Mehanizmi kemijskih reakcija u organskoj kemiji. Vrste kemijskih reakcija u organskoj kemiji - Hipermarket znanja

>> Kemija: Vrste kemijskih reakcija u organskoj kemiji

Reakcije organskih tvari formalno se mogu podijeliti u četiri glavne vrste: supstitucija, adicija, eliminacija (eliminacija) i preuređivanje (izomerizacija). Očito je da se čitava raznolikost reakcija organskih spojeva ne može svesti na okvir predložene klasifikacije (npr. reakcije izgaranja). Međutim, takva će klasifikacija pomoći uspostaviti analogije s klasifikacijama reakcija koje se odvijaju između anorganskih tvari koje su vam već poznate iz tečaja anorganske kemije.

U pravilu, glavni organski spoj koji sudjeluje u reakciji naziva se supstrat, a druga komponenta reakcije uvjetno se smatra reagensom.

Reakcije supstitucije

Reakcije koje rezultiraju zamjenom jednog atoma ili skupine atoma u izvornoj molekuli (supstratu) s drugim atomima ili skupinama atoma nazivaju se reakcije supstitucije.

Reakcije supstitucije uključuju zasićene i aromatske spojeve, kao što su, na primjer, alkani, cikloalkani ili areni.

Navedimo primjere takvih reakcija.

Sadržaj lekcije sažetak lekcije podrška okvir predavanja prezentacija akceleratorske metode interaktivne tehnologije Praksa zadaci i vježbe samoispitivanje radionice, treninzi, slučajevi, potrage domaća zadaća rasprava pitanja retorička pitanja učenika Ilustracije audio, video isječke i multimediju fotografije, slike grafike, tablice, sheme humor, anegdote, vicevi, stripovi, parabole, izreke, križaljke, citati Dodaci sažetakačlanci čipovi za znatiželjne cheat sheets udžbenici osnovni i dodatni glosar pojmova ostalo Poboljšanje udžbenika i lekcijaispravljanje pogrešaka u udžbeniku ažuriranje fragmenta u udžbeniku elementi inovacije u satu zamjena zastarjelih znanja novim T samo za učitelje savršene lekcije kalendarski plan za godinu metodičke preporuke programa rasprave Integrirane lekcije PREDAVANJE 4
Klasifikacija i
mehanizama
organske reakcije

Plan
4.1. Organska klasifikacija
reakcije
4.2. Klasifikacija reagensa
4.3 Reakcije
(SR)
radikal
zamjena
4.4 Reakcije elektrofilne adicije (AE)

4.1 Klasifikacija organskih reakcija

4.1 Klasifikacija
organske reakcije
prema
po molekularnosti
S supstitucijske reakcije
Reakcije adicije A
Reakcije eliminacije
E
Molekularno
prestrojavanja
Monomolekularni
Bimolekularno
Trimolekularni

Prema načinu kidanja i stvaranja veza

Heterolitički
(ionski)
* elektrofilna
* nukleofilna
Homolitički
(radikal)
Molekularno

Shema razbijanja kemijskih veza

A:B
+
NA:
.
.
ALI
A:B
heterolitički
A: B
g ohm litički
A + B
drago ikala
+
+ V:
ALI
e pridruženi ioni

Shema stvaranja kemijskih veza

+
ALI
.
+ V:
A + B
.
ALI
NA
heterolitički
ALI
NA
homolitički.

heterolitičke reakcije
nazvan ionskim jer
oni su u pratnji
formiranje organskih
ioni teku u
organska otapala
Homolitičke reakcije
teku pretežno u
plinska faza

Heterolitičke reakcije u
ovisnost o elektroničkom
priroda napadačke čestice
podijeljeni na nukleofile (simbol
N) i elektrofilni (simbol E).
Istodobno, to se konvencionalno pretpostavlja
jedna od čestica u interakciji
reagens i drugi supstrat
na koje djeluje reagens

Supstrat je molekula koja
daje atom ugljika
formiranje nove veze
vrsta reakcije (nukleofilna
ili elektrofilna) određena je prirodom reagensa

Reagens s lone
elektronski par,
u interakciji s
supstrat koji ima
nedostatak elektrona
naziva "nukleofilnim"
(ljubeći, tražeći jezgru), i
nukleofilne reakcije

Reagens s elektroničkim deficitom,
u interakciji s
supstrat s viškom elektrona
pozvao
"elektrofilni" i
elektrofilna reakcija

Nukleofilna i
elektrofilne reakcije su uvijek
međusobno povezani
reakcije popraćene
istodobna
(konsenzualni) jaz i
vezivanje se zove
molekularni (sinkroni,
dogovoren)

sinteza diena

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

4.2. Klasifikacija reagensa

4.2. Klasifikacija reagensa
Na nukleofilne reagense
uključuju molekule koje sadrže
jedan ili više nedijeljenih
parovi elektrona; ioni koji nose
negativni naboj (anioni);
molekule sa središtima
povećana gustoća

Nukleofilni reagensi

neutralne molekule,
imajući usamljene parove
elektroni:
..
..
..
..
NH3; R - NH2; R2 - NH; R3N;
..
H2O;
..
..
R-OH;
..
..
;
R-O
R
..
anioni:
OH-; CN-; NH2-; RCOO-; RS-; Cl-;
Br-; I-; HSO3-;

