Механизми на химичните реакции в органичната химия. Видове химични реакции в органичната химия - Хипермаркет на знанията

>> Химия: Видове химични реакции в органичната химия

Реакциите на органичните вещества могат формално да бъдат разделени на четири основни типа: заместване, добавяне, елиминиране (елиминиране) и пренареждане (изомеризация). Очевидно е, че цялото разнообразие от реакции на органични съединения не може да се сведе до рамката на предложената класификация (например реакции на горене). Такава класификация обаче ще помогне да се установят аналогии с класификациите на реакциите, които протичат между неорганични вещества, които вече са ви познати от курса на неорганичната химия.

По правило основното органично съединение, участващо в реакцията, се нарича субстрат, а другият компонент на реакцията условно се счита за реагент.

Реакции на заместване

Реакциите, които водят до заместване на един атом или група атоми в оригиналната молекула (субстрат) с други атоми или групи от атоми, се наричат ​​реакции на заместване.

Реакциите на заместване включват наситени и ароматни съединения, като например алкани, циклоалкани или арени.

Нека дадем примери за подобни реакции.

Съдържание на урока резюме на урокаподкрепа рамка презентация урок ускорителни методи интерактивни технологии Практика задачи и упражнения самоизпитване семинари, обучения, казуси, куестове домашна работа дискусия въпроси реторични въпроси от ученици Илюстрации аудио, видео клипове и мултимедияснимки, картини графики, таблици, схеми хумор, анекдоти, вицове, комикси притчи, поговорки, кръстословици, цитати Добавки резюметастатии чипове за любопитни cheat sheets учебници основни и допълнителен речник на термини други Подобряване на учебниците и уроцитекоригиране на грешки в учебникаактуализиране на фрагмента в учебника елементи на иновация в урока замяна на остарелите знания с нови T само за учители перфектни уроцикалендарен план за годината методически препоръки на дискусионната програма Интегрирани уроци ЛЕКЦИЯ 4
Класификация и
механизми
органични реакции

Планирайте
4.1. Органична класификация
реакции
4.2. Класификация на реагентите
4.3 Реакции
(SR)
радикален
замяна
4.4 Реакции на електрофилно присъединяване (AE)

4.1 Класификация на органичните реакции

4.1 Класификация
органични реакции
към
по молекулярност
S заместващи реакции
Реакции на присъединяване А
Реакции на елиминиране
Е
Молекулярна
пренареждания
Мономолекулна
Бимолекулярна
Тримолекулна

Според метода на разрушаване и образуване на връзки

Хетеролитичен
(йонен)
* електрофилен
* нуклеофилни
Хомолитичен
(радикал)
Молекулярна

Схема за разрушаване на химични връзки

А: Б
+
В:
.
.
НО
А: Б
хетеролитичен
А: Б
g ohm lytic
A + B
радвам се икала
+
+ V:
НО
д асоциирани йони

Схема на образуване на химични връзки

+
НО
.
+ V:
A + B
.
НО
IN
хетеролитичен
НО
IN
хомолитичен.

хетеролитични реакции
наречен йонен, защото
те са придружени
образуването на органични
йони се вливат в
органични разтворители
Хомолитични реакции
текат предимно в
газова фаза

Хетеролитични реакции в
зависимост от електронното
естеството на атакуващата частица
разделени на нуклеофили (симв
N) и електрофилни (символ E).
В същото време се приема условно
една от взаимодействащите частици
реагент и другият субстрат
върху които действа реагентът

Субстратът е молекула, която
осигурява въглероден атом
образуване на нова връзка
тип реакция (нуклеофилна
или електрофилен) се определя от естеството на реагента

Реактив с lone
електронна двойка,
взаимодействат с
субстрат, който има
липса на електрони
наречен "нуклеофилен"
(обичаща, търсеща ядрото) и
нуклеофилни реакции

Реактив с електронен дефицит,
взаимодействат с
субстрат с излишък от електрони
Наречен
"електрофилни" и
електрофилна реакция

Нуклеофилни и
електрофилните реакции са винаги
взаимосвързани
реакции, придружени от
едновременно
(консенсусна) разлика и
свързване се нарича
молекулярна (синхронна,
съгласен)

диенов синтез

CH 2
HC
CH 2
+
HC
CH 2
CH 2
Cyclog exen

4.2. Класификация на реагентите

4.2. Класификация на реагентите
Към нуклеофилни реагенти
включват молекули, които съдържат
един или повече несподелени
двойки електрони; йони, които носят
отрицателен заряд (аниони);
молекули с центрове
повишена плътност

Нуклеофилни реагенти

неутрални молекули,
като има самотни двойки
електрони:
..
..
..
..
NH3; R - NH2; R2 - NH; R3N;
..
H2O;
..
..
R-OH;
..
..
;
R-O
Р
..
аниони:
OH-; CN-; NH2-; RCOO-; RS-; Cl-;
Br-; I-; HSO3-;

Нуклеофилни реагенти

връзки,
съдържащи центрове с
повишена електронна плътност:
° С
° С
;
° С
° С
;

