Veel vervangingsreacties maken de weg vrijhet verkrijgen van een verscheidenheid aan verbindingen die economische toepassingen hebben. In de chemische wetenschap en de industrie wordt een grote rol weggelegd voor elektrofiele en nucleofiele substitutie. Bij organische synthese hebben deze processen een aantal kenmerken waar op moet worden gelet.
Chemische veranderingen geassocieerd met transformatiesstoffen verschillen in een aantal kenmerken. De uiteindelijke resultaten, thermische effecten kunnen verschillen; sommige processen eindigen tot het einde, in andere treedt chemisch evenwicht op. Een verandering in stoffen gaat vaak gepaard met een toename of afname van de mate van oxidatie. Bij het classificeren van chemische verschijnselen op basis van hun eindresultaat, wordt aandacht besteed aan de kwalitatieve en kwantitatieve verschillen van reagentia van producten. Op basis van deze kenmerken kunnen 7 soorten chemische transformaties worden onderscheiden, waaronder een vervangingsprocedure volgens het schema: A - B + C A - C + B. Een vereenvoudigde registratie van een hele klasse van chemische fenomenen geeft een idee dat er onder de uitgangsmaterialen een zogenaamde "aanval" is 'Een deeltje dat een atoom, een ion, een functionele groep in een reagens vervangt. De substitutiereactie is kenmerkend voor verzadigde en aromatische koolwaterstoffen.
Substitutiereacties kunnen voorkomen in de vorm van een dubbele uitwisseling: A - B + C - E A - C + B - E. Een van de ondersoorten is bijvoorbeeld de verdringing van koper door ijzer uit een oplossing van kopersulfaat: CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu. Atomen, ionen of functionele groepen kunnen fungeren als een "aanvallend" deeltje.
Met het radicale mechanisme van covalente breukHet elektronenpaar, gemeenschappelijk voor verschillende elementen, is proportioneel verdeeld tussen de "fragmenten" van het molecuul. Er ontstaan vrije radicalen. Dit zijn onstabiele deeltjes, waarvan de stabilisatie optreedt als gevolg van daaropvolgende transformaties. Bij de productie van ethaan uit methaan verschijnen bijvoorbeeld vrije radicalen die betrokken zijn bij de substitutiereactie: CH4 CH3• + • N; CH3• + • CH3 → C2H5; H • + • H → H2.Homolytische breuk van de binding volgens het gegeven substitutiemechanisme is kenmerkend voor alkanen, de reactie is kettingvormig. In methaan kunnen H-atomen achtereenvolgens worden vervangen door chloor. Een vergelijkbare reactie doet zich voor met broom, maar jodium kan waterstof in alkanen niet direct vervangen, fluor reageert er te energiek mee.
Met het ionische mechanisme van substitutiereactiesde elektronen zijn ongelijk verdeeld tussen de nieuw opkomende deeltjes. Een bindend elektronenpaar gaat volledig naar een van de "fragmenten", meestal naar die partner in de binding, waarnaar de negatieve dichtheid in het polaire molecuul is verschoven. Vervangingsreacties omvatten de reactie van de vorming van methylalcohol CH3OH. In CH3Br-broommethaan is de moleculaire breuk heterolytisch en zijn de geladen deeltjes stabiel. Methyl krijgt een positieve lading en broom krijgt een negatieve lading: CH3Br → CH3+ + Br-; NaOH → Na+ + OH-; H3+ + OH- → CH3OH; Na+ + Br- ↔ NaBr.
Deeltjes zonder elektronen enkan ze accepteren, kreeg de naam "elektrofielen". Deze omvatten koolstofatomen die zijn gebonden aan halogenen in haloalkanen. Nucleofielen hebben een verhoogde elektronendichtheid, ze 'doneren' een paar elektronen om een covalente binding te creëren. Bij substitutiereacties worden nucleofielen die rijk zijn aan negatieve ladingen aangevallen door elektrofielen zonder elektronen. Dit fenomeen wordt geassocieerd met de beweging van een atoom of ander deeltje - een vertrekkende groep. Een ander type substitutiereactie is een elektrofiele aanval door een nucleofiel. Het is soms moeilijk om onderscheid te maken tussen twee processen om substitutie toe te schrijven aan een of ander type, omdat het moeilijk is om nauwkeurig aan te geven welke van de moleculen het substraat is en wat het reagens is. Meestal wordt in dergelijke gevallen rekening gehouden met de volgende factoren:
Tijdens interactie in een organisch molecuuler wordt een toename in polarisatie waargenomen. In de vergelijkingen wordt een gedeeltelijke positieve of negatieve lading gemarkeerd met de letter van het Griekse alfabet. Door de polarisatie van de binding kan men de aard van de breuk en het verdere gedrag van de "fragmenten" van het molecuul beoordelen. Het koolstofatoom in joodmethaan heeft bijvoorbeeld een gedeeltelijke positieve lading, is een elektrofiel centrum. Het trekt dat deel van de waterdipool aan waar zuurstof zich bevindt, dat een overmaat aan elektronen heeft. De interactie van een elektrofiel met een nucleofiel reagens produceert methanol: CH3Ik + H2O → CH3OH + HI.Nucleofiele substitutiereacties vinden plaats met deelname van een negatief geladen ion of molecuul met een vrij elektronenpaar dat niet betrokken is bij de vorming van een chemische binding. Actieve deelname van joodmethaan in SN2-reacties vanwege de openheid voor nucleofiele aanvallen en de mobiliteit van jodium.
