Hoe werkt een radicaal substitutiereactie met vishaken?

Een radicaal substitutiereactie is een chemische reactie waarbij een atoom of groep atomen in een molecuul wordt vervangen door een radicaal. Deze reacties verlopen via een radicaal mechanisme en bestaan uit drie hoofdfasen: initiatie, propagatie en terminatie. Bij het visualiseren van deze mechanismen is het essentieel om vishaken (ook wel half-pijlen genoemd) te gebruiken. Deze pijlen geven de beweging van één enkel elektron aan.

Laten we de radicaal substitutiereactie van methaan ($CH_4$) met chloor ($Cl_2$) bekijken:

1. Initiatie (Startfase)

   • In deze fase wordt het chloormolecuul ($Cl_2$) gesplitst onder invloed van UV-licht.
   • De binding tussen de twee chlooratomen breekt homolytisch, wat betekent dat elk chlooratoom één elektron van de binding meeneemt.
   • Vishaken weergave: Je tekent een $Cl_2$-molecuul. Boven de binding tussen de twee chlooratomen teken je twee vishaken die elk van het midden van de binding naar één van de chlooratomen wijzen.
   • Hierdoor ontstaan twee zeer reactieve chloorradicalen ($Cl\cdot$), die elk een ongepaard elektron hebben.
   • Reactievergelijking: $Cl_2 \xrightarrow{UV-licht} 2 Cl\cdot$

2. Propagatie (Voortplantingsfase)

   • Dit is een kettingreactie waarin de radicalen reageren met stabiele moleculen en daarbij nieuwe radicalen vormen, waardoor de reactie zichzelf in stand houdt.
   • Stap 1: Waterstofabstractie
     • Een chloorradicaal ($Cl\cdot$) valt een methaanmolecuul ($CH_4$) aan. Het chloorradicaal 'steelt' een waterstofatoom van het methaan.
     • Vishaken weergave:
       • Teken één vishaak van het ongepaarde elektron op het chloorradicaal naar het waterstofatoom van methaan.
       • Teken een tweede vishaak van de C-H binding (die uit twee elektronen bestaat) naar datzelfde waterstofatoom.
       • Teken een derde vishaak van de C-H binding naar het koolstofatoom.
     • Resultaat: Er ontstaat waterstofchloride ($HCl$) en een methylradicaal ($CH_3\cdot$). Het methylradicaal heeft nu een ongepaard elektron op het koolstofatoom.
   • Stap 2: Chloorabstractie
     • Het gevormde methylradicaal ($CH_3\cdot$) reageert met een ander chloormolecuul ($Cl_2$). Het methylradicaal 'steelt' een chlooratoom.
     • Vishaken weergave:
       • Teken één vishaak van het ongepaarde elektron op het methylradicaal naar één van de chlooratomen van het $Cl_2$-molecuul.
       • Teken een tweede vishaak van de Cl-Cl binding naar datzelfde chlooratoom.
       • Teken een derde vishaak van de Cl-Cl binding naar het andere chlooratoom.
     • Resultaat: Hierbij ontstaat een chloormethaan-molecuul ($CH_3Cl$) en een nieuw chloorradicaal ($Cl\cdot$). Dit nieuwe chloorradicaal kan de ketenreactie voortzetten.

3. Terminatie (Beëindigingsfase)

   • De kettingreactie stopt wanneer twee radicalen met elkaar reageren en een stabiel, niet-radicaal molecuul vormen. Hierdoor zijn er geen vrije radicalen meer om de reactie voort te zetten.
   • Vishaken weergave: Je tekent twee radicalen. Van elk radicaal teken je een vishaak van het ongepaarde elektron naar de plek waar de nieuwe binding gevormd wordt.
   • Mogelijke terminatiereacties:
     • Twee chloorradicalen reageren: $Cl\cdot + Cl\cdot \rightarrow Cl_2$
     • Twee methylradicalen reageren: $CH_3\cdot + CH_3\cdot \rightarrow C_2H_6$ (ethaan)
     • Een chloorradicaal en een methylradicaal reageren: $Cl\cdot + CH_3\cdot \rightarrow CH_3Cl$ (chloormethaan)

Het correct weergeven van de vishaken is cruciaal voor het begrijpen en visualiseren van de elektronenbeweging in radicaalmechanismen.