Substitutionsreaktion

Substitutionsreaktion (lateinisch substituere: ersetzen), Bezeichnung für eine chemische Reaktion, in der einzelne Atome oder ganze Atomgruppen durch andere Atome oder -gruppen ersetzt werden.

Substitutionsreaktionen sind in der organischen Chemie sehr häufig und werden nach ihrem Mechanismus unterteilt. Eine radikalische Substitution (S_R) verläuft über Zwischenstufen, die ungepaarte Elektronen enthalten (siehe Radikal). Ein Beispiel hierfür ist die Chlorierung von Methan:

CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl

Nucleophile („kernsuchende”) Substitutionen (S_N) sind solche, in denen die Reaktion durch negativ geladene Moleküle (Nucleophile), wie z. B. OH^- oder Br^- erfolgt. Man unterscheidet zwischen monomolekularen (S_N1) und bimolekularen (S_N2) Substitutionen. In S_N1-Reaktionen wird durch Spalten einer Bindung zunächst eine dreigliedrige Zwischenstufe gebildet. Diese positiv geladene Zwischenstufe wird in einem zweiten Schritt vom Nucleophil angegriffen:

In S_N2-Reaktionen findet die Ausbildung der neuen und die Spaltung der alten Bindung dagegen gleichzeitig in einem fünfgliedrigen Übergangszustand statt:

Der Unterschied zwischen den beiden Reaktionen ist, dass die S_N1-Reaktion zu zwei verschiedenen Produkten führt, weil ihre dreigliedrige Zwischenstufe planar (eben) ist und von beiden Seiten aus angegriffen werden kann. In S_N2-Reaktionen ist die Richtung des Angriffs dagegen immer gegenüber der gebrochenen Bindung und es entsteht nur ein Produkt.

Ein weiterer Reaktionstyp sind die elektrophilen Substitutionen (S_E). In S_E-Reaktionen greifen positiv geladene Spezies (Elektrophile = „elektronensuchende”, z. B. HSO₃⁺) elektronenreiche Moleküle wie Aromaten an. Ein Beispiel hierfür ist die Sulfonierung von Benzol:

C6H6 + H2SO4 → C6H5SO3H + H2O

Nach welchem Mechanismus eine Substitutionsreaktion abläuft, kann durch Wahl der Ausgangsstoffe und Reaktionsbedingungen (Temperatur, Lösungsmittel) weitgehend gesteuert werden.

Siehe auch Konformation