4. Die Nucleophile Addition

4.1 Rekapitulation Schulwissen

Die Nucleophile Addition A_N ist eine Additionsreaktion an eine C=X-Doppelbindung, die in zwei Schritten erfolgt:

Grundschema der Nucleophilen Addition
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Schritt 1:

Ein Nucleophil, in der Regel also eine Lewis-Base, lagert sich an das positiv polarisierte C-Atom der C=X-Doppelbindung an.

Oft ist das C-Atom nicht positiv genug polarisiert, um ein Nucleophil direkt anzulagern. In diesem Fall hilft eine saure Katalyse: Zunächst lagert sich ein Proton an das X-Atom der C=X-Bindnug an, die positive Ladung wird dann auf das C-Atom übertragen, und dieses ist jetzt in der Lage, das Nucleophil aufzunehmen, selbst dann, wenn dieses recht schwach ist.

Schritt 2:

Ein Elektrophil, oft eine Lewis-Säure, lagert sich an das X-Atom an.

Bei der sauren Katalyse findet die Addition eines Protons vor der Addition des Nucleophils statt. Wenn dann kein anderes Elektrophil mehr dazukommt, ist halt das Proton dieses Elektrophil. Streng genommen müsste man dann eigentlich von einer elektrophilen Addition sprechen, weil ja der erste Schritt, die Anlagerung eines Protons, eine elektrophile Reaktion ist.

Das Atom X

Im Unterricht der gymnasialen Oberstufe wird die Nucleophile Addition immer am Beispiel der Ketone und Aldehyde besprochen, vor allem die Addition von Cyanwasserstoff HCN an Aceton wird gern behandelt, weil diese Reaktion ein wichtiger Zwischenschritt bei der Herstellung der Plexiglas-Monomere ist ("Vom Erdöl zum Plexiglas"). Bei Aldehyden und Ketonen ist X also ein Sauerstoff-Atom, und die Nucleophile Addition findet an der C=O-Doppelbindung statt.

X kann aber auch ein anderes Atom als Sauerstoff sein, vor allem Stickstoff und Schwefel kommen hier in Frage. Unter günstigen Umständen können nucleophile Substitionen aber auch an der C=C-Doppelbindung stattfinden, dann ist X eben Kohlenstoff. Eine nucleophile Addition an der C=C-Doppelbindung klappt allerdings nur dann, wenn die Elektronendichte der C=C-Doppelbindung durch elektronenziehende Substituenten (induktive oder mesomere Effekte) stark reduziert worden ist.

Die Addition von HCN an Aceton

Addition von Blausäure an Aceton
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Zunächst setzt sich das Cyanid-Anion mit seinem negativ geladenen C-Atom an das positiv polarisierte C-Atom der C=O-Gruppe von Aceton. Die negative Ladung, die das Cyanid-Anion mitgebracht hat, wird dann auf das O-Atom der C=O-Gruppe übertragen. An dieses negativ geladene O-Atom setzt sich dann im zweiten Schritt ein Proton, und fertig ist das Cyanhydrin (Verbindung mit einer OH- und einer CN-Gruppe am selben C-Atom).

4.2 Studienvorbereitung

Im Chemiestudium spielt die Nucleophile Addition an die C=O-Gruppe dagegen eine wichtige Rolle. Meistens werden die wichtigsten Additionstypen systematisch abgehandelt, angefangen mit der Addition von Wasser.