ჩანაცვლების რეაქციები: აღწერა, განტოლება, მაგალითები

2024 ავტორი: Angel Austin | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-02 17:50

ბევრი ჩანაცვლებითი რეაქცია ხსნის გზას სხვადასხვა ნაერთების მისაღებად, რომლებსაც აქვთ ეკონომიკური გამოყენება. ქიმიურ მეცნიერებასა და მრეწველობაში უდიდესი როლი ენიჭება ელექტროფილურ და ნუკლეოფილურ ჩანაცვლებას. ორგანულ სინთეზში ამ პროცესებს აქვთ მთელი რიგი მახასიათებლები, რომლებიც უნდა აღინიშნოს.

ქიმიური ფენომენების მრავალფეროვნება. ჩანაცვლების რეაქციები

ნივთიერებების გარდაქმნასთან დაკავშირებული ქიმიური ცვლილებები გამოირჩევა მთელი რიგი მახასიათებლებით. საბოლოო შედეგები, თერმული ეფექტი შეიძლება იყოს განსხვავებული; ზოგიერთი პროცესი ბოლომდე მიდის, ზოგიერთში კი ქიმიური წონასწორობა ხდება. ნივთიერებების ცვლილებას ხშირად თან ახლავს დაჟანგვის ხარისხის მატება ან შემცირება. ქიმიური ფენომენების საბოლოო შედეგის მიხედვით კლასიფიცირებისას ყურადღება ეთმობა ხარისხობრივ და რაოდენობრივ განსხვავებებს რეაგენტებსა და პროდუქტებს შორის. ამ მახასიათებლების მიხედვით შეიძლება განვასხვავოთ ქიმიური გარდაქმნების 7 ტიპი, მათ შორის ჩანაცვლება, სქემის მიხედვით: A-B + C A-C + B. ქიმიური ფენომენების მთელი კლასის გამარტივებული ჩანაწერი იძლევა წარმოდგენას, რომ საწყის ნივთიერებებს შორის არისეწოდება "შეტევის" ნაწილაკი, რომელიც ცვლის ატომს, იონს, ფუნქციურ ჯგუფს რეაგენტში. ჩანაცვლების რეაქცია ტიპიურია გაჯერებული და არომატული ნახშირწყალბადებისთვის.

ჩანაცვლების რეაქციები შეიძლება მოხდეს ორმაგი გაცვლის სახით: A-B + C-E A-C + B-E. ერთ-ერთი ქვესახეობაა, მაგალითად, სპილენძის გადაადგილება რკინით სპილენძის სულფატის ხსნარიდან: CuSO₄ + Fe=FeSO_{4 + კუ. ატომებს, იონებს ან ფუნქციურ ჯგუფებს შეუძლიათ იმოქმედონ როგორც „შეტევის“ნაწილაკი}

ჰომოლიზური ჩანაცვლება (რადიკალური, SR)

კოვალენტური ბმების გაწყვეტის რადიკალური მექანიზმით, სხვადასხვა ელემენტისთვის საერთო ელექტრონული წყვილი პროპორციულად ნაწილდება მოლეკულის "ფრაგმენტებს" შორის. იქმნება თავისუფალი რადიკალები. ეს არის არასტაბილური ნაწილაკები, რომელთა სტაბილიზაცია ხდება შემდგომი გარდაქმნების შედეგად. მაგალითად, როდესაც ეთანი მიიღება მეთანისგან, ჩნდება თავისუფალი რადიკალები, რომლებიც მონაწილეობენ ჩანაცვლების რეაქციაში: CH₄ CH₃• + •H; CH₃• + •CH_{3 → С2Н5; H• + •H → H2. ჰომოლიზური ბმის რღვევა მოცემული ჩანაცვლების მექანიზმის მიხედვით დამახასიათებელია ალკანებისთვის, რეაქცია ჯაჭვურია. მეთანში H ატომები შეიძლება თანმიმდევრულად შეიცვალოს ქლორით. ბრომთან რეაქცია ანალოგიურად მიმდინარეობს, მაგრამ იოდს არ შეუძლია უშუალოდ წყალბადის ჩანაცვლება ალკანებში, ფტორი ძალიან ენერგიულად რეაგირებს მათთან.}

