Les réactions de substitution: description, des exemples d'équations

Beaucoup réaction de substitution ouvre la voie à la préparation de divers composés ayant une application utilitaire. Un rôle énorme dans la science et de l'industrie chimique est donné substitution électrophile et nucléophile. Dans la synthèse organique, ces processus ont un certain nombre de caractéristiques qui doivent être notés.

Une variété de phénomènes chimiques. réaction de substitution

Les changements chimiques associés à la transformation de la matière, un certain nombre de caractéristiques différentes. Peut-être des résultats différents, les effets thermiques; certains processus vont finir, il est dans un autre équilibre chimique. La modification des agents est souvent accompagnée d'une augmentation ou une diminution du degré d'oxydation. Dans la classification des phénomènes chimiques dans leurs résultats finaux attirer l'attention sur les différences qualitatives et quantitatives entre les réactifs de produits. Ces caractéristiques peuvent être distingués 7 types de réactions chimiques, y compris la substitution, en procédant selon le schéma: A-B-C A + C + B. L'enregistrement simplifié d'une classe de phénomènes chimiques donne une idée que, parmi les matériaux de départ est le soi-disant « attaquant « substituant de particules dans l'atome de réactif, le groupe fonctionnel ionique. La réaction de substitution est caractéristique des saturés et des hydrocarbures aromatiques.

réaction de substitution peut se produire sous forme de double échange: A-B-C + C + E A-B-E. – une sous – espèce de déplacement, par exemple, le cuivre, le fer à partir d' une solution de sulfate de cuivre CuSO _4: + Fe = FeSO ₄ + Cu. Comme les particules « d'attaque » peuvent agir atomes, des ions ou des groupes fonctionnels

substitution homolytique (radical, SR)

Lorsque le mécanisme de rupture radical paire d'électrons covalente est commun aux différents éléments sera réparti proportionnellement entre les « fragments » de la molécule. La formation de radicaux libres. Cette instabilité de stabilisation de particules qui se produit à la suite de réactions ultérieures. Par exemple, dans la préparation d'éthane à partir de méthane produire des radicaux libres impliqués dans la réaction de substitution: CH ₄ CH ₃ • + • H; CH ₃ • + • CH ₃ → C2H5; H • + • H → H2. clivage de la liaison homolytique sur le mécanisme de commande de substitution est caractéristique d'alcanes, la réaction est un caractère de la chaîne. Les atomes d'hydrogène du méthane peuvent être successivement remplacés par du chlore. De la même façon à réagir avec le brome, l'iode, mais est incapable de remplacer directement les alcanes d'hydrogène, de fluor réagit trop vigoureusement avec eux.

Procédé de clivage de la liaison hétérolytique

Lorsque le mécanisme des réactions de substitution de flux d'ions, des électrons sont inégalement réparties entre les particules nouvellement apparues. La paire de liaison des électrons se prolonge tout le chemin à l'un des « fragments », le plus souvent, au partenaire de communication, du côté qui avait décalé densité négative dans la molécule polaire. Par des réactions de substitution comprennent la réaction de formation de l' alcool méthylique CH ₃ OH. Dans brommetane molécule d'écart de CH3Br est le caractère hétérolytique, les particules chargées sont stables. Méthyle acquiert une charge positive, et bromo – négatif: CH ₃ Br → CH ₃ ^{+ +} Br ^-; NaOH → Na ^{+ +} OH ^-; CH ₃ ^{+ +} OH ^– → CH ₃ OH; Na ^{+ +} Br ^– ↔ NaBr.

Électrophiles et nucléophiles

Les particules qui ne disposent pas des électrons et peut les accepter, sont appelés « électrophiles. » Ce sont des atomes de carbone liés par des halogènes dans les halogénoalcanes. Nucléophiles ont une forte densité d'électrons, ils sont « victimes » d'une paire d'électrons pour créer une liaison covalente. Les réactions de substitution riches charges négatives sont attaqués par nucléophiles, électrophiles déficit d'électrons. Ce phénomène est associé au mouvement d'atomes ou d'autres particules – groupe partant. Une autre variété de réactions de substitution – attaquer le nucléophiles électrophile. Il est parfois difficile de faire la distinction entre les deux processus, appelé au remplacement de l'un ou l'autre type, car il est difficile de préciser exactement quel type de molécule – substrat, et qui – réactif. En général, dans ce cas, sont considérés comme les facteurs suivants:

• la nature du groupe partant;
• la réactivité du nucléophile;
• la nature du solvant;
• la portion alkyle de la structure.

substitution nucléophile (SN)

Dans le processus d'interaction dans la molécule organique a été de plus en plus la polarisation. Dans les équations de charge partielle positive ou négative est indiquée par la lettre de l'alphabet grec. communication Polarisation donne une indication de la nature de sa rupture et le comportement futur des « fragments » de la molécule. Par exemple, un atome de carbone dans l'iodométhane a une charge positive partielle, il est un centre électrophile. Il attire le dipôle de l'eau, où l'oxygène a un excès d'électrons. Dans la réaction de l' agent électrophile avec un nucléophile est formé methanol: CH ₃ I + H ₂ O → CH ₃ OH + HI. Les réactions de substitution nucléophile ont lieu avec la participation d'un ion chargé négativement ou d'une molécule ayant une paire d'électrons libres, qui ne participe pas à la création d'une liaison chimique. La participation active des iodométhane dans SN _2-réaction en raison de son ouverture à l' attaque nucléophile et la mobilité de l' iode.

