واکنش‌های جایگزینی: توصیف، معادله، مثال‌ها

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-02 17:45

بسیاری از واکنش های جانشینی راه را برای دستیابی به انواع ترکیبات که کاربرد اقتصادی دارند باز می کند. نقش بزرگی در علم و صنعت شیمی به جایگزینی الکتروفیل و نوکلئوفیل داده شده است. در سنتز آلی، این فرآیندها دارای تعدادی ویژگی هستند که باید به آنها اشاره کرد.

تنوع پدیده های شیمیایی. واکنش های تعویض

تغییرات شیمیایی مرتبط با تبدیل مواد با تعدادی ویژگی متمایز می شود. نتایج نهایی، اثرات حرارتی ممکن است متفاوت باشد. برخی از فرآیندها به پایان می رسد، در برخی دیگر تعادل شیمیایی رخ می دهد. تغییر در مواد اغلب با افزایش یا کاهش درجه اکسیداسیون همراه است. هنگام طبقه بندی پدیده های شیمیایی بر اساس نتیجه نهایی، به تفاوت های کمی و کیفی بین واکنش دهنده ها و محصولات توجه می شود. با توجه به این ویژگی ها، 7 نوع تبدیل شیمیایی را می توان متمایز کرد، از جمله جایگزینی، به دنبال این طرح: A-B + C A-C + B. یک رکورد ساده از یک کلاس کامل از پدیده های شیمیایی این ایده را به دست می دهد که در میان مواد اولیه وجود دارد.ذره "حمله کننده" نامیده می شود که جایگزین یک اتم، یون، گروه عاملی در معرف می شود. واکنش جایگزینی برای هیدروکربن های اشباع و معطر معمول است.

واکنش‌های جایگزینی می‌توانند به شکل یک تبادل مضاعف رخ دهند: A-B + C-E A-C + B-E. یکی از زیرگونه ها جابجایی مس با آهن از محلول سولفات مس است: CuSO₄ + Fe=FeSO_{4 مس اتم‌ها، یون‌ها یا گروه‌های عاملی می‌توانند به‌عنوان یک ذره «هجومی» عمل کنند}

جایگزینی همولیتیک (رادیکال، SR)

با مکانیسم رادیکال شکستن پیوندهای کووالانسی، یک جفت الکترون مشترک برای عناصر مختلف به طور متناسب بین "قطعات" مولکول توزیع می شود. رادیکال های آزاد تشکیل می شوند. اینها ذرات ناپایدار هستند که تثبیت آنها در نتیجه دگرگونی های بعدی رخ می دهد. به عنوان مثال، هنگامی که اتان از متان به دست می آید، رادیکال های آزاد ظاهر می شوند که در واکنش جانشینی شرکت می کنند: CH₄ CH₃• + •H; CH₃• + •CH_{3 → С2Н5; H• + •H → H2. شکستن پیوند همولیتیک با توجه به مکانیسم جایگزینی مشخصه آلکان ها است، واکنش زنجیره ای است. در متان، اتم های H را می توان به طور متوالی با کلر جایگزین کرد. واکنش با برم به طور مشابه ادامه می یابد، اما ید قادر به جایگزینی مستقیم هیدروژن در آلکان ها نیست، فلوئور به شدت با آنها واکنش می دهد.}

روش هترولیتیک برای شکستن پیوند

با مکانیسم یونی واکنش های جانشینیالکترون ها در بین ذرات تازه تشکیل شده به طور نابرابر توزیع می شوند. جفت اتصال الکترون به طور کامل به یکی از "قطعات" می رود، اغلب، به آن شریک پیوند، که چگالی منفی در مولکول قطبی به سمت آن جابجا شده است. واکنش های جایگزینی شامل تشکیل متیل الکل CH₃OH است. در برومومتان CH3Br، شکاف مولکول هترولیتیک است و ذرات باردار پایدار هستند. متیل بار مثبت می گیرد و برم منفی می شود: CH₃Br → CH₃⁺ + Br^-; NaOH → Na⁺ + OH^-; CH₃⁺ + OH^- → CH₃OH; Na⁺ + Br^{- ↔ NaBr.}