Nukleofilni reagensi

veze,
koji sadrže centre sa
povećana gustoća elektrona:
C
C
;
C
C
;

Elektrofilni reagensi

neutralne molekule,
ima slobodnu orbitalu:
SO3, Lewisove kiseline (AlCl3,
SnCl4, FeBr3, BF3)
kationi: proton (H+), ioni
metali (Men+), SO3H+, NO2+, NO+

molekule,
imajući
centrima
s
smanjena gustoća elektrona:
halogeni derivati ​​ugljikovodika Rδ+-
Halδ-, halogeni (Cl2, Br2, I2), spojevi sa
karbonilna skupina:
R
C
O
;
H
R
C
O
;
R1
R
C
O
; R
Oh
C
O
;
ILI

U reakcijama organske kemije,
obično se odvijaju u
nekoliko faza, tj. s
formiranje međuproizvoda
kratkovječne čestice
(intermedijari): karbokationi,
karbanioni, radikali

Karbokationi - pozitivni
nabijene čestice, atom
ugljični ležaj pozitivno
punjenje je u sp2 -
hibridizacija.
Atom ugljika s akvizicijom
pozitivne promjene naboja
njegovo valentno stanje od sp3 do
sp2, što je energetski više
isplativo.

Važna karakteristika
karbokationi je njihov
održivost, što
određen stupnjem
delokalizacija
pozitivan naboj

Stabilnost karbokacije
spada u red:
tercijarni
atom C
>
sekundarni
atom C
>
primarni
atom C

Stabilnost karbokacije

+
CH3 CH3
m etilij
kation
+
CH2
etilijum
kation
CH3
CH3
+
CH
izopropilij
kation
CH3
CH3
POVEĆANA STABILNOST
+
C
CH3
tertbutilijum
kation

Karbanioni - negativno
nabijene čestice, naboj
što je zbog prisutnosti u njima
struktura C atoma s lone
elektronički par. U isto vrijeme, atom
ugljični ležaj negativan
naboj, može biti i u sp2 i
u sp3 hibridizaciji

Stabilnost karbaniona ovisi o
stupanj delokalizacije negativa
naboj na atomu ugljika. Nego ona
veća, veća je njihova stabilnost i
smanjiti njihovu reaktivnost.
Najstabilniji ciklički
karbanioni, u čijoj strukturi
postoji zajednički π-elektron
gustoća, uključujući
4n+2 π-elektrona

ciklopentadienil anion

Slobodni radikali - bilo koji
električno neutralno aktivan
čestica koja sadrži
jednoelektronska orbitala.
Slobodni radikali mogu
biti dodijeljene čestice,
koji sadrži nespareni elektron
ne samo na atomu ugljika (C), nego
a na ostalim atomima: R2N· ; RO

4.3. Reakcije radikalne supstitucije (SR)

4.3. Reakcije radikala
zamjena (SR)
SR reakcije su karakteristične za
spojevi alifatske i
aliciklički niz. kako
u pravilu teku
lančani mehanizam, glavni
faze koje su:
inicijacija, razvoj (rast
lanac) i otvoreni krug.

U fazi inicijacije
nastaju slobodni radikali
pokretanje lanca
postupak
Slobodni radikali mogu
nastaju zbog toplinske
ili fotokemijski
inicijacije, kao i
kao rezultat OB reakcija

Reakcije radikalne supstitucije (SR)

R-H+A-A
supstrat
reagens
h
R-A+HA
proizvod
reakcije

mehanizam reakcije
radikalna supstitucija (SR)
1. Inicijacija
A-A
h
.
2A

2. Razvoj lanca

.
A
.
+R-H
R+A-A
.
R
+AH
R-A+
.
A

3. Otvoreni krug
.
R
.
A
.
A
+
.
R
R-R
+
.
R
R-A
+
.
A
A-A

Lakoća odvajanja atoma H od atoma ugljika spada u niz ugljikovodika

CH3
CH3
H3C
C
CH3
H>H3C
C
H
H
H
H>H3C
C
H
H > H
C
H
H

Bromni radikali (Br˙) imaju
visoka selektivnost: ako
molekula ima sekundarnu, i
posebno tercijarni atom ugljika,
tada je bromiranje pretežno
ide u tercijarnu (srednju)
atom ugljika. Takve reakcije
naziva se regioselektivnim
(selektivno po mjestu
radnje) reakcije

Bromiranje alkana (regioselektivne reakcije)

H3C
CH
H
CH3 + Br2
h
H3C
CH
CH3 + HBr
Br
2-bromopropan

mehanizam reakcije
bromiranje alkana
1. Inicijacija
Br2
h
.
2Br

2. Razvoj lanca
.
Br + H3C
CH
CH3
H3C
.
CH
CH3 + HBr
H
Br2 + H3C
.
CH
CH3
H3C
CH
Br
.
CH3 + Br

3. Otvoreni krug
.
.
H3C
CH3 + Br
CH
H3C
CH
CH3
Br
.
Br
H3C
.
Br2
+Br
.
.
CH+H3C
CH
CH3
CH3
H3C
CH
CH
CH3
CH3
2,3-dim etilbutan
CH3

4.4. Elektrofilne reakcije adicije

Elektrofilna adicija (AE)
karakteristika nezasićenih sustava,
koji sadrže dvostruke ili trostruke veze.
Nukleofilna priroda ovih
spojevi zbog prisutnosti π-veze,
što je područje sa
povećana gustoća elektrona,
je polarizabilan i lak
lomi pod
elektrofilni reagensi

