Chemische reacties in de koolstofchemie: een overzicht

In de minerale chemie bestuderen we neutralisatiereacties, neerslagreacties, complexvormingsreacties en redoxreacties. Het reactieverloop van deze reacties is meestal vrij eenvoudig voor te stellen. In de koolstofchemie verlopen de reacties op een meer complexe wijze. Deze reacties verlopen minder snel, meestal onvolledig en vaak zijn er verschillende reactieproducten mogelijk.

Inhoud

• Degradatiereactie
• Verbrandingsreactie
• Kraakreactie
• Additiereactie
• Elektrofiel
• Nucleofiel
• Eliminatiereactie
• Dehydrogenatie
• Dehydratatie
• Substitutiereactie
• Homolytisch
• Elektrofiel
• Nucleofiel
• Aaneenschakelingsreacties: van monomeren naar polymeren
• Polymerisatiereactie
• Polycondensatiereactie
• Polyadditiereactie

Degradatiereactie

Bij deze reacties wordt de structuur van het substraatmolecule grondig gewijzigd, ten gevolgen van een doorbraak van de C-C-binding.

Verbrandingsreactie

Dit is een reactie met O₂ met als eindproducten (hoofdzakelijk) H₂O en CO₂. Een eenvoudig voorbeeld hiervan is het branden van een kaars (parafinne: CH₃(CH₂)_nCH₃). Het kaarsje zal schijnbaar verdwijnen door het in de lucht verdwijnen van waterdamp en koolstofdioxide.

Voorbeelden

• CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O
• CH₃COOH + 2O₂ → 2H₂O + 2CO₂
• CH₃CH₂OCH₂CH₃ + 6O₂ → 5H₂O + 4CO₂

Kraakreactie

Het zijn hoofdzakelijk lange alkanen die worden gekraakt. Het alkaan valt hierbij uit elkaar in reactieve radicalen. Door een herschikking ontstaan er kortere alkanen en ook alkenen. Aardolie (een mengsel van grote koolwaterstofmoleculen) kan hierbij worden omgezet in bruikbare brandstoffen of in kleine moleculen die geschikt zijn voor de bereiding van synthetische stoffen.

Voorbeelden

• CH₃CH₂CH₃ → CH₄ + CH₂=CH₂
• C₁₆H₃₄ → C₈H₁₈ + C₈H₁₆

Additiereactie

Additiereacties treft men aan bij moleculen met meervoudige bindingen. De relatief zwakke π-binding wordt meestal vlot verbroken, waarbij de reagensdeeltjes zich aan het substraat kunnen binden.

Elektrofiel

Een elektrofiel is een deeltje dat plaats biedt aan een elektronenpaar voor de vorming van een atoombinding (elektronenpaaracceptor). Dit deeltje heeft zelf meestal een positief ladingskarakter. Het substraat heeft beschikbare π-elektronen via meervoudige C-C-bindingen. Elektrofiele additiereacties kunnen bijvoorbeeld gebruikt worden om de onverzadigdheid (de hoeveelheid dubbele bindingen) van oliën te onderzoeken. Een onverzadigd vet zoals bijvoorbeeld sojaolie kan een lugoloplossing (I₂) ontkleuren. De bruin gekleurde I₂-moleculen adderen aan de dubbele bindingen waardoor de bruine kleur verdwijnt.

Voorbeelden van elektrofielen

• positieve ionen: H⁺, NO₂⁺, Br⁺, …
• gepolariseerde moleculen met een sterk gepositiveerd atoom: - C^δ+=O^δ-

Voorbeelden van elektrofiele additiereacties

• CH₃-CH=CH₂ + H₂O → CH₃-CHOH-CH₃ (hydratatie)
• CH₃-CH=CH₂ + HCl → CH₃-CHCl-CH₃
• CH₃-C≡CH + Br₂ → CH₃-CBr=CHBr
• CH₃-C≡CH + 2Br₂ → CH₃-CBr₂-CHBr₂
• CH₂=CH-CH=CH₂ + 2Cl₂ → CH₂Cl-CHCl-CHCl-CH₂Cl
• CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₃ (hydrogenatie)

Nucleofiel

Dit is een reagensdeeltje dat een elektronenpaar ter beschikking kan stellen voor het vormen van een atoombinding (elektronenpaardonor). Dit deeltje heeft meestal zelf een negatief ladingskarakter. Het substraat heeft een gepositiveerd C-atoom.
De aanwezigheid van aldehyden kan bijvoorbeeld getest worden door het shiff reagens (een door H₂SO₃ ontkleurde fuchsineoplossing) toe te voegen. Aldehyden kunnen het H₂SO₃ adderen waardoor het waterstofsulfiet uit de shiff oplossing verdwijnt en de oorspronkelijk paarse kleur van de fuchsine terugkeert.

