Substituční reakce: popis, rovnice, příklady

Mnoho substitučních reakcí otevře cestu k získání řady sloučenin, které mají ekonomickou aplikaci. Enormní úloha v chemické vědě a průmyslu je přiřazena k elektrofilní a nukleofilní substituci. V organické syntéze mají tyto procesy řadu vlastností, které je třeba poznamenat.

Různé chemické jevy. Substituční reakce

Chemické změny spojené s přeměnou látek mají řadu vlastností. Různé mohou být konečné výsledky, tepelné účinky, některé procesy do konce, jiné nastávají chemická rovnováha. Změna látek je často doprovázena zvýšením nebo snížením stupně oxidace. Při klasifikaci chemických jevů jejich konečným výsledkem je věnována pozornost kvalitativním a kvantitativním rozdílům mezi reaktantem a výrobkem. 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 "Část, která nahrazuje atom, iont a funkční skupinu v činidle. Reakce substituce je charakteristická pro omezení a aromatických uhlovodíků.

Nahrazené reakce mohou nastat jako dvojitá výměna: A-B + C-E A-C + B-E. Jedním z poddruhů je přemístění mědi železem z roztoku síranu měďnatého CuSO₄ + Fe = FeSO₄ + Cu. Jako "útočící" částice mohou působit jako atomy, ionty nebo funkční skupiny

Náhradní homolytikum (radikál, SR)

Pod radikálním mechanismem rozbíjení kovalentních vazeb se elektronový pár, společný pro různé prvky, rozděluje úměrně mezi "fragmenty" molekuly. Vytvoří se volné radikály. Jedná se o nestabilní částice, jejichž stabilizace nastává následkem následných transformací. Například při získávání ethanu z methanu se objeví volné radikály, které se účastní substituční reakce: CH₄ CH₃• + • Н- СН₃• + • CH₃ → C 2 H 5 -H • + • H → H 2. Homolytické štěpení vazby podle výše uvedeného nahrazovacího mechanismu je typické pro alkany, reakce má řetězový znak. V metanu mohou být atomy H postupně nahrazeny chlorem. Stejně tak reakce s bromem, ale jodem není schopna přímo nahradit vodík v alkánech, fluor reaguje příliš energicky na ně.

Heterolytická metoda přerušení komunikace

Pod iontovým mechanismem průběhu substitučních reakcí jsou elektrony nerovnoměrně rozděleny mezi nově vytvořené částice. Vazba elektronový pár se rozprostírá až do jednoho z „fragmenty“, nejčastěji do komunikačního partnera, na straně, která se ofsetový negativní hustotu v polární molekuly. Nahrazovací reakce zahrnují tvorbu methylalkoholu CH₃OH. V brommetanu CH3Br je narušení molekuly heterolytické, nabité částice jsou stabilní. Methyl získá pozitivní náboj a brom - negativní: CH₃Br → CH₃⁺ + Br^-- NaOH → Na⁺ + OH^-- CH₃⁺ + OH^- → CH₃OH-Na⁺ + Br^- harr-NaBr.

Elektrofily a nukleofily

Částice, které postrádají elektrony a mohou je přijmout, se nazývají "elektrofily". Patří sem atomy uhlíku spojené s halogeny v haloalkanech. Nukleofily mají zvýšenou elektronovou hustotu, při "vytváření kovalentní vazby" "obětují" pár elektronů. Při substitučních reakcích jsou nukleofily bohaté na záporné náboje napadány elektrofily, které mají nedostatek elektronů. Tento jev je spojen s přemístěním atomu nebo jiné částice - odchozí skupiny. Dalším typem substituční reakce je elektrofilní záchvat nukleofilu. Někdy je obtížné rozlišit mezi dvěma procesy, nahradit jeden nebo jiný typ, jelikož je obtížné určit přesně, která z molekul je substrátem a která je činidlem. Obvykle se v takových případech berou v úvahu následující faktory:

• povaha odchozí skupiny;
• reaktivita nukleofilu;
• povaha rozpouštědla;
• strukturu alkylové části.

Substituční nukleofilní (SN)

Při interakci se v organické molekule objevuje zvýšení polarizace. V rovnicích je částečný kladný nebo záporný náboj označen písmenem řecké abecedy. Polarizace vazby umožňuje posoudit povahu jeho diskontinuity a následné chování "fragmentů" molekuly. Například atom uhlíku v jodmethanu má částečně kladný náboj, je elektrofilní střed. Přitahuje tu část vodního dipólu, kde se nachází kyslík, který má nadbytek elektronů. Když elektrofil interaguje s nukleofilním činidlem, vytváří se methanol: CH₃I + H₂O → CH₃OH + HI. Reakce nukleofilní substituce probíhají za účasti záporně nabitého iontu nebo molekuly mající dvojici volných elektronů, která se nepodílí na tvorbě chemické vazby. Aktivní účast jodmethanu v SN₂-reakce je vysvětleno jeho otevřeností k nukleofilnímu útoku a pohyblivosti jódu.

