Reaktionstypen und Reaktionsmechanismen Teil 1

Reaktionstypen und
Reaktionsmechanismen
1.Teil
•
•
•
•
Einführung
Thermodynamik und Kinetik der Reaktionen
Substitutionen
Eliminationen
Mariazell 2006
Lisbeth Berner
Inhaltsverzeichnis
1. Einführung
1.1.Trennung von Bindungen
1.2. Induktive, mesomere Effekt
1.3. Sterische Effekt
1.4. Klassifizierung von Reagenzien
1.5. Stabilität von Zwischenprodukten
2. Thermodynamik und Kinetik
2.1. Einführung
2.2. Energiebilanz
2.3. Kinetik von Reaktionen
3. Substitutionen
3.1. Radikalische Substitution
3.1.1. Bildung von Radikalen
3.1.2. Chlorierung von Methan
3.1.3. Chlorierung von höheren
Alkanen
3.1.4. Allylbromierung
3.2. Elektrophile Substitution an Aromaten
3.2.1. Halogenierung
3.2.2. Nitrierung
3.2.3. Sulfonierung
3.2.4. Friedel-Crafts-Alkylierung
3.2.5. Friedel-Crafts-Acylierung
3.2.6. Azokupplung
3.2.7. Mehrfachsubstitution
3.3. Nucleophile Substitution an gesättigten
C-Atomen
3.3.1. Energieprofile
3.3.2. Stereochemie
3.3.3. Einfluss Struktur Substrat
3.3.4. Einfluss Lösungsmittel
3.3.5. Einfluss eintretende Gruppe
3.3.6. Einfluss Abgangsgruppe
3.3.7. OH-Gruppe
3.3.8. Typische SN-Reaktionen
3.3.9. ß-Dicarbonylverbindungen
3.4. Nucleophile Substitution an Aromaten
4. Eliminationen
4.1. E1-Reaktion
4.2. E1cB-Reaktion
4.3. E2-Reaktion
4.4. Konkurrenz Substitution-Elimination
4.5. Saytzeff-Hofmann -Regel
Verwendete Literatur:
1. Vollhardt, Schore, Organische Chemie, 4. Auflage, 2005, WileyVCH
2. Peter Sykes, Reaktionsmechanismen der organischen Chemie,
eine Einführung, 8. Auflage, 1982, Verlag Chemie
3. Peter Sykes, Wie funktionieren organischen Reaktionen?
Reaktionsmechanismen für Einsteiger, 2. Auflage, 2001, WileyVCH
4. Bülle, Hüttermann, Das Basiswissen der organischen Chemie,
2000, Thieme Verlag
5. Kaufmann, Hädener, Grundlagen der organischen Chemie, 10.
Auflage, Birkhäuser Verlag
6. Latscha, Kazmaier, Klein, Organische Chemie, Chemie-Basiswissen II, 5. Auflage, Springer Verlag
1. Einführung
1.1. Trennung von Bindungen
R:X  R. + .X
homolytische Spaltung, 2 Radikale
R:X  R:- + X+
heterolytische Spaltung, Ionen
R:X  R+ + :X-
heterolytische Spaltung, Ionen
Radikalreaktion vorwiegend in der Gasphase und in unpolaren
LM, katalysiert durch Licht oder andere Radikale
Ionenreaktionen in polaren LM (Energieaufwand für die
Ladungstrennung herabgesetzt, Ionenpaare durch Solvation
stabilisiert
C-Atom mit einem Elektron = C-Radikal
C-Atom mit positiver Ladung = Carbenium-Ion
C-Atom mit negativer Ladung = Carbanion
(Zusätzlich gibt es noch Carbene, Arine)
1.2. Faktoren, die die Elektronendichte in Bindungen und
an einzelnen Atomen bestimmen
1.2.1. Induktiver Effekt
δ+
δH3C – Cl oder H3CCl
schwacher Elektronenunterschuss am
C-Atom
längere Kette:
C-C-CCCl
4 3 2
1
Effekt setzt sich über die Kette fort, nimmt rasch
ab (jenseits von C2 kaum feststellbar)
Cl und andere Halogene: -I-Effekt (elektronenanziehend)
Alkylgruppen: schwacher +I-Effekt (elektronenspendend)
1.2.2. Mesomerer (konjugativer) Effekt:
Elektronenverteilung in ungesättigten und konjugierten
Systemen
z.B: Polarisation in C=O-Bindung durch mesomere Grenzstrukturen angegeben;
ist C=O-Gruppe mit einer C=C-Doppelbindung in Konjugation,
kann die Polarisation über die π-Elektronen weiter geleitet
werden:
H
+
O

H
H

O
O
Kann sich ein Ion durch Mesomerie stabilisieren, so trägt dies
wesentlich dazu bei, dass es sich überhaupt bildet. z.B. beim
Phenolat-Ion
O
O
O
O
-
-
-
1.2.3. Hyperkonjugation
Reihenfolge der I-Effekte von Alkylgruppen:
tert.Butyl > Isopropyl > Ethyl > Methyl (wie erwartet)
Alkylgruppen an C=C-Bindung gebunden:
Elektronendonor-Fähigkeit „umgekehrt“:
Methyl > Ethyl > Isopropyl > tert.Butyl
(das H+ -Atom wird aber nicht wirklich freigesetzt)
H
H
C
H+
H
CH2
CH
H
C
CH
CH2-
H
CH3
bei
H3C
C
CH
CH2
nicht möglich
CH3
Auf Hyperkonjugation von C-H-Bindungen ist auch die erhöhte
Stabilität von Alkenen mit nicht-endständigen Doppelbindungen
gegenüber ihren Isomeren mit endständigen Doppelbindungen
zurück zu führen:
(CH3)2C=CH-CH3 (9 α-ständige H zur C=C)
H2C=C(CH3)-CH2-CH3 (5 α-ständige H zur C=C),
daher weniger stabil
1.3. Sterische Effekte
(werden bei den jeweiligen Reaktionen besprochen)
1.4. Klassifizierung von Reagenzien
Elektrophile Reagenzien greifen Substrate mit hoher Elektronendichte an
entsprechen Lewis-Säuren (Elektronenpaar-Akzeptoren)
z.B.: H+, H3O+, NO2+, NO+, PhN2+, R3C+, SO3, CO2, BF3, AlCl3, ICl,
Br2, O3.