ჰეტეროლიზური გზა კავშირის გაწყვეტის

ჩანაცვლებითი რეაქციების იონური მექანიზმითელექტრონები არათანაბრად ნაწილდება ახლად წარმოქმნილ ნაწილაკებს შორის. ელექტრონების შემაკავშირებელი წყვილი მთლიანად მიდის ერთ-ერთ „ფრაგმენტში“, ყველაზე ხშირად, იმ ბმის პარტნიორთან, რომლისკენაც იყო გადატანილი უარყოფითი სიმკვრივე პოლარულ მოლეკულაში. ჩანაცვლებითი რეაქციები მოიცავს მეთილის სპირტის CH₃OH წარმოქმნას. ბრომომეთანში CH3Br მოლეკულის რღვევა ჰეტეროლიზურია, დამუხტული ნაწილაკები კი სტაბილურია. მეთილი იძენს დადებით მუხტს, ხოლო ბრომი ხდება უარყოფითი: CH₃Br → CH₃⁺ + Br^-; NaOH → Na⁺ + OH^-; CH₃⁺ + OH^- → CH₃OH; Na⁺ + Br^{- ↔ NaBr.}

ელექტროფილები და ნუკლეოფილები

ნაწილაკებს, რომლებსაც აკლიათ ელექტრონები და შეუძლიათ მათი მიღება, ეწოდება "ელექტროფილები". მათ შორისაა ნახშირბადის ატომები, რომლებიც დაკავშირებულია ჰალოგენებთან ჰალოალკანებში. ნუკლეოფილებს აქვთ გაზრდილი ელექტრონის სიმკვრივე, ისინი „აძლევენ“წყვილ ელექტრონს კოვალენტური ბმის შექმნისას. ჩანაცვლებითი რეაქციების დროს ნეგატიური მუხტით მდიდარ ნუკლეოფილებს ესხმიან ელექტროფილები, რომლებსაც შიმშილი აქვთ ელექტროფილები. ეს ფენომენი ასოცირდება ატომის ან სხვა ნაწილაკების გადაადგილებასთან - გამსვლელ ჯგუფთან. ჩანაცვლების რეაქციის კიდევ ერთი ტიპია ელექტროფილის შეტევა ნუკლეოფილის მიერ. ზოგჯერ ძნელია ორი პროცესის გარჩევა, ჩანაცვლების მიკუთვნება ამა თუ იმ ტიპისთვის, რადგან ძნელია ზუსტად განსაზღვრო, რომელი მოლეკულაა სუბსტრატი და რომელია რეაგენტი. ჩვეულებრივ, ასეთ შემთხვევებში,შემდეგი ფაქტორები:

• გასული ჯგუფის ბუნება;
• ნუკლეოფილური რეაქტიულობა;
• გამხსნელის ბუნება;
• ალკილის ნაწილის სტრუქტურა.

ნუკლეოფილური ჩანაცვლება (SN)

ორგანულ მოლეკულაში ურთიერთქმედების პროცესში შეინიშნება პოლარიზაციის ზრდა. განტოლებებში ნაწილობრივი დადებითი ან უარყოფითი მუხტი აღინიშნება ბერძნული ანბანის ასოთი. ბმის პოლარიზაცია შესაძლებელს ხდის ვიმსჯელოთ მისი რღვევის ბუნებაზე და მოლეკულის „ფრაგმენტების“შემდგომ ქცევაზე. მაგალითად, იოდომეთანში ნახშირბადის ატომს აქვს ნაწილობრივი დადებითი მუხტი და წარმოადგენს ელექტროფილურ ცენტრს. ის იზიდავს წყლის დიპოლის იმ ნაწილს, სადაც განთავსებულია ჟანგბადი, რომელსაც აქვს ელექტრონების ჭარბი რაოდენობა. როდესაც ელექტროფილი ურთიერთქმედებს ნუკლეოფილურ რეაგენტთან, წარმოიქმნება მეთანოლი: CH₃I + H₂O → CH_{3 OH + HI. ნუკლეოფილური ჩანაცვლების რეაქციები მიმდინარეობს უარყოფითად დამუხტული იონის ან მოლეკულის მონაწილეობით, რომელსაც აქვს თავისუფალი ელექტრონული წყვილი, რომელიც არ მონაწილეობს ქიმიურ ბმაში. იოდომეთანის აქტიური მონაწილეობა SN}2_{-რეაქციებში აიხსნება მისი ღიაობით ნუკლეოფილური შეტევისა და იოდის მობილურობით..}

