Viele Substitutionsreaktion öffnet den Weg für die Herstellung von verschiedenen Verbindungen mit Versorgungsanwendungen.Eine große Rolle bei der chemischen Wissenschaft und Industrie wird elektrophile und nukleophile Substitution gegeben.In der organischen Synthese, haben diese Verfahren eine Reihe von Funktionen, die angegangen werden müssen.
Eine Vielzahl von chemischen Erscheinungen.Substitutionsreaktionen
chemischen Veränderungen mit der Umwandlung von Materie, eine Anzahl von unterschiedlichen Funktionen zugeordnet sind.Andere Ergebnisse können thermische Effekte;Einige Verfahren sind bis zum Ende, in anderen chemischen Gleichgewicht auftritt.Änderungsmittel werden häufig von einer Zunahme oder Abnahme der Oxidationsgrad begleitet.In der Klassifizierung der chemischen Erscheinungen in ihrer endgültigen Ergebnisse weisen auf die qualitative und quantitative Unterschiede zwischen den Reaktionspartnern von Produkten.Diese Merkmale identifiziert werden können 7 Arten von chemischen Reaktionen, einschließlich Substitution, die unter die Regelung: A-B + C + A nach B. Simplified Rekord eine ganze Klasse von chemischen Phänomene gibt die Idee, dass unter den Ausgangsmaterialien ist die so genannte "Angriff"Partikel Reagenzersetzen Atom, Ion funktionelle Gruppe.Die Substitutionsreaktion charakteristisch ist aus gesättigten und aromatischen Kohlenwasserstoffen.
Substitutionsreaktionen kann in der Form eines doppelten Austausch auftreten: A-B + C-E A-B-C + E.Eine Unterart - die Verschiebung beispielsweise Kupfer, Eisen aus einer Lösung von Kupfersulfat: CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu.Als ein "Angriff" die Partikel, wie Atome, Ionen oder funktionelle Gruppen
Substitution homolytische (radikale, SR)
handeln, wenn Radikalmechanismus Bruch kovalente Elektronenpaar ist üblich, verschiedene Elemente, proportional zwischen den "Fragmenten" des Moleküls verteilt.Freie Radikale gebildet werden.Diese instabilen Partikelstabilisierung, die als Ergebnis der nachfolgenden Transformationen auftritt.Beispielsweise bei der Herstellung von Ethan von Methan freie Radikale in der Substitutionsreaktion beteiligt: CH4 CH3 H • + •;• + • CH3 CH3 → C2H5;H • • + H → H2.Homolytische Bindungsspaltung, wie in der Ersatzmechanismus beschrieben ist charakteristisch für Alkane ist eine Reaktionskette Charakter.Das Methan H-Atome nacheinander durch Chlor ersetzt sein.In ähnlicher Weise ist eine Reaktion mit Brom, Jod, aber unfähig, den Wasserstoff direkt ersetzen in Alkane, Fluor zu heftig reagiert mit ihnen.
heterolytisch Weg, um Beziehungen
Wenn die ionischen Mechanismus der Substitutionsreaktionen, Elektronen ungleichmäßig zwischen den neu entstandenen Teilchen verteilt brechen.Die Bindungselektronenpaar bewegt sich den ganzen Weg zu einer der "Fragmente", meistens an den Kommunikationspartner, dessen Seite war negativ Dichte im polares Molekül versetzt.Durch die Substitutionsreaktionen schließen die Reaktion von Methanol CH3OH.In brommetane CH3Br Molekül heterolytische Bruch Charakter, sind die geladenen Teilchen stabil.Methyl erwirbt eine positive Ladung, und Brom - negativ: CH3Br → CH3 + + Br;NaOH → Na + + OH-;CH3 + + OH- → CH 3 OH;Na + + Br- ↔ NaBr.
