Механизмы протекания химических реакций органической химии. Типы химических реакций в органической химии — Гипермаркет знаний

>> Химия: Типы химических реакций в органической химии

Реакции органических веществ можно формально разделить на четыре основных типа: замещения, присоединения, отщепления (элиминирования) и перегруппировки (изомеризации). Очевидно, что все многообразие реакций органических соединений невозможно свести в рамки предложенной классификации (например, реакции горения). Однако такая классификация поможет установить аналогии с уже знакомыми вам из курса неорганической химии классификациями реакций, протекающих между неорганическими веществами.

Как правило, основное органическое соединение, участвующее в реакции, называют субстратом, а другой компонент реакции условно рассматривают как реагент.

Реакции замещения

Реакции, в результате которых осуществляется замена одного атома или группы атомов в исходной молекуле (субстрате) на другие атомы или группы атомов, называются реакциями замещения.

В реакции замещения вступают предельные и ароматические соединения, такие, как, например, алканы, циклоалканы или арены.

Приведем примеры таких реакций.

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки ЛЕКЦИЯ 4
Классификация и
механизмы
органических реакций

План
4.1. Классификация органических
реакций
4.2. Классификация реагентов
4.3.Реакции
щения (SR)
радикального
заме-
4.4 Реакции электрофильного присоединения (АЕ)

4.1 Классификация органических реакций

4.1 Классификация
органических реакций
по направлению
по молекулярности
Реакции замещения S
Реакции присоединения A
Реакции элиминирования
E
Молекулярные
перегруппировки
Мономолекулярные
Бимолекулярные
Тримолекулярные

По способу разрыва и образования связей

Гетеролитические
(ионные)
* электрофильные
* нуклеофильные
Гомолитические
(радикальные)
Молекулярные

Схема разрыва химических связей

А:В
+
В:
.
.
А
А:В
г етеролитический
А: В
г ом олитический
А +В
рад икалы
+
+ В:
А
д иссоциированные ионы

Схема образования химических связей

+
А
.
+ В:
А +В
.
А
В
гетеролитическое
А
В
гомолитическое.

Гетеролитические реакции
называют ионными, поскольку
они сопровождаются
образованием органических
ионов, протекают в
органических растворителях
Гомолитические реакции
протекают преимущественно в
газовой фазе

Гетеролитические реакции в
зависимости от электронной
природы атакующей частицы
делят на нуклеофильные (символ
N) и электрофильные (символ Е).
При этом условно принято считать
одну из взаимодействующих частиц
реагентом, а другую субстратом,
на которую действует реагент

Субстрат – молекула, которая
поставляет атом углерода для
образования новой связи
Тип реакции (нуклеофильный
или электрофильный) определяется характером реагента

Реагент с неподеленной
электронной парой,
взаимодействующий с
субстратом, имеющим
недостаток электронов,
называют «нуклеофильным»
(любящим, ищущим ядро), а
реакции нуклеофильными

Реагент с электронным дефицитом,
взаимодействующий с
субстратом, обладающим избытком электронов,
называют
«электрофильным», а
реакцию электрофильной

Нуклеофильные и
электрофильные реакции всегда
связаны между собой
Реакции, сопровождающиеся
одновременным
(согласованным) разрывом и
образованием связей, называют
молекулярными (синхронными,
согласованными)

Диеновый синтез

CH 2
HC
CH 2
+
HC
CH 2
CH 2
Циклог ексен

4.2. Классификация реагентов

4.2. Классификация реагентов
К нуклеофильным реагентам
относят молекулы, содержащие
одну или более неподеленных
пар электронов; ионы, несущие
отрицательный заряд (анионы);
молекулы, имеющие центры с
повышенной плотностью

Нуклеофильные реагенты

нейтральные молекулы,
имеющие неподеленные пары
электронов:
..
..
..
..
NH3 ; R - NH2; R2 - NH; R3N;
..
H2O;
..
..
R - OH;
..
..
;
R-O
R
..
анионы:
OH- ; CN-; NH2-; RCOO-; RS-; Cl-;
Br-; I-; HSO3-;

Нуклеофильные реагенты

соединения,
содержащие центры с
повышенной электронной плотностью:
C
C
;
C
C
;

Электрофильные реагенты

нейтральные молекулы,
имеющие вакантную орбиталь:
SO3, кислоты Льюиса (AlCl3,
SnCl4, FeBr3, BF3)
катионы: протон (Н+), ионы
металлов (Меn+), SO3H+, NO2+, NO+

молекулы,
имеющие
центры
с
пониженной электронной плотностью:
галогенпроизводные углеводородов Rδ+-
Halδ-, галогены (Cl2, Br2, I2), соединения с
карбонильной группой:
R
C
O
;
H
R
C
O
;
R1
R
C
O
; R
OH
C
O
;
OR

В органической химии реакции,
как правило протекают в
несколько стадий, т.е. с
образованием промежуточных,
короткоживущих частиц
(интермедиаты): карбкатионы,
карбанионы, радикалы

Карбкатионы – положительно
заряженные частицы, атом
углерода, несущий положительный
заряд находится в sр2 –
гибридизации.
Атом углерода с приобретением
положительного заряда изменяет
свое валентное состояние от sр3 до
sр2, что энергетически более
выгодно.

