Όξινη φύση, αντιδράσεις ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης
Υπάρχουν όξινα και βασικά διαλύματα σε όλο τον κόσμο. Εκτός από το νερό, σχεδόν κάθε υγρό με το οποίο ερχόμαστε σε επαφή σε καθημερινή βάση περιέχει όξινα και βασικά χαρακτηριστικά. Το ξύδι είναι ένα αραιό διάλυμα οξικού οξέος, το οποίο ανήκει στην κατηγορία των οξέων. Το οξύ αρρενίου είναι μια όξινη ουσία που παράγει ιόντα υδρογόνου σε διάλυμα.
Ηλεκτρόφιλη υποκατάσταση λαμβάνει χώρα όταν ένα ζεύγος ηλεκτρονίων με δεσμό Π επιτίθεται σε ένα ηλεκτρόφιλο - συνήθως είδος καρβοκατιόντος. Με αυτόν τον τρόπο, ο διπλός δεσμός αποκαθίσταται στην αρχική του θέση μέσω αφαίρεσης πρωτονίων ή με ισομερισμό. Υπάρχει ηλεκτροφιλική υποκατάσταση που εμπλέκεται σε αρκετές αντιδράσεις που περιέχουν βενζόλιο. Υπάρχει ένας αριθμός ηλεκτροφιλικών αρωματικών υποκαταστάσεων μεταξύ των οποίων είναι σημαντικές οι αντιδράσεις νίτρωσης, σουλφόνωσης, αλογόνωσης και Friedel-Crafts.
Όξινη φύση
Πολλά γνωστά οξέα (π.χ. θειικό, υδροχλωρικό, νιτρικό και οξικό οξύ) παράγουν ιόντα υδρογόνου σε διάλυμα. Η συγκέντρωση των παραγόμενων ιόντων υδρογόνου καθορίζει εάν αυτά τα οξέα είναι ισχυρά ή αδύναμα. Ένα άλας σχηματίζεται όταν ένα οξύ αντιδρά με μια βάση. το προϊόν είναι το αποτέλεσμα της αντίδρασης μεταξύ του ιόντος υδρογόνου και του ιόντος υδροξειδίου.
Τύποι οξέων
Τα οξέα μπορεί να είναι είτε οργανικά είτε ανόργανα. Τα ορυκτά οξέα είναι ανόργανα οξέα. Η ισχύς των οργανικών οξέων είναι γενικά μικρότερη από αυτή των ανόργανων οξέων. Τα ανόργανα οξέα δεν περιέχουν άνθρακα, που είναι η κύρια διαφορά μεταξύ των δύο.
Τα ανόργανα οξέα ή τα ανόργανα οξέα μπορεί να είναι είτε σε αέρια είτε σε στερεά μορφή. Οι ανόργανοι ανυδρίτες είναι μεταλλοειδή οξείδια που μπορούν να συνδυαστούν με το νερό για να σχηματίσουν ανόργανα οξέα. Τα ακόλουθα οξέα είναι παραδείγματα:Θειικό οξύ (H2SO4), Φωσφορικό οξύ (H3PO4), Νιτρικό οξύ (HNO3)
Τα οργανικά οξέα είναι τοξικά και διαβρωτικά. Το οξύ διαβρώνει τον ιστό που έρχεται σε επαφή με αυτό. Τα οξέα χρησιμοποιούνται σε όλους τους τύπους χημικών παραγωγών. Παραδείγματα περιλαμβάνουν οξικό οξύ, κιτρικό οξύ και μυρμηκικό οξύ.
Τι είναι οι αντιδράσεις ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης;
Μια χημική αντίδραση στην οποία ένα ηλεκτρόφιλο αντικαθιστά μια λειτουργική ομάδα σε μια ένωση είναι γνωστή ως αντίδραση ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης. Το υδρογόνο είναι συνήθως η λειτουργική ομάδα που αντικαθίσταται. Οι αντιδράσεις ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης είναι δύο τύπων, η ηλεκτροφιλική αρωματική υποκατάσταση και η ηλεκτροφιλική αλειφατική υποκατάσταση.
Μηχανισμός για αντιδράσεις ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης
Υπάρχουν τρία στάδια στον μηχανισμό ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης, τα οποία θα εξετάσουμε περαιτέρω.
- Γενιά ηλεκτροφίλων:
Η χλωρίωση και η ακυλίωση ενός αρωματικού δακτυλίου δημιουργούν ηλεκτρόφιλα χρησιμοποιώντας άνυδρο χλωρίδιο. Τα ηλεκτρόφιλα παράγονται συνδυάζοντας άνυδρο χλωριούχο αργίλιο και επιθετικό αντιδραστήριο, τα οποία είναι αντίστοιχα Cl+, R+ και RC+O.
