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SN/E-Konkurrenz - SN2/E2-Konkurrenz

Die Rolle der Substratstruktur in der SN2 / E2-Konkurrenz

Die Substratstruktur ist ein wichtiger Faktor in der SN2 / E2-Konkurrenz. In Abhängigkeit von der Anzahl, der Größe und dem Verzweigungsgrad der Alkylsubstituenten am heteroatomsubstituierten α-C-Atom werden die Reaktionsgeschwindigkeiten der SN2-Reaktion und der E2-Eliminierung sehr unterschiedlich beeinflusst.

Die Geschwindigkeit der E2-Eliminierung steigt von primären über sekundäre zu tertiären Hetero-Alkyl-Verbindungen stark an, während sie im Gegensatz dazu bei SN2-Reaktionen in derselben Reihenfolge abfällt.

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Abb.1

Primär

α-C-Atom in grün

Abb.2

Sekundär

α-C-Atom in grün

Abb.3

Tertiär

α-C-Atom in grün

Abb.4
kE2
Abb.5
kSN2

Daher sind E2-Eliminierungen (E2 statt SN2) an primären Substraten nur noch durch den Einsatz sterisch besonders anspruchsvoller Basen zu erreichen. Beispiele dafür sind DBN und DBU bei primären Alkylhalogeniden und -sulfonaten oder LDA und LHMDS bei primären Epoxiden. SN2-Reaktionen mit tertiären Hetero-Alkyl-Verbindungen sind praktisch nicht möglich (im Gegensatz zu SN1), selbst dann nicht, wenn nicht das α-C-Atom selbst sondern ein β-C-Atom tertiär ist.

Wie kommt es zu diesen gegenläufigen Substituenten-Effekten auf die Reaktionsgeschwindigkeiten von SN2-Reaktion und E2-Eliminierung?

Effekte der α-Alkylsubstituenten auf die SN2-Reaktion

  • Der Übergangszustand der SN2-Reaktion besitzt eine trigonalbipyramidale Struktur mit dem Nucleophil (Nu) und dem Nucleofug (NuF) in den beiden Pyramidenspitzen und den drei übrigen Substituenten am α-C-Atom des Substrats in der trigonalen Mittelebene. Das Edukt (Substrat) der SN2-Reaktion weist dagegen eine tetraedrische Struktur am α-C-Atom auf, in der die Bindungswinkel zwischen allen vier Substituenten jeweils (im Idealfall) 109° 28' betragen. In der trigonalen Bipyramide des Übergangszustandes zählen die Bindungswinkel zwischen den Pyramidenspitzen und den Substituenten in der trigonalen Mittelebene nur noch 90°. Die Substituenten am α-C-Atom kommen sich also räumlich deutlich näher als im Edukt. Infolge der damit verbundenen größeren sterischen Wechselwirkungen zwischen den Substituenten steigt die Energie des Übergangszustandes und somit auch die Aktivierungsenergie der Reaktion mit der Größe bzw. dem sterischen Anspruch der Substituenten. Dieser Effekt wird durch die etwas größeren Bindungswinkel von 120° zwischen den Substituenten in der trigonalen Mittelebene auch nicht kompensiert.
Abb.6
SN2-Reaktionsmechanismus
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Abb.7

Edukte

Abb.8

Übergangszustand

Abb.9

Produkte

3D-Moleküle zum SN2-Mechanismus; Nu in grün und NuF in braun.

  • Aus diesem Grunde ist die Aktivierungsenergie der SN2-Reaktion mit tertiären Hetero-Alkyl-Verbindungen so groß, dass sie praktisch nicht mehr ablaufen kann. Bei sekundären und besonders bei primären Hetero-Alkyl-Verbindungen ist die Zahl der voluminösen Substituenten kleiner. In diesen Fällen ist die Aktivierungsenergie deswegen erheblich geringer als bei tertiären Hetero-Alkyl-Verbindungen, und die SN2-Reaktion kann schnell genug ablaufen, um gegenüber der E2-Eliminierung zu dominieren.

Effekte der α-Alkylsubstituenten auf die E2-Eliminierung

  • Die Base in einer E2-Eliminierung muss "nur" ein Proton an der Peripherie des Substratmoleküls abstrahieren. Die dafür notwendige räumliche Annäherung zwischen Base und Substratmolekül ist im Übergangszustand einer E2-Eliminierung deutlich geringer als bei einer SN2-Reaktion. Sterische Wechselwirkungen spielen daher für die Reaktionsgeschwindigkeit der E2-Eliminierung nur eine untergeordnete Rolle. Die E2-Eliminierung läuft im Gegensatz zur SN2-Reaktion mit steigender Anzahl von α-Alkylsubstituenten sogar immer schneller ab. Worin liegen nun die Ursachen für diesen gegenläufigen Effekt? Im Übergangszustand der E2-Eliminierung sind die Bindungen zum β-H-Atom und zum α-Heteroatom bereits teilweise gelöst, und die π-Bindung zwischen dem α-C-Atom und dem β-C-Atom ist schon teilweise ausgebildet. Analog der bekannten Stabilisierung der Doppelbindung in Alkenen wird auch die erst teilweise ausgebildete Doppelbindung im Übergangszustand der E2-Eliminierung durch Alkylsubstituenten bereits stabilisiert. Aus diesem Grunde ist die Aktivierungsenergie der E2-Eliminierung für tertiäre Hetero-Alkyl-Verbindungen erheblich kleiner als für sekundäre und insbesondere für primäre. Tertiäre Hetero-Alkyl-Verbindungen reagieren also am schnellsten im Sinne einer E2-Eliminierung, primäre am langsamsten.
Abb.10
E2-Reaktionsmechanismus
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Abb.11

Edukte

Abb.12

Übergangszustand

Abb.13

Produkte

3D-Moleküle zum E2-Mechanismus; B in rot und X in grün.

 

Hinweis
Der Effekt von Alkylsubstituenten auf die Reaktionsgeschwindigkeit von SN2-Reaktion und E2-Eliminierung ist somit genau entgegengesetzt!

Chemoselektive E2-Eliminierungen an primären Hetero-Alkyl-Verbindungen sind deshalb schwierig zu realisieren, weil die konkurrierende SN2-Reaktion viel schneller abläuft. Dieser Effekt der Substratstruktur auf die SN2/E2-Konkurrenz kann nur durch drastische Maßnahmen wie den Einsatz sterisch extrem anspruchsvoller Basen wie DBN, DBU, LDA und LHMDS in möglichst hoher Konzentration kompensiert werden (s.o.).

SN2-Reaktionen an tertiären Hetero-Alkyl-Verbindungen wären dagegen wegen der äußerst geringen Reaktionsgeschwindigkeit selbst ohne Konkurrenz durch die E2-Eliminierung kaum praktikabel, mit bestehender E2-Konkurrenz sind sie so gut wie ausgeschlossen.

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