Många substitutionsreaktion öppnar vägen till framställning av olika föreningar som har nyttotillämpningar.En stor roll i kemisk forskning och industri ges elektrofil och nukleofil substitution.I organisk syntes, dessa processer har ett antal funktioner som måste åtgärdas.
En mängd olika kemiska fenomen.Substitutionsreaktioner
kemiska förändringar associerade med omvandlingen av materia, ett antal olika funktioner.Olika resultat kan vara, termiska effekter;Vissa processer är till slutet, i annan kemisk jämvikt sker.Förändringsagenter ofta åtföljs av en ökning eller minskning i graden av oxidation.I klassificeringen av kemiska fenomen i sina slutresultat uppmärksamma de kvalitativa och kvantitativa skillnader mellan reaktanterna från produkterna.Dessa funktioner kan identifieras 7 typer av kemiska reaktioner, inklusive substitution, kommer enligt ordningen: A-B + C + A till B. Förenklat spela in en hel klass av kemiska fenomen ger tanken att bland utgångsmaterialen är den så kallade "attack"partikelreagens ersättning atom, jon funktionell grupp.Substitutionsreaktionen är karakteristisk av mättade och aromatiska kolväten.
substitutionsreaktioner kan förekomma i form av en dubbel utbyte: A-B + C-E A-B-C + EEn subspecies - förskjutningen av till exempel koppar, järn från en lösning av kopparsulfat: CUSO4 + Fe = FeSO4 + Cu.Som en "attack" partiklarna kan fungera som atomer, joner eller funktionella grupper
Substitution homolytisk (radikal, SR)
När radikalmekanism bristning kovalenta elektronpar är gemensamma för olika element, proportionellt fördelade mellan "fragment" av molekylen.Fria radikaler bildas.Denna instabila partikel stabilisering som uppstår som en följd av de efterföljande transformationer.Till exempel vid framställning av etan från metan producerar fria radikaler som deltar i substitutionsreaktionen: CH4 CH3 H • + •;• + • CH3 CH3 → C2H5;H • + • H → H2.Homolytisk bindningsklyvning enligt beskrivningen i utbytesmekanismen är karaktäristisk för alkaner är en reaktionskedja karaktär.De metan H-atomerna kan successivt ersättas av klor.På samma sätt är oförmögen att ersätta vätet direkt i alkaner en reaktion med brom, jod, men fluor reagerar alltför kraftigt med dem.
heterolytically sätt att bryta banden
När joniska mekanismen för substitutionsreaktioner, elektroner ojämnt fördelade mellan de nyligen framkommit partiklarna.Bindningsparet av elektroner rör sig hela vägen till en av "fragment", oftast till kommunikationspartnern, vid sidan av vilket motverkades negativ densitet i polära molekylen.Genom substitutionsreaktioner inkluderar reaktion av metanol CH3OH.I brommetane CH3Br molekylen är heterolytisk brytning karaktär, de laddade partiklarna är stabila.Metyl förvärvar en positiv laddning, och brom - negativ: CH3Br → CH3 + + Br-;NaOH → Na ^ + OH;CH3 + + OH → CH3OH;Na * + Br- ↔ NaBr.
elektro och nukleofiler
partiklar som saknar av elektroner och kan acceptera dem, kallas "elektro."Dessa inkluderar kolatomerna tillsammans med halogener haloalkaner.Nukleofiler har hög elektrondensitet, de är "offer" för ett elektronpar för att skapa en kovalent bindning.Substitutions reaktioner rika negativa laddningar nukleofiler attackeras av elektro som saknar elektroner.Detta fenomen är förenat med rörelsen av atomer eller andra partiklar - lämnande grupp.En annan typ av substitutionsreaktion - en attack elektrofilen nukleofil.Ibland är det svårt att skilja mellan de två processerna, se till utbyte av en eller annan typ, eftersom det är svårt att sätta fingret på vilka av molekylen - substrat, och som - reagens.Vanligtvis i sådana fall, är följande faktorer beaktas:
- naturen av den lämnande gruppen;
- reaktiviteten hos nukleofilen;
- naturen hos lösningsmedlet;
- struktur alkyldelen.
nukleofil substitution (SN)
Under interaktion av den organiska molekylen har ökat polarisering.Ekvationerna en partiell positiv eller negativ laddning notera bokstaven i det grekiska alfabetet.Polarisering kommunikation ger en indikation på vilken typ av sin bristning och framtida beteende "fragment" av molekylen.Exempelvis kolatomen vid jodmetan har en partiell positiv laddning är det elektrofila centrum.Det drar den del av dipolen av vatten, där syret har ett överskott av elektroner.Interaktionen av elektrofilen med en nukleofil reagens bildad metanol: CH3I + H2O → CH3OH + HI.Nukleofila substitutionsreaktioner ske med deltagande av en negativt laddad jon eller molekyl med en fri elektron par, deltar inte i skapandet av en kemisk bindning.Aktivt deltagande av jodmetan i Sn2 reaktioner på grund av dess öppenhet för nukleofilt angrepp och rörlighet jod.
