ბევრი ჩანაცვლებითი რეაქცია ხსნის გზას სხვადასხვა ნაერთების წარმოებისთვის, რომლებსაც აქვთ ეკონომიკური გამოყენება. ელექტროფილური და ნუკლეოფილური ჩანაცვლება უზარმაზარ როლს თამაშობს ქიმიურ მეცნიერებაში და მრეწველობაში. ორგანულ სინთეზში ამ პროცესებს აქვთ მთელი რიგი მახასიათებლები, რომლებსაც ყურადღება უნდა მიექცეს.
ქიმიური ფენომენების მრავალფეროვნება. ჩანაცვლების რეაქციები
ნივთიერებების ტრანსფორმაციასთან დაკავშირებული ქიმიური ცვლილებები გამოირჩევა მთელი რიგი მახასიათებლებით. საბოლოო შედეგები და თერმული ეფექტი შეიძლება განსხვავდებოდეს; ზოგიერთი პროცესი სრულდება, ზოგიერთში ხდება ნივთიერებების ცვლილება, რომელსაც ხშირად თან ახლავს ჟანგვის ხარისხის მატება ან შემცირება. ქიმიური ფენომენების საბოლოო შედეგის მიხედვით კლასიფიცირებისას ყურადღება ეთმობა ხარისხობრივ და რაოდენობრივ განსხვავებას რეაგენტებსა და პროდუქტებს შორის. ამ მახასიათებლების საფუძველზე შეიძლება განვასხვავოთ ქიმიური გარდაქმნების 7 ტიპი, მათ შორის ჩანაცვლება, რომელიც მიჰყვება სქემას: A-B + C A-C + B. ქიმიური ფენომენების მთელი კლასის გამარტივებული აღნიშვნა იძლევა აზრს, რომ საწყის ნივთიერებებს შორის არის ეგრეთ წოდებული „შეტევა“ ნაწილაკი, რომელიც ცვლის ატომს, იონს ან ფუნქციურ ჯგუფს რეაგენტში. ჩანაცვლების რეაქცია დამახასიათებელია შეზღუდვისა და
ჩანაცვლების რეაქციები შეიძლება მოხდეს ორმაგი გაცვლის სახით: A-B + C-E A-C + B-E. ერთ-ერთი ქვესახეობაა, მაგალითად, სპილენძის გადაადგილება რკინით სპილენძის სულფატის ხსნარიდან: CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu. "შეტევის" ნაწილაკი შეიძლება იყოს ატომები, იონები ან ფუნქციური ჯგუფები
ჰომოლიზური ჩანაცვლება (რადიკალური, SR)
კოვალენტური ბმების გაწყვეტის რადიკალური მექანიზმით, სხვადასხვა ელემენტებისთვის საერთო ელექტრონული წყვილი პროპორციულად ნაწილდება მოლეკულის „ფრაგმენტებს“ შორის. იქმნება თავისუფალი რადიკალები. ეს არის არასტაბილური ნაწილაკები, რომელთა სტაბილიზაცია ხდება შემდგომი გარდაქმნების შედეგად. მაგალითად, მეთანისგან ეთანის წარმოებისას ჩნდება თავისუფალი რადიკალები, რომლებიც მონაწილეობენ ჩანაცვლების რეაქციაში: CH 4 CH 3. + .N; CH 3. + .CH 3 → C2H5; N. + .N → N2. ჰომოლიზური ბმის გაწყვეტა ზემოაღნიშნული ჩანაცვლების მექანიზმის მიხედვით ჯაჭვური ხასიათისაა. მეთანში H ატომები შეიძლება თანმიმდევრულად შეიცვალოს ქლორით. ბრომთან რეაქცია ანალოგიურად ხდება, მაგრამ იოდს არ შეუძლია უშუალოდ შეცვალოს წყალბადი ალკანებში; ფტორი მათთან ძალიან ენერგიულად რეაგირებს.
ჰეტეროლიზური ბმის გაწყვეტის მეთოდი
ჩანაცვლებითი რეაქციების იონური მექანიზმით, ელექტრონები არათანაბრად ნაწილდება ახლად წარმოქმნილ ნაწილაკებს შორის. ელექტრონების შემაკავშირებელი წყვილი მთლიანად მიდის ერთ-ერთ "ფრაგმენტთან", ყველაზე ხშირად ბმის პარტნიორთან, რომლისკენაც გადავიდა უარყოფითი სიმკვრივე პოლარულ მოლეკულაში. ჩანაცვლების რეაქციები მოიცავს მეთილის სპირტის CH 3 OH წარმოქმნას. ბრომომეთანში CH3Br მოლეკულის რღვევა ჰეტეროლიზურია, დამუხტული ნაწილაკები კი სტაბილურია. მეთილი იძენს დადებით მუხტს, ბრომი კი უარყოფით მუხტს: CH 3 Br → CH 3 + + Br - ; NaOH → Na + + OH - ; CH 3 + + OH - → CH 3 OH; Na + + Br - ↔ NaBr.
ელექტროფილები და ნუკლეოფილები
ნაწილაკებს, რომლებსაც აკლიათ ელექტრონები და შეუძლიათ მათი მიღება, ეწოდება "ელექტროფილები". მათ შორისაა ნახშირბადის ატომები, რომლებიც დაკავშირებულია ჰალოგენებთან ჰალოალკანებში. ნუკლეოფილებს აქვთ გაზრდილი ელექტრონის სიმკვრივე; ისინი "აძლევენ" წყვილ ელექტრონებს კოვალენტური ბმის შექმნისას. ჩანაცვლებითი რეაქციების დროს ნეგატიური მუხტით მდიდარ ნუკლეოფილებს ესხმიან ელექტროფილები, რომლებსაც შიმშილი აქვთ ელექტროფილები. ეს ფენომენი ასოცირდება ატომის ან სხვა ნაწილაკების მოძრაობასთან – წასული ჯგუფის. ჩანაცვლების რეაქციის კიდევ ერთი ტიპია ელექტროფილის შეტევა ნუკლეოფილის მიერ. ზოგჯერ რთულია ორი პროცესის გარჩევა და ჩანაცვლების მიკუთვნება ამა თუ იმ ტიპისთვის, რადგან ძნელია ზუსტად მიუთითო რომელი მოლეკულაა სუბსტრატი და რომელია რეაგენტი. როგორც წესი, ასეთ შემთხვევებში გათვალისწინებულია შემდეგი ფაქტორები:
- წასული ჯგუფის ბუნება;
- ნუკლეოფილური რეაქტიულობა;
- გამხსნელის ბუნება;
- ალკილის ნაწილის სტრუქტურა.
