Substitutionsreaktioner: beskrivning, ekvationsexempel

Många substitutionsreaktion öppnar vägen till framställning av olika föreningar med användbarhet ansökan. En stor roll i kemisk forskning och industri ges elektrofil och nukleofil substitution. I organisk syntes, dessa processer har ett antal funktioner som bör noteras.

En mängd olika kemiska fenomen. substitutionsreaktion

Kemiska förändringar i samband med omvandlingen av materia, en rad olika funktioner. Kan vara olika utfall, termiska effekter; vissa processer kommer till slut, det kommer i andra kemisk jämvikt. Modifierande medel är det ofta åtföljs av att öka eller minska graden av oxidation. I klassificeringen av kemiska fenomen i deras slutliga resultaten uppmärksamma de kvalitativa och kvantitativa skillnader mellan reaktanterna från produkterna. Dessa funktioner kan vara framstående 7 typer av kemiska reaktioner, inklusive substitution, löper enligt ordningen: A-B-C-A + C + B. Den förenklade inspelning av en hel klass av kemiska fenomen ger en uppfattning om att bland de utgångsmaterial är den så kallade "angripare "partikel substituent i reagensatom, jon funktionell grupp. Substitutionsreaktionen är karakteristisk av mättade och aromatiska kolväten.

substitutionsreaktion kan förekomma i form av dubbel-utbyte: A-B-C + E C + A-B-E. En subspecies - förskjutning, t ex koppar, järn från en lösning av kopparsulfat: _CUSO4 + Fe = FeSO ₄ + Cu. Som "attackerande" partiklar kan agera atomer, joner eller funktionella grupper

Homolytisk substitution (radikal, SR)

När mekanismen för radikal brott kovalenta elektronpar är gemensam för de olika element kommer att proportionellt fördelad mellan "fragment" av molekylen. Bildning av fria radikaler. Denna instabila partikelstabilisering, som uppträder som ett resultat av efterföljande reaktioner. Exempelvis vid framställning av etan från metan producera fria radikaler som är involverade i substitutionsreaktionen: CH ₄ CH ₃ • + • H; CH ₃ • + • CH ₃ → C2H5; H • + • H → H2. Homolytisk bindningsklyvning på manövermekanismen av substitution är karakteristisk för alkaner, reaktionen är en kedja karaktär. De metan H-atomerna kan successivt ersättas med klor. På liknande sätt att reagera med brom, jod men kan inte direkt ersätta väte alkaner, reagerar fluor alltför kraftigt med dem.

Heterolytisk bindningsklyvning metod

När mekanismen för jon flödessubstitutionsreaktioner, är elektroner ojämnt mellan partiklar nyligen uppstått. Den bindande elektronpar sträcker sig hela vägen till en av de "fragment", oftast, till kommunikationspartnern, den sida som hade förskjutna negativ densitet i polär molekyl. Genom substitution reaktioner innefattar reaktionen av bildning av metylalkohol _CH3OH. I brommetane CH3Br gapet molekylen är heterolytisk karaktär, de laddade partiklarna är stabila. Metyl förvärvar en positiv laddning, och brom - negativ: CH ₃ Br → CH ₃ ^{^ +} Br ^-; NaOH → Na ^{^ +} OH ^-; CH ₃ ^{+ +} OH ^- → _CH3OH; Na ⁺ Br ^- ↔ NaBr.

Elektro och nukleofiler

Partiklar som saknar elektroner och kan acceptera dem, kallas "elektro." Dessa är kolatomer bundna med halogener i haloalkaner. Nukleofiler har hög elektrondensitet, de är "offer" för ett par av elektroner för att skapa en kovalent bindning. Substitutionsreaktionerna rika negativa laddningar angrips av nukleofiler elektro, underskott på elektroner. Detta fenomen är förknippad med rörelsen av atomer eller andra partiklar - lämnande grupp. En annan variant av substitutionsreaktioner - attackera elektro nukleofil. Ibland svårt att skilja mellan de två processerna, avses ersättning av den ena eller andra typen, eftersom det är svårt att ange exakt vilken typ av molekyl - substrat, och som - reagens. Vanligtvis i sådana fall följande faktorer beaktas:

• arten av den lämnande gruppen;
• reaktiviteten hos nukleofilen;
• beskaffenheten av lösningsmedlet;
• alkyldelen av strukturen.

Nukleofil substitution (SN)

I processen av interaktion i den organiska molekylen har ökat polarisering. I ekvationerna partiell positiv eller negativ laddning indikeras med bokstaven i det grekiska alfabetet. Polarisering kommunikation ger en indikation på vilken typ av sin bristning och framtida beteende "fragment" av molekylen. Exempelvis en kolatom i jodmetan har en delvis positiv laddning, det är ett elektrofilt centrum. Det lockar dipolen av vattnet, där syret har ett överskott av elektroner. I reaktionen av elektrofilen med en nukleofil bildas metanol: CH ₃ I + _H2O → _CH3OH + HI. nukleofila substitutionsreaktioner äga rum med deltagande av en negativt laddad jon eller molekyl som har ett fritt elektronpar, som inte deltar i skapandet av en kemisk bindning. Aktiv medverkan av jodmetan i SN _2-reaktionen på grund av dess öppenhet för nukleofilt angrepp och jod rörlighet.

