Naukowców Dwóch Blog Reakcja Substytucji: rodnikowa, nukleofilowa i elektrofilowa – Reakcje chemii organicznej, które warto znać na maturze cz 1.

Reakcja Substytucji: rodnikowa, nukleofilowa i elektrofilowa – Reakcje chemii organicznej, które warto znać na maturze cz 1.

Zadania z chemii organicznej stanową zazwyczaj połowę punktów w arkuszu maturalnym z chemii na poziomie rozszerzonym. Nieodzownym elementem zadań jest określanie typu i mechanizmu, w jakim zachodzi dana reakcja. Temat ten nieraz stwarza problemy wśród młodych pasjonatów chemii. 

Zacznijmy od tego jakie wyróżniamy typy reakcji w chemii organicznej, są to bowiem substytucja, addycja i eliminacja. Każdym z tych typów zajmiemy się osobno i szczegółowo omówimy, jak odróżnić poszczególne typy reakcji.

Mechanizm zachodzenia reakcji możemy podzielić na: rodnikowy, nukleofilowy i elektrofilowy, ze względu na to, jaka cząsteczka atakuje związek organiczny.

  1. Rodniki – to indywidua zbudowane z jednego lub zespołu powiązanych ze sobą atomów, z niesparowanym elektronem na powłoce walencyjnej jednego z atomów. Są one niezwykle reaktywne i występują w środowisku reakcji w niewielkich stężeniach. Rodniki powstają wskutek rozpadu cząsteczek w procesach, które dostarczają promieni słonecznych, ciepła lub energii.
  2. Elektrofile to ubogie w elektrony walencyjne indywidua chemiczne, nazywane czasami kwasami Lewisa, ze względu na niedobór elektronów. Elektrofilami mogą być cząsteczki elektroobjętne, np. AlCl3, kwasy protonowe, np. HCl, HBr albo dodatnio naładowane jony, np. NO2+, Cl+. Jeśli ładunkiem dodatnim jest obarczony atom węgla, to cały układ nazywamy karbokationem.
  3. Nukleofile to indywidua chemiczne obdarzone ładunkiem ujemnym. ze względu na wolne pary elektronowe, które mogą być wykorzystane do tworzenia wiązania z ubogim w elektrony związkiem chemicznym. Nukleofilem może być anion, np. OH lub elektroobojętna cząsteczka, zawierająca wolną parę elektronową, np. H2O, NH3.

Substytucja (ang. substitution) jest odpowiednikiem reakcji wymiany w chemii nieorganicznej. Polega na zastąpieniu atomu lub grupy atomów innym atomem lub inną grupą atomów. W wyniku tych reakcji powstają zawsze dwa produkty.

Video poradnik na temat reakcji substytucji.

Substytucja rodnikowa

Przykładem substytucji rodnikowej jest chlorowanie metanu, które zachodzi w trzech etapach.

  1. Inicjacja – światło powoduje rozpad cząsteczki chloru na dwa rodniki

Cl-Cl h>2 Cl•

  1. Propagacja – atak rodników na cząsteczki alkanu i wytworzenie rodników alkilowych

CH4 + Cl• → CH3• + HCl

CH3• + Cl2 → CH3Cl + Cl•

  1. Terminacja (rekombinacja) – łączenie rodników

Cl• + Cl• → Cl2

CH3• + Cl• → CH3Cl

CH3• + CH3• → CH3-CH3

Aby dowiedzieć się więcej na temat substytucji rodnikowej zapraszamy do zapoznania się z naszym artykułem „Substytucja rodnikowa”

Substytucja nukleofilowa

Przykładem substytucji nukleofilowej jest reakcje bromoetanu z wodorotlenkiem sodu w środowisku wodnym. Atom bromu zostaje wymieniony przez podstawnik nukleofilowy (OH). 

Substytucja elektrofilowa

Reakcja substytucji elektrofilowej w związkach aromatycznych polega na wymianie wodoru podstawnikiem elektrofilowym. Przykładem takiej reakcji jest, np. nitrowanie, alkilowanie Friedla – Craftsa, sulfonowanie czy halogenowanie.

  1. Reakcja kwasu azotowego(V) z kwasem siarkowym(VI), w wyniku czego powstaje elektrofil (NO2+)

HNO3 +2 H2SO4 → NO2+ +H3O+ + 2HSO4

Elektrofil atakuje cząsteczke benzenu z wytworzeniem nietrwałego produktu przejściowego (występującego w różnych formach rezonansowych) i oderwaniem wodoru

Substytucja elektrofilowa - mechanizm reakcji - powstawania kompleksu sigma - synteza benzenu.
  1. Odtworzenie katalizatora

H3O+ + HSO4- → H2O + H2SO4

Matura Maj 2018, Poziom rozszerzony, Zadanie 30.

