تفاعلات الاستبدال: الوصف ، المعادلة ، الأمثلة

2024 مؤلف: Angel Austin | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-02 17:40

العديد من تفاعلات الاستبدال تفتح الطريق للحصول على مجموعة متنوعة من المركبات التي لها تطبيقات اقتصادية. يتم إعطاء دور كبير في العلوم الكيميائية والصناعة لإحلال الإلكتروفيليك والنووي. في التركيب العضوي ، تحتوي هذه العمليات على عدد من الميزات التي يجب ملاحظتها.

مجموعة متنوعة من الظواهر الكيميائية. تفاعلات الاستبدال

تتميز التغيرات الكيميائية المرتبطة بتحولات المواد بعدد من الميزات. النتائج النهائية ، قد تكون التأثيرات الحرارية مختلفة ؛ بعض العمليات تصل إلى النهاية ، وفي حالات أخرى يحدث التوازن الكيميائي. غالبًا ما يكون التغيير في المواد مصحوبًا بزيادة أو نقصان في درجة الأكسدة. عند تصنيف الظواهر الكيميائية وفقًا لنتائجها النهائية ، يتم الاهتمام بالاختلافات النوعية والكمية بين المواد المتفاعلة والمنتجات. وفقًا لهذه الميزات ، يمكن تمييز 7 أنواع من التحولات الكيميائية ، بما في ذلك الاستبدال ، باتباع المخطط: A-B + C A-C + B. السجل المبسط لفئة كاملة من الظواهر الكيميائية يعطي فكرة أنه من بين المواد الأولية هناكيسمى "مهاجمة" الجسيمات ، لتحل محل ذرة ، أيون ، مجموعة وظيفية في الكاشف. تفاعل الاستبدال نموذجي للهيدروكربونات المشبعة والعطرية.

يمكن أن تحدث تفاعلات الاستبدال في شكل تبادل مزدوج: A-B + C-E A-C + B-E. أحد الأنواع الفرعية هو الإزاحة ، على سبيل المثال ، النحاس بالحديد من محلول كبريتات النحاس: CuSO₄+ Fe=FeSO_{4+ النحاس. يمكن للذرات أو الأيونات أو المجموعات الوظيفية أن تعمل كجسيم "مهاجم"}

الاستبدال المتماثل (جذري ، SR)

مع الآلية الجذرية لكسر الروابط التساهمية ، يتم توزيع زوج الإلكترون المشترك بين عناصر مختلفة بشكل متناسب بين "شظايا" الجزيء. تتشكل الجذور الحرة. هذه جزيئات غير مستقرة ، يحدث استقرارها نتيجة للتحولات اللاحقة. على سبيل المثال ، عندما يتم الحصول على الإيثان من الميثان ، تظهر الجذور الحرة التي تشارك في تفاعل الاستبدال: CH₄CH₃• + • H ؛ CH₃• + • CH_{3→ С2Н5 ؛ H • + • H → H2. إن كسر الرابطة المتجانسة وفقًا لآلية الاستبدال المحددة هو سمة من سمات الألكانات ، ويكون التفاعل سلسلة. في الميثان ، يمكن استبدال ذرات H على التوالي بالكلور. يستمر التفاعل مع البروم بالمثل ، لكن اليود غير قادر على استبدال الهيدروجين مباشرة في الألكانات ، يتفاعل الفلور معها بقوة.}

طريقة غير متجانسة لكسر الرابطة

مع الآلية الأيونية لتفاعلات الاستبداليتم توزيع الإلكترونات بشكل غير متساو بين الجسيمات المشكلة حديثًا. ينتقل زوج الإلكترونات الملزمة بالكامل إلى إحدى "الأجزاء" ، في أغلب الأحيان ، إلى شريك الرابطة هذا ، حيث تم تحويل الكثافة السالبة في الجزيء القطبي. تتضمن تفاعلات الاستبدال تكوين كحول الميثيل CH₃OH. في برومو ميثان CH3Br ، يكون انقسام الجزيء مغاير ، والجسيمات المشحونة مستقرة. يكتسب الميثيل شحنة موجبة ، ويصبح البروم سالبًا: CH₃Br → CH₃⁺+ Br^-؛ NaOH → Na⁺+ OH^-؛ CH₃⁺+ OH^-→ CH₃OH ؛ نا⁺+ Br^{-↔ نبر.}

