Механизми на реакциите в органичната химия. Реакции на заместване: описание, уравнение, примери. Механизъм на хетеролитично заместване

Класификация на реакциите

Има четири основни типа реакции, в които участват органичните съединения: заместване (изместване), добавяне, елиминиране (елиминиране), пренареждане.

3.1 Реакции на заместване

При реакции от първия тип заместването обикновено се случва при въглеродния атом, но заместеният атом може да бъде водороден атом или някакъв друг атом или група от атоми. При електрофилно заместване най-често се замества водороден атом; Пример е класическото ароматно заместване:

При нуклеофилно заместване най-често се замества не водородният атом, а други атоми, например:

NC - + R−Br → NC−R +BR -

3.2 Реакции на присъединяване

Реакциите на добавяне могат също да бъдат електрофилни, нуклеофилни или радикални, в зависимост от вида на видовете, иницииращи процеса. Прикрепването към обикновените въглерод-въглерод двойни връзки обикновено се индуцира от електрофил или радикал. Например добавянето на HBr

може да започне с атака на двойната връзка от H+ протона или Br· радикала.

3.3 Реакции на елиминиране

Реакциите на елиминиране са по същество обратни на реакциите на добавяне; Най-често срещаният тип такава реакция е елиминирането на водороден атом и друг атом или група от съседни въглеродни атоми, за да се образуват алкени:

3.4 Реакции на пренареждане

Пренарежданията могат да възникнат и чрез междинни съединения, които са катиони, аниони или радикали; най-често тези реакции протичат с образуването на карбокатиони или други частици с дефицит на електрони. Пренарежданията могат да включват значително пренареждане на въглеродния скелет. Действителният етап на пренареждане в такива реакции често е последван от етапи на заместване, добавяне или елиминиране, водещи до образуването на стабилен краен продукт.

Подробно описание на химическа реакция на етапи се нарича механизъм. От електронна гледна точка механизмът на химическа реакция се разбира като метод за разкъсване на ковалентни връзки в молекулите и последователността от състояния, през които преминават реагиращите вещества, преди да станат продукти на реакцията.

4.1 Свободнорадикални реакции

Реакциите на свободните радикали са химични процеси, в които участват молекули, които имат несдвоени електрони. Някои аспекти на реакциите на свободните радикали са уникални в сравнение с други видове реакции. Основната разлика е, че много реакции на свободните радикали са верижни реакции. Това означава, че има механизъм, чрез който много молекули се превръщат в продукт чрез повтарящ се процес, иницииран от създаването на единичен реактивен вид. Типичен пример е илюстриран с помощта на следния хипотетичен механизъм:

Етапът, на който се генерира реакционният междинен продукт, в този случай А·, се нарича иницииране. Този етап протича при високи температури, под въздействието на UV или пероксиди, в неполярни разтворители. Следващите четири уравнения в този пример повтарят последователността от две реакции; те представляват фазата на развитие на веригата. Верижните реакции се характеризират с дължината на веригата, която съответства на броя на етапите на развитие на начален етап. Вторият етап протича с едновременния синтез на съединението и образуването на нов радикал, който продължава веригата от трансформации. Последният етап е етапът на прекъсване на веригата, който включва всяка реакция, при която един от реакционните междинни продукти, необходими за прогресирането на веригата, се унищожава. Колкото повече са етапите на прекъсване на веригата, толкова по-къса става дължината на веригата.

Свободнорадикалните реакции протичат: 1) на светлина, при високи температури или в присъствието на радикали, които се образуват при разлагането на други вещества; 2) инхибира се от вещества, които лесно реагират със свободните радикали; 3) възникват в неполярни разтворители или в парна фаза; 4) често имат автокаталитичен и индукционен период преди началото на реакцията; 5) кинетично са верижни.

Реакциите на радикално заместване са характерни за алканите, а реакциите на радикално присъединяване са характерни за алкените и алкините.

CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl

CH 3 -CH=CH 2 + HBr → CH 3 -CH 2 -CH 2 Br

CH3-C≡CH + HCl → CH3-CH=CHCl

Свързването на свободните радикали помежду си и прекъсването на веригата става главно по стените на реактора.

4.2 Йонни реакции

Реакции, при които възниква хетеролитиченразкъсването на връзките и образуването на междинни частици от йонен тип се наричат ​​йонни реакции.

Йонните реакции протичат: 1) в присъствието на катализатори (киселини или основи и не се влияят от светлина или свободни радикали, по-специално тези, произтичащи от разлагането на пероксиди); 2) не се влияят от ловчи на свободни радикали; 3) природата на разтворителя влияе върху протичането на реакцията; 4) рядко се срещат в парната фаза; 5) кинетично, те са предимно реакции от първи или втори ред.

Въз основа на естеството на реагента, действащ върху молекулата, йонните реакции се разделят на електрофиленИ нуклеофилни. Реакциите на нуклеофилно заместване са характерни за алкил и арил халиди,

CH 3 Cl + H 2 O → CH 3 OH + HCl

C 6 H 5 -Cl + H 2 O → C 6 H 5 -OH + HCl

C 2 H 5 OH + HCl → C 2 H 5 Cl + H 2 O

C 2 H 5 NH 2 + CH 3 Cl → CH 3 -NH-C 2 H 5 + HCl

електрофилно заместване – за алкани в присъствието на катализатори

CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → CH 3 -CH(CH 3)-CH 2 -CH 3

и арени.

C 6 H 6 + HNO 3 + H 2 SO 4 → C 6 H 5 -NO 2 + H 2 O

Реакциите на електрофилно присъединяване са характерни за алкените

CH 3 -CH=CH 2 + Br 2 → CH 3 -CHBr-CH 2 Br

и алкини,

CH≡CH + Cl 2 → CHCl=CHCl

нуклеофилно присъединяване – за алкини.

CH 3 -C≡CH + C 2 H 5 OH + NaOH → CH 3 -C(OC 2 H 5) = CH 2

Механизми на органичните реакции

Име на параметъра	Значение
Тема на статията:	Механизми на органичните реакции
Рубрика (тематична категория)	образование

Класификация на реакциите

Има четири основни типа реакции, в които участват органичните съединения: заместване (изместване), добавяне, елиминиране (елиминиране), пренареждане.

3.1 Реакции на заместване

При първия тип реакция заместването обикновено се извършва при въглероден атом, но заместеният атом трябва да бъде водороден атом или някакъв друг атом или група от атоми. При електрофилно заместване най-често се замества водородният атом; Пример е класическото ароматно заместване:

При нуклеофилно заместване най-често се замества не водородният атом, а други атоми, например:

NC - + R−Br → NC−R +BR -

3.2 Реакции на присъединяване

Реакциите на присъединяване могат също да бъдат електрофилни, нуклеофилни или радикални въз основа на вида на видовете, иницииращи процеса. Прикрепването към обикновените въглерод-въглерод двойни връзки обикновено се индуцира от електрофил или радикал. Например добавянето на HBr

може да започне с атака на двойната връзка от H+ протона или Br· радикала.

3.3 Реакции на елиминиране

Реакциите на елиминиране са по същество обратни на реакциите на добавяне; Най-често срещаният тип такава реакция е елиминирането на водороден атом и друг атом или група от съседни въглеродни атоми, за да се образуват алкени:

3.4 Реакции на пренареждане

Пренарежданията могат да възникнат и чрез междинни съединения, които са катиони, аниони или радикали; Най-често тези реакции протичат с образуването на карбокатиони или други частици с дефицит на електрони. Пренарежданията могат да включват значително преструктуриране на въглеродния скелет. Самият етап на пренареждане в такива реакции често е последван от етапи на заместване, добавяне или елиминиране, водещи до образуването на стабилен краен продукт.

