Doppelbindung besteht aus 4 Bindungselektronen und besitzt deshalb eine hohe Elektronendichte. Brommoleküle besitzen eine sehr große Elektronenhülle. Die Elektronen in dieser Hülle sind frei beweglich. Nähern sich Brommoleküle geladenen Teilchen, Dipol-Molekülen oder Molekülen mit Mehrfachbindungen, so kommt es in der Elektronenhülle der Brom-Moleküle durch die Abstoßungskräfte zu Verschiebungen. Es entsteht ein temporäres Dipol-Molekül, das heißt, die ein Seite des Brom-Moleküls ist positiv, die andere Seite negativ teilgeladen. Diesen Vorgang nennt man Polarisation.
Addition von Brom an Ethen
Die Addition von Brom an ein Alken-Molekül erfolgt in mehreren Schritten. Diese Schritte werden im Folgenden am Beispiel von Ethen vorgestellt.
1. Schritt: Polarisation des Brom-Moleküls
CC-BY-NC 4.0 / Joachim Herz Stiftung;
Nähert sich ein Brom-Molekül der elektronenreichen Doppelbindung eines Alken-Moleküls wie z. B. Ethen, dann polarisiert die Doppelbindung das Brom-Molekül und es entsteht ein temporäres Dipol-Molekül. Die positive Seite des Brom-Moleküls tritt mit den Elektronen der Doppelbindung in Wechselwirkung (Abb. 2).
2. Schritt: heterolytische Spaltung des Brom-Moleküls und Bildung des Bromonium-Ions
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Im nächsten Schritt wird das Brom-Molekül heterolytisch gespalten, d.h. das gemeinsame Elektronenpaar bleibt bei dem Brom-Atom mit der negativen Teilladung. Dieses wird als Bromid-Ion abgespalten. Das Brom-Atom mit der positiven Teilladung bildet mit dem Ethen-Molekül ein cyclisches Kation. Das positiv geladene Zwischenprodukt wird Bromonium-Ion genannt (Abb. 3).
3. Schritt: nucleophiler Angriff des Bromid-Ions
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Das Bromid-Ion greift das cyclische Kation an und bildet mit ihm eine Elektronenpaarbindung aus. Aus sterischen Gründen kann dieser Angriff nur von der Rückseite her erfolgen. Der Ring bricht auf und es entsteht das Produkt 1,2-Dibromethan (Abb. 4).
Konkurrenzreaktion in wässrigen Lösungen
Nutzt man für die Bromierung statt elementarem Brom Bromwasser, so reagieren die Bromonium-Ionen hauptsächlich mit den Wassermolekülen, denn die Konzentration der Wassermoleküle ist wesentlich höher als die Konzentration der Bromid-Ionen. Bei dieser Reaktion greift das Sauerstoffatom mit der negativen Teilladung das Bromonium-Ion an und bildet eine Elektronenpaarbindung mit einem der Kohlenstoff-Atome aus. Dabei bricht der Ring auf. Da das Sauerstoffatom nun positiv geladen ist, spaltet sich ein Proton ab und es entsteht das Produkt 2-Bromethanol (Abb. 5).
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Zusammenfassung
Die Addition von Brom an Alkene verläuft in mehreren Schritten:
- Polarisierung des Brom-Moleküls
- Heterolytische Spaltung des Brom-Moleküls
- Nucleophiler Angriff des Bromid-Ions.
Wird die Reaktion mit Brom-Wasser durchgeführt, so werden statt der Bromid-Ionen Wasser-Moleküle an das Bromonium-Ion angelagert.