Tindak balas penggantian: perihalan, persamaan, contoh

2024 Pengarang: Angel Austin | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-02 17:53

Banyak tindak balas penggantian membuka jalan untuk mendapatkan pelbagai sebatian yang mempunyai aplikasi ekonomi. Peranan besar dalam sains kimia dan industri diberikan kepada penggantian elektrofilik dan nukleofilik. Dalam sintesis organik, proses ini mempunyai beberapa ciri yang perlu diberi perhatian.

Pelbagai fenomena kimia. Tindak balas penggantian

Perubahan kimia yang berkaitan dengan transformasi bahan dibezakan dengan beberapa ciri. Keputusan akhir, kesan terma mungkin berbeza; sesetengah proses pergi ke penghujung, dalam yang lain keseimbangan kimia berlaku. Perubahan dalam bahan selalunya disertai dengan peningkatan atau penurunan dalam tahap pengoksidaan. Apabila mengklasifikasikan fenomena kimia mengikut keputusan akhir mereka, perhatian diberikan kepada perbezaan kualitatif dan kuantitatif antara bahan tindak balas dan produk. Mengikut ciri-ciri ini, 7 jenis transformasi kimia boleh dibezakan, termasuk penggantian, mengikut skema: A-B + C A-C + B. Rekod yang dipermudahkan bagi keseluruhan kelas fenomena kimia memberi gambaran bahawa antara bahan permulaan terdapatdipanggil zarah "menyerang", menggantikan atom, ion, kumpulan berfungsi dalam reagen. Tindak balas penggantian adalah tipikal untuk hidrokarbon tepu dan aromatik.

Tindak balas penggantian boleh berlaku dalam bentuk pertukaran berganda: A-B + C-E A-C + B-E. Salah satu subspesies ialah anjakan, sebagai contoh, kuprum dengan besi daripada larutan kuprum sulfat: CuSO₄ + Fe=FeSO_{4 + Cu. Atom, ion atau kumpulan berfungsi boleh bertindak sebagai zarah "menyerang"}

tindak balas penggantian termasuk tindak balas

Penggantian homolitik (radikal, SR)

Dengan mekanisme radikal untuk memecahkan ikatan kovalen, pasangan elektron yang biasa kepada unsur yang berbeza diagihkan secara berkadar antara "serpihan" molekul. Radikal bebas terbentuk. Ini adalah zarah yang tidak stabil, yang penstabilannya berlaku akibat daripada transformasi seterusnya. Contohnya, apabila etana diperoleh daripada metana, radikal bebas muncul yang mengambil bahagian dalam tindak balas penggantian: CH₄ CH₃• + •H; CH₃• + •CH_{3 → С2Н5; H• + •H → H2. Pemecahan ikatan homolitik mengikut mekanisme penggantian yang diberikan adalah ciri alkana, tindak balas adalah rantai. Dalam metana, atom H boleh digantikan secara berturut-turut oleh klorin. Tindak balas dengan bromin berlaku dengan cara yang sama, tetapi iodin tidak dapat menggantikan hidrogen secara langsung dalam alkana, fluorin bertindak balas terlalu kuat dengannya.}

Cara heterolitik untuk memutuskan ikatan

Dengan mekanisme ionik tindak balas penggantianelektron diagihkan secara tidak sekata di antara zarah yang baru terbentuk. Pasangan elektron pengikat pergi sepenuhnya ke salah satu "serpihan", selalunya, kepada pasangan ikatan itu, ke arah mana ketumpatan negatif dalam molekul kutub dialihkan. Tindak balas penggantian termasuk pembentukan metil alkohol CH₃OH. Dalam bromometana CH3Br, belahan molekul adalah heterolitik, dan zarah bercas adalah stabil. Metil memperoleh cas positif, dan bromin menjadi negatif: CH₃Br → CH₃⁺ + Br^-; NaOH → Na⁺ + OH^-; CH₃⁺ + OH^- → CH₃OH; Na⁺ + Br^{- ↔ NaBr.}

