Substituční reakce: popis, příklady rovnice

Mnoho substituční reakce otevírá cestu k přípravě různých sloučenin, které by byly užitečné aplikace. Velkou roli v chemickém vědou a průmyslem je dána elektrofilní a nukleofilní substituce. V organické syntéze, tyto postupy mají řadu vlastností, které by měly být uvedeny.

Různé chemické jevy. substituční reakce

Chemické změny spojené s přeměnou hmoty, množství různých funkcí. Mohou být různé výsledky, tepelné účinky; některé procesy jdou až do konce, to přijde ve druhé chemické rovnováhy. Činidla modifikující je často doprovázena zvýšením nebo snížením stupně oxidace. V klasifikaci chemických dějů v jejich konečné výsledky upozorňují na kvalitativní a kvantitativní rozdíly mezi reakčními složkami u výrobků. Tyto funkce mohou být rozlišeny 7 typy chemických reakcí, včetně substitucí, probíhá podle schématu: A-B-C, A + C + B. Zjednodušený záznam celé třídě chemických dějů dává představu, že mezi výchozích materiálů je takzvaný „útočník „substituent částice v atomu činidla, iontové funkční skupina. Substituční reakce je charakteristická nasycených a aromatických uhlovodíků.

substituční reakce může nastat ve formě dvojitého výměny: A-B-C + E + C A-B-E. Jeden poddruh - posunutí, například měď, železo z roztoku síranu měďnatého: CuSO ₄ + Fe = FeSO ₄ + Cu. Jako „zásahu“ částice mohou působit atomů, iontů nebo funkčními skupinami

Homolytické substituci (radikál, SR)

Když je mechanismus radikální prasknutí kovalentní elektronovým párem je společná pro různé prvky budou proporcionálně distribuovány mezi „fragmenty“ molekuly. Tvorba volných radikálů. Tato nestabilní stabilizace částic, ke které dochází v důsledku následných reakcí. Například, při přípravě ethanu a methanu produkují volné radikály, které se podílejí na substituční reakci: CH ₄ CH ₃ • + • H; CH ₃ • + • CH ₃ → C2H5; H • + • H → H2. Homolytické štěpení vazby na pohonu substituce je charakteristická alkanů, reakce je charakter řetězec. Atomy methan H může být postupně nahrazen atomem chloru. Podobně reagovat s bromem, jodem, ale není schopna přímo nahradit vodíku alkany, fluor reaguje příliš prudce s nimi.

Způsob Heterolytic vazba štěpení

Když je mechanismus ion průtokových substitučních reakcích, elektrony jsou nerovnoměrně rozděleny mezi částicemi nově vzniklé. Vazba elektronový pár se rozprostírá až do jednoho z „fragmenty“, nejčastěji do komunikačního partnera, na straně, která se ofsetový negativní hustotu v polární molekuly. Substitucí reakce zahrnují reakci tvorby methylalkohol _CH3OH. V brommetane CH3Br mezera molekula je heterolytic charakter, nabité částice jsou stabilní. Methyl získává kladný náboj, a brom - negativní: _CH3 Br → CH ₃ ^{+ +} Br ^-; NaOH → Na ^{+ +} OH ^-; CH ₃ ^{+ +} OH ^- → CH ₃ OH; Na ^{+ +} Br ^- ↔ NaBr.

Elektrofily a nukleofily

Částice, které postrádají elektrony a může přijímat, se nazývají „elektrofily.“ Jedná se atomy uhlíku vázané halogeny v halogenalkany. Nukleofily mají vysokou hustotu elektronů, které jsou „obětí“ z dvojice elektronů k vytvoření kovalentní vazby. Substituční reakce bohaté negativní poplatky jsou napadeni nukleofily elektrofily, deficitem elektronů. Tento jev je spojen s pohybem atomů nebo jiných částic - odstupující skupina. Další řada substitučních reakcí - útok elektrofilu nukleofilu. Někdy obtížné rozlišit mezi dvěma procesy, vztaženo na nahrazení jednoho nebo druhého typu, protože je obtížné přesně určit, jaký druh molekuly - substrátu, a který - činidla. Obvykle v takových případech jsou považovány následující faktory:

• povahy odstupující skupiny;
• reaktivita nukleofilu;
• povaha rozpouštědla;
• alkylová část struktury.

Nukleofilní substituce (SN)

V procesu interakce v organické molekuly roste polarizaci. V rovnicích částečné pozitivním nebo negativním nábojem je označeno písmenem řecké abecedy. Polarizace sdělení obsahuje údaj o povaze jeho prasknutí a budoucí chování „Fragmenty“ molekuly. Například atom uhlíku v jodmethanu má částečný kladný náboj, je elektrofilní centrum. Přitahuje dipól vody, kde se kyslík má přebytek elektronů. Při reakci elektrofilu s nukleofilem je tvořen methanol: CH ₃ I + _H2O → _CH3OH + HI. nukleofilní substituční reakce probíhají za účasti záporně nabitý iont nebo molekula, která má volný elektronový pár, která se neúčastní na vytvoření chemické vazby. Aktivní podíl jodmethanu v SN _2-reakce vzhledem ke své otevřenosti nukleofilního ataku a mobilitě jódu.

