置換反応：説明、式、例

多くの置換反応は、経済的に適用される様々な化合物を得るための道を開きます。 求電子性および求核性置換には、化学および産業における莫大な役割が割り当てられている。 有機合成において、これらのプロセスは、対応すべき多くの特徴を有する。

化学現象の多様性。 置換反応

物質の変換に伴う化学変化には多くの特徴があります。 異なる結果が最終結果、熱効果になる可能性があります。 いくつかのプロセスは最後まで進み、他のプロセスでは化学平衡があります。 物質の変化は、しばしば酸化の程度の増減を伴う。 最終結果によって化学現象を分類する場合、試薬と生成物の定性的および定量的な違いに注意が払われる。 これらの理由から、A-B + C A-C + Bのような置換処理を含む7種類の化学変換を区別することができる。化学現象全体の単純な記録は、初期物質の中にいわゆる「攻撃試薬中の原子、イオン、官能基を置換する粒子。 置換の反応は、限定的な芳香族炭化水素の特徴である。

置換反応は、二重交換として生じ得る：A-B + C-E A-C + B-E。 亜種の1つは、例えば硫酸銅：CuSO ₄ + Fe = FeSO ₄ + Cuの溶液からの鉄による銅の置換である。 「攻撃する」粒子は、原子、イオンまたは官能基として作用することができるため

置換均質（ラジカル、SR）

共有結合を切断するという根本的なメカニズムのもとで、異なる元素に共通する電子対は、分子の「断片」間に比例して分布する。 フリーラジカルが形成される。 これらは不安定な粒子であり、その安定化はその後の変換の結果として起こる。 例えば、メタンからエタンを得る場合、置換反応に関与するフリーラジカルCH ₄ CH _3・ +・H; CH _3・ +・CH ₃ →C ₂ H ₅ ; H・+・H→H2。 上記置換機構によるホモリシス結合破壊 はアルカンの特徴であり、反応 は鎖状である。 メタンでは、H原子は連続的に塩素で置き換えることができます。 同様に、ヨウ素ではなく臭素との反応は、アルカン中の水素を直接置換することができず、フッ素はあまりにも精力的にそれらと反応する。

通信を破壊する異種の方法

置換反応の過程のイオンメカニズムの下では、電子は新しく形成された粒子の間に不均一に分布する。 電子の結合対は、極性分子の負の密度がシフトする方向に向かって、その通信相手に対して、しばしば「断片」の1つに完全に移行する。 置換の反応には、メチルアルコールCH ₃ OHの形成が含まれる。 ブロモメタンCH3Brでは、分子の破壊は不均一であり、荷電粒子は安定である。 メチルは正電荷を獲得し、臭素は負である：CH ₃ Br→CH ₃ ⁺ + Br-; NaOH→Na ⁺ + OH-; CH ₃ ⁺ + OH ^- →CH ₃ OH; Na ⁺ Br + NaBr。

求電子剤と求核試薬

電子を欠き、それを受け入れることができる粒子を「求電子剤」と呼びます。 これらには、ハロアルカン中のハロゲンに結合した炭素原子が含まれる。 求核試薬は電子密度が高く、共有結合を形成するときに電子のペアを「犠牲にする」。 置換反応において、負電荷を多く含む求核剤は、電子不足を経験する求電子剤によって攻撃される。 この現象は、原子または他の粒子（外向きの群）の変位に関連している。 置換反応の別のタイプは求核試薬による求電子攻撃である。 時には、2つのプロセスを区別することが難しい場合もあります。置換の種類を1つまたは別のタイプにすることは、分子のどれが基質であり試薬であるかを正確に特定することが困難なためです。 通常、このような場合、次の要因が考慮されます。

• 外出するグループの性質。
• 求核試薬の反応性。
• 溶媒の性質。
• アルキル部分の構造。

置換求核性（SN）

相互作用のプロセスにおいて、有機分子には分極の増加が観察される。 方程式では、部分正または負の電荷がギリシャ文字の文字でマークされています。 結合の分極は、その不連続性の性質およびその後の分子の「断片」の挙動を判断することを可能にする。 例えば、ヨードメタン中の炭素原子は部分正電荷を有し、求電子中心である。 それは、過剰な電子を有する酸素が位置する水双極子のその部分を引きつける。 求電子試薬が求核試薬と相互作用すると、メタノールが生成する：CH ₃ I + H ₂ O→CH ₃ OH + HI。 求核置換の反応は、負に荷電したイオンまたは化学結合の生成に関与しない遊離電子対を有する分子の関与によって起こる。 SN ₂反応におけるヨードメタンの積極的な関与は、求核攻撃に対する開放性およびヨウ素の移動性によって説明される。