- Σχηματισμός Carbocation:
Στη συνέχεια, η αμίνη προσβάλλεται από το ηλεκτρόφιλο, σχηματίζοντας το σύμπλοκο ιόντων αρενίου ή σίγμα. Ένα άτομο άνθρακα θα υβριδοποιηθεί με υβριδισμό sp3 στο σύμπλεγμα sigma.
Τα ιόντα αρενίου ή τα σύμπλοκα σίγμα βρίσκουν σταθερότητα στη δομή συντονισμού. Τα σύμπλοκα Sigma, ωστόσο, χάνουν τις αρωματικές τους ιδιότητες επειδή η μετεγκατάσταση ηλεκτρονίων σταματά στον υβριδισμένο με sp3 άνθρακα.
- Αφαίρεση πρωτονίου:
Αυτό το βήμα αποκαθιστά τον αρωματικό χαρακτήρα του άνθρακα όταν το σύμπλοκο σίγμα ή το ιόν αρενίου ελευθερώνει ένα πρωτόνιο που έχει υβριδοποιηθεί με sp3 όταν το AlCl4 επιτίθεται στον άνθρακα. Το ηλεκτρόφιλο στον δακτύλιο βενζολίου αντικαθιστά το υδρογόνο στο τρίτο βήμα.
Τύποι αντιδράσεων ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης
Οι ενώσεις υφίστανται δύο κύριους τύπους αντιδράσεων υποκατάστασης, ηλεκτροφιλικές αρωματικές και αλειφατικές αντιδράσεις υποκατάστασης. Δείτε το παρακάτω παράδειγμα.
Ως ηλεκτρόφιλο, το κατιόν του χλωρίου αντικαθιστά ένα άτομο υδρογόνου στον δακτύλιο βενζολίου. Μια ηλεκτρόφιλη αντίδραση υποκατάστασης οδηγεί στο σχηματισμό ενός πρωτονίου και ενός μορίου χλωροβενζολίου.
Αντίδραση Ηλεκτρόφιλης Αρωματικής Υποκατάστασης
Ένα άτομο άνθρακα στον αρωματικό δακτύλιο αντικαθίσταται με ένα ηλεκτρόφιλο σε μια ηλεκτρόφιλη αντίδραση αρωματικής υποκατάστασης. Ένα παράδειγμα τέτοιας αντίδρασης θα ήταν η αρωματική νίτρωση, η αρωματική σουλφονίωση ή η αντίδραση Friedel-Crafts.
Όταν οι αρωματικές ενώσεις αντικαθίστανται από ηλεκτρόφιλες ενώσεις, διατηρούνται οι αρωματικές τους ιδιότητες. Τα αρυλαλογονίδια μπορούν επομένως να ληφθούν από αρωματικούς δακτυλίους και ιώδιο, βρώμιο και χλώριο μέσω αυτών των αντιδράσεων.
Αντίδραση Ηλεκτρόφιλης Αλειφατικής Υποκατάστασης
Όταν συμβαίνουν αντιδράσεις ηλεκτροφιλικής αλειφατικής υποκατάστασης, η λειτουργική ομάδα (γενικά υδρογόνο) στην αλειφατική ένωση αντικαθίσταται από μια λειτουργική ομάδα που προέρχεται από το ηλεκτρόφιλο. Υπάρχουν πέντε τύποι αντιδράσεων.
- Αλογόνωση κετονών
- Νίτρωση
- Ταυτομερισμός κετο-ενόλης
- Προσθήκη καρβενίου σε δεσμό άνθρακα-υδρογόνου
- Σύζευξη διαζωνίου (αλειφατική)
Εάν η ηλεκτροφιλική επίθεση συμβεί από το πίσω μέρος (σε γωνία 180 μοιρών ως προς την αποχωρούσα ομάδα), οι αντιδράσεις ηλεκτροφιλικής υποκατάστασης οδηγούν σε αντιστροφή της διαμόρφωσης.
Τι είναι η αντίδραση ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης του βενζολίου;
Όταν ένα ηλεκτρόφιλο αντικαθιστά το άτομο υδρογόνου του βενζολίου, αυτό ονομάζεται ηλεκτρόφιλη υποκατάσταση. Εφόσον αυτή η αντίδραση δεν επηρεάζει την αρωματική φύση του βενζολίου, είναι εξαιρετικά αυθόρμητη.
