Många substitutionsreaktioner öppnar vägen tillatt erhålla en mängd olika föreningar med ekonomisk användning. Elektrofil och nukleofil substitution spelar en enorm roll i kemisk vetenskap och industri. Vid organisk syntes har dessa processer ett antal funktioner som bör noteras.
Olika kemiska fenomen. Substitutionsreaktioner
Kemiska förändringar förknippade med transformationerämnen skiljer sig åt i ett antal funktioner. Slutresultaten, termiska effekter kan vara olika; vissa processer går till slutet, i andra kommer kemisk jämvikt in. Ändringarna i ämnen åtföljs ofta av en ökning eller minskning av oxidationstillståndet. Vid klassificering av kemiska fenomen enligt deras slutliga resultat uppmärksammas de kvalitativa och kvantitativa skillnaderna mellan reagens och produkter. Enligt dessa egenskaper kan 7 typer av kemiska transformationer särskiljas, inklusive substitutionsprocessen enligt schemat: A - B + C A - C + B. En förenklad notation av en hel klass kemiska fenomen ger en uppfattning att bland de initiala substanserna finns det en så kallad "attackerande" »En partikel som ersätter en atom-, jon- eller funktionell grupp i reagenset. Substitutionsreaktionen är typisk för mättade och aromatiska kolväten.
Substitutionsreaktioner kan förekomma i form av ett dubbelt utbyte: A - B + C - E A - C + B - E. En av underarterna är förskjutningen, till exempel, av koppar med järn från en lösning av kopparsulfat: CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu. Atomer, joner eller funktionella grupper kan fungera som en "attackerande" partikel
Homolytisk substitution (radikal, SR)
I fallet med en radikal mekanism för bristning av kovalentbindningar, fördelas ett elektronpar som är gemensamt för olika element proportionellt mellan "fragmenten" i molekylen. Fria radikaler bildas. Dessa är instabila partiklar vars stabilisering sker som ett resultat av efterföljande transformationer. Till exempel, när etan erhålls från metan, alstras fria radikaler som deltar i substitutionsreaktionen: CH4 CH3• + • H; CH3• + • CH3 → C2H5; H • + • H → H2.Homolytisk bindningsklyvning enligt ovanstående substitutionsmekanism är karakteristisk för alkaner; reaktionen är av kedjans natur. I metan kan H-atomer successivt ersättas med klor. Reaktionen med brom fortskrider på liknande sätt, men jod kan inte ersätta väte direkt i alkaner, fluor reagerar för kraftigt med dem.
Heterolytiskt sätt att bryta bandet
Med den joniska mekanismen för substitutionsreaktionerelektroner är ojämnt fördelade mellan de nybildade partiklarna. Bindningsparet av elektroner går helt till ett av "fragmenten", oftast till den bindningspartnern, mot vilken den negativa densiteten i den polära molekylen flyttades. Substitutionsreaktioner inkluderar bildandet av metylalkohol CH3ÅH. I brommetan CH3Br är molekylens bristning heterolytisk, laddade partiklar är stabila. Metyl blir positivt laddat och brom negativt: CH3Br → CH3+ + Br-; NaOH → Na+ + OH-; CH3+ + OH- → CH3ÅH; Na+ + Br- ↔ NaBr.
Elektrofiler och nukleofiler
Partiklar som saknar elektroner ochkan acceptera dem, kallas "elektrofiler". Dessa inkluderar kolatomer bundna till halogener i haloalkaner. Nukleofiler har en ökad elektrontäthet, de "donerar" ett par elektroner när de skapar en kovalent bindning. I substitutionsreaktioner attackeras nukleofiler som är rika på negativa laddningar av elektrofiler som saknar elektroner. Detta fenomen är förknippat med rörelsen av en atom eller annan partikel - en utgående grupp. En annan typ av substitutionsreaktioner är attacken av en elektrofil av en nukleofil. Ibland är det svårt att skilja mellan två processer, att klassificera substitutionen som en eller annan typ, eftersom det är svårt att ange exakt vilken av molekylerna som är ett substrat och vilken som är ett reagens. I sådana fall beaktas vanligtvis följande faktorer:
- den lämnande gruppens natur;
- nukleofilens reaktivitet;
- lösningsmedlets beskaffenhet;
- strukturen hos alkyldelen.
Nukleofil substitution (SN)
I processen för interaktion i en organisk molekylen ökning av polarisationen observeras. I ekvationer indikeras en partiell positiv eller negativ laddning med bokstaven i det grekiska alfabetet. Polarisationen av bindningen gör det möjligt att bedöma arten av dess brytning och det ytterligare beteendet hos "fragmenten" av molekylen. Till exempel har kolatomen i jodmetan en partiell positiv laddning och är ett elektrofilt centrum. Det lockar den del av vattendipolen där syre finns, som har ett överskott av elektroner. När en elektrofil interagerar med ett nukleofilt reagens bildas metanol: CH3I + H2O → CH3OH + HI.Nukleofila substitutionsreaktioner äger rum med deltagande av en negativt laddad jon eller en molekyl som har ett fritt elektronpar som inte deltar i skapandet av en kemisk bindning. Aktivt deltagande av jodmetan i SN2-reaktioner förklaras av dess öppenhet för nukleofilattack och jodens rörlighet.
