4. Nucleophile Substitution

4.1 Rekapitulation Schulwissen

Die nucleophile Substitution ist einer der wichtigsten Reaktionsmechanismen der Organischen Chemie und wurde mit Sicherheit in der gymnasialen Oberstufe behandelt. Wir wollen das Wichtigste hier noch einmal kurz rekapitulieren.

Substitution

Unter einer Substitution versteht man den Austausch eines Atoms oder einer Atomgruppe X durch ein anderes Atom oder eine andere Atomgruppe Y, allgemein formuliert also:

$R-X + Y \to R-Y + X$

Nucleophile

Teilchen (Atome, Moleküle, Ionen) werden als Nucleophile bezeichnet, wenn sie von positiven Ladungen angezogen werden. Man unterscheidet anionische Nucleophile wie Br^-, OH^-, CH₃CH₂O^- und neutrale Nucleophile wie NH₃, H₂O oder C₂H₅OH.

Nucleophile Substitution

Unter diesem Begriff versteht man eine Substitution, bei der ein Nucleophil X gegen ein Nucleophil Y ausgetauscht wird. Das Nucleophil X, das bei dieser Reaktion freigesetzt wird, bezeichnet man auch als Nucleofug.

S_N1-Substitution

Bei diesem Typ der Nucleophilen Substitution wird im ersten Schritt das Nucleofug X heterolytisch als Anion abgespalten, es bleibt dann ein Carbenium-Ion als Zwischenprodukt zurück. Im zweiten Reaktionsschritt setzt sich das Nucleophil Y an das Carbenium-Ion. Der erste Schritt ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt, weil die Abspaltung des Nucleofugs recht langsam verläuft. Er erfolgt monomolekular, und daher kommt auch die Bezeichnung S_N1-Reaktion, die Ziffer 1 steht für den monomolekularen ersten Schritt.

S_N2-Substitution

Dieser Typ der Nucleophilen Substitution verläuft in einem Schritt. Das Nucleophil Y wird von dem positiv polarisierten C-Atom angezogen, das mit dem elektronegativen Nucleofug X verbunden ist. Die Bildung der neuen Y-C-Bindung und die Aufspaltung der vorhandenen C-X-Bindung geschieht zeitgleich in einem Schritt. Die Geschwindigkeit dieses einzigen Reaktionsschrittes ist von der Konzentration der beiden Edukte (organisches Substrat R-X und Nucleophil Y) abhängig, die Reaktion verläuft also bimolekular, und daher kommt auch die Bezeichnung S_N2-Reaktion.

S_N1-S_N2-Konkurrenz

Ein organisches Substrat R-X kann theoretisch sowohl nach dem S_N1-Mechanismus wie auch nach dem S_N2-Mechanismus mit einem Nucleophil reagieren. Allerdings ist es so, dass durch die Wahl des Substrates, durch die Wahl des Nucleophils, durch die Wahl des Lösemittels und durch weitere Reaktionsbedingungen gezielt gesteuert werden kann, welcher der beiden Mechanismen bevorzugt abläuft.

So reagieren primäre Halogenalkane bevorzugt nach dem bimolekularen Mechanismus, während tertiäre Halogenalkane eher nach dem monomolekularen Mechanismus mit Nucleophilen reagieren.

S_N1-E1-Konkurrenz

Wenn ein tertiäres Halogenalkan R-X sein Halogen-Atom als Halogen-Anion X^- abgibt, bleibt als Zwischenprodukt ein Carbenium-Ion R⁺ zurück. Dieses kann nun entweder ein Nucleophil Y^- anlagern, dann verläuft die Reaktion nach dem S_N1-Mechanismus. Alternativ kann das Zwischenprodukt aber auch ein Proton H⁺ abgeben, dann erhält man ein Alken, und es hat eine sogenannte Eliminierungsreaktion stattgefunden.

