Was ist eine Substitutionsreaktion?
Eine Substitutionsreaktion ist eine chemische Reaktion, bei der ein Bestandteil einer organischen Verbindung, ein Kohlenstoffmolekül und andere Elemente durch eine funktionelle Gruppe eines zweiten Reaktanten ersetzt oder substituiert werden. Funktionelle Gruppen, reaktive Untergruppen organischer Verbindungen, ersetzen Wasserstoff oder andere funktionelle Gruppen mit geringerer Aktivität. Eine Substitutionsreaktion kann Alkanen, geradkettigen Kohlenwasserstoffen und anderen Verbindungen Funktionalität oder Reaktivität verleihen.
Alkane, der einfachste der Kohlenwasserstoffe, bestehen aus geraden, unterschiedlich langen Ketten kovalenter Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen, die von Wasserstoffatomen umgeben sind. Kovalente Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen teilen sich die äußersten Elektronen, um eine stabile Konfiguration zu bilden. Organische Chemiker ersetzen funktionelle Gruppen an gewünschten Stellen im Kohlenstoffgerüst, um neue Moleküle zur Verwendung als Endprodukte oder Vorläufer für Formulierungen anderer nützlicher Verbindungen aufzubauen.
Die Substitutionsreaktion eines Alkans mit einem Halogen, einschließlich Chlor, Fluor oder Brom, erzeugt halogenierte Kohlenwasserstoffe, auch Alkylhalogenide genannt. Alkylhalogenide können weiterhin zu mehrfach substituierten Verbindungen modifiziert werden. Übliche Beispiele sind Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), die früher als Kältemittel verwendet wurden. Wenn die zuzusetzende Gruppe eine Hydroxylgruppe (-OH-) ist, bilden sich bei Reaktionen in basischen Lösungen oder in Wasser Alkohole oder Halogenalkohole.
Die Kohlenstoff-Halogen-Bindung ist stärker als die kovalente Bindung der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung. Das Halogenid zieht das Elektronenpaar zu sich selbst und lässt den mittleren Kohlenstoff leicht positiv zurück. Eine Substitution in diesem Szenario wird als nukleophile Substitution bezeichnet, wenn sich die nukleophile, kernliebende, negativ geladene Hydroxidgruppe oder ein zusätzliches Halogenidatom dem Alkylhalogenid von der dem ersten Halogenidatom gegenüberliegenden Seite nähert. Die negative Ladung der sich nähernden Gruppe vermeidet die negative Ladung der vorhandenen Halogenidgruppe.
Ein Kohlenstoff bindet normalerweise mit vier anderen Atomen in einem Tetraeder, einer dreieckigen Pyramidenform. Eine Rechts-Linkshändigkeit gegenüber dem Molekül ist möglich, wenn es durch zwei verschiedene Gruppen ersetzt wird. Die Annäherung des zweiten Nucleophils aus einer einzigen Richtung bewirkt, dass die Produkte dieselbe dreidimensionale Konfiguration aufweisen. Durch das zweite Nucleophil springt das Tetraeder von innen nach außen, während es sich mit dem zentralen Kohlenstoff verbindet, ähnlich wie sich ein Regenschirm im Wind von innen nach außen dreht. Dies ist eine SN2-Substitutionsreaktion: Substitution durch ein Nucleophil in einer bimolekularen Reaktion.
Bei einer SN1-Substitutionsreaktion übernimmt das Halogenid für einen kurzen Moment die Kontrolle über das Elektronenpaar. Das nun hoch positiv geladene zentrale Kohlenstoffatom versucht, seine Bindungen so weit wie möglich zu trennen und bildet statt eines Tetraeders eine planare Dreiecksform. Das zweite Nucleophil kann sich dem Kohlenstoff von beiden Seiten nähern und ein racemisches Produktgemisch bilden, das gleiche Konzentrationen der rechten und linken Spezies der Verbindung enthält.
SN1- und SN2-Reaktionen konkurrieren miteinander; SN2-Reaktionen sind häufiger. Die Stärke des Nucleophils, die Stärke der verdrängten Gruppe und die Fähigkeit des Lösungsmittels, geladene Spezies zu stützen, sind einige der Faktoren, die den Reaktionsmechanismus bestimmen. Reaktionsbedingungen, insbesondere die Temperatur, beeinflussen das Ergebnis.