ნუკლეოფილური ჩანაცვლება (SN)
ორგანულ მოლეკულაში ურთიერთქმედების პროცესის დროს, პოლარიზაციის ზრდა შეინიშნება. განტოლებებში ნაწილობრივი დადებითი ან უარყოფითი მუხტი მითითებულია ბერძნული ანბანის ასოებით. ბონდის პოლარიზაცია შესაძლებელს ხდის ვიმსჯელოთ მისი რღვევის ბუნებაზე და მოლეკულის „ფრაგმენტების“ შემდგომ ქცევაზე. მაგალითად, იოდომეთანში ნახშირბადის ატომს აქვს ნაწილობრივი დადებითი მუხტი და წარმოადგენს ელექტროფილურ ცენტრს. ის იზიდავს წყლის დიპოლის იმ ნაწილს, სადაც განთავსებულია ჟანგბადი, რომელსაც აქვს ელექტრონების ჭარბი რაოდენობა. როდესაც ელექტროფილი ურთიერთქმედებს ნუკლეოფილურ რეაგენტთან, წარმოიქმნება მეთანოლი: CH 3 I + H 2 O → CH 3 OH + HI. ნუკლეოფილური ჩანაცვლების რეაქციები მიმდინარეობს უარყოფითად დამუხტული იონის ან მოლეკულის მონაწილეობით თავისუფალი ელექტრონული წყვილით, რომელიც არ მონაწილეობს ქიმიურ ბმაში. იოდომეთანის აქტიური მონაწილეობა SN 2 რეაქციებში აიხსნება მისი ღიაობით ნუკლეოფილური შეტევისადმი და იოდის მობილურობით.
ელექტროფილური ჩანაცვლება (SE)
ორგანული მოლეკულა შეიძლება შეიცავდეს ნუკლეოფილურ ცენტრს, რომელიც ხასიათდება ელექტრონის სიმკვრივის გადაჭარბებით. ის რეაგირებს ელექტროფილურ რეაგენტთან, რომელსაც აკლია უარყოფითი მუხტები. ასეთ ნაწილაკებს მიეკუთვნება ატომები თავისუფალი ორბიტალებით და მოლეკულები ელექტრონის დაბალი სიმკვრივის უბნებით. B ნახშირბადი, რომელსაც აქვს „-“ მუხტი, ურთიერთქმედებს წყლის დიპოლის დადებით ნაწილთან - წყალბადთან: CH 3 Na + H 2 O → CH 4 + NaOH. ამ ელექტროფილური ჩანაცვლების რეაქციის პროდუქტია მეთანი. ჰეტეროლიზურ რეაქციებში ორგანული მოლეკულების საპირისპიროდ დამუხტული ცენტრები ურთიერთქმედებენ, რაც მათ არაორგანული ნივთიერებების ქიმიაში იონების მსგავსს ხდის. მხედველობიდან არ უნდა გამოგვრჩეს, რომ ორგანული ნაერთების ტრანსფორმაციას იშვიათად ახლავს ნამდვილი კათიონებისა და ანიონების წარმოქმნა.
მონომოლეკულური და ბიმოლეკულური რეაქციები
ნუკლეოფილური ჩანაცვლება მონომოლეკულურია (SN1). ეს მექანიზმი გამოიყენება ორგანული სინთეზის მნიშვნელოვანი პროდუქტის - მესამეული ბუტილ ქლორიდის ჰიდროლიზებისთვის. პირველი ეტაპი ნელია, ის დაკავშირებულია თანდათანობით დისოციაციასთან კარბონიუმის კატიონად და ქლორიდის ანიონად. მეორე ეტაპი უფრო სწრაფად მიმდინარეობს, ხდება ნახშირბადის იონის რეაქცია წყალთან. ალკანში ჰალოგენის ჩანაცვლება ჰიდროქსი ჯგუფით და პირველადი სპირტის მიღება: (CH 3) 3 C—Cl → (CH 3) 3 C + + Cl - ; (CH 3) 3 C + + H 2 O → (CH 3) 3 C—OH + H + . პირველადი და მეორადი ალკილის ჰალოიდების ერთსაფეხურიანი ჰიდროლიზი ხასიათდება ნახშირბად-ჰალოგენური ბმის ერთდროული განადგურებით და C-OH წყვილის წარმოქმნით. ეს არის ნუკლეოფილური ბიმოლეკულური ჩანაცვლების მექანიზმი (SN2).
ჰეტეროლიზური ჩანაცვლების მექანიზმი
ჩანაცვლების მექანიზმი დაკავშირებულია ელექტრონების გადაცემასთან და შუალედური კომპლექსების შექმნასთან. რაც უფრო სწრაფად ხდება რეაქცია, მით უფრო ადვილია მისი დამახასიათებელი შუალედური პროდუქტები. ხშირად პროცესი ერთდროულად რამდენიმე მიმართულებით მიდის. უპირატესობა ჩვეულებრივ მიდის გზაზე, რომელიც იყენებს ნაწილაკებს, რომლებიც საჭიროებენ ყველაზე ნაკლებ ენერგიას მათი ფორმირებისთვის. მაგალითად, ორმაგი ბმის არსებობა ზრდის ალილის კათიონის CH2=CH—CH 2 + გაჩენის ალბათობას CH 3 + იონთან შედარებით. მიზეზი მდგომარეობს მრავალჯერადი ბმის ელექტრონის სიმკვრივეში, რაც გავლენას ახდენს მოლეკულაში გაფანტული დადებითი მუხტის დელოკალიზაციაზე.
