Mange substitutionsreaktion åbnede den måde at få en bred vifte af forbindelser med økonomisk brug.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 skal løses.
række kemiske fænomener.Substitutionsreaktioner
kemiske ændringer forbundet med omdannelsen af stof, en række forskellige funktioner.Kan være forskellige resultater, termiske virkninger;Nogle processer er til enden, i andre kemisk ligevægt indtræffer.Forandringsagenter er ofte ledsaget af en stigning eller et fald i 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 identificeres 7 typer af kemiske reaktioner, herunder substitution, der omfattes af ordningen: A + C + A til C B. Forenklet rekord en hel klasse af kemiske hændelser giver den idé, at blandt de udgangsmaterialer er såkaldte "angreb"partikel reagens udskiftning atom, ion, en funktionel gruppe.Substitutionsreaktionen er karakteristisk for mættede og aromatiske carbonhydrider.
Substitution reaktioner kan forekomme i form af en dobbelt udveksling: A-B + C til E A C + B-E.Én underarter - forskydningen af for eksempel kobber, jern fra en opløsning af kobbersulfat: CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu.Som en "angreb" partikler kan virke atomer, ioner eller funktionelle grupper
homolytisk substitution (radikal, SR)
Når radikale mekanisme ruptur kovalente bindinger elektron par, der er fælles for forskellige elementer, forholdsmæssigt fordelt mellem "fragmenter" af molekylet.Dannes frie radikaler.Denne ustabile partikel stabilisering, der opstår som følge af de efterfølgende transformationer.For eksempel i fremstillingen af ethan fra metan producere frie radikaler er involveret i substitutionsreaktion: CH4 CH3 H • + •;• + • CH3 CH3 → C2H5;H • + • H → H2.Homolytisk bindingsspaltning som beskrevet i udskiftning mekanisme er karakteristisk for alkaner er en reaktion kæde karakter.Methan H-atomer kan successivt erstattet med chlor.Tilsvarende kan en omsætning med brom, iod, men er ude af stand til direkte at erstatte hydrogen alkaner, fluor for voldsomt reagerer med dem.
heterolytically måde at bryde båndene
Når den ioniske mekanisme substitutionsreaktioner er elektroner ujævnt fordelt mellem de nyligt dukket partikler.Den bindende par elektroner bevæger hele vejen til en af "fragmenter", oftest, til meddelelsen partner, den side af som blev udlignet negative tæthed i polære molekyle.Ved substitution reaktioner omfatter omsætning af methylalkohol CH3OH.I brommetane CH3Br heterolytisk brud af molekylet er tegnet, de ladede partikler er stabile.Methyl erhverver en positiv ladning, og brom - negativ: CH3Br → CH3 + + Br-;NaOH → Na + + OH-;CH3 + + OH- → CH3OH;Na + + Br ↔ NaBr.
elektrofiler og nukleofiler
partikler, der mangler af elektroner, og kan acceptere dem, kaldes "elektrofiler."Disse omfatter carbonatomerne koblet til halogener halogenalkaner.Nukleofiler har høj elektrondensitet, de er "ofre" for et par af elektroner til at skabe en kovalent binding.De substitutionsreaktioner rige negative ladninger er angrebet af nukleofilerne elektrofile der mangler elektroner.Dette fænomen er associeret med bevægelsen af atomer eller andre partikler - den fraspaltelige gruppe.En anden type af substitutionsreaktion - et angreb elektrofilen nucleofil.Nogle gange er det vanskeligt at skelne mellem de to processer, henvist til substitution af en eller anden type, fordi det er vanskeligt at lokalisere hvilke af molekylet - substrat, og som - reagens.Normalt i sådanne tilfælde følgende faktorer:
- arten af den afgående gruppe;
- nukleofil reaktivitet;
- naturen af opløsningsmidlet;
- struktur alkyldelen.
nukleofil substitution (SN)
Under interaktionen af det organiske molekyle har været stigende polarisering.Ligninger en delvis positiv eller negativ ladning bemærkede bogstav i det græske alfabet.Polarisering kommunikation giver en indikation af arten af sin brud og den fremtidige adfærd "fragmenter" af molekylet.For eksempel carbonatomet ved iodmethan har en delvis positiv ladning er det elektrofile center.Det tiltrækker den del af dipol vand, hvor ilten har et overskud af elektroner.Interaktionen af elektrofilen med en nukleofil reagens dannet methanol: CH3I + H2O → CH3OH + HI.Nukleofile substitutionsreaktioner finde sted med deltagelse af en negativt ladet ion eller et molekyle med en fri elektronpar, deltager ikke i skabelsen af en kemisk binding.Aktiv deltagelse af iodmethan i SN2-reaktioner på grund af sin åbenhed over for nukleofilt angreb og mobilitet for jod.
