प्रतिस्थापन की प्रतिक्रियाएं: विवरण, समीकरण, उदाहरण

2024 लेखक: Angel Austin | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-02 17:47

कई प्रतिस्थापन प्रतिक्रियाएं विभिन्न प्रकार के यौगिकों को प्राप्त करने का रास्ता खोलती हैं जिनमें आर्थिक अनुप्रयोग होते हैं। इलेक्ट्रोफिलिक और न्यूक्लियोफिलिक प्रतिस्थापन को रासायनिक विज्ञान और उद्योग में एक बड़ी भूमिका दी जाती है। कार्बनिक संश्लेषण में, इन प्रक्रियाओं में कई विशेषताएं हैं जिन पर ध्यान दिया जाना चाहिए।

रासायनिक परिघटनाओं की विविधता। प्रतिस्थापन प्रतिक्रियाएं

पदार्थों के परिवर्तन से जुड़े रासायनिक परिवर्तन कई विशेषताओं से अलग होते हैं। अंतिम परिणाम, थर्मल प्रभाव भिन्न हो सकते हैं; कुछ प्रक्रियाएं अंत तक जाती हैं, अन्य में रासायनिक संतुलन होता है। पदार्थों में परिवर्तन अक्सर ऑक्सीकरण की डिग्री में वृद्धि या कमी के साथ होता है। रासायनिक घटनाओं को उनके अंतिम परिणाम के अनुसार वर्गीकृत करते समय, अभिकारकों और उत्पादों के बीच गुणात्मक और मात्रात्मक अंतर पर ध्यान दिया जाता है। इन विशेषताओं के अनुसार, योजना के अनुसार प्रतिस्थापन सहित 7 प्रकार के रासायनिक परिवर्तनों को प्रतिष्ठित किया जा सकता है: ए-बी + सी ए-सी + बी। रासायनिक घटनाओं के एक पूरे वर्ग का एक सरलीकृत रिकॉर्ड एक विचार देता है कि शुरुआती पदार्थों में से हैंअभिकर्मक में एक परमाणु, आयन, कार्यात्मक समूह की जगह, "हमला करने वाला" कण कहा जाता है। प्रतिस्थापन प्रतिक्रिया संतृप्त और सुगंधित हाइड्रोकार्बन के लिए विशिष्ट है।

प्रतिस्थापन प्रतिक्रियाएं दोहरे विनिमय के रूप में हो सकती हैं: A-B + C-E A-C + B-E। उप-प्रजातियों में से एक विस्थापन है, उदाहरण के लिए, कॉपर सल्फेट के घोल से लोहे के साथ तांबे का: CuSO₄ + Fe=FeSO_{4 + घन. परमाणु, आयन या कार्यात्मक समूह "हमला करने वाले" कण के रूप में कार्य कर सकते हैं}

होमोलिटिक प्रतिस्थापन (कट्टरपंथी, एसआर)

सहसंयोजक बंधों को तोड़ने के कट्टरपंथी तंत्र के साथ, विभिन्न तत्वों के लिए आम तौर पर एक इलेक्ट्रॉन जोड़ी अणु के "टुकड़ों" के बीच आनुपातिक रूप से वितरित की जाती है। मुक्त कण बनते हैं। ये अस्थिर कण हैं, जिनका स्थिरीकरण बाद के परिवर्तनों के परिणामस्वरूप होता है। उदाहरण के लिए, जब मीथेन से एथेन प्राप्त किया जाता है, तो मुक्त कण दिखाई देते हैं जो प्रतिस्थापन प्रतिक्रिया में भाग लेते हैं: CH₄ CH₃• + •H; सीएच₃• + •सीएच_{3 → С2Н5; एच • + •एच → एच2। दिए गए प्रतिस्थापन तंत्र के अनुसार होमोलिटिक बंधन टूटना अल्केन्स की विशेषता है, प्रतिक्रिया श्रृंखला है। मीथेन में, एच परमाणुओं को क्लोरीन द्वारा क्रमिक रूप से प्रतिस्थापित किया जा सकता है। ब्रोमीन के साथ प्रतिक्रिया समान रूप से होती है, लेकिन आयोडीन सीधे एल्केन्स में हाइड्रोजन को प्रतिस्थापित करने में असमर्थ है, फ्लोरीन उनके साथ बहुत तेजी से प्रतिक्रिया करता है।}