ჩანაცვლება ელექტროფილური (SE)

ორგანული მოლეკულა შეიძლება შეიცავდეს ნუკლეოფილურ ცენტრს, რომელიც ხასიათდება ელექტრონის სიმკვრივის სიჭარბით. ის რეაგირებს ელექტროფილურ რეაგენტთან, რომელსაც აკლია უარყოფითი მუხტები. ასეთ ნაწილაკებს მიეკუთვნება ატომები თავისუფალი ორბიტალებით, მოლეკულები ელექტრონის დაბალი სიმკვრივის უბნებით. ATნატრიუმის ფორმატში ნახშირბადი „–“მუხტით ურთიერთქმედებს წყლის დიპოლის დადებით ნაწილთან - წყალბადთან: CH₃Na + H₂ O → CH _{4 + NaOH. ამ ელექტროფილური ჩანაცვლების რეაქციის პროდუქტია მეთანი. ჰეტეროლიზურ რეაქციებში ორგანული მოლეკულების საპირისპიროდ დამუხტული ცენტრები ურთიერთქმედებენ, რაც მათ არაორგანული ნივთიერებების ქიმიაში იონების მსგავსს ხდის. მხედველობიდან არ უნდა გამოგვრჩეს, რომ ორგანული ნაერთების ტრანსფორმაციას იშვიათად ახლავს ნამდვილი კათიონებისა და ანიონების წარმოქმნა.}

მონომოლეკულური და ბიმოლეკულური რეაქციები

ნუკლეოფილური ჩანაცვლება არის მონომოლეკულური (SN1). ამ მექანიზმის მიხედვით მიმდინარეობს ორგანული სინთეზის მნიშვნელოვანი პროდუქტის, მესამეული ბუტილ ქლორიდის ჰიდროლიზი. პირველი ეტაპი ნელია, ის დაკავშირებულია თანდათანობით დისოციაციასთან კარბონიუმის კატიონად და ქლორიდის ანიონად. მეორე ეტაპი უფრო სწრაფია, კარბონიუმის იონი რეაგირებს წყალთან. ალკანში ჰალოგენის ჰიდროქსი ჯგუფით ჩანაცვლებისა და პირველადი ალკოჰოლის მიღების რეაქციის განტოლება: (CH₃)₃C-Cl → (CH₃)₃C⁺ + Cl^-; (CH₃)₃C⁺ + H₂O → (CH₃)₃C-OH + H^{+. პირველადი და მეორადი ალკილის ჰალოიდების ერთსაფეხურიანი ჰიდროლიზი ხასიათდება ნახშირბად-ჰალოგენური ბმის ერთდროული განადგურებით და C-OH წყვილის წარმოქმნით. ეს არის ნუკლეოფილური ბიმოლეკულური ჩანაცვლების მექანიზმი (SN2).}

ჰეთეროლიზური ჩანაცვლების მექანიზმი

ჩანაცვლების მექანიზმი დაკავშირებულია ელექტრონის გადაცემასთან, შექმნასთანშუალედური კომპლექსები. რეაქცია მიმდინარეობს რაც უფრო სწრაფად, მით უფრო ადვილია მისთვის დამახასიათებელი შუალედური პროდუქტების ფორმირება. ხშირად პროცესი ერთდროულად რამდენიმე მიმართულებით მიდის. უპირატესობა ჩვეულებრივ მიიღება იმით, რომლითაც გამოიყენება ნაწილაკები, რომლებიც საჭიროებენ ყველაზე ნაკლებ ენერგიას მათი წარმოქმნისთვის. მაგალითად, ორმაგი ბმის არსებობა ზრდის ალილის კატიონის გაჩენის ალბათობას CH2=CH-CH₂⁺, შედარებით იონი CH₃ ^{+. მიზეზი მდგომარეობს მრავალჯერადი ბმის ელექტრონის სიმკვრივეში, რომელიც გავლენას ახდენს მოლეკულაზე გაფანტული დადებითი მუხტის დელოკალიზაციაზე.}