Mehanizam AE reakcije

+ X
C=C
supstrat
Y
reagens
x
C
+
C
-kompleks
+Y
C=C
x
Y
-kompleks
x
C
C
Y

Halogenacija

H
H
C=C
H
+Br
Br
H
H
C=C
H
H
Br
Br
CH2
H2C
+
Br
onijev brom
kation
+Br
H2C
CH2
Br
1,2-d ibromo etan
H
Br

hidrogeniranje
H
C=C
+H2
t, Kt
C
C
H
Hidrohalogenacija
Cl
C=C
+ HCl
C
H
C

Hidratacija
Oh
C=C
+HOH
H
+
C
H
C

Markovnikovo pravilo:
prilikom interakcije
Reagensi tipa HX sa
asimetrična
alkeni, vodik
pridružuje
najviše
hidrogenirani Vladimir
Markovnikov
atom ugljika
(1837 – 1904)

Hidrohalogeniranje alkena
Morkovnikovo pravilo
CH3 CH = CH2 + HCl
CH3
CH
Cl
2-kloropropan
CH3

mehanizam reakcije
hidrohalogeniranje
CH3
CH3
+
+
CH
CH3
CH2
+
CH2
CH = CH2 + H
CH3
CH3
CH
Cl
CH3
+Cl
-

Shema reakcije hidratacije alkena

Shema reakcije hidratacije
alkeni
+
H2C = CH2 + H2O
H
H3C
CH2
Oh
etanol

Mehanizam reakcije hidratacije
alkeni
..
+
+HOH
..
+
H C = CH + H
H C CH
2
2
H3C
3
CH2
+
O
H
+
-H
povratak
katalizator
H
Oksonijev kation
2
H3C
CH2
Oh

klasično pravilo
Markovnikova je savršena
primjenjiv samo na
alkeni, u slučaju njihovih
potrebne derivate
uzeti u obzir mehanizam
reakcije i stabilnost
formirani međuprodukti

Mehanizam reakcije hidratacije nezasićenih karboksilnih kiselina protiv Morkovnikovovog pravila

R
R
CH=CH
+
CH
O
CH2
C
Oh
+
+ H
C
O
Oh
R
CH2
+
CH
C
O
Oh

..
HOH
..
O
R
CH
+
O
H
H
CH2
C
O
R
-H+
CH
CH2
C
Oh vrati se
katalizator
Oh
Oh
-hidroksi kiselina

Ova vrsta hidratacije u
vivo je dio procesa
β-oksidacija nezasićenih
masnih kiselina u tijelu

Povezani sustavi
(alkadieni)
termodinamički najviše
stabilno, tako često
nalaze se u prirodi.
Reakcije AE s takvim dienima
nastaviti s formiranjem dva
proizvodi
1,4- i 1,2-prilozi

AE reakcije u nizu alkadiena

1, 4
H2C=CH
CH = CH2 + HCl
H3C
CH=CH
CH2Cl
1-klorobuten-2
1, 2
H3C
CH
Cl
3-klorobuten-1
CH=CH2

AE reakcije u nizu alkadiena Reakcijski mehanizam

+
H3C
H2C=CH
CH = CH2 + H+
H3C Mehanizam reakcije hidratacije
derivati ​​acetilena
H3C
C
+
CH+H
H3C
+
C=CH2
..
+HOH
..

Mehanizam reakcije hidratacije
derivati ​​acetilena
H3C
C=CH2
+
O
H
-H+
H3C
C=CH2
Oh
H

Klasifikacija reakcija prema broju početnih i konačnih tvari: 1. Pristup 2. Eliminacija (eliminacija) 3. Zamjena

Klasifikacija reakcija prema mehanizmu kidanja veze: 1. Homolitički (radikalni) radikali 2. Heterolitički (ionski) ioni

Mehanizam reakcije Mehanizam - detaljan opis kemijske reakcije po fazama, s naznakom međuproizvoda i čestica. Shema reakcije: Mehanizam reakcije:

Razvrstavanje reakcija prema vrsti reagensa 1. Radikal Radikal je kemijski aktivna čestica s nesparenim elektronom. 2. Elektrofil Elektrofil je čestica ili molekula s nedostatkom elektrona s atomom s nedostatkom elektrona. 3. Nukleofil Nukleofil je anion ili neutralna molekula koja ima atom s nepodijeljenim elektronskim parom.

Vrste kemijskih veza u organskim tvarima Glavna vrsta veze je kovalentna (ionska je rjeđa) Sigma veza (σ-): Pi veza (-)

ALKAN - alifatski (masni) ugljikovodici "Alifatos" - ulje, mast (grč.). Cn. H 2 n+2 Granica, zasićeni ugljikovodici

Homologni niz: CH 4 - metan C 2 H 6 - etan C 3 H 8 - propan C 4 H 10 - butan C 5 H 12 - pentan, itd. C 6 H 14 - heksan C 7 H 16 - heptan C 8 H 18 - oktan C 9 H 20 - nonan C 10 H 22 - dekan i C 390 H 782 - nekontaktan (1985.)

