Τύποι αντικαταστάσεων

Γνωρίζουμε ότι υπάρχει σπάσιμο και σχηματισμός δεσμών μεταξύ διαφορετικών ενώσεων στην οργανική χημεία. Αυτοί οι δεσμοί σχηματίζονται από αντιδράσεις όπως προσθήκη, απομάκρυνση, υποκατάσταση, οξείδωση-αναγωγή κ.λπ. Ας μιλήσουμε για μια αντίδραση που αντικαθιστά τη λειτουργική ομάδα ή άτομο μιας ένωσης με την άλλη αντιδρώσα ένωση, που είναι η αντίδραση υποκατάστασης. Το ίδιο το όνομα μας λέει για τη λειτουργία του. Γνωρίζουμε επίσης εδώ τη σημασία και τους τύπους υποκατάστασης και τα συστατικά που συμμετέχουν κατά τη διάρκεια της αντίδρασης.

Ο τύπος οργανικής αντίδρασης στην οποία η λειτουργική ομάδα αντικαθιστά το άτομο ή άλλη λειτουργική ομάδα που συνδέεται με αυτό το άτομο κατά τη διάρκεια μιας ένωσης ονομάζεται αντίδραση υποκατάστασης.

Συστατικά μιας αντίδρασης υποκατάστασης

• Ηλεκτρόφιλο:Είναι το είδος που δέχεται το ηλεκτρόνιο.
• Πυρηνόφιλο:Είναι το είδος που δίνει το ηλεκτρόνιο.
• Προϊόν:Το τελικό είδος που σχηματίστηκε ως αποτέλεσμα της αντίδρασης.
• Αποχώρηση από την ομάδα:Μια ομάδα που αποχωρεί από την ένωση.

Τρεις τύποι αντιδράσεων αντικατάστασης

Πυρηνόφιλη υποκατάσταση

Σε μια οργανική (και ανόργανη) χημεία, η πυρηνόφιλη υποκατάσταση μπορεί να είναι μια θεμελιώδης κατηγορία αντιδράσεων κατά την οποία ένα πυρηνόφιλο συνδέεται επιλεκτικά με ή επιτίθεται στο θετικό ή μερικό φορτίο ενός ατόμου ή μιας ομάδας ατόμων. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, το ασθενέστερο πυρηνόφιλο αντικαθίσταται από το ισχυρότερο πυρηνόφιλο. Έτσι, μπορούμε να πούμε ότι το ασθενέστερο πυρηνόφιλο γίνεται η αποχωρούσα ομάδα. Ένα άλλο θετικό και μερικώς θετικό άτομο που παραμένει ανήκει στην κατηγορία του ηλεκτροφίλου.

Ορισμένα δείγματα πυρηνόφιλων είναι τα Cl–, OH–, Br–, I–, CN–, H2O, RO– και NH3.

Τύποι πυρηνόφιλων αντιδράσεων

• αντίδραση υποκατάστασης SN1

Η αντίδραση SN1 συμβαίνει σε συνθήκες όπου η ποσότητα του ενδιάμεσου είναι πολύ μικρότερη από την ποσότητα του πυρηνόφιλου. Στην αντίδραση SN1, το "SN" σημαίνει "πυρηνόφιλη υποκατάσταση" και επομένως το "1" υποδηλώνει ότι το βήμα καθορισμού του ρυθμού είναι μονομοριακό. Έτσι, ο ρυθμός της εξίσωσης συνήθως εμφανίζεται ως έχει εξάρτηση πρώτης τάξης από ηλεκτρόφιλο και μηδενικής τάξης εξάρτηση από πυρηνόφιλο.

Ένα παράδειγμα αντίδρασης που λαμβάνει χώρα με μηχανισμό SN1 είναι η υδρόλυση του τριτ-βουτυλοβρωμιδίου που σχηματίζει τριτ-βουτανόλη.

• αντίδραση υποκατάστασης SN2

Αυτός είναι ο μηχανισμός όπου το σπάσιμο του δεσμού και ο σχηματισμός δεσμού γίνονται ταυτόχρονα, δηλαδή συγχρονισμένα, ή μπορούμε να πούμε σε ένα βήμα. Δεδομένου ότι δύο αντιδρώντα είδη εμπλέκονται στο αργό στάδιο (καθορισμός του ρυθμού), αυτό έχει ως αποτέλεσμα τον όρο πυρηνόφιλο υποκατάστασης (διμοριακό) ή SN2. Σε ένα παράδειγμα της αντίδρασης SN2, η επίθεση Br− (το πυρηνόφιλο) σε ένα τοπικό αναισθητικό (το ηλεκτρόφιλο) οδηγεί σε βρωμιούχο αιθυλεστέρα, με το χλώριο να εκτοξεύεται λόγω της αποχωρούσας ομάδας.