Elektrofil substitution (SE)
En organisk molekyl kan innehållaett nukleofilt centrum som kännetecknas av ett överskott av elektrondensitet. Det reagerar med ett elektrofilt reagens som saknar negativa laddningar. Dessa partiklar inkluderar atomer med fria orbitaler, molekyler med områden med låg elektrontäthet. I natriumformiat interagerar kol med en laddning "-" med den positiva delen av vattendipolen - med väte: CH3Na + H2O → CH4 + NaOH.Produkten av denna elektrofila substitutionsreaktion är metan. I heterolytiska reaktioner interagerar motsatt laddade centra för organiska molekyler, vilket gör dem lik joner i oorganiska substansers kemi. Det bör inte förbises att omvandlingen av organiska föreningar sällan åtföljs av bildandet av sanna katjoner och anjoner.
Monomolekylära och bimolekylära reaktioner
Nukleofil substitution är monomolekylär(SN1). Genom denna mekanism fortsätter hydrolys av en viktig produkt av organisk syntes, tertiär butylklorid. Det första steget är långsamt; det är associerat med gradvis dissociation i karboniumkatjon och kloridanjon. Det andra steget är snabbare, reaktionen av karboniumjon med vatten fortsätter. Reaktionsekvationen för substitution av en halogen i en alkan med en oxigrupp och produktionen av en primär alkohol: (CH3)3C - Cl → (CH3)3C+ + Cl-; (CH3)3C+ + H2O → (CH3)3C - OH + H+... För enstegshydrolys av primär ochSekundära alkylhalogenider kännetecknas av samtidig destruktion av bindningen mellan kol och halogen och bildandet av ett C-OH-par. Detta är mekanismen för nukleofil bimolekylär substitution (SN2).
Heterolytisk substitutionsmekanism
Substitutionsmekanismen är associerad med elektronöverföring,skapandet av mellanliggande komplex. Reaktionen fortgår ju snabbare, desto lättare uppstår de mellanprodukter som är karakteristiska för den. Ofta går processen samtidigt i flera riktningar. Fördelen uppnås vanligtvis genom det sätt på vilket partiklar används som kräver minst energiförbrukning för att de bildas. Exempelvis ökar närvaron av en dubbelbindning sannolikheten för uppkomsten av en allylkatjon CH2 = CH-CH2+jämfört med CH-jonen3+... Orsaken ligger i elektrontätheten hos multipelbindningen, vilket påverkar avlokaliseringen av den positiva laddningen som är spridd genom molekylen.
Bensersubstitutionsreaktioner
En grupp organiska föreningar för vilkaelektrofil substitution är karakteristisk, - arenor. Bensenringen är ett bekvämt mål för elektrofil attack. Processen börjar med polarisationen av bindningen i det andra reagenset, vilket resulterar i bildandet av en elektrofil intill elektronmolnet i bensenringen. Resultatet är ett övergångskomplex. Det finns fortfarande ingen fullfjädrad bindning mellan den elektrofila partikeln och en av kolatomerna; den lockas till hela den negativa laddningen av den "aromatiska sex" elektroner. I det tredje steget av processen är en elektrofil och en kolatom i ringen länkade av ett vanligt elektronpar (kovalent bindning). Men i detta fall inträffar förstörelsen av den "aromatiska sexen", vilket är ofördelaktigt ur synvinkeln att uppnå ett stabilt stabilt energitillstånd. Ett fenomen observeras som kan kallas "protonutkastning". H+, återställs det stabila kommunikationssystemet som är typiskt för arenor. Biprodukten innehåller en vätekatjon från bensenringen och en anjon från det andra reagenset.
Exempel på substitutionsreaktioner från organisk kemi
Substitutionsreaktionen är särskilt karakteristisk för alkaner.Exempel på elektrofila och nukleofila transformationer kan ges för cykloalkaner och arenor. Liknande reaktioner i organiska ämnens molekyler uppträder under normala förhållanden, men oftare - vid upphettning och i närvaro av katalysatorer. Elektrofil substitution i den aromatiska kärnan är en vanlig och väl studerad process. De viktigaste reaktionerna av denna typ är:
- Nitrering av bensen med salpetersyra i närvaro av H2CO4 - går enligt schemat: C6X6 → C6X5-NEJ2.
- Katalytisk halogenering av bensen, särskilt klorering, enligt ekvationen: C6X6 + Cl2 → C6X5Cl + HCl.
- Aromatisk sulfonering av bensen fortsätter med "rökande" svavelsyra, bensensulfonsyror bildas.
- Alkylering är ersättning av en väteatom från bensenringen med en alkylen.
- Acylering är bildandet av ketoner.
- Formylering är ersättning av väte med en CHO-grupp och bildandet av aldehyder.
Substitutionsreaktioner inkluderar reaktionen i alkaneroch cykloalkaner, i vilka halogener angriper den tillgängliga CH-bindningen. Derivation kan associeras med substitution av en, två eller alla väteatomer i mättade kolväten och cykloparaffiner. Många av haloalkaner med låg molekylvikt finner användning vid tillverkning av mer komplexa ämnen som tillhör olika klasser. Framgångarna med att studera mekanismerna för substitutionsreaktioner gav en kraftfull drivkraft för utvecklingen av synteser baserade på alkaner, cykloparaffiner, arenor och halogenerade kolväten.