Nucleophile Reagenzien greifen Zentren mit Elektronenmangel
an
entsprechen Lewis-Basen (Elektronenpaar-Donatoren)
z.B. H-, BH4-, HSO3-, OH-, OR-, SR-, CN-, RCOO-, RC≡C-,
-:CH(COOC H ) , -O-, -S-, ≡N:, RMgX, RLi
2 5 2
1.5. Stabilität der Zwischenprodukte:
•Radikale
Allyl>Benzyl>tert.>sek.>prim,>Methyl
•Carbeniumionen
Benzyl = tert.>Allyl =sek.>prim.>Methyl
Allyl- und Benzyl-Kationen bzw. –Radikale sind wegen der
Mesomerieeffekte besonders stabil
•Carbanionen
Alkylgruppen destabilisieren prim.>sek.>tert.
Nicht konjugierte Carbanionen haben pyramidale
Form, d.h. das freie e-Paar besetzt ein sp3-Orbital,
die pyramidale Form unterliegt einer sehr schnellen
Inversion.
Stabilität stark abhängig von Mesomerieeffekten
2. Kinetik und Thermodynamik einfacher Reaktionen
2.1. Einführung:
Einfache chemische Reaktionen werden durch zwei grundlegende Prinzipien bestimmt:
a) chem. Thermodynamik: befasst sich mit Energieänderungen
bei der Reaktion, ein Maß dafür, wo sich ein chem. Gleichgewicht
einpendelt
b) chem. Kinetik: betrachtet die Geschwindigkeit, mit der sich die
Konzentrationen der Reaktanten bzw. Produkte ändern, also die
Schnelligkeit, mit der die Reaktion abläuft.
Beide Aspekte stehen oft in Beziehung zueinander – manchmal
verlaufen Reaktionen schneller als andere, obwohl sie zu thermodynamisch weniger stabilen Produkten führen (und umgekehrt)
Thermodynamisch kontrollierte Reaktionen =
Reaktionen, bei denen die Produkte mit der geringsten Energie
entstehen.
Kinetisch kontrollierte Reaktionen =
Reaktionen, deren Aktivierungsenergie niedrig ist, es bilden sich
thermodynamisch weniger stabile Produkte.
z.B.
SO3H
SO3H H2SO4,160o
80 % 
20 % 
thermodyn. kontrolliert
entsteht langsam
H2SO4,80o
fast 100% 
kinetisch kontrolliert
thermodyn. weniger stabil
Beweis: Erhitzt man reines α-Isomeres oder ß-Isomeres mit
H2SO4 bei 160o, entsteht 80% ß-Isomeres und 20% α-Isomeres.
2.2. Energiebilanz chemischer Reaktionen
ΔGo = -RTlnK oder - ΔGo = RTlnK
Je größer - ΔGo , desto größer ist K, desto mehr liegt das
Gleichgewicht auf der Seite der Produkte
ΔGo = 0  K = 1, 50% Umsatz
ΔGo = -42 kJ  K ~ 107 (298 K), fast völliger Umsatz
ΔGo = ΔHo – TΔSo
ΔH-Werte sind Differenz der Bindungsenergien von Ausgangsstoffen und Produkten; daher gut abschätzbar:
ΔS nicht so gut; abschätzbar: Zunahme der Teilchenzahl 
Entropiezunahme
Cyclisierungen  Entropieabnahme
TΔS temperaturabhängig! ΔH fast nicht.
- TΔS kann Vorzeichen von ΔG verändern.
