Nadomestne reakcije: opis, enačba, primeri

Veliko substitucijskih reakcij odpira način za pridobitev različnih spojin, ki imajo ekonomsko uporabo. Ogromna vloga v kemični znanosti in industriji je dodeljena elektrofilni in nukleofilni substituti. Pri organski sintezi imajo ti procesi številne lastnosti, ki jih je treba upoštevati.

Različne kemične pojave. Nadomestne reakcije

Kemične spremembe, povezane s preoblikovanjem snovi, imajo številne lastnosti. Različni so lahko končni rezultati, toplotni učinki, nekateri procesi segajo do konca, drugi se pojavijo kemijsko ravnotežje. Sprememba snovi pogosto spremlja povečanje ali zmanjšanje stopnje oksidacije. Pri razvrščanju kemičnih pojavov v njihovih končnih rezultatov opozoriti na kvantitativnih in kvalitativnih razlik med reaktanti iz izdelkov. Te lastnosti so lahko razlikovati 7 vrst kemičnih reakcij, vključno z zamenjavo, poteka po shemi: A-B-C A + C + B. poenostavljena posnetek večji skupini kemijske pojavov daje idejo, da je med izhodnih materialov tako imenovani "napadalec "Delec, ki v reagentu nadomešča atom, ion in funkcionalno skupino. Reakcijo substitucije je značilna za omejevanje in aromatskih ogljikovodikov.

Zamenljive reakcije se lahko pojavijo kot dvojna izmenjava: A-B + C-E A-C + B-E. Eden od podvrst je premikanje, na primer, bakra z železom iz raztopine bakrovega sulfata: CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu. Kot "napadna" delec lahko deluje kot atomi, ioni ali funkcionalne skupine

Zamenjava homolitična (radikalna, SR)

Pod radikalnim mehanizmom lomljenja kovalentnih vezi je elektronski par, ki je skupen za različne elemente, razdeljen proporcionalno med "fragmente" molekule. Nastajajo prosti radikali. To so nestabilni delci, katerih stabilizacija je posledica kasnejših transformacij. Na primer, pri pridobivanju etana iz metana se pojavijo prosti radikali, ki sodelujejo pri reakciji substitucije: CH₄ CH₃• + • N- SN₃• + • CH₃ → C2H5-H • + • H → H2. Homolitični prelom vezi po zgornjem nadomestnem mehanizmu je značilna za alkane, reakcija ima znak verige. V metanu lahko atome H zamenjamo s klorom. Podobno tudi reakcija z bromom, toda jod ne more neposredno nadomestiti vodika v alkanih, fluor se preveč močno reagira z njimi.

Heterolitična metoda prekinitve komunikacije

Elektroni so pod ionskim mehanizmom reakcij substitucije neenakomerno porazdeljeni med novo nastale delce. Vezni par elektronov popolnoma potuje v enega od "fragmentov", najpogosteje do tistega komunikacijskega partnerja, proti kateremu je bila negativna gostota v polarni molekuli premaknjena. Nadomestne reakcije vključujejo nastanek metilnega alkohola CH₃OH. V bromometanu CH3Br je motnja molekule heterolitična, polnjeni delci so stabilni. Metil pridobi pozitivno energijo, brom pa negativen: CH₃Br → CH₃⁺ + Br^-- NaOH → Na⁺ + OH^-- CH₃⁺ + OH^- → CH₃OH-Na⁺ + Br^- harr-NaBr.

Elektrofili in nukleofili

Delci, ki nimajo elektronov in jih lahko sprejmejo, se imenujejo "elektrofili". Ti vključujejo atome ogljika, ki so povezani s halogeni v haloalkanih. Nukleofili imajo povečano gostoto elektronov, pri ustvarjanju kovalentne vezi "žrtvujejo" par elektronov. Pri nadomestnih reakcijah so nukleofili, bogati z negativnimi naboji, napadeni z elektrofili, ki imajo pomanjkanje elektronov. Ta pojav je povezan s premikom atoma ali drugega delca - odhodne skupine. Druga vrsta nadomestnih reakcij je elektrofilni napad nukleofila. Včasih je težko razlikovati med dvema procesoma, menjati zamenjavo z eno ali drugo vrsto, saj je težko natančno določiti, katera od molekul je substrat in ki je reagent. V takih primerih se običajno upoštevajo naslednji dejavniki:

• narava odhodne skupine;
• reaktivnost nukleofila;
• narava topila;
• struktura alkilnega dela.

Nukleofilna substitucija (SN)

V procesu interakcije opazimo povečanje polarizacije v organski molekuli. V enačbah je delna pozitivna ali negativna naboja označena s črko grške abecede. Polarizacija vezi omogoča presojo narave njene prekinitve in posledičnega vedenja "fragmentov" molekule. Na primer, atom ogljika v jodometanu ima delno pozitivno naboj, je elektrofilno središče. Privlači ta del vodnega dipola, kjer se nahaja kisik, ki ima presežek elektronov. Ko elektrofil sodeluje z nukleofilnim reagentom, nastane metanol: CH₃I + H₂O → CH₃OH + HI. Reakcije nukleofilne zamenjave potekajo s sodelovanjem negativno nabitega iona ali molekule, ki ima par elektronov brez elektronov, ki ne sodeluje pri nastanku kemične vezi. Aktivna udeležba jodometana v SN₂-reakcije so razložene z odprtostjo nukleofilnega napada in mobilnostjo joda.