Elektrophilen und Nucleophilen
Teilchen, der Elektronen fehlen und kann sie akzeptieren, werden als "Elektrophilen."Dazu gehören die Kohlenstoffatome verbunden mit Halogene Halogenalkane.Nucleophile haben eine hohe Elektronendichte, sie "Opfer" eines Paares von Elektronen, um eine kovalente Bindung zu schaffen.Die Substitutionsreaktionen reichen negative Ladungen Nucleophile werden von Elektrophilen, die Elektronen fehlt angegriffen.Dieses Phänomen wird mit der Bewegung von Atomen oder anderen Partikeln assoziiert - Abgangsgruppe ist.Eine andere Art der Substitution - ein Angriff das Elektrophil-Nucleophil.Manchmal ist es schwierig, zwischen den zwei Verfahren zu unterscheiden, beziehen sich auf den Ersatz von einem oder dem anderen Typ, denn es ist schwierig zu sagen, welche der Molekül - Substrat und die - Reagenz.In der Regel in solchen Fällen werden die folgenden Faktoren berücksichtigt:
- Natur der Abgangsgruppe ist;
- Reaktivität des Nukleophils;
- Natur des Lösungsmittels;
- Struktur Alkylteil.
nucleophilen Substitution (SN)
Bei der Wechselwirkung der organischen Verbindung hat zugenommen Polarisation.Die Gleichungen eines Teil positive oder negative Ladung beachten Sie den Buchstaben des griechischen Alphabets.Polarisationskommunikations gibt einen Hinweis auf die Art ihrer Bruch und das zukünftige Verhalten von "Fragmente" des Moleküls.Zum Beispiel das Kohlenstoffatom an Iodmethan hat eine teilweise positive Ladung ist das elektrophile Zentrum.Es zieht den Teil des Dipol Wasser, wobei der Sauerstoff einen Überschuß an Elektronen.Die Wechselwirkung des Elektrophils mit einem Nukleophil Reagenz gebildete Methanol: CH 3 I + H2O → CH 3 OH + HALLO.Nukleophile Substitutionsreaktionen statt mit der Teilnahme von ein negativ geladenes Ion oder Molekül mit einem freien Elektronenpaar, sind nicht in der Schaffung einer chemischen Bindung beteiligt.Aktive Teilnahme Iodmethan in SN2-Reaktionen aufgrund seiner Offenheit gegenüber nucleophilen Angriff und Mobilität von Jod.
elektrophile Substitution (SE)
in organische Moleküle vorhanden nukleophilen Zentrum, das von einem Überschuß an Elektronendichte charakterisiert ist.Es reagiert mit dem Mangel an negativen Ladungen elektrophilen Reagenz.Solche Partikel werden Atome mit freien Orbital Teile des Moleküls mit niedriger Elektronendichte.Die Natriumformiat Kohle mit Ladung "-", ist mit einem positiven Teil des Wassers Dipol reagiert - Wasserstoff: CH3Na → CH4 + H2O + NaOH.Das Produkt dieser Reaktion eine elektrophile Substitution - methan.Wenn heterolytische Reaktion von entgegengesetzt geladenen Zentren von organischen Molekülen, die sie ähnlich zu den Ionen in der Chemie der anorganischen Substanzen macht.Wir sollten nicht aus den Augen verlieren, dass die Umwandlung von organischen Verbindungen werden nur selten von der Bildung dieser Kationen und Anionen begleitet.
Monomolekulare und bimolekularen Reaktionen
nucleophile Substitution ist monomolekularen (SN1).Durch diesen Mechanismus tritt Hydrolyse wichtiges Produkt der organischen Synthese - tertiärem Butylchlorid.Die erste Stufe ist langsam, es mit einer progressiven Dissoziation Carboniumkation und Chlorid-Anion assoziiert ist.Der zweite Schritt ist schneller fließt Carboniumion Reaktion mit Wasser.Gleichung Substitutionsreaktion auf der Halogen in der Alkan und produzieren unter anderem Primär Hydroxy Alkohol: (CH3) 3C-Cl → (CH3) 3C + + Cl-;(CH3) 3 C + + H2O → (CH3) 3C-OH + H +.Für die einstufige Hydrolyse von primären und sekundären Alkylhalogeniden durch gleichzeitige Zerstörung des Kohlen Halogen und Paarung C-OH ist.Dieser Mechanismus der bimolekularen nucleophilen Substitution (SN2).