Електрофилни реагенти

неутрални молекули,
имаща свободна орбитала:
SO3, киселини на Люис (AlCl3,
SnCl4, FeBr3, BF3)
катиони: протон (H+), йони
метали (Men+), SO3H+, NO2+, NO+

молекули,
като има
центрове
от
намалена електронна плътност:
халогенни производни на въглеводороди Rδ+-
Halδ-, халогени (Cl2, Br2, I2), съединения с
карбонилна група:
Р
° С
О
;
Х
Р
° С
О
;
R1
Р
° С
О
; Р
ох
° С
О
;
ИЛИ

В реакциите на органичната химия,
обикновено се провеждат в
няколко етапа, т.е. от
образуването на междинни
краткотрайни частици
(междинни продукти): карбокатиони,
карбаниони, радикали

Карбокатиони - положителни
заредени частици, атом
положителен въглероден лагер
зарядът е в sp2 -
хибридизация.
Въглероден атом с придобиване
положителни промени в заряда
неговото валентно състояние от sp3 до
sp2, което е енергийно повече
печеливш.

Важна характеристика
карбокатиони е техен
устойчивост, която
определя се от степента
делокализация
положителен заряд

Карбокатионна стабилност
попада в реда:
третичен
атом С
>
втори
атом С
>
първичен
атом С

Карбокатионна стабилност

+
CH3 CH3
m етилий
катион
+
CH2
етилий
катион
CH3
CH3
+
CH
изопропилий
катион
CH3
CH3
ПОВИШЕНА СТАБИЛНОСТ
+
° С
CH3
тертбутилий
катион

Карбаниони - отрицателни
заредени частици, заряд
което се дължи на присъствието в тях
структура на атома С с един
електронна двойка. В същото време атомът
отрицателен, съдържащ въглерод
заряд, може да бъде както в sp2, така и
при sp3 хибридизация

Стабилността на карбанионите зависи от
степен на делокализация на негатива
заряд върху въглеродния атом. От нея
по-висока, толкова по-висока е тяхната стабилност и
намаляват тяхната реактивност.
Най-стабилният цикличен
карбаниони, в структурата на които
има общ π-електрон
плътност, включително
4n+2 π-електрона

циклопентадиенил анион

Свободни радикали - всякакви
електрически неутрален активен
съдържаща частица
едноелектронна орбитала.
Свободните радикали могат
да бъдат приписани частици,
съдържащ несдвоен електрон
не само върху въглеродния атом (C ), но
и върху други атоми: R2N·; RO

4.3. Реакции на радикално заместване (SR)

4.3. Реакции на радикала
заместване (SR)
SR реакциите са характерни за
съединения на алифатни и
алициклични серии. Как
като правило те текат
верижен механизъм, главен
етапите на които са:
започване, развитие (растеж
верига) и отворена верига.

В началния етап
образуват се свободни радикали
започване на верига
процес
Свободните радикали могат
възникват поради термични
или фотохимичен
иницииране, както и
в резултат на ОВ реакции

Реакции на радикално заместване (SR)

R-H+A-A
субстрат
реагент
з
R-A+HA
продукт
реакции

механизъм на реакция
радикално заместване (SR)
1. Посвещение
А-А
з
.
2А

2. Развитие на веригата

.
А
.
+R-H
R+A-A
.
Р
+AH
R-A+
.
А

3. Отворена верига
.
Р
.
А
.
А
+
.
Р
R-R
+
.
Р
R-A
+
.
А
А-А

Лекотата на отделяне на водородния атом от въглеродния атом попада в серията въглеводороди

CH3
CH3
H3C
° С
CH3
H>H3C
° С
Х
Х
Х
H>H3C
° С
Х
H > H
° С
Х
Х

Бромните радикали (Br˙) имат
висока селективност: ако
молекулата има вторичен и
особено третичният въглероден атом,
тогава бромирането е предимно
отива в висшето (средно)
въглероден атом. Такива реакции
наречен региоселективен
(селективно по място
действия) реакции

Бромиране на алкани (региоселективни реакции)

H3C
CH
Х
CH3 + Br2
з
H3C
CH
CH3 + HBr
Бр
2-бромпропан

механизъм на реакция
бромиране на алкани
1. Посвещение
Br2
з
.
2Br

2. Развитие на веригата
.
Br + H3C
CH
CH3
H3C
.
CH
CH3 + HBr
Х
Br2 + H3C
.
CH
CH3
H3C
CH
Бр
.
CH3 + Br

3. Отворена верига
.
.
H3C
CH3 + Br
CH
H3C
CH
CH3
Бр
.
Бр
H3C
.
Br2
+Br
.
.
CH+H3C
CH
CH3
CH3
H3C
CH
CH
CH3
CH3
2,3-дим етилбутан
CH3

4.4. Реакции на електрофилно присъединяване

Електрофилно добавяне (AE)
характеристика на ненаситените системи,
съдържащи двойни или тройни връзки.
Нуклеофилната природа на тях
съединения поради наличието на π-връзка,
което е област с
повишена електронна плътност,
е поляризуем и лесно
се разпада под
електрофилни реагенти

