Tindak balas penggantian: penerangan, contoh persamaan

Banyak tindak balas penggantian membuka jalan kepada penyediaan pelbagai sebatian mempunyai aplikasi utiliti. Peranan besar dalam bidang sains kimia dan industri diberikan penggantian elektrofilik dan nukleofilik. Dalam sintesis organik, proses ini mempunyai beberapa ciri-ciri yang perlu diambil perhatian.

Pelbagai fenomena kimia. tindak balas penggantian

perubahan kimia yang berkaitan dengan transformasi perkara, beberapa ciri-ciri yang berbeza. Mungkin hasil yang berbeza, kesan haba; beberapa proses akan selesai, ia datang dalam lain keseimbangan kimia. Mengubah suai ejen ia sering disertai dengan meningkatkan atau mengurangkan tahap pengoksidaan. Dalam klasifikasi fenomena kimia dalam keputusan akhir mereka menarik perhatian kepada perbezaan kualitatif dan kuantitatif antara bahan tindak balas dari produk. Ciri-ciri ini boleh dibezakan 7 jenis tindak balas kimia, termasuk penggantian, berjalan mengikut skim ini: A-B-C A + C + B. Rakaman dipermudahkan kelas seluruh fenomena kimia memberi idea bahawa di antara bahan-bahan permulaan adalah apa yang dikenali sebagai "penyerang "gantian zarah atom reagen, ion kumpulan berfungsi. Tindak balas penggantian adalah ciri-ciri tepu dan hidrokarbon aromatik.

tindak balas penggantian boleh berlaku dalam bentuk dua pertukaran: A-B-C + E C + A-B-E. Salah satu subspesies - anjakan, mis, tembaga, besi daripada larutan sulfat tembaga: CUSO ₄ + Fe = FeSO ₄ + Cu. Sebagai "menyerang" zarah boleh bertindak atom, ion atau kumpulan berfungsi

penggantian Homolytic (radikal, SR)

Apabila mekanisme radikal pasangan pecah kovalen elektron adalah perkara biasa kepada unsur-unsur yang berbeza akan berkadaran diedarkan antara "serpihan" molekul. Pembentukan radikal bebas. Ini penstabilan zarah yang tidak stabil yang berlaku akibat tindak balas berikutnya. Sebagai contoh, dalam penyediaan etana dari metana menghasilkan radikal bebas terlibat dalam tindak balas penggantian: CH ₄ CH ₃ • + • H; CH ₃ • + • CH ₃ → C2H5; H • + • H → H2. belahan bon Homolytic pada mekanisme operasi penggantian adalah ciri-ciri alkana, tindak balas adalah watak rantai. Atom metana H boleh berturut-turut digantikan dengan klorin. Begitu juga untuk bertindak balas dengan bromin, iodin tetapi tidak dapat terus menggantikan alkana hidrogen, fluorin bertindak balas terlalu bersungguh-sungguh dengan mereka.

kaedah belahan bon Heterolytic

Apabila mekanisme tindak balas penggantian aliran ion, elektron tidak sekata diedarkan antara zarah yang baru timbul. Pasangan mengikat elektron menjangkau sepanjang jalan ke salah satu daripada "serpihan", yang paling kerap, untuk rakan kongsi komunikasi, bahagian yang telah mengimbangi kepadatan negatif dalam molekul kutub. Dengan penggantian reaksi termasuk reaksi pembentukan metil alkohol CH ₃ OH. Dalam brommetane jurang CH3Br molekul adalah watak heterolytic, zarah yang dikenakan adalah stabil. Methyl memperoleh cas positif, dan bromo - negatif: CH ₃ Br → CH ₃ ^{+ +} Br ^-; NaOH → Na ^{+ +} OH ^-; CH ₃ ^{+ +} OH ^- → CH ₃ OH; Na ^{+ +} Br ^- ↔ NaBr.

