Αντίδραση Ηλεκτρόφιλης Υποκατάστασης
Μια αντίδραση ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης συμβαίνει όταν η χρήσιμη ομάδα μιας ένωσης αντικαθίσταται από ένα ηλεκτρόφιλο. Με άλλα λόγια, ένα ηλεκτρόφιλο αντικαθιστά τη «λειτουργική ομάδα» του μορίου. Το ηλεκτρόφιλο θα μπορούσε να είναι οποιοδήποτε ζεύγος ηλεκτρονίων που δέχεται μια ομάδα. Ωστόσο, η λειτουργική ομάδα είναι συνήθως ένα άτομο υδρογόνου.
Μερικά ηλεκτρόφιλα δεν είναι αρκετά ηλεκτρόφιλα για να αντιδράσουν μόνα τους ή η αντίδραση καθυστερεί. Με τη βοήθεια των οξέων Lewis, μπορούμε επιπλέον να επιταχύνουμε την αντίδραση ηλεκτροφιλικής υποκατάστασης. Για παράδειγμα, παρουσία AlCl3 και FeCl3, η διαδικασία ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης του βενζολίου με Cl2 μπορεί να προχωρήσει με σημαντικά υψηλότερο ρυθμό.
Αυτό το άρθρο θα καλύψει τη συζήτηση σχετικά με την αντίδραση ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης και τη σημασία, τους τύπους και τον μηχανισμό της για να γίνει κατανοητή η έννοια.
Σημασία αντίδρασης ηλεκτροφιλικής υποκατάστασης
Οι αντιδράσεις ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης συμβαίνουν όταν ένα ηλεκτρόφιλο αφαιρεί μια λειτουργική ομάδα σε ένα μόριο, συνήθως αλλά όχι πάντα ένα άτομο υδρογόνου. Οι διαδικασίες ηλεκτρόφιλης αρωματικής υποκατάστασης συχνά προσθέτουν λειτουργικές ομάδες στους δακτυλίους βενζολίου και είναι χαρακτηριστικές των αρωματικών μορίων. Ορισμένα αλειφατικά μόρια μπορούν επίσης να υποκατασταθούν ηλεκτροφιλικά.
Στις «αρωματικές ενώσεις», ένα ηλεκτρόφιλο αντικαθιστά ένα άτομο που συνδέεται προς τον αρωματικό δακτύλιο, ο οποίος είναι συνήθως υδρογόνο. Οι πιο σημαντικές είναι η αρωματική νίτρωση, η αρωματική ακυλίωση, η αρωματική σουλφονίωση, η αρωματική αλογόνωση και οι αντιδράσεις αλκυλίωσης Friedel-Crafts. Περιλαμβάνει επίσης ακυλίωση και αλκυλίωση.
Ένα ηλεκτρόφιλο αντικαθιστά μια λειτουργική ομάδα σε μια «ηλεκτρόφιλη υποκατάσταση» σε αλειφατικά μόρια. Αυτή η αντίδραση είναι ανάλογη με την πυρηνόφιλη αλειφατική υποκατάσταση, με τη διαφορά ότι ο δότης είναι πυρηνόφιλος αντί για ηλεκτρόφιλο. «SE1, SE2 (εμπρός), SE2 (πίσω) και SEi είναι, γνωστό ως Ηλεκτρόφιλο Υποκατάστασης» είναι οι τέσσερις δυνητικοί μηχανισμοί ηλεκτροφιλικής αντίδρασης αλειφατικής υποκατάστασης, οι οποίοι είναι παρομοίως συγκρίσιμοι με τους αντίστοιχους πυρηνόφιλους SN1 και SN2. Το υπόστρωμα ιονίζεται πρώτα στην πορεία δράσης SE1, σχηματίζοντας ένα καρβανιόν και ένα οργανικό υπόλειμμα θετικού φορτίου. Μετά από αυτό, το carbanion συναρμολογείται αμέσως με το ηλεκτρόφιλο. Ο «μηχανισμός αντίδρασης SE2» περιλαμβάνει μια μοναδική κατάσταση μετάβασης που περιέχει τόσο τους παλιούς όσο και τους νεοδημιουργηθέντες δεσμούς.
Τα παρακάτω είναι παραδείγματα αντιδράσεων ηλεκτρόφιλης αλειφατικής υποκατάστασης:
- Νίτρωση
- Σύζευξη αλειφατικού διαζωνίου
- Ταυτομερισμός κετο-ενόλης
- Αλογόνωση κετόνης
- Αντιδράσεις άλφα καρβονυλικής υποκατάστασης
- Εισαγωγή καρβενίου σε δεσμούς C-H
Σημασία αντίδρασης ηλεκτροφιλικής υποκατάστασης
Μία από τις πιο σημαντικές αντιδράσεις στη συνθετική οργανική χημεία είναι η «ηλεκτρόφιλη αρωματική υποκατάσταση». Αυτές οι αντιδράσεις παράγουν ένα σημαντικό ενδιάμεσο, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως προηγούμενα στην παρασκευή φαρμακευτικών, αγροχημικών και βιομηχανικών προϊόντων. Ωστόσο, πολλές εμπορικές διαδικασίες για την παραγωγή τέτοιων υλικών συνεχίζουν να βασίζονται στην επιστήμη που δημιουργήθηκε πριν από πολλά χρόνια. Τέτοιες μέθοδοι συχνά καταλήγουν σε μείγματα τοποϊσομερών και πολυάριθμοι νέοι τρόποι έχουν αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια για την επίτευξη επιρροής στη ραδιοχημεία των διεργασιών.
