Die nukleophile Substitution (S_N) ist ein Reaktionsmechanismus, der nicht nur bei Alkanolen vorkommt und den du unbedingt für das Abitur beherrschen solltest.

Bei der nukleophilen Substitution reagiert ein Nukleophil (=Stoff, der mit einem freien Elektronenpaar ein partiell positiv geladenes Atom angreift) mit einer organischen Verbindung des Typen R-X (R bezeichnet einen Alkylrest, X ein elektronenziehendes Heteroatom). Das Nukleophil ersetzt anschließend das Heteroatom.

Nukleophile sind Anionen oder Moleküle mit freien Elektronenpaaren wie beispielsweise Cl^-, Br^-, I^-, OH^-, H₂O. Gute Abgangsgruppen sind elektronenziehende (partial negativ geladene) Gruppen, die die C-X-Bindung polarisieren und dadurch leicht abgespalten werden können (bspw. -Cl, -Br, -I).

Man unterscheidet hierbei zwischen der nucleophilen Substitution erster Ordnung oder auch monomolekulare nukleophile Substitution (S_N1) und der nucleophilen Substitution zweiter Ordnung oder auch bimolekulare nukleophile Substitution (S_N2).

Das mono- bzw. bimolekular drückt hierbei aus, ob die Reaktionsgeschwindigkeit von einem (S_N1) oder beiden Edukten (S_N2) abhängig ist.

1. Bei dem vorliegenden Halogenalkan findet ein Elektronenzug durch das partiell positiv geladene Brom­atom statt. Dieser kann durch ein polares Lösungsmittel (z.B.: H₂O) unterstützt werden. Dadurch kommt es spontan zur heterolytischen Trennung des Halogenalkans und es bilden sich ein Carbeniumkation und ein Halogenanion.
2. Im nächsten Schritt greift das Nucleophil, in diesem Fall die Hydroxygruppe, die positive Ladung an und bildet eine kovalente Bindung aus. Der nucleophile Angriff kann von beiden Seiten stattfinden, weshalb hier das Produkt aus einer Mischung aus links- und rechtsgebundener Hydroxygruppe besteht (Racemisierung).

Bei dieser Reaktion hängt die Geschwindigkeit lediglich davon ab, wie schnell das Halogenalkan zerfällt (Schritt 1). Das vorliegende Beispiel ist daher eine monomolekulare nucleophile Substitution (S_N1-Reaktion).

1. Bei einer S_N2 Reaktion greift das Nucleophil direkt das positiv polarisierte Kohlenstoffatom an. Dies erfolgt auf der genau gegenüberliegenden Seite des Halogenatoms, da sich diese durch ihre negative Polarisation abstoßen würden.
2. Anschließend kommt es zur Bildung eines Übergangszustandes, in dem das Halogenatom noch zur Hälfte und das Hydroxidion gerade zur Hälfte gebunden ist.
3. Zuletzt wird auch hier das Halogenid-Ion abgespalten und man erhält ein Alkanol. Zusammengefasst wurde also ein Halogenatom durch eine Hydroxygruppe ersetzt, indem die Hydroxygruppe nucleophil angegriffen hat.

Ob nun eine S_N1- oder S_N2-Reaktion bevorzugt abläuft, ist nicht direkt zu erkennen und hängt von den folgenden Faktoren ab:

1. Eine S_N1-Reaktion wird durch ein tertiäres Kohlenstoffatom, durch hohe Temperaturen und polare Lösungsmittel bevorzugt.
2. Eine S_N2-Reaktion wird dagegen durch ein primäres Kohlenstoffatom, ein starkes Nucleophil, niedrige Temperaturen und polare, aprotische (lösen gut Kationen, Anionen dagegen sehr schlecht) Lösemittel bevorzugt ablaufen. Gute Nucleophile sind z.B. eine Hydroxygruppe, eine Aminogruppe, ein Iodid-Ion oder ein Cyanidanion. Schlechte dagegen z.B. Wasser oder ein Chloridanion. Aprotisch polare Lösemittel sind meistens Lösemittel mit einem polaren Anteil, wie eine Carbonylgruppe oder eine Ketogruppe, und einem unpolaren Rest.