Важной характеристикой
карбкатионов является их
устойчивость, которая
определяется степенью
делокализации
положительного заряда

Устойчивость карбкатионов
падает в ряду:
третичный
атом С
>
вторичный
атом С
>
первичный
атом С

Устойчивость карбкатионов

+
CH3 CH3
м етилий
катион
+
CH2
этилий
катион
CH3
CH3
+
CH
изопропилий
катион
CH3
CH3
УВЕЛИЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ
+
C
CH3
третбутилий
катион

Карбанионы – отрицательно
заряженные частицы, заряд
которых обусловлен наличием в их
структуре атома С с неподеленной
электронной парой. При этом атом
углерода, несущий отрицательный
заряд, может быть как в sp2, так и
в sр3-гибридизации

Устойчивость карбанионов зависит от
степени делокализации отрицательного
заряда на атоме углерода. Чем она
выше, тем выше их устойчивость и тем
ниже их реакционная способность.
Наиболее устойчивы циклические
карбанионы, в структуре которых
имеется общая π-электронная
плотность, включающая в себя
4n+2 π-электрона

циклопентадиенил анион

Свободные радикалы – любая
электронейтральная активная
частица, содержащая
одноэлектронную орбиталь.
К свободным радикалам могут
быть отнесены частицы,
содержащие неспаренный электрон
не только на атоме углерода (С·), но
и на других атомах: R2N· ; RО·

4.3. Реакции радикального замещения (SR)

4.3. Реакции радикального
замещения (SR)
Реакции SR характерны для
соединений алифатического и
алициклического рядов. Как
правило, они протекают по
цепному механизму, основными
стадиями которого являются:
инициирование, развитие (рост
цепи) и обрыв цепи.

На стадии инициирования
образуются свободные радикалы,
дающие начало цепному
процессу
Свободные радикалы могут
возникать за счет термического
или фотохимического
инициирования, а также в
результате ОВ реакций

Реакции радикального замещения (SR)

R-H + A-A
субстрат
реаг ент
h
R-A + HA
прод укт
реакции

Механизм реакции
радикального замещения (SR)
1. Инициирование
A-A
h
.
2A

2. Развитие цепи

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

3. Обрыв цепи
.
R
.
A
.
A
+
.
R
R-R
+
.
R
R-A
+
.
A
A-A

Легкость отрыва атома Н от углерод-атома падает в ряду углеводородов

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

Радикалы брома (Вr˙) обладают
высокой избирательностью: если в
молекуле имеются вторичный, а
тем более третичный атом углерода,
то бромирование преимущественно
идет у третичного (вторичного)
атома углерода. Такие реакции
называются региоселективными
(избирательными по месту
действия) реакциями

Бромирование алканов (региоселективные реакции)

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

Механизм реакции
бромирования алканов
1. Инициирование
Br2
h
.
2Br

2. Развитие цепи
.
Br + H3C
CH
CH3
H3C
.
CH
CH3 + HBr
H
Br2 + H3C
.
CH
CH3
H3C
CH
Br
.
CH3 + Br

3. Обрыв цепи
.
.
H3C
CH3 + Br
CH
H3C
CH
CH3
Br
.
Br
H3C
.
Br2
+ Br
.
.
CH + H3C
CH
CH3
CH3
H3C
CH
CH
CH3
CH3
2,3-д им етилбутан
CH3

4.4. Реакции электрофильного присоединения

Электрофильное присоединение (АЕ)
характерно для ненасыщенных систем,
содержащих двойные или тройные связи.
Нуклеофильный характер таких
соединений обусловлен наличием π-связи,
которая представляет собой область с
повышенной электронной плотностью,
обладает поляризуемостью и легко
разрывается под действием
электрофильных реагентов

Механизм реакции АЕ

+ X
C=C
субстрат
Y
реаг ент
X
C
+
C
-ком плекс
+ Y
C=C
X
Y
-ком плекс
X
C
C
Y

Галогенирование

H
H
C=C
H
+ Br
Br
H
H
C=C
H
H
Br
Br
CH2
H2C
+
Br
бром ониевый
катион
+Br
H2C
CH2
Br
1,2-д ибром этан
H
Br

