Meccanismi di reazioni chimiche in chimica organica. Tipi di reazioni chimiche in chimica organica - Ipermercato della conoscenza

>> Chimica: Tipi di reazioni chimiche in chimica organica

Le reazioni delle sostanze organiche possono essere formalmente suddivise in quattro tipi principali: sostituzione, addizione, eliminazione (eliminazione) e riarrangiamento (isomerizzazione). È ovvio che l'intera varietà delle reazioni dei composti organici non può essere ridotta al quadro della classificazione proposta (ad esempio, reazioni di combustione). Tuttavia, una tale classificazione aiuterà a stabilire analogie con le classificazioni delle reazioni che hanno luogo tra sostanze inorganiche già familiari dal corso di chimica inorganica.

Di norma, il principale composto organico che partecipa alla reazione è chiamato substrato e l'altro componente della reazione è condizionatamente considerato un reagente.

Reazioni di sostituzione

Le reazioni che provocano la sostituzione di un atomo o gruppo di atomi nella molecola originale (substrato) con altri atomi o gruppi di atomi sono chiamate reazioni di sostituzione.

Le reazioni di sostituzione coinvolgono composti saturi e aromatici, come ad esempio alcani, cicloalcani o areni.

Diamo esempi di tali reazioni.

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Classificazione e
meccanismi
reazioni organiche

Piano
4.1. Classificazione organica
reazioni
4.2. Classificazione dei reagenti
4.3 Reazioni
(SR)
radicale
sostituzione
4.4 Reazioni di addizione elettrofila (AE)

4.1 Classificazione delle reazioni organiche

4.1 Classificazione
reazioni organiche
in direzione
per molecolarità
Reazioni di sostituzione S
Reazioni di addizione A
Reazioni di eliminazione
e
Molecolare
riarrangiamenti
Monomolecolare
Bimolecolare
Trimolecolare

Secondo il metodo di rompere e formare legami

eterolitico
(ionico)
* elettrofilo
* nucleofilo
Omolitico
(radicale)
Molecolare

Schema di rottura dei legami chimici

A:B
+
A:
.
.
MA
A:B
eterolitico
R: B
g ohm litico
A+B
felice ikala
+
+ V:
MA
e ioni associati

Schema della formazione di legami chimici

+
MA
.
+ V:
A+B
.
MA
A
eterolitico
MA
A
omolitico.

reazioni eterolitiche
chiamato ionico perché
sono accompagnati
la formazione di organico
gli ioni fluiscono dentro
solventi organici
Reazioni omolitiche
fluiscono prevalentemente in
fase gassosa

Reazioni eterolitiche in
dipendenza dall'elettronica
la natura della particella attaccante
suddiviso in nucleofili (simbolo
N) ed elettrofila (simbolo E).
Allo stesso tempo, si presume convenzionalmente
una delle particelle interagenti
reagente e l'altro substrato
su cui agisce il reagente

Un substrato è una molecola che
fornisce un atomo di carbonio
formazione di una nuova connessione
tipo di reazione (nucleofila
o elettrofila) è determinata dalla natura del reagente

Reagente con solitario
coppia di elettroni,
interagire con
substrato che ha
mancanza di elettroni
detto "nucleofilo"
(amare, cercare il nucleo), e
reazioni nucleofile

Reagente con deficit elettronico,
interagire con
un substrato con un eccesso di elettroni
chiamata
"elettrofilo" e
reazione elettrofila

nucleofila e
le reazioni elettrofile sono sempre
interconnesso
reazioni accompagnate da
simultaneo
divario (consensuale) e
si chiama legame
molecolare (sincrono,
concordato)

sintesi del diene

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

4.2. Classificazione dei reagenti

4.2. Classificazione dei reagenti
Ai reagenti nucleofili
includere le molecole che contengono
uno o più non condivisi
coppie di elettroni; ioni che trasportano
carica negativa (anioni);
molecole con centri
maggiore densità

Reagenti nucleofili

molecole neutre,
avere coppie solitarie
elettroni:
..
..
..
..
NH3; R - NH2; R2 - NH; R3N;
..
H2O;
..
..
R-OH;
..
..
;
RO
R
..
anioni:
OH-; CN-; NH2-; RCOO-; RS-; Cl-;
Br-; IO-; HSO3-;

Reagenti nucleofili

connessioni,
contenenti centri con
aumento della densità elettronica:
C
C
;
C
C
;

Reagenti elettrofili

molecole neutre,
avendo un orbitale libero:
SO3, acidi di Lewis (AlCl3,
SnCl4, FeBr3, BF3)
cationi: protone (H+), ioni
metalli (Uomini+), SO3H+, NO2+, NO+

molecole,
avendo
centri
insieme a
densità elettronica ridotta:
derivati ​​alogeni di idrocarburi Rδ+-
Halδ-, alogeni (Cl2, Br2, I2), composti con
gruppo carbonile:
R
C
o
;
H
R
C
o
;
R1
R
C
o
; R
Oh
C
o
;
O

Nelle reazioni di chimica organica,
di solito si svolgono in
più fasi, cioè insieme a
la formazione dell'intermedio
particelle di breve durata
(intermedi): carbocationi,
carbanioni, radicali

Carbocationi - positivo
particelle cariche, atomo
positivo al carbonio
la carica è in sp2 -
ibridazione.
Atomo di carbonio con acquisizione
variazioni di carica positiva
il suo stato di valenza da sp3 a
sp2, che è energeticamente di più
redditizio.

