Abiturwissen Chemie Oberstufe/Organische Chemie/NucleophileSubstitution

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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