Elektrophile Substitution

Bei der elektrophilen Substitution wird ein elektrophiler Substituent (Atom oder funktionelle Gruppe) gegen einen anderen elektrophilen Substituenten ausgetauscht.

Erklärung

Elektrophile Substitution

Bei der elektrophilen Substitution wird also ein elektrophiler Substituent ausgetauscht. Substituenten die sich in diesem Fall anbieten würden, sind alle Moleküle oder Atome mit einer positiven Ladung.

Moleküle mit einer positiven Ladung lieben so gesehen Elektronen, also sind elektrophil (elektro = Elektronen, phil = liebend).

Wichtig für die elektrophile Substitution ist, dass der Substituent an einem Molekül ausgetauscht wird, was besonders viele Elektronen hat.

Dafür bieten sich besonders aromatische Verbindungen, aber auch Olefine an.

Dirigierende Wirkung

Je nachdem welche Gruppe schon vorher an einem aromatischen Ring dran hängt, kann man eine dirigierende Wirkung beobachten. Das heißt, dass der Substituent am Ring bestimmen kann, wo sich ein anderer Substituent anlagert. Bei zwei entgegengesetzten Vorzeichen überwiegt immer der M-Effekt.

Dieses Verhalten kann unterteilt werden in den

• M-Effekt (Mesomerie-Effekt) bei dem Elektronenpaare verschoben

und

• I-Effekt (Induktiven-Effekt) bei dem im Übergangszustand Ladungen verschoben

+M-Effekt

Bei dem +M-Effekt kann ein freies Elektronenpaar in den Ring geklappt werden, um die Elektronendichte in der ortho- und der para-Position zu erhöhen. Ein Beispiel dafür ist eine Methoxy-Gruppe.

-M-Effekt

Umgekehrt zu dem +M-Effekt, kann bei dem -M-Effekt ein Elektronenpaar aus dem Ring herausgezogen werden. Eine Gruppe die Elektronen aus dem Ring herausziehen kann, sind zum Beispiel die Carbonsäuren.

Dadurch wird die meta-Position bevorzugt. Einfach weil die meta-Position verschont bleibt.

+I-Effekt

Bei dem +I-Effekt wird nur etwas Elektronendichte abgegeben. Das heißt, dass ein Teil der Elektronendichte und kein gesamtes Elektronenpaar abgegeben wird.

Mögliche Substituenten mit einem +I-Effekt sind vor allem Alkylreste wie zum Beispiel Methyl- oder Ethyl-Gruppen.

-I-Effekt

Der -I-Effekt entsteht durch eine elektronenziehende Gruppe. Dabei haben überwiegend Elemente mit einer hohen Elektronegativität einen -I-Effekt. Beispiele für den -I-Effekt sind Elemente aus der Reihe der Halogene oder Chalkogene.

Beispiele

Benzol

Das einfachste Beispiel für eine elektrophile Substitution, ist die Substitution an einem Benzol.

An dem Benzol wird jetzt ein Halogenid in diesem Fall ein Bromid substituiert, dabei wird zunächst das elementare Brom mithilfe eines Katalysators in ein negatives Bromid-Anion und ein Bromonium-Kation aufgespalten.

Jetzt kann der Aromat das Bromonium-Kation angreifen. Dadurch wandert die positive Ladung des Bromonium-Kations in den Ring.

Durch die Bindung zu dem Bromonium-Kation wird die Aromatizität des Rings zerstört, da jetzt im Ring eine positive Ladung ist. Statt einem Aromaten, hat sich hier ein sigma-Komplex gebildet, indem eine positive Ladung vorliegt.

Um anschließend wieder die Aromatizität herzustellen, spaltet sich ein positiv geladenes Wasserstoffion ab.

Anilin

Bei einem Anilin liegt durch die Amino-Gruppe ein dirigierender Substituent vor. Die Amino-Gruppe hat ein freies Elektronenpaar das in den Ring klappen kann. Dadurch wird die Elektronendichte an der ortho- und der para-Position erhöht.

Wenn wir nun also unser Anilin zum Beispiel mit Methyliodid reagieren lassen, dann kann der Aromat die Methylgruppe angreifen. Wenn sich anschließend Wasserstoff als Iodwasserstoff abspaltet, bildet sich zu 66 % das ortho- und zu 33 % das para-Produkt. Das meta-Produkt wird nicht gebildet.

Der Grund, warum sich das ortho-Produkt doppelt so häufig bildet ist, dass es zwei ortho-Positionen und nur eine para-Position an dem Ring gibt.