Atomsko-orbitalni model molekule metana U molekuli metana atom ugljika više nema S- i P-orbitale! Njegove 4 hibridne SP 3 orbitale, koje su ekvivalentne po energiji i obliku, tvore 4 veze sa S orbitalama atoma vodika. H H 4 -veze

Reakcija nitracije Konovalov Dmitrij Petrovič (1856 -1928) 1880. Prvi uspješan pokušaj oživljavanja "kemijskih mrtvih", koji su se smatrali alkanima. Pronađeni uvjeti za nitriranje alkana. Riža. Izvor: http: //images. yandex. ru.

Kemijska svojstva I. Reakcije s cijepanjem C-H veza (reakcije supstitucije): 1. halogeniranje 2. nitriranje 3. sulfokloriranje II. Reakcije s kidanjem C-C veza: 1. izgaranje 2. pucanje 3. izomerizacija

Kako pronaći kemičara? Ako želite pronaći kemičara, pitajte što su krtica i neionizirani. A ako počne pričati o krznama i organizaciji rada, mirno otiđite. Pisac beletristike, popularizator znanosti Isaac Asimov (1920–1992) Fig. Izvor: http: //images. yandex. ru.

1. Reakcija halogeniranja Kloriranje: RH + Cl 2 hv RCl + HCl Bromiranje: RH + Br 2 hv RBr + HBr Na primjer, kloriranje metana: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl

Faze slobodno-radikalnog mehanizma Reakcijska shema: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl Mehanizam reakcije: I. Inicijacija lanca - faza stvaranja slobodnih radikala. Cl Cl 2 Cl Radikal je aktivna čestica, pokretač reakcije. – – Pozornica zahtijeva energiju u obliku grijanja ili rasvjete. Sljedeći koraci mogu se odvijati u mraku, bez zagrijavanja.

Faze mehanizma slobodnih radikala II. Rast lanca je glavna faza. CH 4 + Cl HCl + CH 3 + Cl 2 CH 3 Cl + Cl Stadij može uključivati ​​nekoliko podfaza, od kojih svaki tvori novi radikal, ali ne i H !!! U II, glavnoj fazi, glavni proizvod se nužno formira!

Faze mehanizma slobodnih radikala III. Završetak lanca je rekombinacija radikala. Cl + Cl Cl 2 Cl + CH 3 CH 3 Cl CH 3 + CH 3 CH 3 -CH 3 Kombiniraju se bilo koja dva radikala.

Selektivnost supstitucije Selektivnost - selektivnost. Regioselektivnost - selektivnost u određenom području reakcija. Na primjer, selektivnost halogeniranja: 45% 3% Zaključak? 55% 97%

Selektivnost halogeniranja ovisi o sljedećim čimbenicima: Reakcijski uvjeti. Na niskim temperaturama je selektivniji. priroda halogena. Što je halogen aktivniji, to je reakcija manje selektivna. F 2 reagira vrlo snažno, s razaranjem C-C veza. I 2 u tim uvjetima ne reagira s alkanima. Struktura alkana.

Utjecaj strukture alkana na selektivnost supstitucije. Ako su atomi ugljika u alkanu nejednaki, tada se zamjena za svaki od njih odvija različitom brzinom. Relativno. brzina supstitucijske reakcije atom H Sekundarni atom H tert. Kloriranje atoma H 1 3, 9 5, 1 bromiranje 1 82 1600 Zaključak?

Odvajanje tercijarnog vodikovog atoma zahtijeva manje energije nego odvajanje sekundarnog i primarnog! Alkanska formula Rezultat homolize 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

Smjer reakcija Svaka reakcija teče pretežno u smjeru stvaranja stabilnije međučestice!

Međučestica u radikalnim reakcijama je slobodni radikal. Najstabilniji radikal nastaje najlakše! Serija stabilnosti radikala: R 3 C> R 2 CH> RCH 2> CH 3 Alkilne skupine pokazuju učinak donora elektrona, zbog čega stabiliziraju radikal

Reakcija sulfokloracije Reakcijska shema: RH + Cl 2 + SO 2 RSO 2 Cl + HCl Mehanizam reakcije: 1. Cl Cl 2 Cl 2. RH + Cl R + HCl R + SO 2 RSO 2 + Cl 2 RSO 2 Cl + Cl itd. 3 2 Cl Cl 2 itd.

Reakcija D. P. Konovalova Nitracija po Konovalovu se provodi djelovanjem razrijeđene dušične kiseline na temperaturi od 140 o. C. Shema reakcije: RH + HNO 3 RNO 2 + H 2 O

Mehanizam Konovalove reakcije 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 itd. 3 .Otvoreni krug.

Alkeni su nezasićeni ugljikovodici s jednom vezom C=C Cn. H 2 n C \u003d C - funkcionalna skupina alkena

Kemijska svojstva alkena Opće karakteristike Alkeni su reaktivna klasa spojeva. Ulaze u brojne reakcije, od kojih je većina posljedica kidanja manje jake pi veze. E S-S (σ-) ~ 350 KJ/mol E S=S (-) ~ 260 KJ/mol

Karakteristične reakcije Zbrajanje je najkarakterističnija vrsta reakcija. Dvostruka veza je donor elektrona, pa ima tendenciju da dodaje: E - elektrofile, katione ili radikale

Primjeri reakcija elektrofilne adicije 1. Adicija halogena - Ne dodaju se svi halogeni, već samo klor i brom! – Polarizacija neutralne molekule halogena može nastati pod djelovanjem polarnog otapala ili pod djelovanjem dvostruke veze alkena. Crveno-smeđa otopina broma postaje bezbojna

Reakcije elektrofilnog dodavanja odvijaju se na sobnoj temperaturi i ne zahtijevaju osvjetljavanje. Ionski mehanizam. Shema reakcije: XY \u003d Cl 2, Br 2, HCl, HBr, HI, H 2 O

Sigma kompleks je karbokation – čestica s pozitivnim nabojem na atomu ugljika. Ako su u reakcijskom mediju prisutni i drugi anioni, oni se također mogu vezati na karbokation.

