Көптөгөн алмаштыруу реакциялары экономикалык колдонулушу бар түрдүү кошулмаларды алууга жол ачат. Химия илиминде жана өндүрүшүндө электрофилдик жана нуклеофилдик алмаштырууга зор роль берилген. Органикалык синтезде бул процесстер бир катар өзгөчөлүктөргө ээ, аларды белгилей кетүү керек.
Химиялык кубулуштардын ар түрдүүлүгү. Алмашуу реакциялары
Заттардын өзгөрүшүнө байланышкан химиялык өзгөрүүлөр бир катар белгилери менен айырмаланат. акыркы жыйынтыктар, жылуулук таасирлери ар кандай болушу мүмкүн; кээ бир процесстер аягына чейин барат, башкаларында химиялык тең салмактуулук пайда болот. Заттардын өзгөрүшү көбүнчө кычкылдануу даражасынын жогорулашы же азайышы менен коштолот. Химиялык кубулуштарды акыркы жыйынтыгы боюнча классификациялоодо реакцияга кирүүчү заттар менен продуктылардын ортосундагы сапаттык жана сандык айырмачылыктарга көңүл бурулат. Бул өзгөчөлүктөр боюнча химиялык өзгөрүүнүн 7 түрүн, анын ичинде алмаштырууну схема боюнча ажыратууга болот: A-B + C A-C + B. Химиялык кубулуштардын бүткүл классынын жөнөкөйлөштүрүлгөн жазуусу баштапкы заттардын арасында бар экендиги жөнүндө түшүнүк берет.реагенттеги атомдун, иондун, функционалдык топтун ордун баскан "чабуулчу" бөлүкчө деп аталат. Орун алмаштыруу реакциясы каныккан жана ароматтык углеводороддор үчүн мүнөздүү.
Алмаштыруу реакциялары кош алмашуу түрүндө болушу мүмкүн: A-B + C-E A-C + B-E. Түрчөлөрдүн бири, мисалы, жез сульфатынын эритмесинен темир менен жездин жылышы: CuSO4 + Fe=FeSO4 + Cu. Атомдор, иондор же функционалдык топтор "чабуулчу" бөлүкчө ролун аткарышы мүмкүн
Гомолитикалык алмаштыруу (радикал, SR)
Коваленттик байланыштарды үзүүнүн радикалдык механизми менен ар түрдүү элементтер үчүн жалпы электрон жуп молекуланын «фрагменттеринин» арасында пропорционалдуу бөлүштүрүлөт. Эркин радикалдар пайда болот. Бул туруксуз бөлүкчөлөр, алардын стабилдешүүсү кийинки трансформациялардын натыйжасында пайда болот. Мисалы, метандан этан алынганда алмаштыруу реакциясына катышкан эркин радикалдар пайда болот: CH4 CH3• + •H; CH3• + •CH3 → С2Н5; H• + •H → H2. Берилген алмаштыруу механизми боюнча гомолитикалык байланыштын үзүлүшү алкандарга мүнөздүү, реакция чынжырлуу. Метанда Н атомдору кезектешип хлор менен алмаштырылышы мүмкүн. Бром менен реакция да ушундай эле жүрөт, бирок йод алкандардагы суутекти түз алмаштыра албайт, фтор алар менен өтө күчтүү реакцияга кирет.
Байланышты бузуунун гетеролиттик жолу
Алмаштыруу реакцияларынын иондук механизми мененэлектрондор жаңы пайда болгон бөлүкчөлөрдүн арасында бирдей эмес бөлүштүрүлөт. Байланыштуу электрон жуптары толугу менен «фрагменттердин бирине», көбүнчө ошол байланыш өнөктөшүнө барат, ал тарапка полярдык молекуладагы терс тыгыздык жылган. Орун алмаштыруу реакцияларына метил спиртинин CH3OH түзүлүшү кирет. Бромметанда CH3Br молекуланын бөлүнүшү гетеролиттик, ал эми заряддуу бөлүкчөлөр туруктуу. Метил оң зарядга ээ болуп, бром терс болот: CH3Br → CH3+ + Br-; NaOH → Na+ + OH-; CH3+ + OH- → CH3OH; Na+ + Br- ↔ NaBr.