Гидрирование
H
C=C
+ H2
t, Kt
C
C
H
Гидрогалогенирование
Cl
C=C
+ HCl
C
H
C

Гидратация
OH
C=C
+ HOH
H
+
C
H
C

Правило Марковникова:
при взаимодействии
реагентов типа НХ с
несимметричными
алкенами, водород
присоединяется к
наиболее
гидрогенизированному Владимир
Марковников
атому углерода
(1837 – 1904)

Гидрогалогенирование алкенов по
правилу Морковникова
CH3 CH = CH2 + HCl
CH3
CH
Cl
2-хлорпропан
CH3

Механизм реакции
гидрогалогенирования
CH3
CH3
+
+
CH
CH3
CH2
+
CH2
CH = CH2 + H
CH3
CH3
CH
Cl
CH3
+ Cl
-

Схема реакции гидратации алкенов

Схема реакции гидратации
алкенов
+
H2C = CH2 + H2O
H
H3C
CH2
OH
Этанол

Механизм реакции гидратации
алкенов
..
+
+ HOH
..
+
H C = CH + H
H C CH
2
2
H3C
3
CH2
+
O
H
+
-H
возврат
катализатора
H
Оксониевый катион
2
H3C
CH2
OH

Классическое правило
Марковникова идеально
применимо только к самим
алкенам, в случае их
производных необходимо
учитывать и механизм
реакции и устойчивость
образующихся интермедиатов

Механизм реакции гидратации ненасыщенных карбоновых кислот против правила Морковникова

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 возврат
катализатора
OH
OH
-гидрокси кислота

Такого типа гидратация in
vivo является частью процесса
β-окисления ненасыщенных
жирных кислот в организме

Сопряженные системы
(алкадиены)
термодинамически наиболее
устойчивы, поэтому часто
встречаются в природе.
Реакции АЕ с такими диенами
протекают с образованием двух
продуктов
1,4- и 1,2-присоединения

Реакции АЕ в ряду алкадиенов

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

Реакции АЕ в ряду алкадиенов Механизм реакции

+
H3C
H2C = CH
CH = CH2 + H+
H3CМеханизм реакции гидратации
производных ацетилена
H3C
C
+
CH + H
H3C
+
C = CH2
..
+ HOH
..

Механизм реакции гидратации
производных ацетилена
H3C
C = CH2
+
O
H
- H+
H3C
C = CH2
OH
H

Классификация реакций По числу исходных и конечных веществ: 1. Присоединение 2. Отщепление (элиминирование) 3. Замещение

Классификация реакций По механизму разрыва связей: 1. Гомолитические (радикальные) радикалы 2. Гетеролитические (ионные) ионы

Механизм реакции Механизм – детальное описание химической реакции по стадиям с указанием промежуточных продуктов и частиц. Схема реакции: Механизм реакции:

Классификация реакций по типу реагентов 1. Радикальные Радикал –химически активная частица с неспаренным электроном. 2. Электрофильные Электрофил – электронодефицитная частица или молекула с электронодефицитным атомом. 3. Нуклеофильные Нуклеофил – анион или нейтральная молекула, имеющая атом с неподеленной электронной парой.

Виды химических связей в органических веществах Основной тип связи – ковалентная (реже встречается ионная) Сигма-связь (σ-): Пи-связь (-)

АЛКАНЫ- алифатические (жирные) углеводороды «Алифатос» -масло, жир (греч). Cn. H 2 n+2 Предельные, насыщенные углеводороды

Гомологический ряд: CH 4 - метан C 2 H 6 - этан C 3 H 8 - пропан C 4 H 10 - бутан C 5 H 12 - пентан т. д. С 6 Н 14 - гексан С 7 Н 16 - гептан С 8 Н 18 - октан С 9 Н 20 - нонан С 10 Н 22 – декан и С 390 Н 782 –ноноконтатриктан (1985 г)

Атомно-орбитальная модель молекулы метана В молекуле метана у атома углерода уже нет S- и Р-орбиталей! Его 4 гибридные, равноценные по энергии и по форме SP 3 -орбитали, образуют 4 -связи с Sорбиталями атома водорода. Н Н 4 -связи

Реакция нитрования Коновалов Дмитрий Петрович (1856 -1928) 1880 год. Первая удачная попытка оживить «химических мертвецов» , которыми считались алканы. Нашел условия нитрования алканов. Рис. Источник: http: //images. yandex. ru.

Химические свойства I. Реакции с разрывом С-Н-связей (реакции замещения): 1. галогенирование 2. нитрование 3. сульфохлорирование II. Реакции с разрывом С-С-связей: 1. горение 2. крекинг 3. изомеризация

Как найти химика? Если хочешь найти химика, спроси, что такое моль и неионизованный. И если тот начнет говорить о пушных зверях и организации труда, спокойно уходи. Писатель-фантаст, популяризатор науки Айзек Азимов (1920– 1992) Рис. Источник: http: //images. yandex. ru.