Elektrofil dan nucleophiles

Zarah yang kekurangan elektron dan boleh menerima mereka, dipanggil "elektrofil." Ini adalah atom karbon terikat dengan halogen dalam haloalkanes. Nucleophiles mempunyai ketumpatan elektron yang tinggi, mereka adalah "mangsa" sepasang elektron untuk mewujudkan satu ikatan kovalen. Tindak balas penggantian caj negatif kaya diserang oleh nucleophiles elektrofil, defisit elektron. fenomena ini dikaitkan dengan pergerakan atom atau zarah lain - meninggalkan kumpulan. Satu lagi pelbagai tindak balas penggantian - menyerang nucleophile yang electrophile. Kadang-kadang sukar untuk membezakan antara kedua-dua proses, yang disebut penggantian satu atau jenis yang lain, kerana ia adalah sukar untuk menentukan dengan tepat apa jenis molekul - substrat, dan yang - reagen. Biasanya dalam kes-kes itu, faktor-faktor berikut dipertimbangkan:

• sifat kumpulan yang meninggalkan;
• kereaktifan nucleophile itu;
• sifat pelarut;
• bahagian alkil struktur.

penggantian nukleofilik (SN)

Dalam proses interaksi dalam molekul organik mempunyai telah meningkatkan polarisasi. Dalam persamaan cas positif atau negatif separa ditunjukkan oleh huruf abjad Yunani. komunikasi polarisasi memberikan petunjuk sifat pecah dan tingkah laku masa depan "serpihan" molekul. Sebagai contoh, atom karbon dalam iodomethane mempunyai cas positif separa ini, ia adalah sebuah pusat elektrofilik. Ia menarik dipole air, di mana oksigen mempunyai lebihan elektron. Dalam reaksi electrophile dengan nucleophile terbentuk metanol: CH ₃ I + H ₂ O → CH ₃ OH + HI. tindak balas penukargantian nukleofilik dilakukan dengan penyertaan ion bercas negatif atau molekul yang mempunyai pasangan elektron bebas, yang tidak mengambil bahagian dalam penciptaan satu ikatan kimia. penyertaan aktif iodomethane dalam SN _2-reaksi kerana keterbukaannya kepada serangan nukleofilik dan mobiliti iodin.

penggantian elektrofilik (SE)

Molekul organik boleh menjadi pusat nukleofilik masa ini, yang dicirikan oleh lebihan ketumpatan elektron. Ia bertindak balas dengan kekurangan caj negatif reagen elektrofilik. zarah seperti adalah atom yang mempunyai molekul orbit percuma dengan bahagian ketumpatan elektron dikurangkan. The natrium formate karbon yang menjaga "-", yang bertindak balas dengan sebahagian positif dipole air - hidrogen: CH ₃ Na + H ₂ O → CH ₄ + NaOH. Hasil daripada tindak balas ini, penggantian elektrofilik - metana. Apabila reaksi heterolytic berinteraksi yang bercas berlawanan pusat molekul organik, yang memberikan mereka pertalian dengan ion dalam bahan-bahan bukan organik kimia. Ia tidak boleh dilupakan bahawa penukaran sebatian organik jarang disertai oleh pembentukan ini kation dan anion.

Unimolekul dan reaksi bimolecular

Penggantian nukleofilik adalah monomolecular (SN1). Dengan mekanisme ini, satu produk penting mengalir hidrolisis sintesis organik - tertiary butyl klorida. Peringkat pertama adalah perlahan, ia dikaitkan dengan penceraian progresif ke dalam carbonium kation dan anion klorida. Peringkat kedua adalah tindak balas yang lebih cepat berlaku ion carbonium dan air. Persamaan tindak balas penggantian halogen dalam alkana untuk mendapatkan alkohol hydroxy dan utama: (CH _{3) 3} C-Cl → (CH _{3) 3} C ^{+ +} Cl ^-; (CH _{3) 3} C ^{+ +} H ₂ O → (CH _{3) 3} C-OH ⁺ H +. Untuk satu langkah hidrolisis alkil halida rendah dan menengah dicirikan oleh kemusnahan serentak karbon kerana halogen dan pembentukan pasangan C-OH. Mekanisme nukleofilik bimolecular penggantian (SN2).