الکتروفیل ها و هسته دوست ها

ذراتی که فاقد الکترون هستند و می توانند آنها را بپذیرند "الکتروفیل" نامیده می شوند. اینها شامل اتم های کربن متصل به هالوژن ها در هالوآلکان ها می شود. هسته دوست ها چگالی الکترونی افزایش یافته ای دارند، آنها هنگام ایجاد یک پیوند کووالانسی یک جفت الکترون "اهدا" می کنند. در واکنش های جانشینی، هسته دوست های غنی از بارهای منفی توسط الکتروفیل های گرسنه از الکترون مورد حمله قرار می گیرند. این پدیده با جابجایی یک اتم یا ذره دیگر - گروه ترک همراه است. نوع دیگری از واکنش جانشینی، حمله یک الکتروفیل توسط یک هسته دوست است. گاهی اوقات تشخیص بین دو فرآیند، نسبت دادن جایگزینی به یک نوع یا دیگری دشوار است، زیرا تعیین دقیق اینکه کدام یک از مولکول ها بستر و کدام یک معرف است دشوار است. معمولاً در چنین مواردی،عوامل زیر:

• ماهیت گروه ترک؛
• واکنش پذیری هسته دوست؛
• ماهیت حلال؛
• ساختار بخش آلکیل.

جایگزینی نوکلئوفیلیک (SN)

در فرآیند برهمکنش در یک مولکول آلی، افزایش پلاریزاسیون مشاهده می شود. در معادلات، یک بار جزئی مثبت یا منفی با یک حرف از الفبای یونانی مشخص می شود. قطبی شدن پیوند این امکان را فراهم می کند تا در مورد ماهیت گسیختگی آن و رفتار بیشتر "قطعات" مولکول قضاوت کنیم. به عنوان مثال، اتم کربن موجود در یدومتان دارای بار مثبت جزئی است و یک مرکز الکتروفیل است. آن قسمت از دوقطبی آب را جذب می کند که در آن اکسیژن که دارای الکترون های اضافی است قرار دارد. هنگامی که یک الکتروفیل با یک معرف نوکلئوفیل تعامل می کند، متانول تشکیل می شود: CH₃I + H₂O → CH_{3 OH +HI. واکنش های جایگزینی هسته دوست با مشارکت یک یون با بار منفی یا مولکولی که دارای یک جفت الکترون آزاد است که در ایجاد پیوند شیمیایی دخالتی ندارد، انجام می شود. مشارکت فعال یدومتان در واکنش های SN}2 _{با باز بودن آن در برابر حمله هسته دوست و تحرک ید توضیح داده می شود.}

جایگزینی الکتروفیل (SE)

یک مولکول آلی ممکن است حاوی یک مرکز هسته دوست باشد که با چگالی الکترون بیش از حد مشخص می شود. با یک معرف الکتروفیل که فاقد بار منفی است واکنش می دهد. چنین ذرات شامل اتم هایی با اوربیتال های آزاد، مولکول هایی با مناطق با چگالی الکترونی کم است. ATدر فرمت سدیم، کربن با بار «–» با بخش مثبت دوقطبی آب - با هیدروژن تعامل می‌کند: CH₃Na + H₂ O → CH _{4 + NaOH. محصول این واکنش جایگزینی الکتروفیل متان است. در واکنش‌های هترولیتیک، مراکز دارای بار مخالف مولکول‌های آلی برهم کنش می‌کنند، که آن‌ها را در شیمی مواد معدنی شبیه یون‌ها می‌کند. نباید نادیده گرفت که تبدیل ترکیبات آلی به ندرت با تشکیل کاتیون ها و آنیون های واقعی همراه است.}

واکنش های تک مولکولی و دو مولکولی

جایگزینی نوکلئوفیلیک تک مولکولی است (SN1). بر اساس این مکانیسم، هیدرولیز یک محصول مهم سنتز آلی، کلرید بوتیل سوم، انجام می شود. مرحله اول کند است، با تجزیه تدریجی به کاتیون کربن و آنیون کلرید همراه است. مرحله دوم سریعتر است، یون کربنیوم با آب واکنش می دهد. معادله واکنش جایگزینی هالوژن در یک آلکان با گروه هیدروکسی و به دست آوردن الکل اولیه: (CH₃)₃C-Cl → (CH₃)₃C⁺ + Cl^-; (CH₃)₃C⁺ + H₂O → (CH₃)₃C-OH + H^{+. هیدرولیز تک مرحله ای آلکیل هالیدهای اولیه و ثانویه با تخریب همزمان پیوند کربن - هالوژن و تشکیل یک جفت C-OH مشخص می شود. این مکانیسم جایگزینی دو مولکولی هسته دوست (SN2) است.}

