Nucleophile Substitution

Nucleophile und Elektrophile Teilchen – Definition

Nucleophile Teilchen

Nucleophile Teilchen besitzen eine negative Teilladung oder eine negative Ladung. Sie interagieren mit Molekülen, die eine geringe Elektronendichte aufweisen. Das heißt, sie bilden Wechselwirkungen mit Molekülen aus, die eine positive Teilladung oder eine positive Ladung haben. Somit kann es zur Bildung einer Bindung kommen.

Bei nucleophilen Teilchen handelt es sich häufig um ungesättigte Kohlenwasserstoffe (zum Beispiel Alkene, Alkine oder Aromaten). Ihr Bestreben ist es, Elektronen abzugeben.

Elektrophile Teilchen

Im Gegensatz zu nucleophilen Teilchen besitzen elektrophile Teilchen eine positive Teilladung oder eine positive Ladung. Sie treten mit Molekülen in Wechselwirkung, die eine hohe Elektronendichte aufweisen. Dies sind Moleküle mit Mehrfachbindungen oder freien Elektronenpaaren.

Mechanismus der Nucleophilen Substitution

Es gibt mehrere Varianten der nucleophilen Substitution: die S_N1 und die S_N2-Reaktion. Die Buchstaben "S" und "N" stehen als Abkürzung für die "nucleophile Substitution" und die Zahlen am Ende stehen für die Anzahl der beteiligten Reaktionspartner am ersten geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Reaktion.

Bei der S_N1-Reaktion ist somit nur ein Teilchen beteiligt (mono- oder unimolekular) und bei der S_N2-Reaktion sind es zwei Teilchen (bimolekular).

Bei der nucleophilen Substitution wird die polare Bindung zwischen einem Kohlenstoffatom und dem elektronegativeren Substituenten X einer Kohlenstoffverbindung (meist ein Halogenalkan) gelöst. Dabei tritt ein Anion X^- (negativ geladenes Teilchen) aus der Verbindung. Dieses wird mit einem eintretenden nucleophilen Teilchen ersetzt.

Bei dieser Reaktion handelt es sich meistens um eine Gleichgewichtsreaktion, die also rückgängig gemacht werden kann.

Mechanismus der S_N1-Reaktion

Halogenatome sind stärker elektronegativ als Kohlenstoffatome. Daraus ergibt sich für Halogenalkane eine ungleiche Ladungsverteilung zwischen dem Kohlenstoff- und dem Halogenatom. Das Bindungselektronenpaar wird dabei stark von dem Halogenatom an sich gezogen, da dieses elektronegativer ist.

Das Kohlenstoffatom in der Bindung ist daher positiv (δ⁺) und das Halogenatom negativ (δ^-) polarisiert.

In der allgemeinen Schreibweise kann das Halogen in einem Halogenalkan als X beschrieben werden. Dabei steht das X für eines der Halogene Fluor, Chlor, Brom oder Iod.

RH₂C–X

(X = F, Cl, Br, I)

Die S_N1-Reaktion verläuft in zwei aufeinanderfolgenden, durch unterschiedliche Geschwindigkeiten gekennzeichneten Schritte.

Die Kohlenstoff-Halogen-Bindung (C-X) wird ohne Einfluss des Nucleophils heterolytisch gespalten. Das bedeutet, dass die zwei Bindungspartner gespalten werden, wobei die Bindungselektronen bei einem der Partner bleiben und nicht aufgeteilt werden.

Es bildet sich durch Abspaltung ein Zwischenstoff, das Carbokation (Molekül mit einem positiv geladenem C-Atom), sowie ein Halogenidion (X^-). Das Carbokation reagiert anschließend mit dem Nucleophil zum Substitutionsprodukt (R-Nu). Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist die spontane Spaltung der Kohlenstoff-Halogen-Bindung (Heterolyse).

Der zweite Schritt verläuft, wie alle Ionenreaktionen, sehr schnell. Am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt ist nur das Halogenalkan (Substrat) beteiligt, die Reaktionsgeschwindigkeit ist somit nur von der Konzentration des Halogenalkans abhängig. Deshalb ist dies eine unimolekulare Substitutionsreaktion (S_N1).

Stereochemie

Bei der S_N1-Reaktion findet der nucleophile Angriff bei einem planaren Zwischenprodukt statt. Aus diesem Grund kann der Angriff durch das Nucleophil von beiden Seiten des Moleküls erfolgen. Das führt dazu, dass es zwei Reaktionsprodukte gibt. Die Produkte verhalten sich wie Bild und Spiegelbild zueinander. Der Begriff, der in der Stereochemie für dieses Phänomen verwendet wird, ist Enantiomer.

Carbeniumionen

In der organischen Chemie sind Carbeniumionen positiv geladenen Kohlenstoffatome, die Teil eines Kohlenwasserstoffmoleküls sind. Der Begriff Carbokation, der oben bereits erwähnt wurde, ist ein Oberbegriff des Carbeniumions. Denn es gibt sowohl Carbokationen mit fünf als auch mit drei Substituenten. Ein Carbeniumion enthält einen dreibindigen Kohlenstoff, also ein Kohlenstoffatom, welches drei Substituenten gebunden hat.