1. Реакция галогенирования Хлорирование: RH + Cl 2 hv RCl + HCl Бромирование: RH + Br 2 hv RBr + HBr Например, хлорирование метана: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl

Стадии свободно-радикального механизма Схема реакции: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl Механизм реакции: I. Инициирование цепи – стадия зарождения свободных радикалов. Cl Cl 2 Cl Радикал - активная частица, инициатор реакции. – – Стадия требует энергии в виде нагревания или освещения. Последующие стадии могут протекать в темноте, без нагревания.

Стадии свободно-радикального механизма II. Рост цепи – основная стадия. CH 4 + Cl HCl + CH 3 + Cl 2 CH 3 Cl + Cl Стадия может включать несколько подстадий, на каждой из которых образуется новый радикал, но не Н !!! На II, основной стадии, обязательно образуется основной продукт!

Стадии свободно-радикального механизма III. Обрыв цепи – рекомбинация радикалов. Cl + Cl Cl 2 Cl + CH 3 CH 3 Cl CH 3 + CH 3 CH 3 -CH 3 Два любых радикала соединяются.

Селективность замещения Селективность – избирательность. Региоселективность – избирательность в определенной области реакций. Например, селективность галогенирования: 45% 3% Вывод? 55% 97%

Селективность галогенирования зависит от следующих факторов: Условия реакции. При низких температурах идет более селективно. Природа галогена. Чем активнее галоген, тем менее избирательна реакция. F 2 реагирует очень энергично, с разрушением С-С-связей. I 2 не реагирует с алканами в указанных условиях. Строение алкана.

Влияние строения алкана на селективность замещения. Если атомы углерода в алкане неравноценны, то замещение при каждом из них идет с разной скоростью. Относительн. скорость реакции замещения Первич. атом Н Вторич. атом Н Трет. атом Н хлорирование 1 3, 9 5, 1 бромирование 1 82 1600 Вывод?

Для отрыва третичного атома водорода требуется меньше энергии, чем для отрыва вторичного и первичного! Формула алкана Результат гомолиза ЕД, к. Дж/моль СН 4 СН 3 + Н 435 СН 3 - СН 3 С 2 Н 5 + Н 410 СН 3 СН 2 СН 3 (СН 3)2 СН + Н 395 (СН 3)3 СН (СН 3)3 С + Н 377

Направление протекания реакций Любая реакция протекает преимущественно в направлении образования более устойчивой промежуточной частицы!

Промежуточная частица в радикальных реакциях - свободный радикал. Наиболее легко образуется наиболее устойчивый радикал! Ряд устойчивости радикалов: R 3 C > R 2 CH > RCH 2 > CH 3 Алкильные группы проявляют электронодонорный эффект, за счет чего стабилизируют радикал

Реакция сульфохлорирования Схема реакции: RH + Cl 2 + SO 2 RSO 2 Cl + HCl Механизм реакции: 1. Cl Cl 2 Cl 2. RH + Cl R + HCl R + SO 2 RSO 2 + Cl 2 RSO 2 Cl + Cl и т. д. 3. 2 Cl Cl 2 и т. д.

Реакция Коновалова Д. П. Нитрование по Коновалову проводят действием разбавленной азотной кислоты при температуре 140 о. С. Схема реакции: RH + HNO 3 RNO 2 + H 2 O

Механизм реакции Коновалова 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 т. д. 3. Обрыв цепи.

Алкены – ненасыщенные углеводороды с одной С=С связью Cn. H 2 n С=С – функциональная группа алкенов

Химические свойства алкенов Общая характеристика Алкены – реакционноспособный класс соединений. Они вступают в многочисленные реакции, большинство из которых идут за счет разрыва менее прочной пи-связи. Е С-С (σ-) ~ 350 Кдж/моль Е С=С (-) ~ 260 Кдж/моль

Характерные реакции Присоединение – наиболее характерный тип реакций. Двойная связь – донор электронов, поэтому она склонна присоединять: Е – электрофилы, катионы или радикалы

Примеры реакций электрофильного присоединения 1. Присоединение галогенов – Присоединяются не все галогены, а только хлор и бром! – Поляризация нейтральной молекулы галогена может происходить под действием полярного растворителя или под действием двойной связи алкена. Красно-коричневый раствор брома становится бесцветным

Электрофильное присоединение Реакции протекают при комнатной температуре, не требуют освещения. Механизм ионный. Схема реакции: XY = Cl 2, Br 2, HCl, HBr, HI, H 2 O

Сигма – комплекс является карбокатионом – частицей с положительным зарядом на атоме углерода. Если в реакционной среде присутствуют другие анионы, то они тоже могут присоединяться к карбокатиону.

