Substituutio on kemiallinen reaktio, joka tapahtuu, kun molekyylin yksi atomi tai ryhmä vaihdetaan toiseen.

Substituutiot auttavat luomaan lääkkeitä, polymeerejä ja muita päivittäin käyttämiämme yhdisteitä. Tietyt antibiootit valmistetaan käyttämällä substituutioreaktioita kemiallisten rakenteiden mukauttamiseksi.

Tässä verkko-oppikirjassa tutustut substituution päätyyppeihin - nukleofiiliseen, elektrofiiliseen ja radikaaliseen substituutioon - ja tutkit, miten ne toimivat kemiassa.

Lisätietoja kemiallisista reaktioista saat elektrofiilisestä ja nukleofiilisestä lisääntymisestä. Additioreaktiot osoittavat, miten molekyylit yhdistyvät suoraan, ja tarjoavat hyödyllisen vastakohdan substituutiolle.

Substituutioreaktio:

Tarvitsetko vain perusasiat? Tässä on yksinkertainen selitys siitä, mitä substituutio on ja mikä on nukleofiilisen, elektrofiilisen ja radikaalisen substituution ero:

🟠 Substituutioreaktio: Substituutioreaktiossa molekyylin yksi atomi tai ryhmä vaihdetaan toiseen, ja sitä käytetään usein kemiallisten ominaisuuksien muuttamiseen.

🟠 Nukleofiilinen substituutio: Tässä reaktiotyypissä elektronirikkaat nukleofiilit korvaavat jonkin ryhmän, yleinen orgaanisessa kemiassa.

🟠 Elektrofiilinen substituutio: Elektrofiilinen substituutio tapahtuu, kun elektroniköyhä elektrofiili korvaa ryhmän, tyypillisesti aromaattisissa yhdisteissä kuten bentseenissä.

🟠 Radikaalinen substituutio: Radikaalisessa substituutiossa on mukana vapaita radikaaleja, ja se noudattaa ketjureaktiomekanismia, joka esiintyy usein reaktioissa alkaanien kanssa.

Onko sinulla vaikeuksia kemiallisten reaktioiden, kuten substituution, kanssa? Ei hätää. Opettaja voi selittää sen sinulle sopivalla tavalla. Löydät lisää hyödyllisiä aiheita myös Kemian blogeistamme.

Mikä on substituutioreaktio?

Substituutio tapahtuu, kun molekyylin atomi tai ryhmä korvataan toisella atomilla tai ryhmällä. Tämäntyyppinen reaktio on yleinen orgaanisessa kemiassa, jossa se muuttaa molekyylien ominaisuuksia vaihtamalla osia niiden rakenteesta.

Substituution kaava ja esimerkki

Substituution yleiskaava:

R-X + Y → R-Y + X

Tässä kaavassa R edustaa päämolekyyliä, X on poistettu atomi tai ryhmä ja Y on uusi atomi tai ryhmä, joka tulee sen tilalle.

Substituution esimerkkireaktio:

Klassinen esimerkki on, kun kloorimetaanin (CH₃Cl) kloori korvataan hydroksidiryhmällä (OH-), jolloin muodostuu metanoli (CH₃OH).

Substituutiotyypit

1. Nukleofiilinen substituutio: Nukleofiili, joka on elektronirikas, ottaa toisen ryhmän paikan.
2. Elektrofiilinen substituutio: Elektrofiili, jolla ei ole elektroneja, korvaa atomin tai ryhmän.
3. Radikaalinen substituutio: Vapaa radikaali, jolla on parittamaton elektroni, vaihtaa toisen atomin tai ryhmän kanssa.

Todellisen maailman esimerkki

Metaanin klooroinnissa metaani reagoi kloorikaasun kanssa, jolloin yksi vetyatomi vaihtuu klooriatomiin ja muodostuu kloorimetaania (CH₃Cl), yhdistettä, jota käytetään useissa teollisuusprosesseissa.

Substituutioreaktiotyypit

Substituutioreaktiot voidaan ryhmitellä kolmeen päätyyppiin: nukleofiilinen, elektrofiilinen ja radikaalinen substituutio. Kuhunkin tyyppiin liittyy erilaisia hiukkasia ja mekanismeja. Tutustumalla näihin tyyppeihin ymmärrät, miten atomeja tai ryhmiä vaihdetaan erilaisissa kemiallisissa prosesseissa.

Nukleofiilinen substituutio

Nukleofiilisessä substituutiossa nukleofiili korvaa molekyylissä olevan poistuvan ryhmän. Nukleofiili on atomi tai molekyyli, jolla on ylimääräisiä elektroneja, joilla on usein negatiivinen varaus tai yksinäisiä pareja. Se vetää puoleensa muiden molekyylien positiivisia tai osittain positiivisia keskuksia. Tarkastellaan erilaisia nukleofiilisen substituution mekanismeja, SN1- ja SN2-reaktioita.