4.2 Studienvorbereitung ^Top

Wir beginnen unsere Studienvorbereitung ganz "klassisch", indem wir zunächst den monomolekularen S_N1-Mechanismus behandeln, dann die bimolekulare S_N2-Reaktion und dann die Frage stellen, welche Faktoren einen Einfluss darauf haben, welcher der beiden Wege bei einer konkreten Umsetzung eingeschlagen wird. Dieser wichtige Abschnitt ist so umfangreich, dass er auf mehrere Vertiefungsseiten ausgelagert wurde.

Nach diesen Ausführungen finden Sie Verweise auf Spezialseiten, und dann kommt der große Abschnitt mit Aufgaben und Übungen zur Nucleophilen Substitution.

4.2.1 Die S_N1-Reaktion ^Top

Die folgende Abbildung zeigt den ersten Reaktionsschritt der S_N1 - Reaktion eines Halogenalkans, nämlich von 2-Brombutan.

4.2.1.1 Schritt 1

Der erste Schritt der S_N1-Reaktion von 2-Brom-butan mit Iodid
Autor: Ulrich Helmich 2017, Lizenz: siehe Seitenende.

Das 2-Brombutan-Molekül zerfällt spontan in ein tertiäres Carbenium-Ion und ein Bromid-Anion. Da dieser Reaktionsschritt mit der Spaltung der kovalenten C-Br-Bindung verbunden ist, ist seine Aktivierungsenergie recht hoch, und entsprechend langsam verläuft dieser Schritt 1.

Achten Sie darauf, dass das Zwischenprodukt, also das Carbenium-Ion, eine planare Struktur besitzt. Das positiv geladene C-Atom ist sp²-hybridisiert, die beiden Lappen des p_z-Orbitals (hier nicht eingezeichnet) ragen nach links und rechts aus der blau gekennzeichneten Ebene heraus.

4.2.1.2 Schritt 2

Das Zwischenprodukt ist ein planares Carbenium-Ion, ein Nucleophil kann das Carbenium-Ion also von zwei Seiten mit gleicher Wahrscheinlichkeit angreifen:

Angriff eines Nucleophils auf das Carbenium-Ion liefert ein 50:50 Racemat
Autor: Ulrich Helmich 2017, Lizenz: siehe Seitenende.

In beiden Fällen entsteht als Reaktionsprodukt 2-Iodbutan. Allerdings unterscheiden sich die beiden Produkte wie Bild und Spiegelbild, es handelt sich um Enantiomere (Spiegelbild-Isomere).

Greift das Iodid-Ion von "rechts" an, so entsteht 2-Iodbutan in der R-Konfiguration.

Greift das Nucleophil dagegen von "links" an, bildet sich 2-Iodbutan in der S-Konfiguration. Die Begriffe "R- bzw. S-Konfiguration" werden in dem Kasten weiter unten erklärt.

Da die Wahrscheinlichkeit eines Angriffs von links und rechts gleich groß ist - zumindest wenn das Carbenium-Ion einigermaßen symmetrisch aufgebaut ist - erhält man gleich viel von jeder Konfiguration, es entsteht also ein Racemat. Ein Racemat liegt immer dann vor, wenn beide Spiegelbild-Isomere in gleichen Anteilen vorhanden sind.

Der Schritt 2 der S_N1-Reaktion besteht in der Bildung einer neuen kovalenten Bindung. Eine solche Bindungsbildung ist stets exotherm und hat eine recht niedrige Aktivierungsenergie. Daher verläuft dieser Schritt recht schnell.

4.2.1.3 Energiebetrachtungen

Energiediagramm einer S_N1-Reaktion
Autor: Ulrich Helmich 2017, Lizenz: siehe Seitenende.

Auf diesem Bild sehen wir das Energiediagramm einer S_N1-Reaktion. Das Edukt R-X reagiert mit einem anionischen Nucleophil Y^- zum Produkt R-Y.

• Der erste Reaktionsschritt hat eine recht hohe Aktivierungsenergie E_A1, weil eine Bindung gespalten werden muss.
• Als Zwischenprodukt entsteht ein Carbenium-Ion.
• Der zweite Reaktionsschritt besteht in der Bildung einer neuen Bindung. Daher ist hier die Aktivierungsenergie E_A2 recht niedrig. Außerdem ist der zweite Schritt stark exotherm weil eine neue Bindung entsteht.

