Αντιδράσεις υποκατάστασης: περιγραφή, τα παραδείγματα εξίσωση

Πολλοί αντίδραση υποκατάστασης ανοίγει το δρόμο για την παρασκευή των διαφόρων ενώσεων που έχουν εφαρμογή χρησιμότητα. Ένα τεράστιο ρόλο στη χημική επιστήμη και τη βιομηχανία δίνεται ηλεκτρονιόφιλη και πυρηνόφιλης υποκατάστασης. Στην οργανική σύνθεση, οι διαδικασίες αυτές έχουν μια σειρά από χαρακτηριστικά που θα πρέπει να σημειωθεί.

Μια ποικιλία χημικών φαινομένων. αντίδραση υποκατάστασης

Χημικές αλλαγές που σχετίζονται με την μετατροπή της ύλης, μια σειρά από διαφορετικά χαρακτηριστικά. Μπορεί να είναι διαφορετικά αποτελέσματα, τις θερμικές επιδράσεις? κάποιες διαδικασίες πρόκειται να τελειώσει, έρχεται σε άλλες χημική ισορροπία. Τροποποίηση παράγοντες που συχνά συνοδεύεται από αύξηση ή μείωση του βαθμού οξείδωσης. Στην κατάταξη των χημικών φαινομένων τα τελικά τους εφιστούν την προσοχή στις ποιοτικές και ποσοτικές διαφορές μεταξύ των αντιδρώντων από προϊόντα. Αυτά τα χαρακτηριστικά μπορούν να διακριθούν 7 τύποι χημικών αντιδράσεων, συμπεριλαμβανομένης της υποκατάστασης, προχωρά σύμφωνα με το σχήμα: Α-Β-C A + C + Β Η απλοποιημένη καταγραφή μιας ολόκληρης κατηγορία χημικών φαινομένων δίνει μια ιδέα ότι μεταξύ των αρχικών υλικών είναι το λεγόμενο «εισβολέας «υποκαταστάτης σωματιδίων στο άτομο αντιδραστήριο, λειτουργική ομάδα ιόντων. Η αντίδραση υποκατάστασης είναι χαρακτηριστική των κορεσμένων και αρωματικών υδρογονανθράκων.

αντίδραση υποκατάστασης μπορεί να λάβει χώρα με τη μορφή της διπλής-ανταλλαγής: Α-Β-C + Ε, C + Α-Β-Ε. Ένα υποείδος - μετατόπισης, π.χ., χαλκό, σίδηρο από ένα διάλυμα θειικού χαλκού: CuSO ₄ + Fe = FeSO ₄ + Cu. Καθώς οι «επίθεση» σωματίδια μπορούν να δράσουν άτομα, ιόντα ή λειτουργικές ομάδες

Ομολυτική υποκατάσταση (ρίζα, SR)

Όταν ο μηχανισμός του ζεύγος ριζών ρήξης ομοιοπολική ηλεκτρονίων είναι κοινή για τα διάφορα στοιχεία θα κατανεμηθούν αναλογικά μεταξύ των «θραυσμάτων» του μορίου. Σχηματισμός των ελεύθερων ριζών. Αυτή η ασταθής σταθεροποίηση σωματιδίων η οποία λαμβάνει χώρα ως αποτέλεσμα της μετέπειτα αντιδράσεις. Για παράδειγμα, στην παρασκευή των μεθανίου από αιθανίου παράγουν ελεύθερες ρίζες εμπλέκεται στην αντίδραση υποκατάστασης: CH ₄ CH ₃ • + • H? CH ₃ • + • CH ₃ → C2H5? H • + • H → Η2. διάσπαση ομολυτική δεσμό επί του μηχανισμού λειτουργίας της υποκατάστασης είναι χαρακτηριστική των αλκανίων, η αντίδραση είναι ένας χαρακτήρας αλυσίδα. Τα άτομα μεθάνιο Η μπορεί να αντικατασταθεί διαδοχικά από χλώριο. Παρομοίως να αντιδράσει με βρώμιο, ιώδιο αλλά δεν είναι σε θέση να αντικαταστήσει άμεσα αλκάνια υδρογόνο, φθόριο αντιδρά πάρα πολύ έντονα με αυτούς.