Οι ζεόλιθοι μπορούν να λειτουργήσουν ως ετερογενείς καταλύτες, να βοηθήσουν αντιδραστήρια, να συμπαρασύρουν παραπροϊόντα, να βελτιώσουν την παρα-επιλεκτικότητα του προϊόντος μέσω της επιλεκτικότητας σχήματος και να ελαχιστοποιήσουν την υδαρή επεξεργασία. Υπό ήπιες συνθήκες, οι ζεόλιθοι μπορούν να ωφεληθούν από διαδικασίες αλογόνωσης, αλκυλίωσης, παρα-περιοχικής εκλεκτικής νίτρωσης, ακυλίωσης και αντίδρασης μεθανοσουλφονυλίου. Επιπλέον, μπορούν συνήθως να αφαιρεθούν εύκολα από το μέσο αντίδρασης με απλή διήθηση και να αναζωογονηθούν με θέρμανση, επιτρέποντάς τους να επαναχρησιμοποιηθούν πολλές φορές με σχεδόν την ίδια παραγωγικότητα και επιλεκτικότητα με τα δείγματα.
Τύποι αντιδράσεων ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης
Αντίδραση ηλεκτροφιλικής υποκατάστασης σε αρωματικές ενώσεις
Μια αντίδραση ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης που περιλαμβάνει αρωματικές ενώσεις συμβαίνει όταν ο ίδιος ο αρωματικός δακτύλιος αντικαθίσταται ή εκτοπίζεται από ένα ηλεκτρόφιλο. Η αρωματικότητα των μορίων διατηρείται σε τέτοιες αντιδράσεις. Οι χημικές αντιδράσεις που περιλαμβάνουν σουλφόνωση, αντιδράσεις Friedel-Crafts και νίτρωση σε αρωματικές ενώσεις είναι παραδείγματα ηλεκτρόφιλων αντιδράσεων αρωματικής υποκατάστασης.
Αντίδραση ηλεκτροφιλικής υποκατάστασης σε αλειφατικές ενώσεις
Οι «ηλεκτρόφιλες αντιδράσεις αλειφατικής υποκατάστασης» είναι χημικές αντιδράσεις στις οποίες ένα ηλεκτρόφιλο αντικαθιστά μια λειτουργική ομάδα σε ένα αλειφατικό μόριο. Το ηλεκτρόφιλο επιτίθεται στο αλειφατικό μόριο σε αυτές τις αντιδράσεις, με αποτέλεσμα μια εκδοχή, όπως η αναστροφή 180°.
Μηχανισμός αντίδρασης ηλεκτροφιλικής υποκατάστασης
-
Δημιουργία ηλεκτροφίλων:Το άνυδρο χλωριούχο αργίλιο είναι ένα πολύτιμο οξύ Lewis για την παραγωγή ηλεκτροφίλων από την αλκυλίωση, τη χλωρίωση και την ακυλίωση ενός αρωματικού δακτυλίου. Τα ηλεκτρόφιλα που προκύπτουν από την αντίδραση του αφυδατωμένου χλωριούχου αργιλίου και του αντίθετου αντιδραστηρίου είναι Cl+, R+ και RC+O.
-
Σχηματισμός ενδιάμεσου καρβοκατιόντος:Το ηλεκτρόφιλο επιτίθεται στον αρωματικό δακτύλιο, με αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός συμπλόκου ιόντων αρενίου ή σίγμα. Ένας άλλος από τους άνθρακες σε αυτό το ιόν αρενίου έχει υποστεί υβριδισμό sp3. Σε μια δομή συντονισμού, αυτό το ιόν αρενίου επιτυγχάνει σταθερότητα. Επειδή η μετεγκατάσταση ηλεκτρονίων τελειώνει στον «υβριδισμένο άνθρακα sp3», το «σύμπλεγμα σίγμα ή ιόν αρενίου» χάνει την αρωματική του ιδιότητα.
-
Αφαίρεση πρωτονίου από το ενδιάμεσο καρβοκατιόν:Όταν προσβάλλεται από AlCl4, το σύμπλεγμα σίγμα εκπέμπει ένα πρωτόνιο από τον υβριδοποιημένο άνθρακα sp3 για να ανακτήσει την αρωματική ιδιότητα. Ως αποτέλεσμα, το ηλεκτρόφιλο παίρνει τη θέση του ιόντος υδρογόνου μέσα στον δακτύλιο βενζολίου. Επειδή η έννοια της ηλεκτροφιλικής υποκατάστασης έχει χρησιμοποιηθεί στις περισσότερες αντιδράσεις οργανικών ονομάτων, είναι μια εξαιρετικά σημαντική αντίδραση στην οργανική χημεία.
Συμπέρασμα
Η μετατοπισμένη λειτουργική ομάδα σε μια «ηλεκτρόφιλη υποκατάσταση» είναι συνήθως ένα άτομο υδρογόνου. Πολλές αφηρημένες ενώσεις που περιέχουν δακτυλίους βενζολίου υφίστανται ηλεκτρόφιλη υποκατάσταση, η οποία αναφέρεται ως διαδικασίες ηλεκτροφιλικής αρωματικής υποκατάστασης. Μια άλλη μορφή αντίδρασης ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης είναι η «ηλεκτρόφιλη αντίδραση αλειφατικής υποκατάστασης». Η διαδικασία ηλεκτρόφιλης υποκατάστασης περιλαμβάνει τρία στάδια:την παραγωγή ενός ηλεκτρόφιλου, τη σύνθεση ενός ομοιοπολικού δεσμού που δρα ως ενδιάμεσος και την εξάλειψη ενός πρωτονίου από το μέσο.