Mekanismer för kemiska reaktioner i organisk kemi. Typer av kemiska reaktioner inom organisk kemi - Kunskapsstormarknad

>> Kemi: Typer av kemiska reaktioner inom organisk kemi

Organiska ämnens reaktioner kan formellt delas in i fyra huvudtyper: substitution, addition, eliminering (eliminering) och omarrangemang (isomerisering). Det är uppenbart att alla olika reaktioner av organiska föreningar inte kan reduceras till ramen för den föreslagna klassificeringen (till exempel förbränningsreaktioner). En sådan klassificering kommer dock att bidra till att upprätta analogier med klassificeringarna av reaktioner som äger rum mellan oorganiska ämnen som redan är bekanta för dig från oorganisk kemi.

Som regel kallas den huvudsakliga organiska föreningen som deltar i reaktionen substratet, och den andra komponenten i reaktionen betraktas villkorligt som ett reagens.

Substitutionsreaktioner

Reaktioner som resulterar i att en atom eller grupp av atomer i den ursprungliga molekylen (substratet) ersätts med andra atomer eller grupper av atomer kallas substitutionsreaktioner.

Substitutionsreaktioner involverar mättade och aromatiska föreningar, såsom till exempel alkaner, cykloalkaner eller arener.

Låt oss ge exempel på sådana reaktioner.

Lektionens innehåll lektionssammanfattning stödram lektionspresentation accelerativa metoder interaktiva tekniker Öva uppgifter och övningar självgranskning workshops, utbildningar, fall, uppdrag läxor diskussionsfrågor retoriska frågor från studenter Illustrationer ljud, videoklipp och multimedia fotografier, bilder grafik, tabeller, scheman humor, anekdoter, skämt, serieliknelser, talesätt, korsord, citat Tillägg sammandrag artiklar chips för nyfikna cheat sheets läroböcker grundläggande och ytterligare ordlista med termer andra Förbättra läroböcker och lektionerrätta fel i läroboken uppdatera fragmentet i läroboken element av innovation i lektionen ersätta föråldrad kunskap med nya T endast för lärare perfekta lektioner kalenderplan för året metodologiska rekommendationer för diskussionsprogrammet Integrerade lektioner FÖRELÄSNING 4
Klassificering och
mekanismer
organiska reaktioner

Planen
4.1. Ekologisk klassificering
reaktioner
4.2. Klassificering av reagenser
4.3 Reaktioner
(SR)
radikal
ersättning
4.4 Elektrofila additionsreaktioner (AE)

4.1 Klassificering av organiska reaktioner

4.1 Klassificering
organiska reaktioner
mot
genom molekylaritet
S substitutionsreaktioner
Tilläggsreaktioner A
Elimineringsreaktioner
E
Molekyl
omarrangemang
Monomolekylär
Bimolekylär
Trimolekylär

Enligt metoden att bryta och bilda bindningar

Heterolytisk
(jonisk)
*elektrofil
*nukleofil
Homolytisk
(radikal)
Molekyl

Schema för att bryta kemiska bindningar

A:B
+
PÅ:
.
.
MEN
A:B
heterolytisk
A: B
g ohm lytisk
A + B
glad ikala
+
+ V:
MEN
e associerade joner

Schema för bildandet av kemiska bindningar

+
MEN
.
+ V:
A + B
.
MEN
PÅ
heterolytisk
MEN
PÅ
homolytisk.

heterolytiska reaktioner
kallas jonisk eftersom
de åtföljs
bildandet av organiskt
joner flödar in
organiska lösningsmedel
Homolytiska reaktioner
flöda övervägande in
gasfas

Heterolytiska reaktioner i
beroende av elektronisk
arten av den attackerande partikeln
uppdelad i nukleofiler (symbol
N) och elektrofil (symbol E).
Samtidigt är det konventionellt förutsatt
en av de interagerande partiklarna
reagens och det andra substratet
som reagenset verkar på

Ett substrat är en molekyl som
ger en kolatom
bildandet av en ny förbindelse
typ av reaktion (nukleofil
eller elektrofil) bestäms av reagensens natur

Reagens med ensam
elektronpar,
interagerar med
substrat som har
brist på elektroner
kallas "nukleofil"
(kärlek, letar efter kärnan), och
nukleofila reaktioner

Reagens med elektroniskt underskott,
interagerar med
ett substrat med ett överskott av elektroner
kallad
"elektrofila" och
elektrofil reaktion

Nukleofila och
elektrofila reaktioner är alltid
sammankopplade
reaktioner åtföljda av
samtidig
(samförstånd) gap och
bindning kallas
molekylär (synkron,
gick med på)

diensyntes

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

4.2. Klassificering av reagenser

4.2. Klassificering av reagenser
Till nukleofila reagenser
inkluderar molekyler som innehåller
en eller flera odelade
elektronpar; joner som bär
negativ laddning (anjoner);
molekyler med centra
ökad densitet

