Elektrophile aromatische Substitution

Unter der elektrophilen aromatischen Substitution versteht man eine elektrophile Substitutionsreaktion an einer aromatischen Verbindung. Während bei Aliphaten Substitutionen häufig nukleophiler Natur sind, werden Aromaten bedingt durch ihr elektronenreiches π-System bevorzugt von Elektrophilen angegriffen. Dabei wird in der Regel ein an den reagierenden Aromaten gebundenes Wasserstoffatom durch das Elektrophil ersetzt. Die elektrophile aromatische Substitution ist eine mehrstufige Reaktion.

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Reaktionsmechanismus

Der Reaktionsmechanismus in Abb. 1 beschreibt den allgemeinen Ablauf einer elektrophilen aromatischen Substitution. Der Aromat 1 wechselwirkt mit dem Elektrophil E⁺. Man spricht von der Bildung des π-Komplexes 2a. Aus diesem, oder direkt aus den Ausgangsstoffen bildet sich unter Aufhebung der Aromatizität von 1 der σ-Komplex 2b, der auch Arenium-Ion oder Wheland-Komplex genannt wird. Unter Deprotonierung dieses Komplexes findet eine Rearomatisierung des Systems statt, und das Endprodukt 3 wird freigesetzt. Die Bildung eines π-Komplexes ist nicht zwingend für die Erklärung der Reaktion notwendig.

Elektrophil

Als Elektrophil E⁺ kommt ein weites Spektrum von Verbindungen in Frage, die häufig reaktive Produkte einer der elektrophilen aromatischen Substitution vorgelagerten Reaktionen sind. Im Kontext der elektrophilen Substitution sind folgende Elektrophile von Bedeutung:

• das Proton
• polarisierte Halogene, z.B. Bromierung oder Iodierung:
  • Br₂ → Br^δ+ + Br^δ−
  • hypobromige Säure HOBr
  • Iod(I)-chlorid ICl
• Carbokationen
• Carbonylverbindungen (C=O → C^δ+–O^δ−)
• Schwefeltrioxid
• das Nitrosylkation
• das Nitryl- bzw. Nitronium-Kation (Nitrierung) aus [NO₂]⁺[BF₄]⁻ oder durch Protolyse von Salpetersäure

Einige der Elektrophile sind positiv geladen und können direkt die Austrittsgruppe ersetzen. Bei anderen muss die positive Ladung durch Bindungsspaltung erzeugt werden. Die Koordination einer Lewissäure an das negative Ende des Elektrophils verstärkt die Polarisierung der Bindung und beschleunigt die elektrophile Substitution. Dies z.B. bei der Bromierungen mit Brom, Br₂, in Gegenwart von Eisen(III)-bromid, FeBr₃.

Die Austrittsgruppe

Im Regelfall ist die Austrittsgruppe ein Proton. Weiterhin sind auch Beispiele für Carbokationen, Sulfonyle und Silylgruppen bekannt.

Kinetik der Reaktion

  Abb. 2 zeigt die Reaktionskoordinate der Reaktion. Für die Zweistufigkeit gibt es viele Belege. Einerseits ist es möglich, die als Zwischenprodukt auftretenden Arenium-Ionen 2b in Reinsubstanz zu isolieren und zu charakterisieren. So gelingt die Darstellung des σ-Komplex 4 aus Mesitylen und Ethylfluorid in Gegenwart von Bortrifluorid in Ether bei −80 °C. Andererseits kann man über die Untersuchung von Isotopeneffekten eine Kinetik der Reaktion ermitteln, die für einen Zweistufenmechanismus spricht. Danach ist die Bildung des σ-Komplex der geschwindigkeitsbestimmende Schritt.

Substituenteneffekte

Bereits am Aromaten vorhandene Substituenten üben einen großen Einfluss sowohl auf die Reaktivität des Aromaten und somit auf die Geschwindigkeit der elektrophilen Substitution, als auch auf die Position einer Zweitsubstitution aus (dirigierende Effekte). Wird die Elektronendichte des aromatischen Ringes erhöht, so nimmt auch seine Reaktivität gegenüber Elektrophilen zu. Diese Erhöhung kann durch mesomere und/oder induktive Effekte bewirkt werden – man spricht vom M- bzw. I-Effekt. Ein beigefügtes Vorzeichen zeigt an, ob der Substituent die Elektronendichte des Ringes erhöht (+M/+I-Effekt) oder verringert (−M/−I-Effekt).

Der induktive Effekt beruht darauf, dass elektronenziehende Substituenten den protonierten Ring destabilisieren. Der mesomere Effekt beruht darauf, dass der Substituent entweder freie Elektronenpaare besitzt, über die er die Elektronendichte durch Mesomerie im Ring erhöhen oder vermindern kann.

Dirigierende Wirkung

Neben der Beeinflussung der Reaktivität des Aromaten wirkt der Erstsubstituent dirigierend auf die Eintrittsposition des Zweitsubstituenten: Elektrophile aromatische Substitutionsreaktionen mit +I-/+M-Substituenten liefern bezüglich dessen Stellung überwiegend ortho- und para-substituierte, −I/−M-Substituenten hingegen meta-substituierte Produkte.

Für eine Begründung dieses Effekts betrachtet man die mesomerer Grenzstrukturen entweder des Aromaten Edukt oder des σ-Komplexes. Tatsächlich entscheidend ist für die bevorzugte Zweitsubstitution die Höhe des ersten Übergangszustandes zwischen Edukt und dem σ-Komplex. Bei Betrachtung der mesomeren Grenzstrukturen des Eduktes argumentiert man mit einem erleichterten Angriff des Elektrophils an elektronenreichen Atomen des Rings und einen dadurch bedingten niedrigerem Übergangszustand. Bei der Betrachtung am σ-Komplex geht man davon aus, dass ein stabilerer, d.h. energieämerer σ-Komplex auch über einen niedrigeren Übergangszustand erreicht wurde.

Drittsubstitution

Bei einer elektrophilen aromatischen Substitution mit zwei oder mehr bereits vorhandenen Substituenten lässt sich die Reaktivität und der Ort der Substitution meist aus den kombinierten Effekten der Substituenten herleiten. Oft ist dies sehr einfach, wenn sich die Effekte der Substituenten miteinander verstärken oder alle freien Positionen äquivalent sind. Wenn dirigierende Wirkungen verschiedener Substituenten zu einer Substition an verschiedenen Stellen führen würden, bestimmt normalerweise der am stärkstend aktivierend wirkende Substituent wo die Substitution stattfindet. Wenn zwei Positionen durch +I-Effekte von Alkylsubstituenten ähnlich preferiert werden, gewinnen sterische Effekte an Bedeutung und die Substitution findet an der leichter zugänglichen Position statt.^[1]

Wichtige elektrophile Substitutionsreaktionen an Aromaten

• Aminomethylierung
• Azokupplung
• Blanc-Reaktion (Chlormethylierung)
• Friedel-Crafts-Acylierung
• Friedel-Crafts-Alkylierung
• Halogenierung
• Houben-Hoesch-Synthese
• Hydroxymethylierung
• Gattermann-Synthese
• Gattermann-Koch-Synthese
• Kolbe-Schmitt-Reaktion
• Nitrierung
• Sulfonierung
• Vilsmeier-Haack-Reaktion

Siehe auch

• Nukleophile Substitution
• Radikalische Substitution

Einzelnachweise

1. ↑ F.A. Carey, Organic Chemistry 4th ed., McGraw-Hill, 2000, ISBN:0-07-117499-0