• Πυρηνόφιλη αρωματική υποκατάσταση

Η μετατόπιση μιας τίμιας αποχωρούσας ομάδας όπως ένα αλογονίδιο από τον αρωματικό δακτύλιο από το πυρηνόφιλο ονομάζεται αντικατάσταση αρωματικού πυρηνόφιλου. Μηχανισμοί πυρηνόφιλης αρωματικής υποκατάστασης είναι:

1. Ο μηχανισμός SNAr (προσθήκη-εξάλειψη)
2. Ο αρωματικός μηχανισμός SN1 που συναντάται στα άλατα διαζωνίου
3. Ο μηχανισμός βενζίνης (E1cb-AdN)
4. Ο μηχανισμός SRN1 ελεύθερων ριζών
5. Μηχανισμός ANRORC
6. Υποκατάστατη πυρηνόφιλη υποκατάσταση

Ηλεκτρόφιλη υποκατάσταση

Όταν ο υποκαταστάτης έχει έλλειψη ηλεκτρονίων (ηλεκτρόφιλος) και δέχεται ένα ζεύγος ηλεκτρονίων για σύνδεση με την ένωση, το οποίο θα αλλάξει, ονομάζεται ηλεκτρόφιλη υποκατάσταση. Παραδείγματα που σχετίζονται με τα ηλεκτρόφιλα είναι τα H3O+, NO2+ και SO3.

Τύποι ηλεκτροφιλικής υποκατάστασης

1. Ηλεκτρόφιλη αλειφατική υποκατάσταση

Σε αυτόν τον τύπο ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης, ένα άτομο που συνδέεται με τον αρωματικό δακτύλιο, κυρίως υδρογόνο, αντικαθίσταται από ένα ηλεκτρόφιλο. Οι αντιδράσεις που συμβαίνουν είναι γνωστές ως αρωματική αλογόνωση, αρωματική ακυλίωση και σουλφονίωση και αρωματική νίτρωση. Επίσης, αποτελούνται από αλκυλίωση και ακυλίωση.

2. Ηλεκτρόφιλη αρωματική υποκατάσταση

Σε αυτή την αντίδραση, ένα ηλεκτρόφιλο εξαρθρώνει μία μεταξύ των λειτουργικών ομάδων. Οι τέσσερις ηλεκτροφιλικές αντιδράσεις αλειφατικής υποκατάστασης που είναι παρόμοιες με αντίστοιχες των πυρηνόφιλων SN1 και SN2 δίνονται ως – SE1, SE2, SE2 και SEi (οι οποίες ονομάζονται Ηλεκτρόφιλες Υποκατάστασης). Κατά την αντίδραση SE1, το υπόστρωμα ιονίζεται προς το καρβανιόν και ανασυνδυάζεται με το ηλεκτρόφιλο. Στην αντίδραση SE2, υπάρχει μια κατάσταση μετάβασης στην οποία υπάρχουν οι παλιοί και οι νεοσχηματισμένοι δεσμοί.

Ριζική υποκατάσταση

Η ριζική υποκατάσταση συμβαίνει όταν ένα άτομο ή μια ομάδα ατόμων κατά τη διάρκεια ενός μορίου αντικαθίσταται από μια ρίζα. Μερικά δείγματα ελεύθερων ριζών είναι τα Br, Cl, I και OH.

Εφαρμογές ριζικής υποκατάστασης

1. Αποξυγόνωση Barton-McCombie
2. Αντίδραση Dowd-Beckwith
3. Αντίδραση Wohl-Ziegler
4. Αντίδραση Minisci
5. Αντίδραση Hunsdiecker
6. Αντίδραση Μπάρτον

Συμπέρασμα

Από τα παραπάνω, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι αυτή η αντίδραση είναι ο τύπος που συμβαίνει όταν μια λειτουργική ομάδα ή άτομο αντικαθιστά την άλλη λειτουργική ομάδα ή άτομο. Το ουδετερόφιλο ηλεκτρόφιλο παίζει σημαντικό ρόλο στη λειτουργία της αντίδρασης. Στο τέλος σχηματίζεται το προϊόν και η αποχωρούσα ομάδα. Έτσι, μπορούμε να πούμε ότι αυτή η αντίδραση θα είναι χρήσιμη εάν θέλουμε να εξαγάγουμε έναν δεσμό στοιχείου με μια ένωση. Επίσης, μπορούν να πραγματοποιηθούν διαφορετικοί τύποι αντιδράσεων υποκατάστασης ρυθμίζοντας την απαιτούμενη συνθήκη για αυτές.