AE реакционен механизъм

+ X
C=C
субстрат
Й
реагент
х
° С
+
° С
-комплекс
+Y
C=C
х
Й
-комплекс
х
° С
° С
Й

Халогениране

Х
Х
C=C
Х
+Br
Бр
Х
Х
C=C
Х
Х
Бр
Бр
CH2
H2C
+
Бр
ониев бром
катион
+Br
H2C
CH2
Бр
1,2-d ибромо етан
Х
Бр

хидрогениране
Х
C=C
+ H2
t, Kt
° С
° С
Х
Хидрохалогениране
кл
C=C
+ НС1
° С
Х
° С

Хидратация
ох
C=C
+HOH
Х
+
° С
Х
° С

Правилото на Марковников:
при взаимодействие
Реактиви тип HX с
асиметрична
алкени, водород
се присъединява
повечето
хидрогениран Владимир
Марковников
въглероден атом
(1837 – 1904)

Хидрохалогениране на алкени
Правилото на Морковников
CH3 CH = CH2 + HCl
CH3
CH
кл
2-хлорпропан
CH3

механизъм на реакция
хидрохалогениране
CH3
CH3
+
+
CH
CH3
CH2
+
CH2
СН = СН2 + Н
CH3
CH3
CH
кл
CH3
+Cl
-

Реакционна схема на хидратация на алкен

Схема на реакцията на хидратация
алкени
+
H2C = CH2 + H2O
Х
H3C
CH2
ох
етанол

Механизъм за реакция на хидратация
алкени
..
+
+HOH
..
+
H C = CH + H
H C CH
2
2
H3C
3
CH2
+
О
Х
+
-Х
връщане
катализатор
Х
Оксониев катион
2
H3C
CH2
ох

класическо правило
Марковникова е перфектна
приложимо само за
алкени, в случай на техните
необходими деривати
вземете предвид механизма
реакции и стабилност
образувани междинни продукти

Механизъм на реакцията на хидратация на ненаситени карбоксилни киселини срещу правилото на Морковников

Р
Р
CH=CH
+
CH
О
CH2
° С
ох
+
+ H
° С
О
ох
Р
CH2
+
CH
° С
О
ох

..
HOH
..
О
Р
CH
+
О
Х
Х
CH2
° С
О
Р
-Н+
CH
CH2
° С
О завръщане
катализатор
ох
ох
-хидрокси киселина

Този вид хидратация в
vivo е част от процеса
β-окисление на ненаситени
мастни киселини в тялото

Свързани системи
(алкадиени)
термодинамично най-много
стабилен, толкова често
се срещат в природата.
Реакции на AE с такива диени
продължете с образуването на две
продукти
1,4- и 1,2-приставки

AE реакции в алкадиеновата серия

1, 4
H2C=CH
СН = СН2 + НС1
H3C
CH=CH
CH2Cl
1-хлоробутен-2
1, 2
H3C
CH
кл
3-хлорбутен-1
CH=CH2

AE реакции в алкадиеновата серия Реакционен механизъм

+
H3C
H2C=CH
СН = СН2 + Н+
H3C Реакционен механизъм на хидратация
ацетиленови производни
H3C
° С
+
СН+Н
H3C
+
C=CH2
..
+HOH
..

Механизъм за реакция на хидратация
ацетиленови производни
H3C
C=CH2
+
О
Х
-Н+
H3C
C=CH2
ох
Х

Класификация на реакциите според броя на изходните и крайните вещества: 1. Присъединяване 2. Елиминиране (елиминиране) 3. Замяна

Класификация на реакциите според механизма на разкъсване на връзката: 1. Хомолитични (радикални) радикали 2. Хетеролитични (йонни) йони

Механизъм на реакцията Механизъм – подробно описание на химичната реакция по етапи, посочващо междинни продукти и частици. Схема на реакция: Механизъм на реакция:

Класификация на реакциите според вида на реагентите 1. Радикал Радикалът е химически активна частица с несдвоен електрон. 2. Електрофилен Електрофилът е частица или молекула с недостиг на електрон с атом с електронен дефицит. 3. Нуклеофил Нуклеофилът е анион или неутрална молекула, която има атом с несподелена електронна двойка.

Видове химични връзки в органични вещества Основният тип връзка е ковалентен (йонната е по-рядко срещана) Сигма връзка (σ-): Пи връзка (-)

АЛКАН - алифатни (мазни) въглеводороди "Алифатос" - масло, мазнина (гръцки). Cn. H 2 n+2 Граница, наситени въглеводороди

Хомоложна серия: CH 4 - метан C 2 H 6 - етан C 3 H 8 - пропан C 4 H 10 - бутан C 5 H 12 - пентан и др. C 6 H 14 - хексан C 7 H 16 - хептан C 8 H 18 - октан C 9 H 20 - нонан C 10 H 22 - декан и C 390 H 782 - неконтактен (1985)

Атомно-орбитален модел на молекулата на метана В молекулата на метана въглеродният атом вече няма S- и P-орбитали! Неговите 4 хибридни SP 3 орбитали, които са еквивалентни по енергия и форма, образуват 4 връзки с S орбиталите на водородния атом. H H 4 -връзки

Реакция на нитриране Коновалов Дмитрий Петрович (1856 -1928) 1880 г. Първият успешен опит за съживяване на "химическите мъртви", които се смятаха за алкани. Намерени са условията за нитриране на алкани. Ориз. Източник: http: //images. yandex. ru.

