Nukleophile Substitution

Unter einer nukleophilen Substitution versteht man einen Reaktionsmechanismus in der organischen Chemie. Hierbei reagiert ein Nukleophil in Form einer Lewis-Base (Elektronendonator) mit einer organischen Verbindung vom Typ R-X (R bezeichnet einen Alkyl- oder Arylrest, X ein elektronenziehendes Heteroatom). Das Heteroatom wird dabei durch das Nukleophil ersetzt (→ Substitutionsreaktion).

Inhaltsverzeichnis

1 Allgemeine Kennzeichen 2 Edukte 2.1 Nukleophil 2.2 R-X 3 Mechanismen 3.1 SN1-Mechanismus 3.1.1 Kinetik 3.1.2 Stereochemie 3.2 SN2-Mechanismus 3.3 SNi-Mechanismus 4 Eliminierung als Konkurrenzreaktion 5 Beispiele 5.1 Substitution am Alkylkohlenstoff/Arylkohlenstoff 5.1.1 Sauerstoff als Nukleophil 5.1.2 Stickstoff als Nukleophil 5.1.3 Schwefel als Nukleophil 5.1.4 Halogenid als Nukleophil 5.1.5 Carbanionischer Kohlenstoff als Nukleophil 5.1.6 Phosphor als Nukleophil 5.1.7 Hydrid als Nukleophil 5.2 Substitution am Acylkohlenstoff 5.3 Öffnung von Oxiran-, Thiiran- und Aziridin-Ringen 6 Weiterführende Informationen

Allgemeine Kennzeichen

Nukleophile Substitutionsreaktionen werden meistens in Lösung durchgeführt. Dabei sind die Polarität des Lösungsmittels sowie auch die Substituenteneinflüsse in den Edukten von entscheidender Bedeutung für die Geschwindigkeit der Reaktion. Wenn das Lösungsmittel selbst der nukleophile Reaktionspartner ist, spricht man von einer Solvolyse.

Edukte

Nukleophil

Als Nukleophile können die verschiedensten Verbindungen eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um elektronenreiche, meist Atome mit freien Elektronenpaaren enthaltende Moleküle (siehe unten: Beispiele).

R-X

Das angegriffene Molekül R-X zeichnet sich durch eine ungleiche Verteilung der Elektronendichte aus, meist verursacht durch Halogene wie Chlor und Brom. Das benachbarte Kohlenstoffatom hat eine herabgesetzte Elektronendichte und ist somit positiv geladen. In folgenden Verbindungen kann das Heteroatom beziehungsweise die Heteroatom-haltige Gruppe durch ein Nukleophil substituiert werden:

• Alkylhalogenide: Alkylchloride und Alkylbromide
• Arylhalogenide: Arylchloride und Arylbromide
• Carbonsäurederivate, wie Chloride, Ester und Anhydride
• Oxiran-, Thiiran- und Aziridin-Ringe (→ Heterozykus)

Mechanismen

Nukleophile Substitutionen werden bei aliphatischen und aromatischenen Verbindungen beobachtet: Es gibt aliphatische nukleophile Substitutionen und aromatische nukleophile Substitutionen.

Darüber hinaus werden die Reaktionen aufgrund der Molekularität in verschiedene Gruppen eingeteilt. Das heißt, die Reaktionen werden danach eingeordnet, wie viele Moleküle am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Reaktion beteiligt sind. Die nachfolgend beschriebenen Mechanismen S_N1 und S_N2 sind als Extremfälle der nukleophile Substitution aufzufassen. Der Übergang dazwischen ist fließend.

Der S_Ni-Mechanismus ist ein Spezialfall, der vereinzelt diskutiert wird.

Aromatische nukleophile Substitutionen laufen meistens nach dem sogenannten Zwischenzustands-Mechanismus ab. Zusätzlich ist ein sogenannter Dehydrobenzol-Mechanismus bekannt.

S_N1-Mechanismus

S_N1 steht für eine nukleophile Substitution mit einem monomolekularen Mechanismus (ein Molekül ist am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt beteiligt). Der Reaktionsverlauf ist zweistufig.

Im ersten Schritt wird aus der Verbindung R-X die Gruppe X als Anion freigesetzt. Zurück bleibt ein Carbokation (R⁺). Danach erfolgt der Angriff des elektronenreichen Nukleophils unter Bildung des Produkts. Die Reaktion ist damit beendet.

Kinetik

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Stereochemie

Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt beim S_N1-Mechanismus ist die Bildung des planaren Carbokations. Die Konfiguration der Ausgangsverbindung wird dadurch aufgehoben.

Theoretisch ist nun der nachfolgende Angriff des Nukleophils von beiden Seiten möglich. Ein racemisches Produkt wäre die Folge, da der Angriff von der der austretenden Gruppe gegenüberliegenden Seite einen Konfigurationswechsel (Inversion), der von derselben Seite die Erhaltung der Konfiguration (Retention) zur Folge hätte.

Beobachtet wurden bei Reaktionen nach S_N1 jedoch alle stereochemischen Möglichkeiten von vollständiger Inversion bis zur Racemisierung.

