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Reaktionsmechanismen der Organik
Nukleophile Substitution - SN1- und SN2-Mechanismus
Bei der nukleophilen Substitution wird ein Atom oder eine Atomgruppe gegen eine andere ausgetauscht, wobei es sich bei dem angreifenden Teilchen um ein Nukleophil handelt – also ein Teilchen mit mindestens einem freien Elektronenpaar, das für eine Bindung zu einem anderen Atom genutzt werden kann. Dieser organische Reaktionsmechanismus wird abgekürzt mit SN – das S steht für Substitution, das tiefgestellte N für nukleophil (oder auch nucleophil mit „c“) – in diesen zwei Buchstaben stecken also schon alle Informationen aus dem einleitenden Satz.
Der Reaktionstyp Substitution
Wichtigste Voraussetzung für das Ablaufen dieser Reaktion ist, dass das Ausgangsmolekül über eine sogenannte Abgangsgruppe verfügt. Dabei handelt es sich um Atome oder auch Atomgruppen (=funktionelle Gruppen), die sich relativ einfach abspalten lassen. Der Grund liegt in der Polarisierung der Bindung und/ oder in der Größe (und damit der Stabilität) der „abgehenden“ Teilchen (zB. als Ionen). Gute Abgangsgruppen sind Halogene wie Chlor, Brom oder Iod (Fluor ist keine Abgangsgruppe), aber auch andere wie etwa Tosylate, Mesylate oder Triflate. Die Hydroxyfunktion eines Alkohols ist keine gute Abgangsgruppe – möchte man diese substituieren, muss man sie zuerst in eine bessere Abgangsgruppe umwandeln, mindestens durch Protonierung, viel, viel besser aber noch durch eine Veresterung zum Tosylat. Die folgende Übersicht zeigt einige Abgangsgruppen, sie sind willkürlich gewählt und nicht nach ihrer "Güte" geordnet:
einige ausgewählte Abgangsgrupen (ungeordnet!)
Die Konkurrenzreaktion der nukleophilen Substitution ist eine Eliminierungsreaktion. Durch die Wahl geeigneter Reaktionsbedingungen (Temperatur, Lösungsmittel) kann gesteuert werden, welche Reaktion abläuft.
Bei der nukleophilen Substitution unterscheiden wir im Wesentlichen 2 verschiedene Reaktionsmechanismen, die monomolekulare Substitution (SN1) und die bimolekulare Substitution (SN2).
Bei der SN1-Reaktion erfolgt im ersten Schritt die Abspaltung der Abgangsgruppe zur Bildung eines Carbeniumions (oder Carbokation). Danach erfolgt der Angriff des Nukleophils. Aufgrund dieses schrittweisen Ablaufs wird die SN1-Reaktion auch als Stufenreaktion bezeichnet.
Der SN1-Mechanismus
Bei der SN2-Reaktion erfolgen Angriff des Nukleophils und Austritt der Abgangsgruppe in einem Schritt – daher auch die Bezeichnung Synchronreaktion.
Der SN2-Mechanismus
Bei beiden Mechanismen handelt es sich um idealisierte Grenzfälle, oft laufen auch beide Reaktionen ab und es gibt nur eine Bevorzugung. Welcher Weg eingeschlagen wird, kann durch die Wahl des Substrats (=Ausgangsstoff), Lösungsmittel und anderer Reaktionsbedingungen erfolgen. Allgemein kann man sagen: ist die Abgangsgruppe primärer Natur, wird der SN2-Mechanismus bevorzugt, bei tertiären der SN1-Mechanismus.
Dir stehen hier 3 Videos zur Verfügung. Das hat den einfachen Grund, dass diese zu verschiedenen Zeiten und mit verschiedenen Absichten erstellt wurden. Die ersten beiden Videos behandeln SN1 und SN2 einzeln, dabei wird auch kurz auf die Zeitgesetze eingegangen. Beim dritten Video spielen diese keine Rolle, der Fokus liegt hier eher auf dem stereochemischen Unterschied in den gebildeten Produkten.
Grundlagen
Die angreifenden Teilchen und die Grundlagen des Reaktionstyps sollten dir bekannt sein:
Videos
Das erste Video behandelt den SN1-Mechanismus:
Direktlink zum Video auf Youtube
Im zweiten Video geht es um den SN2-Mechanismus:
Direktlink zum Video auf Youtube
Im dritten Video werden beide Mechanismen direkt miteinander verglichen, wobei das Hauptaugenmerk auf dem stereochemischen Unterschied der Produkte liegt.
Achtung: Wie auch im Video angemerkt, war die Äußerung, dass das Wort Substitution aus dem englischen kommt ziemlicher Käse - es kommt aus dem latainischen - substituere = ersetzen. Der geneigte Zuschauer englisch kommentierter Sportveranstaltungen kann es sich aber vielleicht so merken - vielleicht wollte ich das sagen ;-) Da dies in meinen Augen aber kein wesentlicher Fehler ist, habe ich nichts weiter bearbeitet und das Video nur mit diesem Kommentar versehen.
Direktlink zum Video auf Youtube
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Weiterführende Videos
Hiwer findest du viele weitere Mechanismen der Organik:
warum soll das Nukleophil bei Sn2 durch das Lösungsmittel solvatisiert werden ? Das bringt Stabilität und sonst ? Wird dadurch nicht eigentlich das Nukleophil gehemmt ? Gilt das solvatisieren auch für Sn1 und wie läuft das ab ?
Danke schon mal im vorraus !
Solvatisiert wird immer alles, die Lösungsmittel haben idR einen Effekt auf die gebildete Zwischenstufe - Carbeniumion oder 5-gliedriger Übergangszustand.
