ปฏิกิริยาของการแทนที่: คำอธิบาย สมการ ตัวอย่าง

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-02 17:57

ปฏิกิริยาการแทนที่จำนวนมากเปิดทางให้ได้สารประกอบที่หลากหลายซึ่งมีประโยชน์ทางเศรษฐกิจ บทบาทอย่างมากในวิทยาศาสตร์เคมีและอุตสาหกรรมคือการทดแทนอิเล็กโทรฟิลิกและนิวคลีโอฟิลิก ในกระบวนการสังเคราะห์แบบออร์แกนิก กระบวนการเหล่านี้มีคุณลักษณะหลายอย่างที่ควรสังเกต

ปรากฏการณ์ทางเคมีที่หลากหลาย. ปฏิกิริยาการเปลี่ยนตัว

การเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนรูปของสารมีลักษณะเด่นหลายประการ ผลลัพธ์สุดท้าย ผลกระทบจากความร้อนอาจแตกต่างกัน กระบวนการบางอย่างไปถึงจุดสิ้นสุด ในขั้นตอนอื่นๆ เกิดสมดุลทางเคมีขึ้น การเปลี่ยนแปลงของสารมักจะมาพร้อมกับระดับของการเกิดออกซิเดชันที่เพิ่มขึ้นหรือลดลง เมื่อจำแนกปรากฏการณ์ทางเคมีตามผลลัพธ์สุดท้าย จะให้ความสนใจกับความแตกต่างเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณระหว่างสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ ตามคุณสมบัติเหล่านี้ การเปลี่ยนแปลงทางเคมี 7 ประเภทสามารถแยกแยะได้ รวมถึงการทดแทนตามรูปแบบ: A-B + C A-C + B บันทึกอย่างง่ายของปรากฏการณ์ทางเคมีทั้งกลุ่มทำให้คิดว่าในบรรดาสารตั้งต้นมีเรียกว่าอนุภาค "โจมตี" แทนที่อะตอม ไอออน กลุ่มฟังก์ชันในรีเอเจนต์ ปฏิกิริยาการแทนที่เป็นเรื่องปกติสำหรับไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวและอะโรมาติก

ปฏิกิริยาการแทนที่สามารถเกิดขึ้นได้ในรูปแบบของการแลกเปลี่ยนสองครั้ง: A-B + C-E A-C + B-E หนึ่งในสายพันธุ์ย่อยคือการกระจัด ตัวอย่างเช่น ของทองแดงกับเหล็กจากสารละลายของคอปเปอร์ซัลเฟต: CuSO₄ + Fe=FeSO_{4 + ลูกบาศ์ก อะตอม ไอออน หรือหมู่ฟังก์ชันสามารถทำหน้าที่เป็นอนุภาค "โจมตี"}

การแทนที่แบบโฮโมไลติก (รากเหง้า, SR)

ด้วยกลไกสุดขั้วของการทำลายพันธะโควาเลนต์ คู่อิเล็กตรอนที่มีองค์ประกอบต่างกันจะกระจายไปตาม "ชิ้นส่วน" ของโมเลกุลตามสัดส่วน เกิดอนุมูลอิสระขึ้น สิ่งเหล่านี้เป็นอนุภาคที่ไม่เสถียรซึ่งความเสถียรเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงในภายหลัง ตัวอย่างเช่น เมื่อได้รับอีเทนจากมีเธน อนุมูลอิสระปรากฏขึ้นซึ่งมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาการแทนที่: CH₄ CH₃• + •H; CH₃• + •CH_{3 → С2Н5; H• + •H → H2. พันธะโฮโมไลติกแตกตามกลไกการแทนที่ที่กำหนดเป็นลักษณะของอัลเคน ปฏิกิริยาคือลูกโซ่ ในมีเทน อะตอมของ H สามารถถูกแทนที่ด้วยคลอรีนอย่างต่อเนื่อง ปฏิกิริยากับโบรมีนดำเนินไปในทำนองเดียวกัน แต่ไอโอดีนไม่สามารถแทนที่ไฮโดรเจนในอัลเคนโดยตรงได้ ฟลูออรีนทำปฏิกิริยากับพวกมันอย่างแรงเกินไป}

