Mnoho substitučnej reakcie otvára cestu k výrobe rôznych zlúčenín, ktoré majú úžitkové aplikácií.Veľkú úlohu v chemickom vede a priemysle je daný elektrofilní a nukleofilní substitúcie.V organickej syntéze, tieto procesy majú rad funkcií, ktoré je potrebné riešiť.
Rôzne chemických dejov.Substitučná reakcia
chemické zmeny súvisia s transformáciou hmoty, množstvo rôznych funkcií.Rozdielne výsledky môžu byť, tepelné účinky;Niektoré procesy sú až do konca, v iných chemických rovnováha nastane.Činitelia zmeny sú často sprevádzané zvýšenie alebo zníženie stupňa oxidácie.V klasifikácii chemických javov v ich konečné výsledky upozorniť na kvalitatívnych a kvantitatívnych rozdielov medzi reagujúcich látok u výrobkov.Tieto funkcie môžu byť identifikované 7 typov chemických reakcií, vrátane substitúciou, prichádzajú v rámci schémy: A-B + C + A do B. zjednodušenej záznamu celá trieda chemických dejov dáva predstavu, že medzi východiskových materiálov je tak zvané "útok"častice nahradenie činidlo atóm, ion funkčná skupina.Substitučná reakcia je charakteristická z nasýtených a aromatických uhľovodíkov.
substitučnej reakcie sa môžu vyskytovať vo forme dvojitej výmeny: A-B + C-E A-B-C + E.Jeden poddruh - posun, napríklad meď, železo z roztoku síranu meďnatého: CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu.Ako "zaútočiť" častice môžu pôsobiť ako atómy, ióny alebo funkčných skupín
Striedanie homolytic (radikálny, SR)
Keď radikálnej mechanizmus roztrhnutiu kovalentnej dvojica elektrónov je spoločná pre rôzne prvky, pomerným spôsobom rozdelený medzi "Fragmenty" molekuly,Voľné radikály sú tvorené.Táto stabilizácia nestabilné častice, ktorá sa vyskytuje v dôsledku následných transformáciou.Napríklad, pri príprave etánu a metánu produkujú voľné radikály, ktoré sa zaoberajú substitučnej reakcie: CH4 CH3 H • + •;• + • CH 3 CH 3 → C2H5;H • • + H → H2.Homolytic štiepenie väzby, ako je popísané v náhradnom mechanizmu je charakteristické alkánov je charakter reakcie reťazec.Atómy metán H môže byť postupne nahradený atómom chlóru.Podobne, reakcia s brómom, jódom, ale nie je schopná nahradenie vodíka priamo v alkánov, fluór príliš silno reaguje s nimi.
heterolytically spôsob ako prelomiť putá
Keď iónový mechanizmus substitučných reakcií, elektróny sú nerovnomerne rozdelené medzi novo vzniknutých častíc.Väzba elektrónové páry sa pohybuje až k jednému z "fragmenty", najčastejšie, ku komunikačnému partnerovi, strana, ktorá bola vyrovnaná pozitívna hustotu v polárnej molekuly.Dosadením reakcie zahŕňajú reakciu metylalkohol CH 3OH.V brommetane CH3Br molekula je heterolytic prestávka postava, nabité častice sú stabilné.Metyl získa kladný náboj, a bróm - negatívne: CH3Br → CH3 + + BR;NaOH → Na + + OH;CH 3 + + OH- → CH3OH;Na + + BR-↔ NaBr.
elektrofil a nukleofily
častice, ktoré nemajú elektrónov a ich môže prijímať, sa nazývajú "elektrofil."Patrí medzi atómami uhlíka spojené s halogénov Halogenidy.Nukleofily majú vysokú elektrónovú hustotu, že sú "obeťou" z dvojice elektrónov na vytvorenie kovalentnej väzby.Substitučná reakcia Bohaté negatívne poplatky nukleofily sú napadnutí electrophiles, ktoré nemajú elektróny.Tento jav je spojený s pohybom atómov alebo iných častíc - odstupujúci skupina.Ďalším typom substitučnej reakcie - útok elektrofil nukleofil.Niekedy je ťažké rozlíšiť medzi dvoma procesmi, sa vzťahujú na nahradenie jedného alebo druhého typu, pretože je ťažké určiť, ktorý z molekuly - substrátu, a ktorý - činidlo.Zvyčajne sa v týchto prípadoch, tieto faktory sú považované:
- povahe odštepujúcej sa skupiny;
- reaktivita nukleofilu;
- povaha rozpúšťadla;
- štruktúra alkylové časti.
nukleofilní substitúcia (SN)
Pri interakcii organické molekuly, rastie polarizáciu.Rovnice čiastočného kladným alebo záporným nábojom na vedomie písmeno gréckej abecedy.Polarizácia oznámenie obsahuje údaj o povahe jeho prasknutie a budúce správanie "Fragmenty" molekuly.Napríklad atóm uhlíka v jodmethanu má čiastočný kladný náboj je elektrofilní centrum.To priťahuje časť dipólu vody, kde kyslík má prebytok elektrónov.Interakcie elektrofil s nukleofilem činidla tvoreného metanol: CH3I + H2O → CH3OH + HI.Nukleofilní substitučná reakcia prebiehajú za účasti záporne nabitý ión alebo molekula majúca voľný elektrónový pár, sa nezúčastňujú vytvorenie chemickej väzby.Aktívna účasť jodmethanu v SN2 reakciám vďaka svojej otvorenosti voči nukleofilního ataku a mobility jódu.
