Reacții de substituție: descriere, exemple de ecuații

Multe reacție de substituție deschide calea de preparare a diferiților compuși având aplicații de utilitate. Un rol imens în știință și industrie chimică este dată de substituție electrofilă și nucleofilă. În sinteza organică, aceste procese au o serie de caracteristici care trebuie remarcat.

O varietate de fenomene chimice. reacție de substituție

Modificările chimice asociate cu transformarea materiei, o serie de caracteristici diferite. Poate fi rezultate diferite, efecte termice; unele procese vor termina, este vorba în alt echilibru chimic. agenți de modificare este adesea însoțită de creșterea sau scăderea gradului de oxidare. În clasificarea fenomenelor chimice în rezultatele lor finale atrag atenția asupra diferențelor calitative și cantitative între reactanți din produse. Aceste caracteristici pot fi distinse 7 tipuri de reacții chimice, inclusiv substituția, procedând conform schemei: A-B-C A + C + B. Înregistrarea simplificată a unei întregi clase de fenomene chimice oferă o idee că printre materiile prime este așa-numitul „atacator „substituent de particule în atom reactiv, gruparea funcțională ion. Reacția de substituție este caracteristic saturate și hidrocarburi aromatice.

reacție de substituție se poate produce sub forma-dublu schimb: A-B-C + E C + A-B-E. O anumita subspecie - deplasare, de exemplu, cupru, fier dintr - o soluție de sulfat de cupru: CuSO ₄ + Fe = FeSO ₄ + Cu. Deoarece particulele „ataca“ pot acționa atomi, ioni sau grupări funcționale

substituție homolitică (radical, SR)

Când mecanismul de perechi de electroni ruptură covalente radical este comun diferitelor elemente vor fi distribuite proporțional între „fragmente“ ale moleculei. Formarea de radicali liberi. Această stabilizare instabilă particulă care apare ca rezultat al reacțiilor ulterioare. De exemplu, în prepararea etan din metan produce radicali liberi implicați în reacția de substituție: CH _{4 CH3} • + • H; _CH3 • + • _CH3 → C2H5; H • + • H → H2. clivajul legăturii homolitică pe mecanismul de funcționare al substituției este caracteristic alcanilor, reacția este un caracter lanț. Atomii metan H poate fi înlocuit succesiv cu clor. Similar să reacționeze cu brom, iod, dar nu este în măsură să înlocuiască în mod direct alcani hidrogen, fluor reacționează prea puternic cu ei.

Metoda de scindare legăturii heterolitice

Atunci când mecanismul de reacții de substituție flux de ioni, electronii sunt distribuite inegal între particule nou apărute. Perechea de legare a electronilor se extinde tot drumul la unul dintre „fragmente“, cel mai adesea, la partenerul de comunicare, partea care a compensat densitate negativă în molecula polară. Prin substituție reacții includ reacția de formare a CH alcool metilic ₃ OH. In brommetane molecula decalaj CH3Br este caracterul heterolitice, particulele încărcate sunt stabile. Metil dobândește o sarcină pozitivă, și bromo - negativ: _CH3 Br → _CH3 ^{+ +} Br ^-; NaOH → Na ^{+ +} OH ^-; _CH3 ^{+ +} OH ^- → _CH3OH; Na ^{+ +} Br ^- ↔ NaBr.

Electrofile și nucleofile

Particulele care sunt lipsite de electroni și le pot accepta, sunt numite „electrofili.“ Acestea sunt atomi de carbon legați cu halogeni în halogenclorură. Nucleofili au densitate mare de electroni, ele sunt „victime“ ale unei perechi de electroni pentru a crea o legătură covalentă. Reacțiile de substituție sarcinile negative bogate sunt atacate de nucleofili electrofile, deficit de electroni. Acest fenomen este asociat cu mișcarea atomilor sau alte particule - grupă fugace. O altă varietate de reacții de substituție - atacul nucleofil electrofil. Uneori dificil să se facă distincția între cele două procese, se face referire la înlocuirea unuia sau a celuilalt tip, deoarece este dificil să se precizeze exact ce fel de moleculă - substrat, și care - reactiv. De obicei, în astfel de cazuri, sunt luate în considerare următorii factori:

• natura grupării labile;
• reactivitatea nucleofil;
• natura solventului;
• porțiunea alchil a structurii.

substituție nucleofilă (SN)

În procesul de interacțiune din molecula organică a fost în creștere de polarizare. În ecuațiile de sarcină pozitivă sau negativă parțială este indicată prin litera a alfabetului grecesc. Polarizare de comunicare oferă o indicație despre natura rupturii sale și comportamentul viitor al „fragmente“ ale moleculei. De exemplu, un atom de carbon din iodmetan are o sarcină pozitivă parțială, este un centru electrofil. Aceasta atrage dipol apei, unde oxigenul are un exces de electroni. În reacția electrofil cu un nucleofil se formează metanol: _CH3 I + H ₂ O → _CH3 OH + HI. Reacțiile de substituție nucleofilă are loc cu participarea unui ion încărcat negativ sau moleculă având o pereche de electroni liber, care nu participă la crearea unei legături chimice. Participarea activă a iodometan în SN _2-reacție datorită deschiderii sale la atacul nucleofil și mobilitatea iodul.

substituție electrofilă (SE)