วิธีสลายพันธะแบบเฮเทอโรไลติก

ด้วยกลไกไอออนิกของปฏิกิริยาการแทนที่อิเล็กตรอนมีการกระจายอย่างไม่สม่ำเสมอระหว่างอนุภาคที่สร้างขึ้นใหม่ คู่อิเล็กตรอนที่ยึดเหนี่ยวจะไปที่ "ชิ้นส่วน" อันใดอันหนึ่งโดยสมบูรณ์ ส่วนใหญ่มักจะไปที่คู่พันธะนั้น ซึ่งความหนาแน่นเชิงลบในโมเลกุลขั้วถูกเปลี่ยน ปฏิกิริยาการทดแทนรวมถึงการก่อตัวของเมทิลแอลกอฮอล์ CH₃OH ในโบรโมมีเทน CH3Br ความแตกแยกของโมเลกุลเป็นแบบเฮเทอโรไลติก และอนุภาคที่มีประจุมีความเสถียร เมทิลได้รับประจุบวก และโบรมีนกลายเป็นลบ: CH₃Br → CH₃+ ^{+ Br}-^{; NaOH → Na}+ ^{+ OH}-^{; CH}3+ ^{+ OH}- ^{→ CH}3_{OH; Na}+ ^{+ Br}- ^{↔ NaBr.}

อิเล็กโทรฟิลและนิวคลีโอไฟล์

อนุภาคที่ขาดอิเล็กตรอนและสามารถรับอิเล็กตรอนได้เรียกว่า "อิเล็กโทรฟิล" ซึ่งรวมถึงอะตอมของคาร์บอนที่ยึดติดกับฮาโลเจนในฮาโลอัลเคน นิวคลีโอไฟล์มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้น พวกมัน "บริจาค" อิเล็กตรอนคู่หนึ่งเมื่อสร้างพันธะโควาเลนต์ ในปฏิกิริยาการแทนที่ นิวคลีโอไฟล์ที่อุดมไปด้วยประจุลบจะถูกโจมตีโดยอิเล็กโทรไฟล์ที่อดอาหารด้วยอิเล็กตรอน ปรากฏการณ์นี้เกี่ยวข้องกับการกระจัดของอะตอมหรืออนุภาคอื่น - กลุ่มที่ออกไป ปฏิกิริยาการแทนที่อีกประเภทหนึ่งคือการโจมตีของอิเล็กโตรไฟล์โดยนิวคลีโอไฟล์ บางครั้งก็ยากที่จะแยกแยะระหว่างสองกระบวนการ เพื่อระบุคุณลักษณะการแทนที่เป็นประเภทใดประเภทหนึ่ง เนื่องจากเป็นการยากที่จะระบุว่าโมเลกุลใดเป็นสารตั้งต้นและตัวทำปฏิกิริยาใด โดยปกติในกรณีดังกล่าวปัจจัยต่อไปนี้:

• ลักษณะการออกจากวง;
• ปฏิกิริยานิวคลีโอไฟล์;
• ลักษณะของตัวทำละลาย;
• โครงสร้างของส่วนอัลคิล

ทดแทนนิวคลีโอฟิลิก (SN)

ในกระบวนการปฏิสัมพันธ์ในโมเลกุลอินทรีย์ จะสังเกตเห็นการเพิ่มขึ้นของโพลาไรเซชัน ในสมการ ประจุบวกหรือลบบางส่วนจะถูกทำเครื่องหมายด้วยตัวอักษรกรีก การแบ่งขั้วของพันธะทำให้สามารถตัดสินธรรมชาติของการแตกร้าวและพฤติกรรมเพิ่มเติมของ "เศษ" ของโมเลกุลได้ ตัวอย่างเช่น อะตอมของคาร์บอนในไอโอโดมีเทนมีประจุบวกบางส่วนและเป็นศูนย์กลางอิเล็กโตรฟิลลิก มันดึงดูดส่วนของไดโพลน้ำที่มีออกซิเจนซึ่งมีอิเล็กตรอนมากเกินไป เมื่ออิเล็กโตรไฟล์ทำปฏิกิริยากับสารทำปฏิกิริยานิวคลีโอฟิลิก เมทานอลจะก่อตัวขึ้น: CH₃I + H₂O → CH_{3 โอ้ +สวัสดี. ปฏิกิริยาการแทนที่นิวคลีโอฟิลิกเกิดขึ้นโดยมีส่วนร่วมของไอออนที่มีประจุลบหรือโมเลกุลที่มีคู่อิเล็กตรอนอิสระที่ไม่เกี่ยวข้องกับการสร้างพันธะเคมี การมีส่วนร่วมอย่างแข็งขันของไอโอโดมีเทนใน SN}2_{-ปฏิกิริยาอธิบายได้จากการเปิดกว้างต่อการโจมตีนิวคลีโอฟิลิกและการเคลื่อนที่ของไอโอดีน}

