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Organische Reaktionsmechanismen einfach erklärt
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 | Eine Mehrfachbindung wird aufgelöst; Teilchen lagern sich an. | 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 |
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. Wasser wird 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 ist elektronenreich. Es kann ein Anion oder ein ungeladenes Teilchen mit frei verfügbarem Elektronenpaar sein und greift ein positiv geladenes oder positiv polarisiertes Kohlenstoffatom an.
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. Es entstehen Ionen. Verlässt dabei ein Teilchen das Substrat 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 → Radikale. Heterolytisch → Ionen. Prüfe nach jedem Schritt, ob Ladungen, ungepaarte Elektronen und Bindungen zusammenpassen.
Radikalische Substitution als Kettenreaktion
Warum reagieren Methan und Chlor nicht sofort deutlich, obwohl die Gesamtreaktion Energie freisetzt? Zuerst muss eine Aktivierungsenergie überwunden werden. Licht oder Wärme kann die Cl–Cl-Bindung homolytisch spalten.
Gesamtreaktion: 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.
Elektrophile Addition an einer Doppelbindung
Die π-Bindung einer C=C-Doppelbindung ist elektronenreich. Deshalb kann ein Elektrophil dort angreifen. Bei der Addition werden auf Kosten der π-Bindung neue σ-Bindungen gebildet.
Addition von HBr an Propen: CH3–CH=CH2 + HBr → CH3–CHBr–CH3
- Die π-Elektronen der Doppelbindung bilden eine Bindung zu
H+. Das Proton bindet am endständigen C-Atom, das bereits mehr H-Atome trägt. - Am mittleren C-Atom entsteht vorübergehend ein positiv geladenes Carbenium-Ion.
Br−greift dieses positiv geladene C-Atom als Nucleophil an. Es entsteht 2-Brompropan.
Die Markownikow-Regel fasst diese Orientierung für die beschriebene Addition zusammen: Das Proton bindet an das Doppelbindungs-C-Atom, an dem bereits die meisten H-Atome sitzen.
Bei der Addition von Br2 läuft der Mechanismus anders: Die elektronenreiche Doppelbindung polarisiert die Br–Br-Bindung. Nach heterolytischer Spaltung entsteht ein überbrücktes Bromonium-Ion. Br− greift es von der Rückseite an; ein 1,2-Dibromalkan entsteht.
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, 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. Damit hängt zusammen, ob der dargestellte Mechanismus schrittweise oder konzertiert abläuft.
| Mechanismus | Ablauf | Kennzeichnende Zwischenstufe | Bindungsänderung |
|---|---|---|---|
| SN1 | schrittweise | Carbenium-Ion | Abgangsgruppe geht zuerst, Nucleophil greift danach an |
| SN2 | gleichzeitig | keine stabile 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 stabile ionische Zwischenstufe | Base entfernt H; Doppelbindung entsteht; Abgangsgruppe geht zugleich |
Ein allgemeines SN1-Schema lautet:
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 H-Atom am benachbarten Kohlenstoff entfernen und eine Doppelbindung erzeugen kann. Die Rollen Nucleophil und Base beschreiben deshalb unterschiedliche Angriffsziele.
Vertiefung: Elektrophile Substitution am Aromaten
Ein Aromat besitzt ein delokalisiertes, elektronenreiches π-System. 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.
- Das Elektrophil wechselwirkt mit dem π-System; ein π-Komplex kann entstehen.
- Eine neue Bindung zum Elektrophil bildet sich. Dabei entsteht ein positiv geladener σ-Komplex, und die Aromatizität ist vorübergehend unterbrochen.
- Ein Proton wird abgespalten. Die Elektronen der früheren C–H-Bindung stellen das delokalisierte 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: Stimmen Atome, Gesamtladung und ungepaarte Elektronen über jeden Schritt hinweg?
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Organische Reaktionsmechanismen
- Gesamtänderung
- Addition: Mehrfachbindung wird verbraucht
- Substitution: Gruppe wird ersetzt
- Eliminierung: Mehrfachbindung entsteht
- Angreifende Teilchen
- Radikal: ungepaartes Elektron
- Nucleophil: elektronenreich
- Elektrophil: elektronenarm
- Bindungsspaltung
- homolytisch: Radikale
- heterolytisch: Ionen
- Ablauf
- schrittweise: Zwischenstufe bei SN1 und E1
- konzertiert: ein Schritt bei SN2 und E2
- Prüfung
- Atome, Ladungen und Elektronen bilanzieren
- Gesamtänderung