Nukleofila reagenser

neutrala molekyler,
ha ensamma par
elektroner:
..
..
..
..
NH3; R - NH2; R2 - NH; R3N;
..
H2O;
..
..
R-OH;
..
..
;
R-O
R
..
anjoner:
ÅH-; CN-; NH2-; RCOO-; RS-; Cl-;
Br-; I-; HSO3-;

Nukleofila reagenser

anslutningar,
innehållande centra med
ökad elektrondensitet:
C
C
;
C
C
;

Elektrofila reagenser

neutrala molekyler,
har en ledig orbital:
SO3, Lewis-syror (AlCl3,
SnCl4, FeBr3, BF3)
katjoner: proton (H+), joner
metaller (Men+), SO3H+, NO2+, NO+

molekyler,
har
centrerar
med
reducerad elektrondensitet:
halogenderivat av kolväten Rδ+-
Halδ-, halogener (Cl2, Br2, I2), föreningar med
karbonylgrupp:
R
C
O
;
H
R
C
O
;
R1
R
C
O
; R
Åh
C
O
;
ELLER

I organiska kemiska reaktioner,
sker vanligtvis i
flera stadier, dvs. med
bildandet av mellanliggande
kortlivade partiklar
(mellanprodukter): kolhydrater,
karbanioner, radikaler

Kolhydrater - positivt
laddade partiklar, atom
kolbärande positiv
laddningen är i sp2 -
hybridisering.
Kolatom med förvärv
positiva laddningsförändringar
dess valenstillstånd från sp3 till
sp2, vilket är energimässigt mer
lönsam.

En viktig egenskap
kolhydrater är deras
hållbarhet, vilket
bestäms av graden
utlokalisering
Positiv laddning

Kolsyrastabilitet
faller i raden:
tertiär
atom C
>
sekundär
atom C
>
primär
atom C

Kolsyrastabilitet

+
CH3 CH3
m etylium
katjon
+
CH2
etylium
katjon
CH3
CH3
+
CH
isopropylium
katjon
CH3
CH3
ÖKAD STABILITET
+
C
CH3
tertbutylium
katjon

Karbanioner - negativ
laddade partiklar, laddning
vilket beror på närvaron i dem
strukturen hos C-atomen med en ensam
elektroniskt par. Samtidigt atomen
kollager negativ
laddning, kan vara både i sp2 och
i sp3 hybridisering

Karbanjonernas stabilitet beror på
graden av delokalisering av det negativa
laddning på kolatomen. Än hon
högre, desto högre är deras stabilitet och
minska deras reaktivitet.
Den mest stabila cykliska
karbanioner, i vilkas struktur
det finns en gemensam π-elektron
densitet, inklusive
4n+2 π-elektroner

cyklopentadienylanjon

Fria radikaler - vilka som helst
elektriskt neutral aktiv
partikelinnehållande
en-elektron orbital.
Fria radikaler kan
tilldelas partiklar,
som innehåller en oparad elektron
inte bara på kolatomen (C ), utan
och på andra atomer: R2N· ; RO

4.3. Radikala substitutionsreaktioner (SR)

4.3. Radikalens reaktioner
substitution (SR)
SR-reaktioner är karakteristiska för
föreningar av alifatiska och
alicykliska serier. på vilket sätt
som regel flyter de
kedjemekanism, den huvudsakliga
vars stadier är:
initiering, utveckling (tillväxt
kedja) och öppen krets.

På initieringsstadiet
fria radikaler bildas
starta en kedja
bearbeta
Fria radikaler kan
uppstår på grund av termisk
eller fotokemisk
initiering, liksom
som ett resultat av OB-reaktioner

Radikala substitutionsreaktioner (SR)

R-H+A-A
substrat
reagens
h
R-A+HA
produkt
reaktioner

reaktionsmekanism
radikal substitution (SR)
1. Initiering
A-A
h
.
2A

2. Kedjeutveckling

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

3. Öppen krets
.
R
.
A
.
A
+
.
R
R-R
+
.
R
R-A
+
.
A
A-A

Lättheten att lossa H-atomen från kolatomen faller i serien av kolväten

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

Bromradikaler (Br˙) har
hög selektivitet: om
molekyl har en sekundär, och
speciellt den tertiära kolatomen,
då är bromering övervägande
går till tertiär (sekundär)
kolatom. Sådana reaktioner
kallas regioselektiv
(selektiv efter plats
handlingar) reaktioner

Bromering av alkaner (regioselektiva reaktioner)

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

reaktionsmekanism
bromering av alkaner
1. Initiering
Br2
h
.
2Br

2. Kedjeutveckling
.
Br + H3C
CH
CH3
H3C
.
CH
CH3 + HBr
H
Br2 + H3C
.
CH
CH3
H3C
CH
Br
.
CH3 + Br

3. Öppen krets
.
.
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 etylbutan
CH3

4.4. Elektrofila additionsreaktioner

Elektrofil addition (AE)
karakteristiska för omättade system,
som innehåller dubbel- eller trippelbindningar.
Dessas nukleofila natur
föreningar på grund av närvaron av en π-bindning,
som är ett område med
ökad elektrondensitet,
är polariserbar och lätt
går sönder under
elektrofila reagens

