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Transkript Nucleophile Substitution

In diesem Video wollen wir uns mal mit der nucleophilen Substitution beschäftigen. Nucleophil, zu Beginn als Begriffsklärung, bedeutet kernliegend, und da Kerne elektrisch positiv geladen sind, ist das gleichbedeutend damit, dass unser Teilchen irgendwo freie Elektronenpaare haben muss, die es dem Kern anbieten kann. Nächstes Wort ist Substitution, das kommt vom englischen substitution und bedeutet so viel wie auswechseln oder austauschen. Das sagt im Prinzip schon alles. Dieses Nucleophil wird hier sozusagen dieses Teilchen X irgendwo ersetzen und es austauschen. Wir haben eine Verbindung R-X. Dieses X kann ein Chloratom oder etwas Ähnliches sein. Wichtig ist, dass es Elektronen ziehen kann und als ein negatives Teilchen dann irgendwo abgeben kann. Was daraus resultiert, ist dann die Verbindung R-Nu. Wenn unser Nucleophil nun beispielsweise ein Hydroxidion ist, würde daraus ein Alkohol resultieren. Gut, wie oben schon steht, gibt es im Wesentlichen zwei wichtige nucleophile Substitutionsarten. Das wäre zum Ersten die SN1-Reaktion, sieht ein bisschen komisch aus. S bedeutet Substitution, das N, das ist groß und ein bisschen tief gestellt, das bedeutet nucleophil, und diese 1 hier bedeutet, dass der geschwindigkeitsbestimmende Schritt über einen monomolekularen Mechanismus verläuft. Klingt kompliziert, klären wir aber gleich. Wir fangen also bei einem recht allgemeinen Molekül an, das schaut so aus. Wir haben ein zentrales Kohlenstoffatom mit einem Rest R', das kann irgendein Alkylrest oder etwas anderes sein, bloß halt kein Teilchen, das die Voraussetzungen erfüllt, die das X erfüllt, also eine bessere Abgangsgruppe wäre. Also nehmen wir einfach mal irgendwelche Alkylreste, drei verschiedene, und wir haben natürlich hier noch X drangebunden, also zum Beispiel unser Halogen. Im ersten Schritt kommt es nun zu einer Abspaltung des Halogens. Dieses kovalente Elektronenpaar wird hier diesem Substituentenmix zugeschrieben, demzufolge geht der Substituent X als negativ geladenes Teilchen irgendwo ab. Wäre es ein Halogen, wäre es zum Beispiel ein Chloridion oder so etwas in der Richtung. Daraus resultiert jetzt dieses Zwischenteilchen und dabei handelt es sich um ein Carbokation. Dieser Kohlenstoff hier ist nämlich nur noch dreibindig und das bedeutet, er trägt eine positive Ladung. Das Ding nennt man wie gesagt Carbokation oder auch Carbeniumion. Wichtig ist, dass dieses Ding im Idealfall trigonal planar vorliegt, also drei Ecken und in einer Ebene. Und das bedeutet, dass das Nucleophil zwei verschiedene Angriffsseiten hat. Denn wenn wir uns dieses Molekül einfach mal als die Hand vorstellen, kann es einmal von vorne und einmal von hinten angreifen. Genau so ist das hier auch. Wir haben also die Möglichkeit, dass das Nucleophil hier oder hier angreift. Demzufolge resultieren auch zwei verschiedene Produkte. Das wäre zum Ersten das Produkt, dass das Nucleophil von links angreift. Dann erhalten wir dieses Produkt. Und es gibt die Möglichkeit, dass es von hier angreift, dann erhalten wir im Grunde ein Produkt, das so ähnlich aussieht wie hier, wo das Nucleophil in derselben Postion ist. Das Ganze nennt man dann ein racemisches Gemisch. Und es ist von mehreren Faktoren abhängig, in welchen Anteilen das dann vorkommt. Ideal wäre natürlich 50:50, aber da spielen Lösungsmitteleigenschaften und auch die Art der jeweiligen Gruppen eine Rolle. Gut, dann hier noch R''' und hier ist unser Nucleophil jetzt. Okay, das wäre schon die SN1-Reaktion. Wir wollten die 1 noch klären. Ich hatte gesagt, das ist ein monomolekularer Mechanismus. Wichtig ist halt die Bildung dieser Spezies hier und die Bildung dieser Spezies ist nur