बंधन को तोड़ने का हेटेरोलाइटिक तरीका

प्रतिस्थापन प्रतिक्रियाओं के आयनिक तंत्र के साथनए बने कणों के बीच इलेक्ट्रॉनों का असमान वितरण होता है। इलेक्ट्रॉनों की बाध्यकारी जोड़ी पूरी तरह से "टुकड़ों" में से एक में जाती है, सबसे अधिक बार, उस बंधन साथी के लिए, जिसकी ओर ध्रुवीय अणु में नकारात्मक घनत्व स्थानांतरित हो गया था। प्रतिस्थापन प्रतिक्रियाओं में मिथाइल अल्कोहल CH₃OH का निर्माण शामिल है। ब्रोमोमेथेन CH3Br में, अणु की दरार हेटेरोलाइटिक होती है, और आवेशित कण स्थिर होते हैं। मिथाइल एक धनात्मक आवेश प्राप्त करता है, और ब्रोमीन ऋणात्मक हो जाता है: CH₃Br → CH₃⁺ + Br-^{; NaOH → Na}+ ^{+ OH}-^{; सीएच}3+ ^{+ ओह}- ^{→ सीएच}3_{ओएच; ना}+ ^{+ ब्र}- ^{↔ NaBr.}

इलेक्ट्रोफाइल और न्यूक्लियोफाइल

कण जिनमें इलेक्ट्रॉनों की कमी होती है और उन्हें स्वीकार कर सकते हैं उन्हें "इलेक्ट्रोफाइल" कहा जाता है। इनमें हैलोऐल्केन में हैलोजन से बंधे कार्बन परमाणु शामिल हैं। न्यूक्लियोफाइल में इलेक्ट्रॉन घनत्व में वृद्धि हुई है, वे सहसंयोजक बंधन बनाते समय इलेक्ट्रॉनों की एक जोड़ी "दान" करते हैं। प्रतिस्थापन प्रतिक्रियाओं में, नकारात्मक चार्ज से भरपूर न्यूक्लियोफाइल पर इलेक्ट्रॉन-भूखे इलेक्ट्रोफाइल द्वारा हमला किया जाता है। यह घटना एक परमाणु या अन्य कण - छोड़ने वाले समूह के विस्थापन से जुड़ी है। एक अन्य प्रकार की प्रतिस्थापन प्रतिक्रिया एक न्यूक्लियोफाइल द्वारा इलेक्ट्रोफाइल का हमला है। कभी-कभी दो प्रक्रियाओं के बीच अंतर करना मुश्किल होता है, प्रतिस्थापन को एक प्रकार या किसी अन्य के लिए विशेषता देना, क्योंकि यह निर्दिष्ट करना मुश्किल है कि कौन सा अणु सब्सट्रेट है और कौन सा अभिकर्मक है। आमतौर पर ऐसे मामलों में,निम्नलिखित कारक:

• छोड़ने वाले समूह की प्रकृति;
• न्यूक्लियोफाइल प्रतिक्रियाशीलता;
• विलायक की प्रकृति;
• एल्किल भाग की संरचना।

न्यूक्लियोफिलिक प्रतिस्थापन (एसएन)

एक कार्बनिक अणु में अंतःक्रिया की प्रक्रिया में, ध्रुवीकरण में वृद्धि देखी जाती है। समीकरणों में, आंशिक धनात्मक या ऋणात्मक आवेश को ग्रीक वर्णमाला के एक अक्षर से चिह्नित किया जाता है। बंधन का ध्रुवीकरण इसके टूटने की प्रकृति और अणु के "टुकड़ों" के आगे के व्यवहार का न्याय करना संभव बनाता है। उदाहरण के लिए, आयोडोमेथेन में कार्बन परमाणु का आंशिक धनात्मक आवेश होता है और यह एक इलेक्ट्रोफिलिक केंद्र होता है। यह जल द्विध्रुव के उस भाग को अपनी ओर आकर्षित करता है जहाँ ऑक्सीजन, जिसमें इलेक्ट्रॉनों की अधिकता होती है, स्थित होती है। जब एक इलेक्ट्रोफाइल न्यूक्लियोफिलिक अभिकर्मक के साथ बातचीत करता है, तो मेथनॉल बनता है: सीएच₃I + H₂O → CH_{3 ओएच +एचआई। न्यूक्लियोफिलिक प्रतिस्थापन प्रतिक्रियाएं एक नकारात्मक चार्ज आयन या एक अणु की भागीदारी के साथ होती हैं जिसमें एक मुक्त इलेक्ट्रॉन जोड़ी होती है जो रासायनिक बंधन के निर्माण में शामिल नहीं होती है। एसएन}2_{-प्रतिक्रियाओं में आयोडोमिथेन की सक्रिय भागीदारी को न्यूक्लियोफिलिक हमले के लिए इसके खुलेपन और आयोडीन की गतिशीलता द्वारा समझाया गया है।}

