Nebenreaktion

Eine Nebenreaktion ist eine chemische Reaktion, die zur selben Zeit wie die eigentliche Hauptreaktion abläuft, aber in geringerem Ausmaß. Sie führt zur Bildung von Nebenprodukt, wodurch die Ausbeute an Hauptprodukt verringert wird:[1]

${\displaystyle \mathrm {A+B\ {\xrightarrow {k_{1}}}\ P_{1}} }$

${\displaystyle \mathrm {A+C\ {\xrightarrow {k_{2}}}\ P_{2}} }$

Dabei ist P₁ das Hauptprodukt, wenn k₁ > k₂ (Geschwindigkeitskonstanten). Das Nebenprodukt P₂ ist zudem in der Regel unerwünscht und muss (meist aufwändig) vom eigentlichen Hauptprodukt abgetrennt werden.

In der organischen Synthese

In o. g. Gleichung repräsentieren B und C meist unterschiedliche Verbindungen. Es kann sich bei ihnen jedoch auch um unterschiedliche Positionen in einem Molekül handeln; Verbindungen, die an unterschiedlichen Positionen reagieren können, werden ambident oder ambifunktionell genannt.

Eine Nebenreaktion wird auch bezeichnet als:

• Konkurrenzreaktion,[2] wenn verschiedene Verbindungen (B, C) um einen anderen Reaktanten (A) konkurrieren
• Parallelreaktion[3] (vor allem in der Kinetik, s. u.), wenn sie ähnlich häufig abläuft wie die Hauptreaktion.

Thermo­dynamisches Produkt (orange) und
kinetisches Produkt (grün),
jeweils mit ihren Aktivierungs­energien E_a

Es können auch kompliziertere Verhältnisse vorliegen. So könnte Verbindung A reagieren:

• zu Stoff B reversibel, aber schnell (mit Geschwindigkeit k₁) oder
• zu Stoff C irreversibel (da C thermodynamisch sehr stabil ist), aber langsam (mit k₂ << k₋₁ < k₁):

${\displaystyle \mathrm {B\ \rightleftharpoons \ A\ {\xrightarrow {k_{2}}}C} }$

In diesem Fall wäre B das kinetische und C das thermodynamische Produkt der Reaktion (siehe auch hier).[4][5][6] Man spricht von:

• kinetischer Kontrolle, wenn die Reaktion bei niedrigen Temperaturen durchgeführt und nach kurzer Zeit abgebrochen wird; in erster Linie bildet sich das kinetische Produkt B.
• thermodynamischer Kontrolle, wenn die Reaktion bei hoher Temperatur und für lange Zeit durchgeführt wird (dann steht die notwendige Aktivierungsenergie für die Reaktion zu C zur Verfügung); über die Zeit wird zunehmend das thermodynamische Produkt C gebildet.

Bedingungen für Nebenreaktionen

In der organischen Synthese führt eine erhöhte Temperatur meist zu mehr Nebenprodukten. Da diese i. d. R. unerwünscht sind, werden niedrige Temperaturen („milde Bedingungen“) gewählt. Das Verhältnis zwischen konkurrierende Reaktionen kann i. d. R. durch eine Veränderung der Temperatur beeinflusst werden, da deren Aktivierungsenergien meist unterschiedlich sind: Reaktionen mit hoher Aktivierungsenergie werden durch eine Erhöhung der Temperatur stärker beschleunigt als solche mit niedriger Aktivierungsenergie.

Auch die Lage des Gleichgewichts ist temperaturabhängig.[7]

Nachweisreaktionen können durch Nebenreaktionen verfälscht werden.

Kinetik

Nebenreaktionen werden auch in der Reaktionskinetik beschrieben, einem Teilgebiet der physikalischen Chemie. Nebenreaktionen werden als komplexe Reaktion verstanden, da die Gesamtreaktion (Hauptreaktion + Nebenreaktion) sich aus mehreren (wenigstens zwei) Elementarreaktionen zusammensetzt.[8]

Andere komplexe Reaktionen sind u. a.:[9]

• Konkurrenzreaktionen
• Parallelreaktionen
• Folgereaktionen
• Kettenreaktionen
• reversible Reaktionen.

Wenn eine Reaktion deutlich schneller als die andere abläuft (k₁ > k₂), so wird diese (k₁) als Hauptreaktion bezeichnet und die andere (k₂) als Nebenreaktion.

Wenn beide Reaktionen etwa gleich schnell ablaufen (k₁ ≅ k₂), wird von Parallelreaktionen gesprochen.[3]

Wenn die Reaktionen ${\displaystyle \mathrm {A+B\ {\xrightarrow {k_{1}}}\ P_{1}} }$ und ${\displaystyle \mathrm {A+C\ {\xrightarrow {k_{2}}}\ P_{2}} }$ irreversibel ablaufen (d. h. ohne Rückreaktion), dann entspricht das Verhältnis von P₁ und P₂ der relativen Reaktivität von B und C gegenüber A:

${\displaystyle \mathrm {{\frac {[P_{1}]}{[P_{2}]}}={\frac {k_{1}[B]}{k_{2}[C]}}} }$

Einzelnachweise

1. side reaction auf merriam-webster.com. Abgerufen am 30. August 2015 (englisch). 
2. Konkurrenzreaktion auf chemgapedia.de. Abgerufen am 30. August 2015. 
3. 4. Kinetik und Katalyse. (PDF) Abgerufen am 30. August 2015. 
4. Kinetische und thermodynamische Kontrolle von chemischen Reaktionen auf Chemgapedia.de. Abgerufen am 6. Dezember 2015. 
5. John Gilbert, Stephen Martin: Experimental Organic Chemistry: A Miniscale and Microscale Approach. 2010, ISBN 978-1-4390-4914-3, S. 445 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
6. Robert G. Mortimer: Physical Chemistry. Academic Press, 2008, ISBN 978-0-08-087859-1 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
7. Klaus Schwetlick: Organikum. 23. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2009, ISBN 978-3-527-32292-3, S. 156. 
8. Komplexe Reaktionen auf spektrum.de. Abgerufen am 30. August 2015. 
9. Claus Czeslik, Heiko Seemann, Roland Winter: Basiswissen Physikalische Chemie. Vieweg+Teubner, 2010, ISBN 978-3-8348-9359-8, S. 280–291 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).