Nucleophile Substitution

Die Deutung der beiden letzten Versuche liegt an. Wer jetzt vielleicht denkt, die beiden Versuche laufen genauso ab wie der erste (Herstellung von Ethanol aus Bromethan), hat zwar gut nachgedacht und gezeigt, daß er / sie wichtige Prinzipien der organischen Chemie auf neue Situationen übertragen kann, aber leider ist dieser Weg falsch. Erstaunlicherweise laufen die beiden neuen Reaktionen ganz anderes ab, wie folgende Abbildung zeigt:

Im ersten Reaktionsschritt reagiert das Ethanolmolekül mit der hinzugefügten Schwefelsäure. Und zwar gibt die Säure ein Proton an die OH-Gruppe des Ethanols ab. Es entsteht ein Zwischenprodukt mit einer Art Hydroniumgruppe, die man hier aber Oxoniumion nennt. Dass so etwas instabil ist, erkennt selbst der chemische Laie auf den ersten Blick. Also wird die Gruppe in Form eines Wassermoleküls abgegeben. Die positive Ladung verbleibt allerdings im Ethanolrest. Es entsteht wieder ein Zwischenprodukt, diesmal ein Ethan-Molekül, dem ein H-Atom fehlt.

Es handelt sich um ein Ethyl-Kation. Die Abbildung oben zeigt den Unterschied zwischen einem Ethyl-Radikal und einem Ethyl-Kation. Das C-Atom des Kations hat eine Kugelwolke, die kein einziges Elektron mehr enthält. Ein solches C-Atom nennt man übrigens Carbeniumion.

Eine solche leere Kugelwolke stellt natürlich eine Einladung für alle Atome oder Moleküle mit einer doppelt besetzten Kugelwolke dar: bitte überlappe mit mir! Wenn z.B. ein Bromid-Ion in der Nähe ist (das Ion hat vier solcher doppelt besetzten Kugelwolken), dann kann sich das Ion mit dem Ethyl-Kation zusammentun, und es bildet sich eine neue kovalente Bindung.

Falls aber keine Basen mit freien Elektronenpaaren in der Nähe sein sollten, so kommt es zu einer völlig anderen Reaktion: das kationische Zwischenprodukt, in unserem Fall also das Ethyl-Kation, gibt einfach ein Proton ab und wird damit wieder elektrisch neutral. Allerdings befindet sich jetzt eine C=C - Doppelbindung im Molekül. Aus Ethanol ist Ethen geworden. Nähere Einzelheiten siehe -Eliminierung.