Μηχανισμός Ηλεκτρόφιλης Προσθήκης

Στην οργανική χημεία, διάφορα είδη στοιχείων όπως – αλκένια, αλκίνια κ.λπ.  Κάθε στοιχείο παρουσιάζει διαφορετική συμπεριφορά και έχει διαφορετικές ιδιότητες. Τα αλκένια υφίστανται διαφορετικές αντιδράσεις. Μια αντίδραση προσθήκης σχηματίζει μια ισχυρή αντίδραση μεταξύ δύο ή περισσότερων μορίων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Το μόριο που προκύπτει ονομάζεται προσαγωγό. Στην οργανική χημεία λαμβάνουν χώρα κυρίως δύο είδη αντιδράσεων. Αυτά είναι- 

• Αντίδραση Ηλεκτρόφιλης Προσθήκης
• Πυρηνόφιλη αντίδραση προσθήκης  

Αντίδραση Ηλεκτρόφιλης Προσθήκης:Είναι μια αντίδραση προσθήκης κατά την οποία ένα υπόστρωμα προσβάλλεται αρχικά από ένα ηλεκτρόφιλο με το σχηματισμό μιας χημικής ένωσης που περιέχει δύο νέους δεσμούς σίγμα (σ) και έχει σπασμένο διπλό ή τριπλό δεσμό pi(π).

Τα αλκένια αποτελούν μια ομάδα ακόρεστων υδρογονανθράκων που περιέχουν τουλάχιστον έναν διπλό δεσμό. Ως αποτέλεσμα του διπλού δεσμού, τα αλκένια υφίστανται μια αντίδραση προσθήκης. Όταν ένα ηλεκτρόφιλο επιτίθεται με τον διπλό δεσμό ατόμων άνθρακα με τη βοήθεια ηλεκτρονίων pi που υπάρχουν στα αλκένια.

Μηχανισμός Αντίδρασης Ηλεκτρόφιλης Προσθήκης

Βήμα 1- Στο πρώτο βήμα του μηχανισμού αντίδρασης Ηλεκτρόφιλης προσθήκης, τα ηλεκτρόνια 2 pi από διπλό δεσμό επιτίθενται στο Η στο ηλεκτρόφιλο HX (X=Cl, Br, I). Τα ηλεκτρόνια 2 pi σχηματίζουν έναν δεσμό σίγμα C-H μεταξύ του H από το HX και ενός άνθρακα από τον διπλό δεσμό.

Ταυτόχρονα, τα ηλεκτρόνια από τον δεσμό H-X κινούνται πάνω στο αλογόνο για να σχηματίσουν ένα ανιόν αλογονιδίου. Αυτό το βήμα είναι γνωστό ως βήμα αποπρωτονίωσης.

Βήμα 2- Το καρβοκατιόν που σχηματίζεται δρα ως ηλεκτρόφιλο και δέχεται ένα ζεύγος ηλεκτρονίων από το πυρηνόφιλο ιόν αλογονιδίου. Το ζεύγος ηλεκτρονίων γίνεται δεσμός σίγμα X-C εξουδετερώνοντας το προϊόν αλκυλαλογονιδίου της ηλεκτροφιλικής προσθήκης.

Όλα τα αλογονίδια (HBr, HCl, HI, HF) συμμετέχουν σε αυτήν την αντίδραση και προστίθενται με τον ίδιο τρόπο, αλλά διαφορετικά αλογονίδια έχουν διαφορετικούς ρυθμούς αντίδρασης, καθώς ο δεσμός Η-Χ εξασθενεί καθώς το Χ αυξάνεται λόγω κακής επικάλυψης των τροχιακών.

Γενικά, τα υδραλογονίδια αντιπροσωπεύονται ως –

HI>HBr>HCl

Αντίδραση Ηλεκτρόφιλης Προσθήκης Αλκενίων

Τα αλκένια παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσμα αντιδράσεων ηλεκτροφιλικής προσθήκης. Η προσθήκη υδραλογονιδίων όπως το HBr είναι ένα παράδειγμα ηλεκτρόφιλων αντιδράσεων προσθήκης αλκενίων.

