Փոխարինման ռեակցիաներ. նկարագրություն, հավասարում, օրինակներ

2024 Հեղինակ: Angel Austin | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-02 17:49

Շատ փոխարինող ռեակցիաներ ճանապարհ են բացում տնտեսական կիրառություն ունեցող միացությունների բազմազանության ստացման համար: Քիմիական գիտության և արդյունաբերության մեջ հսկայական դեր է տրվում էլեկտրոֆիլ և նուկլեոֆիլ փոխարինմանը։ Օրգանական սինթեզում այս գործընթացներն ունեն մի շարք առանձնահատկություններ, որոնք պետք է նշել:

Քիմիական երևույթների բազմազանություն. Փոխարինման ռեակցիաներ

Նյութերի փոխակերպումների հետ կապված քիմիական փոփոխություններն առանձնանում են մի շարք հատկանիշներով. Վերջնական արդյունքները, ջերմային ազդեցությունները կարող են տարբեր լինել. որոշ պրոցեսներ ավարտվում են, մյուսներում տեղի է ունենում քիմիական հավասարակշռություն: Նյութերի փոփոխությունը հաճախ ուղեկցվում է օքսիդացման աստիճանի բարձրացմամբ կամ նվազումով։ Քիմիական երևույթներն ըստ դրանց վերջնական արդյունքի դասակարգելիս ուշադրություն է դարձվում ռեակտիվների և արտադրանքի որակական և քանակական տարբերություններին: Ըստ այդ հատկանիշների՝ կարելի է առանձնացնել քիմիական փոխակերպումների 7 տեսակ՝ ներառյալ փոխարինումը, հետևելով սխեմայի՝ A-B + C A-C + B: Քիմիական երևույթների մի ամբողջ դասի պարզեցված գրառումը տալիս է պատկերացում, որ սկզբնական նյութերից կան.կոչվում է «գրոհող» մասնիկ՝ փոխարինելով ռեագենտում ատոմին, իոնին, ֆունկցիոնալ խմբին։ Փոխարինման ռեակցիան բնորոշ է հագեցած և արոմատիկ ածխաջրածիններին։

Փոխարինման ռեակցիաները կարող են առաջանալ կրկնակի փոխանակման տեսքով՝ A-B + C-E A-C + B-E: Ենթատեսակներից մեկը, օրինակ, պղնձի տեղափոխումն է երկաթի հետ պղնձի սուլֆատի լուծույթից՝ CuSO₄ + Fe=FeSO_{4 + Cu. Ատոմները, իոնները կամ ֆունկցիոնալ խմբերը կարող են հանդես գալ որպես «գրոհող» մասնիկ}

Հոմոլիտիկ փոխարինում (ռադիկալ, SR)

Կովալենտային կապերի խզման արմատական մեխանիզմով տարբեր տարրերի համար ընդհանուր էլեկտրոնային զույգը համամասնորեն բաշխված է մոլեկուլի «բեկորների» միջև։ Ձևավորվում են ազատ ռադիկալներ։ Սրանք անկայուն մասնիկներ են, որոնց կայունացումը տեղի է ունենում հետագա փոխակերպումների արդյունքում։ Օրինակ, երբ մեթանից էթան է ստացվում, ազատ ռադիկալներ են հայտնվում, որոնք մասնակցում են փոխարինման ռեակցիային. CH₄ CH₃• + •H; CH₃• + •CH_{3 → С2Н5; H• + •H → H2. Հոմոլիտիկ կապի խզումը ըստ տրված փոխարինման մեխանիզմի բնորոշ է ալկաններին, ռեակցիան՝ շղթայական։ Մեթանում H ատոմները կարող են հաջորդաբար փոխարինվել քլորով։ Բրոմի հետ ռեակցիան ընթանում է նույն կերպ, սակայն յոդն ի վիճակի չէ ուղղակիորեն փոխարինել ալկաններում ջրածինը, ֆտորը չափազանց ինտենսիվ է արձագանքում դրանց հետ:}

