Reaksi penggantian: deskripsi, persamaan, contoh

Banyak reaksi substitusi membuka jalan untuk mendapatkan berbagai senyawa yang memiliki aplikasi ekonomi. Peran besar dalam ilmu kimia dan industri diberikan pada substitusi elektrofilik dan nukleofilik. Dalam sintesis organik, proses ini memiliki sejumlah fitur yang harus diatasi.

Keragaman fenomena kimia. Reaksi penggantian

Perubahan kimiawi yang terkait dengan transformasi zat, memiliki sejumlah fitur. Berbeda bisa jadi hasil akhir, efek termal; Beberapa proses berakhir, di lain pihak ada ekuilibrium kimia. Perubahan zat sering disertai dengan kenaikan atau penurunan tingkat oksidasi. Ketika mengklasifikasikan fenomena kimia dengan hasil akhirnya, perhatian diberikan pada perbedaan kualitatif dan kuantitatif antara reagen dan produk. Dengan alasan ini, kita dapat membedakan 7 jenis transformasi kimia, termasuk proses substitusi menurut skema: A-B + C A-C + B. Perekaman sederhana dari keseluruhan kelas fenomena kimia memberi gagasan bahwa di antara zat awal ada yang disebut "menyerang "Partikel yang menggantikan reagen atom, ion, kelompok fungsional. Reaksi substitusi adalah karakteristik untuk membatasi dan hidrokarbon aromatik.

Reaksi substitusi dapat terjadi sebagai pertukaran ganda: A-B + C-E A-C + B-E. Salah satu subspesies adalah perpindahan, misalnya tembaga dari besi dari larutan tembaga sulfat: CuSO4 + Fe = FeSO ₄ + Cu. Sebagai partikel "menyerang" dapat bertindak sebagai atom, ion atau kelompok fungsional

Penggantian homolitik (radikal, SR)

Di bawah mekanisme radikal ikatan ikatan kovalen, pasangan elektron, umum untuk elemen yang berbeda, didistribusikan secara proporsional antara "fragmen" molekul. Radikal bebas terbentuk. Ini adalah partikel yang tidak stabil, stabilisasi yang terjadi sebagai hasil transformasi selanjutnya. Misalnya, ketika mendapatkan etana dari metana, radikal bebas muncul yang berpartisipasi dalam reaksi substitusi: CH ₄ CH ₃ • + • H; CH ₃ • + • CH ₃ → C2H ₅ ; H • + • H → H2. Perpecahan homolitik yang melanggar sesuai dengan mekanisme penggantian di atas adalah karakteristik alkana, reaksinya bersifat berantai. Dalam metana, atom H dapat diganti secara berturut-turut dengan klorin. Demikian pula, reaksi dengan bromin, namun yodium tidak dapat langsung menggantikan hidrogen dalam alkana, fluorin bereaksi terlalu energetik dengan mereka.

Metode penghambatan komunikasi

Di bawah mekanisme ionik dari reaksi substitusi, elektron didistribusikan tidak merata antara partikel yang baru terbentuk. Pasangan pengikat elektron benar-benar menuju salah satu "fragmen", paling sering, kepada mitra komunikasi tersebut, yang kepadatan negatifnya berada di molekul polar digeser. Reaksi substitusi meliputi pembentukan metil alkohol CH ₃ OH. Pada CH3Br bromometana, gangguan molekul adalah heterolitik, partikel bermuatan stabil. Metil memperoleh muatan positif, dan bromin - negatif: CH ₃ Br → CH ₃ ⁺ + Br ^- ; NaOH → Na ⁺ + OH ^- ; CH ₃ ⁺ + OH ^- → CH ₃ OH; Na ⁺ Br + NaBr.