S_N2-Mechanismus

Eine nukleophile Substitution mit einem bimolekularen Mechnismus wird kurz mit S_N2 bezeichnet und verläuft einstufig. Der nukleophile Angreifer(auch Nukleophil) nähert sich dem positiven Kern während alle an dieses C-Atom gebundenen Teilchen auf eine Ebene geklappt werden. Diesen Effekt bezeichnet man als Inversion oder Walden-Umkehr. In dem Maße, wie sich das Nukleophil dem Kern nähert, entfernt sich das substituierte Teilchen oder die substituierte Gruppe bis schließlich das substituierte Teilchen das Molekül verlässt.
Diese Substitution findet bevorzugt in unpolarer Lösung und an Kohlenstoffatomen mit kleinen unbeteiligten Bindungspartnern statt.
Beispiel:
C₂H₃Br + OH^- → C₂H₃OH + Br^-

S_Ni-Mechanismus

Die Gewinnung von Alkylchloriden durch nukleophile Substitution von Alkanolen mit Thionylchloriden erfolgt nach einem sogenannten S_Ni-Mechanismus.

Eliminierung als Konkurrenzreaktion

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Beispiele

Substitution am Alkylkohlenstoff/Arylkohlenstoff

Sauerstoff als Nukleophil

• Alkylchloride reagieren mit Hydroxid zu Alkoholen unter Freisetzung von Chlorid. Analog dazu reagieren chlorierte Aromaten zu Phenolen:

Bild:Nukl-subst-oh.png

• Alkylchloride reagieren mit Wasser zu protonierten Alkoholen und Chlorid (Hydrolyse):

Bild:Nukl-subst-h2o.png

• Aliphatische Ether und Phenolether können durch nukleophile Substitution von Chlorid durch Alkoholate an Alkyl- oder Arylchloriden gewonnen werden. Diese Reaktion wird auch als Williamson-Synthese bezeichnet.

Bild:Nukl-subst-ro.png

• Die Synthese von Estern erfolgt durch die Substitution von Chlorid durch Carbonsäuren:

Bild:Nukl-subst-roo.png

• Arylchloride reagieren mit Cyanat zu Arylcyanaten und Chlorid:

Bild:Nukl-subst-ocn.png

• Aromatische Sulfonsäuren reagieren in Alkalischmelzen zu Phenolen und Sulfit.

Stickstoff als Nukleophil

• Aliphatische primäre Amine entstehen durch den Austausch des Halogenids gegen die Aminogruppe (-NH₂). Diese Reaktion findet in Ammoniak als Lösungsmittel statt und wird auch als Ammonolyse bezeichnet.

• Zur Gewinnung sekundärer Amine wird die Reaktion nicht in Ammoniak sondern mit einem weiteren Amin als Lösungsmittel durchgeführt (→ Aminolyse).

• Tertiäre Amine entstehen durch die Umsetzung mit einem sekundären Amin, Tetraalkylammoniumsalze durch die Umsetzung mit einem tertiären Amin.

• Als Gabriel-Synthese wird die Reaktion bezeichnet, bei der ein Alkylchlorid oder -bromid mit Phtalimid umgesetzt wird:

Bild:Nukl-subst-gabriel.png

Schwefel als Nukleophil

• Die Reaktionen von Alkyl- und Arylhalogeniden mit Hydrogensulfid und Thiolaten führen analog zu denen mit den Sauerstoff-Homologen Hydroxid und Alkoholaten zu Thiolen und Thioethern.

• Mit Thioharnstoff reagieren Alkylhalogenide zu Isothiuronium-Salzen.

• Durch Substitution des Halogens mit Hydrogensulfit entstehen Sulfonsäuren.

Halogenid als Nukleophil

• Werden Alkyl- oder Arylchloride beziehungsweise -bromide mit einem Überschuss an Fluorid oder Iodid umgesetzt, entstehen aliphatische oder aromatische Fluoride oder Iodide. Die Reaktion mit Iodid wird als Finkelstein-Reaktion bezeichnet.

Carbanionischer Kohlenstoff als Nukleophil

Phosphor als Nukleophil

• Alkylchloride reagieren mit Alkyl- oder Arylphosphanen zum entsprechenden Phosphoniumsalz. Aus organischen Phosphoniumsalzen werden die Olefinierungsreagenzien für die Wittig-Reaktion gewonnen.

Bild:Nukl-subst-pr3.png

Hydrid als Nukleophil

• Alkane können durch Reaktion von Alkylhalogeniden mit Hydrid als Substituent hergestellt werden. Hydrid-Donator ist Lithiumaluminiumhydrid.

Bild:Nukl-subst-hydrid.png

Substitution am Acylkohlenstoff

Öffnung von Oxiran-, Thiiran- und Aziridin-Ringen

Weiterführende Informationen

Nukleophile, Elektrophilie, Namensreaktion, Kornblum-Regel

See also: Nukleophile Substitution, Aliphat, Alkane, Alkanol, Alkohol (Chemie), Alkoholat, Alkylchlorid, Alkylgruppe