ΔGo < 0 exergonisch, ΔGo > 0 endergonisch
2.3. Kinetik von Reaktionen
ΔGo muss negativ sein, damit Reaktion überhaupt abläuft unter
den Bedingungen; aber wie schnell?
z.B. Oxidation von Cellulose:
(C6H10O5)n + 6n O2  6n CO2 + 5n H2O
ΔGo ziemlich negativ, aber man kann Zeitung lesen, sogar in O2Atmosphäre bei Raumtemperatur. Umwandlungsgeschwindigkeit
sehr, sehr klein (steigt bei hoher T. an!)
x
Ausgangsstoffe
Ausgangsstoffe
G
G
G
Go
Go
Produkte
Produkte
Reaktionskoordinate
(a)
Reaktionskoordinate
(b)
2.3.1. Reaktionsgeschwindigkeit, freie Aktivierungsenthalpie
Im Energieprofil (b) ist die Position x Anordnung höchster Energie,
die die Moleküle der Ausgangsstoffe auf dem Weg zu den Produkten durchlaufen müssen =
Aktivierungskomplex oder Übergangszustand =
rasch durchlaufener instabiler Zustand, kein isolierbares Produkt.
z.B.
H
HO-
+
H
C
H
H
Br
HO
H
H
C
H
Br
HO
+ Br-
C
H
H
ΔG* in (b).. Freie Aktivierungsenthalpie (je größer, desto langsamer die Reaktion) setzt sich zusammen aus ΔH* - TΔS*.
ΔH* ist die Aktivierungsenthalpie = Energie, die zur Dehnung bzw.
zur Lösung der Bindungen erforderlich ist.
Temperaturerhöhung  mehr Moleküle haben diese Mindestenergie  Reaktion wird schneller.
ΔH* steht in enger Beziehung zur Aktivierungsenergie EA aus der
Arrhenius-Gleichung
k = A. e –EA/RT bzw. ln k = -EA/RT + ln A
EA graphisch ermitteln, ln k auftragen gegen 1/T oder
rechnerisch:
ln k1/k2 = - EA/T (1/T1 – 1/T2)
ΔS* = Aktivierungsentropie, ist mit der Wahrscheinlichkeit verknüpft ( ist der Aufbau des Übergangszustandes mit einem hohen
Maß von Ordnung verbunden, ist mit einem großen
Entropieverlust zu rechnen, d.h. die Wahrscheinlichkeit der
Bildung des Übergangszustandes ist entsprechend gering.
2.3.2. Kinetik und geschwindigkeitsbestimmender Schritt
Reaktionsgeschwindigkeiten experimentell messen (wie rasch
Ausgangsstoffe und/oder Produkte entstehen, bei const. T)
(titrimetrisch, spektrometrisch etc.)
Man findet z.B. für CH3Br + OH-  CH3OH + Brv = k.[CH3Br] [OH-]
2.Ordnung; je 1.Ordnung für
CH3Br und OH-
aber für die basenkatalysierte Bromierung von Aceton
v= k.[CH3COCH3] [OH-]; Br2 kommt gar nicht vor!
d.h. Br2 kommt in keinem geschwindigkeitsbestimmenden Schritt
vor.
Die meisten Reaktionen laufen nicht so einfach wie in Energieprofil (b) ab, sondern sind eine Folge mehr oder weniger
komplexer Folgeschritten – gewöhnlich Zweiteilchen-Kollisionen
Wir messen den langsamsten Schritt = geschwindigkeitsbestimmenden Schritt („Flaschenhals“)
x1
x2
G
Ausg.
stoffe
G2 *
G1 *
Zwischenprodukt
Produkte
G
Reaktionskoordinate
Ausgangsstoffe werden über den Übergangszustand x1 in ein
Zwischenprodukt umgewandelt, das dann rasch über den 2.
Übergangszustand x2 in die Produkte übergeht.
ΔG1* > ΔG2*  1. Schritt geschwindigkeitsbestimmend
Für die Bromierung von Aceton wurde gefunden:
OH-
O
OH-
H
O
Br-Br
-
langsam
Br2
O
Br
+ Br-
schnell
+ H2O
Stereochemische Kriterien sind oft wertvolle Hinweise auf
Reaktionsmechanismen: z.B. wenn aus einem Enantiomeren
nach der Reaktion ein racemisches Gemisch entsteht, muss eine
planare
Zwischenstufe
(Carbeniumion
oder
Carbanion)
durchlaufen werden.
Die Addition von Br2 an Cyclopenten liefert ein trans-Dibromid,
was einen 2-Stufenmechanismus nahe legt.
Katalysierte Reaktionen: Es werden neue, energieärmere
Zwischenstufen durchlaufen;
z.B. Addition von H2O an Alkene sehr langsam; saure Katalyse:
Protonierung zum Carbeniumion, Addition von H2O erfolgt sehr
rasch, H+ wird wieder frei zur erneuten Katalyse.
