Substitutionsreaktioner: beskrivelse, ligning eksempler

Mange substitutionsreaktion åbner vejen til fremstillingen af forskellige forbindelser, der har hjælpeprogram. En stor rolle i den kemiske videnskab og industri er givet elektrofil og nukleofil substitution. I organisk syntese, disse processer har en række funktioner, der bør bemærkes.

En række kemiske fænomener. substitutionsreaktion

Kemiske ændringer i forbindelse med omdannelsen af stof, en række forskellige funktioner. Kan være forskellige udfald, termiske virkninger; nogle processer kommer til at afslutte, det kommer i anden kemisk ligevægt. Ændring agenter er det ofte ledsaget af at øge eller mindske graden af oxidation. I klassificeringen af kemiske fænomener i deres endelige resultater henlede opmærksomheden på de kvalitative og kvantitative forskelle mellem reaktanterne fra produkterne. Disse funktioner kan skelnes 7 typer af kemiske reaktioner, herunder substitution, forløber ifølge skemaet: A-B-C A + C + B. forenklede registrering af en hel klasse af kemiske fænomener giver en idé at blandt udgangsmaterialerne er den såkaldte "hacker "partikel substituent i reagenset atom, ion funktionel gruppe. Substitutionsreaktionen er karakteristisk for mættede og aromatiske carbonhydrider.

substitutionsreaktion kan forekomme i form af dobbelt-udveksling: A-B-C + E C + A-B-E. Én underarter - forskydning, fx kobber, jern fra en opløsning af kobbersulfat: _CuSO4 + Fe = _FeSO4 + Cu. Som "angribende" partikler kan virke atomer, ioner eller funktionelle grupper

Homolytisk substitution (radikal, SR)

Når mekanismen radikale brud kovalent elektronpar er fælles for de forskellige elementer vil blive forholdsmæssigt fordelt mellem "fragmenter" af molekylet. Dannelse af frie radikaler. Denne ustabile partikel stabilisering, som forekommer som et resultat af efterfølgende reaktioner. For eksempel i fremstillingen af ethan fra metan producere frie radikaler er involveret i substitutionsreaktion: CH _{4 CH3} • + • H; _CH3 • + • _CH3 → C2H5; H • + • H → H2. Homolytisk bindingsspaltning på mekanismen af substitution drift er karakteristisk for alkaner, reaktionen er en kæde karakter. De methan H-atomer kan successivt erstattet med chlor. Tilsvarende at reagere med brom, iod, men er ikke i stand til direkte at erstatte hydrogenatomer alkaner, fluor reagerer for voldsomt med dem.

Heterolytisk bindingsspaltning metode

Når mekanismen af ion flow substitutionsreaktioner, elektroner ujævnt fordelt blandt partikler nyligt opstået. Den bindende par elektroner strækker sig hele vejen til en af "fragmenter", oftest, til meddelelse partner, side som havde forskudt negativ densitet i det polære molekyle. Ved substitution reaktioner indbefatter omsætningen af dannelse af methylalkohol _CH3OH. I brommetane CH3Br gap molekyle er heterolytisk karakter, de ladede partikler er stabile. Methyl erhverver en positiv ladning, og brom - negativ: _CH3 Br → _CH3 ^{+ +} Br ^-; NaOH → Na ^{+ +} OH ^-; _CH3 ^{+ +} OH ^- → _CH3OH; Na ^{+ +} Br ^- ↔ NaBr.

Elektrofile og nucleofiler

Partikler, der mangler elektroner og kan acceptere dem, kaldes "elektrofiler." Disse er carbonatomer bundet med halogener i halogenalkaner. Nukleofiler har høj elektrondensitet, de er "ofre" for et par elektroner til at skabe en kovalent binding. De substitutionsreaktioner rige negative ladninger bliver angrebet af nukleofilerne elektrofile, underskud af elektroner. Dette fænomen er associeret med bevægelsen af atomer eller andre partikler - fraspaltelig gruppe. En anden række substitutionsreaktioner - angribe elektrofilen nukleofil. Undertiden vanskeligt at skelne mellem de to processer, henvist til udskiftning af den ene eller den anden type, fordi det er vanskeligt at angive præcist, hvilken slags molekyle - substrat, og som - reagens. Normalt i sådanne tilfælde, er følgende faktorer i betragtning:

• beskaffenheden af den fraspaltelige gruppe;
• reaktiviteten af nukleofilen;
• beskaffenheden af opløsningsmidlet;
• alkyldelen af strukturen.

Nukleofil substitution (SN)

I processen med interaktion i det organiske molekyle har været stigende polarisering. I ligninger delvis positiv eller negativ ladning er angivet med bogstav i det græske alfabet. Polarisering kommunikation giver en indikation af arten af sin brud og fremtidige adfærd "fragmenter" af molekylet. For eksempel et carbonatom i iodmethan har en delvis positiv ladning, er det et elektrofilt center. Det tiltrækker dipolen af vandet, hvor oxygen har et overskud af elektroner. I omsætningen af elektrofilen med en nukleofil dannes methanol: _CH3 I + _H2O → _CH3OH + HI. nukleofile substitutionsreaktioner finde sted med deltagelse af en negativt ladet ion eller et molekyle, der har en frit elektronpar, der ikke deltager i skabelsen af en kemisk binding. Aktiv deltagelse af iodmethan i SN _2-reaktion på grund af sin åbenhed over for nucleofilt angreb og jod mobilitet.