Например, присоединение брома, растворенного в воде. Эта качественная реакция на двойную С=С-связь протекает с обесцвечиванием раствора брома и образованием двух продуктов:

Присоединение к несимметричным алкенам Региоселективность присоединения! Правило Марковникова (1869): кислоты и вода присоединяются к несимметричным алкенам таким образом, что водород присоединяется к более гидрированному атому углерода.

Марковников Владимир Васильевич (1837 - 1904) Выпускник Казанского университета. С 1869 года – профессор кафедры химии. Основатель научной школы. Рис. Источник: http: //images. yandex. ru.

Объяснение правила Марковникова Реакция протекает через образование наиболее устойчивой промежуточной частицы – карбокатиона. первичный вторичный, более устойчивый

Ряд устойчивости карбокатионов: третичный вторичный первичный метильный Правило Марковникова в современной формулировке: присоединение протона к алкену происходит с образованием более стабильного карбокатиона.

Антимарковниковское присоединение CF 3 -CH=CH 2 + HBr CF 3 -CH 2 Br Формально реакция идет против правила Марковникова. CF 3 – электроноакцепторный заместитель Другие электроноакцепторы: NO 2, SO 3 H, COOH, галогены и т. п.

Антимарковниковское присоединение более устойчивый неустойчивый CF 3 – электроноакцептор, дестабилизирует карбокатион Реакция только формально идет против правила Марковникова. Фактически ему подчиняется, так как идет через более устойчивый карбокатион.

Перекисный эффект Хараша X CH 3 -CH=CH 2 + HBr CH 3 -CH 2 Br X = O 2, H 2 O 2, ROOR Механизм свободнорадикальный: 1. H 2 O 2 2 OH + HBr H 2 O + Br 2. CH 3 -CH=CH 2 + Br CH 3 -CH -CH 2 Br более устойчивый радикал CH 3 -CH -CH 2 Br + HBr CH 3 -CH 2 Br + Br и т. д. 3. Два любых радикала соединяются между собой.

Электрофильное присоединение 3. Гидратация – присоединение воды – Реакция протекает в присутствии кислотных катализаторов, чаще всего это – серная кислота. – Реакция подчиняется правилу Марковникова. Дешевый способ получения спиртов

На экзамене академик Иван Алексеевич Каблуков просит студента рассказать, как в лаборатории получают водород. «Из ртути» , - отвечает тот. «Как это "из ртути"? ! Обычно говорят "из цинка", а вот из ртути - это что-то оригинальное. Напишите-ка реакцию» . Студент пишет: Hg = Н + g И говорит: «Ртуть нагревают; она разлагается на Н и g. Н - водород, он легкий и поэтому улетает, а g - ускорение силы тяжести, тяжелое, остается» . «За такой ответ надо ставить "пятерку", - говорит Каблуков. - Давайте зачетку. Только "пятерку" я сначала тоже подогрею. "Три" улетает, а "два" остается» .

Двое химиков в лаборатории: - Вась, опусти руку в этот стакан. - Опустил. - Что-нибудь чувствуешь? - Нет. - Значит серная кислота в другом стакане.

Ароматические углеводороды Ароматический – душистый? ? Ароматические соединения – это бензол и вещества, напоминающие его по химическому поведению!

Многие реакции замещения открывают путь к получению разнообразных соединений, имеющих хозяйственное применение. Огромная роль в химической науке и промышленности отводится электрофильному и нуклеофильному замещению. В органическом синтезе эти процессы имеют ряд особенностей, на которые следует обратить внимание.

Разнообразие химических явлений. Реакции замещения

Химические изменения, связанные с превращениями веществ, отличаются целым рядом особенностей. Разными могут быть конечные результаты, тепловые эффекты; одни процессы идут до конца, в других наступает Изменение веществ часто сопровождается повышением или понижением степени окисления. При классификации химических явлений по их конечному результату обращают внимание на качественные и количественные отличия реагентов от продуктов. По этим признакам можно выделить 7 типов химических превращений, в том числе замещение, идущее по схеме: А—В + С А—С + В. Упрощенная запись целого класса химических явлений дает представление о том, что среди исходных веществ есть так называемая «атакующая» частица, замещающая в реагенте атом, ион, функциональную группу. Реакция замещения характерна для предельных и

Реакции замещения могут происходить в виде двойного обмена: А—В + С—Е А—С + В—Е. Один из подвидов — вытеснение, например, меди железом из раствора медного купороса: CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu. В качестве «атакующей» частицы могут выступать атомы, ионы или функциональные группы

Замещение гомолитическое (радикальное, SR)

При радикальном механизме разрыва ковалентных связей электронная пара, общая для разных элементов, пропорционально распределяется между «осколками» молекулы. Образуются свободные радикалы. Это неустойчивые частицы, стабилизация которых происходит в результате последующих превращений. Например, при получении этана из метана возникают свободные радикалы, участвующие в реакции замещения: СН 4 СН 3 . + .Н; СН 3 . + .СН 3 → С2Н5; Н. + .Н → Н2. Гомолитический разрыв связи по приведенному механизму замещения носит цепной характер. В метане атомы Н можно последовательно заменять на хлор. Аналогично идет реакция с бромом, но йод неспособен напрямую замещать водород в алканах, фтор слишком энергично с ними реагирует.