Για συμμετρικά αλκένια όπως το αιθένιο, είναι εύκολο να προβλεφθεί το τελικό προϊόν σε σύγκριση με τα ασύμμετρα αλκένια όπως το προπένιο.

Για παράδειγμα- 

CH2=CH2+ H-Br → CH3-CH2-Br

Ο ρυθμός αντίδρασης ηλεκτρόφιλης προσθήκης ποικίλλει ανάλογα με τους ακόλουθους παράγοντες-

1. Αλλαγή αλογόνου:

Η ισχύς του δεσμού μειώνεται καθώς πηγαίνουμε από HF σε HI ενώ οι ρυθμοί αντίδρασης αυξάνονται από HF σε HI. Ο δεσμός H-F είναι ισχυρός και δεν μπορεί να σπάσει εύκολα.

2. Αλλαγή στο Alkene:

Καθώς ο αριθμός της ομάδας αλκυλίου αυξάνεται που συνδέεται με το άτομο άνθρακα σε κάθε άκρο του διπλού δεσμού, ο ρυθμός αντίδρασης αυξάνεται.

Παραδείγματα για την αντίδραση ηλεκτρόφιλης προσθήκης του μηχανισμού αλκενίων είναι-

• Υδρογόνωση
• Αλογόνωση
• Κυκλοπροπανίωση
• Υδροξυλίωση
• Ενυδάτωση 
• Οξείδωση

Αντίδραση οξείδωσης αλκενίων

Σχηματισμός κετονών και αλκοολών με χρήση Ηλεκτρόφιλων Αντιδράσεων Προσθήκης:

Ο σχηματισμός κετονών και αλκοολών λαμβάνει χώρα χρησιμοποιώντας την Ηλεκτρόφιλη Αντίδραση Προσθήκης σε οξειδωτική κατάσταση με χρήση υπερμαγγανικού καλίου. Εάν το υπερμαγγανικό κάλιο είναι σε όξινη κατάσταση, τότε η κετόνη παράγεται ως αποτέλεσμα οξείδωσης, ενώ εάν το υπερμαγγανικό κάλιο είναι σε υδατική κατάσταση, τότε τα αλκένια θα οξειδωθούν και θα παράγουν τις γλυκόλες.

Μηχανισμός Νίτρωσης:

Νίτρωση είναι η αντικατάσταση της νίτρο ομάδας στον αρωματικό δακτύλιο. Η νίτρωση είναι η αντίδραση αρωματικής υποκατάστασης. Είναι ένας μηχανισμός αντίδρασης ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης. Η υποκατάσταση περιλαμβάνει μια προσθήκη ηλεκτρόφιλου.

Ο μηχανισμός του είναι ο εξής:

Βήμα 1- Ένα ηλεκτρόφιλο δημιουργείται στο πρώτο βήμα. Το πρώτο βήμα είναι αργό και αναστρέψιμο. Λόγω της θραύσης του δεσμού, η διαδικασία επιβραδύνεται με αποτέλεσμα να σχηματίζεται ένα φράγμα ενέργειας ενεργοποίησης.

Βήμα 2 – Το σύμπλεγμα Sigma(σ) σχηματίζεται στο επόμενο βήμα. Είναι ένα γρήγορο βήμα στη διαδικασία αντίδρασης. Σχηματίζεται μια σταθερή αρωματική ένωση που μετατρέπεται στο ασταθές προϊόν. Είναι ένα αναστρέψιμο βήμα καθώς τα προϊόντα μπορούν να ανασυνδυαστούν για να σχηματίσουν τα προϊόντα. Το HSO-4 βασικό σε μορφή αποπρωτονιώνει τη σύνθετη μορφή.

Βήμα 3 – Επαναρωματισμός

Μηχανισμός Αντίδρασης Ηλεκτρόφιλης Υποκατάστασης:

Μια αντίδραση ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης είναι μια αντίδραση στην οποία η λειτουργική ομάδα αντικαθίσταται από ένα ηλεκτρόφιλο συνδεδεμένο στη χημική ένωση. Η λειτουργική ομάδα είναι κυρίως άτομο Η. Η αντίδραση ηλεκτροφιλικής υποκατάστασης είναι κυρίως μια διαδικασία μηχανισμού 3 σταδίων.