μέθοδος διάσπασης ετερολυτική δεσμού

Όταν ο μηχανισμός της υποκατάστασης ροής ιόντων αντιδράσεις ηλεκτρόνια είναι άνισα κατανεμημένες μεταξύ των σωματιδίων πρόσφατα προκύψει. Το ζεύγος δέσμευσης ηλεκτρονίων εκτείνεται σε όλη τη διαδρομή προς ένα από τα «θραύσματα», τις περισσότερες φορές, για να τον εταίρο της επικοινωνίας, στην πλευρά η οποία είχε αντισταθμιστεί αρνητική πυκνότητα στον πολικό μόριο. Με υποκατάσταση αντιδράσεις περιλαμβάνουν την αντίδραση του σχηματισμού των CH μεθυλικής αλκοόλης ₃ ΟΗ. Σε brommetane μόριο χάσμα CH3Br είναι ετερολυτική χαρακτήρα, τα φορτισμένα σωματίδια είναι σταθερά. Μεθυλ αποκτά θετικό φορτίο, και βρωμο - αρνητική: CH ₃ Br → CH ₃ ^{+ +} Br ^-? NaOH → Na ^{+ +} ΟΗ ^-? CH ₃ ^{+ +} OH ^- → CH ₃ ΟΗ? Na ^{+ +} Br ^- ↔ NaBr.

Ηλεκτρονιόφιλα και πυρηνόφιλα

Τα σωματίδια, τα οποία αντιμετωπίζουν έλλειψη ηλεκτρονίων και μπορεί να τις δεχθεί, ονομάζονται «ηλεκτρονιόφιλα.» Αυτά είναι άτομα άνθρακα συνδεδεμένα με αλογόνα σε αλογονοαλκάνια. Πυρηνόφιλα έχουν υψηλή πυκνότητα ηλεκτρονίων, είναι «θύματα» ενός ζεύγους ηλεκτρονίων για να δημιουργήσουν ένα ομοιοπολικό δεσμό. Οι αντιδράσεις υποκατάστασης πλούσια αρνητικά φορτία επίθεση από πυρηνόφιλα ηλεκτρόφιλα, το έλλειμμα των ηλεκτρονίων. Το φαινόμενο αυτό σχετίζεται με την κίνηση των ατόμων ή άλλων σωματιδίων - αποχωρούσα ομάδα. Μια άλλη ποικιλία αντιδράσεων υποκατάστασης - προσβάλλουν το ηλεκτρόφιλο πυρηνόφιλο. Μερικές φορές είναι δύσκολο να γίνει διάκριση μεταξύ των δύο διαδικασιών, που αναφέρεται στην αντικατάσταση ενός ή του άλλου τύπου, γιατί είναι δύσκολο να προσδιοριστεί ακριβώς τι είδους μορίου - υποστρώματος, και η οποία - αντιδραστηρίου. Συνήθως σε αυτές τις περιπτώσεις, οι ακόλουθοι παράγοντες λαμβάνονται υπόψη:

• η φύση της αποχωρούσας ομάδας?
• η αντιδραστικότητα του πυρηνόφιλου?
• η φύση του διαλύτη?
• το τμήμα αλκυλίου της δομής.

Πυρηνόφιλη υποκατάσταση (SN)

Κατά τη διαδικασία της αλληλεπίδρασης εντός του οργανικού μορίου έχει αυξανόμενη πόλωση. Στις εξισώσεις της μερικής θετικό ή αρνητικό φορτίο υποδεικνύεται από το γράμμα της ελληνικής αλφαβήτου. επικοινωνία Πόλωση δίνει μια ένδειξη της φύσης της ρήξης του και τη μελλοντική συμπεριφορά των «θραύσματα» του μορίου. Για παράδειγμα, ένα άτομο άνθρακα σε ιωδομεθάνιο έχει ένα μερικό θετικό φορτίο, είναι ένα ηλεκτρόφιλο κέντρο. Προσελκύει το δίπολο του νερού, όπου το οξυγόνο έχει μία περίσσεια ηλεκτρονίων. Στην αντίδραση του ηλεκτρόφιλου με ένα πυρηνόφιλο σχηματίζεται μεθανόλη: CH ₃ Ι + _Η2Ο → CH ₃ OH + ΗΙ. αντιδράσεις πυρηνόφιλης υποκατάστασης λαμβάνει χώρα με τη συμμετοχή ενός αρνητικά φορτισμένου ιόντος ή μόριο που έχει ένα ελεύθερο ζεύγος ηλεκτρονίων, η οποία δεν συμμετέχει στη δημιουργία ενός χημικού δεσμού. Η ενεργός συμμετοχή των ιωδομεθανίου σε SN _{2-αντίδραση} λόγω του ανοίγματός της στην πυρηνόφιλη επίθεση και την κινητικότητα ιώδιο.