प्रतिस्थापन इलेक्ट्रोफिलिक (एसई)

एक कार्बनिक अणु में एक न्यूक्लियोफिलिक केंद्र हो सकता है, जो कि इलेक्ट्रॉन घनत्व की अधिकता की विशेषता है। यह एक इलेक्ट्रोफिलिक अभिकर्मक के साथ प्रतिक्रिया करता है जिसमें नकारात्मक चार्ज नहीं होते हैं। ऐसे कणों में मुक्त कक्षा वाले परमाणु, कम इलेक्ट्रॉन घनत्व वाले अणु शामिल हैं। परसोडियम फॉर्मेट में, "-" चार्ज वाला कार्बन पानी के द्विध्रुव के धनात्मक भाग के साथ इंटरैक्ट करता है - हाइड्रोजन के साथ: CH₃Na + H₂ ओ → सीएच 4 _{+ NaOH। इस इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन प्रतिक्रिया का उत्पाद मीथेन है। हेटरोलाइटिक प्रतिक्रियाओं में, कार्बनिक अणुओं के विपरीत रूप से आवेशित केंद्र परस्पर क्रिया करते हैं, जो उन्हें अकार्बनिक पदार्थों के रसायन विज्ञान में आयनों के समान बनाता है। इसे नजरअंदाज नहीं किया जाना चाहिए कि कार्बनिक यौगिकों का परिवर्तन शायद ही कभी सच्चे धनायनों और आयनों के निर्माण के साथ होता है।}

एककोशिकीय और द्वि-आणविक प्रतिक्रियाएं

न्यूक्लियोफिलिक प्रतिस्थापन मोनोमोलेक्यूलर (SN1) है। इस तंत्र के अनुसार, कार्बनिक संश्लेषण के एक महत्वपूर्ण उत्पाद, तृतीयक ब्यूटाइल क्लोराइड का हाइड्रोलिसिस होता है। पहला चरण धीमा है, यह कार्बोनियम केशन और क्लोराइड आयन में क्रमिक पृथक्करण से जुड़ा है। दूसरा चरण तेज है, कार्बोनियम आयन पानी के साथ प्रतिक्रिया करता है। एल्केन में हैलोजन को हाइड्रॉक्सी समूह से बदलने और प्राथमिक अल्कोहल प्राप्त करने की प्रतिक्रिया के लिए समीकरण: (CH₃)₃C-Cl → (सीएच₃)₃सी⁺ + सीएल^-; (सीएच₃)₃सी⁺ + एच₂ओ → (सीएच₃)₃सी-ओएच + एच^{+। प्राथमिक और द्वितीयक एल्काइल हैलाइडों के एकल-चरण हाइड्रोलिसिस की विशेषता कार्बन-हैलोजन बंधन के एक साथ विनाश और सी-ओएच जोड़ी के गठन से होती है। यह न्यूक्लियोफिलिक द्वि-आणविक प्रतिस्थापन (SN2) का तंत्र है।}

हेटरोलाइटिक प्रतिस्थापन तंत्र

प्रतिस्थापन तंत्र एक इलेक्ट्रॉन के हस्तांतरण, निर्माण से जुड़ा हैमध्यवर्ती परिसरों। प्रतिक्रिया तेजी से आगे बढ़ती है, इसकी विशेषता वाले मध्यवर्ती उत्पादों को बनाना आसान होता है। अक्सर प्रक्रिया एक ही समय में कई दिशाओं में जाती है। लाभ आमतौर पर उस तरीके से प्राप्त होता है जिसमें उनके गठन के लिए कम से कम ऊर्जा लागत की आवश्यकता वाले कणों का उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, एक दोहरे बंधन की उपस्थिति की तुलना में एक एलिल कटियन CH2=CH-CH₂⁺ के प्रकट होने की संभावना बढ़ जाती है। आयन सीएच₃ ^{+। इसका कारण मल्टीपल बॉन्ड के इलेक्ट्रॉन घनत्व में निहित है, जो पूरे अणु में फैले हुए धनात्मक आवेश के निरूपण को प्रभावित करता है।}