Կապը կոտրելու հետերոլիտիկ միջոց

Փոխարինման ռեակցիաների իոնային մեխանիզմովէլեկտրոնները անհավասարաչափ են բաշխված նոր ձևավորված մասնիկների միջև։ Էլեկտրոնների կապող զույգն ամբողջությամբ գնում է դեպի «բեկորներից» մեկը, ամենից հաճախ՝ այդ կապի գործընկերը, որի ուղղությամբ բևեռային մոլեկուլում բացասական խտությունը տեղափոխվել է։ Փոխարինման ռեակցիաները ներառում են մեթիլ սպիրտ CH₃OH առաջացումը: Բրոմոմեթան CH3Br-ում մոլեկուլի ճեղքումը հետերոլիտիկ է, իսկ լիցքավորված մասնիկները՝ կայուն։ Մեթիլը ձեռք է բերում դրական լիցք, իսկ բրոմը դառնում է բացասական՝ CH₃Br → CH₃⁺ + Br^-; NaOH → Na⁺ + OH^-; CH₃⁺ + OH^- → CH₃OH; Na⁺ + Br^{- ↔ NaBr.}

Էլեկտրոֆիլներ և նուկլեոֆիլներ

Այն մասնիկները, որոնք չունեն էլեկտրոններ և կարող են դրանք ընդունել, կոչվում են «էլեկտրոֆիլներ»: Դրանք ներառում են ածխածնի ատոմները, որոնք կապված են հալոալկանների հալոգենների հետ: Նուկլեոֆիլներն ունեն էլեկտրոնային խտության բարձրացում, նրանք «նվիրում են» զույգ էլեկտրոններ կովալենտային կապ ստեղծելիս։ Փոխարինման ռեակցիաներում բացասական լիցքերով հարուստ նուկլեոֆիլները հարձակվում են էլեկտրոնների քաղցած էլեկտրոֆիլների կողմից։ Այս երեւույթը կապված է ատոմի կամ այլ մասնիկի՝ հեռացող խմբի տեղաշարժի հետ։ Փոխարինման ռեակցիայի մեկ այլ տեսակ էլեկտրոֆիլի հարձակումն է նուկլեոֆիլի կողմից: Երբեմն դժվար է տարբերակել երկու պրոցեսները, փոխարինումը վերագրել այս կամ այն տեսակին, քանի որ դժվար է հստակ նշել, թե մոլեկուլներից որն է սուբստրատը և որը ռեագենտը: Սովորաբար նման դեպքերում.հետևյալ գործոնները՝

• հեռացող խմբի բնույթը;
• նուկլեոֆիլային ռեակտիվություն;
• լուծիչի բնույթը;
• ալկիլային մասի կառուցվածքը.

Նուկլեոֆիլային փոխարինում (SN)

Օրգանական մոլեկուլում փոխազդեցության գործընթացում նկատվում է բևեռացման աճ։ Հավասարումների մեջ մասնակի դրական կամ բացասական լիցքը նշվում է հունական այբուբենի տառով: Կապի բևեռացումը հնարավորություն է տալիս դատել դրա խզման բնույթը և մոլեկուլի «բեկորների» հետագա վարքը։ Օրինակ, յոդոմեթանի ածխածնի ատոմը մասնակի դրական լիցք ունի և էլեկտրոֆիլ կենտրոն է։ Այն ձգում է ջրային դիպոլի այն հատվածը, որտեղ գտնվում է թթվածինը, որն ունի էլեկտրոնների ավելցուկ։ Երբ էլեկտրոֆիլը փոխազդում է նուկլեոֆիլ ռեագենտի հետ, ձևավորվում է մեթանոլ՝ CH₃I + H₂O → CH_{3 OH +HI. Նուկլեոֆիլային փոխարինման ռեակցիաները տեղի են ունենում բացասական լիցքավորված իոնի կամ մոլեկուլի մասնակցությամբ, որն ունի ազատ էլեկտրոնային զույգ, որը չի մասնակցում քիմիական կապի ստեղծմանը։ Յոդոմեթանի ակտիվ մասնակցությունը SN}2_{-ռեակցիաներին բացատրվում է նուկլեոֆիլային հարձակման համար նրա բացությամբ և յոդի շարժունակությամբ:}