ไฟฟ้าทดแทน (SE)

โมเลกุลอินทรีย์อาจมีจุดศูนย์กลางนิวคลีโอฟิลิก ซึ่งมีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนมากเกินไป ทำปฏิกิริยากับรีเอเจนต์อิเล็กโทรฟิลิกที่ไม่มีประจุลบ อนุภาคดังกล่าวรวมถึงอะตอมที่มีออร์บิทัลอิสระ โมเลกุลที่มีบริเวณที่มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนต่ำ ที่ในรูปแบบโซเดียม คาร์บอนที่มีประจุ “–” ทำปฏิกิริยากับส่วนบวกของไดโพลน้ำ - กับไฮโดรเจน: CH₃Na + H₂ O → CH _{4 + NaOH. ผลคูณของปฏิกิริยาการแทนที่ด้วยไฟฟ้านี้คือมีเทน ในปฏิกิริยาเฮเทอโรไลติก ศูนย์ที่มีประจุตรงข้ามของโมเลกุลอินทรีย์มีปฏิสัมพันธ์กัน ซึ่งทำให้พวกมันคล้ายกับไอออนในเคมีของสารอนินทรีย์ ไม่ควรมองข้ามว่าการเปลี่ยนแปลงของสารประกอบอินทรีย์นั้นแทบจะไม่เกิดขึ้นพร้อมกับการก่อตัวของไพเพอร์และแอนไอออนที่แท้จริง}

ปฏิกิริยาโมเลกุลเดี่ยวและสองโมเลกุล

การแทนที่นิวคลีโอฟิลิกเป็นโมเลกุลเดี่ยว (SN1) ตามกลไกนี้การไฮโดรไลซิสของผลิตภัณฑ์ที่สำคัญของการสังเคราะห์สารอินทรีย์คือบิวทิลคลอไรด์ในระดับอุดมศึกษา ระยะแรกนั้นช้า มันสัมพันธ์กับการค่อยๆ แยกตัวออกเป็นคาร์บอนเนียมไอออนบวกและไอออนคลอไรด์ ขั้นตอนที่สองเร็วขึ้น คาร์บอนเนียมไอออนทำปฏิกิริยากับน้ำ สมการสำหรับปฏิกิริยาของการแทนที่ฮาโลเจนในอัลเคนด้วยหมู่ไฮดรอกซีและได้แอลกอฮอล์หลัก: (CH₃)₃C-Cl → (CH₃)₃C⁺ + Cl^-; (CH₃)₃C⁺ + H₂O → (CH₃)₃C-OH + H^{+. การไฮโดรไลซิสแบบขั้นตอนเดียวของอัลคิลเฮไลด์ปฐมภูมิและทุติยภูมิมีลักษณะเฉพาะโดยการทำลายพันธะคาร์บอน-ฮาโลเจนพร้อมกันและการก่อตัวของคู่ C-OH นี่คือกลไกของการแทนที่นิวคลีโอฟิลิกไบโมเลกุล (SN2)}

กลไกการแทนที่เฮเทอโรไลติก

กลไกการแทนที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนอิเล็กตรอน การสร้างคอมเพล็กซ์ระดับกลาง ปฏิกิริยาดำเนินไปเร็วขึ้น ง่ายต่อการสร้างลักษณะผลิตภัณฑ์ขั้นกลางของมัน บ่อยครั้งที่กระบวนการดำเนินไปในหลายทิศทางพร้อมกัน ข้อได้เปรียบมักจะได้มาจากวิธีการใช้อนุภาคที่ต้องการพลังงานน้อยที่สุดในการก่อตัว ตัวอย่างเช่น การปรากฏตัวของพันธะคู่เพิ่มความน่าจะเป็นของการปรากฏตัวของอัลลิลไอออน CH2=CH-CH₂⁺ เมื่อเทียบกับ ไอออน CH₃ ^{+. เหตุผลอยู่ที่ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนของพันธะพหุคูณ ซึ่งส่งผลต่อการกระจายตัวของประจุบวกที่กระจายไปทั่วโมเลกุล}

