Bei der radikalische Substitution handelt es sich um eine Substitutionsreaktion. Das bedeutet, dass mindestens ein Atom in einem Molekül durch ein anderes ersetzt wird. Das Besondere an der radikalischen Substitution ist, dass sie über Radikale abläuft.
Bei radikalischen Substitutionen werden dabei speziell Wasserstoffatome an sp3-substituierten Kohlenstoffatom durch Halogene oder Sauerstoff-Atome ersetzt.
Dieser Reaktionsmechanismus aus der organischen Chemie findet in drei Schritten statt.
Startreaktion (Radikalbildung)
Kettenfortpflanzung
Kettenabbruch
Im Folgenden wird die radikalische Substitution anhand der Chlorierung von Methan (Halogenierung eines Alkans) veranschaulicht.
Startreaktion
Damit die radikalische Substitution ablaufen kann, müssen Radikale vorhanden sein.
Radikale entstehen durch homolytische Spaltung einer kovalenten Bindung. Die homolytische Spaltung beschreibt einfach die Trennung einer kovalenten Bindung, sodass beide Spaltprodukte danach ein ungepaartes Elektron besitzen.
Eine homolytische Spaltung kann durch Licht oder Wärme herbeigeführt werden.
Kettenreaktion
Nachdem die Chlor-Radikale gebildet sind, reagieren sie mit dem Methan, dabei entsteht ein Chlorwasserstoff und ein Methylradikal. Da bei dieser Reaktion immer wieder ein Radikal entsteht, kann die Reaktion immer wieder ablaufen. Man nennt das auch eine Kettenreaktion.
Im nächsten Schritt reagiert das Methylradikal beispielsweise mit einem Chlor-Molekül zu Chlormethan und einem Chlor-Radikal.
Diese Reaktionen laufen so lange ab, bis nur noch wenige Chlormoleküle vorhanden sind. An diesem Punkt der Reaktion ist die Konzentration der Radikale so sehr angestiegen, das immer häufiger zwei Radikale aufeinander treffen. Darauf folgt die letzte Phase.
Kettenabbruch
In der letzten Phase treffen hauptsächlich Radikale aufeinander, dabei entstehen keine neuen Radikale. Dadurch gibt es irgendwann keine Radikale mehr, die Reaktion ist zu einem Stopp gekommen.
Während der Abbruchs-Reaktion können neben den erwünschten Produkten auch Nebenprodukte entstehen.
Bei der Chlorierung von Methan beispielsweise soll ausschließlich chloriertes Methan entstehen, allerdings kann auch Ethan entstehen.
Die Radikalische Substitution wird hauptsächlich verwendet, um halogenierte Alkane herzustellen.