Der monomolekulare erste Schritt bestimmt wegen seiner hohen Aktivierungsenergie die Geschwindigkeit der Gesamtreaktion, der erste Schritt ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt.

Allerdings ist die Gesamtreaktion nicht monomolekular, sondern nur pseudomonomolekular - es sind ja immer noch zwei Edukte an der Reaktion beteiligt.

4.2.2 Die S_N2-Reaktion ^Top

4.2.2.1 Ein Überblick

Betrachten wir eine S_N2-Reaktion näher, um erste Hinweise auf einen möglichen Reaktionsmechanismus zu bekommen:

Reaktion von 2-Brom-butan zu 2-Iod-butan
Autor: Ulrich Helmich 2020, nach einer Tafelzeichnung von Prof. G. Dyker; Vorlesung "Organische Chemie" an der Ruhr-Universität Bochum 2012. Lizenz: siehe Seitenende.

Das Halogenalkan 2-Brombutan reagiert mit Iodid-Ionen zu 2-Iodbutan und Bromid-Ionen - und zwar in einem Schritt, der bimolekular verläuft. Die Geschwindigkeit dieser Reaktion hängt also sowohl von c(2-Brombutan) wie auch von c(I^-) ab:

v_r = k * c(2-Brombutan) * c(I^-)

4.2.2.2 Die Walden-Inversion

Achten Sie nun bitte auf die Geometrie der Strukturformeln. Es hat nämlich eine sogenannte Inversion stattgefunden, eine Umkehrung der räumlichen Struktur.

Das Brom-Atom im Edukt ist in der Abbildung nach rechts ausgerichtet, das Iod-Atom im Produkt aber nach links. Auch die Methylgruppe und das Wasserstoff-Atom haben ihre Position verändert. Das Produkt sieht fast so aus wie das Spiegelbild des Edukts.

Diese Inversion der Raumstruktur ist typisch für eine S_N2-Reaktion. Entdeckt hat sie Paul Walden (1863-1957), darum wird sie auch Walden-Inversion oder Walden-Umkehr genannt.

4.2.2.3 Bildung des Übergangszustandes

Kommen wir nun zu der Frage, wieso das Substrat bei der Reaktion umklappt und sich in sein Spiegelbild verwandelt? Was passiert am chiralen C-Atom, wenn das Iodid-Ion als Nucleophil angreift?

Wir betrachten dazu wieder die Reaktion von 2-Brombutan mit Iodid-Ionen.

Die Bildung des Übergangszustandes
Autor: Ulrich Helmich 2019, Lizenz: siehe Seitenende.

Wie man auf dem Bild sehen kann, nähert sich das Iodid-Ion dem Substrat von der Rückseite. Es handelt sich um einen typischen Rückseitenangriff, wie wir ihn schon bei der Bromierung von Alkenen gesehen haben. 

Wieso findet ein solcher Rückseitenangriff statt?

Die folgenden Überlegungen beziehen sich jetzt stets auf die nächste Abbildung.

Unterschiedliche "Einflugwinkel" des Nucleophils
Autor: Ulrich Helmich 06/2023, Lizenz: siehe Seitenende

• Angenommen, das Iod-Anion würde das Molekül von "oben" angreifen. Dann müsste es an der Methylgruppe vorbeikommen, was nicht so ganz einfach ist.
• Wenn das Iod-Anion das Molekül von "unten" angreifen würde, wäre die Sache noch ungünstiger. Die Ethylgruppe ist größer als die Methylgruppe, ein Angriff von dieser Seite wäre also noch unwahrscheinlicher.
• Nun könnte das Iod-Anion ja auch von "rechts" angreifen. Dummerweise ist das Brom-Atom nicht nur sehr groß, sondern trägt auch noch eine negative Teilladung, wegen der hohen Elektronegativität von Brom. Es würde also nicht nur eine sterische Hinderung stattfinden (durch die Größe des Br-Atoms), sondern das negativ geladene Nucleophil würde auch noch elektrisch abgestoßen (was durch die roten Pfeile angedeutet wird).