ბენზოლის შემცვლელი რეაქციები
ჯგუფი, რომელსაც ახასიათებს ელექტროფილური ჩანაცვლება, არის არენები. ბენზოლის რგოლი არის მოსახერხებელი სამიზნე ელექტროფილური შეტევისთვის. პროცესი იწყება ბმის პოლარიზებით მეორე რეაგენტში, რის შედეგადაც წარმოიქმნება ელექტროფილი ბენზოლის რგოლის ელექტრონის ღრუბელთან. შედეგად, ჩნდება გარდამავალი კომპლექსი. ელექტროფილურ ნაწილაკსა და ნახშირბადის ერთ-ერთ ატომს შორის ჯერ არ არის სრული კავშირი; ის იზიდავს "არომატიული ექვსი" ელექტრონის მთელი უარყოფითი მუხტით. პროცესის მესამე საფეხურზე ელექტროფილი და რგოლის ერთი ნახშირბადის ატომი დაკავშირებულია ელექტრონების საერთო წყვილით (კოვალენტური ბმა). მაგრამ ამ შემთხვევაში განადგურებულია "არომატული ექვსი", რაც არახელსაყრელია სტაბილური, სტაბილური ენერგეტიკული მდგომარეობის მიღწევის თვალსაზრისით. შეინიშნება ფენომენი, რომელსაც შეიძლება ეწოდოს "პროტონის გამოდევნა". H+ აღმოფხვრილია და აღდგება არენებისთვის დამახასიათებელი სტაბილური საკომუნიკაციო სისტემა. ქვეპროდუქტი შეიცავს წყალბადის კათიონს ბენზოლის რგოლიდან და ანიონს მეორე რეაგენტიდან.
შემცვლელი რეაქციების მაგალითები ორგანული ქიმიიდან
ალკანებს განსაკუთრებით ახასიათებს ჩანაცვლების რეაქცია. ელექტროფილური და ნუკლეოფილური გარდაქმნების მაგალითები შეიძლება მოვიყვანოთ ციკლოალკანებსა და არენებზე. მსგავსი რეაქციები ორგანული ნივთიერებების მოლეკულებში ხდება ნორმალურ პირობებში, მაგრამ უფრო ხშირად გაცხელებისას და კატალიზატორების თანდასწრებით. გავრცელებული და კარგად შესწავლილი პროცესები მოიცავს ელექტროფილურ ჩანაცვლებას არომატულ რგოლში. ამ ტიპის ყველაზე მნიშვნელოვანი რეაქციები:
- ბენზოლის ნიტრაცია H 2 SO 4 თანდასწრებით მიმდინარეობს სქემის მიხედვით: C 6 H 6 → C 6 H 5 -NO 2.
- ბენზოლის კატალიზური ჰალოგენაცია, კერძოდ ქლორირება, განტოლების მიხედვით: C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.
- არომატული პროცესი მიმდინარეობს გოგირდის მჟავით „ამომწვარი“, წარმოიქმნება ბენზოლის სულფონის მჟავები.
- ალკილაცია არის წყალბადის ატომის ჩანაცვლება ბენზოლის რგოლიდან ალკილით.
- აცილაცია - კეტონების წარმოქმნა.
- ფორმილაცია არის წყალბადის ჩანაცვლება CHO ჯგუფით და ალდეჰიდების წარმოქმნა.
ჩანაცვლების რეაქციები მოიცავს ალკანებსა და ციკლოალკანებში რეაქციებს, რომლებშიც ჰალოგენები თავს ესხმიან ხელმისაწვდომ C-H კავშირს. წარმოებულების წარმოქმნა შეიძლება მოიცავდეს წყალბადის ერთი, ორი ან ყველა ატომის ჩანაცვლებას გაჯერებულ ნახშირწყალბადებში და ციკლოპარაფინებში. ბევრი ჰალოალკანი მცირე მოლეკულური მასით გამოიყენება სხვადასხვა კლასს მიეკუთვნება უფრო რთული ნივთიერებების წარმოებაში. ჩანაცვლებითი რეაქციების მექანიზმების შესწავლაში მიღწეულმა პროგრესმა ძლიერი ბიძგი მისცა ალკანებზე, ციკლოპარაფინებზე, არენებზე და ჰალოგენურ ნახშირწყალბადებზე დაფუძნებული სინთეზების განვითარებას.
იგი წარმოიქმნება ატომური ორბიტალების გადახურვისა და საერთო ელექტრონული წყვილების წარმოქმნის დროს. ამის შედეგად წარმოიქმნება ორ ატომთან საერთო ორბიტალი, რომელიც შეიცავს ელექტრონების საერთო წყვილს. როდესაც ბმა იშლება, ამ საერთო ელექტრონების ბედი შეიძლება განსხვავებული იყოს.
კოვალენტური ბმის წარმოქმნის გაცვლის მექანიზმი. ჰომოლიზური კავშირის გაწყვეტა
ორბიტალი, რომელსაც აქვს დაუწყვილებელი ელექტრონი, რომელიც ეკუთვნის ერთ ატომს, შეიძლება გადაფაროს სხვა ატომის ორბიტალთან, რომელიც ასევე შეიცავს დაუწყვილებელ ელექტრონს. ამ შემთხვევაში, კოვალენტური ბმა იქმნება გაცვლის მექანიზმის მიხედვით:
N· + ·N -> N: N, ან N-N
კოვალენტური ბმის წარმოქმნის გაცვლის მექანიზმი რეალიზდება, თუ საერთო ელექტრონული წყვილი წარმოიქმნება სხვადასხვა ატომების კუთვნილი დაუწყვილებელი ელექტრონებისაგან.