Химични свойства I. Реакции с разкъсване на С-Н връзки (реакции на заместване): 1. халогениране 2. нитриране 3. сулфохлориране II. Реакции с разкъсване на C-C връзки: 1. горене 2. крекинг 3. изомеризация

Как да намеря химик? Ако искате да намерите химик, попитайте какво представляват бенка и нейонизирани. И ако започне да говори за животни с кожа и организация на труда, спокойно си тръгнете. Белетрист, популяризатор на науката Исак Азимов (1920–1992) Фиг. Източник: http: //images. yandex. ru.

1. Реакция на халогениране Хлориране: RH + Cl 2 hv RCl + HCl Бромиране: RH + Br 2 hv RBr + HBr Например, хлориране на метан: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl

Етапи на свободнорадикалния механизъм Реакционна схема: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl Механизъм на реакцията: I. Иницииране на веригата - етап на генериране на свободни радикали. Cl Cl 2 Cl Радикалът е активна частица, инициатор на реакцията. – – Сцената изисква енергия под формата на отопление или осветление. Следващите стъпки могат да продължат на тъмно, без нагряване.

Етапи на механизма на свободните радикали II. Растежът на веригата е основният етап. CH 4 + Cl HCl + CH 3 + Cl 2 CH 3 Cl + Cl Етапът може да включва няколко подетапи, всеки от които образува нов радикал, но не и H !!! На II, основен етап, основният продукт задължително се формира!

Етапи на механизма на свободните радикали III. Прекратяването на веригата е рекомбинация на радикали. Cl + Cl Cl 2 Cl + CH 3 CH 3 Cl CH 3 + CH 3 CH 3 -CH 3 Всички два радикала се комбинират.

Селективност на заместването Селективност - селективност. Региоселективност - селективност в определена област от реакции. Например, селективност на халогениране: 45% 3% Заключение? 55% 97%

Селективността на халогенирането зависи от следните фактори: Реакционни условия. При ниски температури е по-селективен. природата на халогена. Колкото по-активен е халогенът, толкова по-малко селективна е реакцията. F 2 реагира много енергично, с разрушаването на C-C връзките. I 2 не реагира с алкани при тези условия. Структурата на алкан.

Влияние на алкановата структура върху селективността на заместване. Ако въглеродните атоми в алкана са неравни, тогава заместването на всеки от тях протича с различна скорост. Относително. скорост на реакцията на заместване атом H Вторичен атом H tert. Хлориране на Н атом 1 3, 9 5, 1 бромиране 1 82 1600 Заключение?

Отделянето на третичен водороден атом изисква по-малко енергия от отделянето на вторичен и първичен! Алканова формула Резултат от хомолиза ED, k. J / mol CH 4 CH 3 + H 435 CH 3 - CH 3 C 2 H 5 + H 410 CH 3 CH 2 CH 3 (CH 3) 2 CH + H 395 (CH 3) 3 CH (CH 3) 3 C + H 377

Посока на реакциите Всяка реакция протича предимно в посока на образуване на по-стабилна междинна частица!

Междинна частица в радикалните реакции е свободният радикал. Най-стабилният радикал се образува най-лесно! Серия за радикална стабилност: R 3 C > R 2 CH > RCH 2 > CH 3 Алкилните групи проявяват електродонорен ефект, поради което стабилизират радикала

Реакция на сулфохлориране Реакционна схема: RH + Cl 2 + SO 2 RSO 2 Cl + HCl Механизъм на реакцията: 1. Cl Cl 2 Cl 2. RH + Cl R + HCl R + SO 2 RSO 2 + Cl 2 RSO 2 Cl + Cl и др. 3 2 Cl Cl 2 и др.

Реакция на Д. П. Коновалов Нитрирането по Коновалов се осъществява чрез действието на разредена азотна киселина при температура 140 o. C. Реакционна схема: RH + HNO 3 RNO 2 + H 2 O

Механизмът на реакцията на Коновалов HNO 3 N 2 O 4 1. N 2 O 4 2 NO 2 2. RH + NO 2 R + HNO 2 R + HNO 3 RNO 2 + OH RH + OH R + H 2 O и др. 3 .Отворена верига.

