Reacțiile de substituție: descriere, ecuație, exemple

Multe reacții de substituție deschid calea către obținerea unei varietăți de compuși care au o aplicare economică. Un rol enorm în știința chimică și în industrie este atribuit substituției electrofile și nucleofile. În sinteza organică, aceste procese au o serie de caracteristici, care trebuie notate.

O varietate de fenomene chimice. Reacții de substituție

Schimbările chimice asociate cu transformarea substanțelor au un număr de caracteristici. Diferite pot fi rezultatele finale, efectele termice, unele procese ajung până la capăt, altele apar echilibrul chimic. Schimbarea substanțelor este adesea însoțită de o creștere sau scădere a 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 "O particulă care înlocuiește atomul, ionul și grupul funcțional în reactiv. Reacția substituției este caracteristică pentru limitarea și hidrocarburi aromatice.

Înlocuirea reacțiilor poate apărea ca schimb dublu: A-B + C-E A-C + B-E. Unul dintre subspecii este deplasarea, de exemplu, a cuprului cu fier dintr-o soluție de sulfat de cupru: CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu. Ca o particulă "atacă" poate acționa ca atomi, ioni sau grupuri funcționale

Înlocuirea homolitic (radical, SR)

Sub mecanismul radical de rupere a legăturilor covalente, perechea de electroni, comună pentru diferite elemente, este distribuită proporțional între "fragmentele" moleculei. Se formează radicali liberi. Acestea sunt particule instabile, stabilizarea cărora are loc ca urmare a transformărilor ulterioare. De exemplu, atunci când se obține etanul din metan, apar radicalii liberi care participă la reacția de substituție: CH₄ CH₃• + • H- CH₃• + • CH₃ → C2H5-H • + • H → H2. Distrugerea homolitică a legăturii în conformitate cu mecanismul de înlocuire de mai sus este tipic pentru alcani, reacția are un caracter în lanț. În metan, atomii de H pot fi înlocuiți succesiv cu clor. În mod similar, o reacție cu bromul, dar iodul nu este în măsură să înlocuiască în mod direct hidrogenul în alcani, fluorul reacționează prea puternic la ele.

Metoda heterolitică de rupere a comunicării

Sub mecanismul ionic al cursului reacțiilor de substituție, electronii sunt distribuiți neuniform între particulele nou formate. Perechea de legare a electronilor se deplasează complet la una dintre "fragmente", cel mai adesea la acel partener de comunicare, spre care s-a schimbat densitatea negativă în molecula polară. Înlocuirea reacțiilor include formarea alcoolului metil CH₃OH. În brommetan CH3Br, întreruperea moleculei este heterolitică, particulele încărcate sunt stabile. Metil obține o sarcină pozitivă, iar bromul - un negativ: CH₃Br → CH₃⁺ + br^-- NaOH → Na⁺ + OH^-- CH₃⁺ + OH^- → CH₃OH- Na⁺ + br^- harr- NaBr.

Electrofile și nucleofilii

Particulele care nu au electroni și le pot accepta sunt numite "electrofile". Acestea includ atomii de carbon conectați la halogeni în haloalcani. Nucleofilii au o densitate crescută de electroni, "sacrifică" o pereche de electroni atunci când creează o legătură covalentă. În reacțiile de substituție, nucleofilii bogați în încărcături negative sunt atacați de electrofile care se confruntă cu o lipsă de electroni. Acest fenomen este asociat cu deplasarea unui atom sau a unei alte particule - grupul de ieșire. Un alt tip de reacție de substituție este atacul electrofil al nucleofilului. Uneori este dificil să se facă distincția între două procese, să se facă referire la substituirea cu unul sau altul, deoarece este dificil să se precizeze exact care dintre molecule este un substrat și care este un reactiv. De obicei, în astfel de cazuri, se iau în considerare următorii factori:

• natura grupului de plecare;
• reactivitatea nucleofilei;
• natura solventului;
• structura părții alchil.

Substituția nucleofilică (SN)

În procesul de interacțiune, se observă o creștere a polarizării în molecula organică. În ecuații, o sarcină parțială pozitivă sau negativă este marcată cu litera alfabetului grecesc. Polarizarea legăturii face posibilă judecarea naturii discontinuității sale și a comportamentului ulterior al "fragmentelor" moleculei. De exemplu, atomul de carbon din iodometan are o sarcină parțială pozitivă, este un centru electrofil. El atrage acea parte a dipolului de apă, unde este localizat oxigenul, care are un exces de electroni. Când electrofilul interacționează cu reactivul nucleofil, se formează metanol: CH₃I + H₂O → CH₃OH + HI. Reacțiile de substituție nucleofilă au loc cu participarea unui ion încărcat negativ sau a unei molecule care posedă o pereche de electroni liberi care nu participă la crearea unei legături chimice. Participarea activă a iodometanului în SN₂-reacțiile se explică prin deschiderea sa la atacul nucleofil și la mobilitatea iodului.