გაცვლის მექანიზმით კოვალენტური ბმის წარმოქმნის საპირისპირო პროცესია ბმის გაწყვეტა, რომლის დროსაც თითო ელექტრონი იკარგება თითოეულ ატომში. ამის შედეგად წარმოიქმნება ორი დაუმუხტი ნაწილაკი, რომლებსაც აქვთ დაუწყვილებელი ელექტრონები:
ასეთ ნაწილაკებს თავისუფალ რადიკალებს უწოდებენ.
თავისუფალი რადიკალები- ატომები ან ატომების ჯგუფები, რომლებსაც აქვთ დაუწყვილებელი ელექტრონები.
კოვალენტური ბმის გაწყვეტის მექანიზმს, რომელშიც წარმოიქმნება თავისუფალი რადიკალები, ეწოდება ჰემოლიზური ან ჰომოლიზი (ჰომო - იდენტური, ანუ ბმის ამ ტიპის გაწყვეტა იწვევს იდენტური ნაწილაკების წარმოქმნას).
რეაქციებს, რომლებიც წარმოიქმნება თავისუფალი რადიკალების გავლენით და მონაწილეობით, ეწოდება თავისუფალი რადიკალების რეაქციები.
ჰიდროქსილის ანიონი იზიდავს ნახშირბადის ატომს (უტევს ნახშირბადის ატომს), რომელზედაც კონცენტრირებულია ნაწილობრივი დადებითი მუხტი და ცვლის ბრომს, უფრო ზუსტად, ბრომიდის ანიონს.
1-ქლოროპროპანის მოლეკულაში, C-Cl ბმაში არსებული ელექტრონული წყვილი გადაადგილებულია ქლორის ატომისკენ მისი დიდი ელექტრონეგატიურობის გამო. ამ შემთხვევაში, ნახშირბადის ატომი, რომელმაც მიიღო ნაწილობრივი დადებითი მუხტი (§+), იღებს ელექტრონებს ასოცირებული ნახშირბადის ატომიდან, რაც, თავის მხრივ, შემდეგიდან:
ამრიგად, ინდუქციური ეფექტი გადადის მიკროსქემის მეშვეობით, მაგრამ სწრაფად ქრება: ის პრაქტიკულად არ შეინიშნება სამი st- კავშირის შემდეგ.
განვიხილოთ კიდევ ერთი რეაქცია - წყალბადის ბრომიდის დამატება ეთენში:
CH2=CH2 + HBr -> CH3-CH2Br
ამ რეაქციის საწყის ეტაპზე წყალბადის კატიონი ემატება მრავალჯერადი ბმის შემცველ მოლეკულას:
CH2=CH2 + H+ -> CH2-CH3
n-ბმის ელექტრონები გადავიდა ნახშირბადის ერთ ატომზე, ხოლო მეზობელს ჰქონდა დადებითი მუხტი, შეუვსებელი ორბიტალი.
ასეთი ნაწილაკების სტაბილურობა განისაზღვრება იმით, თუ რამდენად კომპენსირებულია ნახშირბადის ატომზე დადებითი მუხტი. ეს კომპენსაცია ხდება a- ბმის ელექტრონის სიმკვრივის დადებითად დამუხტული ნახშირბადის ატომისკენ ცვლის გამო, ანუ დადებითი ინდუქციური ეფექტი (+1). 
ატომების ჯგუფს, ამ შემთხვევაში მეთილის ჯგუფს, საიდანაც გამოდის ელექტრონის სიმკვრივე, აქვს დონორის ეფექტი, რომელიც აღინიშნება +1.
მეზომერული ეფექტი. არსებობს კიდევ ერთი გზა, რომლითაც ზოგიერთი ატომები ან ჯგუფი გავლენას ახდენს სხვებზე - მეზომერული ეფექტი, ან კონიუგაციის ეფექტი.
განვიხილოთ 1,3 ბუტადიენის მოლეკულა:
CH2=CH CH=CH2
გამოდის, რომ ორმაგი ბმები ამ მოლეკულაში არ არის მხოლოდ ორი ორმაგი ბმა! ვინაიდან ისინი ახლოს არიან, არის გადახურვა პ-ბმები შედის მეზობელ ორმაგ ბმებში და წარმოიქმნება საერთო კავშირი ოთხივე ნახშირბადის ატომისთვის პ-ელექტრონული ღრუბელი. ამ შემთხვევაში სისტემა (მოლეკულა) უფრო სტაბილური ხდება. ამ ფენომენს ეწოდება კონიუგაცია (ამ შემთხვევაში პ - პ- დაწყვილება). 
დამატებითი გადახურვა, n-ობლიგაციების გაერთიანება, რომლებიც გამოყოფილია ერთი o- ბმით, იწვევს მათ „საშუალოებას“. ცენტრალური მარტივი ბმა იძენს ნაწილობრივ „ორმაგ“ ხასიათს, ხდება უფრო ძლიერი და მოკლე, ხოლო ორმაგი ბმები გარკვეულწილად სუსტდება და გრძელდება.
კონიუგაციის კიდევ ერთი მაგალითია ორმაგი ბმის ეფექტი ატომზე, რომელსაც აქვს მარტოხელა წყვილი ელექტრონები.
მაგალითად, როდესაც კარბოქსილის მჟავა იშლება, მარტოხელა ელექტრონული წყვილი რჩება ჟანგბადის ატომზე:
ეს იწვევს დისოციაციის დროს წარმოქმნილი ანიონის სტაბილურობის ზრდას და მჟავას სიძლიერის მატებას.