Алкените са ненаситени въглеводороди с една C=C Cn връзка. H 2 n C \u003d C - функционална група алкени

Химични свойства на алкените Общи характеристики Алкените са реактивен клас съединения. Те влизат в множество реакции, повечето от които се дължат на прекъсване на по-малко силна пи връзка. Е С-С (σ-) ~ 350 KJ/mol Е С=С (-) ~ 260 KJ/mol

Характерни реакции Прибавянето е най-характерният тип реакции. Двойната връзка е донор на електрони, така че има тенденция да добавя: E - електрофили, катиони или радикали

Примери за реакции на електрофилно присъединяване 1. Добавяне на халогени - Не всички халогени се добавят, а само хлор и бром! – Поляризация на неутрална халогенна молекула може да настъпи под действието на полярен разтворител или под действието на двойната връзка на алкен. Червено-кафявият разтвор на бром става безцветен

Реакциите на електрофилно добавяне протичат при стайна температура и не изискват осветяване. Йонен механизъм. Реакционна схема: XY \u003d Cl 2, Br 2, HCl, HBr, HI, H 2 O

Сигма комплексът е карбокатион - частица с положителен заряд на въглеродния атом. Ако в реакционната среда присъстват други аниони, те също могат да се прикрепят към карбокатиона.

Например добавянето на бром, разтворен във вода. Тази качествена реакция за двойна C=C връзка протича с обезцветяване на разтвора на бром и образуването на два продукта:

Добавяне към несиметрични алкени Региоселективност на добавяне! Правилото на Марковников (1869): киселини и вода се добавят към несиметрични алкени по такъв начин, че водородът е прикрепен към по-хидрогенирания въглероден атом.

Марковников Владимир Василиевич (1837 - 1904) Завършил Казанския университет. От 1869 г. - професор в катедрата по химия. Основател на научната школа. Ориз. Източник: http: //images. yandex. ru.

Обяснение на правилото на Марковников Реакцията протича чрез образуването на най-стабилната междинна частица - карбокатион. първичен вторичен, по-стабилен

Серия за стабилност на карбокатион: третичен вторичен първичен метил Правилото на Марковников в съвременната формулировка: добавянето на протон към алкен става с образуването на по-стабилен карбокатион.

Прибавяне на анти-Марковников CF 3 -CH=CH 2 + HBr CF 3 -CH 2 Br Формално реакцията противоречи на правилото на Марковников. CF 3 - електроноотвличащ заместител Други електроноотвличащи агенти: NO 2, SO 3 H, COOH, халогени и др.

Анти-Марковников добавка по-стабилен нестабилен CF 3 - акцептор на електрони, дестабилизира карбокатион Реакцията само формално противоречи на правилото на Марковников. Всъщност той се подчинява, тъй като преминава през по-стабилен карбокатион.

Harash пероксиден ефект X CH 3 -CH = CH 2 + HBr CH 3 -CH 2 Br X = O 2, H 2 O 2, ROOR Механизъм на свободните радикали: 1. H 2 O 2 2 OH + HBr H 2 O + Br 2. CH 3 -CH \u003d CH 2 + Br CH 3 -CH -CH 2 Br е по-стабилен радикал CH 3 -CH -CH 2 Br + HBr CH 3 -CH 2 Br + Br и др. 3. Всеки два радикала са свързани помежду си.

Електрофилно добавяне 3. Хидратация - добавяне на вода - Реакцията протича в присъствието на киселинни катализатори, най-често това е сярна киселина. Реакцията се подчинява на правилото на Марковников. Евтин начин за получаване на алкохол

На изпита академик Иван Алексеевич Каблуков моли студента да каже как се получава водород в лабораторията. „Меркурий“, отговаря той. „Как е „от живак“? ! Обикновено казват "от цинк", но от живак - това е нещо оригинално. Напишете реакция. Студентът пише: Hg \u003d H + g И казва: „Живакът се нагрява; той се разлага на H и g. H е водород, той е лек и следователно отлита, а g е ускорението на гравитацията, тежко, остава. „За такъв отговор трябва да поставите „петицата“, казва Каблуков. - Нека си вземем бележка. Само "петицата" също ще загрея първо. "Три" отлита, а "две" остава.

Двама химици в лабораторията: - Вася, сложи ръката си в тази чаша. - Изпуснах го. - Усещаш ли нещо? - Не. - Значи сярна киселина в друга чаша.

Ароматни въглеводороди Ароматни - ароматни? ? Ароматните съединения са бензол и вещества, които го наподобяват по химическо поведение!

Много реакции на заместване отварят пътя за получаване на различни съединения, които имат икономически приложения. Огромна роля в химическата наука и индустрията се отдава на електрофилното и нуклеофилното заместване. При органичния синтез тези процеси имат редица особености, които трябва да се вземат предвид.