Elektrofil dan nukleofil

Zarah yang kekurangan elektron dan boleh menerimanya dipanggil "electrophiles". Ini termasuk atom karbon yang terikat kepada halogen dalam haloalkana. Nukleofil mempunyai ketumpatan elektron yang meningkat, mereka "menderma" sepasang elektron apabila mencipta ikatan kovalen. Dalam tindak balas penggantian, nukleofil yang kaya dengan cas negatif diserang oleh elektrofil yang kebuluran elektron. Fenomena ini dikaitkan dengan anjakan atom atau zarah lain - kumpulan yang meninggalkan. Satu lagi jenis tindak balas penggantian ialah serangan elektrofil oleh nukleofil. Kadang-kadang sukar untuk membezakan antara dua proses, untuk mengaitkan penggantian kepada satu jenis atau yang lain, kerana sukar untuk menentukan dengan tepat molekul mana yang merupakan substrat dan yang mana reagen. Biasanya, dalam kes sedemikian,faktor berikut:

sifat kumpulan yang meninggalkan;
kereaktifan nukleofil;
sifat pelarut;
struktur bahagian alkil.

Penggantian nukleofilik (SN)

Dalam proses interaksi dalam molekul organik, peningkatan polarisasi diperhatikan. Dalam persamaan, caj positif atau negatif separa ditandakan dengan huruf abjad Yunani. Polarisasi ikatan memungkinkan untuk menilai sifat pecahnya dan kelakuan selanjutnya "serpihan" molekul. Sebagai contoh, atom karbon dalam iodometana mempunyai cas positif separa dan merupakan pusat elektrofilik. Ia menarik bahagian dipol air di mana oksigen, yang mempunyai lebihan elektron, terletak. Apabila elektrofil berinteraksi dengan reagen nukleofilik, metanol terbentuk: CH₃I + H₂O → CH_{3 OH +HI. Tindak balas penggantian nukleofilik berlaku dengan penyertaan ion bercas negatif atau molekul yang mempunyai pasangan elektron bebas yang tidak terlibat dalam penciptaan ikatan kimia. Penyertaan aktif iodometana dalam SN}2_{-tindak balas dijelaskan oleh keterbukaannya terhadap serangan nukleofilik dan mobiliti iodin.}

Elektrofilik penggantian (SE)

Molekul organik mungkin mengandungi pusat nukleofilik, yang dicirikan oleh lebihan ketumpatan elektron. Ia bertindak balas dengan reagen elektrofilik yang tidak mempunyai cas negatif. Zarah tersebut termasuk atom dengan orbital bebas, molekul dengan kawasan ketumpatan elektron rendah. ATDalam format natrium, karbon dengan cas “–” berinteraksi dengan bahagian positif dipol air - dengan hidrogen: CH₃Na + H₂ O → CH _{4 + NaOH. Hasil tindak balas penggantian elektrofilik ini ialah metana. Dalam tindak balas heterolitik, pusat molekul organik yang bercas bertentangan berinteraksi, yang menjadikannya serupa dengan ion dalam kimia bahan bukan organik. Tidak boleh diabaikan bahawa transformasi sebatian organik jarang disertai dengan pembentukan kation dan anion sejati.}

Tindak balas monomolekul dan bimolekul

Penggantian nukleofilik ialah monomolekul (SN1). Mengikut mekanisme ini, hidrolisis produk penting sintesis organik, butil klorida tertier, diteruskan. Peringkat pertama adalah perlahan, ia dikaitkan dengan pemisahan secara beransur-ansur menjadi kation karbonium dan anion klorida. Peringkat kedua lebih cepat, ion karbonium bertindak balas dengan air. Persamaan untuk tindak balas menggantikan halogen dalam alkana dengan kumpulan hidroksi dan mendapatkan alkohol primer: (CH₃)₃C-Cl → (CH₃)₃C⁺ + Cl^-; (CH₃)₃C⁺ + H₂O → (CH₃)₃C-OH + H^{+. Hidrolisis satu peringkat alkil halida primer dan sekunder dicirikan oleh pemusnahan serentak ikatan karbon-halogen dan pembentukan pasangan C-OH. Ini ialah mekanisme penggantian bimolekul nukleofilik (SN2).}