محبي الالكترونيات و nucleophiles

الجسيمات التي تفتقر إلى الإلكترونات ويمكن أن تقبلها تسمى "Electrophiles". وتشمل ذرات الكربون المرتبطة بالهالوجينات في هالو ألكانات. تمتلك النيوكليوفيل كثافة إلكترون متزايدة ، فهي "تتبرع" بزوج من الإلكترونات عند تكوين رابطة تساهمية. في تفاعلات الاستبدال ، تتعرض النيوكليوفيلات الغنية بالشحنات السالبة للهجوم من قبل الإلكترونات المتعطشة للإلكترون. ترتبط هذه الظاهرة بإزاحة ذرة أو جسيم آخر - المجموعة الخارجة. نوع آخر من رد فعل الاستبدال هو هجوم إلكتروفيل من قبل نيوكليوفيل. يصعب أحيانًا التمييز بين عمليتين ، لإسناد الاستبدال إلى نوع أو آخر ، نظرًا لأنه من الصعب تحديد أي من الجزيئات هو الركيزة وأيها هو الكاشف. عادة ، في مثل هذه الحالات ،العوامل التالية:

• طبيعة المجموعة المغادرة
• تفاعلية النواة ؛
• طبيعة المذيب
• هيكل الجزء الألكيل

استبدال النواة (SN)

في عملية التفاعل في جزيء عضوي ، لوحظ زيادة في الاستقطاب. في المعادلات ، يتم تمييز الشحنة الجزئية الموجبة أو السالبة بحرف من الأبجدية اليونانية. يجعل استقطاب الرابطة من الممكن الحكم على طبيعة تمزقها والسلوك الإضافي "لشظايا" الجزيء. على سبيل المثال ، تحتوي ذرة الكربون في اليودوميثان على شحنة موجبة جزئية وهي مركز محب للكهرباء. يجذب ذلك الجزء من ثنائي القطب المائي حيث يوجد الأكسجين ، الذي يحتوي على فائض من الإلكترونات. عندما يتفاعل محبب كهربائي مع كاشف نووي ، يتشكل الميثانول: CH₃I + H₂O → CH_{3 أوه + مرحبا. تحدث تفاعلات الاستبدال النوكليوفيلي بمشاركة أيون سالب الشحنة أو جزيء يحتوي على زوج إلكترون حر لا يشارك في تكوين رابطة كيميائية. تفسر المشاركة النشطة لليودوميثان في ردود الفعل SN}2_{من خلال انفتاحها على هجوم محب للأنوية وتنقل اليود.}

الاستبدال الكهربائي (SE)

قد يحتوي الجزيء العضوي على مركز محب للنواة ، والذي يتميز بزيادة كثافة الإلكترون. يتفاعل مع كاشف كهربائي يفتقر إلى الشحنات السالبة. تشتمل هذه الجسيمات على ذرات ذات مدارات حرة ، وجزيئات ذات مناطق ذات كثافة إلكترون منخفضة. فيفي فورمات الصوديوم ، يتفاعل الكربون الذي يحتوي على شحنة "-" مع الجزء الموجب من ثنائي القطب المائي - مع الهيدروجين: CH₃Na + H₂O → CH_{4+ هيدروكسيد الصوديوم. ناتج تفاعل الاستبدال الكهربائي هذا هو الميثان. في تفاعلات الحالة غير المتجانسة ، تتفاعل مراكز الجزيئات العضوية ذات الشحنة المعاكسة ، مما يجعلها مشابهة للأيونات في كيمياء المواد غير العضوية. لا ينبغي إغفال أن تحول المركبات العضوية نادرًا ما يكون مصحوبًا بتكوين الكاتيونات والأنيونات الحقيقية.}

تفاعلات جزيئية وجزيئية

استبدال النيوكليوفيليك أحادي الجزيء (SN1). وفقًا لهذه الآلية ، يستمر التحلل المائي لمنتج مهم للتخليق العضوي ، وهو كلوريد بيوتيل ثلاثي. المرحلة الأولى بطيئة ، وترتبط بالتفكك التدريجي في كاتيون الكربون وأنيون الكلوريد. المرحلة الثانية أسرع ، يتفاعل أيون الكربون مع الماء. معادلة تفاعل استبدال الهالوجين في ألكان بمجموعة هيدروكسي والحصول على كحول أولي: (CH₃)₃C-Cl → (CH₃)₃C⁺+ Cl^-؛ (CH₃)₃C⁺+ H₂O → (CH₃)₃C-OH + H^{+. يتميز التحلل المائي أحادي المرحلة لهاليدات الألكيل الأولية والثانوية بالتدمير المتزامن لرابطة الكربون والهالوجين وتشكيل زوج C-OH. هذه هي آلية الاستبدال الجزيئي للنيوكليوفيليك (SN2).}

