Reaktionsmechanismen in der organischen Chemie

Reaktionsmechanismen in der organischen Chemie



Generell lassen sich drei verschiedene Reaktionstypen in der organischen Chemie unterscheiden:

    Substitutionsreaktionen (S - Reaktion) Additionsreaktionen (A - Reaktion) Eliminierungsreaktionen (E - Reaktion)



1. Substitutionsreaktionen


Radikalische Substitution


Radikalische Substitutionsreaktionen laufen in drei Reaktionschritten ab:

    Startreaktion

Ein Radikalbildnermolek√ľl wird unter Energiezufuhr, z.B. Licht (Photolyse) oder W√§rme (Thermolyse) in homolytisch, d.h. in zwei gleiche Radikale ( Verbindungen mit einem ungepaarten Elektron) gespalten.




    Kettenreaktion

Die durch die Startreaktion entstandenen Molek√ľle entrei√üen dem Kohlenwasserstoffmolek√ľl, an dem Substitution stattfinden soll, ein H - Atom. Es entsteht ein neues Kohlenwasserstoff - Radikal. Dieses kann nun seinerseits aus einem Substituentenmolek√ľl ( oben mit X - X gekennzeichnet) eine Substituentengruppe abspalten. Dabei entsteht erneut ein Radikal, so dass die Reaktion den Zyklus weiter durchlaufen kann ( die neu entstandenen Radikale ersetzen wiederum H - Atome usf.).

    Kettenabbruchsreaktion

Die Reaktion kommt beispielsweise durch Rekombination zweier Radikale zum Stillstand.



Eine zweite M√∂glichkeit des Kettenabbruchs ist eine sog. Disproportionierung, d.h. dass bei zwei radikalischen Molek√ľlen zum einen die Oxidationszahlen des beteiligten Kohlenstoffs sinken, beim anderen steigen
Beispiel:

Nukleophile Substitution (SN - Reaktionstyp)


Allgemein gesehen ist eine nukleophile Reaktion eine chemische Umsetzung, in der ein nukleophiles ( d.h. entweder negativ geladenes oder polarisiertes oder ein solches mit freiem Elektronenpaar) Reagens einen Molek√ľlbereich, in dem Elektronenmangel herrscht, angreift. Ein nukleophiles Reagens oder Agens gibt Elektronen an das Substrat ab, wirkt also als Reduktionsmittel.
Man unterscheidet zwei unterschiedliche Mechanismen: SN1 - und SN2 - Reaktionen.

    SN1 - Reaktion ( monomolekulare nukleophile Substitution)

Dieser Mechanismus soll im folgenden exemplarisch an der Umsetzung von 2 - Brom - 2 - Methylpropan mit OH- erläutert werden.
In einer langsam laufenden Reaktionsschritt (geschwindigkeitsbestimmend) wird zunächst das 2 - Brom - 2 - Methylpropan unter Mitwirkung des Lösemittels Wasser gespalten.














Das sich bildende, positive Carbeniumion ist planar gebaut ( angedeutet durch die eingezeichnete Ebene). Es stabilisiert sich in einem zweiten Reaktionschritt durch eine schnelle Ionenreaktion mit OH-. Die Anlagerung kann von beiden Seiten erfolgen.

Die Reaktionsgeschwindigkeit der SN1 - Reaktion ist nur von der Konzentration des Substrats abhängig, nicht von der OH- - Konzentration.

    SN2 - Reaktion (bimolekulare nukleophile Substitution)

Eine Reaktion nach diesem Mechanismus kann erfolgen, wenn das nukleophile Reagens auf der der zu substituierenden Gruppe abgewandten Molek√ľlseite liegt. Bei einer Ann√§herung beider Reaktionspartner kommt es zu einem planaren √úbergangszustand, in dem sowohl die eintretende Gruppe schon als auch die austretende noch locker an das zentrale C - Atom gebunden sind.









Der √úbergangszustand stabilisiert sich durch Abgabe der zu substituierenden Gruppe. Hierbei findet eine r√§umliche Umordnung der Reste nach Art eines umgest√ľlpten Regenschirms statt. Dieses stereometrische Ph√§nomen wird Waldensche Umkehrung genannt. Die Reaktionsgeschwindigkeit h√§ngt von der Konzentration beider Reaktionspartner ab.

Elektrophile Substitution (SE - Reaktionstyp)


Eine elektrophile Reaktion ist ein chemischer Vorgang, bei dem ein Reagens ein elektronenreiches Zentrum im Substrat angreift. Den angreifenden Reaktionspartner nennt man elektrophiles Reagens. Dieses nimmt Elektronen auf, wirkt also als Oxidationsmittel.
Die elektrophile Substitution ist die typische Reaktion f√ľr die Substitution an aromatischen Systemen. Als Beispiel soll die Bromierung von Benzol dienen.
Die Reaktion beginnt mit der ann√§herung eines Brommolek√ľls an die delokalisierten π - Elektronen des aromatischen Systems. Diese lose Wechselwirkung wird π - Komplex genannt.



Das nun polarisierte Brommolek√ľl wird durch eine Lewis - S√§ure (Verbindung mit Elektronenl√ľcke, z.B. FeBr3) gespalten. Das positivierte Bromatom lagert sich unter Ausbildung einer σ - Bindung an das aromatische System an, es kommt zur Ausbildung eines σ - Komplexes.










Der σ - Komplex ist relativ instabil, da der die Homogenit√§t des aromatischen Systems st√∂rt. Er stabilisiert sich durch Abspaltung eines H+.










3. Additionsreaktionen


Radikalische Addition (AR - Reaktionstyp)


Radikale verm√∂gen die π - Bindungen in C - C - Doppel - und - Dreifachbindungen wegen deren geringer Stabilit√§t zu entkoppeln und damit den Reaktionsstart einzuleiten. Dabei reagiert das Radikal mit einem durch die Entkoppelung ungepaart vorliegenden Elektron. Die folge ist die Bildung eines C - Radikals, das seinerseits mit einem aus dem angreifenden Reagens gebildeten Radikal unter Abs√§ttigung reagiert.
Der erste Reaktionsschritt entspricht dem der radikalischen Substitution: durch Energiezufuhr werden Radikale gebildet.
Der zweite Reaktionsschritt besteht im radikalischen Angriff auf die π - Bindungen. Es kommt zur Bildung eines C - Radikals. Im dritten Reaktionsschritt kommt es zum Kettenabbruch durch Kombination zweier Radikale.



Elektrophile Addition (SE - Reaktionstyp)
Die elektrophile Addition verl√§uft analog zur SE - Reaktion. Es kommt, mit Umweg √ľber den π - Komplex zur Bildung eines Carbeniumions. Das nukleophile Teilchen lagert sich an das positive Zentrum an, es kommt zur Ausbildung des Additionsproduktes (durch Abspaltung von H+).












4. Eliminierungsreaktion


Eliminierungen kann man als Umkehrung der Addition auffassen.
Im ersten Reaktionsschritt kommt es zur Bildung eines Carbeniumsions durch X aus dem Molek√ľlverband. Dieser langsame Prim√§rschritt bestimmt die Geschwindigkeit der Reaktion.
Der zweite Reaktionsschritt: ein Proton l√∂st sich, wodurch das im ersten Reaktionsschritt gebildete Ion vernichtet und das Gesamtmolek√ľl stabilisiert wird.

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