Die Annäherung von links - also durch einen Rückseitenangriff - hat also die größte Wahrscheinlichkeit auf Erfolg.

Was hat es mit dem Übergangszustand auf sich?

Wenn sich das Iodid-Ion dem Substrat von der Rückseite weit genug angenähert hat, bildet sich ein instabiler Übergangszustand:

Der Übergangszustand einer S_N2-Reaktion
Autor: Ulrich Helmich 2020, Lizenz: siehe Seitenende

Dieser Übergangszustand wird als pentavalent (fünfwertig) bezeichnet.

Das mittlere C-Atom ist sp²-hybridisiert, die drei assoziierten Substituenten liegen daher in einer Ebene. Die beiden Lappen des p_z-Orbitals ragen nach links und rechts aus dieser Ebene heraus. Das p_z-Orbital nimmt dann auf der linken Seite Kontakt mit einem Orbital des Nucleophils Nu auf, und hält auf der rechten Seite noch Kontakt mit dem Nucleofug X.

Hybridisierungswechsel

Bei dem Übergang vom sp³-hybridisierten Zustand in den sp²-hybridisierten Zustand sind zwei energetisch bedeutsame Faktoren zu berücksichtigen:

Faktor 1: Der Hybridisierungswechsel ist einerseits mit einem gewissen Energieaufwand verbunden. Je größer die Reste sind, die an dem zentralen C-Atom sitzen, desto größer wird der Energieaufwand für das "Umklappen".

Faktor 2: Alkylgruppen stoßen sich gegenseitig elektrostatisch ab.

Das haben wir beispielsweise bei den Konformationen des Ethan-Moleküls gesehen, die gestaffelte Konformation hat eine etwas geringere Energie als die verdeckte Konformation.

Daher ist es energetisch günstiger, wenn die Alkylgruppen einen möglichst großen Abstand voneinander haben. Im sp²-hybridisierten Zustand ist dieser Abstand wegen der flacheren Bindungswinkel von 120º etwas größer als im sp³-hybridisierten Zustand mit Bindungswinkeln von 109,5º.

Insgesamt überwiegt in der Regel der Faktor 2 (Abstoßung der Alkylgruppen), so dass die Bildung des pentavalenten Übergangszustands erleichtert wird.

Die Bildung des Endproduktes
Autor: Ulrich Helmich 2019, Lizenz: siehe Seitenende.

Bei der Bildung des Endproduktes geht das zentrale C-Atom wieder in den sp³-hybridisierten Zustand über. Dabei kommt es dann zur Walden-Umkehr bzw. zur Inversion der Raumstruktur.

4.2.3 Konkurrenz S_N2 - S_N1 ^Top

Welcher Mechanismus tatsächlich stattfindet, hängt von vier Hauptfaktoren ab, wie wir näher untersuchen wollen:

1. Substrat
2. Lösemittel
3. Nucleophil
4. Nucleofug

Aber auch dann, wenn man alle Einflussfaktoren kennt, kann letzten Endes nur das Experiment darüber Aufschluss geben, welcher Mechanismus tatsächlich abläuft. Im Idealfall reichen hier reaktionskinetische Untersuchungen aus: Hängt die Geschwindigkeit der Reaktion NUR von dem organischen Substrat ab oder von dem Substrat UND dem Nucleophil? Außerdem kann man stereochemische Untersuchungen durchführen: Kommt es bei chiralen Molekülen durch die Substitution zu einer Walden-Umkehr oder nicht?

Exkurs: Was sagt ChatGPT? ^Top

Ich habe mir einmal den Spaß gemacht, ChatGPT zu bitten, mir eine Zusammenfassung dieser Seite zu erstellen. Das Ergebnis möchte ich Ihnen nicht vorenthalten. Danach werde ich die Aussagen von ChatGPT kritisch analysieren.

Gehen wir nun diese einzelnen Punkte durch.