SN1-reaktio

SN1-reaktio (substituutio nukleofiilinen yksimolekyylinen) tapahtuu kahdessa vaiheessa:

1. Karbokationin muodostuminen: Poistuva ryhmä poistuu, jolloin syntyy positiivisesti varautunut karbokationi.
2. Nukleofiilihyökkäys: Nukleofiili kiinnittyy karbokationiin, jolloin substituutio on valmis.

Tämä reaktio on yleinen tertiääristen hiilien kanssa, koska ne muodostavat stabiileja karbokationeja. Esimerkiksi kun tertiäärinen butyylikloridi reagoi veden kanssa, kloridi-ioni poistuu ja vesi korvaa sen muodostaen tertiäärisen butyyli-alkoholin:

(CH₃)₃CCl + H₂O → (CH₃)₃COH + HCl

SN2-reaktio

SN2-reaktio (substituution nukleofiilinen bimolekulaarinen reaktio) tapahtuu yhdessä vaiheessa. Nukleofiili hyökkää poistuvaan ryhmään sidottuun hiiliatomiin vastakkaiselta puolelta, jolloin poistuva ryhmä poistuu samanaikaisesti. Tämä reaktio koskee yleensä primäärihiiliä. Esimerkki on metyylibromidin ja hydroksidi-ionin reaktio metanolin muodostamiseksi:

CH₃Br + OH- → CH₃OH + Br-

SN1- ja SN2-reaktion vertailu

Reaalielämän esimerkki nukleofiilisestä substituutiosta: Orgaanisessa synteesissä alkyyli-halidien halogeeniatomit voidaan korvata muilla ryhmillä nukleofiilisen substituution avulla. Tällä menetelmällä syntyy alkoholeja, amiineja ja muita tärkeitä yhdisteitä.

Stereokemia nukleofiilisen substituution reaktioissa

Nukleofiiliset substituutioreaktiot voivat reaktiotyypistä riippuen muuttaa molekyylien tilajärjestystä (stereokemia):

SN1-reaktiot: SN1-reaktioissa lähtevän ryhmän poistuminen synnyttää väliaikaisen karbokationin, jota nukleofiili voi lähestyä kummalta puolelta tahansa. Tämä johtaa usein kahden stereokemiallisen muodon sekoitukseen, jota kutsutaan rakemialliseksi sekoitukseksi..

SN2-reaktiot: SN2-reaktioissa nukleofiili hyökkää lähtevän ryhmän vastakkaiselta puolelta. Tämä "takapuolen hyökkäys" saa molekyylin kääntämään konfiguraationsa, jolloin syntyy alkuperäisen rakenteen peilikuva, jota kutsutaan stereokemialliseksi inversioksi.

Elektrofiilinen substituutio

Elektrofiilisessa substituutiossa elektrofiili korvaa molekyylissä olevan ryhmän. Elektrofiili on atomi tai molekyyli, joka hakee elektroneja ja jolla on usein positiivinen varaus tai osittain positiivinen varaus.

Tällainen reaktio on yleinen aromaattisissa yhdisteissä, kuten bentseenissä. Tarkastellaan erilaisia elektrofiilisen substituution sekä aromaattisen ja alifaattisen substituution mekanismeja.

Aromaattinen elektrofiilinen substituutio

Elektrofiilit hyökkäävät elektronirikkaaseen renkaaseen aromaattisissa renkaissa korvatakseen vetyatomin. Yleisiä reaktioita ovat mm:

• Nitraatio: Nitro-ryhmän (NO₂) lisääminen typpi- ja rikkihapolla.
• Halogenointi: Halogeeniatomien, kuten kloorin tai bromin, lisääminen halogeenikantajien avulla.

Esimerkiksi:

C₆H₆ + NO₂⁺ → C₆H₅NO₂ + H⁺

Tämä reaktio muuttaa bentseenin nitrobentseeniksi, jota käytetään väriaineiden ja lääkkeiden valmistuksessa.

Alipfaattinen elektrofiilinen substituutio

Vaikka elektrofiilinen substituutio on harvinaisempaa, sitä voi esiintyä myös alifaattisissa (ei-aromaattisissa) yhdisteissä. Esimerkkinä voidaan mainita alkaanien klooraus tietyissä olosuhteissa, jolloin vetyatomi korvataan klooriatomilla.

Todellinen esimerkki alifaattisesta elektrofiilisestä substituutiosta: Bentseenirenkaiden muokkaamisessa lääkekehityksessä käytetään usein elektrofiilistä substituutiota funktionaalisten ryhmien lisäämiseksi, jotka muuttavat lääkkeen aktiivisuutta.