Гетеролитический способ разрыва связи

При ионном механизме протекания реакций замещения электроны неравномерно распределяются между вновь возникшими частицами. Связывающая пара электронов отходит полностью к одному из «осколков», чаще всего, к тому партнеру по связи, в сторону которого была смещена отрицательная плотность в полярной молекуле. К реакциям замещения относится реакция образования метилового спирта CH 3 OH. В бромметане CH3Br разрыв молекулы носит гетеролитический характер, заряженные частицы являются стабильными. Метил приобретает положительный заряд, а бром — отрицательный: CH 3 Br → CH 3 + + Br - ; NaOH → Na + + OH - ; CH 3 + + OH - → CH 3 OH; Na + + Br - ↔ NaBr.

Электрофилы и нуклеофилы

Частицы, которые испытывают нехватку электронов и могут их принять, получили название «электрофилы». К ним относятся атомы углерода, соединенные с галогенами в галогеналканах. Нуклеофилы обладают повышенной электронной плотностью, они «жертвуют» пару электронов при создании ковалентной связи. В реакциях замещения богатые отрицательными зарядами нуклеофилы подвергаются атаке электрофилов, испытывающих нехватку электронов. Это явление связано с перемещением атома или другой частицы — уходящей группы. Другая разновидность реакций замещения — атака электрофила нуклеофилом. Подчас трудно разграничить два процесса, отнести замещение к тому или другому типу, поскольку сложно точно указать, какая из молекул — субстрат, а какая — реагент. Обычно в таких случаях учитываются следующие факторы:

• природа уходящей группы;
• реакционная способность нуклеофила;
• природа растворителя;
• структура алкильной части.

Замещение нуклеофильное (SN)

В процессе взаимодействия в органической молекуле наблюдается усиление поляризации. В уравнениях частичный положительный или отрицательный заряд отмечают буквой греческого алфавита. Поляризация связи позволяет судить о характере ее разрыва и дальнейшем поведении «осколков» молекулы. Например, атом углерода в йодметане обладает частичным положительным зарядом, является электрофильным центром. Он притягивает ту часть диполя воды, где расположен кислород, обладающий избытком электронов. При взаимодействии электрофила с нуклеофильным реагентом образуется метанол: CH 3 I + H 2 O → CH 3 OH + HI. Реакции нуклеофильного замещения проходят при участии отрицательно заряженного иона либо молекулы, обладающей свободной электронной парой, не участвующей в создании химической связи. Активное участие йодметана в SN 2 -реакциях объясняется его открытостью для нуклеофильной атаки и подвижностью йода.

Замещение электрофильное (SE)

В органической молекуле может присутствовать нуклеофильный центр, для которого характерен избыток электронной плотности. Он вступает в реакцию с испытывающим недостаток отрицательных зарядов электрофильным реагентом. К таким частицам относятся атомы, имеющие свободные орбитали, молекулы с участками пониженной электронной плотности. В углерод, обладающий зарядом «-», взаимодействует с положительной частью диполя воды — с водородом: CH 3 Na + H 2 O → CH 4 + NaOH. Продукт этой реакции электрофильного замещения — метан. При гетеролитических реакциях взаимодействуют противоположно заряженные центры органических молекул, что придает им сходство с ионами в химии неорганических веществ. Не следует упускать из виду, что превращение органических соединений редко сопровождается образованием настоящих катионов и анионов.

Мономолекулярные и бимолекулярные реакции

Нуклеофильное замещение бывает мономолекулярным (SN1). По такому механизму протекает гидролиз важного продукта органического синтеза — третичного бутилхлорида. Первая стадия проходит медленно, она связана с постепенной диссоциацией на катион карбония и хлорид-анион. Второй этап идет быстрее, протекает реакция иона карбония с водой. замещения галогена в алкане на оксигруппу и получение первичного спирта: (CH 3) 3 C—Cl → (CH 3) 3 C + + Cl - ; (CH 3) 3 C + + H 2 O → (CH 3) 3 C—OH + H + . Для одностадийного гидролиза первичных и вторичных алкилгалогенидов характерно одновременное разрушение связи углерода с галогеном и образование пары С—ОН. Это механизм нуклеофильного бимолекулярного замещения (SN2).