Bei der S_N1-Reaktion entsteht am häufigsten das Produkt, dessen Carbeniumion am stabilsten ist. Die möglichen Carbeniumionen stehen während der Reaktion in Konkurrenz. In der folgenden Reihe siehst Du die verschiedenen möglichen Carbeniumionen sortiert nach ihrer Stabilität.

Je stabiler das Carbeniumion, desto eher entsteht dieses bei der S_N1-Reaktion. Am stabilsten sind benzylische Carbeniumionen. Bei diesen Carbeniumionen ist das sp²-hybridisierte positiv geladene Kohlenstoffatom mit einem aromatischen Ring verbunden. Deshalb können die π-Elektronen des Aromaten in das p_z-Orbital des positiven Kohlenstoffatoms treten und so die positive Ladung "ausgleichen". Es ist also über Mesomerie stabilisiert.

Das nächste stabile Carbeniumion in der Reihe ist das allylische Carbeniumion. Hier ist das sp²-hybridisierte positiv geladene Kohlenstoffatom mit einer C=C-Doppelbindung verbunden. Die Kohlenstoffatome der Doppelbindung sind ebenfalls sp²-hybridisiert und die π-Elektronen der Doppelbindung können auch hier in das p_z-Orbital des positiven Kohlenstoffatoms treten und so die positive Ladung "ausgleichen". Es ist daher ebenfalls über Mesomerie stabilisiert.

Das tertiäre Carbeniumion ist sehr stabil, da die positive Ladung durch den +I-Effekt der drei Alkylgruppen etwas ausgeglichen wird. Sekundäre Carbeniumionen sind weniger stabil und primäre Carbeniumionen noch weniger. Am geringsten ist die Stabilität bei Methylkationen, da hier gar keine +I-Effekte auftreten.

Mechanismus der S_N2-Reaktion

Dies ist der zweite mögliche Mechanismus der nucleophilen Substitution. Dieser unterscheidet sich von der S_N1-Reaktion darin, dass kein Zwischenprodukt entsteht und nur ein Übergangszustand durchlaufen wird. Dabei bildet das Substrat R-X in einem Übergangszustand eine Wechselwirkung zum angreifenden Nucleophil aus.

Gleichzeitig wird die Bindung des Moleküls zum Halogens X geschwächt und Elektronendichte wird abgezogen. So ergibt sich eine Art "fünfbindiger" Übergangszustand in dieser Form der nucleophilen Substitution. Dieser eine Schritt ist auch der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Hier sind jedoch sowohl das Substrat R-X, als auch das Nucleophil, beteiligt.

Halogenalkane reagieren oft mit Verbindungen, die ein freies Elektronenpaar haben. Entscheidend für die Reaktivität ist dabei, dass es einen Elektronegativitätsunterschied zwischen dem Halogen und dem Kohlenstoffatom gibt.

Das angreifende Reagenz ist bei der Reaktion das Nucleophil. Es erfolgt ein nucleophiler Rückseitenangriff. Das Nucleophil bindet sich an das Halogenalkan, wobei das Halogen als Abgangsgruppe (Nucleofug) abgespalten wird.

Nucleophile Substitutionen kommen nicht nur bei Halogenalkanen, sondern auch bei anderen Verbindungen vor. Es handelt sich dabei um eine Gleichgewichtsreaktion. Die Lage des Gleichgewichts ist unter anderem von der Art des Nucleophiles, der Abgabegruppe und dem Lösungsmittel abhängig.

Stereochemie

Bei der S_N2-Reaktion gibt es aufgrund der Tatsache, dass der nucleophile Angriff immer von der Rückseite des Moleküls stattfindet, nur ein Reaktionsprodukt. Des Weiteren kommt es grundsätzlich zu einer Inversion der angegriffenen Stereozentren, da das Molekül immer nur von der entgegengesetzten Seite der Abgangsgruppe angegriffen werden kann. Die Abgangsgruppe wird sozusagen durch das Nucleophil aus dem Molekül rausgedrückt und das Molekül klappt um, wie ein Regenschirm im Wind.

Nucleophile Substitution – SN1- oder SN2-Reaktion: einfach erklärt

Die S_N1- und die S_N2-Reaktion konkurrieren miteinander. Je nach Umgebungsbedingungen oder Ausgangsstoff läuft jedoch bevorzugt entweder die S_N1- oder die S_N2-Reaktion ab.

Begünstigende Faktoren für die S_N1-Reaktion

• Protische Lösungsmittel: Durch polare protische Lösungsmittel wird das im Zwischenschritt gebildete Carbokation stabilisiert. Das polare Lösungsmittel kann das positiv geladene Carbokation stabilisieren, während die abgegebenen Protonen besonders gut die Abgangsgruppe stabilisieren. Es werden also alle Zwischenprodukte deutlich stabilisiert.