Radikaalinen substituutio

Radikaalisessa substituutiossa vapaat radikaalit vaihtavat molekyylien atomeja tai ryhmiä. Vapaa radikaali on laji, jolla on parittamaton elektroni, mikä tekee siitä erittäin reaktiivisen. Tarkastellaan radikaalien korvautumisen mekanismia, ketjureaktiota.

Ketjureaktion mekanismi

Radikaalinen substituutio tapahtuu kolmessa vaiheessa:

1. Aloittaminen:

Energia (kuten UV-valo) rikkoo molekyylin sidoksen, jolloin syntyy vapaita radikaaleja. Esimerkiksi kloorikaasun jakautuminen kahdeksi klooriradikaaliksi:

Cl₂ → 2 Cl·

2. Leviäminen:

Radikaalit reagoivat vakaiden molekyylien kanssa muodostaen uusia radikaaleja, jotka jatkavat ketjua. Klooriradikaali reagoi metaanin kanssa:

Cl· + CH₄ → HCl + CH₃·

Sitten metyyliradikaali reagoi toisen kloorimolekyylin kanssa:

CH₃· + Cl₂ → CH₃Cl + Cl·

3. Lopetus:

Kaksi radikaalia yhdistyy muodostaen stabiilin molekyylin, jolloin ketju päättyy:

Cl· + CH₃· → CH₃Cl

Todellinen esimerkki radikaalisubstituutiosta: Metaanin klooraus tuottaa kloorimetaania, jota käytetään silikonien ja muiden kemikaalien valmistuksessa.

Substituutioreaktioihin vaikuttavat tekijät

Useat tekijät voivat vaikuttaa substituutioreaktioiden nopeuteen ja lopputulokseen. Näitä ovat lämpötila, liuotin ja konsentraatio.

Lämpötila:

Korkeammat lämpötilat lisäävät yleensä reaktionopeutta. Äärimmäinen kuumuus voi kuitenkin suosia erilaisia reaktioita tai hajottaa herkkiä molekyylejä, joten lämpötilaa säädetään halutun tuotteen mukaan.

Liuotin:

Polaariset liuottimet suosivat yleensä nukleofiilisiä substituutioreaktioita. Esimerkiksi SN1-reaktiot tapahtuvat usein polaarisissa protonisissa liuottimissa (kuten vesi tai alkoholi), jotka stabiloivat karbokationivälituotetta. Sitä vastoin SN2-reaktiot tapahtuvat yleensä polaarisissa aprotisissa liuottimissa (kuten asetonissa), jotka eivät stabiloi nukleofiiliä ja edistävät suoraa hyökkäystä.

Konsentraatio:

SN2-reaktioiden nopeus riippuu sekä nukleofiilin että substraatin konsentraatiosta. Suuremmat pitoisuudet voivat nopeuttaa reaktiota. SN1-reaktioissa nukleofiilin konsentraatio ei vaikuta nopeuteen, koska ensimmäinen vaihe (karbokationin muodostuminen) on nopeuden määräävä vaihe.

Nukleofiilisen, elektrofiilisen ja radikaalisen substituution erot

Kumpaankin substituutioreaktiotyyppiin liittyy erilaisia hiukkasia ja mekanismeja. Seuraavassa on nopea vertailu, joka auttaa sinua näkemään nukleofiilisten, elektrofiilisten ja radikaalisten substituutioreaktioiden väliset erot:

Nukleofiilinen substituutio:

• Sisältää nukleofiilin, jossa on runsaasti elektroneja.
Mikäli se on elektronipitoinen.
• Yleinen reaktioissa, joissa on tyydyttyneitä hiiliyhdisteitä.
• Käytetään kahta päämekanismia: SN1 ja SN2.

Elektrofiilinen substituutio:

• Sisältää elektrofiilin, joka on elektroniköyhä.
• Yleinen aromaattisissa yhdisteissä, kuten bentseenissä.
• Tyypillisesti johtaa substituutioon aromaattisella renkaalla.

Radikaalinen substituutio:

• Sisältää vapaita radikaaleja, joilla on parittomia elektroneja.
• Yleinen reaktioissa, joissa on mukana alkaanit.
• Seuraa ketjureaktiomekanismia, jossa on aloitus-, etenemis- ja lopetusvaiheet.

Kullakin reaktiotyypillä on ainutlaatuiset vaatimukset ja tulokset, minkä vuoksi ne soveltuvat erilaisiin kemiallisiin prosesseihin.