ელექტრონის სიმკვრივის ცვლილებას კონიუგირებულ სისტემებში, რომლებიც მოიცავს n-ბმას ან მარტოხელა ელექტრონულ წყვილებს, ეწოდება მეზომერულ ეფექტს (M).
რეაქციის ძირითადი მექანიზმები
ჩვენ გამოვყავით რეაქტიული ნაწილაკების სამი ძირითადი ტიპი - თავისუფალი რადიკალები, ელექტროფილები, ნუკლეოფილები და რეაქციის მექანიზმების სამი შესაბამისი ტიპი:
თავისუფალი რადიკალები;
ელექტროფილური;
ნუკლეოფილური.
რეაქტიული ნაწილაკების ტიპის მიხედვით რეაქციების კლასიფიკაციის გარდა, ორგანულ ქიმიაში არსებობს ოთხი ტიპის რეაქცია, რომელიც დაფუძნებულია მოლეკულების შემადგენლობის შეცვლის პრინციპზე: დამატება, ჩანაცვლება, აღმოფხვრა ან ელიმინაცია (ინგლისურიდან აღმოფხვრა - ამოღება, გაყოფა გამორთვა) და გადაწყობა. იმის გამო, რომ დამატება და ჩანაცვლება შეიძლება მოხდეს სამივე ტიპის რეაქტიული ნაწილაკების გავლენის ქვეშ, შეიძლება განვასხვავოთ რამდენიმე ძირითადი რეაქციის მექანიზმი.
გარდა ამისა, განვიხილავთ ელიმინაციის რეაქციებს, რომლებიც წარმოიქმნება ნუკლეოფილური ნაწილაკების - ბაზების გავლენის ქვეშ.
1. რა არის კოვალენტური ბმის ჰომლიზური და ჰეტეროლიზური რღვევები? კოვალენტური ბმის ფორმირების რა მექანიზმებისთვის არის ისინი დამახასიათებელი?
2. რას უწოდებენ ელექტროფილებს და ნუკლეოფილებს? მიეცით მათი მაგალითები.
3. რა განსხვავებაა მეზომერულ და ინდუქციურ ეფექტებს შორის? როგორ ასახავს ეს ფენომენები ორგანული ნაერთების სტრუქტურის შესახებ A.M. Butlerov-ის თეორიის პოზიციას ორგანული ნივთიერებების მოლეკულებში ატომების ურთიერთგავლენის შესახებ?
4. ინდუქციური და მეზომერული ეფექტების ცნებების გათვალისწინებით, განვიხილოთ ატომების ურთიერთგავლენა მოლეკულებში:
დაადასტურეთ თქვენი დასკვნები ქიმიური რეაქციის განტოლებების მაგალითებით.
გაკვეთილის შინაარსი გაკვეთილის შენიშვნებიდამხმარე ჩარჩო გაკვეთილის პრეზენტაციის აჩქარების მეთოდები ინტერაქტიული ტექნოლოგიები ივარჯიშე ამოცანები და სავარჯიშოები თვითშემოწმების სემინარები, ტრენინგები, შემთხვევები, კვესტები საშინაო დავალების განხილვის კითხვები რიტორიკული კითხვები სტუდენტებისგან ილუსტრაციები აუდიო, ვიდეო კლიპები და მულტიმედიაფოტოები, ნახატები, გრაფიკა, ცხრილები, დიაგრამები, იუმორი, ანეგდოტები, ხუმრობები, კომიქსები, იგავი, გამონათქვამები, კროსვორდები, ციტატები დანამატები რეფერატებისტატიების ხრიკები ცნობისმოყვარე საწოლებისთვის სახელმძღვანელოები ძირითადი და ტერმინების დამატებითი ლექსიკონი სხვა სახელმძღვანელოების და გაკვეთილების გაუმჯობესებასახელმძღვანელოში არსებული შეცდომების გასწორებასახელმძღვანელოში ფრაგმენტის განახლება, გაკვეთილზე ინოვაციის ელემენტები, მოძველებული ცოდნის ახლით ჩანაცვლება მხოლოდ მასწავლებლებისთვის სრულყოფილი გაკვეთილებიწლის კალენდარული გეგმა, მეთოდოლოგიური რეკომენდაციები, სადისკუსიო პროგრამა ინტეგრირებული გაკვეთილებიყველა ქიმიურ რეაქციას თან ახლავს ზოგიერთი ბმის გაწყვეტა და სხვათა წარმოქმნა. პრინციპში, ორგანული რეაქციები ემორჩილება იმავე კანონებს, რაც არაორგანულს, მაგრამ აქვს თვისებრივი ორიგინალობა.
ამრიგად, მაშინ როდესაც არაორგანული რეაქციები ჩვეულებრივ მოიცავს იონებს, ორგანული რეაქციები მოიცავს მოლეკულებს.
რეაქციები გაცილებით ნელა მიმდინარეობს, ხშირ შემთხვევაში საჭიროებს კატალიზატორს ან გარე პირობების შერჩევას (ტემპერატურა, წნევა).
არაორგანული რეაქციებისგან განსხვავებით, რომლებიც საკმაოდ ცალსახად მიმდინარეობს, ორგანული რეაქციების უმეტესობას თან ახლავს ამა თუ იმ გვერდითი რეაქციების რაოდენობა. ამ შემთხვევაში ძირითადი პროდუქტის მოსავლიანობა ხშირად არ აღემატება 50%-ს, მაგრამ ხდება ისე, რომ მოსავლიანობა კიდევ უფრო ნაკლებია. მაგრამ ზოგიერთ შემთხვევაში რეაქცია შეიძლება მიმდინარეობდეს რაოდენობრივად, ე.ი. 100%-იანი შემოსავლით. იმის გამო, რომ პროდუქტების შემადგენლობა ორაზროვანია, ქიმიური რეაქციის განტოლებები იშვიათად გამოიყენება ორგანულ ქიმიაში. ყველაზე ხშირად იწერება რეაქციის სქემა, რომელიც ასახავს საწყის მასალებს და რეაქციის ძირითად პროდუქტს და სქემის მარჯვენა და მარცხენა ნაწილებს შორის ნიშნის "="-ის ნაცვლად გამოიყენება "" ან შექცევადობის ნიშანი.
