Nucleophile Substitution

Die nucleophile Substitution kann auf zwei Weisen erfolgen. Welcher der beiden Reaktionsmechanismen abläuft hängt von der Struktur der Verbindungen, an das sich das Nucleophil anlagert, der Art des Nuceophils und dem Lösungsmittel ab.

SN1- Reaktion

Die erste Form der nucleophilen Substitution wird als SN1- Mechanismus bezeichnet. Diese Reaktion erfolgt in zwei Schritten. Im ersten Schritt wird ein Ligand vom bestehenden Molekül abgespalten, unter Mitnahme beider Bindungselektronen. Dieser Schritt bestimmt die Reaktionsgeschwindigkeit, da die Abspaltung des Liganden nur sehr langsam erfolgt. Die Produkte dieses Reaktionsschritt sind zum einen der negativ geladene Ligand (als Ion) und das positiv geladene Carbenium- Ion [Zwischenstufe].

Im zweiten Reaktionsschritt lagert sich ein Nucleophil an das Carbenium- Ion an und es entsteht eine entsprechende Verbindung mit dem Nucleophil als Substituenten.

 Beispiel: Herstellung von 2- Methyl- 2- propanol aus 2- Methyl- 2- propaniodid

 

Im ersten Schritt wird das Iod unter Mitnahme beider Bindungselektronen vom Molekül abgespalten. Dabei entsteht ein negativ geladenes Iodid- Ion und ein positiv geladenes Carbenium- Ion [Zwischenstufe]. Der Elektronenmangel des Kohlenstoffatoms kann durch den dreifach positiven induktiven Effekt der Methyl- Gruppen ausgeglichen werden, dadurch wird das Carbenium- Ion stabilisiert. Im nächsten Reaktionsschritt lagert sich das OH-Ion an das positiv geladene Carbenium- Ion an und es entsteht 2- Methyl- 2- propanol.

 

Beim SN1- Mechanismus bildet sich immer eine Zwischenstufe, welche zum Teil sehr stabil sein können (wie im Falle des obigen Beispiels) da der Elektronenmangel durch den positiven induktiven Effekt der Substituenten ausgeglichen werden.

 

 

SN2- Reaktion

Bei, SN2- Mechanismus ist die Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration des Substrates und von der Konzentration des Nucleophils abhängig. Bei dieser Reaktion bildet sich kein Carbenium- Ion, sondern es existiert lediglich ein Übergangszustand, der sich durch die gleichzeitige Abspaltung des Liganden und der Anlagerung des Nucleophil ergibt. Auch bei diesem Mechanismus ist der erste Reaktionsschritt der bestimmende Faktor für die Reaktionsgeschwindigkeit.

Im ersten Reaktionsschritt lagert sich ein Nucleophil rückseitig an ein Substrat an. Daraus ergibt sich der Übergangszustand, der sich aus der gleichzeitigen Anlagerung des Nucleophils und der Abspatung des Liganden ergibt.

Im zweiten Reaktionsschritt, welcher sehr schnell abläuft wird nun die Bindung zwischen Substrat und Nucleophils ausgebildet und gleichzeitig wird die Bindung zwischen Ligand (unter Mitnahme beider Bindungselektronen) und Substrat gelöst. Durch die rüchseitige Anlagerung des Nucleophils müssen nun noch die Substituenten des Substrates „umklappen“ um die energetisch günstigste Raumstruktur zu erreichen. Einen solchen stereochemischen Ablauf bezeichnet man als Inversion oder auch als Walden’sche Umkehrung. Dies ist auch der wesentliche Unterschied zum SN1- Mechanismus.

Beispiel: Herstellung von Methanol aus Iod- methan

 

Im ersten Reaktionsschritt greift das Nucleophil [OH-] „rückseitig“ am positiv polarisierten Kohlenstoffatom an. Danach entsteht ein Übergangszustand bei dem sich die Bindung zwischen dem Iod und dem Kohlenstoff auflöst und gleichzeitig sich eine Bindung zwischen dem Nucleophil und dem Kohlenstoff- Atom ausbildet. Danach klappen die Wasserstoff- Atome, welche am Kohlenstoff- Atom gebunden sind um. Dadurch wird die energetisch günstigste Raumstruktur ausgebildet. Außerdem entsteht ein negativ geladenes Iod- Ion.

 

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