Подробно описание на химическа реакция по етапи обикновено се нарича механизъм. От електронна гледна точка механизмът на химическа реакция се разбира като метод за разкъсване на ковалентни връзки в молекулите и последователността от състояния, през които преминават реагиращите вещества, преди да станат продукти на реакцията.

4.1 Свободнорадикални реакции

Свободнорадикалните реакции са химични процеси, в които участват молекули с несдвоени електрони. Някои аспекти на реакциите на свободните радикали са уникални в сравнение с други видове реакции. Основната разлика е, че много реакции на свободните радикали са верижни реакции. Това означава, че има механизъм, чрез който много молекули се превръщат в продукт чрез повтарящ се процес, иницииран от създаването на единичен реактивен вид. Типичен пример е илюстриран с помощта на следния хипотетичен механизъм:

Етапът, на който се генерира реакционният междинен продукт, в този случай А·, обикновено се нарича иницииране. Този етап протича при високи температури, под въздействието на UV или пероксиди, в неполярни разтворители. Следващите четири уравнения в този пример повтарят последователността от две реакции; те представляват фазата на развитие на веригата. Верижните реакции се характеризират с дължината на веригата, която съответства на броя на етапите на развитие на начален етап. Вторият етап протича с едновременния синтез на съединението и образуването на нов радикал, който продължава веригата от трансформации. Последният етап е етапът на прекъсване на веригата, който включва всяка реакция, при която един от реакционните междинни продукти, необходими за прогресирането на веригата, се унищожава. Колкото повече са етапите на прекъсване на веригата, толкова по-къса става дължината на веригата.

Свободнорадикалните реакции протичат: 1) на светлина, при високи температури или в присъствието на радикали, които се образуват при разлагането на други вещества; 2) инхибира се от вещества, които лесно реагират със свободните радикали; 3) възникват в неполярни разтворители или в парна фаза; 4) често имат автокаталитичен и индукционен период преди началото на реакцията; 5) кинетично са верижни.

Реакциите на радикално заместване са характерни за алканите, а реакциите на радикално присъединяване са характерни за алкените и алкините.

CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl

CH 3 -CH=CH 2 + HBr → CH 3 -CH 2 -CH 2 Br

CH3-C≡CH + HCl → CH3-CH=CHCl

Свързването на свободните радикали помежду си и прекъсването на веригата става главно по стените на реактора.

4.2 Йонни реакции

Реакции, при които възниква хетеролитиченразкъсването на връзките и образуването на междинни частици от йонен тип се наричат ​​йонни реакции.

Йонните реакции протичат: 1) в присъствието на катализатори (киселини или основи и не се влияят от светлина или свободни радикали, по-специално тези, произтичащи от разлагането на пероксиди); 2) не се влияят от ловчи на свободни радикали; 3) природата на разтворителя влияе върху протичането на реакцията; 4) рядко се срещат в парната фаза; 5)кинетично те са главно реакции от първи или втори ред.

Въз основа на естеството на реагента, действащ върху молекулата, йонните реакции се разделят на електрофиленИ нуклеофилни. Реакциите на нуклеофилно заместване са характерни за алкил и арил халиди,

CH 3 Cl + H 2 O → CH 3 OH + HCl

C 6 H 5 -Cl + H 2 O → C 6 H 5 -OH + HCl

C 2 H 5 OH + HCl → C 2 H 5 Cl + H 2 O

C 2 H 5 NH 2 + CH 3 Cl → CH 3 -NH-C 2 H 5 + HCl

електрофилно заместване – за алкани в присъствието на катализатори

CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 → CH 3 -CH(CH 3)-CH 2 -CH 3

и арени.

C 6 H 6 + HNO 3 + H 2 SO 4 → C 6 H 5 -NO 2 + H 2 O

Реакциите на електрофилно присъединяване са характерни за алкените

CH 3 -CH=CH 2 + Br 2 → CH 3 -CHBr-CH 2 Br

и алкини,

CH≡CH + Cl 2 → CHCl=CHCl

нуклеофилно присъединяване – за алкини.