Una caratteristica importante
carbocations è il loro
sostenibilità, che
determinato dal grado
delocalizzazione
Carica positiva

Stabilità del carbocatione
cade nella riga:
terziario
atomo C
>
secondario
atomo C
>
primario
atomo C

Stabilità del carbocatione

+
CH3 CH3
m etilio
catione
+
CH2
etilio
catione
CH3
CH3
+
CH
isopropilio
catione
CH3
CH3
MAGGIORE STABILITÀ
+
C
CH3
tertbutilio
catione

Carbanioni - negativo
particelle cariche, carica
che è dovuto alla loro presenza
struttura dell'atomo C con un solitario
coppia elettronica. Allo stesso tempo, l'atomo
cuscinetto di carbonio negativo
carica, può essere sia in sp2 che
nell'ibridazione sp3

La stabilità dei carbanioni dipende
grado di delocalizzazione del negativo
carica sull'atomo di carbonio. Di lei
maggiore, maggiore è la loro stabilità e il
abbassare la loro reattività.
Il ciclico più stabile
carbanioni, nella cui struttura
esiste un comune π-elettrone
densità, compreso
4n+2 π-elettroni

anione ciclopentadienilico

Radicali liberi - qualsiasi
elettricamente neutro attivo
contenente particelle
orbitale a un elettrone.
I radicali liberi possono
essere assegnato particelle,
contenente un elettrone spaiato
non solo sull'atomo di carbonio (C ), ma
e su altri atomi: R2N· ; RO

4.3. Reazioni di sostituzione radicale (SR)

4.3. Reazioni del radicale
sostituzione (RS)
Le reazioni SR sono caratteristiche di
composti di alifatico e
serie aliciclica. come
di regola, scorrono
meccanismo a catena, il principale
le cui fasi sono:
iniziazione, sviluppo (crescita
catena) e circuito aperto.

Nella fase di iniziazione
si formano i radicali liberi
avviare una catena
processi
I radicali liberi possono
si verificano a causa del calore
o fotochimico
iniziazione, così come
come risultato di reazioni OB

Reazioni di sostituzione radicale (SR)

R-H+A-A
substrato
reagente
h
RA+HA
Prodotto
reazioni

meccanismo di reazione
sostituzione radicale (SR)
1. Iniziazione
AA
h
.
2A

2. Sviluppo della catena

.
UN
.
+R-H
R+A-A
.
R
+AH
RA+
.
UN

3. Circuito aperto
.
R
.
UN
.
UN
+
.
R
R-R
+
.
R
RA
+
.
UN
AA

La facilità di distacco dell'atomo H dall'atomo di carbonio rientra nella serie degli idrocarburi

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

I radicali del bromo (Br˙) hanno
alta selettività: se
molecola ha un secondario, e
in particolare l'atomo di carbonio terziario,
quindi la bromurazione è prevalentemente
va al terziario (secondario)
atomo di carbonio. Tali reazioni
chiamato regioselettivo
(selettivo per luogo
azioni) reazioni

Bromurazione degli alcani (reazioni regioselettive)

H3C
CH
H
CH3 + Br2
h
H3C
CH
CH3 + HBr
fr
2-bromopropano

meccanismo di reazione
bromurazione degli alcani
1. Iniziazione
Br2
h
.
2Br

2. Sviluppo della catena
.
Br + H3C
CH
CH3
H3C
.
CH
CH3 + HBr
H
Br2 + H3C
.
CH
CH3
H3C
CH
fr
.
CH3 + fr

3. Circuito aperto
.
.
H3C
CH3 + fr
CH
H3C
CH
CH3
fr
.
fr
H3C
.
Br2
+Br
.
.
CH+H3C
CH
CH3
CH3
H3C
CH
CH
CH3
CH3
2,3-dim etilbutano
CH3

4.4. Reazioni di addizione elettrofila

Addizione elettrofila (AE)
caratteristica dei sistemi insaturi,
contenenti doppi o tripli legami.
La natura nucleofila di questi
composti per la presenza di un legame π,
che è un'area con
aumento della densità elettronica,
è polarizzabile e facilmente
si rompe sotto
reagenti elettrofili

Meccanismo di reazione AE

+ X
C=C
substrato
Y
reagente
X
C
+
C
-complesso
+Y
C=C
X
Y
-complesso
X
C
C
Y

Alogenazione

H
H
C=C
H
+Br
fr
H
H
C=C
H
H
fr
fr
CH2
H2C
+
fr
bromo di onio
catione
+Br
H2C
CH2
fr
1,2-d ibromo etano
H
fr

idrogenazione
H
C=C
+ H2
t, Kt
C
C
H
Idroalogenazione
cl
C=C
+ HCl
C
H
C

Idratazione
Oh
C=C
+HOH
H
+
C
H
C

La regola di Markovnikov:
quando si interagisce
Reagenti di tipo HX con
asimmetrico
alcheni, idrogeno
si unisce
maggior parte
Vladimir idrogenato
Markovnikov
atomo di carbonio
(1837 – 1904)