Elektrofilní substituce (SE)

Organická molekula může být přítomna nukleofilní centrum, které se vyznačuje nadbytkem elektronové hustoty. Reaguje s nedostatkem záporných nábojů elektrofilní činidlo. Tyto částice jsou atomy, které mají volný orbitální molekuly s částmi sníženou hustotou elektronů. Mravenčan sodný uhlík mající náboj „-“, se nechá reagovat s pozitivní částí vody dipól - vodíku: CH ₃ Na + _H2O → _CH4 + NaOH. Produkt této reakce, elektrofilní substituce - methan. Když heterolytic reakce vzájemně opačně nabitý center organických molekul, což jim dává afinitu s ionty v anorganické látky chemie. Nemělo by být přehlédnuto, že konverze organických sloučenin je zřídka doprovázena tvorbou těchto kationtů a aniontů.

Monomolekulární a bimolekulární reakce

Nukleofilní substituce je monomolekulární (SN1). Tímto mechanismem je důležitým produkt proudí hydrolýzu organické syntézy - terciárního butylchloridu. V první fázi je pomalá, je spojena s progresivním disociaci do karboniového kationtu a chloridový anion. Druhý stupeň je rychlejší reakce probíhá karboniový ion a vodu. Rovnice reakce substituce halogenu v alkanu za získání hydroxy a primárního alkoholu: (CH _{3) 3,} C-Cl → (CH _{3) 3} C ^{+ +} Cl ^-; (CH _{3) 3} C ^{+ +} H ₂ O → (CH _{3) 3,} C-OH ⁺ H +. U jednostupňového hydrolýzou primární a sekundární alkylhalogenidy vyznačující se současným zničením uhlíku vzhledem k halogenu a vytvoření páru C-OH. Tato nukleofilní substituce bimolekulární mechanismus (SN2).

Heterolytic mechanismus substituce

substituce mechanismus zahrnuje přenos elektronů, vytvoření mezilehlých komplexů. Reakce probíhá rychleji, tím snazší je pro typické meziprodukty pro ni. Často tento proces se děje v několika směrech současně. Výhodou obvykle dostane způsob, jakým se používají částice, které vyžadují nejméně výdej energie pro jeho tvorbu. Například přítomnost dvojné vazby zvyšuje pravděpodobnost allylovou kationtu CH 2 = CH-CH ₂ ^+, ve srovnání s _CH3 ⁺ iontu. Důvod spočívá v elektronové hustotě na násobnou vazbu, která má vliv na přemisťování kladného náboje, rozptýlené po celé molekuly.

benzen substituční reakce

Skupina organických sloučenin, které se vyznačují elektrofilní substitucí - aréna. Benzenový kruh - vhodný objekt pro elektrofilním napadení. Proces začíná komunikaci s druhým polarizačním činidlem, čímž se vytvoří elektrofilní elektronový oblak přilehle benzenový kruh. Výsledkem je komplex přechodného. Cenné komunikační elektrofilní částice s jedním z atomů uhlíku, ještě ne, je přitahován k veškerého negativního náboje „aromatické šest“ elektrony. Ve třetím kroku způsobu elektrofilu a jeden kruhový atom uhlíku váže společný pár elektronů (kovalentní vazba). Ale v tomto případě, je zničení „aromatické šesti“, což je nevýhodné z hlediska dosažení stabilního udržitelného energetického stavu. K dispozici je jev, který lze nazvat „uvolnění protonu.“ To se odštěpí H ^+, získání stabilní komunikační systém, typické arenů. Boční látka obsahuje vodíkový kation z benzenového kruhu a aniontu z druhého činidla.

Příklady substitučních reakcí organické chemie

Pro alkanů zejména typické substituční reakce. Příklady elektrofilních a nukleofilních reakcích může vést k cykloalkany a arenů. Podobné reakce v molekulách organických látek, jsou za normálních podmínek, ale obvykle - a zahříváním v přítomnosti katalyzátorů. Podle běžné a dobře prostudovaných procesů zahrnují elektrofilní aromatickou substituci. Nejdůležitější reakce tohoto typu:

1. Nitrace benzenu s kyselinou dusičnou v přítomnosti H _{2SO 4} - podle schématu: C _{6H 6?} C _{6H 5 -NO2.}
2. Katalytická Halogenace benzenu, zejména chlorace, podle rovnice: C _{6H 6} + _Cl2 → C ₆ H ₅ Cl + HCl.
3. Aromatické sulfonace z benzenu se provádí za použití „dýmavou“ kyseliny sírové, se tvoří kyselina benzensulfonová.
4. Alkylace - nahrazení atomu vodíku z benzenového kruhu na alkyl.
5. Acylaci - tvorba ketonů.
6. Formylace - nahrazující atom vodíku na skupinu CHO a tvorbu aldehydů.

Substitucí reakce zahrnují reakci v alkanů a cykloalkanů, přičemž halogeny napadají dispozici C-H vazbu. Derivatizace může být spojena s náhradou jednoho, dvou nebo všechny atomy vodíku v nasycených uhlovodíků a cykloalkanů. Mnoho z galogenoalkanov o nízké molekulové hmotnosti se používají při výrobě složitějších látek náležejících do různých tříd. Úspěchy dosažené při studiu mechanismů substitučních reakcí, dal silný impuls k rozvoji syntéz na základě alkanů, cyklo-fázi a halogenované uhlovodíky.