Die nukleophile Substitution ist ein Reaktionstyp in der organischen Chemie. Hierbei reagiert ein Nukleophil in Form einer Lewis-Base (Elektronenpaardonator) mit einer organischen Verbindung vom Typ R–X (R bezeichnet einen Alkyl- oder Arylrest, X ein elektronenziehendes Heteroatom). Das Heteroatom wird dabei durch das Nukleophil ersetzt (siehe Substitutionsreaktion).
Allgemeines Beispiel zur nukleophilen Substitution, in dem X für ein Halogen – wie Chlor, Brom oder Iod – steht:
Nukleophile Substitution ohne|320px|n-Butanol Halogenalkan + Nukleophil –––––> Substitutionsprodukt + Halogenid
In der Anorganischen Chemie ist dieser Typus ebenfalls anzutreffen, ein Beispiel ist die Hydrolyse von Siliciumtetrachlorid.
Allgemeine Kennzeichen Nukleophile Substitutionsreaktionen werden meistens in Lösung durchgeführt. Dabei sind die Polarität des Lösungsmittels sowie die Substituenteneinflüsse in den Edukten von entscheidender Bedeutung für die Geschwindigkeit der Reaktion. Ist das Lösungsmittel selbst der nukleophile Reaktionspartner, spricht man von einer Solvolyse.Siegfried Hauptmann: Reaktion und Mechanismus in der organischen Chemie, B. G. Teubner, Stuttgart, 1991, S. 78, ISBN 3-519-03515-4.
Edukte Nukleophile Als Nukleophile können die verschiedensten Verbindungen eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um Anionen oder elektronenreiche Moleküle mit freien Elektronenpaaren (siehe Beispiele unten).
Typ R-X Das angegriffene Molekül R-X hat eine stark polare Bindung (ungleiche Verteilung der Elektronendichte), z. B. C-Cl, C-Br, C-O, C=O oder Si-Cl.
In folgenden Verbindungen kann das Heteroatom beziehungsweise die Heteroatom-haltige Gruppe durch ein Nukleophil substituiert werden: Alkylhalogenide: Alkylchloride und AlkylbromideIvan Ernest: Bindung, Struktur und Reaktionsmechanismen in der organischen Chemie, Springer-Verlag, 1972, S. 107–111, ISBN 3-211-81060-9. Arylhalogenide: Arylchloride und Arylbromide Carbonsäurederivate, wie -Chloride, Ester, und -Anhydride Sulfonsäureester, z. B. Tosylate (p-Toluolsulfonsäureester) oder Mesylate (Methansulfonsäureester) oder die besonders reaktiven Triflate (Trifluormethansulfonsäureester) Oxiran-, Thiiran- und Aziridin-Ringe (→ Heterocyclen)
Mechanismen Nukleophile Substitutionen werden bei aliphatischen und aromatischen Verbindungen beobachtet: Es gibt aliphatische nukleophile Substitutionen und aromatische nukleophile Substitutionen, wobei erstere wesentlich weiter verbreitet ist.
Darüber hinaus werden die Reaktionen aufgrund der Molekularität in verschiedene Gruppen eingeteilt. Das heißt, die Reaktionen werden danach eingeordnet, wie viele Moleküle am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Reaktion beteiligt sind. Die beschriebenen Mechanismen SN1 und SN2 sind als Extremfälle der nukleophilen Substitution aufzufassen. Der Übergang dazwischen ist fließend. Eine Zusammenfassung beider Reaktionen findet sich in der folgenden Tabelle:
Zusammenfassung der SN1- und SN2-Reaktion Reaktion SN1 SN2 Kinetik primäres Alkyl niemals, außer bei stabilisierenden Gruppen exzellent, außer bei sterisch gehindertem Nukleophil sekundäres Alkyl moderat moderat tertiäres Alkyl sehr gut niemals Benzyl exzellent moderat, außer bei tertiärem Benzyl Allyl exzellent moderat, außer bei tertiärem Allyl Abgangsgruppe wichtig wichtig Nukleophilie unwichtig wichtig Bevorzugtes Lösungsmittel polar protisch polar aprotisch Stereochemie Racemisierung bei Substitution am Stereozentrum Inversion (Chemie) bei Substitution am Stereozentrumdurch Walden-Umkehr Nebenreaktion: Umlagerung häufig selten Nebenreaktion: Eliminierung meist, besonders bei basischem Nukleophil nur mit Hitze und basischem Nukleophil
Der SNi-Mechanismus ist ein Spezialfall, der gesondert diskutiert wird.