ორგანული რეაქციების კლასიფიკაციის ორი მიდგომა არსებობს: ქიმიური გარდაქმნების ბუნებისა და მათი წარმოშობის მექანიზმების მიხედვით.
ქიმიური გარდაქმნების ბუნებიდან გამომდინარე, ისინი განასხვავებენ:
|
ჩანაცვლების რეაქციები (S - ინგლისურიდან Substitution - ჩანაცვლება) |
ერთი ატომი ან ატომების ჯგუფი იცვლება სხვა ატომით ან ატომების ჯგუფით: |
|
დანამატის რეაქციები (რეკლამა - ინგლისური დანამატიდან - შეერთება) |
ორი ან მეტი მოლეკულისგან წარმოიქმნება ერთი ახალი ნივთიერება. დამატება ხდება, როგორც წესი, მრავალი ობლიგაციით (ორმაგი, სამმაგი): |
|
ელიმინაციის რეაქციები (E - ინგლისურიდან Elimination - ელიმინაცია, მოცილება) |
ნახშირწყალბადების წარმოებულების რეაქციები, რომლებშიც ფუნქციური ჯგუფი გამოიყოფა წყალბადის ატომებთან ერთად ბმის წარმოქმნით (ორმაგი, სამმაგი): |
|
გადაჯგუფებები (Rg - ინგლისურიდან Re-grouping - regrouping) |
ელექტრონის სიმკვრივისა და ატომების გადანაწილების ინტრამოლეკულური რეაქციები: (ფავორსკის გადაჯგუფება). |
ორგანული რეაქციების კლასიფიკაცია მათი წარმოქმნის მექანიზმის მიხედვით.
ქიმიური რეაქციის მექანიზმი არის გზა, რომელიც იწვევს ძველი ბმის გაწყვეტას და ახლის წარმოქმნას.
კოვალენტური ბმის გაწყვეტის ორი მექანიზმი არსებობს:
1. ჰეტეროლიზური (იონური). ამ შემთხვევაში, შემაკავშირებელი ელექტრონული წყვილი მთლიანად გადადის ერთ-ერთ შეკრულ ატომში:
2. ჰომოლიზური (რადიკალური). საზიარო ელექტრონული წყვილი იშლება ნახევრად და წარმოიქმნება ორი ნაწილაკი თავისუფალი ვალენტობით - რადიკალები:
დაშლის მექანიზმის ბუნება განისაზღვრება შემტევი ნაწილაკების (რეაგენტის) ტიპის მიხედვით. ორგანულ ქიმიაში რეაგენტების სამი ტიპი არსებობს.
1. ნუკლეოფილური რეაგენტები (N - ლათინური Nucleophilic-დან - ბირთვისადმი მიდრეკილების მქონე).
ელექტრონის ჭარბი სიმკვრივის შემცველი ნაწილაკები (ატომები, ჯგუფები, ნეიტრალური მოლეკულები). ისინი იყოფა ძლიერ, საშუალო სიძლიერის და სუსტებად. ნუკლეოფილის სიძლიერე ფარდობითი ცნებაა, რაც დამოკიდებულია რეაქციის პირობებზე (გამხსნელის პოლარობა). პოლარულ გამხსნელებში ძლიერი ნუკლეოფილები: , ასევე ნეიტრალური მოლეკულები მარტოხელა ელექტრონული წყვილებით (არაშემაკავშირებელ ორბიტალებში). საშუალო სიძლიერის ნუკლეოფილები: . სუსტი ნუკლეოფილები: ძლიერი მჟავების ანიონები - ასევე ფენოლები და არომატული ამინები.
2. ელექტროფილური რეაგენტები (E - ლათინურიდან Electrophilic - ელექტრონებისადმი მიდრეკილების მქონე).
ნაწილაკები (ატომები, ჯგუფები, ნეიტრალური მოლეკულები), რომლებიც ატარებენ დადებით მუხტს ან ვაკანტურ ორბიტალს, რის შედეგადაც მათ აქვთ მიდრეკილება უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკების ან ელექტრონული წყვილის მიმართ. ნომერამდე ძლიერი ელექტროფილებიმოიცავს პროტონს, ლითონის კათიონებს (განსაკუთრებით გამრავლებული დამუხტულები), მოლეკულებს, რომლებსაც აქვთ ცარიელი ორბიტალი ერთ ატომზე (ლუისის მჟავები), ჟანგბადის შემცველი მჟავების მოლეკულები მაღალი მუხტით დაჟანგული ატომზე ().
ხშირად ხდება, რომ მოლეკულა შეიცავს სხვადასხვა ბუნების რამდენიმე რეაქციის ცენტრს - როგორც ნუკლეოფილურ, ასევე ელექტროფილურს.
3. რადიკალები (R).
რეაგენტის ტიპისა და სუბსტრატის მოლეკულაში ჰეტეროლიზური ბმის გაწყვეტის მარშრუტიდან გამომდინარე, წარმოიქმნება სხვადასხვა პროდუქტი. ეს შეიძლება იყოს წარმოდგენილი ზოგადი ფორმით:
ასეთი სქემების მიხედვით წარმოქმნილ რეაქციებს ეწოდება ელექტროფილური ჩანაცვლების რეაქციები (SE), რადგან რეაქცია არსებითად არის გადაადგილება, ხოლო შემტევი აგენტი არის ელექტროფილური სახეობა.
