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SN2 - Nucleophile Substitution zweiter Ordnung

Der Isotopenaustausch zur Untersuchung der SN2-Reaktion

Um Aussagen über den stereochemischen Verlauf einer Reaktion treffen zu können, ist der Austausch eines Substituenten an einem Enantiomer notwendig. Die Methode des Isotopenaustausches bei einem reinen Enantiomer ist dabei besonders gut geeignet. Der Betrag des spezifischen Drehwerts wird durch den Isotopenwechsel nicht oder nur sehr geringfügig geändert. Es lässt sich so direkt an dem gemessenen Drehwert ermitteln, ob eine Inversion oder Retention bei der SN2-Reaktion eintritt.

Abb.1
Isotopenaustausch

Wird z.B. von einem optisch aktiven Alkyliodid ausgegangen und die Reaktion mit einem radioaktiven Iodisotop (z.B. I125, ein γ-Strahler mit ca. 60 Tagen Halbwertzeit) als angreifendes Nucleophil ausgeführt, dann kann die Reaktion durch zwei Parameter charakterisiert werden:

  • Die Radioaktivität im Produkt und damit dem Umsatz:Aus dem nicht radioaktiven Alkyliodid wird durch die Reaktion ein radioaktives Alkyliodid. Bei der Aufarbeitung wird das nicht umgesetzte I125 entfernt und die verbliebene Radioaktivität ist auf das im Produkt gebundene I125 zurückzuführen.
  • Die optische Aktivität und damit dem stereochemischen Verlauf der Reaktion:Verläuft die Reaktion unter Retention, wird die optische Rotation nahezu gleich bleiben, da der Isotopeneffekt hier keinen großen Einfluss hat. Wird von einer (R)-Verbindung ausgegangen, so wird auch wieder das (R)-Enantiomere erhalten. Verläuft die Reaktion aber unter Inversion, wird aus jedem umgesetzten (R)-Molekül ein (S)-Molekül. Auf molekularer Ebene betrachtet hebt jedes entstandene (S)-Molekül die Rotation eines verbliebenen (R)-Moleküls auf. Wird also nur die Hälfte der (R)-Moleküle umgesetzt, so wäre die optische Rotation (ohne Isotopeneffekt) gleich Null. Ein vollständiger Umsatz führt hingegen vom reinen (R)-Enantiomeren zum reinen (S)-Enantiomeren.

Für primäre und sekundäre Alkyliodiden wurde anhand dieses Versuchs bewiesen, dass der Austausch üblicherweise unter Inversion stattfindet.Diese Beobachtung lässt zwei Rückschlüsse zu.

  1. Die Reaktion verläuft stereospezifisch, denn bei vollständigem Umsatz wird kein Racemat sondern ein reines Enantiomer erhalten.
  2. Die beobachtete Inversion besagt zudem, dass das Nucleophil das Substrat von der Rückseite her angreifen muss. Bei einem Vorderseitenangriff müsste sich eine Retention ergeben.
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