Koʻpgina almashtirish reaksiyalari iqtisodiy qoʻllanilishiga ega boʻlgan turli birikmalarni olish yoʻlini ochadi. Kimyo fani va sanoatda elektrofil va nukleofil almashtirishga katta ahamiyat beriladi. Organik sintezda bu jarayonlar e'tiborga olinishi kerak bo'lgan bir qator xususiyatlarga ega.
Ximiyaviy hodisalarning xilma-xilligi. Almashtirish reaksiyalari
Maddalarning oʻzgarishi bilan bogʻliq kimyoviy oʻzgarishlar bir qancha belgilari bilan ajralib turadi. Yakuniy natijalar, termal effektlar boshqacha bo'lishi mumkin; ba'zi jarayonlar oxirigacha boradi, boshqalarida kimyoviy muvozanat yuzaga keladi. Moddalarning o'zgarishi ko'pincha oksidlanish darajasining oshishi yoki pasayishi bilan birga keladi. Kimyoviy hodisalarni ularning yakuniy natijasiga ko'ra tasniflashda reaktivlar va mahsulotlar o'rtasidagi sifat va miqdoriy farqlarga e'tibor beriladi. Ushbu belgilarga ko'ra kimyoviy o'zgarishlarning 7 turini ajratish mumkin, shu jumladan, sxema bo'yicha almashtirish: A-B + C A-C + B. Kimyoviy hodisalarning butun sinfini soddalashtirilgan qayd etish boshlang'ich moddalar orasida borligi haqida fikr beradi.reaktivdagi atom, ion, funktsional guruh o'rnini bosuvchi "hujum qiluvchi" zarracha deb ataladi. Almashtirish reaksiyasi toʻyingan va aromatik uglevodorodlar uchun xosdir.
Oʻrin almashish reaksiyalari qoʻsh almashinuv koʻrinishida sodir boʻlishi mumkin: A-B + C-E A-C + B-E. Kichik turlardan biri, masalan, misning mis sulfat eritmasidan temir bilan siljishi: CuSO4 + Fe=FeSO4 + Cu. Atomlar, ionlar yoki funktsional guruhlar "hujum qiluvchi" zarracha rolini o'ynashi mumkin
Gomolitik almashtirish (radikal, SR)
Kovalent aloqalarni uzishning radikal mexanizmi bilan turli elementlar uchun umumiy bo'lgan elektron juftlik molekulaning "bo'laklari" o'rtasida mutanosib ravishda taqsimlanadi. Erkin radikallar hosil bo'ladi. Bu barqaror bo'lmagan zarralar bo'lib, ularning barqarorlashuvi keyingi transformatsiyalar natijasida yuzaga keladi. Masalan, metandan etan olinsa, almashtirish reaksiyasida ishtirok etadigan erkin radikallar paydo bo'ladi: CH4 CH3• + •H; CH3• + •CH3 → S2N5; H• + •H → H2. Berilgan almashtirish mexanizmi bo'yicha gomolitik bog'lanishning uzilishi alkanlarga xos bo'lib, reaktsiya zanjirli. Metanda H atomlari ketma-ket xlor bilan almashtirilishi mumkin. Brom bilan reaksiya ham xuddi shunday davom etadi, lekin yod alkanlardagi vodorodni toʻgʻridan-toʻgʻri almashtira olmaydi, ftor ular bilan juda kuchli reaksiyaga kirishadi.
Aloqani buzishning geterolitik usuli
Almashtirish reaksiyalarining ion mexanizmi bilanelektronlar yangi hosil bo'lgan zarralar orasida notekis taqsimlanadi. Bog'langan elektron juftligi to'liq "bo'laklardan" biriga, ko'pincha qutb molekulasidagi manfiy zichlik siljigan aloqa sherigiga o'tadi. Oʻrin almashish reaksiyalariga metil spirti CH3OH hosil boʻlishi kiradi. Bromometan CH3Brda molekulaning parchalanishi geterolitik, zaryadlangan zarrachalar esa barqaror. Metil musbat zaryad oladi va brom manfiy bo'ladi: CH3Br → CH3+ + Br-; NaOH → Na+ + OH-; CH3+ + OH- → CH3OH; Na+ + Br- ↔ NaBr.