Mechanismus der heterolytischen Substitution
Ersatzmechanismus mit Elektronentransfer, die Schaffung von Zwischenkomplexe verbunden.Die Reaktion ist schneller, einfacher, als mit seinen charakteristischen Zwischenprodukte.Oft wird das Verfahren in mehreren Richtungen, welche simultan.Der Vorteil wird in der Regel die Art und Weise, in der die Teilchen verwendet werden, den geringsten Kraftaufwand für ihre Bildung benötigen.Zum Beispiel die Anwesenheit einer Doppelbindung erhöht die Wahrscheinlichkeit eines Allylkation CH2 = CH-CH2 +, verglichen mit den CH3 + -Ionen.Der Grund liegt in der Elektronendichte der Doppelbindung, die die Delokalisierung der positiven Ladung betrifft, über das ganze Molekül verteilt sind.
Substitutionsreaktionen von Benzol
Gruppe von organischen Verbindungen, die durch elektrophile Substitution gekennzeichnet sind - die Arena.Der Benzolring - komfortabel Objekt zur elektrophilen Angriff.Der Prozess beginnt mit der Polarisation des zweiten Reagenz wodurch Elektroelektronenwolke angrenzend an den Benzolring.Das Ergebnis ist ein komplexer Übergang.Vollständige Verbindung elektrophile Teilchen mit einem der Kohlenstoffatome noch nicht, wird sie in die negative Ladung um die "aromatische six" Elektronen angezogen.In der dritten Stufe der Elektrophil und einem Kohlenstoffatom-Ringe ein gemeinsames Elektronenpaar (kovalente Bindung).Aber in diesem Fall ist die Zerstörung des "aromatischen Sechs", was nachteilig im Hinblick auf eine nachhaltige stabile Energiezustand ist.Es ist ein Phänomen, "Freisetzung eines Protons aufgerufen werden können."Es Spaltung von H +, stabiler Kommunikationssystem wiederhergestellt ist, typische Szene.Seite eine kationische Wasserstoff aus einem Benzolring, und das Anion aus der zweiten Reagens.
Beispiele für Substitutionsreaktionen der organischen Chemie
für Alkane besonders typisch Substitutionsreaktion.Beispiele für elektrophilen und nucleophilen Reaktionen können zu Cyclo und Arenen führen.Ähnliche Reaktionen in den Molekülen des organischen Substanzen sind unter normalen Bedingungen aber in der Regel - und durch Erhitzen in Gegenwart von Katalysatoren.Durch gemeinsame und gut untersuchte Prozesse umfassen elektrophile Substitution am aromatischen Ring.Die wichtigste Reaktion dieser Art:
- Nitrierung von Benzol mit Salpetersäure in Gegenwart von H2SO4 - folgt dem Schema: C6H6 → C6H5-NO2.
- katalytische Halogenierung von Benzol, insbesondere Chlorierung durch die Gleichung: C6H6 + Cl2 + HCl → C6H5Cl.
- Aromatische Sulfonierung von Benzol tritt mit "rauchende" Schwefelsäure, Benzolsulfonsäure Form.
- Alkylierung - den Ersatz eines Wasserstoffatoms aus dem Benzolring in der Alkylgruppe.
- Acylierung - die Bildung von Ketonen.
- Formylierung - Ersetzen eines Wasserstoffs an einer Gruppe von CHO und der Bildung von Aldehyden.
von Substitutionsreaktionen schließen die Reaktion in Alkane und Cycloalkane, in denen Halogene Angriff verfügbaren C-H-Bindung.Derivatisierung kann mit dem Ersatz von ein, zwei oder alle der Wasserstoffatome in gesättigten Kohlenwasserstoffen und Naphthenen zugeordnet werden.Viele galogenoalkanov mit niedrigem Molekulargewicht sind in der Herstellung komplexerer Stoffe zu verschiedenen Klassen gehören, verwendet.Fortschritte in der Erforschung von Reaktionsmechanismen der Substitution, ergab einen starken Impuls zur Entwicklung der Synthese auf Basis von Alkanen, Cyclo, Arenen und halogenierte Kohlenwasserstoffe.