求電子置換（SE）

有機分子は、過剰な電子密度が特徴である求核中心を有することができる。 これは求電子性試薬で負電荷の不足と反応する。 そのような粒子は、遊離軌道を有する原子、電子密度が減少した部位を有する分子を含む。 ギ酸ナトリウムにおいて 、電荷「 - 」を有する炭素は、水の双極子の正の部分と水素：CH ₃ Na + H ₂ O→CH ₄ + NaOHと相互作用する。 この求電子置換反応の生成物はメタンである。 異種分解反応では、反対に荷電した有機分子の中心が相互作用し、無機物質の化学におけるイオンと類似している。 有機化合物の転化が実際のカチオンおよびアニオンの形成をほとんど伴わないことは見落とされるべきではない。

単分子および二分子反応

求核置換は単分子（SN1）である。 この機構により、有機合成の重要な生成物である第三ブチルクロライドの加水分解が起こる。 第1段階は緩慢であり、これはカルボニウムカチオンおよびクロライドアニオンの徐々の解離に関連する。 第2段階はより迅速に進行し、カルボニウムイオンと水との反応が進行する。 アルカン中のハロゲンのヒドロキシ基による置換および第一級アルコールの調製のための式：（CH ₃ ） ₃ C-Cl→（CH ₃ ） ₃ C ⁺ + Cl ^- ; （CH ₃ ） ₃ C ⁺⁺ H ₂ O→（CH ₃ ） ₃ C-OH + H ^+である 。 一級および二級アルキルハライドの一段階加水分解は、炭素 - ハロゲン結合の同時破壊およびC-OH対の形成を特徴とする。 これは、求核二分子置換（SN2）のメカニズムである。

異種置換のメカニズム

置換のメカニズムは、電子の移動、中間錯体の生成に関連している。 反応が速く進行するほど、より容易にその中間生成物が特徴的であるように見える。 しばしば、プロセスは複数の方向に同時に進行する。 アドバンテージは、通常、教育に最低のエネルギーコストを必要とするパーティクルの使用方法を取得します。 例えば、二重結合の存在は、イオンCH3 ⁺と比較して、アリルカチオンCH2 = CH-CH2 ⁺の発生の可能性を増加させる。 その理由は、分子全体に分布している正電荷の非局在化に影響を及ぼす多重結合の電子密度にある。

ベンゼンの置換反応

求電子置換によって特徴付けられる 有機化合物の 群は、アリーナである。 ベンゼン環 - 求電子攻撃のための便利な目的。 このプロセスは、第2試薬中の結合の分極から始まり、その結果、ベンゼン環の電子雲に隣接する求電子物質が形成される。 その結果、トランジションコンプレックスが表示されます。 求電子性粒子と炭素原子の1つとの完全な結合はまだ利用可能ではなく、電子の「芳香族6」の負電荷全体に引き付けられる。 このプロセスの第3段階では、求電子物質と1つの炭素環原子が共通の電子対（共有結合）によって結合される。 しかし、この場合、「芳香族6」は破壊され、安定した安定したエネルギー状態を達成するという観点からは不利益である。 「陽子放射」と呼ばれる現象があります。 H ^+の分裂があり、典型的な競技場である安定した通信システムが復元されます。 副生成物は、ベンゼン環からの水素カチオンと、第2試薬からのアニオンとを含む。

有機化学からの置換反応の例

アルカンについては、置換反応が特に特徴的である。 求電子性および求核性の変換の例は、シクロアルカンおよびアレーンについて挙げることができる。 有機物の分子中の同様の反応は、通常の条件下で起こるが、より頻繁には、加熱および触媒の存在下で起こる。 広範かつ充分に研究されたプロセスには、芳香族核における求電子置換が含まれる。 このタイプの最も重要な反応は次のとおりです。

1. H ₂ SO _4の存在下での 硝酸 によるベンゼンのニトロ化は、スキーム：C ₆ H ₆ →C ₆ H ₅ -NO ₂に従って進行する。
2. 式：C ₆ H ₆ + Cl ₂ →C ₆ H ₅ Cl + HClによるベンゼンの接触ハロゲン化、特に塩素化。
3. ベンゼンの芳香族スルホン化は、「発煙硫酸」で進行し、ベンゼンスルホン酸が形成される。
4. アルキル化は、ベンゼン環の組成物からの水素原子をアルキルで置き換えることである。
5. アシル化はケトンの形成である。
6. 形成 - CHO基による水素の置換およびアルデヒドの形成。

置換反応には、ハロゲンが利用可能なC-H結合を攻撃するアルカンおよびシクロアルカン中の反応が含まれる。 誘導体化は、最終的な炭化水素およびシクロパラフィン中の1個、2個または全ての水素原子の置換に起因する可能性がある。 分子量の小さいハロゲノアルカンの多くは、異なるクラスに属するより複雑な物質の製造に応用されている。 置換反応のメカニズムを研究することで得られた成功は、アルカン、シクロパラフィン、アレーンおよびハロゲン化炭化水素に基づく合成の開発に強力な刺激を与えた。