ასეთი სქემების მიხედვით მიმდინარე რეაქციებს ეწოდება ნუკლეოფილური ჩანაცვლების რეაქციები (S N), რადგან რეაქცია არსებითად არის გადაადგილება, ხოლო შემტევი აგენტი არის ნუკლეოფილური სახეობა.
თუ შემტევი აგენტი არის რადიკალი, მაშინ რეაქცია მიმდინარეობს რადიკალური მექანიზმით.
>> ქიმია: ქიმიური რეაქციების სახეები ორგანულ ქიმიაში
ორგანული ნივთიერებების რეაქციები ფორმალურად შეიძლება დაიყოს ოთხ ძირითად ტიპად: ჩანაცვლება, დამატება, აღმოფხვრა (ელიმინაცია) და გადაწყობა (იზომერიზაცია). აშკარაა, რომ ორგანული ნაერთების რეაქციების მთელი მრავალფეროვნება არ შეიძლება შემცირდეს შემოთავაზებული კლასიფიკაციის ფარგლებში (მაგალითად, წვის რეაქციები). ამასთან, ასეთი კლასიფიკაცია ხელს შეუწყობს არაორგანული ქიმიის კურსიდან თქვენთვის უკვე ნაცნობ არაორგანულ ნივთიერებებს შორის წარმოქმნილი რეაქციების კლასიფიკაციასთან ანალოგიების დადგენას.
როგორც წესი, რეაქციაში ჩართულ ძირითად ორგანულ ნაერთს სუბსტრატს უწოდებენ, ხოლო რეაქციის სხვა კომპონენტს პირობითად განიხილება რეაგენტად.
ჩანაცვლების რეაქციები
რეაქციებს, რომლებიც იწვევს თავდაპირველ მოლეკულაში (სუბსტრატს) ერთი ატომის ან ატომების ჯგუფის შეცვლას სხვა ატომებით ან ატომების ჯგუფებით, ეწოდება ჩანაცვლების რეაქციები.
ჩანაცვლების რეაქციები მოიცავს გაჯერებულ და არომატულ ნაერთებს, როგორიცაა, მაგალითად, ალკანები, ციკლოალკანები ან არენები.
მოდით მოვიყვანოთ ასეთი რეაქციების მაგალითები.
რეაქციების კლასიფიკაცია
არსებობს ოთხი ძირითადი ტიპის რეაქცია, რომელშიც ორგანული ნაერთები მონაწილეობენ: ჩანაცვლება (გადაადგილება), დამატება, აღმოფხვრა (ელიმინაცია), გადაწყობა.
3.1 ჩანაცვლების რეაქციები
პირველი ტიპის რეაქციებში ჩანაცვლება ჩვეულებრივ ხდება ნახშირბადის ატომში, მაგრამ შემცვლელი ატომი შეიძლება იყოს წყალბადის ატომი ან სხვა ატომი ან ატომების ჯგუფი. ელექტროფილური ჩანაცვლებისას წყალბადის ატომი ყველაზე ხშირად იცვლება; მაგალითია კლასიკური არომატული ჩანაცვლება:
ნუკლეოფილური ჩანაცვლებით, ყველაზე ხშირად იცვლება არა წყალბადის ატომი, არამედ სხვა ატომები, მაგალითად:
NC - + R−Br → NC−R +BR -
3.2 დანამატის რეაქციები
დანამატის რეაქციები ასევე შეიძლება იყოს ელექტროფილური, ნუკლეოფილური ან რადიკალური, რაც დამოკიდებულია პროცესის დაწყების სახეობის ტიპზე. ჩვეულებრივ ნახშირბად-ნახშირბადის ორმაგ ბმებთან მიმაგრება ჩვეულებრივ გამოწვეულია ელექტროფილით ან რადიკალით. მაგალითად, HBr-ის დამატება
შეიძლება დაიწყოს H+ პროტონის ან Br· რადიკალის მიერ ორმაგი ბმის შეტევით.
3.3 ელიმინაციის რეაქციები
ელიმინაციის რეაქციები არსებითად დამატების რეაქციების საპირისპიროა; ასეთი რეაქციის ყველაზე გავრცელებული ტიპია წყალბადის ატომის და სხვა ატომის ან ჯგუფის აღმოფხვრა მეზობელი ნახშირბადის ატომებიდან ალკენების წარმოქმნით:
3.4 გადაწყობის რეაქციები
გადაწყობა ასევე შეიძლება მოხდეს შუალედური ნივთიერებების მეშვეობით, რომლებიც არის კათიონები, ანიონები ან რადიკალები; ყველაზე ხშირად ეს რეაქციები წარმოიქმნება კარბოკაციონების ან სხვა ელექტრონ-დეფიციტური ნაწილაკების წარმოქმნით. გადაწყობა შეიძლება მოიცავდეს ნახშირბადის ჩონჩხის მნიშვნელოვან გადაწყობას. ასეთ რეაქციებში გადაკეთების რეალურ საფეხურს ხშირად მოჰყვება ჩანაცვლება, დამატება ან აღმოფხვრის საფეხურები, რაც იწვევს სტაბილური საბოლოო პროდუქტის ფორმირებას.
ქიმიური რეაქციის დეტალურ აღწერას ეტაპობრივად ეწოდება მექანიზმი. ელექტრონული თვალსაზრისით, ქიმიური რეაქციის მექანიზმი გაგებულია, როგორც მოლეკულებში კოვალენტური ბმების გაწყვეტის მეთოდი და მდგომარეობების თანმიმდევრობა, რომლებშიც რეაქტიული ნივთიერებები გადიან რეაქციის პროდუქტებად გადაქცევამდე.