CH 3 -C≡CH + C 2 H 5 OH + NaOH → CH 3 -C(OC 2 H 5) = CH 2

Механизми на органичните реакции - понятие и видове. Класификация и особености на категорията "Механизми на органичните реакции" 2017, 2018.

Насоки за самостоятелна работа на студенти от 1 курс по биологична и биоорганична химия

(модул 1)

Одобрено

Академичен съвет на университета

Харков KhNMU

Основни видове и механизми на реакциите в органичната химия: Метод. указ. за студенти 1 курс / съст. А.О. Сыровая, Л.Г. Шаповал, В.Н. Петюнина, Е.Р. Грабовецкая, В.А. Макаров, С.В. Андреева, С.А. Наконечная, Л.В. Лукянова, Р.О. Бачински, С.Н. Козуб, Т.С. Тишакова, О.Л. Левашова, Н.В. Копотева, Н.Н. Чаленко. – Харков: KhNMU, 2014. – С. 32.

Съставител: A.O. Сыровая, Л.Г. Шаповал, В.Н. Петюнина, Е.Р. Грабовецкая, В.А. Макаров, С.В. Андреева, Л.В. Лукянова, С.А. Наконечная, Р.О. Бачински, С.Н. Козуб, Т.С. Тишакова, О.Л. Левашова, Н.В. Копотева, Н.Н. Чаленко

Тема I: Класификация на химичните реакции.

РЕАКТИВОСПОСОБНОСТ НА АЛКАНИ, АЛКЕНИ, АРЕНИ, АЛКОХОЛИ, ФЕНОЛИ, АМИНИ, АЛДЕХИДИ, КЕТОНИ И КАРБОКСИЛНИ КИСЕЛИНИ

Мотивационни характеристики на темата

Изучаването на тази тема е основата за разбиране на някои от биохимичните реакции, протичащи по време на метаболитния процес в организма (липидна пероксидация, образуване на хидрокси киселини от ненаситени в цикъла на Кребс и др.), както и за разбиране на механизма на такива реакции при синтеза на лекарства и аналози на природни съединения.

Учебна цел

Да може да предвиди способността на основните класове органични съединения да влизат в хомолитични и хетеролитични реакции според тяхната електронна структура и електронните ефекти на заместителите.

1. СВОБОДНИ РАДИКАЛНИ И ЕЛЕКТРОФИЛНИ РЕАКЦИИ (РЕАКТИВОСПОСОБНОСТ НА ВЪГЛЕВОДОРОДИТЕ)

Учебно-целеви въпроси

1. Да може да опише механизмите на следните реакции:

Радикална замяна - R S

Електрофилна връзка - A E

Електрофилно заместване - S E

2. Да може да обясни влиянието на заместителите върху реактивността по време на електрофилни взаимодействия въз основа на електронни ефекти.

Базово ниво

1. Строеж на въглеродния атом. Видове хибридизация на неговите електронни орбитали.

2. Структура, дължина и енергия на - и - връзките.

3. Конформации на циклохексан.

4. Сдвояване. Отворени и затворени (ароматни) спрегнати системи.

5. Електронни ефекти на заместителите.

6. Преходно състояние. Електронна структура на карбокатиона. Междинни - и -комплекси.

Практическа навигациясki

1. Научете се да определяте възможността за разкъсване на ковалентна връзка, вида и механизма на реакцията.

2. Да може експериментално да извършва реакции на бромиране на съединения с двойни връзки и ароматни съединения.

Контролни въпроси

1. Дайте механизма на реакцията на хидрогениране на етилен.

2. Опишете механизма на реакцията на хидратация на пропенова киселина. Обяснете ролята на киселинната катализа.

