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Organische Reaktionsmechanismen erkennen und erklären
Ein Reaktionsmechanismus zeigt, wie eine organische Reaktion in einzelnen Teilchenschritten abläuft: Welche Bindung bricht, welche Bindung entsteht, welches Teilchen greift an und welche Zwischenstufe tritt auf? Du ordnest eine Reaktion deshalb auf zwei Ebenen ein: nach dem Reaktionstyp und nach der Art des angreifenden Teilchens.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Zwei Ebenen: Reaktionstyp und Mechanismus
Stell dir die Gesamtgleichung als Start- und Zielfoto vor. Sie zeigt, welche Stoffe reagieren und entstehen. Der Mechanismus ist dagegen der Weg dazwischen.
Reaktionstyp
Der Reaktionstyp beschreibt, was sich im Bindungsgerüst insgesamt ändert: Anlagerung, Austausch oder Abspaltung.
| Reaktionstyp | Woran erkennst du ihn? | Einfaches Schema |
|---|---|---|
| Addition | Teilchen lagern sich an eine Mehrfachbindung an; etwa aus C=C wird C–C. | A + B → C |
| Substitution | Ein Atom oder eine Atomgruppe wird ersetzt. | A–B + C → A–C + B |
| Eliminierung | Gruppen werden abgespalten; dabei entsteht eine Mehrfachbindung. | C → A + B |
Die Tabelle zeigt drei wichtige Reaktionstypen; sie ist keine vollständige Liste aller organischen Reaktionen. Die Buchstaben in den Schemata sind Platzhalter für Teilchen oder Gruppen. Addition und Eliminierung verändern eine Mehrfachbindung in entgegengesetzter Richtung. Bei der Substitution bleibt die Art der Bindungen am betroffenen Kohlenstoff zwischen Ausgangsstoff und Endprodukt insgesamt erhalten, obwohl sie sich in Zwischenstufen vorübergehend ändern kann.
Addition: CH2=CH2 + HBr → CH3–CH2Br. Die C=C-Doppelbindung wird verbraucht, H und Br werden angelagert.
Substitution: CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl. Ein H-Atom des Methans wird durch Cl ersetzt.
Eliminierung: CH3–CH2–OH → CH2=CH2 + H2O. Beim Erhitzen mit einem geeigneten Säurekatalysator wird Wasser abgespalten; eine C=C-Doppelbindung entsteht.
Angreifer erkennen und Bindungsspaltungen verfolgen
Für den Mechanismus fragst du: Wer liefert oder sucht Elektronen, und was geschieht mit dem Bindungselektronenpaar?
Radikal
Ein Radikal besitzt mindestens ein ungepaartes Elektron. Es entsteht häufig durch homolytische Spaltung: Jedes der beiden Atome erhält eines der Bindungselektronen.
Nucleophil
Ein Nucleophil stellt ein Elektronenpaar für eine neue Bindung bereit. Es kann negativ geladen oder ungeladen sein. Das Paar kann ein freies Elektronenpaar oder Teil einer π-Bindung, also des zusätzlichen Bindungsanteils einer Mehrfachbindung, sein. Nucleophile reagieren mit elektronenarmen Stellen, in unseren Substitutionsbeispielen mit einem positiv geladenen oder positiv polarisierten Kohlenstoffatom. Positiv polarisiert bedeutet: Das Atom trägt wegen ungleich verteilter Bindungselektronen eine positive Teilladung.
Elektrophil
Ein Elektrophil ist elektronenarm. Es kann positiv geladen oder positiv polarisiert sein und greift elektronenreiche Stellen an, zum Beispiel eine C=C-Doppelbindung.
Bei der heterolytischen Spaltung erhält ein Bindungspartner das ganze Bindungselektronenpaar. Bei der Spaltung einer Bindung zwischen zwei zunächst ungeladenen Gruppen entstehen so ein Kation und ein Anion. Verlässt dabei ein Teilchen das Substrat, also das betrachtete Ausgangsmolekül, mit dem Elektronenpaar, heißt es Abgangsgruppe.
Wenn du Elektronenbewegungen einzeichnest, steht ein Fischhakenpfeil für ein Elektron. Ein Elektronenpaarpfeil steht für zwei Elektronen und beginnt immer an einem Elektronenpaar oder einer Bindung. Er endet dort, wo daraus eine neue Bindung oder ein freies Elektronenpaar entsteht.
Homolytisch: ein Bindungselektron je Partner. Heterolytisch: beide Bindungselektronen bei einem Partner. Prüfe nach jedem Schritt, ob Ladungen, ungepaarte Elektronen und Bindungen zusammenpassen.