mekanisme Heterolytic penggantian

mekanisme penggantian melibatkan pemindahan elektron, penciptaan kompleks pertengahan. tindak balas hasil lebih cepat, lebih mudah ia adalah untuk perantaraan biasa untuknya. Selalunya proses yang sedang berlaku di beberapa arah pada masa yang sama. kelebihan biasanya mendapat cara di mana zarah digunakan, memerlukan perbelanjaan yang paling sedikit tenaga untuk pembentukannya. Sebagai contoh, kehadiran ikatan kembar meningkatkan kemungkinan yang kation allyl CH 2 = CH-CH ₂ ^+, berbanding dengan _CH3 ⁺ ion. Ini disebabkan ketumpatan elektron ikatan berganda, yang menjejaskan delocalization caj positif, tersebar ke seluruh molekul.

benzena tindak balas penggantian

Kumpulan sebatian organik, yang disifatkan oleh penggantian elektrofilik - arena. Benzena cincin - objek mudah untuk serangan elektrofilik. Proses ini bermula komunikasi dengan reagen polarisasi kedua, dan dengan itu membentuk awan elektron electrophile bersebelahan gelang benzena. Hasilnya ialah peralihan kompleks. komunikasi berharga zarah elektrofilik dengan salah satu daripada atom karbon tidak lagi, ia tertarik dengan caj negatif keseluruhan "aromatik enam" elektron. Dalam langkah ketiga electrophile proses dan satu atom karbon cincin mengikat sepasang biasa elektron (ikatan kovalen). Tetapi dalam kes ini, adalah kemusnahan "aromatik enam", yang adalah merugikan dari segi mencapai keadaan tenaga mampan stabil. Terdapat satu fenomena yang boleh dipanggil "pembebasan proton." Ia berpecah H ^+, pulih sistem komunikasi yang stabil, Arenes biasa. bahan sampingan terdiri daripada hidrogen kation cincin benzena dan anion daripada reagen kedua.

Contoh tindak balas penggantian kimia organik

Untuk alkana tindak balas penggantian terutamanya biasa. Contoh tindak balas elektrofilik dan nukleofilik boleh membawa kepada sikloalkana dan Arenes. tindak balas yang sama di dalam molekul bahan organik di bawah keadaan biasa, tetapi biasanya - dan oleh pemanasan dalam kehadiran pemangkin. Oleh proses biasa dan juga dikaji termasuk penggantian aromatik elektrofilik. Tindak balas yang paling penting jenis ini:

1. Penitratan benzena dengan asid nitrik di hadapan H ₂ SO ₄ - berikut skim ini: C ₆ H ₆ → C ₆ H ₅ -Tiada _2.
2. The halogen pemangkin benzena, terutama pengklorinan, oleh persamaan: C ₆ H ₆ + Cl ₂ → C ₆ H ₅ Cl + HCl.
3. sulfonation aromatik hasil benzena dengan "marah" asid sulfurik, asid benzenesulfonic terbentuk.
4. Alkylation - penggantian atom hidrogen dari gelang benzena untuk alkil.
5. Acylation - pembentukan keton.
6. Formylation - menggantikan hidrogen pada kumpulan CHO dan pembentukan aldehid.

Dengan penggantian reaksi termasuk tindak balas dalam alkana dan sikloalkana, di mana halogen menyerang tersedia C-H bon. Derivatization boleh dikaitkan dengan penggantian satu, dua atau semua atom hidrogen dalam hidrokarbon tepu dan cycloparaffins. Ramai daripada galogenoalkanov berat molekul yang rendah yang digunakan dalam pengeluaran lebih banyak bahan-bahan kompleks yang dimiliki oleh kelas yang berlainan. Kejayaan yang dicapai dalam kajian mekanisme tindak balas penggantian, memberi dorongan yang kuat kepada pembangunan sintesis berdasarkan alkana, cyclo-peringkat dan hidrokarbon terhalogen.