4.1 თავისუფალი რადიკალების რეაქციები
თავისუფალი რადიკალების რეაქციები არის ქიმიური პროცესები, რომელშიც მონაწილეობენ მოლეკულები, რომლებსაც აქვთ დაუწყვილებელი ელექტრონები. თავისუფალი რადიკალების რეაქციების ზოგიერთი ასპექტი უნიკალურია სხვა ტიპის რეაქციებთან შედარებით. მთავარი განსხვავება ისაა, რომ ბევრი თავისუფალი რადიკალების რეაქცია ჯაჭვური რეაქციაა. ეს ნიშნავს, რომ არსებობს მექანიზმი, რომლითაც მრავალი მოლეკულა გარდაიქმნება პროდუქტად განმეორებითი პროცესის მეშვეობით, რომელიც დაწყებულია ერთი რეაქტიული სახეობის შექმნით. ტიპიური მაგალითი ილუსტრირებულია შემდეგი ჰიპოთეტური მექანიზმის გამოყენებით:
სტადიას, რომელშიც წარმოიქმნება რეაქციის შუალედი, ამ შემთხვევაში A·, ინიცირება ეწოდება. ეს ეტაპი ხდება მაღალ ტემპერატურაზე, ულტრაიისფერი სხივების ან პეროქსიდების გავლენის ქვეშ, არაპოლარულ გამხსნელებში. შემდეგი ოთხი განტოლება ამ მაგალითში იმეორებს ორი რეაქციის თანმიმდევრობას; ისინი წარმოადგენენ ჯაჭვის განვითარების ფაზას. ჯაჭვური რეაქციები ხასიათდება ჯაჭვის სიგრძით, რომელიც შეესაბამება განვითარების ეტაპების რაოდენობას დაწყების ეტაპზე. მეორე ეტაპი ხდება ნაერთის ერთდროული სინთეზით და ახალი რადიკალის წარმოქმნით, რომელიც აგრძელებს გარდაქმნების ჯაჭვს. ბოლო საფეხური არის ჯაჭვის შეწყვეტის საფეხური, რომელიც მოიცავს ნებისმიერ რეაქციას, რომელშიც განადგურებულია ჯაჭვის პროგრესირებისთვის აუცილებელი რეაქციის ერთ-ერთი შუამავალი. რაც უფრო მეტი ეტაპია ჯაჭვის შეწყვეტა, მით უფრო მოკლე ხდება ჯაჭვის სიგრძე.
თავისუფალი რადიკალების რეაქციები ხდება: 1) შუქზე, მაღალ ტემპერატურაზე ან სხვა ნივთიერებების დაშლის დროს წარმოქმნილი რადიკალების არსებობისას; 2) ინჰიბირებულია ნივთიერებებით, რომლებიც ადვილად რეაგირებენ თავისუფალ რადიკალებთან; 3) გვხვდება არაპოლარულ გამხსნელებში ან ორთქლის ფაზაში; 4) ხშირად აქვთ ავტოკატალიტიკური და ინდუქციური პერიოდი რეაქციის დაწყებამდე; 5) კინეტიკურად ისინი ჯაჭვია.
რადიკალური ჩანაცვლების რეაქციები დამახასიათებელია ალკანებისთვის, ხოლო რადიკალური დამატების რეაქციები დამახასიათებელია ალკენებისა და ალკინებისთვის.
CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl
CH 3 -CH=CH 2 + HBr → CH 3 -CH 2 -CH 2 Br
CH 3 -C≡CH + HCl → CH 3 -CH=CHCl
თავისუფალი რადიკალების ერთმანეთთან შეერთება და ჯაჭვის შეწყვეტა ძირითადად ხდება რეაქტორის კედლებზე.
4.2 იონური რეაქციები
რეაქციები, რომლებშიც ის ხდება ჰეტეროლიზურიბმების გაწყვეტას და იონური ტიპის შუალედური ნაწილაკების წარმოქმნას იონური რეაქციები ეწოდება.
იონური რეაქციები ხდება: 1) კატალიზატორების თანდასწრებით (მჟავები ან ფუძეები და არ მოქმედებს სინათლის ან თავისუფალი რადიკალების, განსაკუთრებით პეროქსიდების დაშლის შედეგად წარმოქმნილი); 2) არ ზემოქმედებენ თავისუფალი რადიკალების გამწმენდი საშუალებებით; 3) გამხსნელის ბუნება გავლენას ახდენს რეაქციის მიმდინარეობაზე; 4) იშვიათად გვხვდება ორთქლის ფაზაში; 5) კინეტიკური თვალსაზრისით, ისინი ძირითადად პირველი ან მეორე რიგის რეაქციებია.
მოლეკულაზე მოქმედი რეაგენტის ბუნებიდან გამომდინარე, იონური რეაქციები იყოფა ელექტროფილურიდა ნუკლეოფილური. ნუკლეოფილური ჩანაცვლების რეაქციები დამახასიათებელია ალკილისა და არილის ჰალოგენებისთვის,
CH 3 Cl + H 2 O → CH 3 OH + HCl
C 6 H 5 -Cl + H 2 O → C 6 H 5 -OH + HCl
C 2 H 5 OH + HCl → C 2 H 5 Cl + H 2 O
C 2 H 5 NH 2 + CH 3 Cl → CH 3 -NH-C 2 H 5 + HCl
ელექტროფილური ჩანაცვლება - ალკანებისთვის კატალიზატორების თანდასწრებით
CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → CH 3 -CH (CH 3) - CH 2 -CH 3
და არენები.
C 6 H 6 + HNO 3 + H 2 SO 4 → C 6 H 5 -NO 2 + H 2 O
ალკენებისთვის დამახასიათებელია ელექტროფილური დამატების რეაქციები
CH 3 -CH=CH 2 + Br 2 → CH 3 -CHBr-CH 2 Br
და ალკინები,
CH≡CH + Cl 2 → CHCl=CHCl
ნუკლეოფილური დანამატი – ალკინებისთვის.
CH 3 -C≡CH + C 2 H 5 OH + NaOH → CH 3 -C(OC 2 H 5) = CH 2