Механизм гетеролитического замещения

Механизм замещения связан с переносом электрона, созданием промежуточных комплексов. Реакция идет тем быстрее, чем легче возникают характерные для нее промежуточные продукты. Нередко процесс идет одновременно в нескольких направлениях. Преимущество обычно получает тот путь, в котором используются частицы, требующие наименьших энергетических затрат для своего образования. К примеру, наличие двойной связи увеличивает вероятность появления аллильного катиона СН2=СН—СН 2 + , по сравнению с ионом СН 3 + . Причина кроется в электронной плотности кратной связи, которая влияет на делокализацию положительного заряда, рассредоточенного по всей молекуле.

Реакции замещения бензола

Группа для которых характерно электрофильное замещение, — арены. Бензольное кольцо — удобный объект для электрофильной атаки. Процесс начинается с поляризации связи во втором реагенте, в результате чего образуется электрофил, примыкающий к электронному облаку бензольного кольца. В результате появляется переходный комплекс. Полноценной связи электрофильной частицы с одним из атомов углерода пока еще нет, она притягивается ко всему отрицательному заряду «ароматической шестерки» электронов. На третьей стадии процесса электрофил и один углеродный атом кольца связывает общая пара электронов (ковалентная связь). Но в таком случае происходит разрушение «ароматической шестерки», что невыгодно с точки зрения достижения стабильного устойчивого энергетического состояния. Наблюдается явление, которое можно назвать «выбросом протона». Происходит отщепление Н + , восстанавливается устойчивая система связи, характерная для аренов. Побочное вещество содержит катион водорода из бензольного кольца и анион из состава второго реагента.

Примеры реакций замещения из органической химии

Для алканов особенно характерна реакция замещения. Примеры электрофильных и нуклеофильных превращений можно привести для циклоалканов и аренов. Подобные реакции в молекулах органических веществ идут при обычных условиях, но чаще — при нагревании и в присутствии катализаторов. К распространенным и хорошо изученным процессам относится электрофильное замещение в ароматическом ядре. Важнейшие реакции этого типа:

1. Нитрование бензола в присутствии H 2 SO 4 — идет по схеме: C 6 H 6 → C 6 H 5 —NO 2 .
2. Каталитическое галогенирование бензола, в частности хлорирование, по уравнению: C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.
3. Ароматическое протекает с «дымящей» серной кислотой, образуются бензолсульфокислоты.
4. Алкилирование — замена атома водорода из состава бензольного кольца на алкил.
5. Ацилирование — образование кетонов.
6. Формилирование — замена водорода на группу СНО и образование альдегидов.

К реакциям замещения относится реакция в алканах и циклоалканах, в которой галогены атакуют доступную связь С—Н. Получение производных может быть связано с замещением одного, двух или всех атомов водорода в предельных углеводородах и циклопарафинах. Многие из галогеноалканов с небольшой молекулярной массой находят применение в производстве более сложных веществ, относящихся к разным классам. Успехи, достигнутые в изучении механизмов реакций замещения, дали мощный толчок для развития синтезов на основе алканов, циклопарафинов, аренов и галогенопроизводных углеводородов.

Типы химических реакций в неорганической и органической химии.

1. Химическая реакция – это процесс, при котором из одних веществ образуются другие вещества. В зависимости от характера процесса выделяют типы химических реакций.

1)По конечному результату

2) По признаку выделения или поглащения теплоты

3)По признаку обратимости реакции

4) По признаку изменения степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ

По конечному результату реакции бывают следующих типов:

А) Замещение: RH+Cl 2 →RCl+HCl

Б) Присоединение: СН 2 =СН 2 +Cl 2 →CH 2 Cl-CH 2 Cl

В) Отщепление: СН 3 -СН 2 ОН→ СН 2 =СН 2 +Н 2 О

Г) Разложение: СН 4 →С+2Н 2

Д) Изомеризация

Е) Обмена

Ж) Соединения

Реакцией разложения называют процесс, при котором из одного вещества образуются два или несколько других.

Реакциейобмена называют процесс, при котором реагирующие вещества обменивабтся составными частями.

Реакциии замещения протекают с участием простого и сложного вещества, в результате образуются новые простое и сложное вещества.

В результате реакций соединения из двух или нескольких веществ образуется одно новое.

По признаку выделения или поглащения теплоты реакции бывают следующих типов:

А) Экзотермические

Б) Эндотермические

Экзотермические – это реакции, протекающие с выделение теплоты.

Эндотермические – это реакции, протекающие с поглощением теплоты из окружающей среды.