Idroalogenazione degli alcheni
La regola di Morkovnikov
CH3 CH = CH2 + HCl
CH3
CH
cl
2-cloropropano
CH3

meccanismo di reazione
idroalogenazione
CH3
CH3
+
+
CH
CH3
CH2
+
CH2
CH = CH2 + H
CH3
CH3
CH
cl
CH3
+Cl
-

Schema di reazione di idratazione degli alcheni

Schema della reazione di idratazione
alcheni
+
H2C = CH2 + H2O
H
H3C
CH2
Oh
etanolo

Meccanismo di reazione di idratazione
alcheni
..
+
+HOH
..
+
H C = CH + H
H C CH
2
2
H3C
3
CH2
+
o
H
+
-H
Restituzione
catalizzatore
H
catione ossonio
2
H3C
CH2
Oh

regola classica
Markovnikova è perfetta
applicabile solo a
alcheni, nel caso del loro
derivati ​​necessari
tenere conto del meccanismo
reazioni e stabilità
intermedi formati

Meccanismo di reazione di idratazione degli acidi carbossilici insaturi contro la regola di Morkovnikov

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 ritorno
catalizzatore
Oh
Oh
-idrossiacido

Questo tipo di idratazione in
vivo fa parte del processo
β-ossidazione di insaturi
acidi grassi nel corpo

Sistemi correlati
(alcadieni)
termodinamicamente il massimo
stabile, così spesso
si trovano in natura.
Reazioni di AE con tali dieni
procedere con la formazione di due
prodotti
1,4 e 1,2 allegati

Reazioni AE nella serie degli alcadieni

1, 4
H2C=CH
CH = CH2 + HCl
H3C
CH=CH
CH2Cl
1-clorobutene-2
1, 2
H3C
CH
cl
3-clorobutene-1
CH=CH2

Reazioni AE nella serie degli alcadieni Meccanismo di reazione

+
H3C
H2C=CH
CH = CH2 + H+
H3C Meccanismo di reazione di idratazione
derivati ​​dell'acetilene
H3C
C
+
CH+H
H3C
+
C=CH2
..
+HOH
..

Meccanismo di reazione di idratazione
derivati ​​dell'acetilene
H3C
C=CH2
+
o
H
-H+
H3C
C=CH2
Oh
H

Classificazione delle reazioni In base al numero di sostanze iniziali e finali: 1. Adesione 2. Eliminazione (eliminazione) 3. Sostituzione

Classificazione delle reazioni Secondo il meccanismo di rottura del legame: 1. Radicali omolitici (radicali) 2. Ioni eterolitici (ionici)

Meccanismo di reazione Meccanismo: una descrizione dettagliata di una reazione chimica per fasi, che indica prodotti intermedi e particelle. Schema di reazione: Meccanismo di reazione:

Classificazione delle reazioni in base al tipo di reagenti 1. Radicale Un radicale è una particella chimicamente attiva con un elettrone spaiato. 2. Elettrofilo Un elettrofilo è una particella o una molecola carente di elettroni con un atomo carente di elettroni. 3. Nucleofilo Un nucleofilo è un anione o una molecola neutra che ha un atomo con una coppia di elettroni non condivisa.

Tipi di legami chimici nelle sostanze organiche Il principale tipo di legame è covalente (ionico è meno comune) Sigma bond (σ-): legame Pi (-)

ALKANE - idrocarburi alifatici (grassi) "Alifatos" - olio, grasso (greco). Cn. H 2 n+2 Limite, idrocarburi saturi

Serie omologhe: CH 4 - metano C 2 H 6 - etano C 3 H 8 - propano C 4 H 10 - butano C 5 H 12 - pentano, ecc. C 6 H 14 - esano C 7 H 16 - eptano C 8 H 18 - ottano C 9 H 20 - nonano C 10 H 22 - decano e C 390 H 782 - noncontattanico (1985)

Modello orbitale atomico della molecola di metano Nella molecola di metano, l'atomo di carbonio non ha più orbitali S e P! I suoi 4 orbitali ibridi SP 3, che sono equivalenti per energia e forma, formano 4 legami con gli orbitali S dell'atomo di idrogeno. H H 4 - legami

Reazione di nitrazione Konovalov Dmitry Petrovich (1856 -1928) 1880. Il primo tentativo riuscito di far rivivere i "morti chimici", che erano considerati alcani. Trovate le condizioni per la nitrazione degli alcani. Riso. Fonte: http: //immagini. yandex. ru.

