Was ist elektrophile aromatische substitution?

Die elektrophile aromatische Substitution (EAS) ist eine wichtige organische Reaktion, bei der ein Atom, meistens Wasserstoff, an einem aromatischen Ring durch ein Elektrophil ersetzt wird. Der aromatische Ring fungiert dabei als Nukleophil, da er reich an Elektronen ist.

Mechanismus:

Der allgemeine Mechanismus der EAS besteht aus folgenden Schritten:

1. Bildung des Elektrophils: Zuerst muss ein starkes Elektrophil gebildet werden. Dies kann durch verschiedene Methoden erfolgen, abhängig von der spezifischen Reaktion.
2. Elektrophiler Angriff: Das Elektrophil greift den aromatischen Ring an, wodurch ein Carbokation-Zwischenprodukt entsteht, auch bekannt als Wheland-Komplex oder Arenium-Ion. Dieser Komplex ist nicht aromatisch und daher instabil.
3. Deprotonierung: Schließlich wird ein Proton vom Kohlenstoffatom, an dem das Elektrophil gebunden ist, abgespalten. Dies regeneriert den aromatischen Ring und bildet das substituierte Produkt.

Wichtige Reaktionen:

• Halogenierung: Der Ersatz eines Wasserstoffatoms durch ein Halogen (z.B. Chlor oder Brom). Häufig mit einem Lewis-Säure-Katalysator wie FeCl3 oder AlCl3. (Halogenierung)
• Nitrierung: Der Ersatz eines Wasserstoffatoms durch eine Nitrogruppe (-NO2). Wird typischerweise mit einer Mischung aus konzentrierter Salpetersäure und Schwefelsäure durchgeführt. (Nitrierung)
• Sulfonierung: Der Ersatz eines Wasserstoffatoms durch eine Sulfonsäuregruppe (-SO3H). Wird typischerweise mit Oleum (rauchender Schwefelsäure) oder konzentrierter Schwefelsäure durchgeführt. (Sulfonierung)
• Friedel-Crafts-Alkylierung: Der Ersatz eines Wasserstoffatoms durch eine Alkylgruppe. Benötigt einen Lewis-Säure-Katalysator wie AlCl3. (Friedel-Crafts-Alkylierung) - Beachte, dass bei dieser Reaktion Polyalkylierung auftreten kann und Umlagerungen des Alkylrestes möglich sind.
• Friedel-Crafts-Acylierung: Der Ersatz eines Wasserstoffatoms durch eine Acylgruppe. Benötigt ebenfalls einen Lewis-Säure-Katalysator wie AlCl3. (Friedel-Crafts-Acylierung) - Vermeidet Polyacylierung und Umlagerungen.

Substituenteneffekte:

Bereits vorhandene Substituenten am aromatischen Ring beeinflussen sowohl die Reaktivität des Rings als auch die Position, an der das nächste Elektrophil angreift (Ortho-, Meta- oder Para-Position). Man unterscheidet:

• Aktivierende Gruppen: Machen den Ring reaktiver für elektrophile Angriffe und lenken das Elektrophil typischerweise in die ortho- und para-Position (ortho/para-dirigierend). Beispiele: -OH, -OR, -NH2, -NR2, Alkylgruppen.
• Desaktivierende Gruppen: Machen den Ring weniger reaktiv für elektrophile Angriffe. Meta-dirigierende desaktivierende Gruppen sind häufig, aber ortho/para-dirigierende desaktivierende Gruppen sind auch möglich. Beispiele (Meta-dirigierend): -NO2, -SO3H, -CN, -CHO, -COOH, -COOR. Halogene sind ortho/para-dirigierend, aber desaktivierend. (Substituenteneffekte)

Regioselektivität:

Die Regioselektivität bezieht sich darauf, an welcher Position des aromatischen Rings das Elektrophil substituiert wird (ortho, meta oder para). Die Substituenteneffekte sind entscheidend für die Bestimmung der Regioselektivität. Sterische Effekte können ebenfalls eine Rolle spielen, besonders wenn sperrige Substituenten vorhanden sind. (Regioselektivität)