3. Substitutionen
3.1. Radikalische Substitution SR
3.1.1. Bildung von Radikalen:
a) Photolyse:
b) Thermolyse:
Licht
2 Cl .
Cl2
Wärme
RO-OR
c) Redox-Reaktionen:
2 RO .
H2O2 + Fe2+
HO . + OH- + Fe3+
ArN2+ + Cu+
Ar . + N2 + Cu2+
3.1.2. Chlorierung von Methan:
Licht
Startreaktion:
Kettenreaktionen:
2 Cl .
(1)
CH3 . + HCl
(2)
CH3 . + Cl2
CH3Cl + Cl .
(3)
CH4 + Cl2
CH3Cl + HCl
(4) = (2) + (3)
Cl2
CH4 + Cl .
Kettenabbruch:
2 Cl .
2 CH3 .
Cl2
CH3-CH3
CH3 . + Cl .
CH3Cl
Enthalpiewerte (kJ/mol) für Reaktionen (1) – (3) und (4)
F
Cl
Br
I
(1)
+159
+243
+193
+151
(2)
-125
+8
+75
+142
(3)
-306
-113
-105
-88
(4)
-431
-105
-30
+54
Reaktion (1) erfordert die meiste Energie für Cl2
Relative Reaktivität von X. bei der Wasserstoffabspaltung:
F. > Cl. > Br. > I.
Aus den Werten von (4) sieht man: Fluorierung sehr stark
exotherm, explosionsartig; Íodierung endotherm, geht nicht
Synthetisch interessant Chlorierung und Bromierung.
3.1.3. Chlorierung höherer Alkane
Cl
Cl
Cl2 +
+
6 primäre C-Atome,
2 sekundäre C-Atome
1- Chlorpropan 2-Chlorpropan
2
:
erwartetes Verhältnis:
6
1
:
3
experimentelles Verhältnis (bei 25oC): 43:57; daraus errechnet
sich die relative Reaktivität pro H-Atom:
6 prim. H-Atome: 43:6=7,2% für jedes primäre H-Atom
2 sek. H-Atome: 57:2=28,5% für jedes sekundäre H-Atom;
Relatives Reaktivitätsverhältnis: 7,2: 28,5~ 1:4.
d.h. sekundäre H-Atome bei Chlorierung 4x reaktiver.
ebenso ergibt sich: tertiäre H-Atome bei Chlorierung 5x reaktiver
als primäre.
Bei Chlorierung rel. Reaktivität bei 25o: tert: sek: prim =
5:4:1
Bei Bromierung rel. Reaktivität bei 98o: tert: sek: prim =
6300:250:1.
Br ist viel selektiver als Cl, Br ist sehr regioselektiv
Regioselektivität = Bevorzugung einer bestimmten Position; sie
zeigt sich im Isomerenverhältnis, das sich vom statistischen
unterscheidet.
allgemein gilt: je weniger reaktiv ein Reagenz , desto
selektiver ist es.
Aufgabe 1: Wie viele und welche Produkte entstehen bei der
Chlorierung von 2-Methylbutan? Schätzen Sie die Ausbeuten der
verschiedenen Produkte.
Cl
Cl
Cl
Cl
1-Chlor-2-methylbutan 1-Chlor-3-methylbutan 2-Chlor-3-methylbuten 2-Chlor-2-methylbutan
6 prim. H
Berechnung:
3 prim. H
2 sek. H
6 x 1 = 6; 3 x 1 = 3; 2 x 4 = 8; 1 x 5 = 5
< 1%
27%
Ausbeuten: 6/22 = 0,27
3/22 = 0,14
14%
8/22 = 0,36
36%
5/22 = 0,22
22%
1 tert. H
Summe 22;
Aufgabe 2: In welchem Verhältnis stehen die Ausbeuten bei der
Chlorierung bzw. Bromierung von 2-Methylpropan?
9 prim. H, 1 tert. H
Chlorierung: 9 x 1 = 9; 1 x 5 = 5; Summe 14.
Ausbeuten: 9/14 = 0,64 (64%), 5/14 = 0,36 (36%)
X
X
Bromierung: 9 x 1 = 9; 1 x 6300 = 6300; Summe 6309
Ausbeuten: 9/6309 = 0,0014 ( < 1%), 6300/6309 = 0,998 (> 99%)
3.1.4. Bromierung in Allyl- bzw. Benzylstellung
Allylische und benzylische H-Atome werden besonders leicht
substituiert, weil die entstehenden Radikale durch Mesomerie
stabilisiert werden.
NBS = N-Bromsuccinimid (=N-Brombutanimid) dient als Quelle
für geringe Mengen Br2, welches aus Spuren HBr und NBS
(suspendiert in CCl4) entsteht. Start der Reaktion mit einem
Initiator, Licht oder Peroxide:
Br2 + Initiator
2 Br .
.
+ Br .
+ HBr
O
O
NBr + HBr
NH
O
O
Br-Br
Br
Br .
+
+ Br2
3.2. Elektrophile Substitution an Aromaten SE
Elektrophiles Reagenz substituiert H-Atom im Aromaten.