Na primjer, dodavanje broma otopljenog u vodi. Ova kvalitativna reakcija za dvostruku vezu C=C nastavlja se dekolorizacijom otopine broma i stvaranjem dvaju proizvoda:

Dodatak nesimetričnim alkenima Regioselektivnost adicije! Markovnikovo pravilo (1869): kiseline i voda dodaju se nesimetričnim alkenima na način da se vodik veže na hidrogeniraniji ugljikov atom.

Markovnikov Vladimir Vasiljevič (1837. - 1904.) Diplomirao je na Kazanskom sveučilištu. Od 1869. - profesor kemijskog odjela. Osnivač znanstvene škole. Riža. Izvor: http: //images. yandex. ru.

Objašnjenje Markovnikovljeva pravila Reakcija se odvija kroz nastanak najstabilnije međučestice - karbokationa. primarni sekundarni, stabilniji

Niz stabilnosti karbokationa: tercijarni sekundarni primarni metil Markovnikovovo pravilo u modernoj formulaciji: dodavanje protona alkenu događa se s stvaranjem stabilnijeg karbokationa.

Anti-Markovnikov adicija CF 3 -CH=CH 2 + HBr CF 3 -CH 2 Br Formalno, reakcija je protiv Markovnikova pravila. CF 3 - supstituent za povlačenje elektrona Ostala sredstva za povlačenje elektrona: NO 2, SO 3 H, COOH, halogeni itd.

Anti-Markovnikov dodatak stabilniji nestabilni CF 3 - akceptor elektrona, destabilizira karbokation Reakcija je samo formalno protiv Markovnikova pravila. Zapravo, posluša, jer prolazi kroz stabilniji karbokat.

Harash peroksidni učinak X CH 3 -CH \u003d CH 2 + HBr CH 3 -CH 2 Br X \u003d O 2, H 2 O 2, ROOR Mehanizam slobodnih radikala: 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 je stabilniji radikal CH 3 -CH -CH 2 Br + HBr CH 3 -CH 2 Br + Br, itd. 3. Bilo koji dva su radikala povezana između vas.

Elektrofilna adicija 3. Hidratacija - dodavanje vode - Reakcija se odvija u prisutnosti kiselih katalizatora, najčešće je sumporna kiselina. Reakcija se pokorava Markovnikovovu pravilu. Jeftin način za nabavku alkohola

Na ispitu akademik Ivan Aleksejevič Kablukov traži od studenta da kaže kako se vodik dobiva u laboratoriju. “Merkur”, odgovara. “Kako je “od žive”? ! Obično kažu "od cinka", ali od žive - ovo je nešto originalno. Napišite reakciju. Učenik piše: Hg \u003d H + g I kaže: „Živa se zagrijava; raspada se na H i g. H je vodik, lagan je i stoga odleti, a g je ubrzanje gravitacije, teško, ostaje. "Za takav odgovor morate staviti" pet", kaže Kablukov. - Zabilježimo. Samo "peticu" također ću prvo zagrijati. "Tri" odleti, a "dva" ostane.

Dva kemičara u laboratoriju: - Vasya, stavi ruku u ovu čašu. - Ispustio sam ga. - Osjećaš li što? - Ne. - Dakle, sumporna kiselina u drugoj čaši.

Aromatični ugljikovodici Aromatični - mirisni? ? Aromatični spojevi su benzen i tvari koje mu podsjećaju po kemijskom ponašanju!

Mnoge reakcije supstitucije otvaraju put za dobivanje raznih spojeva koji imaju ekonomsku primjenu. Veliku ulogu u kemijskoj znanosti i industriji ima elektrofilna i nukleofilna supstitucija. U organskoj sintezi ti procesi imaju niz značajki koje treba uzeti u obzir.

razne kemijske pojave. Reakcije supstitucije

Kemijske promjene povezane s transformacijama tvari razlikuju se po nizu značajki. Konačni rezultati, toplinski učinci mogu biti različiti; neki procesi idu do kraja, u drugima promjena tvari često je popraćena povećanjem ili smanjenjem stupnja oksidacije. Prilikom razvrstavanja kemijskih pojava prema njihovom krajnjem rezultatu, pozornost se posvećuje kvalitativnim i kvantitativnim razlikama između reaktanata i proizvoda. Prema ovim značajkama može se razlikovati 7 vrsta kemijskih transformacija, uključujući supstituciju, prema shemi: A-B + C A-C + B. Pojednostavljeni zapis cijele klase kemijskih pojava daje ideju da među polaznim tvarima postoji tzv. -nazvana "čestica koja zamjenjuje atom, ion ili funkcionalnu skupinu u reagensu. Reakcija supstitucije tipična je za ograničavanje i

Reakcije supstitucije mogu se dogoditi u obliku dvostruke izmjene: A-B + C-E A-C + B-E. Jedna od podvrsta je pomicanje, na primjer, bakra željezom iz otopine bakrenog sulfata: CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu. Atomi, ioni ili funkcionalne skupine mogu djelovati kao "napadajuće" čestice