Radikalische Substitution als Kettenreaktion
Damit die Kettenreaktion beginnt, müssen zunächst Chlorradikale entstehen. Dazu ist Energie nötig: UV-Licht kann die Cl–Cl-Bindung homolytisch spalten. Der Punkt • kennzeichnet ein ungepaartes Elektron.
Gesamtreaktion der ersten Chlorierung: CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
- Start:
Cl2 → 2 Cl•. Die Cl–Cl-Bindung wird homolytisch gespalten. - Kettenfortpflanzung 1:
Cl• + CH4 → HCl + •CH3. Das Chlorradikal entzieht Methan ein H-Atom; ein Methylradikal entsteht. - Kettenfortpflanzung 2:
•CH3 + Cl2 → CH3Cl + Cl•. Das neue Chlorradikal kann Schritt 2 erneut beginnen. - Abbruch: Zwei Radikale verbinden sich, etwa
Cl• + Cl• → Cl2oder•CH3 + •CH3 → CH3–CH3. Danach fehlen diese Radikale für die Fortpflanzung.
Addierst du die beiden Fortpflanzungsschritte, kürzen sich Cl• und •CH3 heraus. Übrig bleibt die Gesamtreaktion. So prüfst du, ob die Teilchenschritte zum beobachteten Stoffumsatz passen. Bei weiterer Chlorierung können auch weitere H-Atome ersetzt werden; das Schema beschreibt die erste Substitution.
Elektrophile Addition an einer Doppelbindung
Eine C=C-Doppelbindung besteht aus einer σ-Bindung entlang der Verbindungslinie der Atomkerne und einer π-Bindung mit Elektronendichte seitlich davon. Bei der hier betrachteten Addition bleibt die C–C-σ-Bindung bestehen. Die π-Elektronen beteiligen sich an der Bindungsbildung mit einem Elektrophil; insgesamt entstehen zwei neue σ-Bindungen zu den angelagerten Atomen.
Elektrophile Addition von HBr an Propen: CH3–CH=CH2 + HBr → CH3–CHBr–CH3
- Ein Elektronenpaar der π-Bindung bildet eine Bindung zum positiv polarisierten H-Atom von HBr. Gleichzeitig wandert das H–Br-Bindungselektronenpaar zum Brom;
Br−entsteht. H wird dabei als Proton übertragen und bindet bevorzugt am endständigen C-Atom. - Damit liegt nach diesem ersten Reaktionsschritt
CH3–CH+–CH3vor: ein Carbenium-Ion mit drei Bindungen und positiver Ladung am mittleren C-Atom. Es ist günstiger als die Alternative mit positiver Ladung am endständigen C-Atom, weil die beiden benachbarten Kohlenstoffgruppen die positive Ladung stabilisieren. - Im zweiten Reaktionsschritt liefert
Br−ein freies Elektronenpaar an das positiv geladene C-Atom. Die C–Br-Bindung entsteht; das Hauptprodukt ist 2-Brompropan.
Die Markownikow-Regel fasst diese Orientierung für die beschriebene elektrophile Addition zusammen: Das Proton bindet an das Doppelbindungs-C-Atom, an dem bereits die meisten H-Atome sitzen.
Bei der Addition von Br2 an ein Alken in einem nicht mitreagierenden Lösungsmittel läuft der Mechanismus anders: Die Doppelbindung polarisiert die Br–Br-Bindung. Während diese heterolytisch gespalten wird, bindet ein Br-Atom an beide C-Atome der früheren Doppelbindung. So entstehen im selben Schritt ein dreigliedriges Bromonium-Ion und Br−. Bromid greift eines der C-Atome von der der Br-Brücke abgewandten Seite an und öffnet den Ring. Ein 1,2-Dibromalkan entsteht: An den beiden benachbarten C-Atomen sitzt nun jeweils ein Br-Atom.
Die Gesamtgleichung allein zeigt weder das Carbenium-Ion bei der HBr-Addition noch das Bromonium-Ion bei der Bromaddition. Gerade solche Zwischenstufen unterscheiden Mechanismen, obwohl beide Gesamtreaktionen Additionen sind.