Proprietà chimiche I. Reazioni con scissione dei legami C-H (reazioni di sostituzione): 1. alogenazione 2. nitrazione 3. sulfoclorurazione II. Reazioni con rottura dei legami C-C: 1. combustione 2. cracking 3. isomerizzazione

Come trovare un farmacista? Se vuoi trovare un farmacista, chiedi che cosa sono una talpa e non ionizzati. E se inizia a parlare di animali da pelliccia e di organizzazione del lavoro, vattene con calma. Scrittore di narrativa, divulgatore della scienza Isaac Asimov (1920–1992) Fig. Fonte: http: //immagini. yandex. ru.

1. Reazione di alogenazione Clorurazione: RH + Cl 2 hv RCl + HCl Bromurazione: RH + Br 2 hv RBr + HBr Ad esempio clorurazione del metano: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl

Stadi del meccanismo dei radicali liberi Schema di reazione: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl Meccanismo di reazione: I. Inizio della catena - lo stadio di generazione dei radicali liberi. Cl Cl 2 Cl Il radicale è una particella attiva, l'iniziatore della reazione. – – Il palcoscenico richiede energia sotto forma di riscaldamento o illuminazione. I passaggi successivi possono procedere al buio, senza riscaldamento.

Stadi del meccanismo dei radicali liberi II. La crescita della catena è la fase principale. CH 4 + Cl HCl + CH 3 + Cl 2 CH 3 Cl + Cl Lo stadio può comprendere diversi sottostadi, ognuno dei quali forma un nuovo radicale, ma non H !!! In II, lo stadio principale, si forma necessariamente il prodotto principale!

Stadi del meccanismo dei radicali liberi III. La terminazione della catena è la ricombinazione dei radicali. Cl + Cl Cl 2 Cl + CH 3 CH 3 Cl CH 3 + CH 3 CH 3 -CH 3 Due radicali qualsiasi si combinano.

Selettività di sostituzione Selettività - selettività. Regioselettività - selettività in una determinata area di reazioni. Ad esempio, selettività per alogenazione: 45% 3% Conclusione? 55% 97%

La selettività dell'alogenazione dipende dai seguenti fattori: Condizioni di reazione. A basse temperature è più selettivo. natura dell'alogeno. Più l'alogeno è attivo, meno selettiva sarà la reazione. F 2 reagisce molto vigorosamente, con la distruzione dei legami CC. I 2 non reagisce con gli alcani in queste condizioni. La struttura di un alcano.

Influenza della struttura dell'alcano sulla selettività di sostituzione. Se gli atomi di carbonio nell'alcano sono disuguali, la sostituzione per ciascuno di essi procede a una velocità diversa. Relativamente. velocità di reazione di sostituzione atomo H secondario atomo H terz. Clorazione di atomi di idrogeno 1 3, 9 5, 1 bromurazione 1 82 1600 Conclusione?

Il distacco di un atomo di idrogeno terziario richiede meno energia rispetto al distacco di un secondario e primario! Formula dell'alcano Risultato dell'omolisi 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

Direzione delle reazioni Qualsiasi reazione procede prevalentemente nella direzione della formazione di una particella intermedia più stabile!

Una particella intermedia nelle reazioni radicaliche è un radicale libero. Il radicale più stabile si forma più facilmente! Serie di stabilità radicale: R 3 C > R 2 CH > RCH 2 > CH 3 I gruppi alchilici presentano un effetto elettron-donatore, grazie al quale stabilizzano il radicale

Reazione di solfoclorurazione Schema di reazione: RH + Cl 2 + SO 2 RSO 2 Cl + HCl Meccanismo di reazione: 1. Cl Cl 2 Cl 2. RH + Cl R + HCl R + SO 2 RSO 2 + Cl 2 RSO 2 Cl + Cl etc 3 2 Cl Cl 2 ecc.

La reazione di D. P. Konovalov La nitrazione secondo Konovalov viene effettuata mediante l'azione dell'acido nitrico diluito a una temperatura di 140 o. C. Schema di reazione: RH + HNO 3 RNO 2 + H 2 O

Il meccanismo della reazione di Konovalov 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, ecc. 3. Circuito aperto.

Gli alcheni sono idrocarburi insaturi con un legame C=C Cn. H 2 n C \u003d C - gruppo funzionale di alcheni

Proprietà chimiche degli alcheni Caratteristiche generali Gli alcheni sono una classe di composti reattivi. Entrano in numerose reazioni, la maggior parte delle quali sono dovute alla rottura di un legame pi meno forte. Е С-С (σ-) ~ 350 KJ/mol Е С=С (-) ~ 260 KJ/mol

Reazioni caratteristiche L'addizione è il tipo più caratteristico di reazioni. Il doppio legame è un donatore di elettroni, quindi tende ad aggiungere: E - elettrofili, cationi o radicali

Esempi di reazioni di addizione elettrofila 1. Aggiunta di alogeni - Non vengono aggiunti tutti gli alogeni, ma solo cloro e bromo! – La polarizzazione di una molecola di alogeno neutro può avvenire sotto l'azione di un solvente polare o sotto l'azione del doppio legame di un alchene. La soluzione rosso-marrone di bromo diventa incolore

Addizione elettrofila Le reazioni procedono a temperatura ambiente e non richiedono illuminazione. Meccanismo ionico. Schema di reazione: XY \u003d Cl 2, Br 2, HCl, HBr, HI, H 2 O

Il complesso sigma è un carbocatione, una particella con una carica positiva sull'atomo di carbonio. Se nel mezzo di reazione sono presenti altri anioni, possono anche attaccarsi al carbocatione.

