Aromatische nucleophile Substitution

Die nukleophile aromatische Substitution ist ein Spezialmechanismus in der organischen Chemie. Dieser Substitutionstypus gehört formal zu den Substitutionen am ungesättigten Kohlenstoff-Atom. In Anlehnung an die Abkürzungsschreibweise der nukleophilen Substitution wird dieser Mechanismus auch als S_N,ar (aromatisch) bezeichnet. Die nukleophile Substitution allgemein wird in einem eigenen Artikel genauer behandelt.

Allgemeines

Nucleophile Reagenzien (also Reagenzien die selbst eine negative Ladung oder ein freies Elektronenpaar haben) suchen Stellen in Molekülen mit einem Elektronendefizit (=Stellen mit positiven Ladungen/Partialladungen oder Elektronenlücken). „Normale“ Aromaten mit ihren sechs π-Elektronen sind gegenüber diesen naturgemäss wenig reaktionsfreudig.

Man beobachtet Ausnahmen, siehe Arinmechanismus.

Während bei der elektrophilen aromatischen Substitution meist ein Wasserstoff (siehe aber auch ipso-Substitution) gegen ein Elektrophil ausgetauscht wird, ist die Substitution von diesem bei einer nucleophilen aromatischen Substitution nicht möglich. Der Wasserstoff müsste in Form der äußerst schlechten Abgangsgruppe Hydrid (= H⁻) den Molekülverband verlassen.

Voraussetzungen für die nucleophile aromatische Substitution sind deshalb

• die Elektronendichte im Aromat muss durch (−I/−M)-Substituenten herabgesetzt sein.
• der Aromat muss eine gute Abgangsgruppe haben, die substituiert wird.

Mechanismus

Abb. 1: Überblick über den Mechanismus

Die angreifende nucleophile Gruppe greift das substituierte Kohlenstoff-Atom an. Die nucleofuge Abgangsgruppe tritt unter Mitnahme der ehemaligen Bindungselektronen aus dem Molekülverband aus. Intermediär bildet sich eine Zwischenstufe, bei der eine zusätzliche negative Ladung im Aromat auftritt. Diese negative Ladung ist über den gesamten Ring und über den (−M)-Substituenten delokalisiert.

Abb. 2: SNar, mesomere Grenzformeln

Der (−)-M-Substituent ermöglich also erst den Angriff des Nucleophils und stabilisiert darüber hinaus die Zwischenstufe.

Übergangszustand oder Zwischenstufe?

Die Reaktion von 2-Ethoxy-1,3,5-trinitrobenzol (Pikrinsäureethylester) mit Natriummethanolat liefert ein von Jakob Meisenheimer erstmals isoliertes Salz. Die isolierbaren Salze der Zwischenstufen bei nukleophilen aromatischen Substitution sind bekannt als Meisenheimer-Komplexe.

Abb. 3: Meisenheimer-Komplex

Sie gelten als Beweis, dass nukleophile aromatische Substitutionen in einem Zweistufenmechanismus ablaufen (Additions-Eliminierungsmechanismus).

Für elektrophile aromatische Substitutionen fand Albert Eschenmoser entsprechende, nach ihm benannte Eschenmoser-Komplexe.

Bekannte Anwendungen

Sangers-Reagenz, als Hilfsmittel zur Sequenz-Analyse bei Peptiden; siehe Sangers Methode zur Bestimmung der Aminosäuresequenz

Literatur

• Peter Sykes: Wie funktionieren organische Reaktionen? 2. Auflage, Wiley-VCH 2001, ISBN 3-527-30305-7
• Peter Sykes: Reaktionsmechanismen der Organischen Chemie 7.te Auflage, Verlag Chemie 1979, ISBN 3-527-21047-4
• Autorenkollektiv: Organikum. 22. Auflage. Wiley-VCH, 2004, S. 393–399, ISBN 978-3-527-31148-4