elektrofilní substitúcia (SE)
v organických molekúl môže byť prítomný nukleofilním centrum, ktoré sa vyznačuje nadbytkom elektrónové hustoty.Reaguje s nedostatkom záporných nábojov elektrofilní reagencií.Takéto častice sú atómy, ktoré majú voľné orbitálnej časti molekuly s nízkou elektrónovú hustotou.Formia sodný uhlíka majúci náboj "-", sa nechá reagovať s pozitívnou časťou vody dipólu - atóm: CH3Na → CH4 + H2O + NaOH.Produkt tejto reakcie, elektrofilní substitúcia - metán.Keď heterolytic reakcie opačne nabitými centier organických molekúl, čo ich robí podobné ióny v chémii anorganických látok.Nemali by sme zabúdať na to, že konverzia organických zlúčenín sú len zriedka sprevádzaná tvorbou týchto katiónov a aniónov.
monomolekulová a bimolekulární reakcie
nukleofilní substitúcia je monomolekulová (SN1).Týmto mechanizmom dochádza hydrolýzy dôležitým produktom organickej syntézy - terciárneho butylchloridu.V prvej fáze je pomalá, je spojená s progresívnym disociačná karboniového katiónu a aniónu chloridu.Druhým krokom je rýchlejší toky karboniový ion reakciu s vodou.Rovnica substitučnej reakcie na halogén v alkánov a produkujú primárne hydroxy alkohol: (CH3) 3C-Cl → (CH3) 3C + + Cl;(CH 3) 3C + + H2O → (CH 3) 3C-OH + H +.U jednostupňového hydrolýzou primárne a sekundárne alkylhalogenidy sa vyznačuje súčasným zničením uhlíka, halogén a spárovanie, C-OH.Tento mechanizmus bimolekulární nukleofilní substitúcia (SN2).
mechanizmus heterolytic substitučná
náhradné mechanizmus spojený s prenosom elektrónov, vytvorenie sprostredkujúcich komplexov.Reakcia je rýchlejší, jednoduchší, než má svoje charakteristické medziproduktov.Často tento proces sa deje v niekoľkých smeroch súčasne.Výhodou zvyčajne dostane spôsob, akým sa používajú častice, ktoré vyžadujú najmenšiu výdavky energie pre ich vzdelávanie.Napríklad prítomnosť dvojitej väzby sa zvyšuje pravdepodobnosť, že alyl katiónu CH2 = CH-CH 2 +, v porovnaní s CH3 + iónov.Dôvod spočíva v elektrónovej hustoty dvojitej väzby, ktorá má vplyv na premiestňovanie kladného náboja, rozptýlené po celej molekuly.
substitučná reakcia benzénu
skupiny organických zlúčenín, ktoré sa vyznačujú tým, elektrofilní substitúciou - v rade.Benzénovej kruh - vhodný objekt pre elektrofilním útoku.Proces začína polarizácia druhého činidla, čím sa vytvorí elektrofilní elektrónový oblak susedí s benzénovými kruhom.Výsledkom je komplexný prechod.Napriek tomu úplnú komunikáciu elektrofilní častice s jedným z atómov uhlíka, ktorý nie je, je priťahovaný k zápornému náboju okolo "aromatický šiestich" elektrónov.V tretej fáze elektrofil a jeden atóm uhlíka kruhov zdieľajú spoločný pár elektrónov (kovalentná väzba).Ale v tomto prípade je zničenie "aromatické šiestich", čo je nevýhodné z hľadiska dosahovania udržateľného stabilný energetický stav.Tam je jav, ktorý možno nazvať "Uvoľnenie protónu."Tam štiepenie H +, stabilný komunikačný systém sa obnoví, typickou scénu.Side obsahuje katiónový vodík z benzenového kruhu a aniónu z druhého činidla.
Príklady substitučných reakcií organickej chémie
pre alkány, najmä typické substitučnú reakciu.Príklady elektrofilní a nukleofilní reakciách môže viesť k cykloalkánov a arén.Podobné reakcie v molekulách organických látok, sú za normálnych podmienok, ale zvyčajne - a zahrievaním v prítomnosti katalyzátorov.Tým, spoločných a dobre študovaných procesov zahŕňajú elektrofilní substitúciu v aromatického kruhu.Najdôležitejšie reakcie tohto typu:
- nitrácia benzénu s kyselinou dusičnou v prítomnosti H2SO4 - nasleduje schémy: C6H6 → C6H5-NO2.
- katalytické Halogenácia z benzénu, najmä chlorácie, podľa rovnice: C6H6 + Cl2 + HCl → C6H5Cl.
- Aromatický sulfonáciou benzénu dochádza u "" dymivá kyseliny sírovej, benzén forma sulfónová kyselina.
- Alkylácia - nahradenie atómu vodíka benzénovej kruhu v alkylu.
- Acylácia - tvorba ketóny.
- formylace - nahradzujúci vodík na skupinu CHO a vzniku aldehydov.
substitučnej reakcie zahŕňajú reakciu v alkánov a cykloalkánov, v ktorom halogény útočnú dispozícii C-H väzbu.Derivatizácia môže byť spojená s náhradou jedného, dvoch alebo všetky atómy vodíka v nasýtených uhľovodíkov a naftény.Mnoho galogenoalkanov s nízkou molekulovou hmotnosťou sú použité pri výrobe zložitejších látok patriacich do rôznych tried.Pokroky v štúdiu reakčných mechanizmov substitúcia, dala silný impulz k vývoju syntézy založená na alkány, cykloparafínov, arény a halogénované uhľovodíky.