Supstitucijski homolitički (radikal, SR)

S radikalnim mehanizmom za razbijanje kovalentnih veza, par elektrona zajednički različitim elementima proporcionalno je raspoređen među "fragmentima" molekule. Nastaju slobodni radikali. To su nestabilne čestice, čija stabilizacija nastaje kao rezultat naknadnih transformacija. Na primjer, kada se etan dobije iz metana, pojavljuju se slobodni radikali koji sudjeluju u reakciji supstitucije: CH 4 CH 3. + .H; CH 3 . + .CH3 → C2H5; H. + .H → H2. Raskid homolitičke veze prema zadanom supstitucijskom mehanizmu je lančane prirode. U metanu se atomi H mogu sukcesivno zamijeniti klorom. Reakcija s bromom teče slično, ali jod nije u stanju izravno zamijeniti vodik u alkanima, fluor s njima reagira previše energično.

Metoda heterolitičkog cijepanja

Ionskim mehanizmom supstitucijskih reakcija elektroni su neravnomjerno raspoređeni među novonastalim česticama. Vezni par elektrona ide u potpunosti na jedan od "fragmenata", najčešće na onaj partner veze, prema kojemu je pomaknuta negativna gustoća u polarnoj molekuli. Reakcije supstitucije uključuju stvaranje metilnog alkohola CH 3 OH. U bromometanu CH3Br, cijepanje molekule je heterolitično, a nabijene čestice su stabilne. Metil poprima pozitivan naboj, a brom negativan: CH 3 Br → CH 3 + + Br - ; NaOH → Na + + OH - ; CH3 + + OH - → CH3OH; Na + + Br - ↔ NaBr.

Elektrofili i nukleofili

Čestice kojima nedostaju elektroni i mogu ih prihvatiti nazivaju se "elektrofili". To uključuje atome ugljika vezane za halogene u haloalkanima. Nukleofili imaju povećanu gustoću elektrona, oni "doniraju" par elektrona prilikom stvaranja kovalentne veze. U reakcijama supstitucije, nukleofile bogate negativnim nabojem napadaju elektrofili koji gladuju. Ovaj fenomen je povezan s pomicanjem atoma ili druge čestice – odlazeće skupine. Druga vrsta supstitucijske reakcije je napad elektrofila nukleofilom. Ponekad je teško razlikovati dva procesa, pripisati supstituciju jednoj ili drugoj vrsti, budući da je teško točno odrediti koja je od molekula supstrat, a koja reagens. Obično se u takvim slučajevima uzimaju u obzir sljedeći čimbenici:

• priroda grupe koja odlazi;
• nukleofilna reaktivnost;
• priroda otapala;
• struktura alkilnog dijela.

Supstitucijski nukleofilni (SN)

U procesu interakcije u organskoj molekuli uočava se povećanje polarizacije. U jednadžbama je djelomični pozitivan ili negativan naboj označen slovom grčke abecede. Polarizacija veze omogućuje prosuđivanje prirode njezina pucanja i daljnjeg ponašanja "fragmenata" molekule. Na primjer, atom ugljika u jodometanu ima djelomični pozitivan naboj i elektrofilno je središte. Privlači onaj dio vodenog dipola gdje se nalazi kisik koji ima višak elektrona. Kada elektrofil stupi u interakciju s nukleofilnim reagensom, nastaje metanol: CH 3 I + H 2 O → CH 3 OH + HI. Reakcije nukleofilne supstitucije odvijaju se uz sudjelovanje negativno nabijenog iona ili molekule koja ima slobodni elektronski par koji nije uključen u stvaranje kemijske veze. Aktivno sudjelovanje jodometana u SN 2 reakcijama objašnjava se njegovom otvorenošću za nukleofilni napad i mobilnošću joda.

Elektrofilna supstitucija (SE)

Organska molekula može sadržavati nukleofilni centar, koji je karakteriziran viškom gustoće elektrona. Reagira s elektrofilnim reagensom koji nema negativne naboje. Takve čestice uključuju atome sa slobodnim orbitalama, molekule s područjima niske gustoće elektrona. U ugljiku, koji ima "-" naboj, stupa u interakciju s pozitivnim dijelom vodenog dipola - s vodikom: CH 3 Na + H 2 O → CH 4 + NaOH. Produkt ove reakcije elektrofilne supstitucije je metan. U heterolitičkim reakcijama međusobno djeluju suprotno nabijeni centri organskih molekula, što ih čini sličnima ionima u kemiji anorganskih tvari. Ne treba zanemariti da transformaciju organskih spojeva rijetko prati stvaranje pravih kationa i aniona.

Monomolekularne i bimolekularne reakcije

Nukleofilna supstitucija je monomolekularna (SN1). Hidroliza važnog produkta organske sinteze, tercijarnog butil klorida, odvija se prema ovom mehanizmu. Prva faza je spora, povezana je s postupnom disocijacijom na karbonijev kation i kloridni anion. Druga faza je brža, karbonijev ion reagira s vodom. supstitucija halogena u alkanu za hidroksi skupinu i dobivanje primarnog alkohola: (CH 3) 3 C-Cl → (CH 3) 3 C + + Cl - ; (CH 3) 3 C + + H 2 O → (CH 3) 3 C-OH + H +. Jednostupanjska hidroliza primarnih i sekundarnih alkil halogenida karakterizirana je istodobnim uništavanjem ugljikove veze s halogenom i stvaranjem para C–OH. Ovo je mehanizam nukleofilne bimolekularne supstitucije (SN2).

