Reakcije supstitucije: opis, jednadžba, primjeri

Mnoge supstitucijske reakcije otvaraju način dobivanja raznih spojeva koji imaju ekonomsku primjenu. Ogromna uloga u kemijskoj znanosti i industriji dodjeljena je elektrofilnoj i nukleofilnoj supstituciji. U organskoj sintezi, ovi procesi imaju niz mogućnosti, koje treba napomenuti.

Razne kemijske pojave. Reakcije supstitucije

Kemijske promjene povezane s transformacijom tvari imaju brojne značajke. Različiti mogu biti konačni rezultati, toplinski učinci, neki procesi idu do kraja, drugi se javljaju kemijska ravnoteža. Promjena tvari često prati povećanje ili smanjenje stupnja oksidacije. Pri klasifikaciji kemijskih fenomena njihovim konačnim rezultatom, pozornost se usmjerava na kvalitativne i kvantitativne razlike između reaktanata i proizvoda. Te značajke mogu se razlikovati 7 vrsta kemijske reakcije, uključujući i zamjenu, postupak prema shemi: A-B-C A + C + B. pojednostavljeno snimanje cijele klase kemijskih fenomena daje ideju da među početnih materijala je takozvani „napadač "Čestica koja zamjenjuje atom, ion i funkcionalnu skupinu u reagensu. Reakcija supstitucije je karakteristična za ograničavanje i aromatski ugljikovodici.

Zamjenske reakcije mogu se pojaviti kao dvostruka izmjena: A-B + C-E A-C + B-E. Jedna od podvrsta je zamjena, na primjer, bakra od željeza iz otopine bakrenog sulfata: CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu. Kao "napadajuća" čestica može djelovati kao atomi, ioni ili funkcionalne skupine

Zamjena homolitskog (radikal, SR)

Pod radikalnim mehanizmom razbijanja kovalentnih veza elektronski par, zajednički za različite elemente, proporcionalno se raspoređuje između "fragmenata" molekule. Formirani su slobodni radikali. To su nestabilne čestice, čija stabilizacija nastaje kao posljedica naknadnih transformacija. Na primjer, pri dobivanju etana iz metana, pojavljuju se slobodni radikali koji sudjeluju u reakciji supstitucije: CH₄ CH₃• + • Н- СН₃• + • CH₃ → S2N5- Н • + Н → N2. Homolitsko lomljenje veze prema gornjem mehanizmu zamjene je tipično za alkane, reakcija ima lančani karakter. U metanu, atomi H mogu se sukcesivno zamijeniti s klorom. Slično tome, reakcija s bromom, ali jod ne može izravno zamijeniti vodik u alkanima, fluor reagira previše na njih.

Heterolitska metoda prekida komunikacije

Pod ionskim mehanizmom tijekom reakcija supstitucije, elektroni su neravnomjerno raspoređeni između novoformiranih čestica. Vezivni par elektrona putuje potpuno u jedan od "fragmenata", najčešće onom komunikacijskom partneru prema kojemu je pomaknuta negativna gustoća u polarnoj molekuli. Zamjenske reakcije uključuju formiranje metilnog alkohola CH₃OH. U bromometanu CH3Br, poremećaj molekule je heterolitički, nabijene čestice su stabilne. Metil dobiva pozitivan naboj, a brom - negativan: CH₃Br → CH₃⁺ + br^-- NaOH → Na⁺ + OH^-- CH₃⁺ + OH^- → CH₃OH- Na⁺ + br^- harr- NaBr.

Elektrofili i nukleofili

Čestice koje nemaju elektrona i mogu ih prihvatiti nazivaju se "elektrofilima". To uključuje ugljikove atome povezane na halogene u haloalkanima. Nukleofili imaju povećanu gustoću elektrona, oni "žrtvuju" par elektrona pri stvaranju kovalentne veze. U zamjenskim reakcijama, elektrofili su napadali nukleofile bogate negativnim nabojem i iskusili nedostatak elektrona. Taj je fenomen povezan s premještanjem jednog atoma ili druge čestice - odlazne skupine. Druga vrsta supstitucijske reakcije je elektrofilni napad nukleofila. Ponekad je teško razlikovati između dva procesa, u odnosu na zamjenu jednog ili drugog tipa, jer je teško odrediti točno kakav molekule - podloge, a koji - reagensa. U takvim slučajevima obično se uzimaju u obzir sljedeći čimbenici:

• priroda odlazne skupine;
• reaktivnost nukleofila;
• priroda otapala;
• struktura alkilnog dijela.

Supstitucija nukleofilna (SN)

U procesu interakcije, povećana je polarizacija u organskoj molekuli. U jednadžbama, djelomični pozitivni ili negativni naboj označeni su slovom grčke abecede. Polarizacija veze omogućuje procjenu prirode njegovog diskontinuiteta i naknadnog ponašanja "fragmenata" molekule. Na primjer, ugljikov atom u jodometanu ima djelomično pozitivan naboj, je elektrofilni centar. Privlači taj dio vodenog dipola, gdje se nalazi kisik, koji ima višak elektrona. Kada elektrofil reagira s nukleofilnim reagensom, nastaje metanol: CH₃I + H₂O → CH₃OH + HI. Reakcije nukleofilne supstitucije odvijaju se uz sudjelovanje negativno nabijenog iona ili molekule koja posjeduje slobodni elektronski par koji ne sudjeluje u stvaranju kemijske veze. Aktivno sudjelovanje jodometana u SN₂-reakcije se objašnjavaju njegovom otvorenosti na nukleofilni napad i mobilnost joda.