Փոխարինող էլեկտրոֆիլ (SE)

Օրգանական մոլեկուլը կարող է պարունակել նուկլեոֆիլ կենտրոն, որը բնութագրվում է էլեկտրոնի խտության ավելցուկով։ Այն փոխազդում է էլեկտրոֆիլ ռեագենտի հետ, որը չունի բացասական լիցքեր։ Այդպիսի մասնիկները ներառում են ազատ ուղեծրերով ատոմներ, էլեկտրոնների ցածր խտության տարածքներով մոլեկուլներ։ ATՆատրիումի ֆորմատում «–» լիցքով ածխածինը փոխազդում է ջրի դիպոլի դրական մասի հետ՝ ջրածնի հետ՝ CH₃Na + H₂ O → CH _{4 + NaOH: Այս էլեկտրոֆիլ փոխարինման ռեակցիայի արդյունքը մեթանն է։ Հետերոլիտիկ ռեակցիաներում օրգանական մոլեկուլների հակառակ լիցքավորված կենտրոնները փոխազդում են, ինչը նրանց նմանեցնում է իոններին անօրգանական նյութերի քիմիայում։ Չպետք է անտեսել, որ օրգանական միացությունների փոխակերպումը հազվադեպ է ուղեկցվում իրական կատիոնների և անիոնների ձևավորմամբ։}

Մոնոմոլեկուլային և երկմոլեկուլային ռեակցիաներ

Նուկլեոֆիլ փոխարինումը մոնոմոլեկուլային է (SN1): Այս մեխանիզմի համաձայն՝ ընթանում է օրգանական սինթեզի կարևոր արտադրանքի՝ երրորդային բուտիլքլորիդի հիդրոլիզը։ Առաջին փուլը դանդաղ է, այն կապված է ածխածնի կատիոնի և քլորիդ անիոնի աստիճանական տարանջատման հետ։ Երկրորդ փուլն ավելի արագ է, կարբոնիումի իոնը արձագանքում է ջրի հետ։ Ալկանում հալոգենը հիդրօքսի խմբով փոխարինելու և առաջնային սպիրտ ստանալու ռեակցիայի հավասարումը. (CH₃)₃C-Cl → (CH₃)₃C⁺ + Cl^-; (CH₃)₃C⁺ + H₂O → (CH₃)₃C-OH + H^{+: Առաջնային և երկրորդային ալկիլ հալոգենիդների միաստիճան հիդրոլիզը բնութագրվում է ածխածին-հալոգեն կապի միաժամանակյա քայքայմամբ և C-OH զույգի ձևավորմամբ։ Սա նուկլեոֆիլ երկմոլեկուլային փոխարինման մեխանիզմն է (SN2):}

Հետերոլիտիկ փոխարինման մեխանիզմ

Փոխարինման մեխանիզմը կապված է էլեկտրոնի փոխանցման, ստեղծման հետմիջանկյալ համալիրներ. Ռեակցիան այնքան արագ է ընթանում, այնքան ավելի հեշտ է ձևավորվում դրան բնորոշ միջանկյալ արտադրանքները։ Հաճախ գործընթացը միաժամանակ մի քանի ուղղություններով է ընթանում։ Առավելությունը սովորաբար ձեռք է բերվում այն մասնիկները, որոնք իրենց ձևավորման համար պահանջում են էներգիայի նվազագույն ծախսեր: Օրինակ, կրկնակի կապի առկայությունը մեծացնում է ալիլ կատիոնի առաջացման հավանականությունը CH2=CH-CH₂⁺՝ համեմատած իոն CH₃ ^{+. Պատճառը բազմակի կապի էլեկտրոնային խտության մեջ է, որն ազդում է մոլեկուլով մեկ ցրված դրական լիցքի տեղակայման վրա։}