abhängig von diesem einen Teilchen oder von dem Vorhandensein dieses einen Moleküls, da müssen keine anderen da sein. Und deswegen nennt man das Ganze monomolekular. Gut, wir können noch ganz kurz auf Lösungsmittel eingehen, die diese Reaktion begünstigen. Notwendig ist es hier eben, dass dieser Zwischenschritt stabilisiert wird, also dass dieses Carbokation irgendwie durch das Lösungsmittel solvatisiert und damit auch stabilisiert wird. Und das geschieht durch polar protische Lösungsmittel, und das ist zum Beispiel Wasser oder auch Ethanol oder so etwas in der Richtung. Das soll es zur SN1-Reaktion gewesen sein. Dann schauen wir uns als Nächstes die SN2-Reaktion an. Die Buchstaben haben immer noch dieselbe Bedeutung, also S Substitution, N Nucleophil und 2 bedeutet hier, dass wir einen bimolekularen Zwischenschritt haben. Wir schauen uns das Ganze auch wieder an wie eben. Wir haben dasselbe schematische Molekül, hier mit denselben Resten und hier hängt wieder unser X dran. Was jetzt hier die Besonderheit ist, ist dass hier schon am Anfang unser Nucleophil mit dem freien Elektronenpaar angreift. Also, es greift hier am Kohlenstoffatom an, dadurch wird diese Bindung hier ein wenig gelockert und es kommt zu einem Übergangszustand. Ganz exakt müsste man das dann wieder als ein Gleichgewicht formulieren und wir haben dann diesen Übergangszustand. Wir haben hier eine gewisse Ausbildung, eine Bindungsausbildung zu diesem zentralen Kohlenstoffatom, während diese Bindung natürlich gelockert wird. Das ist so, als wenn dieses Teilchen das andere Teilchen irgendwo rausdrückt. Und in diesem Übergangszustand gehen wir einfach mal davon aus, dass beide Teilchen noch gering gebunden sind, noch bzw. schon bei diesem Nucleophil. Gut, dann haben wir das als Zwischenstufe und wir nennen dieses Ganze einen Übergangszustand, und das wird verdeutlicht, indem wir dieses Zeichen dahinter machen und das Ganze in eckige Klammern setzen. Bei der SN1-Reaktion war das Ganze eine trigonal planare Form, wo dann unser Nucleophil zwei Möglichkeiten hatte, anzugreifen. Hier ist das Ganze im Grunde eine trigonale Bipyramide, also eine Pyramide oder zwei Pyramiden, die auf ihren dreieckigen Grundflächen miteinander verbunden sind. Also, dann stellt man sich das hier als die Mitte vor und hier jeweils die Spitzen, eine Bipyramide. Okay, es geht hier ganz einfach weiter, also das Nucleophil wird hier immer weiter drücken und es führt letztendlich dazu, dass hier unser Substituent X wieder rausgedrückt wird und wir erhalten dann ein Molekül, das natürlich hier auf dieser Seite dieses Nucleophil hat. Hier gibt es also nicht die Möglichkeit, dass es von mehreren Seiten angreifen kann. Der Rest R' bleibt im Grunde schematisch auch so stehen. Wir müssen ein bisschen beachten, dass dieses Nucleophil hier diese anderen Substituenten natürlich auch irgendwo wegdrückt. Das Ganze kann man sich so vorstellen, wie ein Regenschirm im Wind. Also wenn die Teilchen aufgrund der Tatsache, dass das X hier irgendwo war, in diese Richtung gezeigt haben, wird das dann im nächsten Schritt natürlich anders herum aussehen. Also, wie ein Regenschirm, der im Wind umklappt, oder man nennt es dann auch Waldeninversion. Das Ganze wird dann so ausschauen. Und wir erhalten, wenn alles gut läuft, auch nur dieses eine Produkt. Gut, dann gehen wir auch hier noch einmal ganz kurz auf die Lösungsmittel ein. Hier ist es wichtig, dass das Nucleophil solvatisiert wird, aber ohne dass es irgendwie noch besonders durch irgendwelche Wasserstoffbrücken oder Ähnliches stabilisiert wird. Demzufolge brauchen wir polar aprotische Lösungsmittel, ein Vertreter dafür ist zum Beispiel Aceton. Okay. Ich hoffe, es war verständlich, und wünsche noch viel Spaß beim Chemie lernen.

