Organische Reaktionen — SN1, SN2, E1, E2 & Additionsreaktionen

Organische Reaktionen lassen sich am einfachsten einteilen, wenn man fragt, was sich verändert hat. Wurde eine Gruppe an einem $sp^3$-Kohlenstoff ersetzt, spricht man von Substitution. Entsteht eine neue Pi-Bindung, spricht man von Eliminierung. Werden Atome über eine vorhandene $C=C$- oder $C\equiv C$-Bindung addiert, spricht man von Addition.

Für die meisten frühen Aufgaben in der organischen Chemie grenzt diese erste Einteilung die Antwort bereits auf SN1, SN2, E1, E2 oder Addition ein. Danach prüft man die Bedingungen: ob es eine Abgangsgruppe gibt, ob der reaktive Kohlenstoff primär, sekundär oder tertiär ist, ob eine starke Base oder ein starkes Nukleophil vorliegt und ob ein Carbokation realistisch ist.

So unterscheidest du SN1, SN2, E1, E2 und Addition schnell

Typ	Was sich ändert	Oft begünstigt, wenn	Grundidee
SN1	Abgangsgruppe wird ersetzt	das Substrat ein relativ stabiles Carbokation bilden kann	zweistufige Substitution
SN2	Abgangsgruppe wird ersetzt	das Substrat nicht zu stark gehindert ist und ein gutes Nukleophil direkt angreifen kann	einstufige Substitution
E1	eine Pi-Bindung entsteht	ein Carbokation entstehen kann und danach Eliminierung mit diesem Zwischenprodukt konkurriert	zweistufige Eliminierung
E2	eine Pi-Bindung entsteht	eine starke Base ein Beta-Wasserstoffatom entfernt, während die Abgangsgruppe geht	einstufige Eliminierung
Addition	Atome addieren sich an eine Pi-Bindung	das Ausgangsmolekül bereits eine $C=C$- oder $C\equiv C$-Bindung hat	die Pi-Bindung wird zu neuen Sigma-Bindungen

Diese Tabelle ist eine Orientierung, kein Gesetz. Das tatsächliche Ergebnis hängt vom Substrat, Reagenz, Lösungsmittel und manchmal auch von der Temperatur ab.

Eine schnelle Entscheidungsregel, die meistens funktioniert

• Wenn das Ausgangsmolekül eine Abgangsgruppe an einem $sp^3$-Kohlenstoff hat, ist die Hauptkonkurrenz meist Substitution gegen Eliminierung.
• Wenn das Ausgangsmolekül bereits eine Pi-Bindung hat und keine Abgangsgruppe im Zentrum des Problems steht, ist Addition oft die bessere erste Vermutung.
• Wenn der reaktive Kohlenstoff primär ist, ist SN2 oft plausibler als SN1.
• Wenn der reaktive Kohlenstoff tertiär ist, ist normale SN2 blockiert, sodass je nach Bedingungen meist SN1, E1 oder E2 konkurrieren.
• Wenn eine starke Base vorhanden ist und ein Beta-Wasserstoffatom verfügbar ist, wird E2 deutlich wahrscheinlicher.

Was die einzelnen Reaktionstypen tatsächlich bedeuten

SN1

SN1 steht für nukleophile Substitution unimolekular. Der langsame Schritt betrifft nur das Substrat, weil zuerst die Abgangsgruppe abgeht und ein Carbokation entsteht.

Deshalb ist SN1 wahrscheinlicher, wenn das Carbokation relativ stabil wäre, besonders bei vielen tertiären Substraten. Wenn eine Umlagerung das Carbokation stabiler machen würde, kann sich auch das Produkt ändern.

SN2

SN2 steht für nukleophile Substitution bimolekular. Das Nukleophil greift an, während die Abgangsgruppe geht, daher läuft die Reaktion in einem Schritt ab.

Weil der Angriff den reaktiven Kohlenstoff direkt erreichen muss, ist sterische Hinderung sehr wichtig. Primäre Substrate begünstigen SN2 oft viel stärker als tertiäre, und tertiäre Substrate durchlaufen an diesem stark gehinderten Kohlenstoff keine normale SN2.

E1

E1 steht für Eliminierung unimolekular. Wie bei SN1 beginnt die Reaktion mit dem Abgang der Abgangsgruppe und der Bildung eines Carbokations. Danach entfernt eine Base ein Beta-Wasserstoffatom, und es entsteht eine Pi-Bindung.

Weil sowohl SN1 als auch E1 über ein Carbokation verlaufen, konkurrieren sie oft unter ähnlichen Bedingungen. Wärme macht Eliminierung oft wichtiger, aber das ist nur eine Tendenz und keine Garantie.

E2

E2 steht für Eliminierung bimolekular. In einem konzertierten Schritt entfernt eine Base ein Beta-Wasserstoffatom, während die Abgangsgruppe geht und die Pi-Bindung entsteht.

E2 ist häufig, wenn eine starke Base vorhanden ist und ein Beta-Wasserstoffatom zur Verfügung steht. Bei sekundären und tertiären Substraten lenkt eine starke Base die Reaktion oft eher zu E2 als zur Substitution.

Addition

Additionsreaktionen beginnen meist mit einem Alken oder Alkin. Statt dass eine Gruppe abgespalten wird, nimmt das Molekül neue Atome über die Pi-Bindung auf.