SN1, SN2, E1 und E2 sicher unterscheiden
Die Kürzel verbinden Reaktionstyp und Ablauf. S steht für Substitution, N für nucleophil und E für Eliminierung. Die Ziffer gibt an, wie viele Teilchen am geschwindigkeitsbestimmenden Elementarschritt beteiligt sind: Bei SN1 und E1 ist es eines, bei SN2 und E2 sind es zwei. Ein Elementarschritt ist ein einzelner Reaktionsschritt; der geschwindigkeitsbestimmende Schritt begrenzt das Tempo der Gesamtreaktion. Konzertiert bedeutet, dass die betreffenden Bindungsänderungen in einem gemeinsamen Schritt stattfinden, ohne Zwischenprodukt.
| Mechanismus | Ablauf | Kennzeichnende Zwischenstufe | Bindungsänderung |
|---|---|---|---|
| SN1 | schrittweise | Carbenium-Ion | Abgangsgruppe geht zuerst, Nucleophil greift danach an |
| SN2 | gleichzeitig | keine Zwischenstufe | Rückseitenangriff und Austritt der Abgangsgruppe im selben Schritt |
| E1 | schrittweise | Carbenium-Ion | Abgangsgruppe geht zuerst, danach entsteht durch Protonenabspaltung die Doppelbindung |
| E2 | gleichzeitig | keine Zwischenstufe | Base entfernt ein Proton; Doppelbindung entsteht; Abgangsgruppe geht zugleich |
Hier siehst du ein vereinfachtes SN1-Schema mit einem negativ geladenen Nucleophil. Dabei bezeichnet R eine Kohlenwasserstoffgruppe, X beispielsweise ein Halogenatom und Nu− das Nucleophil:
R3C–X → R3C+ + X−: Die C–X-Bindung wird heterolytisch gespalten. Die AbgangsgruppeX−nimmt das Bindungselektronenpaar mit.R3C+ + Nu− → R3C–Nu: Das Nucleophil liefert ein Elektronenpaar für die neue Bindung.
Die Ladungsbilanz stimmt in beiden Schritten. Das Carbenium-Ion ist eine Zwischenstufe: Es wird gebildet und anschließend wieder verbraucht, erscheint also nicht in der Gesamtgleichung.
SN2 und E2 können miteinander konkurrieren: Ein Nucleophil kann am Kohlenstoff angreifen und substituieren, während eine Base ein Proton am benachbarten Kohlenstoff aufnehmen kann. Dabei bleibt das C–H-Elektronenpaar am Kohlenstoffgerüst und bildet die zusätzliche π-Bindung. Die Rollen Nucleophil und Base beschreiben deshalb unterschiedliche Angriffsziele.
Elektrophile Substitution am Aromaten
Ein Aromat wie Benzol besitzt ein besonders stabiles π-System: Seine π-Elektronen sind über den Ring verteilt, also delokalisiert. Bei der elektrophilen Substitution wird dennoch nicht dauerhaft addiert: Am Ende ist ein H-Atom durch das Elektrophil ersetzt und das aromatische π-System wiederhergestellt.
- Ein Elektronenpaar des Rings bildet eine σ-Bindung zum Elektrophil. Der entstehende positiv geladene σ-Komplex ist eine Zwischenstufe, in der die durchgehende Verteilung der π-Elektronen um den Ring vorübergehend unterbrochen ist.
- Eine Base nimmt am angegriffenen C-Atom ein Proton auf. Die Elektronen der früheren C–H-Bindung stellen das aromatische π-System wieder her.
Eine vorübergehende Anlagerung macht die Gesamtreaktion noch nicht zur Addition. Entscheidend ist der Vergleich von Ausgangsstoff und Endprodukt: Beim Aromaten wird H durch E ersetzt, also liegt eine Substitution vor.
Mechanismen in fünf Schritten prüfen
- Gesamtänderung: Wird angelagert, ersetzt oder abgespalten?
- Angreifer: Radikal, Nucleophil oder Elektrophil?
- Pfeilstart: Beginnt jede Elektronenbewegung an einem Elektron, Elektronenpaar oder einer Bindung?
- Zwischenstufen: Werden sie in einem Schritt gebildet und später wieder verbraucht?
- Bilanz: Bleiben Anzahl und Art der Atome sowie die Gesamtladung erhalten? Ist die Bewegung jedes Elektrons nachvollziehbar? Ungepaarte Elektronen dürfen dabei neu entstehen oder sich zu Paaren verbinden.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Organische Reaktionsmechanismen
- Gesamtänderung
- Addition am Alken: aus C=C wird C–C
- Substitution: Gruppe wird ersetzt
- Eliminierung: Mehrfachbindung entsteht
- Angreifende Teilchen
- Radikal: ungepaartes Elektron
- Nucleophil: elektronenreich
- Elektrophil: elektronenarm
- Bindungsspaltung
- homolytisch: Radikale
- heterolytisch: ein Partner erhält das Elektronenpaar
- Ablauf
- schrittweise: Zwischenstufe bei SN1 und E1
- konzertiert: ein Schritt bei SN2 und E2
- Prüfung
- Atome, Ladungen und Elektronen bilanzieren
- Gesamtänderung