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Die SN2-Reaktion, ein erster Überblick

Grundlagen - Kinetik - SN2 - SN2-Mechanismus - SN1 - SN1-Mechanismus - Konkurrenz

Voraussetzungen

Wenn Sie diese Seite erfolgreich durcharbeiten wollen, sollten Sie folgende Kenntnisse haben:

Hilfreich aber nicht unbedingt notwendig wären auch Kenntnisse über Spiegelbild-Isomerie bzw. Enantiomerie und Chiralität.

Lernziele

Wenn Sie diese Seite durchgearbeitet haben, sollten Sie wissen

  • dass nucleophile Substitutionen monomolekular oder bimolekular ablaufen können,
  • dass man entsprechend zwischen SN1-Reaktionen und SN2-Reaktionen unterscheiden kann.

Beobachtet man bei einer nucleophilen Substitution, dass die Reaktion nach einer Kinetik 2. Ordnung abläuft, handelt es sich um eine SN2-Reaktion, die Ziffer 2 steht nicht für "2 Schritte", sondern für "Kinetik 2. Ordnung". Manche Leute verwechseln das leicht. Bei der Reaktion trifft also das Nucleophil Nu auf das Substrat und drückt die Abgangsgruppe X (das Nucleofug) aus dem Substrat heraus, um X zu ersetzen. Im Prinzip könnte das auf zwei Weisen geschehen, wie das folgende Bild zeigt:

Zwei mögliche Mechanismen der SN2-Reaktion
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Im oberen Beispiel greift das Nucleophil Y das Substrat von der "Vorderseite" her an, also von der Seite, auf der sich die Abgangsgruppe X befindet. In der Mitte sehen wir den pentavalenten (fünfwertigen) Übergangszustand dieser Reaktion, rechts sehen wir, wie die Abgangsgruppe X das Substrat verlässt.

Im unteren Beispiel dagegen greift das Nucleophil das Substrat von der "Rückseite" her an. In der Mitte sehen wir wieder den Übergangszustand, und rechts verlässt die Abgangsgruppe das Substrat.

In beiden Fällen handelt es sich bei der Substitution um eine konzertierte Reaktion. Das heißt, die Bildung der neuen C-Y-Bindung und die Auflösung der bisherigen C-X-Bindung verlaufen gleichzeitig.

Der pentavalente Übergangszustand kann mit dem Kugelwolkenmodell nicht erklärt werden, hierzu müssen wir auf das Orbitalmodell zurückgreifen. Die normal eingezeichneten Bindungen von C zu R1, R2 und R3 sind normale kovalente Bindungen über die drei sp2-Hybridorbitale des sp2-hybridisierten C-Atoms. An den "halben" Bindungen C-X und C-Y ist das pz-Orbital des C-Atoms beteiligt, das ja zwei gleichgroße Orbitallappen hat und somit mit zwei Atomen gleichzeitig Kontakt aufnehmen kann.

Welcher dieser beiden Mechanismen trifft jetzt zu, der Vorderseitenangriff des Nucleophils oder der Rückseitenangriff?

Ein erster Hinweis

Betrachten wir eine SN2-Reaktion näher, um erste Hinweise auf einen möglichen Reaktionsmechanismus zu bekommen[1].

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 2-Brom-butan kennen wir bereits aus dem Versuch, der auf der Eingangsseite vorgestellt wurde.

Beim Betrachten der Abbildung 1 achten wir jetzt nicht so sehr auf die Substitution des Br-Atoms durch das I-Atom, sondern auf die Geometrie der Strukturformeln. Es hat nämlich eine sogenannte Inversion stattgefunden, eine Umkehrung der räumlichen Struktur. Das Br-Atom im Edukt ist in der Abbildung nach rechts ausgerichtet, das I-Atom im Produkt aber nach links. Auch die Methylgruppe und das H-Atom haben ihre Position verändert. Das Produkt sieht fast so aus wie das Spiegelbild des Edukts.

Diese Inversion der Raumstruktur ist typisch für die SN2-Reaktion. Entdeckt hat sie Paul Walden (1863-1957), darum wird sie auch Walden-Inversion oder Walden-Umkehr genannt.

Kommen wir nun zu der Frage, wieso das Substrat bei der Reaktion umklappt und sich in sein Spiegelbild verwandelt? Was passiert da am chiralen C-Atom, wenn das Iodid-Ion als Nucleophil angreift? Beschäftigen wir uns jetzt näher mit dem Mechanismus der SN2-Variante der nucleophilen Substitution.

Quellen:

  1. Vorlesung Organische Chemie 1.17 von Prof. G. Dyker: "Nucleophile Substitution" (YouTube)
  2. Römpp Chemie-Lexikon, 9. Auflage 1992
  3. Morrison/Boyd, Organic Chemistry, 7th Edition, 2011
  4. Carey/Sundberg, Organische Chemie - ein weiterführendes Lehrbuch, Weinheim 1995
  5. K. P. C. Vollhard, N.E. Schore: Organische Chemie. 6. Auflage, Weinheim 2020.

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