3. Напишете уравнението за реакцията на нитриране на толуен (метилбензен). По какъв механизъм протича тази реакция?

4. Обяснете дезактивиращия и ориентиращ ефект на нитрогрупата в молекулата на нитробензена, като използвате примера на реакцията на бромиране.

Учебни задачи и алгоритми за решаването им

Задача No1. Опишете реакционния механизъм за бромиране на изобутан и циклопентан при облъчване със светлина.

Алгоритъм за решение . Молекулите на изобутан и циклопентан се състоят от sp 3 хибридизирани въглеродни атоми. С - С връзките в техните молекули са неполярни, а С - Н връзките са нискополярни. Тези връзки доста лесно се подлагат на хомолитично разцепване с образуването на свободни радикали - частици, които имат несдвоени електрони. По този начин в молекулите на тези вещества трябва да възникне реакция на радикално заместване - R S реакция или верижна реакция.

Етапите на всяка RS реакция са: започване, растеж и прекъсване на веригата.

Инициирането е процесът на образуване на свободни радикали при висока температура или ултравиолетово облъчване:

Растежът на веригата възниква поради взаимодействието на силно реактивен свободен радикал  Br с нискополярна C - H връзка в циклопентанова молекула с образуването на нов циклопентилов радикал:

Циклопентиловият радикал взаимодейства с нова бромна молекула, причинявайки хомолитично разцепване на връзката в нея и образувайки бромоциклопентан и нов бромен радикал:

Свободният бромен радикал атакува новата циклопентанова молекула. Така етапът на растеж на веригата се повтаря многократно, т.е. възниква верижна реакция. Прекратяването на веригата завършва верижната реакция чрез комбиниране на различни радикали:

Тъй като всички въглеродни атоми в молекулата на циклопентана са равни, се образува само моноциклобромпентан.

В изобутан C - H връзките не са еквивалентни. Те се различават по енергията на хомолитична дисоциация и стабилността на образуваните свободни радикали. Известно е, че енергията на разцепването на С-Н връзката нараства от третичния към първичния въглероден атом. Стабилността на свободните радикали намалява в същия ред. Ето защо в молекулата на изобутана реакцията на бромиране протича региоселективно - при третичния въглероден атом:

Трябва да се отбележи, че за по-активния хлорен радикал региоселективността не се наблюдава напълно. По време на хлорирането водородните атоми при всеки въглероден атом могат да бъдат обект на заместване, но съдържанието на заместващия продукт при третичен въглерод ще бъде най-голямо.

Задача No2. Като използвате олеинова киселина като пример, опишете механизма на реакцията на липидна пероксидация, която възниква по време на лъчева болест в резултат на увреждане на клетъчните мембрани. Какви вещества действат като антиоксиданти в тялото ни?

Алгоритъм за решение. Пример за радикална реакция е липидната пероксидация, при която ненаситените мастни киселини, които са част от клетъчните мембрани, са изложени на радикали. По време на радиоактивно облъчване водните молекули могат да се разпаднат на радикали. Хидроксилните радикали атакуват ненаситена киселинна молекула в метиленовата група, съседна на двойната връзка. В този случай се образува радикал, стабилизиран поради участието на несдвоения електрон в конюгация с електроните на  връзките. След това органичният радикал взаимодейства с двурадикална кислородна молекула, за да образува нестабилни хидропероксиди, които се разлагат, за да образуват алдехиди, които се окисляват до киселини - крайните продукти на реакцията. Последица от пероксидното окисляване е разрушаването на клетъчните мембрани:

Инхибиторният ефект на витамин Е (токоферол) в организма се дължи на способността му да свързва свободните радикали, които се образуват в клетките:

В образувания феноксиден радикал несдвоеният електрон се конюгира с -електронния облак на ароматния пръстен, което води до неговата относителна стабилност.

Задача No3. Дайте механизма на реакцията на бромиране на етилен.