Er kan een organisch molecuul aanwezig zijnnucleofiel centrum, dat wordt gekenmerkt door een overmaat aan elektronendichtheid. Het reageert met een negatief geladen elektrofiel reagens. Dergelijke deeltjes omvatten atomen met vrije orbitalen, moleculen met gebieden met verminderde elektronendichtheid. In natriumformiaat interageert koolstof met een "-" lading met het positieve deel van de waterdipool - met waterstof: CH3Na + H2O → CH4 + NaOH.Het product van deze elektrofiele substitutiereactie is methaan. Bij heterolytische reacties werken tegengesteld geladen centra van organische moleculen op elkaar in, waardoor ze vergelijkbaar zijn met ionen in de chemie van anorganische stoffen. Men mag niet over het hoofd zien dat de omzetting van organische verbindingen zelden gepaard gaat met de vorming van echte kationen en anionen.
Nucleofiele substitutie is monomoleculair(SN1). Volgens dit mechanisme verloopt de hydrolyse van een belangrijk product van organische synthese, tertiair butylchloride. De eerste fase is langzaam, het wordt geassocieerd met de geleidelijke dissociatie van een carboniumkation en een chloride-anion in een kation. De tweede fase is sneller, de reactie van het carboniumion met water verloopt. De vergelijking voor de vervanging van halogeen in een alkaan voor een oxygroep en de productie van primaire alcohol: (CH3)3C - Cl → (CH3)3C+ + Cl-; (H3)3C+ + H2O → (CH3)3C - OH + H+. Voor eentraps hydrolyse van primaire enSecundaire alkylhalogeniden worden gekenmerkt door de gelijktijdige vernietiging van de koolstofbinding met halogeen en de vorming van een C-OH-paar. Dit is het mechanisme van nucleofiele bimoleculaire substitutie (SN2).
Het substitutiemechanisme is geassocieerd met elektronenoverdracht,het creëren van intermediaire complexen. De reactie verloopt sneller, des te gemakkelijker kunnen de voor haar karakteristieke tussenproducten ontstaan. Vaak verloopt het proces tegelijkertijd in verschillende richtingen. Het voordeel wordt meestal gegeven aan de manier waarop deeltjes worden gebruikt die de laagste energiekosten nodig hebben voor hun vorming. De aanwezigheid van een dubbele binding verhoogt bijvoorbeeld de kans dat het allylische kation verschijnt CH2 = CH - CH2+, in vergelijking met ion CH3+. De reden ligt in de elektronendichtheid van de meervoudige binding, die de delokalisatie van de positieve lading verspreid over het molecuul beïnvloedt.
Een groep organische verbindingen waarvoorelektrofiele substitutie, arena's zijn kenmerkend. De benzeenring is een handig object voor elektrofiele aanvallen. Het proces begint met polarisatie van de binding in het tweede reagens, wat resulteert in de vorming van een elektrofiel naast de elektronenwolk van de benzeenring. Als resultaat verschijnt er een overgangscomplex. Er is nog steeds geen volwaardige verbinding tussen het elektrofiele deeltje en een van de koolstofatomen, het wordt aangetrokken door de volledige negatieve lading van de "aromatische zes" elektronen. In de derde fase van het proces bindt een elektrofiel en een koolstofatoom van de ring een gemeenschappelijk paar elektronen (covalente binding). Maar in dit geval vindt de vernietiging van de "aromatische zes" plaats, wat nadelig is vanuit het oogpunt van het bereiken van een stabiele stabiele energietoestand. Er is een fenomeen dat "protonemissie" kan worden genoemd. H-splitsing treedt op+, wordt het stabiele communicatiesysteem dat kenmerkend is voor arena's hersteld. Het bijproduct bevat een waterstofkation uit de benzeenring en een anion uit het tweede reagens.
Voor alkanen is vooral een substitutiereactie kenmerkend.Voorbeelden van elektrofiele en nucleofiele transformaties kunnen worden gegeven voor cycloalkanen en arenen. Vergelijkbare reacties in moleculen van organische stoffen vinden plaats onder normale omstandigheden, maar vaker bij verhitting en in aanwezigheid van katalysatoren. Veelvoorkomende en goed bestudeerde processen omvatten elektrofiele substitutie in de aromatische kern. De belangrijkste reacties van dit type:
Vervangingsreacties omvatten de reactie in alkanen.en cycloalkanen waarin halogenen de beschikbare C - H binding aantasten. Afleiding kan worden geassocieerd met de vervanging van één, twee of alle waterstofatomen in verzadigde koolwaterstoffen en cycloparaffinen. Veel van de haloalkanen met laag molecuulgewicht worden gebruikt bij de productie van complexere stoffen die tot verschillende klassen behoren. De successen bij het bestuderen van de mechanismen van substitutiereacties gaven een krachtige impuls aan de ontwikkeling van syntheses op basis van alkanen, cycloparaffines, arenes en gehalogeneerde koolwaterstoffen.
