## Nucleofiele substitutie

####

Een heel ander type substitutiereactie is de vervanging van een halogeenatoom door OH in de reactie van een halogeenalkaan met OH-. We noemen dit nucleofiele substitutie. Zo reageert broommethaan als volgt met natronloog:

Bij deze reactie spelen radicalen geen enkele rol, de reactie verloopt via ionen. Het reactiemechanisme van deze reactie is een ionair mechanisme.

Nucleofiele substitutie is de vervanging van een atoom (of atoomgroep) aan een C-atoom door reactie met een nucleofiel deeltje. Nucleofiele deeltjes zijn negatieve ionen of moleculen met één of meer vrije elektronenparen. Ze reageren met andere deeltjes, die een atoomkern (kern = nucleus) hebben met een geheel of gedeeltelijk positieve lading. Daar komt ook de term nucleofiel (=kernlievend) vandaan. Een voorbeeld is de reactie van halogeenalkanen met natronloog tot alcoholen:

​ ​
OH- is het nucleofiele deeltje, het zoekt een positieve plaats in het molecuul op. Het koolstofatoom in de alkylgroep is ð+ doordat het halogeenatoom sterker elektronegatief is en ð- wordt. Vervanging van een H-atoom zal niet optreden.

#### Reactiemechanisme

De nucleofiele substitutiereactie kan via twee verschillende wegen (mechanismen) verlopen:

- de reactie verloopt in één stap. Het OH--ion hecht aan het C-atoom onder gelijktijdige loslating van het halogenide-ion:

Een voorbeeld van dit type mechanisme is de reactie tussen OH--ionen en broommethaan.
Een reactie die volgens dit mechanisme verloopt noemen we een SN2-reactie. Dit is de afkorting voor (tweede orde) bimoleculaire nucleofiele substitutie.

Toelichting: de reactie verloopt in één stap, en dat is dan automatisch de snelheidsbepalende stap. Het aantal reagerende deeltjes in deze stap bedraagt twee: de reactie is bimoleculair. De reactie orde is dan ook twee. In het thema 'Reactiekinetiek en reactiemechanismen' gaan we in op de orde van een reactie.

- de reactie verloopt in twee stappen. In de eerste stap splitst het halogeenalkaanmolecuul in een halogenide-ion en een positief ion met de lading op het C-atoom, een carbokation. In de tweede stap reageert het OH--ion met het carbokation:

Een voorbeeld van dit type mechanisme is de reactie tussen OH--ionen en 2-chloor-2-methylpropaan.
Een reactie die volgens dit mechanisme verloopt noemen we een SN1-reactie: de afkorting voor (eerste orde) monomoleculaire nucleofiele substitutie.

Toelichting: de reactie verloopt in twee stappen, waarvan de eerste stap bepalend is voor de totale snelheid van de reactie. Bij de vorming van het carbokation is slechts één deeltje betrokken: de reactie is monomoleculair. De reactie is dan ook van de eerste orde. In het thema 'Reactiekinetiek en reactiemechanismen' gaan we in op de orde van een reactie.

#### Factoren

Factoren die invloed hebben op het type mechanisme zijn onder andere:

Sterische hindering

Naarmate er meer alkylgroepen aan het koolstofatoom zitten waaraan de substitutie plaats vindt, zal het voor een nucleofiel deeltje, zoals het OH--ion, moeilijker worden om het koolstofatoom te naderen. Het koolstofatoom wordt meer afgeschermd naarmate er meer en grotere groepen aan dat atoom zitten.

Stabiliteit carbokation

Des te stabieler het carbokation, des te makkelijker verloopt de reactie via het carbokation. De stabiliteit van carbokationen neemt toe naarmate er meer en langere alkylgroepen aan het positieve koolstofatoom zitten. De reden daarvan laten we hier buiten beschouwing. Bij een primair carbokation zit de positieve lading op een primair C-atoom, bij een secundair en tertiair carbokation op een secundair C-atoom, respectievelijk een tertiair C-atoom.

Deze twee effecten hebben tot gevolg dat het mechanisme via het carbokation beter verloopt naarmate er meer en langere alkylgroepen aan het positieve koolstofatoom zitten. Hierdoor is het te verklaren dat de reactie bijna geheel volgens het éénstaps mechanisme verloopt bij substitutie aan primaire koolstofverbindingen en aan methylverbindingen (halogeenmethaan), en bijna geheel via het carbokation bij tertiaire koolstofverbindingen. Secundaire koolstofverbindingen kunnen via beide mechanismen verlopen.

Het oplosmiddel heeft ook invloed. Naarmate het oplosmiddel sterker polair is, kunnen er gemakkelijker ionen worden gevormd, omdat deze door solvatatie gestabiliseerd kunnen worden. Het mechanisme via het carbokation zal dan beter kunnen verlopen.
In principe bestaat er dus altijd een concurrentie tussen beide reactiewegen. Bovenstaande factoren bepalen welke reactieweg de overhand zal hebben.
Animatie SN1 en SN2-reacties (Voor deze animatie is Adobe Shockwave Player nodig. Kies binnen de pagina “Reaction Mechanism Animation” voor “Free Radical Substitution”)
Animaties SN1 en Sn2-reacties voor Ipadgebruikers