Alkanların yer değiştirme (Sübstitüsyon) tepkimeleri (Radikalik)

Question

Alkanlarla halojenlerin tepkimesinde güneş ışığı etkisiyle radikaller oluşuyor ama bu radikallerin nasıl bir mekanizmayla reaksiyona girdiğini tam anlayamadım. Özellikle zincir tepkimesinin başlama, yayılma ve sonlanma adımlarını zihnimde canlandırmakta zorlanıyorum.

Answer 1

# Alkanların Yer Değiştirme (Sübstitüsyon) Tepkimeleri (Radikalik) - Ders Notu

🔬 Konu: Alkanlarda Radikalik Yer Değiştirme (Sübstitüsyon) Tepkimeleri

Bu ders notunda, alkanların karakteristik tepkimelerinden biri olan radikalik halojenlenme (yer değiştirme) mekanizmasını inceleyeceğiz. Alkanlar doymuş hidrokarbonlar oldukları için katılma tepkimesi vermezler; bunun yerine yer değiştirme (sübstitüsyon) tepkimelerine girerler.

📌 Temel Prensip

Radikalik halojenlenmede, bir alkan molekülündeki bir hidrojen atomu, bir halojen atomu (genellikle Cl₂ veya Br₂) ile yer değiştirir. Bu tepkime, ışık (hv) veya ısı ile başlatılır ve radikal zincir mekanizması ile ilerler.

⚡ Tepkime Genel Formülü

R-H + X₂ → R-X + H-X (X: Cl, Br)

Örnek: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

🧪 Radikalik Halojenlenme Mekanizması (3 Aşama)

1. 🌀 Başlatma Aşaması (Initiation)

Kovalent bağın homolitik olarak kırılmasıyla serbest radikaller oluşur.

• Cl₂ → 2 Cl• (ışık veya ısı ile)
• Bağ kırılması için gereken enerji: UV ışını veya ~250-400°C ısı.

2. 🔁 Yayılma Aşaması (Propagation)

Radikallerin nötr moleküllerle etkileşerek yeni radikaller oluşturduğu zincir reaksiyonlarıdır.

• Adım 1: Cl• + CH₄ → •CH₃ + HCl
• Adım 2: •CH₃ + Cl₂ → CH₃Cl + Cl•

Oluşan Cl• tekrar 1. adıma döner ve zincir reaksiyonu devam eder.

3. 🛑 Sonlanma Aşaması (Termination)

Radikallerin birleşerek nötr moleküller oluşturmasıyla zincir sonlanır.

• Cl• + Cl• → Cl₂
• •CH₃ + •CH₃ → CH₃-CH₃ (etan)
• •CH₃ + Cl• → CH₃Cl

🎯 Reaktivite ve Seçicilik Kuralları

📊 Hidrojen Türlerine Göre Reaktivite Sırası

Radikalik halojenlenmede H atomunun kopma kolaylığı: 3° > 2° > 1° > CH₄

• 3° hidrojen (tertiyer): En kolay yer değiştirir (radikal kararlılığı en yüksek).
• CH₄ hidrojeni: En zor yer değiştirir.

⚠️ Klorlama vs. Bromlama Farkı

• Klorlama (Cl₂): Daha az seçicidir, ısıyla kolayca gerçekleşir. Ürün karışımı oluşur.
• Bromlama (Br₂): Daha seçicidir, sadece kararlı 3° ve 2° radikaller oluşturan bileşiklerle tepkimeye girer. Işık veya yüksek sıcaklık gerekir.

🧮 Önemli Matematiksel İlişki

Bir bileşikteki farklı türdeki hidrojenlerin bağıl reaktivitesi:

\( \text{Reaktivite} = \frac{\text{Ürün miktarı} / \text{Hidrojen sayısı}}{\text{Referans ürün miktarı} / \text{Referans hidrojen sayısı}} \)

Örnek: Propanın klorlanmasında 1° ve 2° hidrojen reaktivite oranı yaklaşık 1:3.8'tir.

💡 Pratik Uygulama ve Uyarılar

• ✅ Tepkime kontrolsüz ilerlerse poli halojenlenmiş ürünler (CH₂Cl₂, CHCl₃, CCl₄) oluşabilir.
• ✅ Laboratuvarda kontrol edilen şartlar ve reaktan oranları kullanılmalıdır.
• ✅ Endüstride metanın klorlanmasıyla çözücü ve soğutucu olarak kullanılan klorlu bileşikler üretilir.
• ❌ Flor (F₂) çok patlayıcı, iyot (I₂) ise çok yavaş tepkime verir.

📚 Özet Tablo: Radikalik Halojenlenme

Mekanizma: Radikal zincir
Başlatıcı: Işık (hv) veya ısı
En Yaygın Reaktifler: Cl₂ ve Br₂
Seçicilik: Brom > Klor
Önem: Endüstriyel sentezlerin temel mekanizmalarından biri

Bu konuyu tam anlamak için radikal kararlılık sıralamasını (3°>2°>1°>metil) ve zincir reaksiyonu dinamiklerini iyi kavramak gereklidir. Bir sonraki konumuz, alkanların yanma ve parçalanma (kraking) tepkimeleri olacaktır.