• Stabilität des Carbokations: Das gebildete Carbokation wird durch den positiven induktiven Effekt (+I-Effekt) von den Alkylgruppen, die um das C-Atom liegen, stabilisiert. Die positive Ladung des Carbokations kann ebenfalls durch Mesomerie über mehrere C-Atome verteilt und somit stabilisiert werden (+M-Effekt). Durch den +M-Effekt wird die Elektronendichte des mesomeren Systems stärker erhöht als durch den +I-Effekt.

Begünstigende Faktoren für die S_N2-Reaktion

• Aprotisches Lösungsmittel: Es kommt zu polaren Dipol-Dipol Wechselwirkungen zwischen dem Übergangszustand und dem Produkt.

• Starkes Nucleophil: Da das Nucleophil am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt beteiligt ist, wird die S_N2-Reaktion bevorzugt, wenn ein starkes Nucleophil vorhanden ist. Starke Basen sind in der Regel starke Nucleophile. Ein Hydroxid-Ion ist zum Beispiel ein stärkeres Nucleophil als Wasser, da es eine höhere Basizität aufweisen. Ist die Base jedoch stark sterisch gehindert, sinkt ihre Nucleophilie, da sie nicht mehr gut nucleophil angreifen kann.

• Stabilität der Abgangsgruppe: Je stabiler das Halogenidion, welches abgespalten wird ist, desto schneller läuft die Reaktion ab. Aufgrund der hohen Elektronegativität ist Fluorid das stabilste Halogenid, gefolgt von Chlorid, Bromid und Iodid.

Nucleophile Substitution am Aromaten

Mechanismus der S_NAr-Reaktion

Eine S_N1- sowie S_N2-artige Reaktion bei den Aromaten ist nicht möglich, da einerseits das entstehende Zwischenprodukt nicht stabil wäre bzw. andererseits die Reaktion strukturell nicht stattfinden könnte.

Die nucleophile aromatische Substitution kann daher nicht über einen einstufigen Mechanismus erfolgen. Aus diesem Grund gibt es verschiedene Substitutionsmechanismen:

• Addition eines Nucleophils und anschließende Abspaltung der Abgangsgruppe (Additions-Eliminierungs-Mechanismus)

• Abspaltung der Abgangsgruppe und anschließende Addition des Nucleophils (Eliminierungs-Additions-Mechanismus)

• Unimolekulare "Abspaltung" der Abgangsgruppe und anschließendes Abfangen des gebildeten reaktiven Arylkations durch ein Nucleophil (Substitution über ein Aryl-Kation).

Additions-Eliminierungs-Mechanismus

Die nucleophile aromatische Substitution erfolgt oft als Additions-Eliminierungs-Mechanismus. Der Mechanismus verläuft allgemein bimolekular (das heißt mit zwei Molekülen). Die Elektronendichte am Aromaten muss dabei durch passende Substituenten verringert werden.

Jenes Molekül, das abgegeben wird (Abgangsgruppe), muss ein stabiles Anion oder ungeladenes Molekül bilden können, da es die Bindungselektronen aus dem aromatischen System an sich bindet.

Eliminierungs-Additions-Mechanismus

Beim Eliminierungs-Additions-Mechanismus wird ein Arin als Zwischenstufe gebildet (Aromatisches System mit einer Dreifachbindung). Der Mechanismus über eine Arin-Zwischenstufe konkurriert dabei mit dem Mechanismus einer Additions-Eliminierungs-Reaktion.

Dabei entscheiden unter anderem die Reaktionsbedingungen und die Substituenten (am Aromaten) darüber, welcher der beiden Mechanismen bevorzugt abläuft. Es kommt beispielsweise darauf an, ob eine Base vorhanden ist, um was für eine Abgangsgruppe es sich handelt und welche Substituenten vorliegen.

Mono- beziehungsweise Unimolekulare Nucleophile Substitution am Aromaten

Diese Art der nucleophilen Substitution ist viel seltener als die bimolekulare nucleophile aromatische Substitution (Reaktion mit zwei Reaktionspartnern im ersten Schritt).

Im ersten Schritt wird die Abgangsgruppe abgespalten und es kommt zur Bildung eines Arylkations. Diese Reaktion kann nur stattfinden, weil das Diazoniumkation sehr reaktiv ist und sehr stabiler Stickstoff abgespalten wird. Im zweiten Schritt reagiert das Aryl-Kation mit einem Nucleophil. Diese Art von Substitution findet man bei Umsetzungen von Diazoniumsalzen in wässrigen Lösungen. Es handelt sich also um eine S_N1-artige Reaktion.

$$\begin{gathered} 1.\mathrm{Schritt}:\mathrm{Ar}-{\mathrm{N}}_2^{+}\to {\mathrm{Ar}}^{+}+{\mathrm{N}}_2 \\ 2.\mathrm{Schritt}:{\mathrm{Ar}}^{+}+{\mathrm{Nu}}^{-}\to \mathrm{Ar}-\mathrm{Nu} \end{gathered}$$