Abiturwissen Chemie Oberstufe/Organische Chemie/NucleophileSubstitution
Allgemeines:
- Die Nucleophile Substitution ist eine Reaktion aus der organischen Chemie bei der ein Nucleophil1 mit einer organischen Verbindung reagiert und das in der Verbindung erhaltene elektronenziehendes Heteroatom2 ersetzt.
- Die Reaktion wird meistens in einem Lösungsmittel durchgeführt und die Polarität der Lösung beeinflusst die Reaktionsgeschwindigkeit.
- Die zwei bekannteren Mechanismen der Nucleophilen Substitution (SN1 und SN2) sind die jeweiligen Extremfälle der Reaktion. Es gibt auch noch den Spezialfall SNi.
- SN steht jeweils für Nucleophile Substitution und 1 oder 2 bedeutet, dass der Mechanismus monomolekular oder bimolekular ist. Also ob eines oder beide der Moleküle die Geschwindigkeit beeinflussen.
Die allgemeine Reaktionsgleichung:
R-X : Halogenalkan
Nu- : Nucleophil
R-Nu : Produkt der Substitution
X- : Halogenid
Reaktionsverlauf von SN1 und SN2:
Allgemeiner Ablauf der SN1 (zweischrittig) :
Schritt 1:
- Die Bindung vom Halogen (X: besitzt negative partielle Ladung) und der partiell positiv geladenen Abgangsgruppe wird geschwächt und löst sich schließlich heterolytisch 3(für das X).
- Dabei entsteht ein Carbokation
Schritt 2:
- Die partiell positiv geladene Restegruppe (R) wird durch das Nucleophil entweder von oben oder unten angegriffen
- Die Wahrscheinlichkeiten der Angriffsorte liegen bei 50/50
- Wenn sich ein 1:1 Gemisch aus beiden Produkten bildet nennt man es Racemat
Allgemeiner Ablauf der SN2 (einstufig/fließend) :
Einziger Schritt:
- Das Nucleophil greift immer gegenüberliegend von dem Halogen (X) die Restegruppe an (da das ebenfalls negativ geladene X ihm sonst den Weg versperren würde)
- Durch die Bindung des Nucleophils entsteht eine Wechselwirkung, die die Bindung der Restegruppe zur Abgangsgruppe (X) schwächt
- Die Bindung löst sich heterolytisch (das X bekommt beide Elektronen)
Vergleich von SN1 und SN2:
| SN1 | SN2 | |
| Kinetik | V = k * c(Substrat)
--> Geschwindigkeit nur abhängig von Substrat |
V= k * c(Substrat) * c(Nucleophil)
--> Geschwindigkeit von beiden Molekülen abhängig |
| Reaktion mit primärem Substrat4 | Niemals (Ausnahme: stabilisierende Gruppen) | Sehr gut (Ausnahme: sterisch gehinderte Nucleophile) |
| Reaktion mit sekundärem Substrat | moderat | moderat |
| Reaktion mit tertiärem Substrat | Sehr gut | Niemals |
| Bevorzugtes Lösungsmittel | Polar protisch5 | Polar aprotisch |
| Abgangsgruppe für Reaktion | wichtig | wichtig |
| Nucleophilie für Reaktion | unwichtig | wichtig |
| Umlagerung passiert | häufig | selten |
| Eliminierung passiert | Meistens (besonders bei basischen Nucleophilen) | Nur mit Hitze und basischem Nucleophil |
--> Im Experiment kann man die Mechanismen anhand ihrer Reaktivität bei unterschiedlichen Substraten unterscheiden
Konkurrenz:
- Die beiden Mechanismen SN1 und SN2 stehen in Konkurrenz zueinander
- Sie sind die beiden Extremfälle der Nucleophilen Substitution und die Reaktion kann auch an einer Stelle im fließenden Übergang zwischen ihnen stattfinden
- Nach welchem Mechanismus die Reaktion abläuft hängt von mehreren Faktoren ab (Struktur der Verbindung, Art des Lösungsmittels sowie Reaktivität und Konzentration des Nucleophils)
Glossar:
Nucleophil1 : ein (partiell) negatives Atom (Anionen oder Moleküle mit vielen freien Elektronenpaaren)
Heteroatom2 : Bezeichnung für alle Atome außer Wasserstoff und Kohlenstoff (z.B Sauerstoff)
Heterolytisch3: Bei der Auflösung einer Bindung erhält ein ehemaliger Bindungspartner beide Bindungselektronen (Gegenteil von homolytischer Spaltung: Beide ehemaligen Partner erhalten ein Elektron)
Substrat4 : ist hier das Molekül das mit dem Halogen verbunden ist (primär heißt, dass an dem Kohlenstoff der C-X –Bindung ein weiteres C-Atom und 2 Wasserstoffatome hängen, Sekundär = 2 C-Atome an C-X)
Protisches Lösungsmittel5 : besitzen eine funktionelle Gruppe, die ermöglicht Wasserstoffatome als Protonen abzuspalten (Dissoziation), Gegenteil von aprotischen Lösungen