آلية الاستبدال غير المتجانسة

آلية الاستبدال مرتبطة بنقل الإلكترون ، الخلقمجمعات وسيطة. يستمر التفاعل بشكل أسرع ، كلما كان من الأسهل تكوين المنتجات الوسيطة المميزة له. غالبًا ما تسير العملية في عدة اتجاهات في نفس الوقت. عادة ما يتم الحصول على الميزة من خلال الطريقة التي تستخدم بها الجسيمات التي تتطلب أقل تكاليف الطاقة لتكوينها. على سبيل المثال ، يؤدي وجود رابطة مزدوجة إلى زيادة احتمالية ظهور الكاتيون الأليل CH2=CH-CH₂⁺، مقارنةً بـ أيون CH₃^{+. يكمن السبب في كثافة الإلكترون للرابطة المتعددة ، مما يؤثر على عدم تموضع الشحنة الموجبة المنتشرة في جميع أنحاء الجزيء.}

تفاعلات استبدال البنزين

مجموعة المركبات العضوية التي تتميز بإحلال الإلكتروفيليك - الساحات. حلقة البنزين هدف مناسب للهجوم الكهربائي. تبدأ العملية باستقطاب الرابطة في المادة المتفاعلة الثانية ، مما يؤدي إلى تكوين غلاف كهربائي مجاور لسحابة الإلكترون في حلقة البنزين. والنتيجة هي عقدة انتقالية. لا يوجد حتى الآن اتصال كامل لجسيم محب للكهرباء مع إحدى ذرات الكربون ، فهو ينجذب إلى الشحنة السالبة الكاملة لـ "العطرية الست" للإلكترونات. في المرحلة الثالثة من العملية ، يتم توصيل المحبب الكهربائي وذرة كربون واحدة في الحلقة بواسطة زوج مشترك من الإلكترونات (الرابطة التساهمية). ولكن في هذه الحالة ، يتم تدمير "العطريات الست" ، وهو أمر غير موات من وجهة نظر تحقيق حالة طاقة مستدامة ومستقرة. هناك ظاهرة يمكن أن تسمى "طرد البروتون". H+مقسم ومستقرنظام اتصالات خاص بالساحات. يحتوي المنتج الثانوي على كاتيون هيدروجين من حلقة البنزين وأنيون من تكوين الكاشف الثاني.

أمثلة على تفاعلات الاستبدال من الكيمياء العضوية

بالنسبة للألكانات ، يكون تفاعل الاستبدال مميزًا بشكل خاص. يمكن إعطاء أمثلة على التحولات المحبة للكهرباء والنووية في حالة الألكانات الحلقية والأرينات. تحدث تفاعلات مماثلة في جزيئات المواد العضوية في ظل الظروف العادية ، ولكن في كثير من الأحيان - عند تسخينها وفي وجود محفزات. الاستعاضة الكهربية في النواة العطرية هي واحدة من العمليات المنتشرة والمدروسة جيدًا. أهم ردود الفعل من هذا النوع هي:

1. نترات البنزين مع حمض النيتريك في وجود H₂SO₄- تسير وفقًا للمخطط: C₆H₆→ C₆H₅-لا_2.
2. الهالوجين التحفيزي للبنزين ، ولا سيما الكلورة ، وفقًا للمعادلة: C₆H₆+ Cl 2 → C₆H₅Cl + HCl.
3. تستمر السلفنة العطرية للبنزين مع حمض الكبريتيك "المدخن" ، وتتشكل أحماض البنزين السلفونيك.
4. الألكلة هي استبدال ذرة الهيدروجين من حلقة البنزين بألكيل.
5. أسيلة - تكون الكيتونات.
6. الصيغة - استبدال الهيدروجين بمجموعة CHO وتشكيل الألدهيدات.

تفاعلات الاستبدال تتضمن تفاعلات في الألكانات وسيكلو ألكانات ، حيث تهاجم الهالوجينات رابطة الكربون الهيدروجينية المتاحة. قد يترافق تحضير المشتقات مع استبدال ذرة أو اثنتين أو كل ذرات الهيدروجين في الهيدروكربونات المشبعة والسيكلوبارافينات. يتم استخدام العديد من هالو ألكانات منخفضة الوزن الجزيئي في إنتاج مواد أكثر تعقيدًا تنتمي إلى فئات مختلفة. أعطى التقدم المحرز في دراسة آليات تفاعلات الاستبدال دفعة قوية لتطوير التوليفات القائمة على الألكانات والسيكلوبرافينات والأرينات ومشتقات الهالوجين للهيدروكربونات.