1. Annäherung des Elektrophils (E) an π-System  π-Komplex
2. Übertragung von 2 Elektronen  σ-Komplex
3. Regeneration des π-Systems durch Abspaltung von H+
Energieprofil zeigt, dass der 1. Schritt geschwindigkeitsbestimmend ist, die Abspaltung von H+ erfolgt rasch (kein
Isotopeneffekt, wenn man Hexadeuteriobenzen substituiert)
Elektrophil muss reaktiver sein als für Addition  Lewis-Säuren
oder Brönsted-Säuren zur Erhöhung der positiven Partialladung
nötig.
Elektrophile: X+(X2, AlX3 oder FeX3); NO2+(HNO3+H2SO4);
SO3(H2SO4); R+(RX, AlX3); R-C=O+(RCOCl, AlCl3, Anhydride);
PhN2+  Azokupplung.
3.2.1. Halogenierung:
Cl
Cl
+ AlCl3


Cl
Cl
H
Cl
Cl
AlCl3
Cl
+
+ AlCl4-
3.2.2. Nitrierung:
H+
HNO3
NO2+ + H2O
NO2
-H+
+ NO2+
AlCl3
- H+
Cl
3.2.3. Sulfonierung:
+
SO3 H
H
SO3-
+ SO3
3.2.4. Friedel-Crafts-Alkylierung:
+
H
+R
Cl
-H+
R
R
AlCl3
+ AlCl4-
Einschränkungen bei Alkylierungen:
• nur Alkylhalogenide, Aryl- und Vinylhalogenide reagieren nicht
•oft Mehrfachsubstitution
•Aromaten mit stark e-ziehenden Gruppen reagieren nicht
•oft Umlagerungen der angreifenden Carbokationen
AlCl3
+
Cl
nicht
3.2.5. Friedel-Crafts-Acylierung:
O
O
R
Cl
+ AlCl3
Acylium-Ion
(auch aus Anhydriden
mit Lewis-Säuren)
C+
R
O
+
O
H
R
C+
R
AlCl4-
R
O
•keine Mehrfachsustitutionen
•keine Umlagerungen
•keine Reaktion bei e-anziehenden Gruppen im Ring
•CO-Gruppen reduzierbar zu Alkylgruppen mit Zn/Hg und HCl
(Clemmensen-Reduktion) oder H2NNH2/NaOH (Wolff-KischnerReduktion)
•äquimolare Mengen Lewis-Säure erforderlich, weil gebildetes
Keton über die CO-Gruppe die Lewis-Säure komplexieren kann.
3.2.6. Azokupplung:
Das Diazonium-Kation (ArN2+, entsteht aus aromatischen Aminen
mit salpetriger Säure im sauren Milieu) ist das Elektrophil, aber es
ist schwach und reagiert daher nur mit aktivierten Aromaten wie
z.B. Phenolaten oder Aminen
O
O
O
-H+
+
N N
Ar
H
NR2
N=N-Ar
N=N-Ar
NR2
NR2+
-H+
+
N N
Ar
H
N=N-Ar
N=N-Ar
3.2.7. Mehrfachsubstitutionen bei SE-Reaktionen:
Reaktionsgeschwindigkei  Regiochemie
stark
aktivierend
NH2
OH
OCH3
H
N
CH3
CH3
o- und p-dirigierend
O
H
F
Br
Cl
I
CHO
SO3H
NO2
stark
desaktivierend
COOR
COOH
CN
NR3+
COR
m-dirigierend
Aktivierende Gruppen haben +I-Effekt bzw. +M-Effekt, d.h.
„schicken“ Elektronen in den Aromaten, erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit. Substitution erfolgt in o- und p-Stellung:
OMe
OMe+
OMe+
OMe+
-
-
-
m-dirigierende Gruppen desaktivieren alle Positionen außer die
m-Position für einen elektrophilen Angriff, sie haben –I-Effekte
bzw. –M-Effekte.
O
O
+
N
O
O
+
O
O
O
N
N
N
+
+
+
O
+
+
Halogene haben starken –I-Effekt (reagieren langsamer als
Benzen, sind desaktivierend), der schwächere +M-Effekt erhöht
aber die e-Dichte in o-bzw. p-Stellung durch Resonanz:
Cl
Cl
Cl
Cl
-
-
-
Bei Mehrfachsubstitutionen addieren sich die Effekte oder der
am stärksten aktivierende Substituent bestimmt die Regiochemie
Aufgabe 3: Welche Produkte erwarten Sie bei der Nitrierung von
4-Nitrotoluen bzw. der Bromierung von 4-Methoxytoluen?