Elektrofilní substituce (SE)

Organická molekula může mít nukleofilní centrum, pro které je charakteristický přebytek elektronové hustoty. Reaguje s nedostatkem negativních nábojů elektrofilním činidlem. Takové částice zahrnují atomy, které mají volné orbitály, molekuly s místy se sníženou elektronovou hustotou. V mravenčanu sodného uhlík s nábojem ";" interaguje s kladnou částí vodního dipólu - s vodíkem: CH₃Na + H₂O → CH₄ + NaOH. Produkt této elektrofilní substituční reakce je metan. Při heterolytických reakcích interagují protilehlé náboje středů organických molekul, což jim dává podobnost s ionty v chemii anorganických látek. Nemělo by se přehlížet, že přeměna organických sloučenin je zřídkakdy doprovázena tvorbou reálných kationtů a aniontů.

Monomolekulární a bimolekulární reakce

Nukleofilní substituce je monomolekulární (SN1). Tímto mechanismem probíhá hydrolýza důležitého produktu organické syntézy - terciárního butylchloridu. První stupeň je pomalý, je spojen s postupnou disociací karbonového kationtu a chloridového aniontu. Druhá fáze probíhá rychleji, reakce iontů karbonia s vodou probíhá. Reakční rovnice substituce halogenu v alkanu pro hydroxyskupinu a příprava primárního alkoholu: (CH₃).₃C-Cl- (CH₃).₃C⁺ + Cl^-- (CH₃).₃C⁺ + H₂O → (CH₃).₃C-OH + H⁺. Jednostupňová hydrolýza primárních a sekundárních alkylhalogenidů se vyznačuje současnou destrukcí vazby mezi uhlíkem a halogenem a tvorbou dvojice C-OH. Jedná se o mechanismus nukleofilní bimolekulární substituce (SN2).

Mechanismus heterolytické substituce

Mechanismus substituce je spojen s přenosem elektronů, vytvářením mezilehlých komplexů. Reakce probíhá rychleji, jednodušší meziprodukty, které jsou pro ni charakteristické. Často probíhá proces v několika směrech současně. Výhodou je obvykle způsob, jakým jsou používány částice, které vyžadují pro jejich vzdělávání nejméně energetické náklady. Například přítomnost dvojné vazby zvyšuje pravděpodobnost výskytu allylického kationtu CH2 = CH-CH₂⁺, ve srovnání s iontem CH₃⁺. Důvodem je elektronová hustota vícenásobné vazby, která ovlivňuje delokalizaci pozitivního náboje distribuovaného v molekule.

Substituční reakce benzenu

Skupina organické sloučeniny, které jsou charakterizovány elektrofilní substitucí, - arény. Benzenový kroužek je vhodným předmětem elektrofilního útoku. Proces začíná polarizací vazby v druhém činidle, což vede k vytvoření elektrofilu sousedícího s elektronickým oblakem benzenového kruhu. Výsledkem je přechodný komplex. Plné spojení elektrofilní částice s jedním z atomů uhlíku není dosud k dispozici, je přitahováno k celému zápornému náboji "aromatických šesti" elektronů. Ve třetím stupni procesu jsou elektrofil a jeden atom uhlíkového kruhu vázány společným elektronovým párem (kovalentní vazba). Ale v tomto případě je "aromatická šestka" zničena, což je z hlediska dosažení stabilního stabilního energetického stavu nevýnosné. Existuje jev, který lze nazvat "emisí protonů". Existuje rozdělení H⁺, stabilní komunikační systém, typický pro arény, se obnovuje. Vedlejší produkt obsahuje kation vodíku z benzenového kruhu a anion z druhého činidla.

Příklady substitučních reakcí z organické chemie

U alkanů je substituční reakce obzvláště charakteristická. Příklady elektrofilních a nukleofilních transformací lze uvést pro cykloalkany a arény. Podobné reakce v molekulách organických látek se vyskytují za normálních podmínek, ale častěji - při zahřívání a za přítomnosti katalyzátorů. Rozsáhlé a dobře studované procesy zahrnují elektrofilní substituci v aromatickém jádru. Nejdůležitějšími reakcemi tohoto typu jsou:

1. Nitrování benzenu kyselina dusičná za přítomnosti H₂SO₄ - jde podle schématu:_6.H_6. → C_6.H₅-NO₂.
2. Katalytická halogenace benzenu, zejména chlorace, pomocí rovnice:_6.H_6. + Cl₂ → C_6.H₅Cl + HCl.
3. Aromatická sulfonace benzenu probíhá s "dýmavým" kyselinou sírovou, vytváří se benzensulfonová kyselina.
4. Alkylace je nahrazení atomu vodíku z benzenového kruhu alkylovou skupinou.
5. Acylace je tvorba ketonů.
6. Tvorba - nahrazení vodíku skupinou CHO a tvorba aldehydů.

Nahrazené reakce zahrnují reakci v alkanů a cykloalkanů, ve kterých halogeny napadají dostupnou vazbu C-H. Derivatizace může být spojena s náhradou jednoho, dvou nebo všechny atomy vodíku v nasycených uhlovodíků a cykloalkanů. Mnoho halogenalkanů s malou molekulovou hmotností se používá při výrobě složitějších látek, které patří do různých tříd. Úspěchy dosažené při studiu mechanismů substitučních reakcí, dal silný impuls k rozvoji syntéz na základě alkanů, cyklo-fázi a halogenované uhlovodíky.