Mekanisme penggantian heterolitik

Mekanisme penggantian dikaitkan dengan pemindahan elektron, penciptaankompleks perantaraan. Tindak balas berjalan lebih cepat, lebih mudah untuk membentuk ciri produk perantaraan itu. Selalunya proses berjalan dalam beberapa arah pada masa yang sama. Kelebihan biasanya diperoleh dengan cara zarah yang memerlukan kos tenaga paling sedikit untuk pembentukannya digunakan. Sebagai contoh, kehadiran ikatan berganda meningkatkan kebarangkalian kemunculan kation alil CH2=CH-CH₂⁺, berbanding dengan ion CH₃ ^{+. Sebabnya terletak pada ketumpatan elektron ikatan berganda, yang mempengaruhi penyahtempatan cas positif yang tersebar di seluruh molekul.}

Tindak balas penggantian Benzena

Kumpulan sebatian organik, yang dicirikan oleh penggantian elektrofilik - arena. Cincin benzena adalah sasaran yang mudah untuk serangan elektrofilik. Proses ini bermula dengan polarisasi ikatan dalam bahan tindak balas kedua, mengakibatkan pembentukan elektrofil bersebelahan dengan awan elektron cincin benzena. Hasilnya ialah kompleks peralihan. Masih tiada sambungan penuh zarah elektrofilik dengan salah satu atom karbon, ia tertarik kepada keseluruhan cas negatif "enam aromatik" elektron. Pada peringkat ketiga proses, elektrofil dan satu atom karbon cincin disambungkan oleh sepasang elektron biasa (ikatan kovalen). Tetapi dalam kes ini, "enam aromatik" dimusnahkan, yang tidak menguntungkan dari sudut pandangan untuk mencapai keadaan tenaga mampan yang stabil. Terdapat satu fenomena yang boleh dipanggil "proton ejection". H+ dipisahkan, stabilsistem komunikasi khusus untuk arena. Hasil sampingan mengandungi kation hidrogen daripada cincin benzena dan anion daripada komposisi reagen kedua.

Contoh tindak balas penggantian daripada kimia organik

Untuk alkana, tindak balas penggantian adalah ciri khas. Contoh transformasi elektrofilik dan nukleofilik boleh diberikan untuk sikloalkana dan arena. Tindak balas yang sama dalam molekul bahan organik berlaku dalam keadaan normal, tetapi lebih kerap - apabila dipanaskan dan dengan kehadiran pemangkin. Penggantian elektrofilik dalam nukleus aromatik adalah salah satu proses yang meluas dan dikaji dengan baik. Reaksi paling penting jenis ini ialah:

Pennitratan benzena dengan asid nitrik dengan kehadiran H₂SO₄ - berjalan mengikut skema: C ₆ H₆ → C₆H₅-TIDAK _2.

Penghalogenan pemangkin benzena, khususnya pengklorinan, mengikut persamaan: C₆H₆ + Cl_{2 → C}6_H5_{Cl + HCl.}
Pensulfonan aromatik benzena terhasil dengan asid sulfurik "mengasap", asid sulfonik benzena terbentuk.
Alkilasi ialah penggantian atom hidrogen daripada cincin benzena dengan alkil.
Asilasi - pembentukan keton.
Pembentukan - penggantian hidrogen dengan kumpulan CHO dan pembentukan aldehid.

Tindak balas penggantian termasuk tindak balas dalam alkana dan sikloalkana, di mana halogen menyerang ikatan C-H yang tersedia. Penyediaan derivatif boleh dikaitkan dengan penggantian satu, dua atau semua atom hidrogen dalam hidrokarbon tepu dansikloparafin. Banyak haloalkana berat molekul rendah digunakan dalam penghasilan bahan yang lebih kompleks yang tergolong dalam kelas yang berbeza. Kemajuan yang dicapai dalam kajian mekanisme tindak balas penggantian memberi dorongan yang kuat kepada pembangunan sintesis berdasarkan alkana, sikloparafin, arena dan terbitan halogen hidrokarbon.