Ηλεκτρόφιλη υποκατάσταση (SE)

Το οργανικό μόριο μπορεί να είναι παρόν πυρηνόφιλη κέντρο, το οποίο χαρακτηρίζεται από μία περίσσεια της πυκνότητας ηλεκτρονίων. Αντιδρά με την έλλειψη αρνητικών φορτίων ηλεκτρόφιλου αντιδραστηρίου. Τέτοια σωματίδια είναι άτομα που έχουν ελεύθερες τροχιακή μόριο με τμήματα μειωμένης πυκνότητας ηλεκτρονίων. Το μυρμηκικό νάτριο άνθρακα που έχει φορτίο «-», αντιδρά με ένα θετικό μέρος του διπόλου νερού - υδρογόνο: CH ₃ Na + _Η2Ο → CH ₄ + NaOH. Το προϊόν αυτής της αντίδρασης, ηλεκτρόφιλη υποκατάσταση - μεθάνιο. Όταν ετερολυτική αντιδράσεις αλληλεπιδρούν αντίθετα φορτισμένα κέντρα των οργανικών μορίων, η οποία τους δίνει συγγένεια με τα ιόντα σε ανόργανη χημεία ουσίες. Δεν πρέπει να παραβλέπεται το γεγονός ότι η μετατροπή των οργανικών ενώσεων είναι σπάνια συνοδεύεται από το σχηματισμό αυτών των κατιόντων και ανιόντων.

Μονομοριακό και bimolecular αντιδράσεις

Η πυρηνόφιλη υποκατάσταση είναι μονομοριακή (SN1). Με το μηχανισμό αυτό, ένα σημαντικό προϊόν ρέει υδρόλυση της οργανικής σύνθεσης - τριτοταγή βουτυλο χλωρίδιο. Το πρώτο στάδιο είναι αργή, συνδέεται με την προοδευτική διάσπαση σε καρβονίου κατιόν και ένα ανιόν χλωριδίου. Το δεύτερο στάδιο είναι μια ταχύτερη αντίδραση λαμβάνει χώρα καρβονίου ιόντων και νερό. Η εξίσωση της αντίδρασης υποκατάστασης αλογόνου στην αλκανίου για να ληφθεί υδρόξυ και πρωτοταγούς αλκοόλης: _{(CH3) 3} C-Cl → _{(CH3) 3} C ^{+ +} Cl ^-? _{(CH3) 3} C ^{+ +} _Η2Ο → _{(CH3) 3} C-ΟΗ ⁺ Η +. Για το ένα-βήμα υδρόλυσης της πρωτογενούς και δευτερογενούς αλκυλαλογονίδια χαρακτηρίζεται από την ταυτόχρονη καταστροφή των άνθρακα λόγω αλογόνο και το σχηματισμό ζεύγους C-ΟΗ. Αυτή η πυρηνόφιλη μηχανισμός διμοριακή υποκατάστασης (SN2).

Ετερολυτική μηχανισμός της υποκατάστασης

μηχανισμός υποκατάστασης περιλαμβάνει τη μεταφορά ηλεκτρονίων, τη δημιουργία ενδιάμεσων συμπλοκών. Η αντίδραση προχωρά πιο γρήγορα, τόσο πιο εύκολο είναι για τυπικό ενδιάμεσα γι 'αυτήν. Συχνά η διαδικασία κινείται προς διάφορες κατευθύνσεις ταυτόχρονα. Το πλεονέκτημα παίρνει συνήθως τον τρόπο με τον οποίο χρησιμοποιούνται τα σωματίδια, που απαιτεί την ελάχιστη δαπάνη ενέργειας για το σχηματισμό του. Για παράδειγμα, η παρουσία ενός διπλού δεσμού αυξάνει την πιθανότητα ενός κατιόντος αλλυλ CH 2 = CH-CH ₂ ^+, σε σύγκριση με την _CH3 ⁺ ιόν. Ο λόγος έγκειται στην πυκνότητα ηλεκτρονίων του πολλαπλού δεσμού, η οποία επηρεάζει την μετεγκατάστασης του θετικού φορτίου, διασκορπίζεται πάνω ολόκληρο το μόριο.