разнообразие от химически явления. Реакции на заместване

Химичните промени, свързани с трансформациите на веществата, се отличават с редица характеристики. Крайните резултати, топлинните ефекти могат да бъдат различни; някои процеси отиват до края, в други промяната на веществата често е придружена от повишаване или намаляване на степента на окисление. При класифицирането на химичните явления според техния краен резултат се обръща внимание на качествените и количествените разлики между реагентите и продуктите. Според тези характеристики могат да се разграничат 7 вида химични трансформации, включително заместване, по схемата: AB + C AC + B. Опростеният запис на цял клас химични явления дава представа, че сред изходните вещества има т.н. -наречена "частица, която замества атом, йон или функционална група в реагент. Реакцията на заместване е типична за ограничаване и

Реакциите на заместване могат да възникнат под формата на двоен обмен: A-B + C-E A-C + B-E. Един от подвидовете е изместването, например, на мед с желязо от разтвор на меден сулфат: CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu. Атоми, йони или функционални групи могат да действат като "атакуващи" частици

Заместващ хомолитичен (радикал, SR)

С радикален механизъм за разрушаване на ковалентни връзки, електронна двойка, обща за различните елементи, се разпределя пропорционално между "фрагментите" на молекулата. Образуват се свободни радикали. Това са нестабилни частици, чието стабилизиране настъпва в резултат на последващи трансформации. Например, когато етан се получава от метан, се появяват свободни радикали, които участват в реакцията на заместване: CH 4 CH 3. + .H; CH 3 . + .CH3 → C2H5; H. + .H → H2. Разрушаването на хомолитична връзка според дадения заместващ механизъм е верижно. В метана водородните атоми могат да бъдат последователно заместени с хлор. Реакцията с брома протича по подобен начин, но йодът не е в състояние директно да замести водорода в алканите, флуорът реагира твърде енергично с тях.

Метод на хетеролитично разцепване

С йонния механизъм на реакциите на заместване електроните са неравномерно разпределени между новообразуваните частици. Свързващата двойка електрони отива изцяло към един от "фрагментите", най-често към този партньор по връзката, към който е изместена отрицателната плътност в полярната молекула. Реакциите на заместване включват образуването на метилов алкохол CH3OH. В бромометан CH3Br, разцепването на молекулата е хетеролитично и заредените частици са стабилни. Метилът придобива положителен заряд, а бромът – отрицателен: CH 3 Br → CH 3 + + Br - ; NaOH → Na + + OH - ; CH3 + + OH - → CH3OH; Na + + Br - ↔ NaBr.

Електрофили и нуклеофили

Частиците, които нямат електрони и могат да ги приемат, се наричат ​​"електрофили". Те включват въглеродни атоми, свързани с халогени в халоалкани. Нуклеофилите имат повишена електронна плътност, те "даряват" двойка електрони, когато създават ковалентна връзка. При реакциите на заместване нуклеофилите, богати на отрицателни заряди, се атакуват от електрофили с гладуване. Това явление е свързано с изместването на атом или друга частица - напускащата група. Друг тип реакция на заместване е атаката на електрофил от нуклеофил. Понякога е трудно да се разграничат два процеса, да се припише заместването на един или друг тип, тъй като е трудно да се определи точно коя от молекулите е субстрат и коя е реагент. Обикновено в такива случаи се вземат предвид следните фактори:

• естеството на напускащата група;
• нуклеофилна реактивност;
• естеството на разтворителя;
• структура на алкиловата част.

Заместващо нуклеофилно (SN)

В процеса на взаимодействие в органична молекула се наблюдава увеличаване на поляризацията. В уравненията частичен положителен или отрицателен заряд се маркира с буква от гръцката азбука. Поляризацията на връзката дава възможност да се прецени естеството на нейното разкъсване и по-нататъшното поведение на "фрагментите" на молекулата. Например, въглеродният атом в йодометана има частичен положителен заряд и е електрофилен център. Той привлича тази част от водния дипол, където се намира кислородът, който има излишък от електрони. Когато електрофил взаимодейства с нуклеофилен реагент, се образува метанол: CH 3 I + H 2 O → CH 3 OH + HI. Реакциите на нуклеофилно заместване протичат с участието на отрицателно зареден йон или молекула, която има свободна електронна двойка, която не участва в създаването на химическа връзка. Активното участие на йодометана в реакциите на SN 2 се обяснява с неговата отвореност към нуклеофилна атака и подвижността на йода.

Електрофилно заместване (SE)

Органичната молекула може да съдържа нуклеофилен център, който се характеризира с излишък от електронна плътност. Той реагира с електрофилен реагент, който няма отрицателни заряди. Такива частици включват атоми със свободни орбитали, молекули с области с ниска електронна плътност. Във въглерода, който има "-" заряд, взаимодейства с положителната част на водния дипол - с водорода: CH 3 Na + H 2 O → CH 4 + NaOH. Продуктът от тази реакция на електрофилно заместване е метан. При хетеролитичните реакции противоположно заредените центрове на органичните молекули взаимодействат, което ги прави подобни на йони в химията на неорганичните вещества. Не бива да се пренебрегва, че трансформацията на органичните съединения рядко е придружена от образуването на истински катиони и аниони.

Мономолекулни и бимолекулярни реакции

Нуклеофилното заместване е мономолекулно (SN1). Хидролизата на важен продукт от органичния синтез, третичен бутил хлорид, протича по този механизъм. Първият етап е бавен, свързан е с постепенна дисоциация на карбониев катион и хлориден анион. Вторият етап е по-бърз, карбониевият йон реагира с вода. заместване на халоген в алкан за хидрокси група и получаване на първичен алкохол: (CH 3) 3 C-Cl → (CH 3) 3 C + + Cl - ; (CH 3) 3 C + + H 2 O → (CH 3) 3 C-OH + H +. Едноетапната хидролиза на първични и вторични алкилхалогениди се характеризира с едновременно разрушаване на въглеродната връзка с халогена и образуване на двойка С-ОН. Това е механизмът на нуклеофилно бимолекулно заместване (SN2).