Ad esempio, l'aggiunta di bromo disciolto in acqua. Questa reazione qualitativa per un doppio legame C=C procede con la decolorazione della soluzione di bromo e la formazione di due prodotti:

Addizione ad alcheni asimmetrici Regioselettività dell'addizione! Regola di Markovnikov (1869): gli acidi e l'acqua vengono aggiunti agli alcheni asimmetrici in modo tale che l'idrogeno sia attaccato all'atomo di carbonio più idrogenato.

Markovnikov Vladimir Vasilievich (1837 - 1904) Laureato all'Università di Kazan. Dal 1869 - Professore del Dipartimento di Chimica. Fondatore della scuola scientifica. Riso. Fonte: http: //immagini. yandex. ru.

Spiegazione della regola di Markovnikov La reazione procede attraverso la formazione della particella intermedia più stabile: il carbocatione. primaria secondaria, più stabile

Serie di stabilità dei carbocationi: metil primario secondario terziario regola di Markovnikov nella formulazione moderna: l'aggiunta di un protone a un alchene avviene con la formazione di un carbocatione più stabile.

Addizione anti-Markovnikov CF 3 -CH=CH 2 + HBr CF 3 -CH 2 Br Formalmente, la reazione va contro la regola di Markovnikov. CF 3 - sostituente che ritira gli elettroni Altri agenti che ritirano gli elettroni: NO 2, SO 3 H, COOH, alogeni, ecc.

Addizione anti-Markovnikov più stabile instabile CF 3 - accettore di elettroni, destabilizza il carbocatione La reazione va contro la regola di Markovnikov solo formalmente. In effetti, obbedisce, poiché attraversa un carbocatione più stabile.

Effetto perossido di Harash X CH 3 -CH \u003d CH 2 + HBr CH 3 -CH 2 Br X \u003d O 2, H 2 O 2, ROOR Meccanismo dei radicali liberi: 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 è un radicale più stabile CH 3 -CH -CH 2 Br + HBr CH 3 -CH 2 Br + Br, ecc. 3. Qualsiasi due radicali sono collegati tra di voi.

Addizione elettrofila 3. Idratazione - aggiunta di acqua - La reazione procede in presenza di catalizzatori acidi, il più delle volte è acido solforico. La reazione obbedisce alla regola di Markovnikov. Modo economico per ottenere alcolici

All'esame, l'accademico Ivan Alekseevich Kablukov chiede allo studente di raccontare come si ottiene l'idrogeno in laboratorio. "Mercurio", risponde. “Com'è “dal mercurio”? ! Di solito si dice "da zinco", ma dal mercurio: questo è qualcosa di originale. Scrivi una reazione. Lo studente scrive: Hg \u003d H + g E dice: “Il mercurio è riscaldato; si decompone in H e g. H è idrogeno, è leggero e quindi vola via, e g è l'accelerazione di gravità, pesante, rimane. "Per una risposta del genere, devi mettere i" cinque ", afferma Kablukov. - Prendiamo nota. Solo i "cinque" mi riscalderò anche prima. "Tre" vola via e "due" rimane.

Due chimici in laboratorio: - Vasya, metti la mano in questo bicchiere. - Io lasciai cadere. - Senti qualcosa? - Non. - Quindi acido solforico in un altro bicchiere.

Idrocarburi aromatici Aromatico - profumato? ? I composti aromatici sono benzene e sostanze che gli somigliano nel comportamento chimico!

Molte reazioni di sostituzione aprono la strada all'ottenimento di una varietà di composti che hanno applicazioni economiche. Un ruolo enorme nella scienza e nell'industria chimica è dato alla sostituzione elettrofila e nucleofila. Nella sintesi organica, questi processi hanno una serie di caratteristiche che dovrebbero essere prese in considerazione.

varietà di fenomeni chimici. Reazioni di sostituzione

I cambiamenti chimici associati alle trasformazioni delle sostanze si distinguono per una serie di caratteristiche. I risultati finali, gli effetti termici possono essere diversi; alcuni processi vanno alla fine, in altri un cambiamento di sostanze è spesso accompagnato da un aumento o una diminuzione del grado di ossidazione. Quando si classificano i fenomeni chimici in base al loro risultato finale, si presta attenzione alle differenze qualitative e quantitative tra i reagenti ei prodotti. In base a queste caratteristiche si possono distinguere 7 tipi di trasformazioni chimiche, compresa la sostituzione, secondo lo schema: A-B + C A-C + B. Una registrazione semplificata di un'intera classe di fenomeni chimici dà l'idea che tra le sostanze di partenza vi sia una così -chiamato "una particella che sostituisce un atomo, uno ione o un gruppo funzionale in un reagente. La reazione di sostituzione è tipica per la limitazione e

Le reazioni di sostituzione possono avvenire sotto forma di doppio scambio: A-B + C-E A-C + B-E. Una delle sottospecie è lo spostamento, ad esempio, di rame con ferro da una soluzione di solfato di rame: CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu. Atomi, ioni o gruppi funzionali possono agire come particella “attaccante”.

