תגובות של החלפה: תיאור, משוואה, דוגמאות

2024 מְחַבֵּר: Angel Austin | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-02 17:47

תגובות החלפה רבות פותחות את הדרך להשגת מגוון תרכובות שיש להן יישומים כלכליים. תפקיד עצום במדע הכימי ובתעשייה ניתן להחלפה אלקטרופילית ונוקלאופילית. בסינתזה אורגנית, לתהליכים אלה יש מספר תכונות שיש לשים לב אליהם.

מגוון של תופעות כימיות. תגובות החלפה

שינויים כימיים הקשורים לטרנספורמציות של חומרים נבדלים על ידי מספר תכונות. התוצאות הסופיות, השפעות תרמיות עשויות להיות שונות; תהליכים מסוימים הולכים עד הסוף, באחרים מתרחש שיווי משקל כימי. שינוי בחומרים מלווה לרוב בעלייה או ירידה בדרגת החמצון. כאשר מסווגים תופעות כימיות לפי התוצאה הסופית שלהן, שמים לב להבדלים האיכותיים והכמותיים בין המגיבים למוצרים. על פי מאפיינים אלה, ניתן להבחין בין 7 סוגים של טרנספורמציות כימיות, כולל החלפה, לפי הסכימה: A-B + C A-C + B. תיעוד מפושט של מחלקה שלמה של תופעות כימיות נותן רעיון שבין חומרי המוצא ישנקרא חלקיק "תוקף", החלפת אטום, יון, קבוצה פונקציונלית במגיב. תגובת ההחלפה אופיינית לפחמימנים רוויים וארומטיים.

תגובות החלפה יכולות להתרחש בצורה של החלפה כפולה: A-B + C-E A-C + B-E. אחד מתת-המינים הוא עקירה, למשל, של נחושת עם ברזל מתמיסת נחושת גופרתית: CuSO₄ + Fe=FeSO_{4 + Cu. אטומים, יונים או קבוצות פונקציונליות יכולים לפעול כחלקיק "תוקף"}

החלפה הומוליטית (רדיקלית, SR)

עם המנגנון הרדיקלי של שבירת קשרים קוולנטיים, זוג אלקטרונים המשותף ליסודות שונים מופץ באופן פרופורציונלי בין ה"שברים" של המולקולה. נוצרים רדיקלים חופשיים. אלה הם חלקיקים לא יציבים, שייצובם מתרחש כתוצאה מתמורות עוקבות. לדוגמה, כאשר מתקבל אתאן מהמתאן, מופיעים רדיקלים חופשיים המשתתפים בתגובת ההחלפה: CH₄ CH₃• + •H; CH₃• + •CH_{3 → С2Н5; H• + •H → H2. שבירת הקשר ההומוליטי לפי מנגנון ההחלפה הנתון אופיינית לאלקנים, התגובה היא שרשרת. במתאן, אטומי H יכולים להיות מוחלפים ברציפות בכלור. התגובה עם ברום מתמשכת באופן דומה, אבל יוד אינו מסוגל להחליף ישירות מימן באלקנים, פלואור מגיב איתם בצורה נמרצת מדי.}

דרך הטרוליטית לשבור את הקשר

עם המנגנון היוני של תגובות החלפהאלקטרונים מחולקים בצורה לא אחידה בין החלקיקים החדשים שנוצרו. צמד האלקטרונים המקשר עובר לחלוטין לאחד ה"שברים", לרוב, לאותו שותף לקשר, שאליו הוסטה הצפיפות השלילית במולקולה הקוטבית. תגובות החלפה כוללות יצירת מתיל אלכוהול CH₃OH. בברומומתאן CH3Br, ביקוע המולקולה הוא הטרוליטי, והחלקיקים הטעונים יציבים. מתיל מקבל מטען חיובי, והברום הופך לשלילי: CH₃Br → CH₃⁺ + Br^-; NaOH → Na⁺ + OH^-; CH₃⁺ + OH^- → CH₃OH; Na⁺ + Br^{- ↔ NaBr.}