По признаку обратимости реакции бывают следующих типов:

А) Обратимые

Б) Необратимые

Реакции, которые протекают только в одном направлении и завершаются полным превращением исходных реагирующих веществ в конечные вещества, называются необратимыми.

Обратимыми называются такие реакции, которые одновременно протекают в двух взаимнопротивоположных направлениях.

По признаку изменения степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ реакции бывают следующих типов:

А) Окислительно-восстановительные

Реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов (при которых происходит переход электронов от одних атомов, молекул или ионов к другим) называются окислительно-восстановительными.

2. По механизму протекания реакции делятся на ионные и радикальные.

Ионные реакции – взаимодействие между ионами в следствие гетеролитического разрыва химической связи (пара электронов целиком переходит к одному из «осколков»).

Ионные реакции бывают двух типов (по типу реагента):

А) электрофильные – в ходе реакции с электрофилом.

Электрофил – группировка, имеющая у некоторых атомов свободные орбитали, или центры с пониженной электронной плотностью (например: Н + , Cl - или AlCl 3)

Б) Нуклеофильные – в ходе взаимодействия с нуклеофилом

Нуклеофил – отрицательно заряженный ион или молекула с неподеленной электронной парой (не участвующей в настоящий момент в образовании химической связи).

(Примеры: F - , Cl - , RO - , I -).

Реальные химические процессы, лишь в редких случаях могут быть описаны простыми механизмами. Детально рассматривать хим процессы с молекулярной кинетической точки зрения показывает что большинство из них протекает по радикально-цепному мех-му, особенность цепных р-ций заключается в образовании на промежуточных этапах свободных радикалов (нестабильн фрагменты молекул или атомов с малым временем жизни, все имеют свободные связи.

По цепному механизму протекают процессы горения, взрыва, окисления, фотохимических реакцции, биохим р-ции в жив организмах.

Цепные р-ции имеют несколько стадий:

1) зарождение цепи - стадия цепных р-ции, в результ котор возникают свободн радикалы из валентнонасыщенных молекул.

2) продолжение цепи - стадия цеп р-ции, протекающ с сохраненением общего числа свободн стадий.

3) обрыв цепи - элементарн стадия цеп р-ции приводящ к исчезновению свободн связей.

Различают разветвленные и неразветвленные цепные реакции.

Одним из важнейших понятий цепи явл длина цепи - среднее кол-во элементарных стадий продолжения цепи после возникновения свободного радикала до момента его исчезновения.

Пример: синтез хлороводорода

1)м-ла CL 2 поглощает квант энергии и образ 2 радикала: CL 2 +hv=CL * +CL *

2) активн частица соединяется с м-олекулой Н 2 образуя хлороводор и активную частица Н 2: CL 1 +Н 2 =HCL+H *

3)CL 1 +H 2 =HCL+CL * и т.д.

6)H * +CL * =HCL- обрыв цепи.

Разветвленный механизм:

F * +H 2 =HF+H * и т.д.

F * +H 2 =HF+H * и т.д.

У воды – сложнее – образуются радикалы ОН*, О* и радикал Н*.

Реакции, протекающие под действием ионизирующего излучения: рентгеновские лучи, катодные лучи и так далее – называются радиохимическими.

В результате взаимодействия молекул с излучением, наблюдается распад молекул с образованием наиболее реакционноспособных частиц.

Такие реакции способствуют рекомбинации частиц, и образованию веществ с различным их сочетанием.

Пример – гидразин N 2 H 4 – компонент ракетного топлива. В последнее время делаются попытки получить гидразин из аммиака в результате воздействия на него γ-лучами:

NH 3 → NH 2 * + Н*

2NH 2 *→ N 2 H 4

Радиохимические реакции, например радиолиз воды имеют важное значение для жизнедеятельности организмов.

Литература:

1. Ахметов, Н.С. Общая и неорганическая химия / Н.С.Ахметов. – 3-е изд. – М.: Высшая школа, 2000. – 743с.

1. Коровин Н.В. Общая химия / Н.В.Коровин. – М.: Высшая школа, 2006. – 557 с.
2. Кузьменко Н.Е. Краткий курс химии / Н.Е. Кузьменко, В.В Еремин, В.А. Попков. – М.: Высшая школа, 2002. – 415 с.
3. Зайцев, О.С. Общая химия. Строение веществ и химические реакции / О.С.Зайцев. – М.: Химия, 1990.
4. Карапетьянц, М.Х. Строение вещества / М.Х. Карапетьянц, С.И.Дракин. – М.: Высшая школа, 1981.
5. Коттон Ф. Основы неорганической химии / Ф.Коттон, Дж.Уилкинсон. – М.: Мир, 1981.
6. Угай, Я.А. Общая и неорганическая химия / Я.А.Угай. – М.: Высшая школа, 1997.