Elektrofilna zamenjava (SE)

Organska molekula ima lahko nukleofilno središče, za katerega je značilen presežek elektronske gostote. Reagira s pomanjkanjem negativnih polnitev z elektrofilnim reagentom. Taki delci vključujejo atome, ki imajo proste orbitale, molekule s kraji z zmanjšano gostoto elektronov. V Ljubljani natrijev format ogljik s polnilom ";" deluje s pozitivnim delom vodnega dipola - z vodikom: CH₃Na + H₂O → CH₄ + NaOH. Produkt te elektrofilne substitucije je metan. V heterolitičnih reakcijah nasprotno napolnjeni centri organskih molekul interagirajo, kar jim daje podobo ionom v kemiji anorganskih snovi. Ne smemo spregledati, da se pretvorbi organskih spojin redko spremlja nastajanje pravih kationov in anionov.

Monomolekularne in bimolekularne reakcije

Nukleofilna substitucija je monomolekularna (SN1). S tem mehanizmom poteka hidroliza pomembnega produkta organske sinteze - terciarni butil klorid. Prva stopnja je počasna, povezana je s postopno disociacijo karbonijevega kationa in kloridnega aniona. Druga stopnja poteka hitreje, nadaljuje reakcija karbonijevega iona z vodo. Reakcijska enačba substitucija halogena v alkanu za hidroksi skupino in priprava primarnega alkohola: (CH₃)₃C-Cl → (CH₃)₃C⁺ + Cl^-- (CH₃)₃C⁺ + H₂O → (CH₃)₃C-OH + H⁺. Enostopenjsko hidrolizo primarnega in sekundarnega alkil halida je značilno hkratno uničenje ogljik-halogenske vezi in tvorba para C-OH. To je mehanizem nukleofilne bimolekularne substitucije (SN2).

Mehanizem heterolitične zamenjave

Mehanizem nadomestitve je povezan s prenosom elektronov, ustvarjanjem vmesnih kompleksov. Reakcija poteka hitreje, lažje vmesne proizvode, ki so značilni za to. Pogosto proces poteka hkrati v več smereh. Prednost običajno dobi način uporabe delcev, ki zahtevajo najmanj stroškov energije za njihovo izobraževanje. Na primer, prisotnost dvojne vezi poveča verjetnost nastanka alilnega kationa CH2 = CH-CH₂⁺, v primerjavi z ionskim CH₃⁺. Razlog je v elektronski gostoti večkratne vezi, ki vpliva na delokalizacijo pozitivnega naboja, porazdeljenega po celotni molekuli.

Nadomestne reakcije benzena

Skupina organske spojine, za katere je značilna elektrofilna substitucija, - arene. Benzenski obroč je priročen predmet elektrofilnega napada. Postopek se začne z polarizacijo vezi v drugem reagentu, kar ima za posledico nastanek elektrofila v bližini elektronskega oblaka benzenskega obroča. Posledično se pojavi prehodni kompleks. Popolna povezava elektrofilne delčke z enim od atomov ogljika še ni na voljo, privlači se celoten negativni naboj "aromatskih šestih" elektronov. V tretji fazi postopka sta elektrofil in en ogljični obročni atom vezana s skupnim elektronskim parom (kovalentna vez). Toda v tem primeru je "aromatični šest" uničen, kar je z vidika doseganja stabilnega stabilnega stanja energije neprofitno. Obstaja fenomen, ki ga lahko imenujemo "protonska emisija". Obstaja delitev H⁺, vzpostavljen je stabilen komunikacijski sistem, ki je značilen za arene. Stranski produkt vsebuje vodikov kation iz benzenskega obroča in anion iz drugega reagenta.

Primeri nadomestnih reakcij iz organske kemije

Za alkane je reakcija substitucije še posebej značilna. Primeri elektrofilnih in nukleofilnih transformacij se lahko navedejo za cikloalkane in arene. Podobne reakcije v molekulah organskih snovi se pojavljajo pod normalnimi pogoji, vendar pogosteje - s segrevanjem in v prisotnosti katalizatorjev. Razširjeni in dobro proučeni procesi vključujejo elektrofilno substitucijo v aromatičnem jedru. Najpomembnejši odzivi te vrste so:

1. Nitracija benzena dušikova kislina v prisotnosti H₂Tako₄ - gre v skladu s shemo: C₆H₆ → C₆H₅-NO₂.
2. Katalitična halogenacija benzena, zlasti kloriranje, z enačbo: C₆H₆ + Cl₂ → C₆H₅Cl + HCl.
3. Aromatska sulfonacija benzena nadaljuje s "fuming" žveplovo kislino, nastajajo benzensulfonske kisline.
4. Alkilacija je nadomestitev vodikovega atoma iz benzenskega obroča z alkilom.
5. Acilacija je tvorba ketonov.
6. Formacija - nadomestitev vodika s skupino CHO in nastajanje aldehidov.

Nadomestne reakcije vključujejo reakcijo alkanov in cikloalkanov, v katerih halogeni napadajo razpoložljivo vezavo C-H. Derivatizacijo lahko povežemo s substitucijo enega, dveh ali vseh atomov vodika v nasičenih ogljikovodikih in cikloparafinah. Mnoge halogenoalkane z majhno molekulsko težo najdejo vlogo pri proizvodnji bolj zapletenih snovi, ki spadajo v različne razrede. Uspehi, doseženi pri proučevanju mehanizmov nadomestnih reakcij, so dali močan zagon razvoju sintez na osnovi alkanov, cikloparafinov, aren in halogeniranih ogljikovodikov.