Բենզոլի փոխարինման ռեակցիաներ

Օրգանական միացությունների խումբ, որոնք բնութագրվում են էլեկտրոֆիլ փոխարինմամբ՝ արենաներով։ Բենզոլային օղակը հարմար թիրախ է էլեկտրաֆիլային հարձակման համար։ Գործընթացը սկսվում է երկրորդ ռեակտիվում կապի բևեռացումից, որի արդյունքում բենզոլային օղակի էլեկտրոնային ամպին կից ձևավորվում է էլեկտրոֆիլ: Արդյունքն անցումային համալիր է։ Դեռևս չկա էլեկտրոֆիլ մասնիկի լիարժեք կապ ածխածնի ատոմներից մեկի հետ, այն ձգվում է էլեկտրոնների «արոմատիկ վեցյակի» ողջ բացասական լիցքով։ Գործընթացի երրորդ փուլում օղակի էլեկտրոֆիլը և մեկ ածխածնի ատոմը միացված են էլեկտրոնների ընդհանուր զույգով (կովալենտային կապ): Բայց այս դեպքում ոչնչացվում է «արոմատիկ վեցյակը», ինչը անբարենպաստ է կայուն կայուն էներգետիկ վիճակի հասնելու տեսանկյունից։ Կա մի երեւույթ, որը կարելի է անվանել «պրոտոնի արտանետում»։ H+-ն անջատված է, կայունասպարեզներին հատուկ հաղորդակցման համակարգ: Ենթամթերքը պարունակում է բենզոլային օղակից ջրածնի կատիոն և երկրորդ ռեագենտի բաղադրությունից անիոն:

Օրգանական քիմիայի փոխարինման ռեակցիաների օրինակներ

Ալկանների համար հատկապես բնորոշ է փոխարինման ռեակցիան։ Էլեկտրաֆիլ և նուկլեոֆիլ փոխակերպումների օրինակներ կարելի է բերել ցիկլոալկանների և արենների համար։ Նմանատիպ ռեակցիաները օրգանական նյութերի մոլեկուլներում տեղի են ունենում նորմալ պայմաններում, բայց ավելի հաճախ՝ տաքացնելիս և կատալիզատորների առկայության դեպքում։ Էլեկտրաֆիլային փոխարինումը արոմատիկ միջուկում տարածված և լավ ուսումնասիրված գործընթացներից է։ Այս տեսակի ամենակարևոր ռեակցիաներն են՝

1. Բենզոլի նիտրացումը ազոտաթթվով H₂SO₄ - ընթանում է ըստ սխեմայի՝ C ₆ H₆ → C₆H₅-ՈՉ _2.
2. Բենզոլի, մասնավորապես քլորացման կատալիտիկ հալոգենացում՝ համաձայն հավասարման՝ C₆H₆ + Cl_{2 → C}6_H5_{Cl + HCl.}
3. Բենզոլի անուշաբույր սուլֆոնացումը առաջանում է «ծխող» ծծմբաթթվով, առաջանում են բենզոլ սուլֆոնաթթուներ։
4. Ալկիլացումը բենզոլի օղակից ջրածնի ատոմի փոխարինումն է ալկիլով:
5. Ացիլացում - կետոնների առաջացում.
6. Ֆորմիլացում - ջրածնի փոխարինում CHO խմբով և ալդեհիդների առաջացում։

Փոխարինման ռեակցիաները ներառում են ռեակցիաներ ալկաններում և ցիկլոալկաններում, որոնցում հալոգենները հարձակվում են հասանելի C-H կապի վրա: Ածանցյալների պատրաստումը կարող է կապված լինել մեկ, երկու կամ բոլոր ջրածնի ատոմների փոխարինման հետ հագեցած ածխաջրածիններում ևցիկլոպարաֆիններ. Ցածր մոլեկուլային քաշի հալոալկաններից շատերն օգտագործվում են տարբեր դասերի պատկանող ավելի բարդ նյութերի արտադրության մեջ։ Փոխարինման ռեակցիաների մեխանիզմների ուսումնասիրության մեջ ձեռք բերված առաջընթացը հզոր խթան է տվել ալկանների, ցիկլոպարաֆինների, արենների և ածխաջրածինների հալոգեն ածանցյալների վրա հիմնված սինթեզների զարգացմանը։