Elektrofilna supstitucija (SE)

Organska molekula može imati nukleofilni centar, za koji je višak gustoće elektrona karakterističan. Ona reagira s nedostatkom negativnih naboja s elektrofilnim reagensom. Takve čestice uključuju atome koji imaju slobodne orbitale, molekule s mjestima smanjene gustoće elektrona. U natrijevog formata ugljen koji ima naboj ";" djeluje u interakciji s pozitivnim dijelom dipolova vode - s vodikom: CH₃Na + H₂O → CH₄ + NaOH. Proizvod ove elektrofilne supstitucijske reakcije je metan. U heterolitskim reakcijama, suprotno nabijene centre organskih molekula djeluju međusobno, što im daje sličnost s ionima u kemiji anorganskih tvari. Ne treba zanemariti da pretvaranje organskih spojeva rijetko prati formiranje stvarnih kationa i aniona.

Monomolekularne i bimolekularne reakcije

Nukleofilna supstitucija je monomolekularna (SN1). Ovim se mehanizmom odvija hidroliza važnog produkta organske sinteze - tercijarnog butil klorida. Prva faza je spora, ona je povezana s postupnom disocijacijom karbonijevih kationa i kloridnog aniona. Druga faza napreduje brže, reakcija ugljikovog iona s vodom nastaje. Reakcijska jednadžba supstitucija halogena u alkanu za hidroksi skupinu i priprava primarnog alkohola: (CH₃)₃C-Cl ^ (CH₃)₃C⁺ + cl^-- (CH₃)₃C⁺ + H₂O → (CH₃)₃C-OH + H⁺. Hidroliza primarnih i sekundarnih alkilhalogenida u jednom koraku karakterizirana je istodobnim uništenjem ugljik-halogen veze i stvaranjem C-OH parova. Ovo je mehanizam nukleofilne bimolekularne supstitucije (SN2).

Mehanizam heterolitske supstitucije

Mehanizam supstitucije povezan je s prijenosom elektrona, stvaranjem srednjih kompleksa. Reakcija prolazi brže, lakše srednje proizvode koji su karakteristični za njega. Često se proces odvija istodobno u nekoliko smjerova. Prednost obično dobiva način na koji se koriste čestice koje zahtijevaju najmanje troškove energije za njihovo obrazovanje. Na primjer, prisutnost dvostruke veze povećava vjerojatnost pojave alilnog kationa CH2 = CH-CH₂⁺, u usporedbi s ionom CH₃⁺. Razlog je u gustoći elektrona višestruke veze, što utječe na delokalizaciju pozitivnog naboja distribuiranog u molekuli.

Reakcije supstitucije benzena

Grupa organskih spojeva, koji su karakterizirani elektrofilnom supstitucijom, - arene. Benzenski prsten prikladan je za elektrofilni napad. Postupak započinje polarizacijom veze u drugom reagensu, što rezultira stvaranjem elektrofila pored elektronskog oblaka benzenskog prstena. Kao rezultat toga pojavljuje se prijelazni kompleks. Puno spajanje elektrofilne čestice s jednim od ugljikovih atoma još nije dostupno, privlači cijeli negativni naboj "aromatskih šest" elektrona. U trećoj fazi postupka, elektrofil i jedan atom prstena ugljika vezani su zajedničkim elektronskim parom (kovalentna veza). No, u ovom slučaju, "aromatski šest" je uništen, što je neprofitabilno sa stajališta postizanja stabilne stabilne energetske države. Postoji fenomen koji se može nazvati "emisijom protona". Postoji cijepanje H⁺, uspostavlja se stabilan komunikacijski sustav, tipično za arene. Nusproizvod sadrži kation vodika iz benzenskog prstena i anion iz drugog reagensa.

Primjeri reakcija supstitucije iz organske kemije

Za alkane reakcija supstitucije je osobito karakteristična. Primjeri elektrofilnih i nukleofilnih transformacija mogu se navesti za cikloalkane i arene. Slične reakcije u molekulama organskih tvari javljaju se u normalnim uvjetima, ali češće - uz zagrijavanje i u prisutnosti katalizatora. Opsežan i dobro proučavan proces uključuje elektrofilnu supstituciju u aromatskoj jezgri. Najvažnije reakcije ovog tipa su:

1. Nitriranje benzena dušična kiselina u prisutnosti H₂SO₄ - ide prema shemi: C₆H₆ → C₆H₅-NO₂.
2. Katalitička halogenizacija benzena, naročito klorinacija, s jednadžbom: C₆H₆ + cl₂ → C₆H₅Cl + HCl.
3. Aromatski sulfoniranje benzena nastaje s "pjenom" sumpornom kiselinom, nastaju benzensulfonske kiseline.
4. Alkilacija je zamjena vodikovog atoma iz benzenskog prstena alkilom.
5. Acilacija je stvaranje ketona.
6. Formiranje - zamjena vodika CHO grupom i stvaranje aldehida.

Zamjenske reakcije uključuju reakciju u alkanima i cikloalkanima, u kojima halogeni napadaju dostupnu C-H vezu. Derivatizacija se može povezati s supstitucijom jednog, dva ili sva vodikova atoma u zasićenim ugljikovodicima i cikloparafmima. Mnogi od halogenoalkana s malom molekularnom težinom nalaze se u proizvodnji složenijih tvari različitih klasa. Uspjesi postignuti u proučavanju mehanizama reakcijama supstitucije, dao snažan poticaj razvoju sinteze na temelju alkana, ciklo-fazi i halogenih ugljikovodika.