Nukleophile Substitution

Die nukleophile Substitution ist eine chemische Reaktion, die eine Unterart der Substitutionsreaktion ist. Es wird dabei in einem Molekül eine Gruppe durch ein Nukleophil substituiert. Diese ist eine typische Synthesereaktion für Alkanole (Alkohole). Man unterscheidet zwischen S_N1- und S_N2-Reaktion.

2.1. S_N1-Reaktion

Bei der S_N1-Reaktion wird zuerst eine Gruppe abgespalten, dann die neue Gruppe angelagert. S_N1 ist eine Reaktion erster Ordnung, dies bedeutet nur die Konzentration des Eduktes bestimmt die Reaktionsgeschwindigkeit (RG).

Die Abspaltung der Abgangsgruppe (z.B. Halogenid) erfolgt unter Bildung eines Carbeniumions als Zwischenstufe. Der erste Reaktionsschritt ist monomolekular und der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Daher verläuft die Gesamtreaktion nach einem Geschwindigkeitsgesetz 1. Ordnung. Das Halogenalkan dissoziiert in einem Lösungsmittel zu Ionen.

Polare, protische Lösungsmittel und tiefe Temperaturen fördern die exotherme Ionenbildung und beschleunigen so die Reaktion. Eine Substitution läuft außerdem eher nach S_N1 ab, wenn sich ein tertiäres Carbeniumion ausbildet. Es bilden sich Kationen (Carbokation-Verbindung) und Anionen (Halogenid). Daraufhin erfolgt ein "Abfangen" der Kationen durch zugeführte andere Nukleophile.

2.1.1. Beispiel

Die Gewinnung von Alkohol aus Halogenalkanen in einem basischen Milieu erfolgt nach der S_N1-Reaktion mit Austausch des Halogenides durch ein Hydroxid-Ion.

• OH^- + (CH₃)₃C-Cl → [Solvens] → (CH₃)₃C⁺ + Cl ^- → (CH₃)₃C-OH + Cl^-

2.2. S_N2-Reaktion (Synchron-Mechanismus)

Bei der S_N2-Reaktion verlaufen Anlagerung und Abspaltung parallel zueinander (synchron, bzw. konzertiert) mit einem nicht isolierbaren Übergangszustand. Bei der S_N2-Reaktion wird die Reaktionsgeschwindigkeit durch zwei Teilchen beeinflusst, weshalb liegt eine Reaktion zweiter Ordnung vorliegt.

Im Gegensatz zu einer S_N1-Reaktion verläuft die Reaktion nicht über eine Zwischenstufe (Carbeniumion), sondern nach einem konzertierten Reaktionsmechanismus mit Übergangszustand. Generell findet diese Reaktion eher bei primären Alkanen statt, da diese vom Nukleophil leichter angreifbar sind (Sterik).

2.2.1. Beispiel

• CH₃-CH₂-Br → [Nu^-] → Übergangszustand [ CH₃-CH₂+(Br^-) (Nu^-)] → CH₃-CH₂-Nu + Br^-

Das Nukleophil greift in diesem Beispiel an dem Halogenalkan an und geht dabei in einen Übergangszustand mit fünf Substituenten am zentralen Kohlenstoffatom über. Dabei entsteht jedoch keine positive Ladung am Kohlenstoff. Die Bindungsknüpfung zum Nukleophil vollzieht sich simultan mit dem Bruch der Bindung zur Abgangsgruppe. Es müssen daher starke Nukleophile (z.B. OH^-) verwendet werden, um eine S_N2-Reaktion durchzuführen.