CH3
CH3
CH3
NO2
HNO3
CH3
Br2/FeBr3
bzw
Br
NO2
NO2
OMe
OMe
3.3 Nucleophile Substitution (am gesättigten C-Atom) SN
HO- +
C
Br
C
OH
+ Br-
vergleichbar mit einer
Säure-Base-Reaktion
nucleophile Substitution
Es zeigt sich, dass die Reaktion von CH3Br mit OH- einem Geschwindigkeitsgesetz 2. Ordnung gehorcht:
v = k [CH3Br] [OH-]  SN2-Reaktion
Vergleich von Geschwindigkeiten für verscheidene R:
v=
CH3Br
1
CH3CH2Br
0,079
(CH3)2CHBr
0,014
(CH3)3CBr
47,2 !!
Zusätzliche Methylgruppen verlangsamen die Reaktion (Angriff
sterisch gehindert), das tertiäre Alkylhalogenid reagiert aber viel
schneller  anderes Geschwindigkeitsgesetz:
v = k [(CH3)3CBr]  SN1-Reaktion
Konzentration von OH- beeinflusst die Reaktion nicht!
3.3.1. Energieprofile:
SN2
SN1
3.3.2. Stereochemie der SN-Reaktionen:
a) SN2:
H
H
C
I-
I
Br
H3C
CH3CH2
C
H3C
chiral, opt.aktiv
H
Br
I
C
CH2CH3
Rückseitenangriff
b)SN1
CH3
CH2CH3
+ Br-
chiral, opt.aktiv
Inversion
OH
+
H3C
C3 H7
C
Br
C2 H5
(R)-3-Brom3-methylhexan
Br- +
H3C
H2O
C3 H7
C
-HBr
C
C2 H5
planar, achiral
-HBr
C3 H7
C2 H5
H3C
(R)-3-Methyl3-hexanol
H 2O
+
Racemat
C2 H5
H3C
C
C3 H7
OH
(S)-3-Methyl3-hexanol
3.3.3. Einfluss der Struktur des Substrates:
Primäre und sekundäre Alkylderivate reagieren nach SN2
(sekundäre langsamer als primäre, s.o.), tertiäre Alkylderivate
nach SN1. Je stabiler das gebildete Carbeniumion, desto eher
SN1.
3.3.4. Einfluss des Lösungsmittels:
Cl- + CH3-I  Cl-CH3 + I-
läuft in DMF 106 x schneller als
in MeOH
MeOH solvatisiert Cl- gut, bevor Cl- reagieren kann, muss die
Solvathülle entfernt werden, benötigt Energie.
SN2 läuft besser in unpolaren, aprotischen LM
(CH3)3C-Br  (CH3)3C+ + Br- in EtOH/H2O(1:1) viel schneller
als in reinem EtOH; polare LM bilden mit beiden Ionenpaaren
Solvathüllen, stabilisieren die Ionen.
SN1 läuft besser in polaren LM
3.3.5. Einfluss der eintretenden Gruppe:
Nucleophilie  Basizität
a) proportional:
EtO- > C6H5O- > CH3COO- > NO3- (hier ist
immer O an der nucleophilen bzw. basischen Reaktion beteiligt)
b) nicht proportional: Basenstärke: EtO- > EtS-; F->Cl->Br->INucleophilie: EtS- > EtO-; I->Br->Cl->F(Erklärung: je größer ein Atom, desto leichter polarisierbar 
desto größer nucleophile Kraft)
c) Negative Ladung erhöht Nucleophilie: NH2- > NH3
d) Nucleophilie nimmt im PSE nach „rechts“ ab: H2O < NH3
e) Nucleophilie nimmt im PSE nach „unten“ zu: EtS- > EtO-
f) Sterisch gehinderte Nucleophile
(CH3)3CO- < CH3O-
reagieren
langsamer:
In SN1-Reaktionen spielt Nucleophilie keine Rolle;Nucleophil am
geschwindigkeitsbestimmenden Schritt nicht beteiligt.
3.3.6. Einfluss der Abgangsgruppen:
•Gute Abgangsgruppen stabilisieren negative Ladungen gut
•Gute Abgangsgruppen sind (meist) schwache Basen
•Bei Halogenen:
I- > Br- > Cl- > F-
•Schwefelderivate: ROSO3Alkylsulfate
RSO3Alkylsulfonate od.
Arylsulfonate
O
O
O
H3C
S
F3 C
O
S
O
-
H3C
S
O
O
Methansulfonat-Ion
(Mesylat-Ion, -OMes)
O
Trifluormethansulfonat-Ion
(Triflat-Ion, -OTfl)
Toluensulfonat-Ion
(Tosylat-Ion, -OTos)
Dimethylsulfat als Methylierungsreagenz:
O
O
CH3CH2O- + MeO
S
O
OMe
O
CH3CH2OCH3 + O
S
O
OMe
3.3.7. Reaktionen der schlechten Abgangsgruppe –OH:
•Protonierung:
H
R-OH + HBr
R-O +
Br-
R-Br + H2O
H
Abgangsgruppe wird nun H2O, eine sehr schwache Base.
Auch Ether können durch starke Säuren protoniert werden
(Etherspaltung durch Iodwasserstoff).