Înlocuirea electrofilă (SE)

O moleculă organică poate avea un centru nucleofil, pentru care este caracteristic un exces de densitate electronică. Reacționează cu o lipsă de sarcină negativă cu un reactiv electrofil. Astfel de particule includ atomi care au orbitale libere, molecule cu situri de densitate electronică redusă. În formatul de sodiu carbonul având sarcina ";" interacționează cu partea pozitivă a dipolului de apă - cu hidrogen: CH₃Na + H₂O → CH₄ + NaOH. Produsul acestei reacții de substituție electrofilă este metanul. În reacțiile heterolitice, centrele încărcate opuse ale moleculelor organice interacționează, ceea ce le conferă similitudine cu ionii în chimia substanțelor anorganice. Nu trebuie neglijat faptul că transformarea compușilor organici este rareori însoțită de formarea de cationi și anioni reali.

Reacții monomoleculare și bimoleculare

Înlocuirea nucleofilă este monomoleculară (SN1). Prin acest mecanism are loc o hidroliză a unui produs important de sinteză organică - clorură terțiară de butii. Prima etapă este lentă, este asociată cu o disociere treptată a cationului carboniu și a anionului de clor. A doua etapă se desfășoară mai repede, reacția ionului carboniu cu apă continuă. Ecuația de reacție substituirea halogenului în alcan pentru gruparea hidroxi și prepararea alcoolului primar: (CH₃)₃C-Cl- (CH₃)₃C⁺ + CI^-- (CH₃)₃C⁺ + H₂O (CH₃)₃C-OH + H⁺. Hidroliza într-o singură etapă a halogenurilor alchilice primare și secundare este caracterizată prin distrugerea simultană a legăturii carbon-halogen și formarea unei perechi C-OH. Acesta este mecanismul substituției binoleculare nucleofile (SN2).

Mecanismul substituției heterolitice

Mecanismul de substituție este asociat cu transferul de electroni, crearea de complexe intermediare. Reacția avansează mai repede, mai ușoarele produse intermediare care sunt caracteristice acesteia. Deseori, procesul are loc simultan în mai multe direcții. Avantajul de obicei este modul în care particulele sunt folosite care necesită costurile cele mai reduse de energie pentru educația lor. De exemplu, prezența unei legături duble mărește probabilitatea apariției unui cation alilic CH2 = CH-CH₂⁺, în comparație cu ionul CH₃⁺. Motivul constă în densitatea electronică a legăturii multiple, care afectează delocalizarea încărcăturii pozitive distribuite în întreaga moleculă.

Reacțiile de substituție ale benzenului

Grupul compuși organici, care sunt caracterizate prin substituție electrofilă, - arene. Inelul benzenic este un obiect convenabil pentru atacul electrofil. Procesul începe cu polarizarea legăturii în al doilea reactiv, rezultând formarea unui electrofil adiacent norului electronic al inelului benzenic. Ca urmare, apare un complex de tranziție. O conexiune completă a particulelor electrofile cu unul dintre atomii de carbon nu este încă disponibilă, este atrasă de întreaga sarcină negativă a electronilor "aromatici șase". În cea de-a treia etapă a procesului, atomul electrofil și atomul de carbon dintr-un atom de carbon sunt legate printr-o pereche electronică comună (legătura covalentă). Dar în acest caz, "aromaticul șase" este distrus, ceea ce este neprofitabil din punctul de vedere al realizării unei stări stabile a energiei stabile. Există un fenomen care poate fi numit "emisie de protoni". Există o divizare a lui H⁺, sistemul de comunicare stabil, tipic pentru arene, este restaurat. Subprodusul conține un cation de hidrogen din inelul benzenic și un anion din al doilea reactiv.

Exemple de reacții de substituție din chimia organică

Pentru alcani, reacția de substituție este caracteristică în mod special. Exemple de transformări electrofile și nucleofile pot fi citate pentru cicloalcani și arene. Reacții similare în moleculele de substanțe organice apar în condiții normale, dar mai des - cu încălzire și în prezența catalizatorilor. Procesele larg răspândite și bine studiate includ substituția electrofilă în nucleul aromatic. Cele mai importante reacții de acest tip sunt:

1. Nitrarea benzenului acid azotic în prezența H₂SO₄ - merge conform schemei:₆H₆ → C₆H₅-NO₂.
2. Halogenarea catalitică a benzenului, în special clorurarea, prin ecuația:₆H₆ + CI₂ → C₆H₅Cl + HCI.
3. Sulfonarea aromatică a benzenului are loc cu acid sulfuric "fuming", se formează acizi benzensulfonici.
4. Alchilarea este înlocuirea atomului de hidrogen din inelul benzenic cu alchil.
5. Acilarea este formarea de cetone.
6. Formarea - înlocuirea hidrogenului de către grupul CHO și formarea aldehidelor.

Înlocuirea reacțiilor include o reacție în alcani și cicloalcani, în care halogeni atacă legătura C-H disponibilă. Derivatizarea poate fi asociată cu substituirea unuia, a doi sau a tuturor atomilor de hidrogen în hidrocarburi saturate și cicloparafine. Multe dintre halogenoalanii cu greutate moleculară mică se găsesc în producția de substanțe mai complexe aparținând diferitelor clase. Succesele obținute în studierea mecanismelor reacțiilor de substituție au dat un impuls puternic dezvoltării sintezelor bazate pe alcani, cicloparafine, arene și hidrocarburi halogenate.