אלקטרופילים ונוקלאופילים

חלקיקים שחסרים להם אלקטרונים ויכולים לקבל אותם נקראים "אלקטרופילים". אלה כוללים אטומי פחמן הקשורים להלוגנים בהלואלקנים. לנוקלאופילים יש צפיפות אלקטרונים מוגברת, הם "תורמים" זוג אלקטרונים בעת יצירת קשר קוולנטי. בתגובות החלפה, נוקלאופילים העשירים במטענים שליליים מותקפים על ידי אלקטרופילים מורעבים באלקטרונים. תופעה זו קשורה לעקירה של אטום או חלקיק אחר - הקבוצה העוזבת. סוג אחר של תגובת החלפה היא התקפה של אלקטרופיל על ידי נוקלאופיל. לפעמים קשה להבחין בין שני תהליכים, לייחס החלפה לסוג כזה או אחר, שכן קשה לציין בדיוק מי מהמולקולות הוא המצע ומי הוא המגיב. בדרך כלל, במקרים כאלה,הגורמים הבאים:

• טבע הקבוצה העוזבת;
• תגובתיות נוקלאופיל;
• טבע הממס;
• מבנה החלק האלקיל.

תחליף נוקליאופילי (SN)

בתהליך של אינטראקציה במולקולה אורגנית, נצפית עלייה בקיטוב. במשוואות, מטען חיובי או שלילי חלקי מסומן באות של האלפבית היווני. הקיטוב של הקשר מאפשר לשפוט את אופי הקרע שלו ואת ההתנהגות הנוספת של "שברי" המולקולה. לדוגמה, לאטום הפחמן ביודומתאן יש מטען חיובי חלקי והוא מרכז אלקטרופילי. הוא מושך את החלק הזה של דיפול המים שבו נמצא חמצן, שיש בו עודף של אלקטרונים. כאשר אלקטרופיל יוצר אינטראקציה עם מגיב נוקלאופילי, נוצר מתנול: CH₃I + H₂O → CH_{3 OH +HI. תגובות החלפה נוקלאופיליות מתרחשות בהשתתפות יון מטען שלילי או מולקולה שיש לה זוג אלקטרונים חופשי שאינו מעורב ביצירת קשר כימי. ההשתתפות הפעילה של יודמתאן בתגובות SN}2 _{מוסברת על ידי הפתיחות שלו להתקפות נוקלאופיליות והניידות של יוד.}

Substitution electrophilic (SE)

מולקולה אורגנית עשויה להכיל מרכז נוקלאופילי, המאופיין בעודף צפיפות אלקטרונים. הוא מגיב עם מגיב אלקטרופילי חסר מטענים שליליים. חלקיקים כאלה כוללים אטומים עם אורביטלים חופשיים, מולקולות עם אזורים בעלי צפיפות אלקטרונים נמוכה. בְּבנתרן פורמט, פחמן עם מטען "–" יוצר אינטראקציה עם החלק החיובי של דיפול המים - עם מימן: CH₃Na + H₂ O → CH _{4 + NaOH. התוצר של תגובת החלפה אלקטרופילית זו הוא מתאן. בתגובות הטרוליטיות, מרכזים בעלי מטען הפוך של מולקולות אורגניות פועלים באינטראקציה, מה שהופך אותם דומים ליונים בכימיה של חומרים אנאורגניים. אין להתעלם מכך שהשינוי של תרכובות אורגניות מלווה רק לעתים רחוקות ביצירת קטיונים ואניונים אמיתיים.}

תגובות מונומולקולריות ובימולקולריות

תחליף נוקלאופילי הוא מונומולקולרי (SN1). לפי מנגנון זה, ההידרוליזה של תוצר חשוב של סינתזה אורגנית, בוטיל כלוריד שלישוני, ממשיכה. השלב הראשון הוא איטי, הוא קשור להתפרקות הדרגתית לקטיון קרבוניום ולאניון כלורי. השלב השני מהיר יותר, יון הקרבוניום מגיב עם מים. המשוואה לתגובה של החלפת הלוגן באלקן בקבוצת הידרוקסי וקבלת אלכוהול ראשוני: (CH₃)₃C-Cl → (CH₃)₃C⁺ + Cl^-; (CH₃)₃C⁺ + H₂O → (CH₃)₃C-OH + H^{+. הידרוליזה חד-שלבית של הלידים אלקיל ראשוניים ומשניים מאופיינת בהרס בו-זמני של קשר הפחמן-הלוגן ויצירת זוג C-OH. זהו המנגנון של תחליף דו-מולקולרי נוקלאופילי (SN2).}