•Reaktionen mit anorganischen Halogenderivaten:
z.B. PBr3, PCl5, SOCl2, RSO2Cl
RCH2OH + SOCl2  RCH2Cl + HCl
•Bildung von Sulfonaten mit Sulfonylchloriden (Methansulfonylchlorid, Tolylsulfonylchlorid, Trifluormethansulfonylchlorid)
RCH2OH + CH3SO2Cl  RCH2OSO2CH3 + HCl
Amine (z.B. Pyridin, Triethylamin) binden das freiwerdende HCl
3.3.8. Typische SN2-Reaktionen:
EtR
EtN3
EtSH
RLi
Et-I
N3
HS-
NH3
NaI
PPh3
EtCN
CNRCOOEt
RC
CH3-CH2-X
EtPPh3+ X-
RS-
RCOO-
EtSR
Br-
CNa
SCN-
RC
EtNH2, Et2NH, Et3N,
Et4N+ X-
-
HO-
CEt
EtBr
ROEtOR
EtSCN
EtOH
3.3.9. Alkylierung von ß-Dicarbonylverbindungen verlaufen auch
nach SN2-Mechanismen:
•Acetessigestersynthesen:  mono- oder dialkylierte Ketone.
O
O
- EtOH
O
O
- Br-
OEt
O
OEt
OEt
H
+ H3C-Br
+ -OEt
O
CH3
CH3
- CO2
Hitze
O
O
O
2. Alkylierung
mit CH3Br
NaOH, H2O
O
OH
H3C
CH3
CH3
O
OEt
H3C
CH3
•Malonestersynthesen  mono- oder dialkylierte Carbonsäuren
O
EtO
O
OEt
O
O
R
H
EtO
EtO
OEt
O
O
R
R
OEt
NaOH, H2O
O
R
HO
R
- CO2
Hitze
HO
O
O
R
R
OH
Aufgabe 4: Nach welchem Mechanismus verläuft die Reaktion
von Na-Ethylat mit Bromethan in Ethanol? Wie wird die
Reaktion beeinflusst, wenn man folgende Änderungen
durchführt:
1) Verwendung von Fluorethan statt Bromethan?
2) Verwendung von Brommethan statt Bromethan?
3) Verwendung von NaSEt statt NaOEt?
4) Verwendung von DMF statt EtOH als Lösungsmittel?
Antwort: SN2; langsamer; schneller; schneller; schneller.
3.4. Nucleophile Substitution am Aromaten
3.4.1. Arene mit stark elektronenanziehenden Gruppen und z.B.
einem Halogen als austretende Gruppe können durch starke
Nucleophile substituiert werden.
F
OH
NO2
NO2
OH-
NO2
NO2
Mechanismus: SN1 nicht möglich, es müsste ein Aryl-Kation entstehen, welches extrem instabil wäre; SN2 auch nicht möglich,
weil der Ring den Angriff den Nucleophils behindert.
 Additions-Eliminations-Mechanismus:
F
F
NO2
OH-
-
NO2
NO2
-Fschnell
langsam
NO2
OH
OH
NO2
NO2
Geschwindigkeitsbestimmend ist nur der 1. Schritt:
v = k [Ar-X] [OH-];
d.h. Bindungsstärke Ar-X beeinflusst die Reaktion nicht.
3.4.2. Arin-Mechanismus:
Nucleophile aromatische Substitution über EliminationsNH
Cl
Additions-Mechanismus:
2
NH2-
+ Cl-
-33oC
fl. NH3
Beweis: Substitution an 4-Chlortoluen:
NH2
NH2-
Cl
H
Cl
H
-
38%
NH3
NH3
CH3
CH3
CH3
CH3
H
NH2
ArinZwischenstufe
62%
CH3
4. Eliminierungen
Sind die wichtigsten Konkurrenzreaktionen der aliphatischen Substitutionen. Meist ß-Eliminierungen (d.h. austretende Gruppen an
benachbarten C-Atomen); aus gesättigten Verbindungen 
HO
OH
Alkene.
Br
ClCl
oder
oder
H2O
Hydrolyse
Substitution
Hydrolyse und
Umlagerung
oder
oder
Eliminierung
Eliminierung und
Umlagerung
3 Mechanismen möglich:
4.1. E1-Reaktion: Bindung C-Ab (=Abgangsgruppe) wird heterolytisch gespalten  Carbokation  Verlust von H+  π-Bindung
- AbH-CH2-CH2-Ab
langsam
- H+
H-CH2-CH2+
Carbokation
schnell
CH2=CH2
Monomolekulare Eliminierung, v = k [R-X]; besonders bei tert.
Halogenalkanen, polare LM begünstigen, ebenso hohe Temp.
4.2. E1cB-Reaktion (cB = “conjugate base”)
Zuerst wird das H+ entfernt, es entsteht die “conjugate base”,
dann wird die Abgangsgruppe abgespalten:
- H+
H-CH2-CH2-Ab
schnell
- CH2-CH2-Ab
conjugate base
- Ablangsam
CH2=CH2
Der 2. Schritt ist geschwindigkeitsbestimmend.