Aromatische nukleophile Substitutionen laufen meistens zweistufig ab, das heißt die Zwischenprodukte sind oft isolierbar (siehe Meisenheimer-Komplexe). Zusätzlich ist ein sogenannter Dehydrobenzol-Mechanismus bekannt, der auch als Arinmechanismus bezeichnet wird.
SN1-Mechanismus Bei der SN1-Reaktion steht „SN“ für eine nukleophile Substitution und die „1“ für einen „monomolekularen“ Mechanismus, der zwar zweistufig verläuft, aber bei dem nur ein Molekül am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt beteiligt ist.
Kinetik der SN1-Reaktion 360px|mini|Dargestellt ist die Reaktionskoordinate der SN1-Reaktion. EA steht für die Aktivierungsenergie.
Aus dem Geschwindigkeitsgesetz einer Reaktion kann versucht werden, auf den Reaktionsmechanismus zu schließen. Bei der SN1-Reaktion findet man ausschließlich eine Abhängigkeit von der Konzentration des Substrats. Die Reaktionsgeschwindigkeit v errechnet sich somit mit Hilfe des Geschwindigkeitsgesetzes aus einer Geschwindigkeitskonstante k sowie der Konzentration des Substrats c[Substrat]:
Die Reaktionsgeschwindigkeit ist in erster Ordnung von dem Substrat abhängig und in nullter Ordnung von dem Nukleophil (also gar nicht). Die Gesamtordnung der Reaktion beträgt also eins. Der Reaktionsmechanismus besteht zwar aus zwei Schritten, die Reaktionsgeschwindigkeit ist jedoch nur vom langsamsten Reaktionsschritt abhängig; dieser ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt kann mit einem Flaschenhals verglichen werden: Die Geschwindigkeit, mit der Wasser in eine Flasche strömen kann, wird nur von der engsten Stelle der Flasche kontrolliert – dem Flaschenhals.
Mechanismus Die SN1-Reaktion verläuft in zwei Schritten. Im ersten, geschwindigkeitsbestimmenden (= langsamsten) Schritt dissoziiert die Verbindung R-X und setzt die Abgangsgruppe X− als Anion frei. Zurück bleibt ein planares, sp2-hybridisiertes Carbokation (Carbeniumion) R+. Dieses reaktive Zwischenprodukt (R+) wird im zweiten Schritt von dem Nukleophil Nu angegriffen. Dieser zweite Schritt ist im Verhältnis zum ersten sehr schnell. Das Nukleophil ist am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt in Gegensatz zur SN2-Reaktion nicht beteiligt. Außerdem wird der SN1-Mechanismus durch eine relativ kleine Anfangskonzentration der Edukte begünstigt. Stehen aber mehrere Nukleophile zur Verfügung, so findet man im Produkt überwiegend das stärkere Nukleophil wieder.
mini|zentriert|hochkant=3.2|Dargestellt ist der Verlauf der SN1-Reaktion. Zunächst löst sich im ersten Schritt die Bindung zur Abgangsgruppe und ein Carbokation entsteht. Im zweiten Schritt greift das Nukleophil an. Abhängig davon, ob es von oben (50 % Wahrscheinlichkeit) oder unten (50 % Wahrscheinlichkeit) angreift, entstehen zwei enantiomere Produkte. Das gebildete 1:1-Gemisch nennt man ein Racemat.
Stereochemie Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt beim SN1-Mechanismus ist die Bildung des idealerweise planaren Carbokations. Die Konfiguration der Ausgangsverbindung wird dadurch aufgehoben.
Theoretisch ist der nachfolgende Angriff des Nukleophils von beiden Seiten gleich wahrscheinlich. Ein racemisches Produkt wäre die Folge, da der Angriff von der der austretenden Gruppe gegenüberliegenden Seite einen Konfigurationswechsel (Inversion), der von derselben Seite die Erhaltung der Konfiguration (Retention) zur Folge hätte. Experimentell findet man oft mehr Produkte mit einem Konfigurationswechsel (Ausbeute 50–70 %); dies liegt daran, dass nach einer Abspaltung der Abgangsgruppe diese Abgangsgruppe nicht schnell genug durch das Lösungsmittel diffundiert und somit diese Angriffsrichtung versperrt. Die abgehende Gruppe kann sich vor dem nukleophilen Angriff nicht ausreichend entfernen und stellt so für das angreifende Nukleophil eine Behinderung dar. Dies führt manchmal zu einer verstärkten Inversion der Konfiguration. In einem solchen Fall spricht man von einer Teil-Racemisierung.