Voorbeelden van nucleofielen

• negatieve ionen: X^-, CN^-, OH^-
• gepolariseerde moleculen met een sterk genegativeerd atoom: - C – Mg^δ- – X^δ+
• moleculen met atomen waarop vrije doubletten voorkomen: NH₃, H₂O, R-OH, R-NH₂
• moleculen met π -bindingen: CH₂=CH₂

Voorbeelden van nucleofiele reacties
C₆H₅-CHO (aldehyde) + NaHSO₃ → C₆H₅-CHOH-SO₃Na
CH₃COCH₃ + NaCN → CH₃C(CN)(ONa)CH₃

Eliminatiereactie

Het substraat verliest atomen of atoomgroepen, zonder dat er andere in de plaats komen. Dergelijke reacties geven aanleiding tot het ontstaan van π-bindingen. Dit is een reactie die vaak wordt toegepast voor de bereiding van alkenen.

Dehydrogenatie

Het substraat verliest twee H-atomen waarbij H₂ wordt gevormd.

Voorbeeld
CH₃CH₂OH → CH₃CHO +H₂

Dehydratatie

Het substraat verliest een OH-groep en een H-atoom waarbij H₂O wordt gevormd.

Voorbeeld
CH₃CH₂OH → CH₂=CH₂ +H₂O

Substitutiereactie

Atomen of atoomgroepen in het substraat worden vervangen door anderen.

Homolytisch

Het substraat laat een radicaal los en neemt een ander op. Op deze manier kan bijvoorbeeld uit methaan (CH₄) chloroform (CHCl₃) worden bereid.

Voorbeeld
CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl +HCl

Elektrofiel

Het aanvallend deeltje hecht zich aan elektronen van het substraat, het substraat herstelt dit verlies aan elektronen door een atoom of atoomgroep los te laten en de bindende elektronen hiervan op te nemen. Met benzeen als beginproduct kunnen met deze reactie tal van aromatische verbindingen worden bereid.

Voorbeeld
C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O

Nucleofiel

Het aanvallend deeltje hecht zich met eigen elektronen aan het substraat. Het substraat herstelt dit teveel aan elektronen door een atoom of atoomgroep los te laten samen met de bindende elektronen hiervan. Halogeenalkanen zijn hierbij heel geschikt voor de bereiding van ethers.

Voorbeelden
CH₃CH₂CHClCH₃ + NaCN → CH₃CH₂CHCNCH₃ + NaCl
CH₃CH₂CH₂Br + CH₃OH → CH₃CH₂CH₂OCH₃ + HBr

Aaneenschakelingsreacties: van monomeren naar polymeren

Polymerisatiereactie

Dit is een reactie tussen deeltjes met meervoudige bindingen. Dit wordt bijvoorbeeld toegepast voor de bereiding van polyetheen (PE), een veel gebruikte plastic.

Voorbeeld
n CH₂=CH-CH₃ → -[-CH₂-CH(CH₃)-]_n-

Polycondensatiereactie

Dit is een reactie tussen deeltjes met twee functionele eindgroepen waarbij er een klein molecule vrijkomt. Deze reactie wordt bijvoorbeeld gebruikt voor de bereiding van PET(polyethyleentereftalaat)-flessen. Ook nylonkousen worden op deze manier gemaakt.

Voorbeeld
Condensatie
NH₂(CH₂)₅COOH + NH₂(CH₂)₅COOH → NH₂(CH₂)₅CO-NH-(CH₂)₅COOH + H₂O

Polycondensatie
2n NH₂(CH₂)₅COOH → -[-NH(CH₂)₅CO-NH-(CH₂)₅CO-]n- +n H₂O

Polyadditiereactie

Dit is een reactie tussen deeltjes met twee functionele eindgroepen waarbij er geen moleculen vrijkomen. Op deze manier wordt bijvoorbeeld polyurethaan (PUR) gemaakt, veel gebruikt in verven en coatings.

Voorbeeld
Additie
HO-CH₂-CH₂-OH + O=C=N-C₆H₄-N=C=O → HO-CH₂-CH₂-O-CO-NH-C₆H₄-N=C=O

Polyadditie
n (HO-CH₂-CH₂-OH + O=C=N-C₆H₄-N=C=O) → -[-O-CH₂-CH₂-O-CO-NH-C₆H₄-NH-CO-]_n-