Die Bildung von Arin aus Chlorbenzen mit NH2- läuft nach E1cB.
4.3. E2-Reaktion:
Base
H-CH2-CH2-Ab
CH2=CH2 + H-Base + Ab-
Konzertierte, bimolekulare Reaktion, H+ und Ab- werden gleichzeitig abgespalten; v = [R-X][Base]; bei primären und sekundären
Halogenalkanen.
H
H
CH3
CH3
H
H-O
H
Cl
CH3
+ H2O + ClH
CH3
-
E2- Eliminierungen laufen am leichtesten, wenn die austretenden
Gruppen zueinander anti-ständig sind, d.h. wenn die H-, Cα-, Cßund X-Atome (=Ab) in einer Ebene liegen („antiperiplanar“):
X
R
R
α
OH-
R
ß
R
Diese Konformation kann von allen
offenkettigen, um die Cα-Cß-Bindung
frei
drehbaren
Molekülen
eingenommen werden.
H
Aufgabe 5: Welches Produkt entsteht, wenn man 2-Brombutan mit
K-tert.Butylat umsetzt?
Br
H
H
CH3
CH3
H3C
H
H3C
-O-C(CH
H
3) 3
H
Z-But-2-en
günstigste Konformation
Bei cyclischen Verbindungen anti-Anordnung nur möglich, wenn
sowohl das H-Atom als auch das X-Atom axial stehen:
H
H
CH3
H
Cl
cis-1-Chlor-2-methylcyclohexan
B:-
H
1-Methylcyclohex-1-en
CH3
CH3
H
H
CH3
Base
H
Cl
trans-1-Chlor-2-methylcyclohexan
Base
H
H
H
thermodynamisch
weniger stabil, weil
weniger substituierte
Doppelbindung
3-Methylcyclohex-1-en
4.4. Konkurrenz Substitution – Eliminierung
4.4.1. Basenstärke des Nucleophils:
schwache Basen
starke Basen
H2O, ROH, PR3, N3OH-, OR-, H2N-, R2NHalogenide, RCOOwahrscheinlicher
Substitution
Eliminierung
4.4.2. Sterische Hinderung am Substrat:
sterisch ungehindert
sterisch gehindert
prim. Halogenalkane
verzweigte prim., sek.,
tert. Halogenalkane
wahrscheinlicher
Substitution
Eliminierung
4.4.3. Sterische Hinderung am Nucleophil:
sterisch ungehindert
sterisch gehindert
OH-, CH3O-, H2N(CH3)3CO-, [CH(CH3)2]2NSubstitution möglich
Eliminierung bevorzugt
Einfache Voraussage: Gewichtung 1-3 ~ gleich
SN2
Br
+
O-Na+
sterische Hinderung
am Substrat
+ NaBr
O
15%
in EtOH
E2
+ NaBr + EtOH
85%
O
SN2
Br
O-K+
+
sterische Hinderung
am Nucleophil
in t-BuOH
+ KBr
15%
E2
+ HBr
85%
O
SN2
Br
+
O-Na+
+ NaBr
90%
in EtOH
+ NaBr + EtOH
E2
10%
Verwendet man Lithiumdiisopropylamid (LDA) [(CH3)2CH]2N-Li+ als Base, tritt
nur Eliminierung auf, weil LDA nicht als Nucleophil reagieren kann.
4.5. Saytzeff- und Hofmann-Regel (Regioselektivität)
Saytzeff-Regel: Bei den meisten E1- und E2-Reaktionen entsteht
bevorzugt das thermodynamisch stabilere Alken, d.h. das Alken
mit der höher substituierten Doppelbindung.
Br
+
-Br-
-H+
+
schnell
langsam
< 1%
99%
oft auch Umlagerungen des Carbenium-Ions:
-H+
-Br+
+
Br
Hofmann-Regel: Es wird das weniger substituierte Alken
gebildet – kinetische Kontrolle – meist bei E2-Reaktionen mit
sperrigen Basen wie z.B. t-BuO-K+
(CH3)3CO-K+
Br
+
70%
( mit OH- Verhältnis 20:80 )
30%
Energieprofile für E2: (Saytzeff-Hofmann-Orientierung):
Hofmann fand seine Alkene bei der nach ihm benannten Abbaureaktion: Hofmann Abbau nach erschöpfender Methylierung:
quartäre Ammoniumgruppe = schlechte Abgangsgruppe 
bevorzugt Hofmann-Produkt)
CH3I (Überschuss)
NH2
Ag2O
N+(CH3)3
I-
N+(CH3)3
H2O
- H2O
- N(CH3)3
OHerhitzen
E2-Reaktion)
Aufgabe 6: Welches Alken entsteht durch wiederholte HofmannEliminierung aus N-Methylazacycloheptan?
1. CH3I
2. Ag2O, H2O
3. erhitzen
N
CH3
1. CH3I
2. Ag2O, H2O
3. erhitzen
N(CH3)2
+ N(CH3)3
Hexa-1,5-dien