Elektrophile Substitution

Synonym: Elektrophile aromatische Subsitutionsreaktion
Englisch: electrophilic substitution

1 Definition

Die elektrophile Substitution (abgekürzt mit S_E) ist einer Unterart der Grundreaktion der Substitutionsreaktion in der Organik. Ein elektrophiles Teilchen wird über verschiedene Schritte gegen ein anderes Teilchen ausgetauscht.

Die typische Reaktion des Benzols ist die elektrophile Substitution. Es werden elektrophile Teilchen geschaffen, die am Ringsystem angreifen und im Austausch gegen ein H-Atom an den Ring gehängt werden. Mit Hilfe eines Katalysator (einer Lewis-Säure) wird ein Angriff im System möglich. Über einen Zwischenzustand (Carbokation) kann der Substituent ausgetauscht werden.

2 Ablauf

Im folgenden soll die Reaktion am Beispiel der Halogenierung des Benzolringes verdeutlicht werden.

2.1 Pi-Komplex-Bildung und Heterolyse

Die Delokalisation der Elektronen führt zur einer Wechselwirkung der Elektronen des Benzols mit dem Elektrophils (Brom). Es bildet sich ein Pi-Komplex. Die induzierte Polarisierung kommt bewirkt jedoch keine Heterolyse des Br₂.Durch einen zugegebenen Katalysator wird die Bindung zwischen Br-Br so so stark polarisiert, dass es zur Heterolyse kommt. Es kommt zur Spaltung und Ionenbildung, ein elektrophiles und nucleophiles Teilchen entstehen ( Br^- und Br⁺).

2.2 Sigma-Bindungs-Bildung

Durch Ausbildung einer Sigma-Bindung wird das elektrophile Teilchen an das Benzol addiert. Es bildet sich ein Sigma-Komplex mit einem positiv geladenen C-Atom, einem Carbokation, aus. Die Stabilisierung des Carbokations wird durch die Delokalisierung der positiven Ladung über die restlichen Kohlenstoffatome erreicht.

2.3 Rearomatisierung

Zur Rearomatisierung erfolgt eine Deprotonierung, dies Proton reagiert mit der mit der Lewissäure ab. AlBr₄^- + H⁺ → AlBr₃ + HBr

3 Reaktionsprofil

• Geschwindigkeitsbestimmende Schritt: Bildung des Sigma-Komplexes

4 Arten von Elektrophilen

• positivgeladene Proton
• Teile von Halogenen durch Heterolyse
• Carbokation
• Carbonylverbindungen
• Sulfonierung: Schwefeltrioxid
• Niterierung: Nitrosylkation

5 Arten der elektrophilen aromatische Substitution

Unterarten werden nach dem elektrophilen Teilchen benannt. Es gibt folgende Hauptreaktionsunterarten mit deren Bildungsweg:

• Halogenierung: Cl₂, Br₂, I₂ mit Lewissäure
• Nitrierung: HNO₃/H₂SO₄ = Nitriersäure, Bildung von NO₂⁺ als elektrophiles Teilchen
• Sulfonierung: SO₃ + H₂SO₄ → HSO₄^- + HSO₃^-
• Friedel-Crafts-Alkylierung: Lewissäure als Katalysator, Carbokationen aus Alkylhalogeniden, Carbokationen aus Alkoholen und Schwefelsäure
• Friedel-Crafts-Acylierung: Acylhalogenide mit Lewissäure