बेंजीन प्रतिस्थापन प्रतिक्रियाएं

कार्बनिक यौगिकों का समूह, जो इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन की विशेषता है - एरेनास। बेंजीन रिंग इलेक्ट्रोफिलिक हमले के लिए एक सुविधाजनक लक्ष्य है। प्रक्रिया दूसरे अभिकारक में बंधन के ध्रुवीकरण के साथ शुरू होती है, जिसके परिणामस्वरूप बेंजीन रिंग के इलेक्ट्रॉन बादल से सटे एक इलेक्ट्रोफाइल का निर्माण होता है। परिणाम एक संक्रमणकालीन परिसर है। कार्बन परमाणुओं में से एक के साथ एक इलेक्ट्रोफिलिक कण का अभी भी कोई पूर्ण संबंध नहीं है, यह इलेक्ट्रॉनों के "सुगंधित छह" के पूरे नकारात्मक चार्ज से आकर्षित होता है। प्रक्रिया के तीसरे चरण में, इलेक्ट्रोफाइल और रिंग के एक कार्बन परमाणु इलेक्ट्रॉनों की एक सामान्य जोड़ी (सहसंयोजक बंधन) से जुड़े होते हैं। लेकिन इस मामले में, "सुगंधित छह" नष्ट हो जाता है, जो एक स्थिर स्थायी ऊर्जा राज्य प्राप्त करने के दृष्टिकोण से प्रतिकूल है। एक घटना है जिसे "प्रोटॉन इजेक्शन" कहा जा सकता है। एच+ विभाजित है, स्थिरएरेनास के लिए विशिष्ट संचार प्रणाली। उप-उत्पाद में बेंजीन रिंग से हाइड्रोजन केशन और दूसरे अभिकर्मक की संरचना से एक आयन होता है।

जैविक रसायन से प्रतिस्थापन अभिक्रियाओं के उदाहरण

अल्केन्स के लिए, प्रतिस्थापन प्रतिक्रिया विशेष रूप से विशेषता है। साइक्लोअल्केन्स और एरेन्स के लिए इलेक्ट्रोफिलिक और न्यूक्लियोफिलिक परिवर्तनों के उदाहरण दिए जा सकते हैं। कार्बनिक पदार्थों के अणुओं में समान प्रतिक्रियाएं सामान्य परिस्थितियों में होती हैं, लेकिन अधिक बार - गर्म होने पर और उत्प्रेरक की उपस्थिति में। सुगंधित नाभिक में इलेक्ट्रोफिलिक प्रतिस्थापन व्यापक और अच्छी तरह से अध्ययन की जाने वाली प्रक्रियाओं में से एक है। इस प्रकार की सबसे महत्वपूर्ण प्रतिक्रियाएं हैं:

1. H₂SO₄ की उपस्थिति में नाइट्रिक एसिड के साथ बेंजीन का नाइट्रेशन - योजना के अनुसार होता है: C ₆ एच₆ → सी₆एच₅-नहीं _2.
2. बेंजीन का उत्प्रेरक हैलोजन, विशेष रूप से क्लोरीनीकरण में, समीकरण के अनुसार: C₆H₆ + Cl_{2 → सी}6_एच5_{सीएल + एचसीएल।}
3. बेंजीन का सुगंधित सल्फोनेशन "फ्यूमिंग" सल्फ्यूरिक एसिड के साथ होता है, बेंजीन सल्फोनिक एसिड बनता है।
4. अल्काइलेशन बेंजीन रिंग से हाइड्रोजन परमाणु का एल्काइल के साथ प्रतिस्थापन है।
5. एसिलेशन - कीटोन्स का बनना।
6. फॉर्माइलेशन - सीएचओ समूह के साथ हाइड्रोजन का प्रतिस्थापन और एल्डिहाइड का निर्माण।

प्रतिस्थापन प्रतिक्रियाओं में अल्केन्स और साइक्लोअल्केन्स में प्रतिक्रियाएं शामिल हैं, जिसमें हैलोजन उपलब्ध सीएच बांड पर हमला करते हैं। डेरिवेटिव की तैयारी संतृप्त हाइड्रोकार्बन में एक, दो या सभी हाइड्रोजन परमाणुओं के प्रतिस्थापन से जुड़ी हो सकती है औरसाइक्लोपाराफिन। विभिन्न वर्गों से संबंधित अधिक जटिल पदार्थों के उत्पादन में कम आणविक भार वाले कई हेलोऐल्केन का उपयोग किया जाता है। प्रतिस्थापन प्रतिक्रियाओं के तंत्र के अध्ययन में प्राप्त प्रगति ने हाइड्रोकार्बन के अल्केन्स, साइक्लोपाराफिन, एरेन और हैलोजन डेरिवेटिव पर आधारित संश्लेषण के विकास को एक शक्तिशाली प्रोत्साहन दिया।