S_N1-Reaktion: Mechanismus

Es sei daran erinnert, dass, wenn ein tertiäres Halogenid in einer wässrigen Lösung reagiert, um ein nukleophiles substituiertes Produkt zu erhalten, nur das Substrat an dem geschwindigkeitsbestimmenden Schritt beteiligt ist. Dieser unimolekulare S_{N 1-Prozess}läuft über einen mehrstufigen Mechanismus ab.

Im ersten Schritt ionisiert das Haloalkan durch einen hochenergetischen Übergangszustand, wobei ein tertiäres Carbokationszwischenprodukt und ein Halogenidion entstehen. Die ionisierende Eigenschaft des polaren Lösungsmittels Wasser erleichtert das Verlassen des Halogenids. Die heterolytische Spaltung ist ein langsamer und hochendothermer Prozess mit großer Aktivierungsenergie, was ihn zu einem geschwindigkeitsbestimmenden Schritt macht.

In Abwesenheit des Lösungsmittels, also in der Gasphase, ist die Aktivierungsenergie fast siebenmal höher.

Die im ersten Schritt erzeugten Ionen werden durch Solvatation durch Wassermoleküle stabilisiert. Das gebildete Carbokation ist ein starkes Elektrophil, das leicht mit einem schwachen neutralen Nukleophil wie Wasser reagieren kann – dem Lösungsmittel dieser Reaktion.

Im zweiten Schritt fungiert Wasser als Lewis-Base und gibt seine Elektronen an das Carbokation ab, wodurch eine protonierte Spezies entsteht – das Oxonium-Ion. Da sich eine neue Bindung bildet, ist der Prozess stark exotherm mit einem niederenergetischen Übergangszustand.

Im dritten Schritt verliert das Oxonium-Ion ein Proton an Wasser, das nun als Brønsted-Base fungiert, wodurch zwei Produkte entstehen: tert-Butylalkohol und ein Hydronium-Ion.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der S_N1-Mechanismus aus zwei Kernschritten für die Substitution besteht, und wenn ein ungeladenes Nukleophil verwendet wird, ist am Ende ein zusätzlicher Protonentransferschritt beteiligt.

Die mehrstufige S_N1-Reaktion unterscheidet sich von der einstufigen S_N2-Reaktion dadurch, dass die Bindung zwischen dem Kohlenstoffatom und der verlassenden Gruppe vor dem nukleophilen Angriff aufbricht.

Während eine S_N1-Reaktion zwei Übergangszustände und einen Zwischenzustand umfasst, hat eine S_N2-Reaktion nur einen Übergangszustand und keinen Zwischenzustand.