Omolitico sostitutivo (radicale, SR)

Con un meccanismo radicale per rompere i legami covalenti, una coppia di elettroni comune a diversi elementi è distribuita proporzionalmente tra i "frammenti" della molecola. Si formano i radicali liberi. Si tratta di particelle instabili, la cui stabilizzazione avviene a seguito di successive trasformazioni. Ad esempio, quando si ottiene l'etano dal metano, compaiono i radicali liberi che partecipano alla reazione di sostituzione: CH 4 CH 3. + .H; CH 3 . + .CH 3 → C2H5; H. + .H → H2. La rottura del legame omolitico secondo il meccanismo di sostituzione dato è di natura a catena. Nel metano, gli atomi di H possono essere successivamente sostituiti dal cloro. La reazione con il bromo procede in modo simile, ma lo iodio non è in grado di sostituire direttamente l'idrogeno negli alcani, il fluoro reagisce troppo vigorosamente con loro.

Metodo di scissione eterolitica

Con il meccanismo ionico delle reazioni di sostituzione, gli elettroni sono distribuiti in modo non uniforme tra le particelle appena formate. La coppia di elettroni di legame va completamente a uno dei "frammenti", il più delle volte, a quel partner di legame, verso il quale è stata spostata la densità negativa nella molecola polare. Le reazioni di sostituzione includono la formazione di alcol metilico CH 3 OH. Nel bromometano CH3Br, la scissione della molecola è eterolitica e le particelle cariche sono stabili. Il metile acquisisce una carica positiva e il bromo ne acquisisce una negativa: CH 3 Br → CH 3 + + Br - ; NaOH → Na + + OH - ; CH 3 + + OH - → CH 3 OH; Na + + Br - ↔ NaBr.

Elettrofili e nucleofili

Le particelle prive di elettroni e in grado di accettarli sono chiamate "elettrofili". Questi includono atomi di carbonio legati agli alogeni negli aloalcani. I nucleofili hanno una maggiore densità elettronica, "donano" una coppia di elettroni quando creano un legame covalente. Nelle reazioni di sostituzione, i nucleofili ricchi di cariche negative vengono attaccati da elettrofili affamati di elettroni. Questo fenomeno è associato allo spostamento di un atomo o di un'altra particella: il gruppo uscente. Un altro tipo di reazione di sostituzione è l'attacco di un elettrofilo da parte di un nucleofilo. A volte è difficile distinguere tra due processi, attribuire la sostituzione a un tipo o all'altro, poiché è difficile specificare esattamente quale delle molecole sia il substrato e quale sia il reagente. Di solito in questi casi vengono presi in considerazione i seguenti fattori:

• la natura del gruppo uscente;
• reattività nucleofila;
• la natura del solvente;
• struttura della parte alchilica.

Sostituzione nucleofila (SN)

Nel processo di interazione in una molecola organica, si osserva un aumento della polarizzazione. Nelle equazioni, una carica parziale positiva o negativa è contrassegnata da una lettera dell'alfabeto greco. La polarizzazione del legame permette di giudicare la natura della sua rottura e l'ulteriore comportamento dei "frammenti" della molecola. Ad esempio, l'atomo di carbonio nello iodometano ha una carica positiva parziale ed è un centro elettrofilo. Attrae quella parte del dipolo d'acqua dove si trova l'ossigeno, che ha un eccesso di elettroni. Quando un elettrofilo interagisce con un reagente nucleofilo, si forma metanolo: CH 3 I + H 2 O → CH 3 OH + HI. Le reazioni di sostituzione nucleofila avvengono con la partecipazione di uno ione caricato negativamente o di una molecola che ha una coppia di elettroni liberi che non è coinvolta nella creazione di un legame chimico. La partecipazione attiva dello iodometano alle reazioni SN 2 è spiegata dalla sua apertura all'attacco nucleofilo e dalla mobilità dello iodio.

Sostituzione elettrofila (SE)

Una molecola organica può contenere un centro nucleofilo, caratterizzato da un eccesso di densità elettronica. Reagisce con un reagente elettrofilo privo di cariche negative. Tali particelle includono atomi con orbitali liberi, molecole con aree a bassa densità elettronica. Nel carbonio, che ha una carica “-”, interagisce con la parte positiva del dipolo acqua - con idrogeno: CH 3 Na + H 2 O → CH 4 + NaOH. Il prodotto di questa reazione di sostituzione elettrofila è il metano. Nelle reazioni eterolitiche interagiscono centri di molecole organiche con carica opposta, il che li rende simili agli ioni nella chimica delle sostanze inorganiche. Non va trascurato che la trasformazione dei composti organici è raramente accompagnata dalla formazione di veri cationi e anioni.