Алгоритъм за решение. За съединения, които се състоят от въглеродни атоми в състояние на sp 2 - или sp-хибридизация, типични реакции са тези, които протичат с разкъсване на  връзки, т.е. реакции на добавяне. Тези реакции могат да протичат по радикален или йонен механизъм в зависимост от естеството на реагента, полярността на разтворителя, температурата и т.н. Йонните реакции протичат под действието или на електрофилни реагенти, които имат афинитет към електрон, или на нуклеофилни реагенти , които даряват своите електрони. Електрофилните реагенти могат да бъдат катиони и съединения, които имат атоми с незапълнени електронни обвивки. Най-простият електрофилен реагент е протон. Нуклеофилните реагенти са аниони или съединения с атоми, които имат несподелени електронни двойки.

За алкени - съединения, които имат sp 2 - или sp-хибридизиран въглероден атом, реакциите на електрофилно присъединяване - A E реакции - са типични. В полярни разтворители при липса на слънчева светлина реакцията на халогениране протича по йонен механизъм с образуването на карбокатиони:

Под въздействието на π връзката в етилена бромната молекула се поляризира и образува нестабилен π комплекс, който се превръща в карбокатион. В него бромът е свързан с въглерод чрез π връзка. Процесът завършва чрез взаимодействие на бромния анион с този карбокатион, за да се образува крайният реакционен продукт, дибромоетан.

Задача No4 . Като използвате примера на реакцията на хидратация на пропена, обосновете правилото на Марковников.

Алгоритъм за решение. Тъй като водната молекула е нуклеофилен реагент, добавянето й към двойната връзка без катализатор е невъзможно. Киселините действат като катализатори в такива реакции. Образуването на карбокатиони става при добавяне на киселинен протон, когато π връзката се разкъса:

Водна молекула е прикрепена към карбокатиона, който се образува поради сдвоените електрони на кислородния атом. Образува се стабилно алкилово производно на оксоний, което се стабилизира с освобождаване на протон. Реакционният продукт е сек-пропанол (пропан-2-ол).

В реакцията на хидратация протон се добавя съгласно правилото на Марковников към по-хидрогениран въглероден атом, тъй като поради положителния индуктивен ефект на групата CH 3, електронната плътност се измества към този атом. В допълнение, третичният карбокатион, образуван поради добавянето на протон, е по-стабилен от първичния (влиянието на две алкилови групи).

Задача No5. Обосновете възможността за образуване на 1,3-дибромопропан по време на бромирането на циклопропан.

Алгоритъм за решение. Молекулите, които са три- или четиричленни пръстени (циклопропан и циклобутан), проявяват свойствата на ненаситени съединения, тъй като електронното състояние на техните „бананови“ връзки прилича на π връзка. Следователно, подобно на ненаситените съединения, те претърпяват реакции на присъединяване с разкъсване на пръстена:

Задача No6. Опишете реакцията на бромоводород с 1,3 бутадиен. Какво е особеното на тази реакция?

Алгоритъм за решение. Когато бромоводородът реагира с 1,3 бутадиен, се образуват продуктите 1,2 присъединяване (1) и 1,4 присъединяване (2):

Образуването на продукт (2) се дължи на наличието в конюгираната система на π-електронен облак, общ за цялата молекула, в резултат на което той влиза в реакция на електрофилно присъединяване (A E - реакция) под формата на цял блок:

Задача No7. Опишете механизма на реакцията на бромиране на бензен.

Алгоритъм за решение. За ароматни съединения, които съдържат затворена конюгирана електронна система и които следователно имат значителна сила, реакциите на електрофилно заместване са характерни. Наличието на повишена електронна плътност от двете страни на пръстена го предпазва от атака от нуклеофилни реагенти и, обратно, улеснява възможността за атака от катиони и други електрофилни реагенти.