مکانیسم جایگزینی هترولیتیک

مکانیسم جایگزینی با انتقال الکترون، ایجاد ارتباط داردمجتمع های میانی واکنش هر چه سریعتر انجام شود، تشکیل محصولات میانی مشخصه آن آسان تر است. اغلب این فرآیند به طور همزمان در چندین جهت پیش می رود. مزیت معمولاً از طریق روشی به دست می‌آید که در آن از ذراتی که کمترین هزینه انرژی را برای تشکیل آنها نیاز دارند، استفاده می‌شود. برای مثال، وجود یک پیوند دوگانه احتمال ظهور یک کاتیون آلیل CH2=CH-CH₂⁺ را در مقایسه با یون CH₃ ^{+. دلیل آن در چگالی الکترونی پیوند چندگانه نهفته است که بر جابجایی بار مثبت پراکنده در سراسر مولکول تأثیر می گذارد.}

واکنش‌های جایگزینی بنزن

گروهی از ترکیبات آلی که با جایگزینی الکتروفیل مشخص می شوند - عرصه ها. حلقه بنزن یک هدف مناسب برای حمله الکتروفیلیک است. این فرآیند با قطبش پیوند در واکنش دهنده دوم آغاز می شود و در نتیجه یک الکتروفیل در مجاورت ابر الکترونی حلقه بنزن تشکیل می شود. نتیجه یک مجموعه انتقالی است. هنوز هیچ اتصال کاملی از یک ذره الکتروفیل با یکی از اتم های کربن وجود ندارد، آن را به کل بار منفی "شش معطر" الکترون جذب می کند. در مرحله سوم فرآیند، الکتروفیل و یک اتم کربن حلقه توسط یک جفت الکترون مشترک (پیوند کووالانسی) به هم متصل می شوند. اما در این حالت "شش معطر" از بین می رود که از نقطه نظر دستیابی به یک حالت انرژی پایدار پایدار نامطلوب است. پدیده ای وجود دارد که می توان آن را "پرتاب پروتون" نامید. H+ تقسیم شده است، پایدار استیک سیستم ارتباطی خاص برای عرصه ها محصول فرعی حاوی یک کاتیون هیدروژن از حلقه بنزن و یک آنیون از ترکیب معرف دوم است.

نمونه‌هایی از واکنش‌های جایگزینی از شیمی آلی

برای آلکان ها، واکنش جانشینی به ویژه مشخص است. برای سیکلوآلکان ها و آرن ها می توان مثال هایی از تبدیل های الکتروفیل و هسته دوست ارائه داد. واکنش‌های مشابه در مولکول‌های مواد آلی در شرایط عادی رخ می‌دهد، اما اغلب - هنگام گرم شدن و در حضور کاتالیزورها. جایگزینی الکتروفیل در هسته معطر یکی از فرآیندهای گسترده و به خوبی مطالعه شده است. مهمترین واکنش های این نوع عبارتند از:

1. نیتراسیون بنزن با اسید نیتریک در حضور H₂SO₄ - طبق این طرح انجام می شود: C ₆ H₆ → C₆H₅-NO _2.
2. هالوژناسیون کاتالیستی بنزن، به ویژه کلرزنی، طبق معادله: C₆H₆ + Cl_{2 → C}6_H5_{Cl + HCl.}
3. سولفوناسیون آروماتیک بنزن با اسید سولفوریک "فور" حاصل می شود و اسیدهای بنزن سولفونیک تشکیل می شوند.
4. آلکیلاسیون جایگزینی اتم هیدروژن از حلقه بنزن با یک آلکیل است.
5. آسیلاسیون - تشکیل کتونها.
6. فرمیلاسیون - جایگزینی هیدروژن با گروه CHO و تشکیل آلدئیدها.

واکنش‌های جانشینی شامل واکنش‌هایی در آلکان‌ها و سیکلوآلکان‌ها است که در آن هالوژن‌ها به پیوند C-H موجود حمله می‌کنند. تهیه مشتقات ممکن است با جایگزینی یک، دو یا تمام اتم های هیدروژن در هیدروکربن های اشباع وسیکلو پارافین ها بسیاری از هالوآلکان‌های با وزن مولکولی کم در تولید مواد پیچیده‌تر متعلق به کلاس‌های مختلف استفاده می‌شوند. پیشرفت به‌دست‌آمده در مطالعه مکانیسم‌های واکنش‌های جایگزینی، انگیزه‌ای قوی برای توسعه سنتزهای مبتنی بر آلکان‌ها، سیکلوپارافین‌ها، آرن‌ها و مشتقات هالوژنی هیدروکربن‌ها ایجاد کرد.