Электрофилдер жана нуклеофилдер
Электрондору жок жана аларды кабыл ала турган бөлүкчөлөр "электрофилдер" деп аталат. Буларга галоалкандардагы галогендер менен байланышкан көмүртек атомдору кирет. Нуклеофилдерде электрондордун тыгыздыгы жогорулайт, алар коваленттик байланышты түзүүдө жуп электрондорду “беришет”. Алмаштыруу реакцияларында терс зарядга бай нуклеофилдерге электрон ачкыч электрофилдер кол салат. Бул кубулуш атомдун же башка бөлүкчөнүн - кетүүчү топтун жылышы менен байланышкан. Орун алмаштыруу реакциясынын дагы бир түрү – электрофилге нуклеофилдин чабуулу. Кээде молекулалардын кайсынысы субстрат, кайсынысы реагент экенин так аныктоо кыйын болгондуктан, эки процессти айырмалоо, алмаштырууну тигил же бул түргө таандык кылуу кыйын. Адатта, мындай учурларда,төмөнкү факторлор:
- чыгуучу топтун мүнөзү;
- нуклеофилдик реактивдүүлүк;
- эритүүчүнүн жаратылышы;
- алкил бөлүктүн түзүлүшү.
Нуклеофилдик алмаштыруу (SN)
Органикалык молекуладагы өз ара аракеттенүү процессинде поляризациянын күчөшү байкалат. Теңдемелерде жарым-жартылай оң же терс заряд грек алфавитинин тамгасы менен белгиленет. Байланыштын поляризациясы анын үзүлүшүнүн мүнөзүн жана молекуланын «фрагменттеринин» мындан аркы жүрүм-турумун баалоого мүмкүндүк берет. Мисалы, йодометандагы көмүртек атому жарым-жартылай оң зарядга ээ жана электрофилдик борбор болуп саналат. Ал ашыкча электрондор бар кычкылтек жайгашкан суу диполунун бөлүгүн өзүнө тартат. Электрофил нуклеофилдик реагент менен аракеттенгенде метанол пайда болот: CH3I + H2O → CH3 OH +HI. Нуклеофилдик алмаштыруу реакциялары терс заряддуу иондун же химиялык байланыш түзүүгө катышпаган эркин электрон жупка ээ болгон молекуланын катышуусу менен жүрөт. Йодометандын SN2-реакцияларга активдүү катышуусу анын нуклеофилдик чабуулга ачыктыгы жана йоддун мобилдүүлүгү менен түшүндүрүлөт.
Алмаштыруу электрофилдик (SE)
Органикалык молекулада электрон тыгыздыгынын ашыкча болушу менен мүнөздөлгөн нуклеофилдик борбор болушу мүмкүн. Терс заряды жок электрофилдик реагент менен реакцияга кирет. Мындай бөлүкчөлөргө эркин орбиталдары бар атомдор, электрон тыгыздыгы аз аймактары бар молекулалар кирет. ATНатрий форматында “–” заряды бар көмүртек суу диполунун оң бөлүгү менен – суутек менен өз ара аракеттенет: CH3Na + H2 O → CH 4 + NaOH. Бул электрофилдик алмаштыруу реакциясынын продуктусу метан болуп саналат. Гетеролиттик реакцияларда органикалык молекулалардын карама-каршы заряддуу борборлору өз ара аракеттенишет, бул аларды органикалык эмес заттардын химиясындагы иондорго окшош кылат. Органикалык кошулмалардын трансформациясы сейрек кездешүүчү чыныгы катиондордун жана аниондордун пайда болушу менен коштолорун эстен чыгарбоо керек.
Мономолекулалык жана бимолекулярдык реакциялар
Нуклеофилдик алмаштыруу мономолекулярдык (SN1). Бул механизм боюнча органикалык синтездин маанилүү продуктусу үчүнчү бутилхлориддин гидролизи жүрөт. Биринчи этап жай, ал карбон катионуна жана хлорид анионуна акырындык менен диссоциацияланышы менен байланышкан. Экинчи этап тезирээк, карбоний иону суу менен реакцияга кирет. Алкандагы галогенди гидрокси тобуна алмаштыруу жана биринчилик спирт алуу реакциясынын теңдемеси: (CH3)3C-Cl → (CH3)3C+ + Cl-; (CH3)3C+ + H2O → (CH3)3C-OH + H+. Биринчи жана экинчилик алкилгалогениддердин бир этаптуу гидролизи көмүртек-галогендик байланыштын бир убакта бузулушу жана С-ОН жупунун пайда болушу менен мүнөздөлөт. Бул нуклеофилдик бимолекулярдык алмаштыруунун механизми (SN2).