AE-reaktionsmekanism

+ X
C=C
substrat
Y
reagens
X
C
+
C
-komplex
+Y
C=C
X
Y
-komplex
X
C
C
Y

Halogenering

H
H
C=C
H
+Br
Br
H
H
C=C
H
H
Br
Br
CH2
H2C
+
Br
oniumbrom
katjon
+Br
H2C
CH2
Br
1,2-d ibromo-etan
H
Br

hydrering
H
C=C
+ H2
t, Kt
C
C
H
Hydrohalogenering
Cl
C=C
+ HCl
C
H
C

Hydrering
Åh
C=C
+HOH
H
+
C
H
C

Markovnikovs regel:
när du interagerar
HX-typ reagens med
asymmetrisk
alkener, väte
ansluter sig
mest
hydrerade Vladimir
Markovnikov
kolatom
(1837 – 1904)

Hydrohalogenering av alkener
Morkovnikovs styre
CH3CH = CH2 + HCl
CH3
CH
Cl
2-klorpropan
CH3

reaktionsmekanism
hydrohalogenering
CH3
CH3
+
+
CH
CH3
CH2
+
CH2
CH = CH2 + H
CH3
CH3
CH
Cl
CH3
+Cl
-

Reaktionsschema för alkenhydratisering

Schema för hydratiseringsreaktionen
alkener
+
H2C = CH2 + H2O
H
H3C
CH2
Åh
etanol

Hydration reaktionsmekanism
alkener
..
+
+HOH
..
+
H C = CH + H
H C CH
2
2
H3C
3
CH2
+
O
H
+
-H
lämna tillbaka
katalysator
H
Oxoniumkatjon
2
H3C
CH2
Åh

klassisk regel
Markovnikova är perfekt
gäller endast för
alkener, när det gäller deras
derivat som behövs
ta hänsyn till mekanismen
reaktioner och stabilitet
bildade mellanprodukter

Hydreringsreaktionsmekanism av omättade karboxylsyror mot Morkovnikovs regel

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

..
HOH
..
O
R
CH
+
O
H
H
CH2
C
O
R
-H+
CH
CH2
C
Åh återvända
katalysator
Åh
Åh
-hydroxisyra

Denna typ av hydrering i
vivo är en del av processen
β-oxidation av omättade
fettsyror i kroppen

Relaterade system
(alkadiener)
termodynamiskt mest
stabil, så ofta
finns i naturen.
Reaktioner av AE med sådana diener
fortsätt med bildandet av två
Produkter
1,4- och 1,2-fästen

AE-reaktioner i alkadienserien

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

AE-reaktioner i alkadienserien Reaktionsmekanism

+
H3C
H2C=CH
CH = CH2 + H+
H3C Hydration reaktionsmekanism
acetylenderivat
H3C
C
+
CH+H
H3C
+
C=CH2
..
+HOH
..

Hydration reaktionsmekanism
acetylenderivat
H3C
C=CH2
+
O
H
-H+
H3C
C=CH2
Åh
H

Klassificering av reaktioner Enligt antalet initiala och slutliga ämnen: 1. Tillträde 2. Eliminering (eliminering) 3. Substitution

Klassificering av reaktioner Enligt bindningsbrytningsmekanismen: 1. Homolytiska (radikala) radikaler 2. Heterolytiska (joniska) joner

Reaktionsmekanism Mekanism - en detaljerad beskrivning av en kemisk reaktion i steg, med angivande av mellanprodukter och partiklar. Reaktionsschema: Reaktionsmekanism:

Klassificering av reaktioner efter typ av reagens 1. Radikal En radikal är en kemiskt aktiv partikel med en oparad elektron. 2. Elektrofil En elektrofil är en elektronbrist partikel eller molekyl med en elektronbrist atom. 3. Nukleofil En nukleofil är en anjon eller en neutral molekyl som har en atom med ett odelat elektronpar.

Typer av kemiska bindningar i organiska ämnen Huvudtypen av bindning är kovalent (jonisk är mindre vanligt) Sigmabindning (σ-): Pi-bindning (-)

ALKANE - alifatiska (fettiga) kolväten "Alifatos" - olja, fett (grekiska). Cn. H 2 n+2 Gränsvärde, mättade kolväten

Homolog serie: 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 - oktan C 9 H 20 - nonan C 10 H 22 - dekan och C 390 H 782 - nonocontactican (1985)

Atomomloppsmodell av metanmolekylen I metanmolekylen har kolatomen inte längre S- och P-orbitaler! Dess 4 hybrid SP 3 orbitaler, som är ekvivalenta i energi och form, bildar 4 bindningar med väteatomens S orbitaler. HH4-bindningar

Nitreringsreaktion Konovalov Dmitry Petrovich (1856 -1928) 1880. Det första framgångsrika försöket att återuppliva de "kemiska döda", som ansågs vara alkaner. Hittade förutsättningarna för nitrering av alkaner. Ris. Källa: http://images. yandex. ru.

Kemiska egenskaper I. Reaktioner med klyvning av C-H-bindningar (substitutionsreaktioner): 1. halogenering 2. nitrering 3. sulfoklorering II. Reaktioner med brott av C-C-bindningar: 1. förbränning 2. sprickbildning 3. isomerisering

Hur hittar man en kemist? Om du vill hitta en kemist, fråga vad en mullvad och icke-joniserad är. Och om han börjar prata om pälsdjur och organisationen av arbetet, lämna lugnt. Skönlitterär författare, populariserare av vetenskapen Isaac Asimov (1920–1992) Fig. Källa: http://images. yandex. ru.

1. Halogeneringsreaktion Klorering: RH + Cl 2 hv RCl + HCl Bromering: RH + Br 2 hv RBr + HBr Till exempel metanklorering: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl

Stadier av mekanismen för fria radikaler Reaktionsschema: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl Reaktionsmekanism: I. Kedjeinitiering - steget för generering av fria radikaler. Cl Cl 2 Cl Radikalen är en aktiv partikel, initiatorn av reaktionen. – – Scenen kräver energi i form av uppvärmning eller belysning. De efterföljande stegen kan fortsätta i mörker, utan uppvärmning.

Stadier av friradikalmekanismen II. Kedjetillväxt är huvudstadiet. CH 4 + Cl HCl + CH 3 + Cl 2 CH 3 Cl + Cl Steget kan inkludera flera delsteg, som var och en bildar en ny radikal, men inte H !!! Vid II, huvudstadiet, bildas nödvändigtvis huvudprodukten!

Stadier av friradikalmekanismen III. Kedjeavslutning är rekombinationen av radikaler. Cl + Cl Cl 2 Cl + CH 3 CH 3 Cl CH 3 + CH 3 CH 3 - CH 3 Alla två radikaler kombineras.

Selektivitet av substitution Selektivitet - selektivitet. Regioselektivitet - selektivitet inom ett visst område av reaktioner. Till exempel halogeneringsselektivitet: 45% 3% Slutsats? 55 % 97 %

Selektiviteten för halogenering beror på följande faktorer: Reaktionsförhållanden. Vid låga temperaturer är det mer selektivt. halogenens natur. Ju aktivare halogenen är, desto mindre selektiv reaktion. F2 reagerar mycket kraftigt med förstörelse av C-C-bindningar. I2 reagerar inte med alkaner under dessa förhållanden. Strukturen av en alkan.

Inverkan av alkanstruktur på substitutionsselektivitet. Om kolatomerna i alkanen är ojämlika, så fortskrider substitutionen för var och en av dem med olika hastighet. Relativt. substitutionsreaktionshastighet atom H Sekundär atom H tert. H atom klorering 1 3, 9 5, 1 bromering 1 82 1600 Slutsats?

Frigörandet av en tertiär väteatom kräver mindre energi än avskiljandet av en sekundär och primär! Alkanformel Resultat av homolys 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

Reaktionsriktning Varje reaktion fortskrider övervägande i riktning mot bildandet av en stabilare mellanpartikel!

En mellanliggande partikel i radikalreaktioner är en fri radikal. Den mest stabila radikalen bildas lättast! Radikalstabilitetsserie: R 3 C> R 2 CH> RCH 2> CH 3 Alkylgrupper uppvisar en elektrondonatoreffekt, på grund av vilken de stabiliserar radikalen

Sulfokloreringsreaktion Reaktionsschema: RH + Cl 2 + SO 2 RSO 2 Cl + HCl Reaktionsmekanism: 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.

D. P. Konovalovs reaktion Nitrering enligt Konovalov utförs genom inverkan av utspädd salpetersyra vid en temperatur av 140 o. C. Reaktionsschema: RH + HNO3 RNO2 + H2O

Mekanismen för Konovalov-reaktionen 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 .Öppen krets.

Alkener är omättade kolväten med en C=C Cn-bindning. H 2 n C \u003d C - funktionell grupp av alkener

Kemiska egenskaper hos alkener Allmänna egenskaper Alkener är en reaktiv klass av föreningar. De kommer in i många reaktioner, varav de flesta beror på att en mindre stark pi-bindning bryts. Е С-С (σ-) ~ 350 KJ/mol Е С=С (-) ~ 260 KJ/mol

Karakteristiska reaktioner Addition är den mest karakteristiska typen av reaktioner. Dubbelbindningen är en elektrondonator, så den tenderar att lägga till: E - elektrofiler, katjoner eller radikaler

Exempel på elektrofila additionsreaktioner 1. Tillsats av halogener - Alla halogener tillsätts inte utan endast klor och brom! – Polarisering av en neutral halogenmolekyl kan ske under inverkan av ett polärt lösningsmedel eller under inverkan av dubbelbindningen av en alken. Den rödbruna lösningen av brom blir färglös

Elektrofila additionsreaktioner fortgår vid rumstemperatur och kräver ingen belysning. Jonisk mekanism. Reaktionsschema: XY \u003d Cl 2, Br 2, HCl, HBr, HI, H 2 O

Sigmakomplexet är en karbokatjon - en partikel med en positiv laddning på kolatomen. Om andra anjoner finns i reaktionsmediet kan de också fästa vid karbokaten.

Till exempel tillsats av brom löst i vatten. Denna kvalitativa reaktion för en dubbel C=C-bindning fortskrider med avfärgningen av bromlösningen och bildandet av två produkter:

Tillägg till osymmetriska alkener Regioselektivitet för addition! Markovnikovs regel (1869): syror och vatten tillsätts till osymmetriska alkener på ett sådant sätt att väte binds till den mer hydrerade kolatomen.

Markovnikov Vladimir Vasilievich (1837 - 1904) Examen från Kazan University. Sedan 1869 - Professor vid kemiska institutionen. Grundare av den vetenskapliga skolan. Ris. Källa: http://images. yandex. ru.

Förklaring av Markovnikovs regel Reaktionen fortskrider genom bildandet av den mest stabila mellanliggande partikeln - karbokatation. primär sekundär, mer stabil

Karbokationstabilitetsserie: tertiär sekundär primär metyl Markovnikovs regel i den moderna formuleringen: tillägget av en proton till en alken sker med bildandet av en mer stabil karbokatation.

Anti-Markovnikov-addition CF 3 -CH=CH 2 + HBr CF 3 -CH 2 Br Formellt går reaktionen emot Markovnikovs regel. CF 3 - elektrondragande substituent Andra elektronbortdragande medel: NO 2, SO 3 H, COOH, halogener, etc.

Anti-Markovnikov-addition mer stabil instabil CF 3 - elektronacceptor, destabiliserar karbokatation Reaktionen går endast formellt emot Markovnikovs regel. Faktum är att den lyder, eftersom den går igenom en mer stabil kolsyra.

Harash peroxideffekt X CH 3 -CH \u003d CH 2 + HBr CH 3 -CH 2 Br X \u003d O 2, H 2 O 2, ROOR Friradikalmekanism: 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 är en mer stabil radikal CH 3 -CH -CH 2 Br + HBr CH 3 -CH 2 Br + Br, etc. 3. Alla två radikaler är kopplade mellan dig.

Elektrofil tillsats 3. Hydrering - tillsats av vatten - Reaktionen fortskrider i närvaro av sura katalysatorer, oftast är det svavelsyra. Reaktionen lyder Markovnikovs regel. Billigt sätt att få alkohol

Vid tentamen ber akademikern Ivan Alekseevich Kablukov studenten berätta hur väte erhålls i laboratoriet. "Mercury", svarar han. "Hur är det "från kvicksilver"? ! Vanligtvis säger de "från zink", men från kvicksilver - det här är något original. Skriv en reaktion. Eleven skriver: Hg \u003d H + g Och säger: ”Kviksilvret värms upp; den sönderdelas till H och g. H är väte, det är lätt och flyger därför iväg, och g är tyngdaccelerationen, tung, kvarstår. "För ett sådant svar måste du sätta" fem", säger Kablukov. - Låt oss göra en anteckning. Bara de "fem" ska jag också värma upp först. "Tre" flyger iväg, och "två" är kvar.

Två kemister i laboratoriet: - Vasya, stoppa in handen i det här glaset. - Jag tappade det. - Känner du något? - Inte. – Så svavelsyra i ett annat glas.

Aromatiska kolväten Aromatiska - doftande? ? Aromatiska föreningar är bensen och ämnen som liknar det i kemiskt beteende!

Många substitutionsreaktioner öppnar vägen för att erhålla en mängd olika föreningar som har ekonomiska tillämpningar. En stor roll inom kemivetenskap och industri ges åt elektrofil och nukleofil substitution. I organisk syntes har dessa processer ett antal egenskaper som bör beaktas.

olika kemiska fenomen. Substitutionsreaktioner

Kemiska förändringar i samband med omvandlingar av ämnen kännetecknas av ett antal egenskaper. De slutliga resultaten, termiska effekter kan vara annorlunda; vissa processer går till slutet, i andra åtföljs en förändring av ämnen ofta av en ökning eller minskning av graden av oxidation. Vid klassificering av kemiska fenomen efter deras slutresultat uppmärksammas de kvalitativa och kvantitativa skillnaderna mellan reaktanterna och produkterna. Enligt dessa egenskaper kan 7 typer av kemiska omvandlingar särskiljas, inklusive substitution, enligt schemat: A-B + C A-C + B. En förenklad registrering av en hel klass av kemiska fenomen ger en uppfattning om att det bland utgångsämnena finns en så - kallad "en partikel som ersätter en atom, jon eller funktionell grupp i ett reagens. Substitutionsreaktionen är typisk för att begränsa och

Substitutionsreaktioner kan ske i form av ett dubbelt utbyte: A-B + C-E A-C + B-E. En av underarterna är förskjutningen av till exempel koppar med järn från en lösning av kopparsulfat: CuSO 4 + Fe = FeSO 4 + Cu. Atomer, joner eller funktionella grupper kan fungera som en "attackerande" partikel

Substitution homolytisk (radikal, SR)

Med en radikal mekanism för att bryta kovalenta bindningar är ett elektronpar som är gemensamt för olika grundämnen proportionellt fördelat mellan "fragmenten" av molekylen. Fria radikaler bildas. Dessa är instabila partiklar, vars stabilisering sker som ett resultat av efterföljande omvandlingar. Till exempel, när etan erhålls från metan, uppstår fria radikaler som deltar i substitutionsreaktionen: CH 4 CH 3. + .H; CH3. + .CH3 -> C2H5; H. + .H → H2. Homolytisk bindningsbrytning enligt den givna substitutionsmekanismen är av kedjekaraktär. I metan kan H-atomer successivt ersättas med klor. Reaktionen med brom fortskrider på liknande sätt, men jod kan inte direkt ersätta väte i alkaner, fluor reagerar för kraftigt med dem.

Heterolytisk klyvningsmetod

Med jonmekanismen för substitutionsreaktioner är elektroner ojämnt fördelade bland de nybildade partiklarna. Det bindande elektronparet går helt och hållet till ett av "fragmenten", oftast, till den bindningspartnern, mot vilken den negativa densiteten i den polära molekylen skiftades. Substitutionsreaktioner inkluderar bildningen av metylalkohol CH3OH. I brommetan CH3Br är klyvningen av molekylen heterolytisk och de laddade partiklarna är stabila. Metyl får en positiv laddning och brom får en negativ: CH 3 Br → CH 3 + + Br - ; NaOH → Na + + OH-; CH3+ + OH - → CH3OH; Na + + Br - ↔ NaBr.

Elektrofiler och nukleofiler

Partiklar som saknar elektroner och kan ta emot dem kallas "elektrofiler". Dessa inkluderar kolatomer bundna till halogener i haloalkaner. Nukleofiler har en ökad elektrontäthet, de "donerar" ett par elektroner när de skapar en kovalent bindning. I substitutionsreaktioner attackeras nukleofiler rika på negativa laddningar av elektronsvältade elektrofiler. Detta fenomen är förknippat med förskjutningen av en atom eller annan partikel - den lämnande gruppen. En annan typ av substitutionsreaktion är attacken av en elektrofil av en nukleofil. Det är ibland svårt att skilja mellan två processer, att tillskriva substitution till en eller annan typ, eftersom det är svårt att specificera exakt vilken av molekylerna som är substratet och vilken som är reagenset. Vanligtvis i sådana fall beaktas följande faktorer:

• arten av den lämnande gruppen;
• nukleofil reaktivitet;
• lösningsmedlets beskaffenhet;
• alkyldelens struktur.

Substitution nukleofil (SN)

I processen för interaktion i en organisk molekyl observeras en ökning av polariseringen. I ekvationer markeras en partiell positiv eller negativ laddning med en bokstav i det grekiska alfabetet. Polariseringen av bindningen gör det möjligt att bedöma arten av dess brott och det vidare beteendet hos "fragmenten" av molekylen. Till exempel har kolatomen i jodmetan en partiell positiv laddning och är ett elektrofilt centrum. Det attraherar den del av vattendipolen där syre, som har ett överskott av elektroner, finns. När en elektrofil interagerar med ett nukleofilt reagens bildas metanol: CH 3 I + H 2 O → CH 3 OH + HI. Nukleofila substitutionsreaktioner äger rum med deltagande av en negativt laddad jon eller en molekyl som har ett fritt elektronpar som inte är involverat i skapandet av en kemisk bindning. Jodmetans aktiva deltagande i SN 2-reaktioner förklaras av dess öppenhet för nukleofila attacker och jods rörlighet.

Elektrofil substitution (SE)

En organisk molekyl kan innehålla ett nukleofilt centrum, som kännetecknas av ett överskott av elektrontäthet. Det reagerar med ett elektrofilt reagens som saknar negativa laddningar. Sådana partiklar inkluderar atomer med fria orbitaler, molekyler med områden med låg elektrondensitet. I kol, som har en "-" laddning, interagerar med den positiva delen av vattendipolen - med väte: CH 3 Na + H 2 O → CH 4 + NaOH. Produkten av denna elektrofila substitutionsreaktion är metan. I heterolytiska reaktioner interagerar motsatt laddade centra av organiska molekyler, vilket gör dem liknar joner i kemin hos oorganiska ämnen. Det bör inte förbises att omvandlingen av organiska föreningar sällan åtföljs av bildandet av sanna katjoner och anjoner.

Monomolekylära och bimolekylära reaktioner

Nukleofil substitution är monomolekylär (SN1). Hydrolysen av en viktig produkt av organisk syntes, tertiär butylklorid, fortskrider enligt denna mekanism. Det första steget är långsamt, det är associerat med gradvis dissociation till karboniumkatjon och kloridanjon. Det andra steget är snabbare, karboniumjonen reagerar med vatten. substitution av en halogen i en alkan mot en hydroxigrupp och erhållande av en primär alkohol: (CH 3) 3 C-Cl → (CH 3) 3 C + + Cl-; (CH3)3C+ + H2O → (CH3)3C-OH + H+. Enstegshydrolysen av primära och sekundära alkylhalider kännetecknas av den samtidiga förstörelsen av kolbindningen med halogenen och bildandet av ett C–OH-par. Detta är mekanismen för nukleofil bimolekylär substitution (SN2).