Elektrofil substitution (SE)

Det organiske molekyle kan være til stede nukleofile center, som er karakteriseret ved et overskud af elektrondensitet. Det reagerer med manglen på negative ladninger elektrofilt reagens. Sådanne partikler er atomer der har frie orbital molekyle med dele af reduceret elektrondensitet. Den natriumformiat carbon med ladning "-", omsættes med en positiv del af vandet dipol - hydrogen: _CH3 Na + _H2O → _CH4 + NaOH. Produktet af denne reaktion, elektrofil substitution - methan. Når heterolytisk reaktioner interagerer modsat ladet centre for organiske molekyler, som giver dem affinitet med ioner i uorganisk stoffer kemi. Det skal ikke glemmes, at omdannelsen af organiske forbindelser sjældent er ledsaget af dannelsen af disse kationer og anioner.

Unimolekylær og bimolekylære reaktioner

Den nukleofile substitution er monomolekylært (SN1). Ved denne mekanisme, et vigtigt produkt strømmer hydrolyse af organisk syntese - tertiær butylchlorid. Det første trin er langsom, det er forbundet med progressiv dissociation i carbonium kation og en chloridanion. Det andet trin er en hurtigere reaktion finder carboniumion og vand. Ligningen af reaktionen af substitution af halogen i alkanen til opnåelse af hydroxy og primær alkohol: _{(CH3) 3C-CI} → _{(CH3) 3C} ^{+ +} Cl ^-; _{(CH3) 3C} ^{+ +} _H2O → _{(CH3) 3C-OH} ⁺ H +. For et-trins hydrolyse af primære og sekundære alkylhalogenider kendetegnet ved samtidig ødelæggelse af carbon på grund af halogen og dannelsen af par C-OH. Denne nukleofil bimolekylære substitutionsmekanisme (SN2).

Heterolytisk mekanisme af substitution

substitution mekanisme involverer den elektronoverførsel, oprettelse af mellemproduktkomplekser. Reaktionen forløber hurtigere, jo lettere er det for typiske mellemprodukter til hende. Ofte processen går i flere retninger på samme tid. Fordelen normalt får den måde, hvorpå partiklerne anvendes, kræver mindst energiforbrug for dens dannelse. For eksempel tilstedeværelsen af en dobbeltbinding øger sandsynligheden for en allyl- kation CH2 = _CH-CH2 ^+, sammenlignet med _CH3 ⁺ -ion. Grunden ligger i elektrontætheden af den multiple binding, som påvirker flytning af den positive ladning, fordelt over hele molekylet.

benzen substitutionsreaktion

Gruppen af organiske forbindelser, der er kendetegnet ved elektrofil substitution - arena. Benzenring - en bekvem objekt for elektrofilt angreb. Processen begynder med den anden polarisering reagens, hvorved der dannes elektrofil elektronsky tilstødende benzenringen. Resultatet er en kompleks overgang. Værdifulde kommunikation elektrofile partikler med en af carbonatomerne endnu ikke er det tiltrækkes til hele negative ladning "aromatiske seks" elektroner. I det tredje trin af fremgangsmåden elektrofil og et ringcarbonatom binder et fælles elektronpar (covalent binding). Men i dette tilfælde, er ødelæggelsen af "aromatiske seks", hvilket er en ulempe i forhold til at opnå en stabil bæredygtig energi tilstand. Der er et fænomen, der kan kaldes en "frigivelse af en proton." Det fraspaltes H ^+, udvinding af et stabilt kommunikationssystem, typiske arener. Side stof omfatter hydrogen kation af en benzenring og anionen fra det andet reagens.

Eksempler på substitutionsreaktioner for organisk kemi

For alkaner især typisk substitutionsreaktion. Eksempler på elektrofile og nukleofile reaktioner kan føre til cycloalkaner og arener. Lignende reaktioner i molekylerne af organiske stoffer er under normale forhold, men normalt - og ved opvarmning i nærværelse af katalysatorer. Fælles og godt undersøgt processer indbefatter elektrofil aromatisk substitution. Den vigtigste reaktion af denne type:

1. Nitrering af benzen med salpetersyre i nærvær af _{H2 SO4} - følger ordningen: C ₆ H ₆ → _{C6H 5 -NO2.}
2. Den katalytiske halogenering af benzen, især chlorering, ved ligningen: C ₆ H ₆ + _Cl2 → C ₆ H ₅ Cl + HCI.
3. Aromatisk sulfonering af benzen forløber med "rygende" svovlsyre, er benzensulfonsyre dannes.
4. Alkylering - udskiftning af hydrogenatomet fra benzenringen til alkyl.
5. Acylering - dannelsen af ketoner.
6. Formylering - udskiftning af et hydrogen på en gruppe CHO og dannelsen af aldehyder.

Ved substitution reaktioner indbefatter reaktionen i alkaner og cycloalkaner, hvor halogenerne angriber tilgængelig C-H-binding. Derivatisering kan være forbundet med erstatning af et, to eller alle hydrogenatomerne i mættede carbonhydrider og cycloparaffiner. Mange af galogenoalkanov med lav molekylvægt anvendes i produktionen af mere komplekse stoffer, der tilhører forskellige klasser. De succeser i studiet af mekanismerne for substitutionsreaktioner, gav en kraftig impuls til udviklingen af synteser på grundlag af alkaner, cyclo-stadium og halogenerede carbonhydrider.