Elektrofil dan nukleofil

Partikel yang kekurangan elektron dan bisa menerima mereka disebut "elektrofil". Ini termasuk atom karbon yang terhubung dengan halogen dalam haloalkana. Nukleofil memiliki kerapatan elektron yang meningkat, mereka "mengorbankan" sepasang elektron saat membuat ikatan kovalen. Dalam reaksi substitusi, nukleofil yang kaya akan muatan negatif diserang oleh elektrofil yang mengalami kekurangan elektron. Fenomena ini terkait dengan perpindahan atom atau partikel lainnya-kelompok keluar. Jenis reaksi substitusi lainnya adalah serangan elektrofil oleh nukleofil. Terkadang sulit untuk membedakan antara dua proses, rujuk substitusi ke satu atau jenis lainnya, karena sulit untuk menentukan secara tepat molekul mana yang merupakan substrat dan yang merupakan reagen. Biasanya dalam kasus seperti ini, faktor berikut diperhitungkan:

• Sifat kelompok keluar;
• Reaktivitas nukleofil;
• Sifat pelarut;
• Struktur bagian alkil.

Substitusi nukleofilik (SN)

Dalam proses interaksi, peningkatan polarisasi diamati pada molekul organik. Dalam persamaan, muatan positif atau negatif parsial ditandai dengan huruf alfabet Yunani. Polarisasi ikatan memungkinkan untuk menilai sifat diskontinuitas dan perilaku selanjutnya dari "fragmen" molekul. Sebagai contoh, atom karbon dalam iodometana memiliki muatan positif parsial, adalah pusat elektrofilik. Ini menarik bagian dari dipol air, di mana oksigen berada, yang memiliki kelebihan elektron. Ketika elektrofil berinteraksi dengan reagen nukleofilik, metanol terbentuk: CH ₃ I + H ₂ O → CH ₃ OH + HI. Reaksi substitusi nukleofilik berlangsung dengan partisipasi ion bermuatan negatif atau molekul yang memiliki pasangan elektron bebas yang tidak berpartisipasi dalam pembuatan ikatan kimia. Partisipasi aktif iodometana dalam reaksi SN ₂ dijelaskan oleh keterbukaannya terhadap serangan nukleofilik dan mobilitas yodium.

Substitusi elektrofilik (SE)

Molekul organik dapat memiliki pusat nukleofilik, dimana kelebihan kerapatan elektron adalah karakteristik. Ini bereaksi dengan kurangnya muatan negatif dengan reagen elektrofilik. Partikel semacam itu termasuk atom yang memiliki orbital bebas, molekul dengan lokasi kerapatan elektron yang berkurang. Dalam format natrium, karbon yang memiliki muatan "-" berinteraksi dengan bagian positif dari dipol air dengan hidrogen: CH ₃ Na + H ₂ O → CH ₄ + NaOH. Produk dari reaksi substitusi elektrofilik ini adalah metana. Dalam reaksi heterolitik, pusat interaksi molekul organik yang berlawanan, yang memberi mereka kesamaan dengan ion dalam kimia zat anorganik. Tidak boleh dilupakan bahwa konversi senyawa organik jarang disertai dengan pembentukan kation dan anion yang nyata.

Reaksi monomolekuler dan bimolekuler

Substitusi nukleofilik adalah monomolekuler (SN1). Dengan mekanisme ini, hidrolisis produk penting sintesis organik - tersier butil klorida - terjadi. Tahap pertama lambat, hal ini terkait dengan disosiasi kationiumium dan anion klorida secara bertahap. Tahap kedua berjalan lebih cepat, reaksi ion karbonium dengan hasil air. Persamaan untuk penggantian suatu halogen dalam alkana oleh gugus hidroksi dan pembuatan alkohol utama: (CH ₃ ) ₃ C-Cl → (CH ₃ ) ₃ C ⁺ + Cl ^- ; (CH ₃ ) ₃ C ⁺⁺ H ₂ O → (CH ₃ ) ₃ C-OH + H ⁺ . Hidrolisis satu langkah dari alkil halida primer dan sekunder ditandai oleh penghancuran bersamaan ikatan karbon-halogen dan pembentukan pasangan C-OH. Ini adalah mekanisme substitusi bimolekuler nukleofilik (SN2).