Heterolitički supstitucijski mehanizam

Mehanizam supstitucije povezan je s prijenosom elektrona, stvaranjem međukompleksa. Reakcija se odvija brže, lakše je formirati međuproizvode karakteristične za nju. Često proces ide u nekoliko smjerova u isto vrijeme. Prednost se obično postiže načinom na koji se koriste čestice koje zahtijevaju najmanje energetske troškove za njihovo stvaranje. Na primjer, prisutnost dvostruke veze povećava vjerojatnost pojave alil kationa CH2=CH—CH 2 + , u usporedbi s ionom CH 3 + . Razlog leži u gustoći elektrona višestruke veze, što utječe na delokalizaciju pozitivnog naboja raspršenog po molekuli.

Reakcije supstitucije benzena

Grupa za koju je karakteristična elektrofilna supstitucija su arene. Benzinski prsten je pogodna meta za elektrofilni napad. Proces počinje polarizacijom veze u drugom reaktantu, što rezultira stvaranjem elektrofila u blizini elektronskog oblaka benzenskog prstena. Rezultat je prijelazni kompleks. Još uvijek nema punopravne veze elektrofilne čestice s jednim od atoma ugljika, privlači je cijeli negativni naboj "aromatične šestice" elektrona. U trećoj fazi procesa, elektrofil i jedan atom ugljika prstena povezani su zajedničkim parom elektrona (kovalentna veza). Ali u ovom slučaju uništava se "aromatična šestica", što je nepovoljno sa stajališta postizanja stabilnog održivog energetskog stanja. Postoji fenomen koji se može nazvati "izbacivanjem protona". Dolazi do cijepanja H + , obnavlja se stabilan sustav veza, karakterističan za arene. Nusproizvod sadrži vodikov kation iz benzenskog prstena i anion iz sastava drugog reagensa.

Primjeri supstitucijskih reakcija iz organske kemije

Za alkane je reakcija supstitucije posebno karakteristična. Primjeri elektrofilnih i nukleofilnih transformacija mogu se dati za cikloalkane i arene. Slične reakcije u molekulama organskih tvari odvijaju se u normalnim uvjetima, ali češće pri zagrijavanju i u prisutnosti katalizatora. Elektrofilna supstitucija u aromatskoj jezgri jedan je od raširenih i dobro proučavanih procesa. Najvažnije reakcije ove vrste su:

1. Nitracija benzena u prisutnosti H 2 SO 4 - ide prema shemi: C 6 H 6 → C 6 H 5 -NO 2.
2. Katalitičko halogeniranje benzena, posebno kloriranje, prema jednadžbi: C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.
3. Aromatični nastavlja s "dimnjom" sumpornom kiselinom, nastaju benzensulfonske kiseline.
4. Alkilacija je zamjena atoma vodika iz benzenskog prstena alkilom.
5. Acilacija je stvaranje ketona.
6. Formilacija je zamjena vodika s CHO skupinom i stvaranje aldehida.

Reakcije supstitucije uključuju reakcije u alkanima i cikloalkanima, u kojima halogeni napadaju dostupnu C-H vezu. Priprava derivata može biti povezana sa supstitucijom jednog, dva ili svih atoma vodika u zasićenim ugljikovodicima i cikloparafinima. Mnogi haloalkani male molekularne težine nalaze se u proizvodnji složenijih tvari koje pripadaju različitim klasama. Napredak postignut u proučavanju mehanizama supstitucijskih reakcija dao je snažan poticaj razvoju sinteza na bazi alkana, cikloparafina, arena i halogenih derivata ugljikovodika.

Vrste kemijskih reakcija u anorganskoj i organskoj kemiji.

1. Kemijska reakcija je proces u kojem iz jedne tvari nastaju druge tvari. Ovisno o prirodi procesa, razlikuju se vrste kemijskih reakcija.

1) Prema konačnom rezultatu

2) Na temelju oslobađanja ili apsorpcije topline

3) Na temelju reverzibilnosti reakcije

4) Na temelju promjene stupnja oksidacije atoma koji čine reaktante

Prema konačnom rezultatu, reakcije su sljedeće vrste:

A) Supstitucija: RH+Cl 2 → RCl+HCl

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

C) Cijepanje: CH 3 -CH 2 OH → CH 2 \u003d CH 2 + H 2 O

D) Razgradnja: CH 4 → C + 2H 2

D) Izomerizacija

E) Razmjena

G) Veze

Reakcija razgradnje Proces u kojem se iz jedne tvari formiraju dvije ili više drugih tvari.

Reakcija razmjene naziva se proces u kojem reaktanti izmjenjuju sastojke.

Reakcije supstitucije nastaju uz sudjelovanje jednostavnih i složenih tvari, kao rezultat toga nastaju nove jednostavne i složene tvari.

Kao rezultat složene reakcije jedna nova tvar nastaje od dvije ili više tvari.

Na temelju oslobađanja ili apsorpcije topline reakcije, razlikuju se sljedeće vrste:

A) egzotermna

B) Endotermni

Egzotermno - To su reakcije koje oslobađaju toplinu.

Endotermički su reakcije koje apsorbiraju toplinu iz okoline.