Beobachtet wurden bei Reaktionen nach SN1 jedoch alle stereochemischen Möglichkeiten von vollständiger Inversion bis zur Racemisierung, wobei die Bildung eines Racemates die Regel ist.
Einflussfaktoren Polarität des Lösungsmittels: Je polarer das Lösungsmittel ist, desto besser kann es die SN1-Reaktion durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisieren und beschleunigt dadurch die Reaktion. Besonders deutlich tritt dieser Effekt in einem protischen Lösungsmittel zutage. Die SN1-Reaktion profitiert von solchen Lösungsmitteln, da sowohl Übergangszustand wie auch Zwischenprodukt polar bzw. geladen sind. Der Übergangszustand des geschwindigkeitsbestimmenden Schritts der SN1-Reaktion ist zunächst durch Ladungstrennung polar: Die negativ geladene Abgangsgruppe entfernt sich und lässt ein positiv geladenes Carbokation zurück. Das entstehende Zwischenprodukt ist eine geladene Verbindung (das Carbokation), außerdem wird ein negativ geladenes Nukleophil freigesetzt. Bei der SN2-Reaktion hingegen ist der Übergangszustand nicht polar, da Ladung nur verschoben, aber nicht erzeugt wird.Es kann also gesagt werden, dass die SN1-Reaktion von protischen Lösungsmitteln bevorzugt wird.
Güte der Abgangsgruppe: Da im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt die Abgangsgruppe das Molekül verlässt, wird die Reaktionsgeschwindigkeit stark von ihrer Qualität beeinflusst. Die Abgangsgruppe ist häufig negativ geladen. Die Leichtigkeit, mit der sie das Molekül verlässt, hängt mit ihrer Fähigkeit zusammen, diese negative Ladung zu stabilisieren. Diese Fähigkeit, Ladung zu stabilisieren, ist umso stärker, je weniger basisch das Nukleophil X− ist bzw. je stärker sauer die konjugierte Säure HX ist. (Nukleofugie)
Substratstruktur: Je höher ein Kohlenstoffatom substituiert ist, desto schneller läuft die SN1-Reaktion an ihm ab. Ein tertiäres Alkyl reagiert also schneller als ein sekundäres Alkyl und dieses schneller als ein primäres Alkyl, dies liegt an der Stabilität der Carbokationen. Diese Stabilität hängt mit Hyperkonjugation und dem +I-Effekt zusammen: Alkylgruppen liefern dem Carbokation als Substituenten Elektronendichte und verringern auf diese Weise die positive Ladung. So wird einerseits das Carbokation stabilisiert und dissoziiert zudem leichter. Primäre Alkyle sind so instabil, dass sie keine SN1-Reaktion mehr eingehen.Ein weiterer Faktor ist, dass mit zunehmender Substitution sterische Spannung verringert wird. Auch Allylreste wirken mesomeriestabilisierend und stabilisieren somit das Carbenium-Ion sowie auch Benzylsubstituenten.
Carbokationumlagerung: Ein Carbokation kann sich durch einen Hydrid- oder Methyl-Shift umlagern, wenn so eine stabilere Verbindung entsteht. Aus einem sekundären kann beispielsweise ein tertiäres Carbokation entstehen. So können unterschiedliche Produkte entstehen, wenn SN1- und SN2-Reaktion am selben Molekül ablaufen.
SN2-Mechanismus SN2 steht für eine nukleophile Substitution mit einem bimolekularen Mechanismus, der einstufig verläuft und bei dem beide Moleküle am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt beteiligt sind.
Kinetik von SN2-Reaktionen 360px|mini|Dargestellt ist die Reaktionskoordinate der SN2-Reaktion
Einblicke in den Reaktionsmechanismus bietet das Geschwindigkeitsgesetz. Bei kinetischen Untersuchungen findet man eine Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit v von der Konzentration des Substrats c[Substrat] und von der Konzentration des Nukleophils c[Nukleophil], was zusammen mit einer Geschwindigkeitskonstante k zu folgendem Geschwindigkeitsgesetz führt: