Mecanisme ale reacțiilor chimice în chimia organică. Tipuri de reacții chimice în chimia organică - Knowledge Hypermarket

>> Chimie: Tipuri de reacții chimice în chimia organică

Reacțiile substanțelor organice pot fi împărțite formal în patru tipuri principale: substituție, adăugare, eliminare (eliminare) și rearanjare (izomerizare). Este evident că întreaga varietate de reacții ale compușilor organici nu poate fi redusă la cadrul clasificării propuse (de exemplu, reacții de ardere). Cu toate acestea, o astfel de clasificare va ajuta la stabilirea analogiilor cu clasificările reacțiilor care au loc între substanțele anorganice deja familiare pentru dvs. din cursul chimiei anorganice.

De regulă, principalul compus organic care participă la reacție se numește substrat, iar cealaltă componentă a reacției este considerată condiționat ca reactiv.

Reacții de substituție

Reacțiile care au ca rezultat înlocuirea unui atom sau a unui grup de atomi din molecula originală (substrat) cu alți atomi sau grupuri de atomi se numesc reacții de substituție.

Reacțiile de substituție implică compuși saturați și aromatici, cum ar fi, de exemplu, alcani, cicloalcani sau arene.

Să dăm exemple de astfel de reacții.

Conținutul lecției rezumatul lecției suport cadru prezentarea lecției metode accelerative tehnologii interactive Practică sarcini și exerciții ateliere de autoexaminare, instruiri, cazuri, quest-uri teme pentru acasă întrebări discuții întrebări retorice de la elevi Ilustrații audio, clipuri video și multimedia fotografii, imagini grafice, tabele, scheme umor, anecdote, glume, benzi desenate, pilde, proverbe, cuvinte încrucișate, citate Suplimente rezumate articole jetoane pentru curioase cheat sheets manuale de bază și glosar suplimentar de termeni altele Îmbunătățirea manualelor și lecțiilorcorectarea erorilor din manual actualizarea fragmentului din manual elemente de inovare la lecție înlocuirea cunoștințelor învechite cu altele noi T numai pentru profesori lecții perfecte plan calendaristic pentru anul recomandări metodologice ale programului de discuții Lecții integrate PRELEZA 4
Clasificare și
mecanisme
reacții organice

Plan
4.1. Clasificare organică
reactii
4.2. Clasificarea reactivilor
4.3 Reacții
(SR)
radical
înlocuire
4.4 Reacții de adiție electrofile (AE)

4.1 Clasificarea reacțiilor organice

4.1 Clasificare
reacții organice
către
prin molecularitate
S reacții de substituție
Reacții de adiție A
Reacții de eliminare
E
Molecular
rearanjamente
Monomolecular
Bimolecular
Trimolecular

După metoda de rupere și formare a legăturilor

Heterolitic
(ionic)
* electrofil
* nucleofil
omolitic
(radical)
Molecular

Schema de rupere a legăturilor chimice

A:B
+
ÎN:
.
.
DAR
A:B
heterolitic
A: B
g ohm litic
A + B
bucuros ikala
+
+ V:
DAR
ioni asociați

Schema formării legăturilor chimice

+
DAR
.
+ V:
A + B
.
DAR
ÎN
heterolitic
DAR
ÎN
omolitic.

reacții heterolitice
numit ionic deoarece
sunt insotiti
formarea organicelor
ionii curg în
solventi organici
Reacții omolitice
curge predominant în
fază gazoasă

Reacții heterolitice în
dependență de electronică
natura particulei atacatoare
împărțit în nucleofili (simbol
N) și electrofil (simbol E).
În același timp, se presupune în mod convențional
una dintre particulele care interacționează
reactiv și celălalt substrat
asupra caruia actioneaza reactivul

Un substrat este o moleculă care
oferă un atom de carbon
formarea unei noi conexiuni
tip de reacție (nucleofilă
sau electrofil) este determinat de natura reactivului

Reactiv cu lone
pereche de electroni,
interacționând cu
substrat care are
lipsa de electroni
numit "nucleofil"
(iubind, căutând miezul) și
reacții nucleofile

Reactiv cu deficit electronic,
interacționând cu
un substrat cu un exces de electroni
numit
„electrofil” şi
reacție electrofilă

Nucleofil și
reacţiile electrofile sunt întotdeauna
interconectate
reactii insotite de
simultan
decalaj (consensual) și
se numește legătura
molecular (sincron,
de acord)

sinteza dienelor

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

4.2. Clasificarea reactivilor

4.2. Clasificarea reactivilor
La reactivii nucleofili
includ molecule care conțin
unul sau mai multe nedistribuite
perechi de electroni; ioni care transportă
sarcină negativă (anioni);
molecule cu centre
densitate crescută

Reactivi nucleofili

molecule neutre,
având perechi singuratice
electroni:
..
..
..
..
NH3; R - NH2; R2 - NH; R3N;
..
H2O;
..
..
R-OH;
..
..
;
R-O
R
..
anioni:
OH-; CN-; NH2-; RCOO-; RS-; Cl-;
Br-; eu-; HS03-;

Reactivi nucleofili

conexiuni,
conţinând centre cu
densitate de electroni crescută:
C
C
;
C
C
;

Reactivi electrofili

molecule neutre,
având un orbital liber:
SO3, acizi Lewis (AlCl3,
SnCl4, FeBr3, BF3)
cationi: proton (H+), ioni
metale (Men+), SO3H+, NO2+, NO+

molecule,
având
centre
din
densitate electronică redusă:
derivați halogenați ai hidrocarburilor Rδ+-
Halδ-, halogeni (Cl2, Br2, I2), compuși cu
grupa carbonil:
R
C
O
;
H
R
C
O
;
R1
R
C
O
; R
Oh
C
O
;
SAU

În reacțiile de chimie organică,
au loc de obicei în
mai multe etape, de ex. din
formarea intermediarilor
particule de scurtă durată
(intermediari): carbocationi,
carbanioni, radicali

Carbocationi - pozitiv
particule încărcate, atom
rulment de carbon pozitiv
taxa este in sp2 -
hibridizare.
Atom de carbon cu achiziție
modificări de sarcină pozitivă
starea sa de valență de la sp3 la
sp2, care este energetic mai mult
profitabil.

O caracteristică importantă
carbocationii sunt lor
durabilitate, care
determinat de grad
delocalizare
sarcină pozitivă

Stabilitatea carbocationului
se încadrează în linie:
terţiar
atomul C
>
secundar
atomul C
>
primar
atomul C

Stabilitatea carbocationului

+
CH3 CH3
m etiliu
cation
+
CH2
etiliu
cation
CH3
CH3
+
CH
izopropiliu
cation
CH3
CH3
STABILITATE CREȘTĂ
+
C
CH3
tertbutiliu
cation

carbanioni - negativ
particule încărcate, încărcare
care se datorează prezenţei în ele
structura atomului de C cu un singur
pereche electronică. În același timp, atomul
negativ purtător de carbon
încărcare, poate fi atât în ​​sp2 cât și
în hibridizarea sp3

Stabilitatea carbanionilor depinde de
gradul de delocalizare a negativului
sarcina pe atomul de carbon. decât ea
mai mare, cu atât stabilitatea lor este mai mare și
scade reactivitatea acestora.
Cel mai stabil ciclic
carbanioni, în structura cărora
există un electron π comun
densitate, inclusiv
4n+2 π-electroni

anion ciclopentadienil

Radicali liberi - oricare
activ neutru electric
particule care conțin
orbital cu un electron.
Radicalii liberi pot
li se atribuie particule,
conţinând un electron nepereche
nu numai asupra atomului de carbon (C ), dar
iar pe alţi atomi: R2N· ; RO

4.3. Reacții de substituție radicală (SR)

4.3. Reacții ale radicalului
înlocuire (SR)
Reacţiile SR sunt caracteristice
compuși ai alifatic și
serie aliciclică. Cum
de regulă, ele curg
mecanism cu lanț, principalul
ale căror etape sunt:
inițiere, dezvoltare (creștere
lanț) și circuit deschis.

În stadiul de inițiere
se formează radicalii liberi
pornind un lant
proces
Radicalii liberi pot
apar din cauza termică
sau fotochimice
iniţiere, precum şi
ca urmare a reacţiilor OB

Reacții de substituție radicală (SR)

R-H+A-A
substrat
reactiv
h
R-A+HA
produs
reactii

mecanism de reacție
substituție radicală (SR)
1. Inițiere
A-A
h
.
2A

2. Dezvoltarea lanțului

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

3. Circuit deschis
.
R
.
A
.
A
+
.
R
R-R
+
.
R
R-A
+
.
A
A-A

Ușurința de desprindere a atomului de H de atomul de carbon se încadrează în seria hidrocarburilor

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

Radicalii brom (Br˙) au
selectivitate ridicată: dacă
molecula are un secundar, și
în special atomul de carbon terțiar,
atunci bromurarea este predominant
merge la terțiar (secundar)
atom de carbon. Asemenea reactii
numit regioselectiv
(selectiv după loc
acţiuni) reacţii

Bromurarea alcanilor (reacții regioselective)

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

mecanism de reacție
bromurarea alcanilor
1. Inițiere
Br2
h
.
2Br

2. Dezvoltarea lanțului
.
Br + H3C
CH
CH3
H3C
.
CH
CH3 + HBr
H
Br2 + H3C
.
CH
CH3
H3C
CH
Br
.
CH3 + Br

3. Circuit deschis
.
.
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. Reacții de adiție electrofile

adiție electrofilă (AE)
caracteristic sistemelor nesaturate,
conţinând legături duble sau triple.
Natura nucleofilă a acestora
compuși datorită prezenței unei legături π,
care este o zonă cu
densitate de electroni crescută,
este polarizabil și ușor
se strică sub
reactivi electrofili

Mecanismul de reacție AE

+ X
C=C
substrat
Y
reactiv
X
C
+
C
-complex
+Y
C=C
X
Y
-complex
X
C
C
Y

Halogenare

H
H
C=C
H
+Br
Br
H
H
C=C
H
H
Br
Br
CH2
H2C
+
Br
brom de oniu
cation
+Br
H2C
CH2
Br
1,2-d ibrometan
H
Br

hidrogenare
H
C=C
+ H2
t, Kt
C
C
H
Hidrohalogenare
Cl
C=C
+ HCI
C
H
C

Hidratarea
Oh
C=C
+HOH
H
+
C
H
C

Regula lui Markovnikov:
când interacționează
Reactivi de tip HX cu
asimetric
alchene, hidrogen
se alătură
cel mai
Vladimir hidrogenat
Markovnikov
atom de carbon
(1837 – 1904)

Hidrohalogenarea alchenelor
regula lui Morkovnikov
CH3CH = CH2 + HCI
CH3
CH
Cl
2-cloropropan
CH3

mecanism de reacție
hidrohalogenare
CH3
CH3
+
+
CH
CH3
CH2
+
CH2
CH = CH2 + H
CH3
CH3
CH
Cl
CH3
+Cl
-

Schema de reacție de hidratare a alchenei

Schema reacției de hidratare
alchene
+
H2C = CH2 + H2O
H
H3C
CH2
Oh
etanol

Mecanismul de reacție de hidratare
alchene
..
+
+HOH
..
+
H C = CH + H
H C CH
2
2
H3C
3
CH2
+
O
H
+
-H
întoarcere
catalizator
H
Cation de oxoniu
2
H3C
CH2
Oh

regula clasica
Markovnikova este perfectă
aplicabil numai la
alchene, în cazul lor
derivate necesare
ia in considerare mecanismul
reacții și stabilitate
intermediari formați

Mecanismul de reacție de hidratare a acizilor carboxilici nesaturați împotriva regulii lui 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
O întoarcere
catalizator
Oh
Oh
-hidroxi acid

Acest tip de hidratare în
vivo face parte din proces
β-oxidarea nesaturatelor
acizi grași din organism

Sisteme înrudite
(alcadiene)
termodinamic cel mai mult
stabil, atât de des
se găsesc în natură.
Reacții ale AE cu astfel de diene
se procedează cu formarea a două
produse
Atașamente 1,4 și 1,2

Reacții AE în seria alcadienelor

1, 4
H2C=CH
CH = CH2 + HCI
H3C
CH=CH
CH2Cl
1-clorbuten-2
1, 2
H3C
CH
Cl
3-clorbuten-1
CH=CH2

Reacții AE în seria alcadienelor Mecanismul de reacție

+
H3C
H2C=CH
CH = CH2 + H+
H3C Mecanismul de reacție de hidratare
derivați ai acetilenei
H3C
C
+
CH+H
H3C
+
C=CH2
..
+HOH
..

Mecanismul de reacție de hidratare
derivați ai acetilenei
H3C
C=CH2
+
O
H
-H+
H3C
C=CH2
Oh
H

Clasificarea reacțiilor După numărul de substanțe inițiale și finale: 1. Aderare 2. Eliminare (eliminare) 3. Înlocuire

Clasificarea reacțiilor După mecanismul ruperii legăturii: 1. Radicali homolitici (radicali) 2. Ioni heterolitici (ionici)

Mecanism de reacție Mecanism - o descriere detaliată a unei reacții chimice pe etape, indicând produse intermediare și particule. Schema de reacție: Mecanismul de reacție:

Clasificarea reacțiilor în funcție de tipul de reactivi 1. Radical Un radical este o particulă activă chimic cu un electron nepereche. 2. Electrofil Un electrofil este o particulă sau o moleculă cu deficit de electroni cu un atom deficient de electroni. 3. Nucleofil Un nucleofil este un anion sau o moleculă neutră care are un atom cu o pereche de electroni neîmpărtășită.

Tipuri de legături chimice în substanțele organice Tipul principal de legătură este covalent (ionică este mai puțin comună) Legătura Sigma (σ-): Legătura Pi (-)

ALCANE - hidrocarburi alifatice (grase) "Alifatos" - ulei, grăsime (greacă). Cn. H 2 n+2 Limită, hidrocarburi saturate

Serii omoloage: CH 4 - metan C 2 H 6 - etan C 3 H 8 - propan C 4 H 10 - butan C 5 H 12 - pentan etc. C 6 H 14 - hexan C 7 H 16 - heptan C 8 H 18 - octan C 9 H 20 - nonan C 10 H 22 - decan și C 390 H 782 - nonocontactican (1985)

Modelul orbital atomic al moleculei de metan În molecula de metan, atomul de carbon nu mai are orbitali S și P! Cei 4 orbitali hibrizi SP 3 ai săi, care sunt echivalenti ca energie și formă, formează 4 legături cu orbitalii S ai atomului de hidrogen. HH4 -legături

Reacția de nitrare Konovalov Dmitri Petrovici (1856 -1928) 1880. Prima încercare reușită de a resuscita „morții chimici”, care erau considerați alcani. S-au găsit condițiile pentru nitrarea alcanilor. Orez. Sursa: http://images. yandex. ru.

Proprietăţi chimice I. Reacţii cu scindarea legăturilor C-H (reacţii de substituţie): 1. halogenare 2. nitrare 3. sulfoclorurare II. Reacții cu ruperea legăturilor C-C: 1. ardere 2. fisurare 3. izomerizare

Cum să găsești un chimist? Dacă vrei să găsești un chimist, întreabă ce sunt alunițele și neionizate. Și dacă începe să vorbească despre animale de blană și despre organizarea muncii, plecați cu calm. Scriitor de ficțiune, popularizator al științei Isaac Asimov (1920–1992) Fig. Sursa: http://images. yandex. ru.

1. Reacția de halogenare Clorinare: RH + Cl 2 hv RCl + HCl Bromurare: RH + Br 2 hv RBr + HBr De exemplu, clorurare cu metan: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl

Etapele mecanismului radicalilor liberi Schema de reacție: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl Mecanismul de reacție: I. Inițierea în lanț - etapa de generare a radicalilor liberi. Cl Cl 2 Cl Radicalul este o particulă activă, inițiatoarea reacției. – – Scena necesită energie sub formă de încălzire sau iluminare. Pașii următori pot continua pe întuneric, fără încălzire.

Etapele mecanismului radicalilor liberi II. Creșterea lanțului este etapa principală. CH 4 + Cl HCl + CH 3 + Cl 2 CH 3 Cl + Cl Etapa poate include mai multe substadii, fiecare formând un nou radical, dar nu H !!! La II, etapa principală, produsul principal se formează neapărat!

Etapele mecanismului radicalilor liberi III. Terminarea lanțului este recombinarea radicalilor. Cl + Cl Cl 2 Cl + CH 3 CH 3 Cl CH 3 + CH 3 CH 3 -CH 3 Oricare doi radicali se combină.

Selectivitatea substituirii Selectivitate - selectivitate. Regioselectivitate - selectivitate într-o anumită zonă a reacțiilor. De exemplu, selectivitatea halogenării: 45% 3% Concluzie? 55% 97%

Selectivitatea halogenării depinde de următorii factori: Condiții de reacție. La temperaturi scăzute este mai selectiv. natura halogenului. Cu cât halogenul este mai activ, cu atât reacția este mai puțin selectivă. F 2 reacţionează foarte energic, cu distrugerea legăturilor C-C. I 2 nu reacţionează cu alcanii în aceste condiţii. Structura unui alcan.

Influența structurii alcanilor asupra selectivității substituției. Dacă atomii de carbon din alcan sunt inegali, atunci înlocuirea fiecăruia dintre ei are loc cu o rată diferită. Relativ. viteza de reacție de substituție atomul H Secundar atomul H tert. clorurare atom de H 1 3, 9 5, 1 bromurare 1 82 1600 Concluzie?

Desprinderea unui atom terțiar de hidrogen necesită mai puțină energie decât detașarea unui secundar și primar! Formula alcanului Rezultatul omolizei 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) 3CH (CH3)3C + H 377

Direcția reacțiilor Orice reacție are loc predominant în direcția formării unei particule intermediare mai stabile!

O particulă intermediară în reacțiile radicalice este un radical liber. Cel mai stabil radical se formează cel mai ușor! Seria de stabilitate radicală: R 3 C > R 2 CH > RCH 2 > CH 3 Grupările alchil prezintă un efect donor de electroni, datorită căruia stabilizează radicalul

Reacția de sulfoclorurare Schema de reacție: RH + Cl 2 + SO 2 RSO 2 Cl + HCl Mecanismul de reacție: 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 etc.

Reacția lui D. P. Konovalov.Nitrarea conform lui Konovalov se realizează prin acțiunea acidului azotic diluat la temperatura de 140 o. C. Schema de reacție: RH + HNO 3 RNO 2 + H 2 O

Mecanismul reacției 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 etc. 3 .Circuit deschis.

Alchenele sunt hidrocarburi nesaturate cu o legătură C=C Cn. H 2 n C \u003d C - grup funcțional de alchene

Proprietățile chimice ale alchenelor Caracteristici generale Alchenele sunt o clasă reactivă de compuși. Ei intră în numeroase reacții, dintre care majoritatea se datorează ruperii unei legături pi mai puțin puternice. Е С-С (σ-) ~ 350 KJ/mol Е С=С (-) ~ 260 KJ/mol

Reacții caracteristice Adunarea este cel mai caracteristic tip de reacții. Legătura dublă este un donor de electroni, deci tinde să adauge: E - electrofili, cationi sau radicali

Exemple de reacții de adiție electrofile 1. Adăugarea de halogeni - Nu se adaugă toți halogenii, ci doar clor și brom! – Polarizarea unei molecule neutre de halogen poate avea loc sub acțiunea unui solvent polar sau sub acțiunea dublei legături a unei alchene. Soluția roșie-maro de brom devine incoloră

Adiție electrofilă Reacțiile au loc la temperatura camerei și nu necesită iluminare. Mecanism ionic. Schema de reacție: XY \u003d Cl 2, Br 2, HCl, HBr, HI, H 2 O

Complexul sigma este un carbocation - o particulă cu sarcină pozitivă pe atomul de carbon. Dacă în mediul de reacție sunt prezenți alți anioni, aceștia se pot atașa și de carbocation.

De exemplu, adăugarea de brom dizolvat în apă. Această reacție calitativă pentru o legătură dublă C=C are loc cu decolorarea soluției de brom și formarea a doi produși:

Adăugarea la alchene nesimetrice Regioselectivitatea adunării! Regula lui Markovnikov (1869): acizii și apa se adaugă la alchenele nesimetrice în așa fel încât hidrogenul să fie atașat de atomul de carbon mai hidrogenat.

Markovnikov Vladimir Vasilievici (1837 - 1904) Absolvent al Universității din Kazan. Din 1869 - Profesor la Catedra de Chimie. Fondatorul școlii științifice. Orez. Sursa: http://images. yandex. ru.

Explicația regulii lui Markovnikov Reacția are loc prin formarea celei mai stabile particule intermediare - carbocation. primar secundar, mai stabil

Seria de stabilitate a carbocationului: regula metilului primar terțiar secundar Markovnikov în formularea modernă: adăugarea unui proton la o alchenă are loc cu formarea unui carbocation mai stabil.

Adăugarea anti-Markovnikov CF 3 -CH=CH 2 + HBr CF 3 -CH 2 Br Formal, reacția este împotriva regulii lui Markovnikov. CF 3 - substituent atrăgător de electroni Alți agenți atrăgător de electroni: NO 2, SO 3 H, COOH, halogeni etc.

Adăugarea anti-Markovnikov mai stabilă instabilă CF 3 - acceptor de electroni, destabilizaază carbocation Reacția doar formal contravine regulii lui Markovnikov. De fapt, se supune, deoarece trece printr-un carbocation mai stabil.

Efect de peroxid Harash X CH 3 -CH \u003d CH 2 + HBr CH 3 -CH 2 Br X \u003d O 2, H 2 O 2, ROOR Mecanism de 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 este un radical mai stabil CH 3 -CH -CH 2 Br + HBr CH 3 -CH 2 Br + Br etc. 3. Orice doi radicali sunt legați între voi.

Adăugarea electrofilă 3. Hidratarea - adăugarea de apă - Reacția se desfășoară în prezența catalizatorilor acizi, cel mai adesea este acid sulfuric. Reacția se supune regulii lui Markovnikov. O modalitate ieftină de a obține alcool

La examen, academicianul Ivan Alekseevich Kablukov îi cere studentului să spună cum se obține hidrogenul în laborator. „Mercur”, răspunde el. „Cum este „de la mercur”? ! De obicei, se spune „din zinc”, dar din mercur - acesta este ceva original. Scrieți o reacție. Elevul scrie: Hg \u003d H + g Și spune: „Mercurul este încălzit; se descompune în H și g. H este hidrogen, este ușor și, prin urmare, zboară departe, iar g este accelerația gravitației, grele, rămâne. „Pentru un astfel de răspuns, trebuie să puneți „cinci”, spune Kablukov. - Să luăm o notă. Doar pe „cinci” ii voi incalzi si eu primul. „Trei” zboară, iar „doi” rămâne.

Doi chimiști în laborator: - Vasia, bagă mâna în acest pahar. - Am scăpat-o. - Simți ceva? - Nu. - Deci acid sulfuric într-un alt pahar.

Hidrocarburi aromatice Aromatic - parfumat? ? Compușii aromatici sunt benzen și substanțe care îi seamănă în comportament chimic!

Multe reacții de substituție deschid calea obținerii unei varietăți de compuși care au aplicații economice. Un rol uriaș în știința chimică și industrie este acordat substituției electrofile și nucleofile. În sinteza organică, aceste procese au o serie de caracteristici care ar trebui luate în considerare.

varietate de fenomene chimice. Reacții de substituție

Modificările chimice asociate cu transformările substanțelor se disting printr-o serie de caracteristici. Rezultatele finale, efectele termice pot fi diferite; unele procese merg până la sfârșit, în altele o schimbare a substanțelor este adesea însoțită de o creștere sau scădere a gradului de oxidare. La clasificarea fenomenelor chimice în funcție de rezultatul lor final, se acordă atenție diferențelor calitative și cantitative dintre reactanți și produși. După aceste trăsături se pot distinge 7 tipuri de transformări chimice, inclusiv substituția, urmând schema: AB + C AC + B. O înregistrare simplificată a unei întregi clase de fenomene chimice dă ideea că printre substanțele inițiale există o astfel de - numită „o particulă care înlocuiește un atom, un ion sau o grupare funcțională într-un reactiv. Reacția de substituție este tipică pentru limitarea și

Reacțiile de substituție pot avea loc sub forma unui dublu schimb: A-B + C-E A-C + B-E. Una dintre subspecii este deplasarea, de exemplu, a cuprului cu fier dintr-o soluție de sulfat de cupru: CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu. Atomii, ionii sau grupurile funcționale pot acționa ca o particulă „atacatoare”.

Substituție homolitică (radical, SR)

Cu un mecanism radical de rupere a legăturilor covalente, o pereche de electroni comună diferitelor elemente este distribuită proporțional între „fragmentele” moleculei. Se formează radicalii liberi. Acestea sunt particule instabile, a căror stabilizare are loc ca urmare a transformărilor ulterioare. De exemplu, când etanul este obținut din metan, apar radicali liberi care participă la reacția de substituție: CH4CH3. + .H; CH 3 . +.CH3 → C2H5; H. + .H → H2. Ruperea legăturii omolitice conform mecanismului de substituție dat este de natură în lanț. În metan, atomii de H pot fi înlocuiți succesiv cu clor. Reacția cu bromul se desfășoară în mod similar, dar iodul nu poate înlocui direct hidrogenul în alcani, fluorul reacționează prea puternic cu aceștia.

Metoda de clivaj heterolitic

Cu mecanismul ionic al reacțiilor de substituție, electronii sunt distribuiți neuniform printre particulele nou formate. Perechea de electroni de legare merge complet la unul dintre „fragmente”, cel mai adesea, la acel partener de legătură, spre care a fost deplasată densitatea negativă din molecula polară. Reacțiile de substituție includ formarea de alcool metilic CH3OH. În brometanul CH3Br, scindarea moleculei este heterolitică, iar particulele încărcate sunt stabile. Metilul capătă o sarcină pozitivă, iar bromul capătă una negativă: CH 3 Br → CH 3 + + Br - ; NaOH → Na + + OH -; CH3 + + OH - → CH3OH; Na ++ Br - ↔ NaBr.

Electrofili și nucleofili

Particulele cărora le lipsesc electroni și îi pot accepta sunt numite „electrofile”. Acestea includ atomi de carbon legați de halogeni din haloalcani. Nucleofilii au o densitate de electroni crescută, ei „donează” o pereche de electroni atunci când creează o legătură covalentă. În reacțiile de substituție, nucleofilii bogați în sarcini negative sunt atacați de electrofilii lipsiți de electroni. Acest fenomen este asociat cu deplasarea unui atom sau a unei alte particule - grupul care pleacă. Un alt tip de reacție de substituție este atacul unui electrofil de către un nucleofil. Uneori este dificil să distingem două procese, să atribui substituția unui tip sau altuia, deoarece este dificil de precizat exact care dintre molecule este substratul și care este reactivul. De obicei, în astfel de cazuri sunt luați în considerare următorii factori:

• natura grupului care părăsește;
• reactivitate nucleofilă;
• natura solventului;
• structura părții alchil.

Nucleofil de substituție (SN)

În procesul de interacțiune într-o moleculă organică se observă o creștere a polarizării. În ecuații, o sarcină parțială pozitivă sau negativă este marcată cu o literă din alfabetul grecesc. Polarizarea legăturii face posibilă aprecierea naturii rupturii acesteia și a comportamentului ulterioar al „fragmentelor” moleculei. De exemplu, atomul de carbon din iodmetan are o sarcină pozitivă parțială și este un centru electrofil. Atrage acea parte a dipolului de apă în care se află oxigenul, care are un exces de electroni. Când un electrofil interacționează cu un reactiv nucleofil, se formează metanol: CH 3 I + H 2 O → CH 3 OH + HI. Reacțiile de substituție nucleofilă au loc cu participarea unui ion încărcat negativ sau a unei molecule care are o pereche de electroni liberi care nu este implicată în crearea unei legături chimice. Participarea activă a iodometanului în reacțiile SN 2 se explică prin deschiderea sa la atacul nucleofil și mobilitatea iodului.

Substituție electrofilă (SE)

O moleculă organică poate conține un centru nucleofil, care se caracterizează printr-un exces de densitate electronică. Reacționează cu un reactiv electrofil care nu are încărcături negative. Astfel de particule includ atomi cu orbitali liberi, molecule cu zone cu densitate electronică scăzută. În carbon, care are o sarcină „-”, interacționează cu partea pozitivă a dipolului de apă - cu hidrogen: CH 3 Na + H 2 O → CH 4 + NaOH. Produsul acestei reacții de substituție electrofilă este metanul. În reacțiile heterolitice, centrele încărcate opus ai moleculelor organice interacționează, ceea ce le face similare cu ionii din chimia substanțelor anorganice. Nu trebuie trecut cu vederea faptul că transformarea compușilor organici este rareori însoțită de formarea de cationi și anioni adevărați.

Reacții monomoleculare și bimoleculare

Substituția nucleofilă este monomoleculară (SN1). Hidroliza unui produs important de sinteză organică, clorură de butil terțiar, se desfășoară după acest mecanism. Prima etapă este lentă, este asociată cu disocierea treptată în cation de carboniu și anion clorură. A doua etapă este mai rapidă, ionul de carboniu reacţionează cu apa. substituirea unui halogen într-un alcan cu o grupare hidroxi și obținerea unui alcool primar: (CH 3) 3 C-Cl → (CH 3) 3 C + + Cl - ; (CH3)3C + + H20 → (CH3)3C-OH + H +. Hidroliza într-o singură etapă a halogenurilor de alchil primare și secundare este caracterizată prin distrugerea simultană a legăturii de carbon cu halogenul și formarea unei perechi C-OH. Acesta este mecanismul de substituție bimoleculară nucleofilă (SN2).

Mecanismul de substituție heterolitică

Mecanismul de substituție este asociat cu transferul de electroni, crearea de complexe intermediare. Reacția se desfășoară cu cât mai repede, cu atât este mai ușor să se formeze produsele intermediare caracteristice acesteia. Adesea, procesul merge în mai multe direcții în același timp. Avantajul este obținut de obicei prin modul în care sunt utilizate particulele care necesită cele mai mici costuri energetice pentru formarea lor. De exemplu, prezența unei duble legături crește probabilitatea apariției cationului alil CH2=CH—CH2+, în comparație cu ionul CH3+. Motivul constă în densitatea electronică a legăturii multiple, care afectează delocalizarea sarcinii pozitive dispersate în întreaga moleculă.

Reacții de substituție a benzenului

Grupul pentru care substituția electrofilă este caracteristică este arenele. Inelul benzen este o țintă convenabilă pentru atacul electrofil. Procesul începe cu polarizarea legăturii în cel de-al doilea reactant, rezultând formarea unui electrofil adiacent norului de electroni al inelului benzenic. Rezultatul este un complex de tranziție. Nu există încă o legătură cu drepturi depline a unei particule electrofile cu unul dintre atomii de carbon; aceasta este atrasă de întreaga sarcină negativă a „șase aromatici” de electroni. În a treia etapă a procesului, electrofilul și un atom de carbon al inelului sunt conectate printr-o pereche comună de electroni (legatură covalentă). Dar în acest caz, „șase aromatice” sunt distruse, ceea ce este nefavorabil din punctul de vedere al atingerii unei stări energetice durabile stabile. Există un fenomen care poate fi numit „ejecție de protoni”. Există o scindare a H +, un sistem stabil de legături, caracteristic arenelor, este restaurat. Produsul secundar conține un cation de hidrogen din inelul benzenic și un anion din compoziția celui de-al doilea reactiv.

Exemple de reacții de substituție din chimia organică

Pentru alcani, reacția de substituție este deosebit de caracteristică. Exemple de transformări electrofile și nucleofile pot fi date pentru cicloalcani și arene. Reacții similare în moleculele de substanțe organice apar în condiții normale, dar mai des atunci când sunt încălzite și în prezența catalizatorilor. Substituția electrofilă în nucleul aromatic este unul dintre procesele larg răspândite și bine studiate. Cele mai importante reacții de acest tip sunt:

1. Nitrarea benzenului în prezența H 2 SO 4 - merge după schema: C 6 H 6 → C 6 H 5 -NO 2.
2. Halogenarea catalitică a benzenului, în special clorurarea, conform ecuației: C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.
3. Procedează aromatic cu acid sulfuric „afumant”, se formează acizi benzensulfonici.
4. Alchilarea este înlocuirea unui atom de hidrogen din ciclul benzenic cu un alchil.
5. Acilarea este formarea de cetone.
6. Formilarea este înlocuirea hidrogenului cu o grupare CHO și formarea de aldehide.

Reacțiile de substituție includ reacții în alcani și cicloalcani, în care halogenii atacă legătura C-H disponibilă. Prepararea derivaților poate fi asociată cu înlocuirea unuia, a doi sau a tuturor atomilor de hidrogen în hidrocarburi saturate și cicloparafine. Mulți dintre haloalcanii cu greutate moleculară mică își găsesc utilizare în producerea de substanțe mai complexe aparținând unor clase diferite. Progresele realizate în studierea mecanismelor reacțiilor de substituție au dat un impuls puternic dezvoltării sintezelor pe bază de alcani, cicloparafine, arene și derivați de halogen ai hidrocarburilor.

Tipuri de reacții chimice în chimia anorganică și organică.

1. O reacție chimică este un proces în care alte substanțe se formează dintr-o substanță. În funcție de natura procesului, se disting tipuri de reacții chimice.

1) Conform rezultatului final

2) Pe baza degajării sau absorbției de căldură

3) Pe baza reversibilității reacției

4) Pe baza unei modificări a gradului de oxidare a atomilor care alcătuiesc reactanţii

Conform rezultatului final, reacțiile sunt de următoarele tipuri:

A) Înlocuire: RH+Cl2 → RCl+HCl

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

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

D) Descompunere: CH 4 → C + 2H 2

D) Izomerizare

E) Schimb

G) Conexiuni

Reacția de descompunere Un proces în care două sau mai multe alte substanțe se formează dintr-o substanță.

Reacția de schimb numit procesul prin care reactanții schimbă constituenți.

Reacții de substituție apar cu participarea unor substanțe simple și complexe, ca urmare, se formează noi substanțe simple și complexe.

Ca rezultat reacții compuse o substanță nouă se formează din două sau mai multe substanțe.

Pe baza eliberării sau absorbției căldurii de reacție, există următoarele tipuri:

a) exotermic

B) Endotermic

exotermic - Acestea sunt reacții care eliberează căldură.

Endotermic sunt reacții care absorb căldură din mediu.

Pe baza reversibilității, reacțiile sunt de următoarele tipuri:

A) reversibil

B) ireversibile

Se numesc reacțiile care au loc într-o singură direcție și se termină cu conversia completă a reactanților inițiali în substanțe finale ireversibil.

reversibil Reacțiile se numesc acelea care se desfășoară simultan în două direcții reciproc opuse.

Pe baza modificării stării de oxidare a atomilor care alcătuiesc reactanții, reacțiile sunt de următoarele tipuri:

a) redox

Reacțiile care apar la schimbarea stării de oxidare a atomilor (în care electronii se transferă de la un atom, molecule sau ioni la alții) se numesc redox.

2. După mecanismul reacției, ele sunt împărțite în ionice și radicale.

Reacții ionice- interacțiunea dintre ioni ca urmare a rupturii heterolitice a unei legături chimice (o pereche de electroni trece în întregime la unul dintre „fragmente”).

Reacțiile ionice sunt de două tipuri (în funcție de tipul de reactiv):

A) electrofil - în timpul reacției cu un electrofil.

electrofil- o grupare care are orbiti liberi pentru unii atomi, sau centre cu o densitate electronică redusă (de exemplu: H +, Cl - sau AlCl 3)

B) Nucleofil - în cursul interacțiunii cu un nucleofil

nucleofil - un ion sau o moleculă încărcată negativ cu o pereche de electroni neîmpărțită (care nu participă în prezent la formarea unei legături chimice).

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

Procesele chimice reale, numai în cazuri rare, pot fi descrise prin mecanisme simple. O examinare detaliată a proceselor chimice din punct de vedere cinetic molecular arată că cele mai multe dintre ele se desfășoară printr-un mecanism de lanț radical, o caracteristică a lanțului p-țiune este formarea de radicali liberi în stadii intermediare (fragmente instabile de molecule sau atomi cu un durată scurtă de viață, toate au conexiuni gratuite.

Procesele de ardere, explozie, oxidare, reacții fotochimice, reacții biochimice la organismele vii decurg conform mecanismului în lanț.

Districtele lanț au mai multe etape:

1) nuclearea lanțului - etapa de p-țiune a lanțului, în urma căreia apar radicali liberi din moleculele saturate cu valență.

2) continuarea lanțului - stadiul lanțului p-ției, procedându-se la păstrarea numărului total de etape libere.

3) ruperea lanțului - o etapă elementară a lanțurilor p-tionului care duce la dispariția legăturilor libere.

Există reacții în lanț ramificate și neramificate.

Unul dintre cele mai importante concepte ale lanțului este Lungimea lanțului- numărul mediu de etape elementare de continuare a lanțului după apariția unui radical liber până la dispariția acestuia.

Exemplu: Sinteza clorurii de hidrogen

1) m-la CL 2 absoarbe o cantitate de energie și o imagine a 2 radicali: CL 2 + hv \u003d CL * + CL *

2) particula activă se combină cu molecula m H 2 formând acid clorhidric și particula activă H 2: CL 1 + H 2 \u003d HCL + H *

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

6) H * + CL * \u003d HCL - circuit deschis.

Mecanism ramificat:

F * + H 2 \u003d HF + H * etc.

F * + H 2 \u003d HF + H * etc.

În apă, este mai dificil - se formează radicalii OH*, O* și H*.

Reacții care apar sub influența radiațiilor ionizante: raze X, raze catodice și așa mai departe - numit radiochimic.

Ca urmare a interacțiunii moleculelor cu radiația, se observă degradarea moleculelor cu formarea celor mai reactive particule.

Astfel de reacții contribuie la recombinarea particulelor și la formarea de substanțe cu diferitele lor combinații.

Un exemplu este hidrazina N 2 H 4 - o componentă a combustibilului pentru rachete. Recent, au fost făcute încercări de a obține hidrazină din amoniac ca urmare a expunerii la razele γ:

NH 3 → NH 2 * + H *

2NH2* → N2H4

Reacțiile radiochimice, cum ar fi radioliza apei, sunt importante pentru activitatea vitală a organismelor.

Literatură:

1. Akhmetov, N.S. Chimie generală și anorganică / N.S. Akhmetov. - Ed. a 3-a. - M .: Şcoala superioară, 2000. - 743 p.

1. Korovin N.V. Chimie generală / N.V. Korovin. - M.: Liceu, 2006. - 557 p.
2. Kuzmenko N.E. Un curs scurt de chimie / N.E. Kuzmenko, V.V. Eremin, V.A. Popkov. - M.: Şcoala superioară, 2002. - 415 p.
3. Zaitsev, O.S. Chimie generală. Structura substanțelor și reacțiilor chimice / O.S. Zaytsev. – M.: Chimie, 1990.
4. Karapetyants, M.Kh. Structura materiei / M.Kh. Karapetyants, S.I. Drakin. - M .: Liceu, 1981.
5. Cotton F. Fundamentals of anorganic chemistry / F. Cotton, J. Wilkinson. – M.: Mir, 1981.
6. Ugay, Ya.A. Chimie generală și anorganică / Ya.A.Ugai. - M .: Liceu, 1997.