Nenn mir bitte mal die Stelle, dann kann ich genauer antworten.
Grüße,
alex
Da wirds etwas komplexer. Das eine sind die schon angesprochenen Übergangszustän de/ Zwischenstufen, das andere die Solvatation der Anionen/ Nukleophile.
Solvatisiert werden sie immer, die Frage ist nur, inwieweit dies die Reaktivität beeinflusst.
Polar protische Lösungsmittel (protisch von Proton, zB. H2O) können Wasserstoffbrüc kenbindungen ausbilden und senken somit die Reaktivität - wenn die Reaktivität des Nukleophils gesenkt wird, braucht es einen starken Reaktionspartne r, der dann am ehesten im Carbeniumion zu finden ist, daher eher SN1 (bei sekundären und tertiären Verbindungen).
Bei polar aprotischen Lösungsmittel wird die Reaktivität des Nukleophils nicht herabgesetzt, sie sind also bedeutend aggressiver und können so schon eher mit einer nicht ionischen (nur polarisierten) Verbindung reagieren.
Aber Achtung: SN1 und SN2 sind Grenzfälle wie schon öfter beschrieben - je mehr Faktoren man betrachtet, desto komplizierter wird die ganze Geschichte, oft laufen beide Typen ab.
Verstanden?
Grüße,
alex
Viel Erfolg damit!
Danke für den Hinweis!
Warum werden die Positionen der R'' und R''' bei den Produkt der SN1 und SN2 verdreht?
Sind die beiden Produkte von SN1 nicht die selben, da die Positionen der R'' und R''' vertauscht sind und sich dadurch das Produkt vom linken Angriff einfach um 180° drehen lässt und somit genauso aussieht, wie das Produkt vom rechten Angriff?
Liebe Grüße,
Jonas
Wobei eine Hydroxygruppe keine allzu gute Abgangsgruppe ist und da eher ein Tosylat, zumindest aber die protonierte Form draus gemacht werden sollte (so, dass Wasser abgeht)... rein mechanistisch passt es aber
das mit den sekundären stimmt dann dafür wieder
Eine Faustregel die man sich dann daraus ableiten kann wäre dann: primäre Alkohole bevorzugen eher SN1 und tertiäre eher SN2
sekundäre Alkohle beides oder ?
klar:
SN1: ionische Zwischenform muss stabil sein. dh. bevorzugt bei tertiären Carbeniumionen (im Übergang), bevorzugt im polaren Lösungsmittel, da diese die Zwischenstufe ebenfalls stabilisieren
SN2: im Grunde das Gegenteil, im unpolarem (bzw. unpolarerem) Lösungsmittel, bevorzugt bei primären Fuktionalitäten (=Halogenid, Tosylat...allg. Abgangsgruppe)
bei sekundären Kohlenstoffen kann es Mischtypen geben. Beides sind Extremfälle, es kann auch beides ablaufen wobei sich dann bei SN1 durch Umlagerung des Carbeniumions zur stabileren Form (=tertiär) Neben- bzw. andere Produkte ergeben können.
Soweit etwas klarer?
Frag gern nach - hast du Beispiele, die du lösen musst?
ja, "sie liegen auf einer Ebene" bedeutet sie sind "platt" Eiegntlich beantwortest du es ja schon selbst.
SN1, die erste: Es muss eine gute Abgangsgruppe sein, also als geladenes Teilchen relativ stabil existieren können. Wenn die Bindung relativ schwach ist und das Resultat stabil, dann geht das auch "einfach so". Stichwort zum Googeln ist also "Abgangsgruppe" - ich versuche dazu was zu machen.
SN1, die zweite: Wenn die funktionellen Gruppen in der Ebene vom Übergangszust. von einer Seite betrachtet ABC lauten, so ist es von der anderen Seite betrachten umgekehrt - die Art WIE die Substituenten zueinander stehen ist also eine andere, Stichwort hier "Chiralität" oder "Händigkeit" - auch das Thema wird hier noch ausgebaut.
Grüße,
alex
Und was mir noch unverständliche r ist:
Bei S1: Warum löst sich das Teilchen x von dem Molekül ab? Gibt es da irgendeinen Grund oder macht es das einfach so?
Letzte Frage: Bei S1: Wieso macht das einen Unterschied, ob das Nukleophil sich jetzt links oder rechts anbindet? Kann man das überhaupt unterscheiden? Ist es nicht das selbe, wenn man es dreht?
Kannst du mir das vielleicht beantworten oder zumindest die zweite Frage? Bitte...
Was nun abläuft, hängt stark von den Reaktionsbeding ungen ab - in welchem Lösungsmittel wird das gemacht etc. - verwendet man ein polares Lösungittel (zB Aceton), wird die ionische Zwischenform stabilisiert, ein unpolares LM erschwert das.
Hast du denn mehr Infos zu der Aufgabe? Lösungsmittel oder Reaktionsproduk t? Dann könnte man den Mechanismus genau definieren - nach deinen Infos ist prinzipiell erstmal alles möglich und so hatte ich deine Frage auch verstanden. Wenn es wirklich KaliLAUGE ist, wäre das wässrig und sicherlich SN1 und damit Isopropanol.
Hast du dir die Mechanismen im Video angeschaut? Dort ist es besser erklärt als ich das per Text kann.
In jedem Fall ersetzt also das Hydroxidion das Bromid und dafür gibts zwei verschiedene Wege. Das "rausgeschubste " Bromid und das Kaliumion fallen idR. als Kaliumbromid aus der Lösung aus.
Soweit klar jetzt?
Grüße,
alex
wäre sehr hilfreich und auch an diesem versuch spezifisch erklären was für eine reaktion ( sn1 / sn2) und warum?