Reazioni monomolecolari e bimolecolari

La sostituzione nucleofila è monomolecolare (SN1). L'idrolisi di un importante prodotto di sintesi organica, il cloruro di butile terziario, procede secondo questo meccanismo. Il primo stadio è lento, è associato alla dissociazione graduale in catione di carbonio e anione cloruro. Il secondo stadio è più veloce, lo ione carbonio reagisce con l'acqua. sostituzione di un alogeno in un alcano per un gruppo ossidrile e ottenimento di un alcol primario: (CH 3) 3 C-Cl → (CH 3) 3 C + + Cl - ; (CH 3) 3 C + + H 2 O → (CH 3) 3 C-OH + H +. L'idrolisi a uno stadio degli alogenuri alchilici primari e secondari è caratterizzata dalla distruzione simultanea del legame carbonioso con l'alogeno e dalla formazione di una coppia C–OH. Questo è il meccanismo della sostituzione bimolecolare nucleofila (SN2).

Meccanismo di sostituzione eterolitica

Il meccanismo di sostituzione è associato al trasferimento di elettroni, alla creazione di complessi intermedi. La reazione procede più velocemente, più è facile formare i prodotti intermedi che la caratterizzano. Spesso il processo va in più direzioni contemporaneamente. Il vantaggio è solitamente ottenuto dal modo in cui vengono utilizzate le particelle che richiedono i minori costi energetici per la loro formazione. Ad esempio, la presenza di un doppio legame aumenta la probabilità della comparsa del catione allilico CH2=CH—CH 2 + , rispetto allo ione CH 3 + . Il motivo risiede nella densità elettronica del legame multiplo, che influisce sulla delocalizzazione della carica positiva dispersa nella molecola.

Reazioni di sostituzione del benzene

Il gruppo per il quale è caratteristica la sostituzione elettrofila sono le arene. L'anello benzenico è un bersaglio conveniente per l'attacco elettrofilo. Il processo inizia con la polarizzazione del legame nel secondo reagente, con conseguente formazione di un elettrofilo adiacente alla nuvola di elettroni dell'anello benzenico. Il risultato è un complesso di transizione. Non esiste ancora un vero e proprio legame di una particella elettrofila con uno degli atomi di carbonio; è attratto dall'intera carica negativa dei "sei aromatici" di elettroni. Nella terza fase del processo, l'elettrofilo e un atomo di carbonio dell'anello sono collegati da una coppia comune di elettroni (legame covalente). Ma in questo caso, il "sei aromatico" viene distrutto, il che è sfavorevole dal punto di vista del raggiungimento di uno stato energetico stabile e sostenibile. Esiste un fenomeno che può essere chiamato "espulsione di protoni". C'è una scissione di H + , viene ripristinato un sistema di legame stabile, caratteristico degli areni. Il sottoprodotto contiene un catione idrogeno dall'anello benzenico e un anione dalla composizione del secondo reagente.

Esempi di reazioni di sostituzione dalla chimica organica

Per gli alcani, la reazione di sostituzione è particolarmente caratteristica. Esempi di trasformazioni elettrofile e nucleofile possono essere fornite per cicloalcani e areni. Reazioni simili nelle molecole delle sostanze organiche si verificano in condizioni normali, ma più spesso quando riscaldate e in presenza di catalizzatori. La sostituzione elettrofila nel nucleo aromatico è uno dei processi diffusi e ben studiati. Le reazioni più importanti di questo tipo sono:

1. Nitrazione del benzene in presenza di H 2 SO 4 - va secondo lo schema: C 6 H 6 → C 6 H 5 -NO 2.
2. Alogenazione catalitica del benzene, in particolare clorurazione, secondo l'equazione: C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.
3. Procedi aromatici con acido solforico "fumante", si formano acidi benzensolfonico.
4. L'alchilazione è la sostituzione di un atomo di idrogeno dall'anello benzenico con un alchile.
5. L'acilazione è la formazione di chetoni.
6. La formilazione è la sostituzione dell'idrogeno con un gruppo CHO e la formazione di aldeidi.

Le reazioni di sostituzione includono reazioni in alcani e cicloalcani, in cui gli alogeni attaccano il legame CH disponibile. La preparazione di derivati ​​può essere associata alla sostituzione di uno, due o tutti gli atomi di idrogeno in idrocarburi saturi e cicloparaffine. Molti degli aloalcani a basso peso molecolare trovano impiego nella produzione di sostanze più complesse appartenenti a classi diverse. I progressi compiuti nello studio dei meccanismi delle reazioni di sostituzione hanno dato un forte impulso allo sviluppo di sintesi a base di alcani, cicloparaffine, areni e derivati ​​alogenati degli idrocarburi.

Tipi di reazioni chimiche in chimica inorganica e organica.

1. Una reazione chimica è un processo in cui altre sostanze sono formate da una sostanza. A seconda della natura del processo, si distinguono i tipi di reazioni chimiche.

1) Secondo il risultato finale

2) In base al rilascio o all'assorbimento di calore

3) Basato sulla reversibilità della reazione

4) Sulla base di una variazione del grado di ossidazione degli atomi che compongono i reagenti

In base al risultato finale, le reazioni sono dei seguenti tipi:

A) Sostituzione: RH+Cl 2 → RCl+HCl

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

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

D) Decomposizione: CH 4 → C + 2H 2

D) Isomerizzazione

E) Scambio

G) Connessioni

Reazione di decomposizione Un processo in cui due o più altre sostanze sono formate da una sostanza.