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3 Kommentare
  1. Lucas

    Richtig. Bei vergleichbaren Eigenschaften der Substrate spielt die Wahl des Lösemittels eine wesentliche Rolle.

    Von Lucas B., vor etwa 7 Jahren
  2. Default

    Hi Lucas!

    Finde es sehr schön, dass du die Videos so schön mit Kommentaren verzierst und viele tolle Ergänzungen lieferst!

    Die energetische Betrachtung etc. habe ich aussen vor gelassen, da ich einfach die Gefahr sehe hier zu viele Informationen reinzupacken, zu denen vielleicht wieder das nötige Vorwissen fehlt und so vielleicht mehr Fragezeichen hinterlassen werden als es am Anfang gab.

    Aus diesem Grund bitte beachten: Es geht hier um die Darstellung des Unterschiedes in beiden Reaktionsmechanismen, einmal über die Zwischenstufe des Carbeniumions mit prinzipiell beidseitig möglichen Angriffen und eben über den trigonal-bibyramidalen Übergangszustand unter Inversion.

    Die Zeitleistenkommentare sind natürlich eine tolle Option für diese Ergänzungen - wobei man natürlich zu fast jedem Satz eine Ergänzung/ Verbesserung liefern könnte - auch das X könnte ja eine Hydroxy-Gruppe sein, die erst nach Protonierung als Neutralteilchen abgespalten wird usw. usf.

    Kurz noch zum Lösungsmittel - letzten Endes ist doch das LM dafür verantwortlich, ob die entprechenden Formen überhaupt stabilisiert werden können, demzufolge würde ich bei vergleichbaren Eigenschaften des Substrats sowie des Nucleophils schon das LM als wesentlich betrachten - so war das hier gemeint.

    Eine richtig ausführliche Darstellung könnte man ja nochmal in getrennten Videos versuchen, ich denk mit beiden wirds einfach zu heftig auf dem Niveau..

    Danke für deine Mühe!!!

    lg

    alex

    Von Alex S, vor etwa 7 Jahren
  3. Lucas

    Man beachte: SN1 und SN2 sind mechanistisch gesehn Grenzfälle. Die Realität verläuft sehr oft irgendwo dazwischen. Mal mehr nach SN1, mal mehr nach SN2. Dies hängt unter anderem wie im Video angedeutet von den gewählten Lösemitteln ab, vielmehr aber von der Struktur des Elektrophiles (Das Teilchen das vom Nukleophil attakiert wird) und der Stärke des Nukleophiles. SN1 und SN2 stehen alos in Konkurrenz miteinander. Die Nukleophile Substitution steht darüber hinaus auch noch mit der Eleminierung in Konkurenz.

    Synthetisch wertvoll sind vor allem die SN2-Typ Reaktionen, da diese unter erhalt von Stereoinformation verlaufen.

    Es sei weiterhin angemerkt, dass bei Prüfungsaufgaben dieser Art im Normalfall immer nach dem sogenannten Energetischen Verlauf entlang der Reaktionskoordinate gefragt wird. Dies wurde in diesem Video nicht gezeigt, sollte aber unbedingt verinnerlicht werden.

    Von Lucas B., vor etwa 7 Jahren