Mekanisme substitusi heterolitik

Mekanisme substitusi dikaitkan dengan transfer elektron, pembentukan kompleks antara. Reaksi berlangsung lebih cepat, produk yang lebih mudah intermediate muncul yang menjadi ciri khasnya. Seringkali proses berlangsung secara simultan di beberapa arah. Keuntungan biasanya mendapatkan cara penggunaan partikel yang membutuhkan biaya energi paling rendah untuk pendidikan mereka. Misalnya, adanya ikatan rangkap meningkatkan probabilitas terjadinya kation allylic CH2 = CH-CH2 ⁺ , dibandingkan dengan ion CH3 ⁺ . Alasannya terletak pada kerapatan elektron dari ikatan ganda, yang mempengaruhi delokalisasi muatan positif, yang didistribusikan ke seluruh molekul.

Reaksi substitusi benzena

Sekelompok senyawa organik, yang ditandai dengan substitusi elektrofilik, adalah arena. Cincin Benzena - benda yang mudah digunakan untuk serangan elektrofilik. Prosesnya dimulai dengan polarisasi ikatan pada reagen kedua, menghasilkan pembentukan elektrofil yang bersebelahan dengan awan elektronik cincin benzena. Akibatnya, kompleks transisi muncul. Sambungan lengkap partikel elektrofilik dengan salah satu atom karbon belum tersedia, ia tertarik pada muatan negatif keseluruhan "enam aromatik" elektron. Pada tahap ketiga proses, elektrofil dan satu atom cincin karbon terikat oleh pasangan elektron umum (ikatan kovalen). Tapi dalam kasus ini, "enam aromatik" hancur, yang tidak menguntungkan dari sudut pandang mencapai keadaan energi stabil yang stabil. Ada fenomena yang bisa disebut "emisi proton". Ada pemisahan dari H ⁺ , sistem komunikasi yang stabil, khas arena, dipulihkan. Produk sampingan mengandung kation hidrogen dari cincin benzen dan anion dari reagen kedua.

Contoh reaksi substitusi dari kimia organik

Untuk alkana, reaksi substitusi sangat khas. Contoh transformasi elektrofilik dan nukleofilik dapat dikutip untuk sikloalkana dan aren. Reaksi serupa pada molekul zat organik terjadi dalam kondisi biasa, namun lebih sering - dengan pemanasan dan dengan adanya katalis. Proses yang meluas dan dipelajari dengan baik termasuk substitusi elektrofilik di inti aromatik. Reaksi yang paling penting dari tipe ini adalah:

1. Nitrasi benzena dengan asam nitrat dengan adanya H ₂ SO ₄ berlangsung sesuai dengan skema: C ₆ H ₆ → C ₆ H ₅ -NO ₂ .
2. Halogenasi katalis benzena, khususnya klorinasi, sesuai dengan persamaan: C6H6 + Cl ₂ → C ₆ H ₅ Cl + HCl.
3. Sulfonasi aromatik hasil benzena dengan asam sulfat "menggerogoti", asam benzenasulfonat terbentuk.
4. Alkilasi adalah penggantian atom hidrogen dari komposisi cincin benzena dengan alkil.
5. Asilasi adalah pembentukan keton.
6. Pembentukan - penggantian hidrogen oleh kelompok CHO dan pembentukan aldehida.

Reaksi penggantian meliputi reaksi alkana dan sikloalkana, di mana halogens menyerang ikatan C-H yang tersedia. Derivatisasi mungkin disebabkan oleh substitusi satu, dua atau semua atom hidrogen dalam hidrokarbon dan sikloparafin akhir. Banyak halogenalkana dengan berat molekul kecil menemukan aplikasi dalam produksi zat yang lebih kompleks yang termasuk dalam kelas yang berbeda. Keberhasilan yang dicapai dalam mempelajari mekanisme reaksi substitusi memberikan dorongan kuat untuk pengembangan sintesis berdasarkan alkana, sikloparafin, aren dan hidrokarbon terhalogenasi.