elektrofil substitution (SE)
i organiska molekyler kan vara närvarande nukleofil centrum, som kännetecknas av ett överskott av elektrondensitet.Den reagerar med bristen på negativa laddningar elektrofilt reagens.Sådana partiklar är atomer som har fria omlopps delar av molekylen med låg elektrondensitet.Den natriumformiat kol med charge "-", att reagera med en positiv del av vattnet dipolen - väte: CH3Na → CH4 + H2O + NaOH.Produkten från denna reaktion, en elektrofil substitution - metan.När heterolytisk reaktion av motsatt laddade centra för organiska molekyler, vilket gör dem liknar jonerna i kemin hos oorganiska ämnen.Vi får inte glömma det faktum att omvandlingen av organiska föreningar är sällan åtföljs av bildandet av dessa katjoner och anjoner.
monomolekylärt och bimolekylära reaktioner
nukleofil substitution är monomolekylärt (SN1).Genom denna mekanism sker hydrolys viktig produkt av organisk syntes - tertiär butylklorid.Det första steget är långsam, det är förenat med progressiv dissociation karboniumjon ning och kloridanjon.Det andra steget är snabbare flöden karboniumjon reaktion med vatten.Ekvation substitutionsreaktion på halogen i alkanen och producera primär hydroxialkoholinnehåll: (CH3) 3C-Cl → (CH3) 3C + + Cl-;(CH3) 3C ^ + H2O → (CH3) 3C-OH + H ^.För ett steg hydrolys av primära och sekundära alkylhalogenider kännetecknas av samtidig förstöring av kolet halogen och ihopkopplingen C-OH.Denna mekanism av bimolekylär nukleofil substitution (SN2).
mekanism för heterolytisk substitution
ersättningsmekanism i samband med elektronöverföring, skapandet av mellanliggande komplex.Reaktion är snabbare, enklare än att dess karakteristiska intermediärer.Ofta process pågår i flera riktningar samtidigt.Fördelen blir vanligtvis det sätt på vilket partiklarna används, som kräver minsta möjliga kraftansträngning för sin utbildning.Exempelvis ökar närvaron av en dubbelbindning sannolikheten för en allyl katjon CH2 = CH-CH2 +, jämfört med de CH3 -jonerna.Orsaken ligger i elektrontätheten av dubbelbindningen, vilket påverkar utlokalisering av positiv laddning, spridda över hela molekylen.
substitutionsreaktioner av bensen
grupp av organiska föreningar, som kännetecknas av elektrofil substitution - arenan.Bensenringen - bekvämt föremål för elektrofilt angrepp.Processen börjar med polarisationen av det andra reagenset och därigenom bilda elektrofil elektronmoln angränsande bensenringen.Resultatet är en komplex övergång.Full kommunikation elektro partiklar med en av kolatomerna ännu inte, det är attraherad av den negativa laddningen kring "aromatiska sex" elektroner.I den tredje etappen av elektro och en kolatom ringar delar en gemensam par av elektroner (kovalent bindning).Men i detta fall är förstörelsen av "aromatisk sex", vilket är ofördelaktigt när det gäller att uppnå en hållbar stabila energitillstånd.Det är ett fenomen som kan kallas "frisättning av en proton."Det klyvning av H +, stabilt kommunikationssystem är återställd, typisk scen.Sidan innefattar ett katjoniskt väte av en bensenring och anjonen från det andra reagenset.
Exempel på substitutionsreaktioner inom organisk kemi
för alkaner särskilt typisk substitutionsreaktion.Exempel på elektro och nukleofila reaktioner kan leda till cykloalkaner och arener.Liknande reaktioner i molekylerna av organiska ämnen är under normala förhållanden, men vanligtvis - och genom upphettning i närvaro av katalysatorer.Med gemensamma och väl studerade processer innefattar elektrofil substitution i den aromatiska ringen.Den viktigaste reaktion av denna typ:
- nitrering av bensen med salpetersyra i närvaro av H2SO4 - följer ordningen: C6H6 → C6H5-NO2.
- katalytisk halogenering av bensen, speciellt klorering, genom ekvationen: C6H6 + Cl2 + HCl → C6H5Cl.
- Aromatisk sulfonering av bensen förekommer med "rykande" svavelsyra, bensensulfonsyra form.
- Alkylering - ersättning av en väteatom från bensenringen i alkyl.
- acylering - bildandet av ketoner.
- Formylering - ersätter en väte på en grupp av CHO och bildandet av aldehyder.
By substitutionsreaktioner inkluderar reaktionen i alkaner och cykloalkaner i vilka halogener angrepp tillgängliga C-H-bindning.Derivatisering kan vara förknippade med byte av en, två eller alla väteatomerna i mättade kolväten och naftener.Många galogenoalkanov med låg molekylvikt används vid framställning av mer komplexa ämnen som hör till olika klasser.Framsteg inom studiet av reaktionsmekanismer substitutions, gav en kraftig impuls till utvecklingen av syntesen baserad på alkaner, cykloparaffiner, arenor och halogenerade kolväten.
