nucleophile Substitution

Reaktionstypen der Aliphate
Klasse 8
Einleitung
Reine Kohlenstoffketten, wie Alkane, Alkene und Alkine werden als Aliphate
bezeichnet. Bei jeder chemischen Reaktion werden bestehende Verbindungen
gebrochen und neue Bindungen erstellt.
Chemische Reaktionen der Alkane
Alkane sind aufgrund der starken Atombindung zwischen den C und H Atomen
reaktionsträge. Ein Energiegewinn ergibt sich bei der Reaktion mit Sauerstoff.
CH4 + 2 O2 CO2 + H2O
∆CH0 = -890kj/mol
∆H: Enthalpie: bei den meisten chemischen Reaktionen wird die Wärme
ausgetauscht.
Die bei einem konstanten Druck übertragene Wärmemenge ist gleich der
Enthalpieänderung ∆H eines Systems.
∆H = Qp = ∆U + p · ∆V = Cp · ∆T
Q: Wärmemenge, U: innere Energie, C: spezifische Wärmekapazität
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Reaktionstypen der Aliphate
Einleitung
Weiterer Grund für die Reaktionsträgheit:
Geringe Polarität der kovalenten Bindung
ENC = 2,5; ENH = 2,1
Keine freien d – Orbitale zum Angriff für LEWIS Basen Reaktionsträgheit
gegenüber polaren Reagenzien.
Eine gemeinsame Eigenschaft aller Kohlenwasserstoffe ist ihre Brennbarkeit.
Dabei entsteht Kohlenstoffdioxid und Wasser sowie Energie.
C8H18
+
12,5 O2
8 CO2
+
9 H2O
Die hohe Aktivierungsenergie wird jedoch von Halogenen aufgebracht. Die
Halogenierung verläuft nach dem Mechanismus der radikalischen Substitution.
CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl
Substitution
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Reaktionstypen der Aliphate
Einleitung
Zusammenfassung der Reaktionstypen in der organischen Chemie
elektrophile
Addition (AE)
radikalische
Addition (AR)
Addition
Redoxreaktionen
Eliminierung
Organische Reaktionen
Carbonylreaktionen
Substitutionen
radikalische
Substitutionen (SR)
nucleophile
Substitutionen (SN)
elektrophile
Substitutionen (SE)
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Reaktionstypen der Aliphate
Substitutionsreaktionen
Bei Substitutionsreaktionen werden Atome oder Atomgruppen in einem
Molekül ausgetauscht. Wasserstoff wird durch ein Halogen ersetzt. Dabei
ändert sich die Polarität einer Bindung.
Man unterteilt in radikalische, nucleophile und elektrophile
Substitutionen. Der Hybridisierungszustand der C – Atome bleibt
erhalten.
Radikalische Substitution (SR)
Bsp.: Chlorierung von Methan
CH4
+ Cl2
CH3Cl
+
HCl
Die Bindung in einem Molekül kann homolytisch gespalten werden: Die
Elektronenpaarbindung wird so aufgeteilt, dass je ein Elektron auf die
entstehenden Molekülteile übergeht. Dabei entstehen zwei Teilchen mit je
einem ungepaarten Elektron, zwei Radikale.
A–B
↔
A· + ·B
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Reaktionstypen der Aliphate
Substitutionsreaktionen
Die nucleophile Substitution (SN) findet an Substraten statt, die an einem
gesättigten, sp3 –hybridisierten Kohlenstoffatom eine polare Atombindung
besitzen. Das Nucleophil tauscht eine an diesem sp3 C –Atom gebundene
funktionelle Gruppe aus.
Bei der bimolekularen nucleophilen Substitution (SN2) entsteht ein
fünfbündiger Übergangszustand. Es werden keine Zwischenstufen gebildet.
Die monomolekulare Substitution (SN1) findet in zwei Schritten statt. Zuerst
wird die polare Atombindung gespalten, dann reagiert die nucleophile
Reagenz mit dem Carbo-Kation.
Nucleophile Substitutionsreaktionen laufen nach folgenden allgemeinen
Gleichungen ab:
X: + R─Y
X:- + R─Y
↔
↔
(nucleofuge Gruppe)
R─X+ + :YR─X + :Y5
Reaktionstypen der Aliphate
Substitutionsreaktionen
Beispiele für nucleophile Substitutionsreaktionen:
X:-
+
R─Y
I-
+
H3C
OH-
+
H3C─Br
Cl
R─X
H3C
H3C─OH
CH3
CH3O-
+
H3C
+
Y-
+
Cl-
+
Br+
+
I-
CH3
I
1-Iod-2-methylpropan
CN-
I
+
H3C─Br
Brommethan
H3C
OCH3
1-Methoxy-2-methylpropan
H3C─CN
Acetonitrit
+
Br-
Ein Nucleophil X oder X- greift eine Verbindung R─Y an und verdrängt daraus den
Substituenten Y-. Das Nucleophil muss ein freies Elektronenpaar besitzen, das für die
Bildung der neuen R─X Bindung hergenommen werden kann. Das Elektronenpaar der
R─Y Bindung geht auf die nucleofugen Gruppe Y über, die das Molekül als Y- verlässt.
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Reaktionstypen der Aliphate
Substitutionsreaktionen
Beispiele für nucleophile Substitutionsreaktionen:
+
R─Y
R─X+
+
(C2H5)3N +
CH3I
(C2H5)3N+─CH3
+
Triethylamin
Iodmethan
(CH3)2S +
CH3Cl
Dimethylsulfid
Chlormethan
X:
+
H2O
+
H3C
HBr
+ H3C
O
Cl
CH3
+
H3C
R─X+─H
Bromethan
Cl-
Y:-
H3C
OH
+
H3C
Br
+ CH3CH2OH
+
Bromethan
Br
+
Trimethylsulfonium-Ion
Diethylether
NH3
(H3C)2S+─CH3
R─Y
I-
Methyltriethylammonium-Ion
H─X
Y-
H3C
NH2
R─X +
H─Y
HCl
Ethanol
+
HBr
Ethylamin
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