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Die SN1-Reaktion

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

Voraussetzungen

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

Lernziele

Wenn Sie diese Seite durchgearbeitet haben, sollten Sie wissen

  • dass die SN1-Reaktion in zwei Schritten verläuft,
  • dass sich im ersten Schritt ein Carbenium-Ion bildet,
  • dass sich im zweiten Schritt ein Nucleophil an das Carbenium-Ion anlagert,
  • dass es bei einer SN1-Reaktion nicht zu einer Inversion kommt, sondern dass ein Racemat entsteht,
  • wieso die Reaktionsgeschwindigkeit nur von der Konzentration des organischen Substrats abhängt und nicht von der Konzentration des Nucleophils.

Die beiden Reaktionsschritte

Wie bereits in der Einleitung gesagt, gibt es zwei verschiedene Arten der nucleophilen Substitution. Bei der SN2-Reaktion hängt die Geschwindigkeit der Umsetzung sowohl von der Konzentration des organischen Eduktes wie auch von der Konzentration des Nucleophils ab. Es handelt sich also um eine bimolekulare Reaktion, das Nucleophil verdrängt die Austrittsgruppe in einem Schritt aus dem organischen Molekül. Durch den Rückseitenangriff kommt es dabei zur Inversion der Molekülstruktur, was sich aber nur dann tatsächlich bemerkbar macht, wenn chirale C-Atome von der Inversion betroffen sind.

Neben diesem SN2-Mechanismus gibt es den SN1-Mechanismus, bei dem die Reaktionsgeschwindigkeit ausschließlich von der Konzentration des organischen Substrats abhängt. Die Konzentration des Nucleophils hat hier keinen Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Es handelt sich also um eine monomolekulare Reaktion oder um eine Reaktion 1. Ordnung, daher auch der Name SN1-Mechanismus.

Die folgende - etwas ältere - Abbildung zeigt nun den ersten Reaktionsschritt einer SN1 - Reaktion.

Schritt 1

Der erste Schritt der SN1-Reaktion von 2-Brom-butan mit Iodid

Ein 2-Brombutan-Molekül (S-Form) 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.

Ähnlich wie der Übergangszustand bei der SN1-Reaktion ist das Zwischenprodukt planar, was durch die blau eingezeichnete Ebene verdeutlicht werden soll.

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

Greift das Nucleophil - hier ein Iodid-Ion - zufällig von "rechts" an, so entsteht als Endprodukt das 2-Iodbutan in der S-Konfiguration. Greift das Nucleophil dagegen von "links" an, bildet sich das 2-Iodbutan in der R-Konfiguration, also das Spiegelbild des eben genannten Produktes. Da die Wahrscheinlichkeit eines Angriffs von links und rechts gleich groß 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.

Dieser Schritt 2 besteht in der Bildung einer neuen kovalenten Bindung. Eine solche Bindungsbildung hat normalerweise eine recht niedrige Aktivierungsenergie und verläuft daher recht schnell. Außerdem ist die Bildung einer neuen Bindung exotherm, was der Reaktion durch die frei werdende Reaktionswäre einen "weiteren Schub" gibt.

Gesamtreaktion

Die SN1-Reaktion besteht aus zwei Reaktionsschritten. Bei einer mehrschrittigen Reaktion hängt die Geschwindigkeit der Gesamtreaktion immer von dem langsamsten Schritt ab. Dieser Schritt wird auch als der geschwindigkeitsbestimmende Schritt bezeichnet.

In dem gleichen Augenblick, wo ich den letzten Satz geschrieben habe, wundere ich mich, ob es nicht einen kürzeren Fachbegriff für "geschwindigkeitsbestimmenden Schritt" gibt. Bisher habe ich noch keinen gefunden.

Bei der SN1-Reaktion ist der erste Schritt, die Bildung des Carbenium-Ions, der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Da dieser Schritt monomolekular ist (ein Molekül dissoziiert heterolytisch in zwei Ionen), ist auch die Gesamtreaktion monomolekular bzw. 1. Ordnung.

Vertiefung

Wenn Sie mehr über den Mechanismus der SN1-Reaktion erfahren wollen, gehen Sie bitte auf die Vertiefungsseite zum Thema.

Abitur NRW

Im NRW-Abitur wird in den Aufgaben immer wieder auf die nucleophile Substitution eingegangen. Als Beispiel sei hier die Aufgabe von 2007 zum Antiklopfmittel MTBE genannt.

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

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