Гетеролиттик алмаштыруу механизми
Алмаштыруу механизми электрондун берилиши, жаралышы менен байланышканаралык комплекстер. Реакция канчалык тез жүрсө, ага мүнөздүү аралык продуктуларды түзүү ошончолук жеңил болот. Көп учурда процесс бир эле учурда бир нече багытта жүрөт. Артыкчылык, адатта, алардын пайда болушу үчүн энергиянын эң аз чыгымын талап кылган бөлүкчөлөр колдонулган жол менен алынат. Мисалы, кош байланыштын болушу аллил катионунун пайда болуу ыктымалдыгын жогорулатат CH2=CH-CH2+ ion CH3 +. Мунун себеби көп байланыштын электрон тыгыздыгында, ал молекуланын боюнда дисперстүү оң заряддын делокализациясына таасир этет.
Бензол алмаштыруу реакциялары
Электрофилдик алмаштыруу менен мүнөздөлгөн органикалык бирикмелердин тобу - ареналар. Бензол шакеги электрофилдик чабуул үчүн ыңгайлуу бута болуп саналат. Процесс экинчи реагенттеги байланыштын поляризациясынан башталат, натыйжада бензол шакекчесинин электрон булутуна жанаша электрофил пайда болот. Натыйжада өткөөл комплекс пайда болот. Электрофилдик бөлүкчөнүн көмүртек атомдорунун бири менен толук кандуу байланышы дагы деле жок, ал электрондордун “ароматтык алтылыгынын” бүт терс зарядына тартылат. Процесстин үчүнчү этабында шакекченин электрофили жана бир көмүртек атому жалпы жуп электрон (коваленттик байланыш) аркылуу туташат. Бирок бул учурда, "жыттуу алтылык" жок кылынат, бул туруктуу энергетикалык абалга жетүү үчүн жагымсыз. «Протонду чыгаруу» деп атоого боло турган кубулуш бар. H+ бөлүнгөн, туруктууаренага мүнөздүү байланыш системасы. Кошумча продукттун курамында бензол шакегинен чыккан суутек катиону жана экинчи реагенттин курамындагы анион бар.
Органикалык химиядан алмаштыруу реакцияларынын мисалдары
Алкандар үчүн алмаштыруу реакциясы өзгөчө мүнөздүү. Циклоалкандар жана арендер үчүн электрофилдик жана нуклеофилдик өзгөрүүлөрдүн мисалдарын келтирүүгө болот. Органикалык заттардын молекулаларындагы окшош реакциялар кадимки шарттарда, бирок көбүнчө ысыганда жана катализаторлордун катышуусунда болот. Ароматтык ядродогу электрофилдик алмаштыруу кеңири таралган жана жакшы изилденген процесстердин бири. Бул түрдөгү эң маанилүү реакциялар:
- Бензолду азот кислотасы менен нитрлөө H2SO4 - схема боюнча жүрөт: C 6 H6 → C6H5-NO 2.
- Бензолду каталитикалык галогендөө, атап айтканда хлордоо, теңдеме боюнча: C6H6 + Cl2 → C6H5Cl + HCl.
- Бензолдун жыпар жыттуу сульфондоосу күкүрт кислотасы менен жүрүп, бензол сульфон кислоталары пайда болот.
- Алкилдөө – бензол шакекчесиндеги суутек атомунун алкилге алмаштырылышы.
- Ациляция - кетондордун пайда болушу.
- Формилдөө - суутекти CHO тобу менен алмаштыруу жана альдегиддердин пайда болушу.
Алмаштыруу реакцияларына алкандардагы жана циклоалкандардагы реакциялар кирет, мында галогендер жеткиликтүү С-Н байланышына кол салышат. Туундуларды даярдоо каныккан углеводороддордогу бир, эки же бардык суутек атомдорун алмаштыруу менен байланыштуу болушу мүмкүн.циклопарафиндер. Төмөнкү молекулярдык галоалкандардын көбү ар кандай класстарга кирген татаал заттарды өндүрүүдө колдонулат. Орун алмаштыруу реакцияларынын механизмдерин изилдөөдө жетишилген прогресс алкандардын, циклопафиндердин, арендердин жана углеводороддордун галоген туундуларынын негизинде синтездерди иштеп чыгууга күчтүү түрткү берди.