Reazione di scambio chiamato il processo in cui i reagenti si scambiano costituenti.

Reazioni di sostituzione si verificano con la partecipazione di sostanze semplici e complesse, di conseguenza si formano nuove sostanze semplici e complesse.

Di conseguenza reazioni composte una nuova sostanza è formata da due o più sostanze.

In base al rilascio o all'assorbimento del calore di reazione, si distinguono i seguenti tipi:

A) esotermico

B) Endotermico

Esotermico - Queste sono reazioni che rilasciano calore.

Endotermico sono reazioni che assorbono calore dall'ambiente.

In base alla reversibilità, le reazioni sono dei seguenti tipi:

A) reversibile

B) irreversibile

Si chiamano reazioni che procedono in una sola direzione e terminano con la completa conversione dei reagenti iniziali in sostanze finali irreversibile.

reversibile Si chiamano reazioni quelle che procedono simultaneamente in due direzioni opposte.

In base al cambiamento dello stato di ossidazione degli atomi che compongono i reagenti, le reazioni sono dei seguenti tipi:

A) redox

Sono chiamate le reazioni che si verificano con un cambiamento nello stato di ossidazione degli atomi (in cui gli elettroni si trasferiscono da un atomo, molecole o ioni ad altri) redox.

2. Secondo il meccanismo della reazione, sono divisi in ionici e radicali.

Reazioni ioniche- interazione tra ioni a seguito della rottura eterolitica di un legame chimico (una coppia di elettroni passa interamente ad uno dei "frammenti").

Le reazioni ioniche sono di due tipi (a seconda del tipo di reagente):

A) elettrofilo - durante la reazione con un elettrofilo.

elettrofilo- un raggruppamento che ha orbitali liberi per alcuni atomi, o centri con una densità elettronica ridotta (ad esempio: H +, Cl - o AlCl 3)

B) Nucleofilo - nel corso dell'interazione con un nucleofilo

Nucleofilo - uno ione o una molecola con carica negativa con una coppia di elettroni non condivisa (che attualmente non partecipa alla formazione di un legame chimico).

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

I veri processi chimici, solo in rari casi, possono essere descritti da semplici meccanismi. Un esame dettagliato dei processi chimici da un punto di vista cinetico molecolare mostra che la maggior parte di essi procede attraverso un meccanismo a catena radicalica, una caratteristica delle p-zioni di catena è la formazione di radicali liberi a stadi intermedi (frammenti instabili di molecole o atomi con un breve durata, tutti hanno connessioni gratuite.

I processi di combustione, esplosione, ossidazione, reazioni fotochimiche, reazioni biochimiche negli organismi viventi procedono secondo il meccanismo a catena.

I distretti a catena hanno diverse fasi:

1) nucleazione della catena - lo stadio della catena p-tion, a seguito della quale i radicali liberi derivano dalle molecole sature di valenza.

2) la continuazione della catena - la fase della catena della p-tion, procedendo con la conservazione del numero totale di fasi libere.

3) rottura della catena - uno stadio elementare delle catene della p-tion che porta alla scomparsa dei legami liberi.

Esistono reazioni a catena ramificate e non ramificate.

Uno dei concetti più importanti della catena è lunghezza della catena- il numero medio degli stadi elementari di continuazione della catena dopo la comparsa di un radicale libero fino alla sua scomparsa.

Esempio: sintesi di cloruro di idrogeno

1) m-la CL 2 assorbe un quanto di energia e un'immagine di 2 radicali: CL 2 + hv \u003d CL * + CL *

2) la particella attiva si combina con la molecola m H 2 formando acido cloridrico e la particella attiva H 2: CL 1 + H 2 \u003d HCL + H *

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

6) H * + CL * \u003d HCL - circuito aperto.

Meccanismo ramificato:

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

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

In acqua è più difficile: si formano radicali OH*, O* e radicali H*.

Reazioni che si verificano sotto l'influenza delle radiazioni ionizzanti: raggi X, raggi catodici e così via - chiamato radiochimico.

Come risultato dell'interazione delle molecole con le radiazioni, si osserva il decadimento delle molecole con la formazione delle particelle più reattive.

Tali reazioni contribuiscono alla ricombinazione delle particelle e alla formazione di sostanze con le loro varie combinazioni.

Un esempio è l'idrazina N 2 H 4, un componente del carburante per razzi. Recentemente, sono stati fatti tentativi per ottenere idrazina dall'ammoniaca come risultato dell'esposizione ai raggi γ:

NH 3 → NH 2 * + H *

2NH 2 * → N 2 H 4

Le reazioni radiochimiche, come la radiolisi dell'acqua, sono importanti per l'attività vitale degli organismi.

Letteratura:

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2. Kuzmenko NE Un breve corso di chimica / N.E. Kuzmenko, VV Eremin, VA Popkov. - M.: Scuola Superiore, 2002. - 415 p.
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