Elektrofillar va nukleofillar
Elektronlari yetishmaydigan va ularni qabul qila oladigan zarralar "elektrofillar" deb ataladi. Bularga haloalkanlardagi galogenlar bilan bog'langan uglerod atomlari kiradi. Nukleofillar ortib borayotgan elektron zichligiga ega, ular kovalent bog'lanishni yaratishda bir juft elektronni "ehson qiladilar". Almashtirish reaksiyalarida manfiy zaryadlarga boy nukleofillar elektron ochlikdan mahrum bo'lgan elektrofillar tomonidan hujumga uchraydi. Bu hodisa atom yoki boshqa zarrachaning - tark etuvchi guruhning siljishi bilan bog'liq. Almashtirish reaksiyasining yana bir turi - nukleofilning elektrofilga hujumi. Ba'zan ikkita jarayonni farqlash, almashtirishni u yoki bu turga bog'lash qiyin, chunki molekulalarning qaysi biri substrat va qaysi biri reagent ekanligini aniq belgilash qiyin. Odatda, bunday hollarda,quyidagi omillar:
- chirgan guruhning tabiati;
- nukleofil reaktivligi;
- erituvchining tabiati;
- alkil qismining tuzilishi.
Nukleofil almashtirish (SN)
Organik molekulada o'zaro ta'sir qilish jarayonida qutblanishning kuchayishi kuzatiladi. Tenglamalarda qisman musbat yoki manfiy zaryad yunon alifbosining harfi bilan belgilanadi. Bog'lanishning qutblanishi uning yorilishi tabiatini va molekula "bo'laklari" ning keyingi xatti-harakatlarini baholashga imkon beradi. Masalan, yodometandagi uglerod atomi qisman musbat zaryadga ega va elektrofil markazdir. U kislorodning ortiqcha elektronlari bo'lgan suv dipolining o'sha qismini o'ziga tortadi. Elektrofil nukleofil reaktiv bilan o'zaro ta'sirlashganda metanol hosil bo'ladi: CH3I + H2O → CH3 OH +HI. Nukleofil almashinish reaksiyalari manfiy zaryadlangan ion yoki kimyoviy bog`lanishda ishtirok etmaydigan erkin elektron juftiga ega bo`lgan molekula ishtirokida sodir bo`ladi. Yodometanning SN2-reaksiyalarida faol ishtirok etishi uning nukleofil hujumga ochiqligi va yodning harakatchanligi bilan izohlanadi.
Almashtirish elektrofil (SE)
Organik molekulada nukleofil markaz boʻlishi mumkin, bu markaz elektron zichligining ortishi bilan tavsiflanadi. U manfiy zaryadga ega bo'lmagan elektrofil reagent bilan reaksiyaga kirishadi. Bunday zarralarga erkin orbitalli atomlar, elektron zichligi past bo'lgan molekulalar kiradi. DANatriy formatida “–” zaryadli uglerod suv dipolining musbat qismi – vodorod bilan oʻzaro taʼsir qiladi: CH3Na + H2 O → CH 4 + NaOH. Ushbu elektrofil almashtirish reaktsiyasining mahsuloti metandir. Geterolitik reaktsiyalarda organik molekulalarning qarama-qarshi zaryadlangan markazlari o'zaro ta'sir qiladi, bu ularni noorganik moddalar kimyosidagi ionlarga o'xshash qiladi. Organik birikmalarning o'zgarishi kamdan-kam hollarda haqiqiy kationlar va anionlarning hosil bo'lishi bilan birga bo'lishini e'tibordan chetda qoldirmaslik kerak.
Monomolekulyar va bimolekulyar reaksiyalar
Nukleofil almashtirish monomolekulyar (SN1). Ushbu mexanizmga ko'ra, organik sintezning muhim mahsuloti uchinchi darajali butilxloridning gidrolizi davom etadi. Birinchi bosqich sekin, u asta-sekin karboniy kationiga va xlorid anioniga ajralishi bilan bog'liq. Ikkinchi bosqich tezroq, karboniy ioni suv bilan reaksiyaga kirishadi. Alkandagi galogenni gidroksid guruhiga almashtirish va birlamchi spirt olish reaksiyasi tenglamasi: (CH3)3C-Cl → (CH3)3C+ + Cl-; (CH3)3C+ + H2O → (CH3)3C-OH + H+. Birlamchi va ikkilamchi alkilgalogenidlarning bir bosqichli gidrolizi bir vaqtning o'zida uglerod-galogen bog'ining buzilishi va C-OH juftligini hosil qilish bilan tavsiflanadi. Bu nukleofil bimolekulyar almashtirish mexanizmi (SN2).