Heterolytisk substitutionsmekanism

Substitutionsmekanismen är förknippad med elektronöverföring, skapandet av mellanliggande komplex. Reaktionen fortskrider ju snabbare, desto lättare är det att bilda de mellanprodukter som är karakteristiska för den. Ofta går processen åt flera håll samtidigt. Fördelen uppnås vanligtvis genom att man använder de partiklar som kräver minst energikostnader för sin bildning. Till exempel ökar närvaron av en dubbelbindning sannolikheten för uppkomsten av allylkatjonen CH2=CH—CH2+, jämfört med jonen CH3+. Anledningen ligger i multipelbindningens elektrontäthet, vilket påverkar delokaliseringen av den positiva laddningen spridd i molekylen.

Bensensubstitutionsreaktioner

Den grupp för vilken elektrofil substitution är karakteristisk är arenor. Bensenringen är ett bekvämt mål för elektrofila attacker. Processen börjar med polariseringen av bindningen i den andra reaktanten, vilket resulterar i bildandet av en elektrofil intill elektronmolnet i bensenringen. Resultatet är ett övergångskomplex. Det finns fortfarande ingen fullfjädrad bindning av en elektrofil partikel till en av kolatomerna; den attraheras av hela den negativa laddningen av de "aromatiska sex" elektronerna. I det tredje steget av processen är elektrofilen och en kolatom i ringen förbundna med ett gemensamt elektronpar (kovalent bindning). Men i det här fallet förstörs den "aromatiska sexan", vilket är ogynnsamt med tanke på att uppnå ett stabilt hållbart energitillstånd. Det finns ett fenomen som kan kallas "protonejektion". Det finns en delning av H +, ett stabilt bindningssystem, karakteristiskt för arener, återställs. Biprodukten innehåller en vätekatjon från bensenringen och en anjon från sammansättningen av det andra reagenset.

Exempel på substitutionsreaktioner från organisk kemi

För alkaner är substitutionsreaktionen särskilt karakteristisk. Exempel på elektrofila och nukleofila transformationer kan ges för cykloalkaner och arener. Liknande reaktioner i organiska ämnens molekyler sker under normala förhållanden, men oftare vid upphettning och i närvaro av katalysatorer. Elektrofil substitution i den aromatiska ringen är en vanlig och väl studerad process. De viktigaste reaktionerna av denna typ är:

1. Nitrering av bensen i närvaro av H 2 SO 4 - går enligt schemat: C 6 H 6 → C 6 H 5 -NO 2.
2. Katalytisk halogenering av bensen, i synnerhet klorering, enligt ekvationen: C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.
3. Aromatiskt fortsätter med "rykande" svavelsyra, bensensulfonsyror bildas.
4. Alkylering är ersättningen av en väteatom från bensenringen med en alkyl.
5. Acylering är bildandet av ketoner.
6. Formylering är ersättning av väte med en CHO-grupp och bildning av aldehyder.

Substitutionsreaktioner inkluderar reaktioner i alkaner och cykloalkaner, där halogener angriper den tillgängliga CH-bindningen. Framställningen av derivat kan vara associerad med substitution av en, två eller alla väteatomer i mättade kolväten och cykloparaffiner. Många av de lågmolekylära haloalkanerna används vid framställning av mer komplexa ämnen som tillhör olika klasser. De framsteg som gjorts i att studera mekanismerna för substitutionsreaktioner gav en kraftfull impuls till utvecklingen av synteser baserade på alkaner, cykloparaffiner, arener och halogenderivat av kolväten.

Typer av kemiska reaktioner inom oorganisk och organisk kemi.

1. En kemisk reaktion är en process där andra ämnen bildas av ett ämne. Beroende på processens karaktär särskiljs typer av kemiska reaktioner.

1) Enligt slutresultatet

2) På basis av frigöring eller absorption av värme

3) Baserat på reaktionens reversibilitet

4) På basis av en förändring i graden av oxidation av atomerna som utgör reaktanterna

Enligt slutresultatet är reaktionerna av följande typer:

A) Substitution: RH+Cl2 → RCl+HCl

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

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

D) Nedbrytning: CH4 → C + 2H2

D) Isomerisering

E) Utbyte

G) Anslutningar

Nedbrytningsreaktion En process där två eller flera andra ämnen bildas av ett ämne.

Utbytesreaktion kallas den process i vilken reaktanter utbyter beståndsdelar.

Substitutionsreaktioner uppstår med deltagande av enkla och komplexa ämnen, som ett resultat bildas nya enkla och komplexa ämnen.

Som ett resultat sammansatta reaktioner ett nytt ämne bildas av två eller flera ämnen.

På basis av frisättning eller absorption av reaktionsvärme finns det följande typer:

A) exotermisk

B) Endotermisk

Exotermisk - Det är reaktioner som frigör värme.

Endotermiskär reaktioner som absorberar värme från omgivningen.