ปฏิกิริยาเปลี่ยนเบนซีน

กลุ่มของสารประกอบอินทรีย์ที่มีลักษณะการทดแทนอิเล็กโตรฟิลิก - arenas วงแหวนเบนซินเป็นเป้าหมายที่สะดวกสำหรับการโจมตีด้วยไฟฟ้า กระบวนการนี้เริ่มต้นด้วยการแยกขั้วของพันธะในสารตั้งต้นที่สอง ทำให้เกิดอิเล็กโทรฟิลที่อยู่ติดกับเมฆอิเล็กตรอนของวงแหวนเบนซีน ผลที่ได้คือความซับซ้อนในช่วงเปลี่ยนผ่าน ยังไม่มีการเชื่อมต่อที่สมบูรณ์ของอนุภาคอิเล็กโตรฟิลลิกกับอะตอมของคาร์บอนตัวใดตัวหนึ่ง แต่ถูกดึงดูดไปยังประจุลบทั้งหมดของอิเล็กตรอน "อะโรมาติกหก" ในขั้นตอนที่สามของกระบวนการ อิเล็กโทรฟิลและอะตอมของคาร์บอนหนึ่งอะตอมของวงแหวนเชื่อมต่อกันด้วยอิเล็กตรอนคู่หนึ่ง (พันธะโควาเลนต์) แต่ในกรณีนี้ "อะโรมาติกหก" จะถูกทำลาย ซึ่งไม่เอื้ออำนวยจากมุมมองของการบรรลุสถานะพลังงานที่ยั่งยืนที่มั่นคง มีปรากฏการณ์ที่เรียกว่า "การดีดโปรตอน" H+ แยกออก เสถียรระบบการสื่อสารเฉพาะในอารีน่า ผลพลอยได้ประกอบด้วยไฮโดรเจนไอออนบวกจากวงแหวนเบนซีนและแอนไอออนจากองค์ประกอบของรีเอเจนต์ที่สอง

ตัวอย่างปฏิกิริยาการแทนที่จากเคมีอินทรีย์

สำหรับอัลเคน ปฏิกิริยาการแทนที่มีลักษณะเฉพาะเป็นพิเศษ ตัวอย่างของการเปลี่ยนแปลงอิเล็กโตรฟิลิกและนิวคลีโอฟิลิกสามารถให้ได้สำหรับไซโคลแอลเคนและแอรีน ปฏิกิริยาที่คล้ายกันในโมเลกุลของสารอินทรีย์เกิดขึ้นภายใต้สภาวะปกติ แต่บ่อยครั้งกว่า - เมื่อถูกความร้อนและต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยา การแทนที่อิเล็กโทรฟิลิกในนิวเคลียสอะโรมาติกเป็นหนึ่งในกระบวนการที่แพร่หลายและได้รับการศึกษามาเป็นอย่างดี ปฏิกิริยาที่สำคัญที่สุดของประเภทนี้คือ:

1. ไนเตรตของเบนซินกับกรดไนตริกต่อหน้า H₂SO₄ - เป็นไปตามโครงการ: C ₆ H₆ → C₆H₅-NO _2.
2. ตัวเร่งปฏิกิริยาของน้ำมันเบนซิน โดยเฉพาะคลอรีน ตามสมการ: C₆H₆ + Cl_{2 → C}6_H5_{Cl + HCl.}
3. น้ำมันเบนซินอะโรมาติกทำให้เกิดกรดซัลฟิวริก "ควัน" ทำให้เกิดกรดเบนซีนซัลโฟนิก
4. อัลคิเลชั่นเป็นการแทนที่อะตอมไฮโดรเจนจากวงแหวนเบนซีนด้วยอัลคิล
5. Acylation - การก่อตัวของคีโตน
6. การขึ้นรูป - การแทนที่ไฮโดรเจนด้วยหมู่ CHO และการก่อตัวของอัลดีไฮด์

ปฏิกิริยาการแทนที่รวมถึงปฏิกิริยาในอัลเคนและไซโคลอัลเคน ซึ่งฮาโลเจนโจมตีพันธะ C-H ที่มีอยู่ การเตรียมอนุพันธ์อาจเกี่ยวข้องกับการแทนที่ไฮโดรเจนอะตอมหนึ่ง สองหรือทั้งหมดในไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวและไซโคลพาราฟิน ฮาโลอัลเคนที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำจำนวนมากใช้ในการผลิตสารที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งอยู่ในประเภทต่างๆ ความก้าวหน้าที่ทำได้ในการศึกษากลไกของปฏิกิริยาการแทนที่ทำให้เกิดแรงผลักดันอันทรงพลังต่อการพัฒนาการสังเคราะห์โดยอาศัยอัลเคน ไซโคลพาราฟิน อารีน และอนุพันธ์ฮาโลเจนของไฮโดรคาร์บอน