מנגנון החלפה הטרוליטי

מנגנון ההחלפה קשור להעברת אלקטרון, היצירהמתחמי ביניים. התגובה ממשיכה ככל שיותר מהר, כך קל יותר ליצור את תוצרי הביניים האופייניים לה. לעתים קרובות התהליך הולך לכמה כיוונים בו זמנית. היתרון מתקבל בדרך כלל בדרך שבה נעשה שימוש בחלקיקים הדורשים את עלויות האנרגיה הנמוכות ביותר להיווצרותם. לדוגמה, נוכחות של קשר כפול מגדילה את ההסתברות להופעת קטיון אלילי CH2=CH-CH₂⁺, בהשוואה ל- יון CH₃ ^{+. הסיבה נעוצה בצפיפות האלקטרונים של הקשר המרובה, המשפיעה על דה-לוקליזציה של המטען החיובי המפוזר בכל המולקולה.}

תגובות החלפת בנזן

קבוצת תרכובות אורגניות, המאופיינות בהחלפה אלקטרופילית - זירות. טבעת הבנזן היא מטרה נוחה להתקפה אלקטרופילית. התהליך מתחיל בקיטוב של הקשר במגיב השני, וכתוצאה מכך נוצר אלקטרופיל צמוד לענן האלקטרונים של טבעת הבנזן. התוצאה היא תסביך מעבר. עדיין אין חיבור מלא של חלקיק אלקטרופילי עם אחד מאטומי הפחמן, הוא נמשך לכל המטען השלילי של "שישה ארומטיים" של אלקטרונים. בשלב השלישי של התהליך, האלקטרופיל ואטום פחמן אחד של הטבעת מחוברים על ידי זוג אלקטרונים משותף (קשר קוולנטי). אבל במקרה זה, ה"שישה הארומטית" מושמדת, וזה שלילי מנקודת המבט של השגת מצב אנרגיה בר-קיימא יציב. ישנה תופעה שאפשר לקרוא לה "פליטת פרוטונים". H+ מפוצל, יציבמערכת תקשורת ספציפית לזירות. תוצר הלוואי מכיל קטיון מימן מטבעת הבנזן ואניון מהרכב המגיב השני.

דוגמאות לתגובות החלפה מכימיה אורגנית

עבור אלקנים, תגובת ההחלפה אופיינית במיוחד. ניתן לתת דוגמאות של טרנספורמציות אלקטרופיליות ונוקלאופיליות עבור ציקלואלקנים וארינות. תגובות דומות במולקולות של חומרים אורגניים מתרחשות בתנאים רגילים, אך לעתים קרובות יותר - בחימום ובנוכחות זרזים. החלפה אלקטרופילית בגרעין הארומטי הוא אחד התהליכים הנרחבים והנחקרים היטב. התגובות החשובות ביותר מסוג זה הן:

1. ניטרציה של בנזן עם חומצה חנקתית בנוכחות H₂SO₄ - הולך לפי הסכמה: C ₆ H₆ → C₆H₅-NO _2.
2. הלוגן קטליטי של בנזן, בפרט הכלור, לפי המשוואה: C₆H₆ + Cl_{2 → C}6_H5_{Cl + HCl.}
3. סולפפון ארומטי של בנזן ממשיך עם חומצה גופרתית "מעושה", נוצרות חומצות בנזן סולפוניות.
4. אלקילציה היא החלפה של אטום מימן מטבעת הבנזן באלקיל.
5. אצילציה - היווצרות קטונים.
6. פורמילציה - החלפת מימן בקבוצת CHO ויצירת אלדהידים.

תגובות החלפה כוללות תגובות באלקנים ובציקלו-אלקנים, שבהן הלוגנים תוקפים את הקשר C-H הזמין. הכנת נגזרות עשויה להיות קשורה להחלפה של אחד, שניים או כל אטומי מימן בפחמימנים רווייםציקלופרפינים. רבים מההלואלקנים במשקל מולקולרי נמוך משמשים לייצור חומרים מורכבים יותר השייכים למעמדות שונים. ההתקדמות שהושגה בחקר מנגנוני תגובות ההחלפה נתנה תנופה חזקה לפיתוח סינתזות המבוססות על אלקנים, ציקלופרפינים, ארנים ונגזרות הלוגן של פחמימנים.