Nukleophile Substitutionsreaktionen

Viele Reaktionen der organischen Chemie laufen unter sauren oder basenkatalysierten Bedingungen ab, einschließlich nukleophiler Substitutionsreaktionen.

Stellen Sie sich eine einfache Säure-Base-Reaktion von Salzsäure mit Natriumhydroxid vor. Hier ist das Hydroxidion eine elektronenreiche Spezies und fungiert als Lewis-Base. Es deprotoniert den sauren Wasserstoff und bildet Wasser- und Chloridionen als konjugierte Base von HCl.

Betrachten wir nun eine nukleophile Substitutionsreaktion zwischen Chlormethan und Natriumhydroxid. Natriumhydroxid ist nach wie vor die elektronenreiche Komponente, die als Nukleophil bezeichnet wird. Das Hydroxidion ist die konjugierte Base des Wassers, das eine schwache Säure mit einem pK_a von 15,7 ist. Somit ist es eine starke konjugierte Base und ein starkes Nukleophil.

Chlormethan hingegen ist ein primäres Alkylhalogenid. Hier ist die elektronendefiziente Komponente analog zu einer Lewis-Säure und wird als Elektrophil bezeichnet.

Ähnlich wie bei einer Säure-Base-Reaktion reagiert das Hydroxidion mit dem Elektrophil, indem es sein einzelnes Elektronenpaar abgibt und eine neue Bindung mit dem Kohlenstoff eingeht.

Gleichzeitig bricht die Bindung zwischen dem Chlorid, der sogenannten Abgangsgruppe, und dem Kohlenstoff, und das Chloridion verlässt das Chlorid und nimmt beide Elektronen mit.

Eine nukleophile Substitution kann aber auch auf andere Weise ablaufen. Betrachten Sie die Reaktion zwischen 2-Brom-2-methylpropan, einem tertiären Substrat, und Wasser, wo es sowohl als Lösungsmittel als auch als Nukleophil fungiert. Eine Reaktion, bei der sich ein Lösungsmittel wie ein Nukleophil verhält, wird als Solvolyse bezeichnet.

Bei der Ionisation im polaren Lösungsmittel bricht zuerst die Bindung zwischen dem tertiären Substrat und der verlassenden Gruppe. Die Abgangsgruppe nimmt beide Elektronen aus der Bindung auf und bildet ein stabilisiertes Karbokation.

Wasser, das zwei einsame Paare hat, fungiert als Nukleophil und gibt ein Elektronenpaar an das elektrophile Karbokator ab, wodurch eine Oxoniumspezies entsteht. Nach der Deprotonierung wird 2-Methylpropan-2-ol gebildet.

Doch was bestimmt den Reaktionsmechanismus? Wie in späteren Lektionen gezeigt, wird der Mechanismus einer nukleophilen Substitution durch die Beschaffenheit des Substrats beeinflusst, wobei die Polarität der Gruppe, des Nukleophils, des Elektrophils und des Lösungsmittels verlassen wird.