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Die SN2-Reaktion näher betrachtet

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Ein erster Hinweis

Bei der SN2-Reaktion hängt die Geschwindigkeit der Reaktion von der Konzentration des organischen Substrats und von der Konzentration des Nucleophils ab. Teilchen beider Stoffe müssen offensichtlich zusammenstoßen, damit es zur Reaktion kommt.

Betrachten wir nun eine besondere Reaktion, um erste Hinweise auf einen möglichen Reaktionsmechanismus zu bekommen[1].

Reaktion von 2-Brom-butan zu 2-Iod-butan
Nach einer Tafelzeichnung von Prof. G. Dyker; Vorlesung "Organische Chemie" an der Ruhr-Universität Bochum 2012.

Das 2-Brom-butan kennen wir bereits aus dem Versuch, der auf der Eingangsseite vorgestellt wurde. Das 2-Brom-butan-Molekül hat ein sogenanntes chirales C-Atom, gemeint ist damit das zweite C-Atom des Moleküls, das in der Abbildung blau markiert ist. Chirale C-Atome sind immer mit vier verschiedenen Substituenten verbunden, in diesem Fall also:

  1. H-Atom
  2. Br-Atom
  3. Methyl-Gruppe
  4. Ethyl-Gruppe
Chiralität

Das Wort "chiral" kommt aus dem griechischen Wort "cheir", was so viel wie "Hand" bedeutet; man könnte "chiral" also mit "händig" oder "händisch" übersetzen. In der organischen Chemie ist damit gemeint, dass es von einem Molekül zwei Isomere gibt, die sich wie die linke Hand und die rechte Hand eines Menschen verhalten, also wie Spiegelbilder. Man spricht hier auch von Spiegelbild-Isomiere.

Zwei Spiegelbild-Isomere eines Moleküls unterscheiden sich wie linke und rechte Hand. Man kann sie drehen und wenden wie man will, aber man kann sie nicht zur Deckung bringen. Bauen Sie ein 2-Brom-butan-Molekül mit dem Molekülbaukasten nach. Setzen Sie dann ein zweites 2-Brom-butan-Molekül zusammen, vertauschen dann aber an dem zweiten C-Atom das H-Atom und das Br-Atom. Sie werden es nicht schaffen, die beiden Moleküle, die sich doch so ähnlich sehen, zur Deckung zu bringen.

Übrigens werden Spiegelbild-Isomere auch als Enantiomere bezeichnet. Nach bestimmten Regeln, auf die hier nicht eingegangen werden soll, bezeichnet man das eine Spiegelbild als S-Enantiomer, das andere als R-Enantiomer. Die Jungs von TheSimpleChemics haben die Regeln aber in ihren Video super einfach erklärt.

Die Frage, welches Molekül das Original und welches das Spiegelbild ist, ist völlig sinnlos. Genauso könnte man fragen, welche Hand das Original und welche das Spiegelbild ist, die linke oder die rechte.

Inversion

Bei der nucleophilen Substitution, wie sie in der Abbildung zu sehen ist, ändert sich die räumliche Struktur des Substrats. Aus der S-Form wird die R-Form. Das ist so, als würde aus einer linken Hand plötzlich eine rechte Hand werden. In vielen Schulbüchern wird dieser als Inversion bezeichnete Vorgang mit dem Umklappen eines Regenschirms verglichen. Allerdings hinkt dieser Vergleich etwas, denn ein umgeklappter Regenschirm ist ja nicht das Spiegelbild eines Regenschirms. In dem Bild oben zeigt der Stil des umgeklappten Schirms immer noch nach links.

Walden-Umkehr

Eine solche Inversion wird nach ihrem Entdecker auch Walden-Umkehr genannt:

"Von Walden 1895 erstmals beobachtete Konfigurations-Umkehr am asymmetrischen C-Atom, die bei Substitutionen auftritt, wenn die Reaktion nach dem SN2-Mechanismus abläuft"[2].

Für Experten: Inversion der Inversion

Stellen Sie sich vor, sie führen das in der Abbildung 1 beschriebene Experiment selbst durch. Sie geben also 2-Brom-butan mit Kaliumiodid in einem geeigneten Lösemittel zusammen und kochen das Gemisch für mehrere Stunden. Nach einiger Zeit hat sich das gesamte Edukt in das invertierte Produkt 2-Iod-butan umgewandelt.

Nun fällt Ihnen ein, dass Sie einen wichtigen Arzttermin vergessen haben. In der Eile versäumen Sie es, die Reaktionsapparatur abzustellen, so dass die Reaktion die nächsten 3 Stunden weiterläuft. Was passiert dann?

Wenn noch genügend Iod-Ionen in der Lösung sind, greifen diese das Produkt 2-Iod-butan an, natürlich von der Rückseite, wie es sich bei einer SN2-Reaktion gehört. Ein Iod-Atom wird dabei durch ein anderes Iod-Atom ersetzt, so dass die Konzentration des freien Iods nicht abnimmt. Wenn es zu dieser Reaktion kommt, findet wieder eine Inversion statt, aus der R-Form wird wieder die S-Form.

Wenn Sie dann nach drei oder vier Stunden zurückkommen, weil Ihnen siedendheiß eingefallen ist, dass in Ihrem Labor ja noch eine Reaktion läuft, was finden Sie dann im Reaktionskolben vor?

Sie erhalten eine Mischung aus 50% S-Produkt und 50% R-Produkt. Ein solches Gemisch, das jedes Spiegelbild-Isomer (also jedes Enantiomer) genau zu 50% enthält, wird als Racemat bezeichnet, der Vorgang, der zur Bildung eines Racemats führt, heißt dann Racemisierung.

Genug mit diesen Vergleichen. Kümmern wir uns lieber um die Frage, wieso das Substrat bei der Reaktion umklappt? Was passiert da am chiralen C-Atom, wenn das Iodid-Ion als Nucleophil angreift? Beschäftigen wir uns jetzt näher mit dem Mechanismus der SN2-Variante der nucleophilen Substitution.

Quellen:

  1. Vorlesung Organische Chemie 1.17 von Prof. G. Dyker: "Nucleophile Substitution" (YouTube)
  2. Römpp Chemie-Lexikon, 9. Auflage 1992
  3. Morrison/Boyd, Organic Chemistry, 7th Edition, 2011
  4. Carey/Sundberg, Organische Chemie - ein weiterführendes Lehrbuch, Weinheim 1995