Ο μηχανισμός για την αντίδραση ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης του βενζολίου
Υπάρχουν γενικά τρία στάδια σε μια ηλεκτρόφιλη αντίδραση υποκατάστασης:
-
Παραγωγή ηλεκτροφίλων:
Το οξύ Lewis συμβάλλει στο σχηματισμό ηλεκτροφίλων. Ένα ζεύγος ηλεκτρονίων γίνεται αποδεκτό από το οξύ Lewis από ένα επιθετικό αντιδραστήριο.
Σχηματισμός ιόντων αρενίου:
Οι επιθέσεις ηλεκτρόφιλων στον δακτύλιο βενζολίου έχουν ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός θετικά φορτισμένου ιόντος κυκλοεξαδιενυλίου. Αυτό το ιόν φέρει ένα sp3 υβριδισμένο άτομο άνθρακα. Με συντονισμό, τρία άτομα άνθρακα κατανέμουν το θετικό φορτίο πάνω τους, καθιστώντας τα εν μέρει σταθερά.
Εφόσον ένα υβριδοποιημένο άτομο άνθρακα sp3 σταματά την μετεγκατάσταση ηλεκτρονίων, το ιόν του αρενίου δεν είναι αρωματικό.
- Εκφόρτιση του θετικά φορτισμένου ενδιάμεσου καρβοκατιόν:
Στο τελευταίο στάδιο της αντίδρασης, το ιόν αρενίου χάνει το πρωτόνιό του και μετατρέπεται σε βάση Lewis, αποκαθιστώντας την αρωματικότητά του.
Παραδείγματα αντιδράσεων ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης
Η νίτρωση και η αλογόνωση του βενζολίου είναι παραδείγματα ηλεκτρόφιλης αρωματικής υποκατάστασης. Τα ηλεκτρόφιλα περιλαμβάνουν ιόντα νιτρονίου (NO2+) και τριοξείδιο του θείου (SO3), τα οποία αντιδρούν με το βενζόλιο χωριστά για να σχηματίσουν νιτροβενζόλιο και βενζολοσουλφονικό οξύ, αντίστοιχα.
1.Benzene Sulfonation
Ο καπνός του θειικού οξέος με βενζόλιο (H2SO4 + SO3) δημιουργεί βενζολοσουλφονικό οξύ μέσω της σουλφόνωσης του βενζολίου. Στη φύση συμβαίνουν αναστρέψιμες αντιδράσεις.
2.Νίτρωση βενζολίου
Ως αποτέλεσμα της πρωτονοποίησης του νιτρικού οξέος από το θειικό οξύ, σχηματίζεται ιόν νιτρόνιου. Αυτή η αντίδραση λαμβάνει χώρα όταν υπάρχει απώλεια H2O.
3.Αλογόνωση βενζολίου
Το βενζόλιο αντιδρά με αλογόνα για να σχηματίσει αρυλαλογονίδια παρουσία οξέων Lewis, όπως FeCl3, FeBr3. Ονομάζουμε αυτή τη μέθοδο «αλογόνωση βενζολίου».
4. Ενεργοποίηση νιτρικού οξέος με θειικό οξύ
Σε αυτή τη διαδικασία, το ιόν νιτρονίου σχηματίζεται με την ενεργοποίηση του HNO3 με θειικό οξύ, το οποίο είναι ισχυρότερο ηλεκτρόφιλο.
Συμπέρασμα
Συνοπτικά, η όξινη φύση της ένωσης προσδιορίζεται από την παρουσία ιόντων Η+ στο διάλυμα. Όσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση των ιόντων Η+, τόσο πιο όξινη είναι η ένωση. Από την άλλη πλευρά, αν μιλάμε για αντιδράσεις ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης, είναι μια χημική αντίδραση στην οποία ένα ηλεκτρόφιλο αντικαθιστά μια λειτουργική ομάδα σε μια ένωση είναι γνωστή ως αντίδραση ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης. Το υδρογόνο είναι συνήθως η λειτουργική ομάδα που αντικαθίσταται. Η ηλεκτροφιλική υποκατάσταση είναι δύο τύπων, η ηλεκτροφιλική αρωματική υποκατάσταση και η ηλεκτροφιλική αλειφατική υποκατάσταση. Διάφορα παραδείγματα αντιδράσεων ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης είναι η νίτρωση του βενζολίου, η αλογονοποίηση βενζολίου, η σουλφονίωση βενζολίου και η ενεργοποίηση νιτρικού οξέος με θειικό οξύ.