1. Die erste Aussage ist korrekt, mit dem letzten Satz zur Nomenklatur kann man allerdings nichts anfangen.
2. Die zweite Aussage ist richtig, wenn man mal von kleinen grammatischen Fehlern absieht.
3. Bei der dritten Aussage sind die Begriffe "elektrophil" und "elektrophob" unüblich bzw. falsch, außerdem werden hier Ursache und Wirkung verwechselt. Die C-X-Bindung ist polarisiert, weil das Halogen-Atom eine höhere Elektronegativität aufweist als das Kohlenstoff-Atom, davon liest man hier allerdings nichts.
4. Die vierte Aussage ist nicht falsch, allerdings schreibe ich auf dieser Seite nichts von metallorganischen Verbindungen. Das hat ChatGPT dazu erfunden.
5. Die fünfte Aussage ist völliger Blödsinn. Das Halogen-Atom wird durch ein Nucleophil ersetzt und nicht umgekehrt, obwohl die Abgangsgruppe selbst natürlich auch ein Nucleophil sein kann.
6. Die letzte Aussage ist wieder korrekt, allerdings wird der Punkt auf dieser Seite kaum erwähnt, gehört also nicht in eine Zusammenfassung.

Insgesamt sind die Ausführungen von ChatGPT also teils korrekt, teils schwammig, teils falsch. Außerdem werden für diese Zusammenfassung auch die anderen Seiten der Abteilung "Halogenalkane" ausgewertet, ChatGPT sollte sich aber auf genau diese eine Seite konzentrieren. Auf die nucleophile Substitution geht ChatGPT hier aber so gut wie nicht ein.

Für Schüler und Studenten ist es also keine gute Idee, eine Hausarbeit oder Seminararbeit einfach von ChatGPT verfassen zu lassen. Als Ideen-Lieferant ist die KI dagegen durchaus gut geeignet, wenn man vor einem leeren Blatt Papier sitzt und einem kein Anfang einfällt.

4.3 Aufgaben und Übungen ^Top

Die folgenden Aufgaben habe ich mir teils selbst ausgedacht, teils stammen sie aus der Fachliteratur und Vorlesungen zur Organischen Chemie. Lösungsvorschläge zu diesen Aufgaben können Sie von mir erhalten, dann würde ich mich aber über eine kleine Spende per PayPal freuen (ab 2 Euro). Geben Sie dann bei PayPal unbedingt Ihre Mail-Adresse mit an, damit ich weiß, wohin ich die PDF-Datei schicken soll. Und vergessen Sie nicht den Verwendungszweck: Lösungen zu den Aufgaben OC 4.3.

Ein Arbeitsblatt mit diesen Aufgaben können Sie kostenlos hier herunterladen.

Aufgabe 4.5****

Wieso läuft folgende Reaktion NICHT ab:

Die Reaktion von Iodid-Ionen mit Brom-Cyclopropan läuft nicht ab
Autor: Ulrich Helmich 2019, Lizenz: siehe Seitenende.

Aufgabe 4.6*****

Brom-cylohexan liegt in zwei verschiedenen Sessel-Konformationen vor:

Brom-Cyclohexan in zwei verschiedenen Sessel-Konformation
Autor: Ulrich Helmich 2019, Lizenz: siehe Seitenende.

Das Gleichgewicht liegt auf der Seite mit dem Brom-Atom in der sogenannten Äquatorialposition.

Eine S_N1-Umsetzung mit Iodid-Ionen sollte eigentlich recht schnell verlaufen, alle Voraussetzungen sind dafür erfüllt. Trotzdem findet man, dass die Reaktion sehr langsam verläuft.

Finden Sie hierfür eine Ursache.

Aufgabe 4.9**

Das Cycloalkan Ethyl-cyclopentan wird in einer radikalischen Substitution bromiert, man erhält mehrere Reaktionsprodukte, unter anderem ein trans-1-Brom-3-ethyl-cyclopentan:

Bildung von trans-1-Brom-3-ethyl-cyclopentan durch radikalische Bromierung
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Welches Reaktionsprodukt würden Sie erwarten, wenn man das trans-1-Brom-3-ethy-cyclopentan in einer S_N2-Reaktion mit Natriumiodid reagieren lässt?