Tutustu aiheeseen liittyviin aiheisiin:

• Karboksyylihapot
• Ketonit
• Esterit ja esteröinti
• Aldehydit

Substituutioreaktioiden käytännön sovellukset

Substituutioreaktiot ovat välttämättömiä lääketeollisuudessa kemiallisten rakenteiden muuttamiseksi tehokkaiden lääkkeiden tuottamiseksi. Esimerkiksi substituutioreaktioiden avulla kemistit voivat korvata tiettyjä ryhmiä molekyylissä, jolloin lopullisesta yhdisteestä tulee tehokkaampi tai sivuvaikutuksia voidaan vähentää. Antibiootit, kipulääkkeet ja monet muut lääkkeet perustuvat näihin tarkkoihin kemiallisiin muutoksiin.

maataloudessa substituutioreaktioita käytetään torjunta-aineiden ja rikkakasvien torjunta-aineiden syntetisointiin. Muuttamalla funktionaalisia ryhmiä kemistit luovat yhdisteitä, jotka kohdistuvat tiettyihin tuholaisiin tai rikkaruohoihin vahingoittamatta viljelykasveja. Tämä valikoiva vaikutus auttaa parantamaan satoja ja vähentämään satovahinkoja.

Substituutioreaktiot ovat tärkeitä materiaalitieteessä, sillä niitä käytetään polymeerien ja erikoismateriaalien valmistukseen. Esimerkiksi kloorattuja polymeerejä luodaan radikaalisubstituution avulla, mikä parantaa niiden kestävyyttä ja kestävyyttä ympäristövahinkoja vastaan. Näitä materiaaleja käytetään pakkauksissa, rakentamisessa ja sähköeristyksessä.

Substituutiot teollisuudessa

Nämä sovellukset osoittavat, miten korvausreaktiot mahdollistavat kohdennetut ja tehokkaat ratkaisut eri aloilla lääketieteestä materiaalitekniikkaan.

Lisää tietämystäsi substituutiosta

Substituutioreaktioissa molekyylin atomi tai ryhmä vaihdetaan toiseen, ja niillä on tärkeä rooli kemiassa. Kolme päätyyppiä - nukleofiilinen, elektrofiilinen ja radikaalinen substituutio - noudattavat erilaisia mekanismeja.

Nukleofiiliseen substituutioon kuuluvat SN1- ja SN2-reaktiot, elektrofiilinen substituutio on yleistä aromaattisissa yhdisteissä, ja radikaalinen substituutio noudattaa ketjureaktioprosessia.

Ovatko kemialliset reaktiot, kuten substituutio, sinulle hankalia? Pätevä kemianopettaja voi selittää monimutkaiset aiheet tavalla, joka on sinulle järkevä, jolloin orgaaninen ja epäorgaaninen kemia on ymmärrettävää ja miellyttävää.

Etsi opettajaa käyttämällä ilmaisuja kuten "kemian tukiopettaja Vaasa" tai "kemian opettaja Heinola" alustoilla kuten meet'n'learn. Löydät jonkun, joka voi räätälöidä oppitunnit tarpeidesi mukaan.

Jos haluat mieluummin oppia ryhmässä, etsi verkossa hakusanoilla "kemian kurssi Pori" tai "kemian oppitunnit Oulu". Haku johdattaa sinut lähistöllä sijaitsevien kemian tukiopettajien luo.

Substituutio: Kemia: Usein kysytyt kysymykset

1. Mikä on substituutioreaktio?

Substituutioreaktio on, kun toinen korvaa yhden atomin tai ryhmän molekyylissä.

2. Mitkä ovat substituutioreaktioiden päätyypit?

Kolme päätyyppiä ovat nukleofiiliset, elektrofiiliset ja radikaaliset substituutioreaktiot.

3. Mitä on nukleofiilinen substituutio?

Nukleofiiliseen substituutioon liittyy nukleofiilin korvaaminen molekyylissä olevalla ryhmällä, mikä on yleistä orgaanisessa kemiassa.

4. Miten elektrofiilinen substituutio toimii?

Elektrofiilisubstituutiossa elektrofiili korvaa ryhmän elektronirikkaassa molekyylissä, usein aromaattisissa yhdisteissä.

5. Mikä on radikaalinen substituutioreaktio?

Radikaalisessa substituutiossa vapaat radikaalit vaihtavat molekyylin atomeja ketjureaktiomekanismin mukaisesti.

6. Miten SN1- ja SN2-reaktiot eroavat toisistaan?

SN1 on kaksivaiheinen prosessi, jossa muodostuu karbokationi, kun taas SN2 on yksivaiheinen reaktio, jossa tapahtuu suora nukleofiilihyökkäys.

7. Mikä vaikuttaa substituutioreaktioiden nopeuteen?

Lämpötila, liuottimen tyyppi ja konsentraatio vaikuttavat siihen, kuinka nopeasti substituutioreaktiot tapahtuvat.

8. Missä substituutioreaktioita käytetään teollisuudessa?

Substituutioreaktiot ovat välttämättömiä lääketeollisuudessa, maataloudessa ja materiaalitieteissä lääkkeiden, torjunta-aineiden ja polymeerien valmistuksessa.

Lähteet:

1. LibreTexts Chemistry
2. ChemGuide
3. Wikipedia