ბენზოლის შემცვლელი რეაქციები

ორგანული ნაერთების ჯგუფი, რომელიც ხასიათდება ელექტროფილური ჩანაცვლებით - არენები. ბენზოლის რგოლი არის მოსახერხებელი სამიზნე ელექტროფილური შეტევისთვის. პროცესი იწყება მეორე რეაგენტში ბმის პოლარიზებით, რის შედეგადაც წარმოიქმნება ელექტროფილი ბენზოლის რგოლის ელექტრონული ღრუბლის მიმდებარედ. შედეგი არის გარდამავალი კომპლექსი. ჯერ კიდევ არ არის ელექტროფილური ნაწილაკების სრულფასოვანი კავშირი ნახშირბადის ერთ-ერთ ატომთან, ის იზიდავს ელექტრონების „არომატიული ექვსის“მთელი უარყოფითი მუხტით. პროცესის მესამე საფეხურზე ელექტროფილი და რგოლის ერთი ნახშირბადის ატომი დაკავშირებულია ელექტრონების საერთო წყვილით (კოვალენტური ბმა). მაგრამ ამ შემთხვევაში განადგურებულია „არომატული ექვსი“, რაც არახელსაყრელია სტაბილური მდგრადი ენერგეტიკული მდგომარეობის მიღწევის თვალსაზრისით. არის ფენომენი, რომელსაც შეიძლება ვუწოდოთ „პროტონის გამოდევნა“. H+ გაყოფილია, სტაბილურიაარენებისთვის სპეციფიკური საკომუნიკაციო სისტემა. ქვეპროდუქტი შეიცავს წყალბადის კათიონს ბენზოლის რგოლიდან და ანიონს მეორე რეაგენტის შემადგენლობიდან.

ჩანაცვლებითი რეაქციების მაგალითები ორგანული ქიმიიდან

ალკანებისთვის განსაკუთრებით დამახასიათებელია ჩანაცვლების რეაქცია. ელექტროფილური და ნუკლეოფილური გარდაქმნების მაგალითები შეიძლება მოვიყვანოთ ციკლოალკანებსა და არენებზე. მსგავსი რეაქციები ორგანული ნივთიერებების მოლეკულებში ხდება ნორმალურ პირობებში, მაგრამ უფრო ხშირად - გაცხელებისას და კატალიზატორების თანდასწრებით. არომატულ ბირთვში ელექტროფილური ჩანაცვლება ერთ-ერთი ფართოდ გავრცელებული და კარგად შესწავლილი პროცესია. ამ ტიპის ყველაზე მნიშვნელოვანი რეაქციებია:

1. ბენზოლის ნიტრირება აზოტის მჟავით H₂SO₄ - მიდის სქემის მიხედვით: C ₆ H₆ → C₆H₅-არა _2.
2. ბენზოლის კატალიზური ჰალოგენაცია, კერძოდ, ქლორირება, განტოლების მიხედვით: C₆H₆ + Cl_{2 → C}6_H5_{Cl + HCl.}
3. ბენზოლის არომატული სულფონაცია მიმდინარეობს გოგირდის მჟავით, წარმოიქმნება ბენზოლის სულფონის მჟავები.
4. ალკილაცია არის წყალბადის ატომის ჩანაცვლება ბენზოლის რგოლიდან ალკილით.
5. აცილაცია - კეტონების წარმოქმნა.
6. ფორმილაცია - წყალბადის ჩანაცვლება CHO ჯგუფით და ალდეჰიდების წარმოქმნა.

ჩანაცვლების რეაქციები მოიცავს რეაქციებს ალკანებსა და ციკლოალკანებში, რომლებშიც ჰალოგენები თავს ესხმიან ხელმისაწვდომი C-H ობლიგაციებს. წარმოებულების მომზადება შეიძლება დაკავშირებული იყოს ერთი, ორი ან ყველა წყალბადის ატომის ჩანაცვლებასთან გაჯერებულ ნახშირწყალბადებში დაციკლოპარაფინები. ბევრი დაბალი მოლეკულური წონის ჰალოალკანი გამოიყენება უფრო რთული ნივთიერებების წარმოებაში, რომლებიც მიეკუთვნებიან სხვადასხვა კლასებს. ჩანაცვლებითი რეაქციების მექანიზმების შესწავლაში მიღწეულმა პროგრესმა ძლიერი ბიძგი მისცა ალკანებზე, ციკლოპარაფინებზე, არენებსა და ნახშირწყალბადების ჰალოგენურ წარმოებულებზე დაფუძნებული სინთეზების განვითარებას..