Хетеролитичен заместващ механизъм

Механизмът на заместване е свързан с пренос на електрони, създаване на междинни комплекси. Реакцията протича толкова по-бързо, колкото по-лесно е да се образуват характерните за нея междинни продукти. Често процесът върви в няколко посоки едновременно. Предимството обикновено се получава от начина, по който се използват частиците, които изискват най-малко енергийни разходи за тяхното образуване. Например, наличието на двойна връзка увеличава вероятността за поява на алиловия катион CH2=CH—CH 2 + в сравнение с йона CH 3 +. Причината се крие в електронната плътност на множествената връзка, която влияе върху делокализацията на положителния заряд, разпръснат в цялата молекула.

Реакции на заместване на бензол

Групата, за която е характерно електрофилното заместване, са арените. Бензоловият пръстен е удобна мишена за електрофилна атака. Процесът започва с поляризация на връзката във втория реагент, което води до образуването на електрофил, съседен на електронния облак на бензоловия пръстен. Резултатът е преходен комплекс. Все още няма пълноценна връзка на електрофилна частица с един от въглеродните атоми, тя е привлечена от целия отрицателен заряд на „ароматната шестица“ на електроните. На третия етап от процеса електрофилът и един въглероден атом на пръстена са свързани чрез обща двойка електрони (ковалентна връзка). Но в този случай „ароматната шестица“ е унищожена, което е неблагоприятно от гледна точка на постигането на стабилно устойчиво енергийно състояние. Има едно явление, което може да се нарече "изхвърляне на протон". Настъпва разделяне на Н +, възстановява се стабилна система на връзки, характерна за арените. Страничният продукт съдържа водороден катион от бензеновия пръстен и анион от състава на втория реагент.

Примери за реакции на заместване от органичната химия

За алканите реакцията на заместване е особено характерна. Могат да бъдат дадени примери за електрофилни и нуклеофилни трансформации за циклоалкани и арени. Подобни реакции в молекулите на органичните вещества протичат при нормални условия, но по-често при нагряване и в присъствието на катализатори. Електрофилното заместване в ароматното ядро ​​е един от широко разпространените и добре проучени процеси. Най-важните реакции от този тип са:

1. Нитрирането на бензол в присъствието на H 2 SO 4 - протича по схемата: C 6 H 6 → C 6 H 5 -NO 2.
2. Каталитично халогениране на бензол, по-специално хлориране, съгласно уравнението: C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.
3. Ароматното протича с "димяща" сярна киселина, образуват се бензолсулфонови киселини.
4. Алкилирането е заместването на водороден атом от бензеновия пръстен с алкил.
5. Ацилирането е образуването на кетони.
6. Формилирането е заместването на водорода с CHO група и образуването на алдехиди.

Реакциите на заместване включват реакции в алкани и циклоалкани, при които халогените атакуват наличната С-Н връзка. Получаването на производни може да бъде свързано със заместване на един, два или всички водородни атома в наситени въглеводороди и циклопарафини. Много от халоалканите с ниско молекулно тегло намират приложение в производството на по-сложни вещества, принадлежащи към различни класове. Напредъкът в изучаването на механизмите на реакциите на заместване даде мощен тласък за развитието на синтези на базата на алкани, циклопарафини, арени и халогенни производни на въглеводороди.

Видове химични реакции в неорганичната и органичната химия.

1. Химичната реакция е процес, при който от едно вещество се образуват други вещества. В зависимост от естеството на процеса се разграничават видове химични реакции.

1) Според крайния резултат

2) Въз основа на отделянето или абсорбцията на топлина

3) Въз основа на обратимостта на реакцията

4) Въз основа на промяна в степента на окисление на атомите, които съставляват реагентите

Според крайния резултат реакциите са от следните видове:

A) Заместване: RH+Cl 2 → RCl+HCl

B) Присъединяване: CH 2 \u003d CH 2 + Cl 2 → CH 2 Cl-CH 2 Cl

В) Разцепване: CH 3 -CH 2 OH → CH 2 \u003d CH 2 + H 2 O

Г) Разлагане: CH 4 → C + 2H 2

Г) Изомеризация

Д) Обмен

Ж) Връзки

Реакция на разлаганеПроцес, при който две или повече други вещества се образуват от едно вещество.

Обменна реакцияе процесът, чрез който реагентите обменят своите съставки.

Реакции на заместваневъзникват с участието на прости и сложни вещества, в резултат на което се образуват нови прости и сложни вещества.

Като резултат комбинирани реакцииедно ново вещество се образува от две или повече вещества.

Въз основа на отделянето или усвояването на реакционната топлина има следните видове:

А) екзотермичен

Б) Ендотермичен

Екзотермичен -Това са реакции, които отделят топлина.