På basis av reversibilitet är reaktionerna av följande typer:

A) reversibel

B) irreversibel

Reaktioner som bara fortsätter i en riktning och slutar med den fullständiga omvandlingen av de initiala reaktanterna till slutliga ämnen kallas irreversibel.

reversibel Reaktioner kallas de som samtidigt går i två ömsesidigt motsatta riktningar.

Baserat på förändringen i oxidationstillståndet för atomerna som utgör reaktanterna, är reaktionerna av följande typer:

A) redox

Reaktioner som uppstår med en förändring i oxidationstillståndet hos atomer (där elektroner överförs från en atom, molekyler eller joner till andra) kallas redox.

2. Enligt reaktionsmekanismen är de uppdelade i joniska och radikala.

Joniska reaktioner- interaktion mellan joner som ett resultat av heterolytiskt brott av en kemisk bindning (ett par elektroner går helt och hållet till ett av "fragmenten").

Joniska reaktioner är av två typer (beroende på typen av reagens):

A) elektrofil - under reaktionen med en elektrofil.

elektrofil- en grupp som har fria orbitaler för vissa atomer, eller centra med reducerad elektrondensitet (till exempel: H +, Cl - eller AlCl 3)

B) Nukleofil - under interaktion med en nukleofil

Nukleofil - en negativt laddad jon eller molekyl med ett odelat elektronpar (som för närvarande inte deltar i bildandet av en kemisk bindning).

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

Verkliga kemiska processer, endast i sällsynta fall, kan beskrivas med enkla mekanismer. En detaljerad undersökning av kemiska processer ur en molekylär kinetisk synvinkel visar att de flesta av dem fortskrider genom en radikalkedjemekanism, ett kännetecken för kedje-p-tioner är bildandet av fria radikaler i mellanstadier (instabila fragment av molekyler eller atomer med en kort livslängd, alla har gratis anslutningar.

Processerna för förbränning, explosion, oxidation, fotokemiska reaktioner, biokemiska reaktioner i levande organismer fortskrider enligt kedjemekanismen.

Kedjedistrikt har flera stadier:

1) kedjekärnbildning - steget av kedjans p-tion, som ett resultat av vilket fria radikaler uppstår från valensmättade molekyler.

2) fortsättningen av kedjan - steget i kedjan av p-tionen, fortsätter med bevarandet av det totala antalet fria steg.

3) kedjebrott - ett elementärt stadium av p-tionens kedjor som leder till att fria bindningar försvinner.

Det finns grenade och ogrenade kedjereaktioner.

Ett av de viktigaste begreppen i kedjan är kedjelängd- det genomsnittliga antalet elementära stadier av kedjans fortsättning efter uppkomsten av en fri radikal till dess att den försvinner.

Exempel: Vätekloridsyntes

1) m-la CL 2 absorberar ett kvantum av energi och en bild av 2 radikaler: CL 2 + hv \u003d CL * + CL *

2) den aktiva partikeln kombineras med m-molekylen H 2 och bildar saltsyra och den aktiva partikeln H 2: CL 1 + H 2 \u003d HCL + H *

3)CL1+H2=HCL+CL* etc.

6) H * + CL * \u003d HCL - öppen krets.

Förgrenad mekanism:

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

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

I vatten är det svårare - OH*, O*-radikaler och H*-radikaler bildas.

Reaktioner som uppstår under påverkan av joniserande strålning: röntgenstrålar, katodstrålar och så vidare - kallas radiokemisk.

Som ett resultat av interaktionen av molekyler med strålning observeras sönderfallet av molekyler med bildandet av de mest reaktiva partiklarna.

Sådana reaktioner bidrar till rekombinationen av partiklar och bildningen av ämnen med deras olika kombinationer.

Ett exempel är hydrazin N 2 H 4 - en komponent i raketbränsle. Nyligen har försök gjorts att få hydrazin från ammoniak som ett resultat av exponering för γ-strålar:

NH 3 → NH 2 * + H *

2NH2* → N2H4

Radiokemiska reaktioner, såsom radiolys av vatten, är viktiga för organismernas vitala aktivitet.

Litteratur:

1. Akhmetov, N.S. Allmän och oorganisk kemi / N.S. Akhmetov. - 3:e uppl. - M .: Högre skola, 2000. - 743 sid.

1. Korovin N.V. Allmän kemi / N.V. Korovin. - M.: Högre skola, 2006. - 557 sid.
2. Kuzmenko N.E. En kort kurs i kemi / N.E. Kuzmenko, V.V. Eremin, V.A. Popkov. - M.: Högre skola, 2002. - 415 sid.
3. Zaitsev, O.S. Allmän kemi. Struktur av ämnen och kemiska reaktioner / O.S. Zaytsev. – M.: Kemi, 1990.
4. Karapetyants, M.Kh. Materiens struktur / M.Kh. Karapetyants, S.I. Drakin. - M .: Högre skola, 1981.
5. Cotton F. Fundamentals of oorganisk kemi / F. Cotton, J. Wilkinson. – M.: Mir, 1981.
6. Ugay, Ya.A. Allmän och oorganisk kemi / Ya.A.Ugay. - M .: Högre skola, 1997.