Les reaccions de substitució: descripció, exemples d'equacions

Molts reacció de substitució obre el camí a la preparació de diversos compostos que tenen aplicació d'utilitat. Un paper molt important en la ciència i la indústria química es dóna substitució electrofílica i nucleofílica. En la síntesi orgànica, aquests processos tenen una sèrie de característiques que s'han de tenir en compte.

Una varietat de fenòmens químics. reacció de substitució

Els canvis químics associats amb la transformació de la matèria, un seguit de característiques diferents. Poden ser diferents resultats, els efectes tèrmics; alguns processos van a acabar, es tracta d'una altra equilibri químic. agents modificadors sovint és acompanyat per l'augment o disminució del grau d'oxidació. En la classificació dels fenòmens químics en els seus resultats finals cridar l'atenció sobre les diferències qualitatives i quantitatives entre els reactius de productes. Aquestes característiques poden ser distingits 7 tipus de reaccions químiques, incloent la substitució, procedint d'acord amb l'esquema: A-B-C A + C + B. L'enregistrament simplificada de tota una classe de fenòmens químic dóna una idea de que entre els materials de partida és l'anomenat "atacant "substituent de partícules en l'àtom de reactiu, grup funcional iònic. La reacció de substitució és característic de saturats i hidrocarburs aromàtics.

reacció de substitució es pot produir en forma de doble intercanvi: A-B-C + E C + A-B-I. Una subespècie - desplaçament, per exemple, de coure, de ferro a partir d'una solució de sulfat de coure: CuSO ₄ + Fe = _FeSO4 + Cu. Com les partícules d ' "atacar" poden actuar àtoms, ions o grups funcionals

substitució homolítica (radical, Sr.)

Quan el mecanisme de parell ruptura covalent d'electrons radical és comú als diferents elements es distribuirà proporcionalment entre els "fragments" de la molècula. Formació de radicals lliures. Aquesta estabilització de partícula inestable que es produeix com a resultat de les reaccions posteriors. Per exemple, en la preparació d'età a partir de metà produir radicals lliures implicats en la reacció de substitució: CH ₄ CH ₃ • + • H; CH ₃ • + • CH ₃ → C2H5; H • • + H → H2. l'escissió de l'enllaç homolític en el mecanisme d'operació de substitució és característic d'alcans, la reacció és un caràcter de la cadena. Els àtoms de metà H poden estar reemplaçats successivament per clor. De la mateixa manera per reaccionar amb brom, iode, però no és capaç de reemplaçar directament alcans d'hidrogen, fluor reacciona amb massa força amb ells.

mètode d'escissió de l'enllaç heterolítica

Quan el mecanisme de reaccions de substitució de flux de ions, electrons estan distribuïts de manera desigual entre les partícules recentment sorgit. El parell d'unió dels electrons s'estén tot el camí a un dels "fragments", més sovint, a la parella de comunicació, el costat que s'havia compensat densitat negativa en la molècula polar. Per substitució reaccions inclouen la reacció de formació de CH alcohol metílic ₃ OH. En brommetane molècula bretxa CH3Br és el caràcter heterolítica, les partícules carregades són estables. Metil adquireix una càrrega positiva, i brom - negatiu: CH ₃ Br → CH ₃ ^{+ +} Br ^-; NaOH → Na ^{+ +} OH ^-; CH ₃ ^{+ +} OH ^- → CH ₃ OH; Na ^{+ +} Br ^- ↔ NaBr.

Electròfils i nucleòfils

Les partícules que no tenen electrons i pot acceptar-les, es diuen "electròfils." Aquests són àtoms de carboni units amb halògens en haloalcans. Els nucleòfils tenen alta densitat electrònica, són "víctimes" d'un parell d'electrons per crear un enllaç covalent. Les reaccions de substitució rics càrregues negatives són atacats per nucleòfils, electròfils dèficit d'electrons. Aquest fenomen s'associa amb el moviment dels àtoms o les altres partícules - grup sortint. Una altra varietat de reaccions de substitució - L'atac del nucleòfil electròfil. De vegades és difícil distingir entre els dos processos, es fa referència a la substitució d'un o altre tipus, perquè és difícil especificar exactament quin tipus de molècula - substrat i que - reactiu. En general, en aquests casos, es consideren els següents factors:

• la naturalesa del grup sortint;
• la reactivitat del nucleòfil;
• la naturalesa del dissolvent;
• la porció llogo de l'estructura.

La substitució nucleòfila (SN)

En el procés d'interacció en la molècula orgànica ha estat augmentant la polarització. En les equacions de càrrega positiva o negativa parcial s'indica amb la lletra de l'alfabet grec. la comunicació de polarització dóna una indicació de la naturalesa de la seva ruptura i el futur comportament de "fragments" de la molècula. Per exemple, un àtom de carboni en iodometà té una càrrega positiva parcial, és un centre electròfil. Es atreu el dipol de l'aigua, en què l'oxigen té un excés d'electrons. En la reacció de l'electròfil amb un nucleòfil es forma metanol: CH ₃ I + H ₂ O → CH ₃ OH + HE. reaccions de substitució nucleofílica es duen a terme amb la participació d'un ió carregat negativament o molècula que té un parell d'electrons lliures, que no participa en la creació d'un enllaç químic. La participació activa de iodometà a SN _2-reacció causa de la seva obertura a atac nucleofílic i la mobilitat de iode.

