Den Elektronen folgen,das Produkt vorhersagen.

Warum Mechanismen wichtig sind

Eine Reaktionsgleichung sagt, was hineingeht und was herauskommt. Ein Mechanismus sagt, wie: welche Bindungen brechen, welche entstehen, in welcher Reihenfolge und über welche Zwischenstufen. Damit kann man unbekannte Produkte vorhersagen, Stereochemie erklären und Bedingungen wählen.

Fast jede polare organische Reaktion ist dasselbe Ereignis in Wiederholung: Ein elektronenreiches Atom teilt ein Elektronenpaar mit einem elektronenarmen Atom. Wer die beiden Partner erkennt, kann die meisten Mechanismen lesen.

Nucleophile, Elektrophile und Elektronenpfeile

Ein Nucleophil ist elektronenreich und gibt ein Elektronenpaar ab: ein freies Paar an Sauerstoff oder Stickstoff, eine negative Ladung oder eine π-Bindung. Hydroxid, Cyanid, Amine, Enolate und Alkene sind typisch. Ein Elektrophil ist elektronenarm und nimmt das Paar auf: ein Carbonylkohlenstoff, ein Carbokation, der Kohlenstoff eines Alkylhalogenids oder ein Proton.

Elektronenpfeile zeigen die Bewegung eines Elektronenpaars. Jeder Pfeil beginnt bei den Elektronen, einem freien Paar oder einer Bindung, und endet dort, wo sie hingehen, an einem Atom oder zwischen zwei Atomen, wo eine neue Bindung entsteht. Pfeile beginnen nie an einem Kern oder an einer positiven Ladung. Zählen Sie nach jedem Schritt die Ladungen: Die Gesamtladung muss auf beiden Seiten gleich sein.

Substitution: SN2 und SN1

Bei der SN2-Reaktion greift das Nucleophil den Kohlenstoff von der der Abgangsgruppe gegenüberliegenden Seite an; die alte Bindung bricht, während die neue entsteht, in einem einzigen Schritt. Die Geschwindigkeit hängt von beiden Partnern ab, Geschwindigkeit = k[Substrat][Nucleophil], und die Konfiguration am Kohlenstoff kehrt sich um. Sterische Hinderung bremst stark: Methyl- und primäre Substrate reagieren am schnellsten, tertiäre praktisch gar nicht. Polar aprotische Lösungsmittel wie DMSO oder Aceton helfen, weil sie das Nucleophil nicht abschirmen.

Bei der SN1-Reaktion tritt zuerst die Abgangsgruppe aus, es entsteht ein planares Carbokation, das das Nucleophil dann von beiden Seiten angreifen kann. Die Geschwindigkeit hängt nur vom Substrat ab, Geschwindigkeit = k[Substrat], und ein Stereozentrum wird meist weitgehend racemisiert. Tertiäre, allylische und benzylische Substrate, die stabilisierte Carbokationen bilden, reagieren so, besonders in polar protischen Lösungsmitteln wie Wasser oder Alkoholen. Carbokationen können sich außerdem durch Hydrid- oder Alkylverschiebung zu einem stabileren Kation umlagern, bevor das Nucleophil ankommt.

In beiden Fällen zählt die Abgangsgruppe: Gute Abgangsgruppen sind schwache Basen. Iodid, Bromid, Tosylat und Wasser (aus einem protonierten Alkohol) treten gut aus; Hydroxid und Alkoxid nicht, deshalb aktiviert man Alkohole vor der Substitution.

Eliminierung: E2 und E1

Statt den Kohlenstoff anzugreifen, kann eine Base ein Proton am Nachbarkohlenstoff der Abgangsgruppe entfernen und eine C=C-Doppelbindung bilden. Bei E2 geschieht das in einem Schritt, und Proton und Abgangsgruppe müssen antiperiplanar stehen. Starke Basen begünstigen sie; sperrige Basen wie Kalium-tert-butanolat bevorzugen Eliminierung gegenüber Substitution und liefern oft das weniger substituierte Alken.

E1 verläuft über dasselbe Carbokation wie SN1 und konkurriert mit ihr; Wärme begünstigt die Eliminierung. Als Faustregel liefern E1 und die meisten E2-Reaktionen das höher substituierte, stabilere Alken (Saytzeff-Regel).

Carbonylchemie

Der Carbonylkohlenstoff ist das wichtigste Elektrophil der organischen Chemie. Nucleophile addieren an ihn zu einer tetraedrischen Zwischenstufe. Bei Aldehyden und Ketonen, die keine Abgangsgruppe haben, wird diese meist zum Alkohol protoniert; so wirken Grignard-Reagenzien und Hydridreduktionen.

Carbonsäurederivate tragen eine Abgangsgruppe, daher zerfällt die tetraedrische Zwischenstufe und stößt sie aus: nucleophile Acylsubstitution. Die Reaktivität folgt der Qualität der Abgangsgruppe: Säurechloride > Anhydride > Ester > Amide. Diese Reihe zeigt, welche Umwandlungen leicht bergab laufen, etwa Säurechlorid zu Ester, und welche drastische Bedingungen brauchen, etwa die Hydrolyse eines Amids.

Ein Kohlenstoff neben einer Carbonylgruppe ist schwach acide, und seine korrespondierende Base, ein Enolat, ist ein Kohlenstoffnucleophil. Greift ein Enolat eine andere Carbonylgruppe an, entsteht die Aldolreaktion, einer der wichtigsten Wege zur C–C-Verknüpfung.

Aromatische Substitution

Benzolringe sind ebenfalls Nucleophile, aber zögerliche, denn eine Reaktion kostet sie ihre aromatische Stabilität. Bei der elektrophilen aromatischen Substitution greift der Ring ein starkes Elektrophil wie das Nitronium-Ion an; die kationische Zwischenstufe gibt rasch ein Proton ab und wird wieder aromatisch. Bereits vorhandene Substituenten bestimmen, wohin der nächste geht: Elektronendonoren wie –OH oder –CH3 dirigieren nach ortho und para und beschleunigen die Reaktion; die meisten elektronenziehenden Gruppen wie –NO2 dirigieren nach meta und verlangsamen sie.

So erarbeiten Sie einen neuen Mechanismus

Zeichnen Sie alle freien Elektronenpaare und Ladungen. Suchen Sie unter den gegebenen Bedingungen das beste Nucleophil und das beste Elektrophil. Zeichnen Sie Schritt für Schritt mit Elektronenpfeilen und prüfen Sie nach jedem Schritt Ladungen und Atomzahlen. Fragen Sie, ob eine Zwischenstufe stabil wäre; entsteht ein primäres Carbokation, suchen Sie einen anderen Weg. Vergleichen Sie schließlich das Produkt mit den Bedingungen: Säure, Base, Wärme und Lösungsmittel hinterlassen Spuren im Mechanismus.