αντίδραση υποκατάστασης βενζόλιο

Η ομάδα των οργανικών ενώσεων, οι οποίες χαρακτηρίζονται από ηλεκτρόφιλη υποκατάσταση - αρένα. δακτύλιος βενζολίου - ένα βολικό αντικείμενο για ηλεκτρονιόφιλη επίθεση. Η διαδικασία αρχίζει επικοινωνία με το δεύτερο αντιδραστήριο πόλωση, σχηματίζοντας έτσι ηλεκτρόφιλο νέφος ηλεκτρονίων πλησίον του δακτυλίου βενζολίου. Το αποτέλεσμα είναι μια πολύπλοκη μετάβασης. Πολύτιμες επικοινωνία ηλεκτρόφιλο σωματίδια με ένα από τα άτομα άνθρακα που δεν έχουν ακόμη, ότι έλκεται από ολόκληρο το αρνητικό φορτίο «αρωματικό έξι» ηλεκτρόνια. Στο τρίτο στάδιο της ηλεκτρόφιλου διαδικασίας και ένα άτομο άνθρακα του δακτυλίου συνδέεται με ένα κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων (ομοιοπολικός δεσμός). Αλλά σε αυτή την περίπτωση, είναι η καταστροφή του «αρωματικά Έξι», το οποίο αποτελεί μειονέκτημα όσον αφορά την επίτευξη ενός σταθερού βιώσιμη ενεργειακή κατάσταση. Υπάρχει ένα φαινόμενο που μπορεί να χαρακτηριστεί ως «απελευθέρωση ενός πρωτονίου.» Είναι αποσπάται Η ^+, ανακτώντας ένα σταθερό σύστημα επικοινωνίας, τυπικό αρένια. Πλευρά ουσία περιλαμβάνει κατιόν υδρογόνου ενός δακτυλίου βενζολίου και το ανιόν από το δεύτερο αντιδραστήριο.

Παραδείγματα αντιδράσεις υποκατάστασης της οργανικής χημείας

Για αλκάνια ειδικά τυπική αντίδραση υποκατάστασης. Παραδείγματα ηλεκτρόφιλης και πυρηνόφιλης αντιδράσεις μπορεί να οδηγήσει σε κυκλοαλκάνια και αρένια. Παρόμοιες αντιδράσεις στα μόρια των οργανικών ουσιών είναι υπό κανονικές συνθήκες, αλλά συνήθως - και με θέρμανση υπό την παρουσία καταλυτών. Με κοινή και καλά μελετηθεί διεργασίες περιλαμβάνουν ηλεκτρονιόφιλη αρωματική υποκατάσταση. Το πιο σημαντικό αντίδραση αυτού του τύπου:

1. Νίτρωση του βενζολίου με νιτρικό οξύ υπό την παρουσία H ₂ SO ₄ - ακολουθεί το σχήμα: C ₆ H ₆ → C ₆ H _{5 -ΝΟ2.}
2. Η καταλυτική αλογόνωση του βενζολίου, ιδιαίτερα χλωρίωσης, από την εξίσωση: C ₆ H ₆ + Cl ₂ → C ₆ H ₅ Cl + ΗΟ.
3. Αρωματικά σουλφόνωση του βενζολίου προχωρά με «ατμίζον» θειικό οξύ, βενζολοσουλφονικό οξύ σχηματίζονται.
4. Αλκυλίωση - αντικατάσταση του ατόμου υδρογόνου από το δακτύλιο βενζολίου σε αλκυλο.
5. Ακυλίωση - ο σχηματισμός των κετονών.
6. Η φορμυλίωση - αντικατάσταση ενός υδρογόνου σε μία ομάδα CHO και το σχηματισμό αλδεϋδών.

Με υποκατάσταση αντιδράσεις περιλαμβάνουν την αντίδραση σε αλκάνια και κυκλοαλκάνια, όπου τα αλογόνα επιτεθούν διαθέσιμες δεσμό C-H. Η παραγωγοποίηση μπορεί να σχετίζεται με αντικατάσταση ενός, δύο ή όλων των ατόμων υδρογόνου σε κορεσμένους υδρογονάνθρακες και κυκλοπαραφίνες. Πολλοί από galogenoalkanov των χαμηλού μοριακού βάρους χρησιμοποιούνται για την παραγωγή πιο σύνθετων ουσιών που ανήκουν σε διαφορετικές κατηγορίες. Οι επιτυχίες στη μελέτη των μηχανισμών των αντιδράσεων υποκατάστασης, έδωσε μια ισχυρή ώθηση στην ανάπτυξη των συνθέσεων επί τη βάσει των αλκανίων, κυκλο-σταδίου και οι αλογονωμένοι υδρογονάνθρακες.