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Reihe „Alles Plastik? – Kleidung aus Kunststoffen“
Lernstraße zum Mechanismus der nucleophilen Substitution
Theorie 3: Wie wird eine S N -Reaktion beeinflusst?
Die Position des Halogen-Atoms im Molekül
Das Halogen-Atom kann an ein primäres, sekundäres oder tertiäres Kohlenstoff-Atom geknüpft sein.
1. Arbeitsauftrag
Zeichnen Sie die folgenden Moleküle in der Lewis-Schreibweise und machen Sie sich hieran die Unterschiede
zwischen primärem, sekundärem und tertiärem Kohlenstoff-Atom klar:
a) Brommethan
b) Bromethan
c) 2-Brompropan
d) 2-Brom-2-methylpropan
Die Position des Halogenatoms kann verschiedene Auswirkungen haben:
In der Regel erfolgt die Substitution des Halogenatoms an einem tertiären Kohlenstoff-Atom deutlich schneller
als an einem primären oder sekundären Kohlenstoff-Atom.
Die zwei Mechanismen der nucleophilen Substitution
Auch mit Wasser kann eine Substitution des Brom-Atoms durch eine Alkoholgruppe erfolgen, denn Wasser
kann durch seine Polarität als nucleophiles Teilchen angreifen. Diesen Vorgang nennt man Hydrolyse („Spaltung
durch Wasser“).
Verbindung a) und d) sind leicht hydrolysierbar, Verbindung b) und c) dagegen deutlich schlechter. Es stellt
sich die Frage, wieso dies so ist.
Dazu muss als erstes erklärt werden, dass es zwei verschiedene Reaktionsmechanismen der
nucleophilen Substitution gibt:
1) zeitversetzt: Im ersten Schritt verlässt ein Halogenid-Ion als Abgangsgruppe das Molekül. Übrig
bleibt ein Kation, bei dem das zentrale Kohlenstoff-Atom die positive Ladung trägt. Es entsteht also
ein Carbokation als Zwischenstufe. Im zweiten Schritt greift ein Nucleophil an und bildet eine neue
Bindung zum Kohlenstoff-Atom aus. Dies wird S N 1 Mechanismus genannt. (Der erste Schritt ist
unabhängig von der Anwesenheit des Nucleophils, für die Reaktionsgeschwindigkeit ist ausschließlich
die Konzentration des Eduktes verantwortlich.)
2) zeitgleich: Das Nucleophil nähert sich dem Halogenalkan und gleichzeitig lockert sich die Bindung
zum Halogen-Atom. Es gibt einen Übergangszustand, in dem sowohl das Nucleophil als auch die Abgangsgruppe
mit dem zentralen Kohlenstoff-Atom in Wechselwirkung stehen. Dann verlässt die Abgangsgruppe
das Molekül und die neue Bindung zum Nukleophil wird fest geknüpft. Dieser Ablauf
wird S N 2 Mechanismus genannt. (Hierbei spielen beide Moleküle, das Edukt und das Nucleophil,
eine wichtige Rolle. Für die Reaktionsgeschwindigkeit sind die Konzentrationen von Edukt und Nucleophil
verantwortlich.)
2. Arbeitsauftrag
Stellen Sie sich die beiden Mechanismen im Knetmodell dar!