Die Kenntnisse über die Reaktionsmechanismen sind in der organischen Chemie notwendig, um chemische Verbindungen herstellen zu können. Wenn ein Molekül oder ein Ion Elektronen aufnehmen kann, bezeichnet man es als elektrophil („elektronenliebend“). Kann ein Molekül oder Ion Elektronen zur Verfügung stellen, so ist es nukleophil (ursprünglich „kernliebend“, heute in der Bedeutung „elektronenspendend“). Der „Angriff“ auf ein stabiles Molekül erfolgt mit einem anderen Teilchen, das fähig ist, das Molekül zu aktivieren. Chemische Reaktionen in der organischen Chemie beruhen auf Veränderungen der Elektronenverteilung und der Elektronenpaarung.

Nukleophile sind Moleküle oder Ionen, die Elektronen zur Verfügung stellen und diese zur Bildung einer neuen Bindung einsetzen können. Typische Nukleophile sind zum Beispiel:

Br⁻   CN⁻   H₂O (schwach)   C=C-Doppelbindungen   Basen wie  NH₃  oder  OH⁻

Elektrophile sind Moleküle oder Ionen, die Elektronen aufnehmen können. Elektrophile ziehen Elektronen an und nehmen sie zur Bindungsbildung auf. Typische Elektrophile sind zum Beispiel:

Br^δ+ (positiv polarisiertes Brom-Atom)    NO₂⁺ (Nitronium-Ion)    H⁺ (Proton einer Säure)

Radikale sind Moleküle oder Atome, die mindestens ein ungepaartes Elektron besitzen. Sie sind sehr reaktionsfreudig, da sie bestrebt sind, wieder einen stabileren Zustand mit gepaarten Elektronen zu erreichen. Radikale entstehen typischerweise durch Spaltung einer Bindung, zum Beispiel durch hohe Temperatur oder UV-Licht, wobei jeder Bindungspartner ein Elektron erhält. Sauerstoff-, Chlor- oder Brom-Moleküle liefern gerne Radikale, Peroxide ebenfalls. Beispiele:

Br₂  →  Br·  +  ·Br       H₂O₂  →  HO·  +  ·OH    

Radikale besitzen weder einen Elektronenüberschuss noch einen Elektronenmangel im klassischen Sinn. Sie sind daher weder nukleophil noch elektrophil, sondern reagieren, um ihr ungepaartes Elektron zu paaren. Radikale reagieren häufig mit σ-Bindungen (zum Beispiel C–H-Bindungen) oder mit π-Bindungen (zum Beispiel C=C-Doppelbindungen), indem sie neue Bindungen ausbilden.
 

Schwachstellen in organischen Molekülen 

Wie kann man Schwachstellen in Molekülen erkennen? Die Schwachstellen sind Atome oder Bindungen, an denen chemische Reaktionen bevorzugt ablaufen. Ursache sind stets Ungleichverteilungen von Elektronendichte oder instabile Bindungssituationen. Im Folgenden werden die wichtigsten Arten solcher Schwachstellen erläutert. 

1. Polare Bindungen, freie Elektronenpaare. In einer polaren Bindung sind die Bindungselektronen ungleich verteilt. Das elektronegativere Atom zieht die Elektronen stärker an und trägt eine partielle negative Ladung (δ−), das andere Atom trägt eine partielle positive Ladung (δ+). Atome mit partieller positiver Ladung sind bevorzugte Angriffspunkte, da sie elektronenarm sind. Typische Beispiele für polare Bindungen sind:

C–O    C–N    C–Cl    C–Br    O–H    N–H

Chemisch gebundene Sauerstoff-, Stickstoff- oder Halogen-Atome besitzen in vielen organischen Verbindungen freie Elektronenpaare. Diese Elektronen sind nicht an der Bindung beteiligt, sie stehen für die Bildung neuer Bindungen zur Verfügung.

2. Mehrfachbindungen. Doppel- und Dreifachbindungen bestehen aus verschiedenen Bindungsarten. Neben einer σ-Bindung (Sigma-Bindung) enthalten sie gemäß dem Hybridorbitalmodell eine oder zwei π-Bindungen (Pi-Bindungen). Beispiele: 

C–C  (Alkane): eine σ-Bindung
C=C  (Alkene): eine σ-Bindung und eine π-Bindung
C≡C  (Alkine): eine σ-Bindung und zwei π-Bindungen
C=O  (Carbonylgruppe): eine σ-Bindung und eine π-Bindung

π-Bindungen sind im Vergleich zu σ-Bindungen reaktionsfreudiger. Die π-Elektronen wirken nukleophil. Besonders reaktiv ist die C=O-Doppelbindung der Carbonylgruppe, da sie zusätzlich eine starke Polarität aufweist. Das Kohlenstoff-Atom der Carbonylgruppe ist elektrophil. Dadurch kann es durch Nukleophile wie CN⁻ angegriffen werden. 



3. Stabilität der entstehenden Moleküle oder Ionen. Bindungen lassen sich besonders leicht lösen, wenn bei der chemischen Reaktion stabile Ionen oder Moleküle entstehen. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für Substitutions- und Eliminierungsreaktionen. Typische Beispiele: 

• Ist in einem organischen Molekül ein Halogen-Atom (zum Beispiel Cl, Br oder I) an ein Kohlenstoff-Atom gebunden, so kann sich diese Bindung lösen, wobei das Halogen-Atom die Bindungselektronen vollständig mitnimmt. Dabei entsteht ein Halogenid-Ion, das relativ stabil ist. Deshalb lassen sich solche Bindungen vergleichsweise leicht spalten.
• Bei Alkoholen ist die C-O-Bindung zwischen dem Kohlenstoff-Atom und dem Sauerstoff-Atom zunächst schwer zu spalten. Nimmt das Sauerstoff-Atom jedoch ein Proton (H⁺) auf, spricht man von Protonierung. Diese führt zum Lösen der Bindung, das Molekül wird dann umgebaut, zum Schluss spaltet sich ein Wasser-Molekül (H₂O) ab. Das Proton selbst wird dabei nicht verbraucht, es wirkt katalytisch. 
• Benzol reagiert mit Brom, wenn ein Katalysator wie FeBr₃ vorhanden ist. Es entsteht zunächst eine instabile, positiv geladene Zwischenverbindung, die nicht aromatisch und daher energetisch ungünstig ist. Durch die Abspaltung eines Protons wird die Aromatizität am Benzolring wiederhergestellt. Das entstehende Brombenzol ist deutlich stabiler als die Zwischenverbindung. 

4. Bindungsspannung verursacht Instabilität.  Bindungsspannung in Molekülen erhöht deren Reaktivität. Sie entsteht, wenn Bindungen nicht die für sie günstige räumliche Anordnung einnehmen können. Ein typisches Beispiel sind dreigliedrige Ringe. In Molekülen wie Cyclopropan oder Ethylenoxid sind die Bindungswinkel stark vom normalen Bindungswinkel abweichend. Dadurch entsteht Spannung im Molekül, die durch Reaktionen abgebaut werden kann.


Beispiele für die verschiedenen Reaktionstypen in der organischen Chemie

Die Benennung des Reaktionstyps erfolgt zuerst nach dem Teilchen, das den Mechanismus der jeweiligen Reaktion charakterisiert (Elektrophil, Nukleophil, Radikal). Dann folgt die Art der Bindungsänderung (Addition, Substitution, Eliminierung). Bei der Symbolschreibweise wird zuerst die Bindungsänderung genannt, dann folgt das Symbol für den Mechanismus. In deutschen Schulbüchern ist dieses Symbol oft tiefgestellt.

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