Na temelju reverzibilnosti, reakcije su sljedeće vrste:

A) reverzibilan

B) nepovratan

Reakcije koje se odvijaju samo u jednom smjeru i završavaju potpunom pretvorbom početnih reaktanata u konačne tvari nazivaju se nepovratan.

reverzibilan Reakcije se nazivaju one koje se istodobno odvijaju u dva međusobno suprotna smjera.

Na temelju promjene oksidacijskog stanja atoma koji čine reaktante, reakcije su sljedeće vrste:

A) redoks

Reakcije koje se javljaju s promjenom oksidacijskog stanja atoma (u kojima se elektroni prenose s jednih atoma, molekula ili iona na druge) nazivaju se redoks.

2. Prema mehanizmu reakcije dijele se na ionske i radikalne.

Ionske reakcije- interakcija između iona kao rezultat heterolitičkog puknuća kemijske veze (par elektrona u potpunosti prelazi na jedan od "fragmenata").

Ionske reakcije su dvije vrste (prema vrsti reagensa):

A) elektrofilni – tijekom reakcije s elektrofilom.

elektrofil- grupa koja ima slobodne orbitale za neke atome, ili centre sa smanjenom gustoćom elektrona (na primjer: H +, Cl - ili AlCl 3)

B) Nukleofilni - u tijeku interakcije s nukleofilom

nukleofil - negativno nabijeni ion ili molekula s nepodijeljenim elektronskim parom (trenutno ne sudjeluje u stvaranju kemijske veze).

(Primjeri: F - , Cl - , RO - , I -).

Pravi kemijski procesi, samo u rijetkim slučajevima, mogu se opisati jednostavnim mehanizmima. Detaljno ispitivanje kemijskih procesa s molekularne kinetičke točke gledišta pokazuje da se većina njih odvija kroz radikalni lančani mehanizam, a značajka lančanih p-cija je stvaranje slobodnih radikala u srednjim fazama (nestabilni fragmenti molekula ili atoma s kratak vijek trajanja, svi imaju besplatne veze.

Procesi izgaranja, eksplozije, oksidacije, fotokemijske reakcije, biokemijske reakcije u živim organizmima odvijaju se prema lančanom mehanizmu.

Lančani okrugi imaju nekoliko faza:

1) nukleacija lanca - faza lančane p-cije, uslijed koje nastaju slobodni radikali iz molekula zasićenih valentnošću.

2) nastavak lanca - faza lanca p-cije, nastavljajući s očuvanjem ukupnog broja slobodnih faza.

3) lomljenje lanca - elementarna faza lanaca p-cije koja dovodi do nestanka slobodnih veza.

Postoje razgranate i nerazgranate lančane reakcije.

Jedan od najvažnijih koncepata lanca je dužina lanca- prosječan broj elementarnih faza nastavka lanca nakon pojave slobodnog radikala do njegovog nestanka.

Primjer: Sinteza klorovodika

1) m-la CL 2 apsorbira kvant energije i sliku 2 radikala: CL 2 + hv \u003d CL * + CL *

2) aktivna čestica se kombinira s m-molekulom H 2 tvoreći klorovodičnu kiselinu i aktivnu česticu H 2: CL 1 + H 2 \u003d HCL + H *

3)CL 1 +H 2 =HCL+CL * itd.

6) H * + CL * \u003d HCL - otvoreni krug.

Razgranati mehanizam:

F * + H 2 \u003d HF + H *, itd.

F * + H 2 \u003d HF + H *, itd.

U vodi je teže – nastaju OH*, O* i H* radikali.

Reakcije koje se javljaju pod utjecajem ionizirajućeg zračenja: X-zrake, katodne zrake i tako dalje - naziva radiokemijskim.

Kao rezultat interakcije molekula sa zračenjem, uočava se raspadanje molekula s stvaranjem najreaktivnijih čestica.

Takve reakcije doprinose rekombinaciji čestica i stvaranju tvari s njihovim različitim kombinacijama.

Primjer je hidrazin N 2 H 4 - komponenta raketnog goriva. Nedavno su se pokušali dobiti hidrazin iz amonijaka kao rezultat izlaganja γ-zrakama:

NH 3 → NH 2 * + H *

2NH 2 * → N 2 H 4

Radiokemijske reakcije, poput radiolize vode, važne su za vitalnu aktivnost organizama.

Književnost:

1. Ahmetov, N.S. Opća i anorganska kemija / N.S. Ahmetov. - 3. izd. - M .: Viša škola, 2000. - 743 str.

1. Korovin N.V. Opća kemija / N.V. Korovin. - M.: Viša škola, 2006. - 557 str.
2. Kuzmenko N.E. Kratki tečaj kemije / N.E. Kuzmenko, V.V. Eremin, V.A. Popkov. - M.: Viša škola, 2002. - 415 str.
3. Zaitsev, O.S. Opća kemija. Struktura tvari i kemijske reakcije / O.S. Zaytsev. – M.: Kemija, 1990.
4. Karapetyants, M.Kh. Struktura materije / M.Kh. Karapetjanc, S. I. Drakin. - M .: Viša škola, 1981.
5. Cotton F. Osnove anorganske kemije / F. Cotton, J. Wilkinson. – M.: Mir, 1981.
6. Ugay, Ya.A. Opća i anorganska kemija / Ya.A.Ugai. - M .: Viša škola, 1997.