elektrofil substitution (SE)
i organiske molekyler kan være til stede nukleofile center, som er karakteriseret ved et overskud af elektron tæthed.Det reagerer med manglen på negative ladninger elektrofilt reagens.Sådanne partikler er atomer har frie orbital molekyle med dele af reduceret elektrondensitet.Natriumformiatet carbon med charge "-", omsættes med den positive del af dipol vand - hydrogen: CH3Na + H2O → CH4 + NaOH.Produktet af denne reaktion, en elektrofil substitution - methan.Når heterolytisk omsætning af modsat ladede centre for organiske molekyler, hvilket gør dem ligner ionerne i kemien af uorganiske stoffer.Ikke at blive overset, at omdannelsen af organiske forbindelser sjældent er ledsaget af dannelsen af disse kationer og anioner.
monomolekylært og bimolekylære
er unimolekylær nukleofil substitution (SN1).Ved denne mekanisme forekommer hydrolyse vigtigt produkt for organisk syntese - tertiær butylchlorid.Den første fase er langsom, det er forbundet med progressiv dissociation carbonium kation og klorid anion.Det andet trin er hurtigere forløber reaktionen carboniumion med vand.Ligning substitutionsreaktion på halogenet i alkan og producere primære hydroxygruppe alkohol: (CH3) 3C-CI → (CH3) 3C + + Cl-;(CH3) 3C + + H2O → (CH3) 3C-OH + H +.For en ettrins hydrolyse af primære og sekundære alkylhalogenider er karakteristisk samtidig ødelæggelse af carbon halogen og parring C-OH.Denne mekanisme af bimolekylær nukleofil substitution (SN2).
mekanisme heterolytisk substitution
udskiftning mekanisme i forbindelse med elektron overførsel, oprettelse af mellemliggende komplekser.Reaktionen finder sted hurtigere end lysere der er karakteristisk for hendes mellemprodukter.Ofte processen går i flere retninger på samme tid.Fordelen normalt får den måde, hvorpå de partikler anvendes, kræver mindst mulige energiforbrug for deres uddannelse.For eksempel tilstedeværelsen af en dobbeltbinding øger sandsynligheden for en allyl kation CH2 = CH-CH2 +, sammenlignet med de CH3 + -ioner.Årsagen ligger i elektron densitet af dobbeltbindingen, som påvirker flytning af den positive ladning, fordelt over hele molekylet.
substitutionsreaktioner benzen
gruppe af organiske forbindelser, der er karakteriseret ved elektrofil substitution - arenaen.Den benzenring - praktisk objekt for elektrofilt angreb.Processen begynder med polarisationen af det andet reagens for derved at danne elektrofil elektronsky tilstødende benzenringen.Resultatet er en kompleks overgang.Fuld kommunikations- elektrofile partikler med en af carbonatomerne endnu ikke er det tiltrækkes til den negative ladning omkring de "aromatiske seks" elektroner.På det tredje trin af elektrofil og ét carbonatom ringe deler en fælles elektronpar (kovalent binding).Men i dette tilfælde er ødelæggelsen af "aromatiske seks", som er ufordelagtig i forhold til at opnå bæredygtig stabil energitilstand.Der er et fænomen, der kan kaldes "frigivelse af en proton."Spalter H +, er stabilt kommunikationssystem genoprettet, typisk scene.Side kation stof omfatter hydrogen fra benzenringen og anion fra det andet reagens.
Eksempler på substitutionsreaktioner af organisk kemi til
alkaner især typiske 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 velundersøgte processer omfatter elektrofil substitution i den aromatiske ring.Den vigtigste reaktion af denne type:
- nitrering af benzen med salpetersyre i nærværelse af H2SO4 - følger ordningen: C6H6 → C6H5-NO2.
- katalytisk halogenering af benzen, især chlorering, ved ligningen: C6H6 + Cl2 → C6H5Cl + HCI.
- Aromatisk sulfonering af benzen forekommer med "rygende" svovlsyre, benzensulfonsyre form.
- Alkylering - udskiftning af et hydrogenatom fra benzenringen i alkyl.
- acyleringen - dannelsen af ketoner.
- Formylering - udskiftning af en hydrogen på en gruppe CHO og dannelsen af aldehyder.
Af substitutionsreaktioner indbefatter reaktionen i alkaner og cycloalkaner, hvor halogener angreb tilgængelig C-H-binding.Derivatisering kan være forbundet med erstatning af et, to eller alle hydrogenatomerne i mættede carbonhydrider og naphthener.Mange galogenoalkanov lav molekylvægt anvendes i produktionen af mere komplekse stoffer, der tilhører forskellige klasser.Fremskridt i studiet af reaktionsmekanismer af substitution, gav en kraftig impuls til udviklingen af syntesen baseret på alkaner, cycloparaffiner, arenaer og halogenerede hydrocarboner.