Ендотермиченса реакции, които поглъщат топлина от околната среда.

Въз основа на обратимостта реакциите са от следните видове:

А) обратимо

Б) необратими

Наричат ​​се реакции, които протичат само в една посока и завършват с пълно превръщане на изходните реагенти в крайни вещества необратими.

обратимоРеакциите са тези, които протичат едновременно в две взаимно противоположни посоки.

Въз основа на промяната в степента на окисление на атомите, които изграждат реагентите, реакциите са от следните видове:

А) редокс

Реакциите, които протичат с промяна в степента на окисление на атомите (при която електрони преминават от едни атоми, молекули или йони към други) се наричат редокс.

2. Според механизма на реакцията те се делят на йонни и радикални.

Йонни реакции- взаимодействие между йони в резултат на хетеролитично разкъсване на химическа връзка (двойка електрони преминава изцяло към един от "фрагментите").

Йонните реакции са два вида (според вида на реагента):

А) електрофилен - по време на реакцията с електрофил.

електрофил- групировка, която има свободни орбитали за някои атоми или центрове с намалена електронна плътност (например: H +, Cl - или AlCl 3)

Б) Нуклеофилни – в хода на взаимодействие с нуклеофил

нуклеофил -отрицателно зареден йон или молекула с несподелена електронна двойка (понастоящем не участва в образуването на химическа връзка).

(Примери: F - , Cl - , RO - , I -).

Истинските химични процеси, само в редки случаи, могат да бъдат описани с прости механизми. Подробно изследване на химичните процеси от молекулярно-кинетична гледна точка показва, че повечето от тях протичат чрез радикален верижен механизъм, особеност на верижните p-ции е образуването на свободни радикали на междинни етапи (нестабилни фрагменти от молекули или атоми с кратък живот, всички имат безплатни връзки.

По верижния механизъм протичат процесите на горене, експлозия, окисляване, фотохимични реакции, биохимични реакции в живите организми.

Верижните райони имат няколко етапа:

1) нуклеация на веригата - етапът на верижна p-ция, в резултат на което се появяват свободни радикали от наситени с валентност молекули.

2) продължението на веригата - етапът на веригата на p-tion, като се пристъпва към запазване на общия брой свободни етапи.

3) прекъсване на веригата - елементарен етап на вериги на р-ция, водещ до изчезване на свободните връзки.

Има разклонени и неразклонени верижни реакции.

Една от най-важните концепции на веригата е дължина на веригата- средният брой елементарни етапи на продължаване на веригата след появата на свободен радикал до неговото изчезване.

Пример: Синтез на хлороводород

1) m-la CL 2 абсорбира квант енергия и изображение на 2 радикала: CL 2 + hv \u003d CL * + CL *

2) активната частица се комбинира с m-молекулата H 2, образувайки солна киселина и активната частица H 2: CL 1 + H 2 \u003d HCL + H *

3)CL 1 +H 2 =HCL+CL * и т.н.

6) H * + CL * \u003d HCL - отворена верига.

Разклонен механизъм:

F * + H 2 \u003d HF + H * и т.н.

F * + H 2 \u003d HF + H * и т.н.

Във вода е по-трудно – образуват се ОН*, О* радикали и Н* радикали.

Реакции, които възникват под въздействието на йонизиращо лъчение: рентгенови лъчи, катодни лъчи и т.н. наречен радиохимичен.

В резултат на взаимодействието на молекулите с радиацията се наблюдава разпадането на молекулите с образуването на най-реактивните частици.

Такива реакции допринасят за рекомбинацията на частиците и образуването на вещества с техните различни комбинации.

Пример за това е хидразин N 2 H 4 - компонент на ракетното гориво. Напоследък бяха направени опити за получаване на хидразин от амоняк в резултат на излагане на γ-лъчи:

NH 3 → NH 2 * + H *

2NH 2 * → N 2 H 4

Радиохимичните реакции, като радиолиза на вода, са важни за жизнената дейност на организмите.

литература:

1. Ахметов, Н.С. Обща и неорганична химия / Н. С. Ахметов. - 3-то изд. - М .: Висше училище, 2000. - 743 с.

1. Коровин Н.В. Обща химия / Н. В. Коровин. - М.: Висше училище, 2006. - 557 с.
2. Кузменко Н.Е. Кратък курс по химия / Н.Е. Кузменко, В. В. Еремин, В. А. Попков. - М.: Висше училище, 2002. - 415 с.
3. Зайцев, О.С. Обща химия. Структура на веществата и химични реакции / O.S. Zaytsev. – М.: Химия, 1990.
4. Карапетянц, М.Х. Структурата на материята / М.Х. Карапетянц, С. И. Дракин. - М .: Висше училище, 1981.
5. Котън Ф. Основи на неорганичната химия / Ф. Котън, Дж. Уилкинсън. – М.: Мир, 1981.
6. Угай, Я.А. Обща и неорганична химия / Ya.A.Ugai. - М .: Висше училище, 1997.