Ein typisches Einstiegsbeispiel ist die Addition von $HBr$ an ein Alken. Die Doppelbindung wird aufgebrochen, und die Atome aus dem Reagenz landen an den beiden Kohlenstoffen, die zuvor doppelt gebunden waren.

Die Intuition, mit der diese Reaktionen wirklich verständlich werden

Am schnellsten versteht man diese Reaktionen, wenn man fragt, was das Molekül strukturell überhaupt tun kann.

Gibt es eine Abgangsgruppe an einem gesättigten Kohlenstoff, kann das Molekül diese Gruppe entweder ersetzen oder ein benachbartes Wasserstoffatom entfernen und eine Pi-Bindung bilden. Gibt es bereits eine Pi-Bindung, kann das Molekül stattdessen durch Addition daran reagieren. Diese eine Strukturfrage trennt die meisten Anfängeraufgaben, noch bevor man an gekrümmte Pfeile denkt.

Danach fragt man, ob das Reagenz eher als Nukleophil oder eher als Base wirkt. Starke Nukleophile fördern oft Substitution. Starke Basen fördern oft Eliminierung. Manche Reagenzien können beides, daher entscheiden Substrat und Bedingungen, welcher Weg gewinnt.

Durchgerechnetes Beispiel: Warum 2-Brompropan oft E2 ergibt

Betrachte die Reaktion von $2$-Brompropan mit Natriumethoxid, $\mathrm{NaOEt}$, in Ethanol.

Beginne mit dem Substrat. Der Kohlenstoff, an dem Brom sitzt, ist sekundär, daher sind grundsätzlich sowohl Substitution als auch Eliminierung möglich.

Nun zum Reagenz. Ethoxid ist eine starke Base und zugleich ein gutes Nukleophil. Bei einem sekundären Substrat macht das E2 bereits zu einem starken Kandidaten.

Als Nächstes fragt man, was E2 braucht. Es braucht eine Abgangsgruppe und ein Beta-Wasserstoffatom. Dieses Molekül hat beides, also kann die Eliminierung in einem Schritt ablaufen.

Unter üblichen Bedingungen im Unterricht wird E2 oft als Hauptweg vorhergesagt, besonders wenn Wärme vorhanden ist. Das organische Produkt ist Propen, weil die Base ein Beta-Wasserstoffatom entfernt, während Bromid im selben Schritt abgeht.

Warum dieses Beispiel wichtig ist:

• ein sekundäres Substrat bedeutet, dass echte Konkurrenz möglich ist
• eine starke Base macht Eliminierung wahrscheinlicher
• die Bildung eines Alkens zeigt, dass es sich um Eliminierung und nicht um Substitution handelt

Wenn du das Substrat oder das Reagenz änderst, kann sich die Vorhersage ändern. Ein weniger gehindertes primäres Substrat würde SN2 deutlich konkurrenzfähiger machen.

Häufige Fehler bei der Einordnung organischer Reaktionen

Starke Base und starkes Nukleophil als dasselbe behandeln

Manche Reagenzien können beides sein. Das Substrat ist genauso wichtig. Ein starkes Nukleophil mit einem primären Substrat deutet oft auf SN2 hin, während eine starke Base mit einem stärker gehinderten Substrat oft auf E2 hindeutet.

Annehmen, dass tertiär automatisch SN1 bedeutet

Tertiäre Substrate können keine normale SN2 durchführen, aber sie laufen nicht automatisch über SN1. Mit einer starken Base ist E2 oft die bessere Vorhersage.

Vergessen, dass SN1 und E1 ein Carbokation gemeinsam haben

Wenn ein Carbokation entsteht, werden Umlagerungen möglich, und Substitution und Eliminierung können konkurrieren. Deshalb werden diese beiden Mechanismen oft zusammen besprochen.

Jede Alkenreaktion als Addition bezeichnen

Addition bedeutet, dass Atome an die Pi-Bindung addiert werden. Wenn eine Reaktion die Doppelbindung stattdessen erst erzeugt, handelt es sich um Eliminierung.

Wo diese Typen organischer Reaktionen verwendet werden

Diese Reaktionstypen bilden das Rückgrat der einführenden organischen Synthese und der Mechanismenlehre. Sie helfen dir vorherzusagen:

• ob ein Molekül stärker substituiert oder stärker ungesättigt wird
• ob ein Reagenz eher eine Abgangsgruppe ersetzt oder ein Wasserstoffatom entfernt
• wie Reaktionsbedingungen das Hauptprodukt verändern
• warum dasselbe Substrat mit verschiedenen Reagenzien unterschiedlich reagieren kann

Sie sind auch über Prüfungen hinaus wichtig. Dieselben Ideen helfen Chemikerinnen und Chemikern, Synthesewege von einem Kohlenstoffgerüst zu einem anderen zu planen.

Probiere eine ähnliche Einordnungsaufgabe

Nimm ein Substrat mit einer Abgangsgruppe, zum Beispiel $1$-Brombutan, und frage dich, wie sich die Vorhersage ändert, wenn du es mit Natriumcyanid, Natriumethoxid oder Wasser kombinierst. Immer nur eine Bedingung auf einmal zu ändern, ist eine der schnellsten Methoden, damit sich SN1, SN2, E1 und E2 logisch statt auswendig gelernt anfühlen. Wenn du eine passende Fortsetzung möchtest, vergleiche diese Seite mit nucleophilic substitution.