Τα παρακάτω βήματα είναι –

1. Δημιουργία ηλεκτρόφιλου- Το χλωριούχο αλουμίνιο δρα ως οξύ λουβί στη δημιουργία ενός ηλεκτροφίλου από τη διαδικασία χλωρίωσης, αλκυλίωσης και ακυλίωσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία των ακόλουθων ηλεκτρόφιλων - Cl+, R+ και RC+O αντίστοιχα.

1. Σχηματισμός καρβοκατιόντος (ενδιάμεσο στάδιο)- Ένα σύμπλοκο σίγμα ή ιόν αρενίου σχηματίζεται όταν ένα ηλεκτρόφιλο επιτίθεται στον δακτύλιο. Το ιόν του αρενίου γίνεται σταθερό σε μια δομή συντονισμού. Ο αρωματικός χαρακτήρας χάνεται με την μετεγκατάσταση του υβριδισμένου άνθρακα sp3.

1. Αφαίρεση της μορφής πρωτονίου ενδιάμεση- Για να αποκατασταθεί ο χαμένος αρωματικός χαρακτήρας, το πρωτόνιο απελευθερώνεται από το σύμπλοκο σίγμα (υβριδοποιείται το sp3) όταν το [AlCl4]-. Ως εκ τούτου, το ηλεκτρόφιλο αντικαθιστά το άτομο υδρογόνου στον δακτύλιο βενζολίου.

Τύποι αντιδράσεων ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης –

1. Αντιδράσεις Ηλεκτρόφιλης Αρωματικής Υποκατάστασης:Σε μια αντίδραση ηλεκτρόφιλης αρωματικής υποκατάστασης, ένα άτομο αντικαθίσταται από το ηλεκτρόφιλο που είναι προσαρτημένο στον αρωματικό δακτύλιο. Η αρωματικότητα της ένωσης διατηρείται στις ηλεκτρόφιλες αρωματικές υποκαταστάσεις. Έτσι, αυτός ο τύπος αντίδρασης χρησιμοποιείται για τη λήψη αρυλαλογονιδίων από αρωματικούς δακτυλίους και ιώδιο, βρώμιο ή χλώριο.

Για π.χ.- Αρωματικές νιτρώσεις, σουλφονίωση, αντιδράσεις Friedel- Crafts.

1. Αντιδράσεις ηλεκτρόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης:Σε μια αντίδραση ηλεκτροφιλικής αλειφατικής υποκατάστασης, ένα ηλεκτρόφιλο αντικαθιστά τη λειτουργική ομάδα. Η λειτουργική ομάδα είναι γενικά ένα άτομο υδρογόνου. Η ηλεκτρόφιλη αντικατάσταση έχει ως αποτέλεσμα μια αντιστροφή της διαμόρφωσης όταν προσβάλλεται από το ηλεκτρόφιλο που συμβαίνει σε γωνία 180o με την αποχωρούσα ομάδα.

Αυτή η αντίδραση έχει ταξινομηθεί στους ακόλουθους τύπους-

1.Αλογόνωση κετονών

2. Νίτρωση
3. Ταυτομερισμός κετο-ενόλης
4. Το καρβένιο σε δεσμό C-H
5. Σύζευξη διαζωνίου

Συμπέρασμα

Αυτές είναι οι διάφορες οργανικές χημικές αντιδράσεις που μπορούν να σχηματιστούν χρησιμοποιώντας αλκένια σε αντιδράσεις ηλεκτρόφιλης προσθήκης. Κάθε στοιχείο σε έναν περιοδικό πίνακα αντιδρά με διαφορετικό τρόπο σε διάφορες καταστάσεις όπως στην περίπτωση της αντίδρασης οξείδωσης. Έτσι, κάθε αντίδραση έχει τη δική της σημασία στην καθημερινή ζωή και για εμπορικούς σκοπούς, επομένως είναι σημαντικό να κατανοήσουμε και τον μηχανισμό της.