Zadanie 1 (0-3)

Poniżej przedstawiono ciąg przemian chemicznych, w wyniku których ze związku I otrzymano związek IV. Związek I to homolog benzenu. Jego cząsteczka zbudowana jest z siedmiu atomów węgla.

schemat reakcji - zadanie maturalne chemia maj 2018

Zadanie 1.1 (0-1)

Napisz wzory półstrukturalne (grupowe) lub uproszczone związków I i II

Zadanie 1.2 (0-1)

Określ typ reakcji (addycja, eliminacja, substytucja) oraz mechanizm (elektrofilowy, nukleofilowy, rodnikowy) reakcji 2. i 3.

Zadanie 1.3 (0-1)

Napisz w formie cząsteczkowej równanie reakcji 3. Związki organiczne przedstaw za pomocą wzorów półstrukturalnych (grupowych) lub uproszczonych.

………………………………………………………………………………………………………..

Zobacz odpowiedź

Zadanie 1.1 (0-1)
związek II to p-nitrotoluen o wzorach:

Zadanie 1.2 (0-1)

Reakcja 2. polega na wymianie jednego wodoru z grupy -CH3 przyłączonej do pierścienia aromatycznego atomem chloru. Dodatkowo w warunkach uwzględniona jest obecność światła. Możemy stwierdzić zatem, że będzie to substytucja rodnikowa. Reakcja 3. polega na wymianie podstawionego atomu chloru grupą wodorotlenową w środowisku wodnym. Nukleofil (OH) podstawia się do grupy metylowe, zajmując miejsce chloru. Możemy stwierdzić zatem, że będzie to substytucja nukleofilowa. Dodatkowo rozważając reakcję 1. widzimy, że jest to reakcja toluenu z mieszaniną nitrującą. Elektrofil (NO2+) atakuje cząsteczkę toluenu podstawiając się w pozycji para. Możemy stwierdzić zatem, że będzie to substytucja elektrofilowa.

 

Zadanie 1.3 (0-1)

Matura Maj 2018, Poziom rozszerzony, Zadanie 30.

Zadanie 2 (0-2)

Na przykładzie reakcji chloru z etanem i chloru z benzenem porównaj mechanizm reakcji substytucji, którym ulegają węglowodory nasycone i aromatyczne. Uzupełnij poniższe zdania, wybierając nazwy spośród podanych w nawiasach (wybrane nazwy podkreśl).

1. Etan ulega reakcji substytucji ( elektrofilowej / nukleofilowej / wolnorodnikowej). Drobiny, które reagują bezpośrednio z cząsteczkami etanu, to (atomy chloru Cl• / cząsteczki chloru Cl2 / aniony chlorkowe Cl). Są one (rodnikami / elektrofilami / nukleofilami), które powstają z cząsteczek chloru pod wpływem (światła / FeCl3 jako katalizatora / rozpuszczalnika).

2. Benzen ulega reakcji substytucji (elektrofilowej / nukleofilowej / wolnorodnikowej). Drobiny, które reagują bezpośrednio z cząsteczkami benzenu, są (rodnikami / elektrofilami / nukleofilami). Powstają one z cząsteczek chloru pod wpływem ( światła / FeCl3 jako katalizatora / rozpuszczalnika).

Zobacz odpowiedź

Zadanie 1.1 (0-1)
związek II to p-nitrotoluen o wzorach:

Zadanie 1.2 (0-1)

Reakcja 2. polega na wymianie jednego wodoru z grupy -CH3 przyłączonej do pierścienia aromatycznego atomem chloru. Dodatkowo w warunkach uwzględniona jest obecność światła. Możemy stwierdzić zatem, że będzie to substytucja rodnikowa. Reakcja 3. polega na wymianie podstawionego atomu chloru grupą wodorotlenową w środowisku wodnym. Nukleofil (OH) podstawia się do grupy metylowe, zajmując miejsce chloru. Możemy stwierdzić zatem, że będzie to substytucja nukleofilowa. Dodatkowo rozważając reakcję 1. widzimy, że jest to reakcja toluenu z mieszaniną nitrującą. Elektrofil (NO2+) atakuje cząsteczkę toluenu podstawiając się w pozycji para. Możemy stwierdzić zatem, że będzie to substytucja elektrofilowa.

 

Zadanie 1.3 (0-1)

Autor posta

Jakub Misiurek (@Student chemii)
Hej! Od gimnazjum chemia była moją pasją, dlatego też ukończyłem liceum o profilu biologiczno - chemicznym. Obecnie studiuję analitykę chemiczną i są to studia moich marzeń :)
Zapisz się do newslettera

Otrzymuj powiadomienia o artykułach naukowców.



    Wysyłając formularz oświadczasz, że zapoznałeś się z naszą polityką prywatności i ją akceptujesz.
    Zapisz się do newslettera