substitution électrophile (SE)

La molécule organique peut être présent centre nucléophile, qui est caractérisé par un excès de densité électronique. Il réagit avec l'absence de charges négatives de réactif électrophile. De telles particules sont des atomes ayant molécule orbital libre avec des parties de densité électronique réduite. Le formiate de sodium charge ayant du carbone "-", est mis à réagir avec une partie positive du dipôle de l' eau – un atome d' hydrogène: CH ₃ Na + H ₂ O → CH ₄ + NaOH. Le produit de cette réaction, la substitution électrophile – méthane. Lorsque les réactions hétérolytiques interagissent les centres de charge opposée de molécules organiques, ce qui leur confère une affinité avec des ions dans la chimie des substances inorganiques. Il ne faut pas oublier que la conversion des composés organiques est rarement accompagnée par la formation de ces cations et anions.

réactions unimoléculaires et bimoléculaires

La substitution nucléophile est monomoléculaire (SN1). Par ce mécanisme, un produit important flux d'hydrolyse de la synthèse organique – chlorure de butyle tertiaire. La première étape est lente, elle est associée à une dissociation progressive en cation carbonium et d'un anion chlorure. La deuxième étape est une réaction plus rapide se produit ion carbonium et d'eau. L'équation de la réaction de substitution d' un halogène dans l'alcane pour obtenir de l' alcool primaire et un groupe hydroxy: (CH _{3) 3} C-Cl → (CH _{3) 3} C ^{+ +} Cl ^-; (CH _{3) 3} C ^{+ +} H ₂ O → (CH _{3) 3} C-OH ⁺ H +. Pour une étape d'hydrolyse des halogénures d'alkyle primaires et secondaires, caractérisé par la destruction simultanée de carbone dues à halogène et la formation de paires C-OH. Ce mécanisme de substitution bimoléculaire nucléophile (SN2).

mécanisme hétérolytique de substitution

mécanisme de substitution implique le transfert d'électrons, la création de complexes intermédiaires. La réaction se déroule plus rapidement, plus il est facile pour les intermédiaires typiques pour elle. Souvent, le processus va dans plusieurs directions simultanément. L'avantage obtient généralement la façon dont les particules sont utilisées, ce qui nécessite la moindre dépense d'énergie pour sa formation. Par exemple, la présence d'une double liaison augmente la probabilité d'un cation allylique CH 2 = CH-CH ₂ ^+, par rapport à l'ion _CH3 ^+. La raison réside dans la densité d'électrons de la liaison multiple, ce qui affecte la délocalisation de la charge positive, dispersés sur toute la molécule.

réaction de substitution du benzène

Le groupe de composés organiques, qui sont caractérisés par une substitution électrophile – arène. anneau Benzène – un objet pratique pour l'attaque électrophile. Le processus commence la communication avec le second réactif de polarisation, formant de ce fait nuage d'électrons électrophile adjacent au noyau benzénique. Le résultat est une transition complexe. communication précieux particules électrophiles avec un des atomes de carbone non encore, il est attiré par l'ensemble de charge négative « aromatiques » six électrons. Dans la troisième étape du procédé électrophile et un atome de carbone se lie à une paire commune d'électrons (liaison covalente). Mais dans ce cas, est la destruction du « aromatique à six », ce qui est désavantageux en termes de réalisation d'un état énergétique stable et durable. Il y a un phénomène qui peut être appelé « la libération d'un proton. » Il est séparé H ^+, la récupération d' un système de communication stable, arènes typiques. substance latérale comprend un cation hydrogène d'un cycle benzène et l'anion du second réactif.

Des exemples de réactions de substitution de la chimie organique

Pour alcanes en particulier une réaction de substitution typique. Des exemples de réactions électrophiles et nucléophiles peuvent conduire à cycloalcanes et arenes. Des réactions similaires dans les molécules organiques sont des substances dans des conditions normales, mais habituellement – et par chauffage en présence de catalyseurs. Par des processus communs et bien étudiés comprennent la substitution aromatique électrophile. La réaction la plus importante de ce type:

1. Nitration du benzène avec de l' acide nitrique en présence de H ₂ SO ₄ – suit le schéma: C ₆ H ₆ → C ₆ H ₅ -NO _2.
2. L'halogénation catalytique du benzène, en particulier chloration, par l'équation: C ₆ H ₆ + Cl ₂ → C ₆ H ₅ Cl + HCl.
3. sulfonation aromatique du produit du benzène avec de « fumage » l'acide sulfurique, l'acide benzènesulfonique sont formées.
4. Alkylation – remplacement de l'atome d'hydrogène du cycle benzénique à un groupe alkyle.
5. Acylation – la formation de cétones.
6. Formylation – le remplacement d'un atome d'hydrogène sur un groupe CHO et la formation d'aldéhydes.

Par des réactions de substitution comprennent la réaction dans les alcanes et les cycloalcanes, dans lequel les atomes d'halogène attaquent disponible liaison C-H. La dérivatisation peut être associé avec le remplacement d'un, deux ou tous les atomes d'hydrogène dans les hydrocarbures saturés et les cycloparaffines. Un grand nombre de galogenoalkanov de bas poids moléculaire sont utilisés dans la production de substances plus complexes appartenant à des classes différentes. Les succès obtenus dans l'étude des mécanismes de réactions de substitution, a donné une forte impulsion au développement des synthèses sur la base des alcanes, cyclo-stade et les hydrocarbures halogénés.