Molecula organică poate fi prezentă centru nucleofil, care se caracterizează printr-un exces de densitate de electroni. Acesta reacționează cu lipsa de sarcini negative reactiv electrofil. Astfel de particule sunt atomi având moleculă orbitală liberă cu porțiuni de densitate redusă de electroni. Formiat de sodiu carbon având sarcină „-“, reacționează cu o parte pozitivă a dipolului apă - hidrogen: _CH3 Na + _H2O → CH ₄ + NaOH. Produsul acestei reacții, substituția electrofilă - metan. Când reacțiile heterolitice interacționează încărcat oppositely centre de molecule organice, ceea ce le conferă afinitate cu ioni în substanțe chimie anorganică. Nu trebuie trecut cu vederea faptul că transformarea compușilor organici este rareori însoțită de formarea acestor cationi și anioni.

Unimolecular și reacțiile bimoleculară

Substituția nucleofilă este monomolecular (SN1). Prin acest mecanism, un produs important curge hidroliza sintezelor organice - clorură de butii terțiar. Prima etapă este lent, este asociată cu disocierea progresivă în cationi carboniu și un anion de clorură. A doua etapă este o reacție mai rapidă se produce ion carboniu și apă. Ecuația reacției de substituție cu halogen în aleanul pentru a obține alcool hidroxi și primar: _{(CH3) 3} C-CI → _{(CH3) 3} C ^{+ +} Cl ^-; _{(CH3) 3} C ^{+ +} _H2O → _{(CH3) 3} C-OH ⁺ H +. Pentru hidroliză într-o etapă de halogenuri primare și secundare de alchil caracterizate prin distrugerea simultană a carbonului din cauza halogen și formarea de perechi C-OH. Acest mecanism nucleofil bimolecuă substituție (SN2).

Mecanismul heterolitice de substituție

Mecanismul de substituire implică transferul de electroni, crearea complexelor intermediare. Reacția are loc mai rapid, cu atât mai ușor este pentru intermediari tipic pentru ea. Adesea, procesul se întâmplă în mai multe direcții simultan. Avantajul devine, de obicei, modul în care sunt utilizate particulele, care necesită cel mai puțin cheltuielile de energie pentru formarea sa. De exemplu, prezența unei duble legături crește probabilitatea unui cation de alil CH2 = _CH-CH2 ^+, comparativ cu _CH3 ⁺ ion. Motivul constă în densitatea de electroni a legăturii multiple, care afectează delocalizarea sarcinii pozitive, dispersate pe întreaga moleculă.

reacție de substituție benzen

Grupul de compuși organici, care sunt caracterizate prin substituția electrofilă - arena. inel benzenic - un obiect convenabil pentru atacul electrofil. Procesul începe comunicarea cu reactivul de polarizare a doua, formând astfel nor de electroni electrofil adiacent inelului benzenic. Rezultatul este o tranziție complexă. valoros de comunicare particule electrofile cu unul dintre atomii de carbon nu este încă, acesta este atras de întreaga sarcina negativa „aromatice“ șase electroni. În a treia etapă a procesului de electrofil și un atom de carbon din ciclu leagă o pereche comună de electroni (legătură covalentă). Dar, în acest caz, este distrugerea „aromatic de șase“, care este dezavantajoasă în ceea ce privește atingerea unui stat stabil de energie durabilă. Există un fenomen care poate fi numit o „eliberare a unui proton.“ Acesta este scindat H ^+, recuperarea unui sistem de comunicare stabil, arenelor tipic. substanță laterală cuprinde cation hidrogen dintr-un inel benzenic și anionul din al doilea reactiv.

Exemple de reacții de substituție ale chimiei organice

Pentru alcani reacție de substituție în special tipic. Exemple de reacții electrofile și nucleofile pot duce la cicloalcani și arenelor. Reacții similare în moleculele de substanțe organice sunt în condiții normale, dar de obicei - și prin încălzire în prezența catalizatorilor. Prin procedee obișnuite și bine studiate includ substituția aromatică electrofilă. Cea mai importantă reacție de acest tip:

1. Nitrarea benzen cu acid azotic , în prezența H ₂ SO ₄ - urmeaza schema: C ₆ H ₆ → C ₆ H _{5 -NO2.}
2. Halogenarea catalitică a benzenului, în special de clorinare, prin ecuația: C ₆ H ₆ + _Cl2 → C ₆ H ₅ Cl + HCI.
3. sulfonare Aromatic veniturilor benzen cu „fumans“ acid sulfuric, se formează acidul benzensulfonic.
4. Alchilarea - înlocuirea atomului de hidrogen din inelul benzenic la alchil.
5. Acilarea - formarea de cetone.
6. Formilare - înlocuirea unui hidrogen pe un grup CHO și formarea de aldehide.

Prin substituție reacții includ reacția în alcani și cicloalcani, în care halogenii atac disponibil legătură C-H. Derivarea poate fi asociată cu înlocuirea unul, doi sau toți atomii de hidrogen din hidrocarburi saturate și cicloparafine. Multe dintre galogenoalkanov cu greutate moleculară mică sunt utilizate în producerea mai multor substanțe complexe aparținând diferitelor clase. Succesele obținute în studiul mecanismelor de reacții de substituție, a dat un puternic impuls dezvoltării sinteze pe baza alcani, ciclo-stage și hidrocarburile halogenate.