Što je supstitucijska reakcija?

Reakcija supstitucije je kemijska reakcija u kojoj se jedan sastojak organskog spoja, molekula ugljika i drugih elemenata, zamjenjuje ili supstituira funkcionalnom skupinom iz drugog reaktanta. Funkcionalne skupine, reaktivne podskupine organskih spojeva, zamjenjuju vodik ili druge funkcionalne skupine manje aktivnosti. Reakcija supstitucije može dodati funkcionalnost ili reaktivnost alkanima, ugljikovodicima ravnog lanca i drugim spojevima.

Alkani, najjednostavniji ugljikovodici, sastoje se od ravnih lanaca kovalentnih veza ugljik-ugljik različite duljine okruženih atomima vodika. Kovalentne veze između ugljikovih atoma dijele najudaljenije elektrone kako bi tvorile stabilnu konfiguraciju. Organski kemičari zamjenjuju funkcionalne skupine na željenim točkama u ugljičnoj okosnici kako bi izgradili nove molekule koje će se koristiti kao krajnji proizvodi ili prekursori za formulacije drugih korisnih spojeva.

Reakcija supstitucije alkana s halogenom, uključujući klor, fluor ili brom, proizvodi halogenirane ugljikovodike, koji se također nazivaju alkil halogenidi. Alkil halogenidi se mogu nastaviti modificirati da tvore višestruko supstituirane spojeve. Uobičajeni primjeri uključuju klorofluorougljike (CFC), koji su se prije koristili kao rashladne tekućine. Ako je skupina koja se dodaje hidroksilna skupina (—OH-) bilo iz reakcija u bazičnim otopinama ili u vodi, nastat će alkoholi ili haloalkoholi.

Veza ugljik-halogen je jača od kovalentne veze ugljik-ugljik veze. Halogenid povlači par elektrona prema sebi, ostavljajući središnji ugljik blago pozitivnim. Supstitucija se u ovom scenariju naziva nukleofilna supstitucija, jer nukleofilna, negativno nabijena hidroksidna skupina koja voli jezgru, ili dodatni atom halida pristupa alkil halogenidu sa suprotne strane od prvog atoma halida. Negativni naboj na grupi koja se približava izbjegava negativan naboj na postojećoj halogenidnoj skupini.

Ugljik se normalno veže s četiri druga atoma u tetraedru, trokutastom piramidalnom obliku. Desno-lijevorukost molekule je moguća ako se zamijeni s dvije različite skupine. Pristup drugog nukleofila iz jednog smjera uzrokuje da proizvodi imaju istu trodimenzionalnu konfiguraciju. Drugi nukleofil uzrokuje da tetraedar iskoči iznutra prema van dok se veže sa središnjim ugljikom, slično kao što se kišobran okreće naopačke na vjetru. Ovo je reakcija supstitucije SN2: supstitucija s nukleofilom u bimolekularnoj reakciji.

U reakciji supstitucije SN1, halogenid nakratko preuzima kontrolu nad elektronskim parom. Sada visoko pozitivno nabijeni središnji atom ugljika pokušava razdvojiti svoje veze što je više moguće, tvoreći planarni trokutasti oblik umjesto tetraedra. Drugi nukleofil može pristupiti ugljiku s bilo koje strane, tvoreći mješavinu racemskih proizvoda, jednake koncentracije desne i lijeve vrste spoja.
SN1 i SN2 reakcije se međusobno natječu; SN2 reakcije su češće. Snaga nukleofila, snaga skupine koja je istisnuta i sposobnost otapala da podrži nabijene vrste neki su od čimbenika koji određuju mehanizam reakcije. Uvjeti reakcije, posebno temperatura, utjecat će na ishod.