Geterolitik almashtirish mexanizmi
Almashtirish mexanizmi elektronni o'tkazish, yaratilish bilan bog'liqoraliq komplekslar. Reaktsiya qanchalik tez davom etsa, unga xos bo'lgan oraliq mahsulotlarni hosil qilish osonroq bo'ladi. Ko'pincha jarayon bir vaqtning o'zida bir necha yo'nalishda ketadi. Afzallik, odatda, ularning hosil bo'lishi uchun eng kam energiya sarfini talab qiladigan zarrachalardan foydalanish yo'li bilan olinadi. Masalan, qo'sh bog'ning mavjudligi allil kationining paydo bo'lish ehtimolini oshiradi CH2=CH-CH2+ ion CH3 +. Buning sababi ko'p bog'lanishning elektron zichligidadir, bu molekula bo'ylab tarqalgan musbat zaryadning delokalizatsiyasiga ta'sir qiladi.
Benzol almashtirish reaktsiyalari
Organik birikmalar guruhi, ular elektrofil almashtirish bilan tavsiflanadi - arenalar. Benzol halqasi elektrofil hujumi uchun qulay nishondir. Jarayon ikkinchi reaktivda bog'lanishning qutblanishi bilan boshlanadi, natijada benzol halqasining elektron bulutiga qo'shni elektrofil hosil bo'ladi. Natijada o'tish davri kompleksi paydo bo'ladi. Elektrofil zarrachaning uglerod atomlaridan biri bilan to'liq aloqasi hali ham mavjud emas, u elektronlarning "aromatik oltiligi" ning butun salbiy zaryadiga tortiladi. Jarayonning uchinchi bosqichida halqaning elektrofil va bitta uglerod atomi umumiy elektron juftligi (kovalent aloqa) bilan bog'lanadi. Ammo bu holda, "aromatik oltilik" yo'q qilinadi, bu barqaror barqaror energiya holatiga erishish nuqtai nazaridan noqulaydir. "Protonning chiqishi" deb atash mumkin bo'lgan hodisa mavjud. H+ ajratilgan, barqarorarenalarga xos aloqa tizimi. Qo‘shimcha mahsulot tarkibida benzol halqasidan vodorod kationi va ikkinchi reaktiv tarkibidagi anion mavjud.
Organik kimyodan almashtirish reaksiyalariga misollar
Alkanlar uchun o`rin almashish reaksiyasi ayniqsa xarakterlidir. Sikloalkanlar va arenlar uchun elektrofil va nukleofil transformatsiyalarga misollar keltirish mumkin. Organik moddalar molekulalarida shunga o'xshash reaktsiyalar normal sharoitda, lekin tez-tez - qizdirilganda va katalizatorlar ishtirokida sodir bo'ladi. Aromatik yadrodagi elektrofil almashinuvi keng tarqalgan va yaxshi o'rganilgan jarayonlardan biridir. Ushbu turdagi eng muhim reaktsiyalar:
- H2SO4 ishtirokida benzolni nitrat kislota bilan nitrlash - sxema bo'yicha ketadi: C 6 H6 → C6H5-NO 2.
- Benzolni katalitik halogenlash, xususan, xlorlash, tenglama bo'yicha: C6H6 + Cl2 → C6H5Cl + HCl.
- Benzolning aromatik sulfonlanishi sulfat kislotaning "tumanlanishi" bilan boradi, benzol sulfonik kislotalar hosil bo'ladi.
- Alkillanish - bu benzol halqasidan vodorod atomini alkil bilan almashtirish.
- Asillanish - ketonlarning hosil bo'lishi.
- Formillanish - vodorodni CHO guruhi bilan almashtirish va aldegidlar hosil bo'lishi.
Oʻrin almashish reaksiyalariga alkanlar va sikloalkanlardagi reaksiyalar kiradi, bunda halogenlar mavjud C-H bogʻlanishiga hujum qiladi. Hosilalarni tayyorlash to'yingan uglevodorodlar va uglevodorodlardagi bir, ikkita yoki barcha vodorod atomlarini almashtirish bilan bog'liq bo'lishi mumkin.sikloparafinlar. Ko'pgina past molekulyar og'irlikdagi haloalkanlar turli sinflarga tegishli bo'lgan murakkabroq moddalarni ishlab chiqarishda qo'llaniladi. Oʻrin almashish reaksiyalari mexanizmlarini oʻrganishda erishilgan yutuqlar alkanlar, sikloparafinlar, arenlar va uglevodorodlarning galogen hosilalari asosida sintezlar rivojlanishiga kuchli turtki berdi.