Elektrofil substitution (SE)

Den organiska molekylen kan vara närvarande nukleofila centrum, som kännetecknas av ett överskott av elektrontäthet. Den reagerar med bristen på negativa laddningar elektro reagens. Sådana partiklar är atomer som har fria orbital molekyl med portioner av reducerad elektrontäthet. Den natriumformat kol med laddning "-", reageras med en positiv del av vattnet dipolen - väte: CH ₃ Na + H ₂ O → CH ₄ + NaOH. Produkten från denna reaktion, elektrofil substitution - metan. När heterolytisk reaktioner samverkar motsatt laddade centra för organiska molekyler, vilket ger dem affinitet med joner i oorganisk substanser kemi. Det bör inte förbises att omvandlingen av organiska föreningar är sällan åtföljs av bildandet av dessa katjoner och anjoner.

Unimolekylära och bimolekylära reaktioner

Den nukleofila substitutionen är monomolekylärt (SN1). Genom denna mekanism, flyter en viktig produkt hydrolys av organisk syntes - tertiär butylklorid. Det första steget är långsam, den är associerad med progressiv dissociation till karbonium katjon och en kloridanjon. Det andra steget är en snabbare reaktion inträffar karboniumjon och vatten. Ekvationen för reaktionen av substitution av halogen i alkanen för erhållande av hydroxi och primär alkohol: (CH _{3) 3} C-Cl → (CH _{3) 3} C ^{+ +} Cl ^-; (CH _{3) 3} C ^{^ +} H ₂ O → (CH _{3) 3} C-OH ⁺ H ^. För ett steg hydrolys av primära och sekundära alkylhalider som kännetecknas av samtidig förstöring av kol på grund av halogen och bildandet av paret C-OH. Denna nukleofil bimolekylär substitutionsmekanism (SN2).

Heterolytisk mekanism av substitution

substitutionsmekanism involverar elektronöverföring, skapandet av medelkomplex. Reaktionen fortgår snabbare, desto lättare är det för typiska mellanprodukter för henne. Ofta processen går i flera riktningar samtidigt. Fördelen får vanligtvis det sätt på vilket partiklarna används, som kräver minst utgifter av energi för dess bildning. Till exempel, ökar närvaron av en dubbelbindning sannolikheten för en allyl katjon CH 2 = CH-CH ₂ ^+, jämfört med _CH3 ⁺ -jon. Orsaken ligger i elektrondensiteten av multipelbindning, som påverkar delokalisering av den positiva laddningen, utspridda över hela molekylen.

bensen substitutionsreaktion

Den grupp av organiska föreningar, vilka kännetecknas av elektrofil substitution - arenan. Bensenring - en bekväm föremål för elektrofilt angrepp. Processen börjar kommunikation med den andra polarisationen reagenset, därigenom bildande elektrofil elektronmoln angränsande bensenringen. Resultatet är en komplex övergång. Värdefulla kommunikationselektrofila partiklar med en av kolatomerna som ännu inte är det attraheras till hela negativa laddningen "aromatiska sex" elektroner. I det tredje steget av förfarandet elektrofil och en ringkolatom binder en gemensam elektronpar (kovalent bindning). Men i detta fall är förstörelsen av "aromatiska sex", vilket är ofördelaktigt när det gäller att uppnå en stabil hållbar energitillstånd. Det är ett fenomen som kan kallas en "release av en proton." Det avspjälkas H ^+, utvinna en stabil kommunikationssystem, typiska arener. Sido substansen innefattar väte katjon av en bensenring och anjonen från det andra reagenset.

Exempel på substitutionsreaktioner inom organisk kemi

För alkaner speciellt typiska 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. Efter gemensamma och väl studerade processer innefattar elektrofil aromatisk substitution. Den viktigaste reaktion av denna typ:

1. Nitrering av bensen med salpetersyra i närvaro av H ₂ SO ₄ - följer ordningen: C ₆ H ₆ → C ₆ H ₅ -NO _2.
2. Den katalytiska halogenering av bensen, speciellt klorering, genom ekvationen: C ₆ H ₆ + Cl ₂ → C ₆ H ₅ Cl + HCl.
3. Aromatisk sulfonering av bensen fortsätter med "rykande" svavelsyra, är bensensulfonsyra bildas.
4. Alkylering - utbyte av väteatomen från bensenringen till alkyl.
5. Acylering - bildandet av ketoner.
6. Formylering - ersätter ett väte på en grupp CHO och bildningen av aldehyder.

Genom substitution reaktioner innefattar reaktionen i alkaner och cykloalkaner, varvid halogenerna attackerar tillgängliga C-H-bindning. Derivatisering kan vara associerad med ersättning av en, två eller samtliga av de väteatomer i mättade kolväten och cykloparaffiner. Många av galogenoalkanov med låg molekylvikt används vid framställning av mer komplexa ämnen som hör till olika klasser. De framgångar uppnåtts i studier av mekanismer av substitutionsreaktioner, gav en kraftig impuls till utvecklingen av synteser på grundval av alkaner, cyklo-stadiet och halogenerade kolväten.