substitució electrofílica (ES)

La molècula orgànica pot estar present centre nucleòfil, que es caracteritza per un excés de densitat d'electrons. Reacciona amb la manca de càrregues negatives reactiu electròfil. Tals partícules són àtoms que tenen molècula orbital lliure amb porcions de densitat d'electrons reduïda. El formiat de sodi de carboni que té càrrega "-", es fa reaccionar amb una part positiva del dipol aigua - hidrogen: CH ₃ Na + H ₂ O → CH ₄ + NaOH. El producte d'aquesta reacció, la substitució electròfila - metà. Quan interactuen reaccions heterolítiques centres de molècules orgàniques amb càrrega oposada, el que els dóna afinitat amb ions en la química de substàncies inorgàniques. No s'ha de passar per alt que la conversió de compostos orgànics poques vegades s'acompanya de la formació d'aquests cations i anions.

Unimolecular i bimolecular reaccions

La substitució nucleòfila és monomolecular (SN1). Per aquest mecanisme, un producte important flueix hidròlisi de la síntesi orgànica - clorur de butil terciari. La primera etapa és lent, s'associa amb la dissociació progressiva en catió carboni i un anió clorur. La segona etapa és una reacció més ràpida es produeix ió carboni i aigua. L'equació de la reacció de substitució d'halogen al alcà per obtenir alcohol hidroxi i primària: _{(CH3) 3} C-Cl → _{(CH3) 3} C ^{+ +} Cl ^-; _{(CH3) 3} C ^{+ +} H ₂ O → _{(CH3) 3} C-OH ⁺ H +. Per a una sola etapa d'hidròlisi dels halurs d'alquil primaris i secundaris que es caracteritzen per la destrucció simultània de carboni a causa de halogen i la formació de bat C-OH. Aquest mecanisme nucleòfila bimolecular substitució (SN2).

mecanisme heterolítica de substitució

mecanisme de substitució implica la transferència d'electrons, la creació de complexos intermedis. La reacció procedeix més ràpidament, més fàcil és per als intermedis típics per a ella. Sovint, el procés va en diverses direccions al mateix temps. L'avantatge aconsegueix generalment la forma en què s'utilitzen les partícules, el que requereix la menor despesa d'energia per a la seva formació. Per exemple, la presència d'un enllaç doble augmenta la probabilitat d'un catió al·lil CH2 = CH-CH ₂ ^+, en comparació de la _CH3 ⁺ ió. La raó resideix en la densitat d'electrons de l'enllaç múltiple, que afecta la deslocalització de la càrrega positiva, dispersos en tota la molècula.

reacció de substitució benzè

El grup de compostos orgànics, que es caracteritzen per substitució electròfila - sorra. anell de benzè - un objecte convenient per a l'atac electrofílic. El procés s'inicia la comunicació amb el segon reactiu de la polarització, formant d'aquesta manera el núvol d'electrons electròfil adjacent a l'anell de benzè. El resultat és una transició complexa. comunicació partícules electròfils valuoses amb un dels àtoms de carboni no, però, és atret a tota la càrrega negativa "aromàtic de sis" electrons. En el tercer pas del electròfil procés i un àtom de carboni de l'anell s'uneix a un parell comú d'electrons (enllaç covalent). Però en aquest cas, és la destrucció de la "aromàtic de sis", la qual cosa és un desavantatge en termes d'arribar a un estat d'energia més estable i sostenible. Hi ha un fenomen que es pot anomenar una "alliberament d'un protó." Es va separar H ^+, la recuperació d'un sistema de comunicació estable, arens típics. substància lateral comprèn catió d'hidrogen d'un anell de benzè i l'anió del segon reactiu.

Exemples de reaccions de substitució de la química orgànica

Per alcans reacció especialment típica substitució. Exemples de reaccions electròfiles com nucleófilas poden conduir a cicloalcans i arens. Reaccions similars a les molècules de substàncies orgàniques són en condicions normals, però en general - i per escalfament en presència de catalitzadors. Per processos comuns i ben estudiats inclouen la substitució electrofílica aromàtica. La reacció més important d'aquest tipus:

1. La nitració del benzè amb àcid nítric en presència d'H ₂ SO ₄ - segueix l'esquema: C ₆ H ₆ → C ₆ H _{5 -NO2.}
2. La halogenació catalítica de benzè, especialment cloració, per l'equació: C ₆ H ₆ + Cl ₂ → C ₆ H ₅ Cl + HCl.
3. sulfonació aromàtic del producte de benzè amb "fumant" àcid sulfúric, es formen àcid bencenosulfónico.
4. Alquilación - substitució de l'àtom d'hidrogen de l'anell de benzè a l'llogo.
5. Acilació - la formació de cetones.
6. La formilación - la substitució d'un hidrogen en un grup CHO i la formació d'aldehids.

Per substitució reaccions inclouen la reacció en alcans i cicloalcans, en què els halògens ataquen disponible enllaç C-H. La derivatització pot estar associada amb la substitució d'un, dos o tots els àtoms d'hidrogen en hidrocarburs saturats i cicloparafinas. Molts galogenoalkanov de baix pes molecular s'utilitzen en la producció de substàncies més complexes que pertanyen a diferents classes. Els èxits assolits en l'estudi dels mecanismes de reaccions de substitució, van donar un fort impuls per al desenvolupament de la síntesi sobre la base d'alcans, cicle-etapa i hidrocarburs halogenats.