Взаимодействието на бензен с халогени се осъществява в присъствието на катализатори - AlCl 3, FeCl 3 (така наречените киселини на Люис). Те карат халогенната молекула да се поляризира, след което атакува π електроните на бензеновия пръстен:

π-комплекс σ-комплекс

Първоначално се образува π-комплекс, който бавно се трансформира в σ-комплекс, в който бромът образува ковалентна връзка с един от въглеродните атоми за сметка на два от шестте електрона на ароматния пръстен. Останалите четири π електрона са равномерно разпределени между петте атома на въглеродния пръстен; σ-комплексът е по-малко благоприятна структура поради загубата на ароматност, която се възстановява чрез освобождаване на протон.

Реакциите на електрофилно заместване в ароматните съединения включват също сулфониране и нитриране. Ролята на нитриращ агент се изпълнява от нитроил катиона - NO 2+, който се образува при взаимодействието на концентрирана сярна и азотна киселини (нитруваща смес); и ролята на сулфониращия агент е катионът SO 3 H + или серен оксид (IV), ако сулфонирането се извършва с олеум.

Алгоритъм за решение. Активността на съединенията в SE реакции зависи от електронната плътност в ароматното ядро ​​(пряка връзка). В това отношение реактивоспособността на веществата трябва да се разглежда във връзка с електронните ефекти на заместителите и хетероатомите.

Аминогрупата в анилина проявява +М ефект, в резултат на което се увеличава електронната плътност в бензеновия пръстен и най-високата й концентрация се наблюдава в орто и пара позиции. Реакцията протича по-лесно.

Нитрогрупата в нитробензена има -I и -M ефекти, следователно дезактивира бензеновия пръстен в орто и пара позиции. Тъй като взаимодействието на електрофила възниква на мястото на най-високата електронна плътност, в този случай се образуват мета-изомери. По този начин, електрон-донорните заместители са орто- и пара-ориентанти (ориентанти от първи вид и активатори на SE реакции; електрон-оттеглящи заместители са мета-ориентанти (ориентанти от втори вид) дезактиватори на SE реакции).

В петчленните хетероцикли (пирол, фуран, тиофен), които принадлежат към π-излишните системи, S E реакциите протичат по-лесно, отколкото в бензена; в този случай α-позицията е по-реактивна.

Хетероцикличните системи с пиридинов азотен атом са π-дефицитни, поради което по-трудно преминават през реакции на електрофилно заместване; в този случай електрофилът заема β-позиция спрямо азотния атом.

Реакциите на органичните вещества могат формално да бъдат разделени на четири основни типа: заместване, добавяне, елиминиране (елиминиране) и пренареждане (изомеризация). Очевидно е, че цялото разнообразие от реакции на органични съединения не може да бъде сведено до предложената класификация (например реакции на горене). Въпреки това, такава класификация ще помогне да се установят аналогии с реакциите, които се случват между неорганични вещества, които вече са ви познати.

Обикновено основното органично съединение, участващо в реакцията, се нарича субстрат, а другият компонент на реакцията обикновено се счита за реагент.

Реакции на заместване

Реакции на заместване- това са реакции, които водят до заместване на един атом или група от атоми в изходната молекула (субстрат) с други атоми или групи от атоми.

Реакциите на заместване включват наситени и ароматни съединения като алкани, циклоалкани или арени. Нека дадем примери за такива реакции.

Под въздействието на светлината водородните атоми в молекулата на метана могат да бъдат заменени с халогенни атоми, например с хлорни атоми:

Друг пример за заместване на водород с халоген е превръщането на бензен в бромобензен:

Уравнението за тази реакция може да бъде написано по различен начин:

При тази форма на писане реагентите, катализаторът и условията на реакцията се изписват над стрелката, а неорганичните продукти на реакцията се изписват под нея.

В резултат на реакциите заместванията в органичните вещества се образуват не прости и сложни вещества, както в неорганичната химия, и две сложни вещества.

Реакции на присъединяване

Реакции на присъединяване- това са реакции, в резултат на които две или повече молекули на реагиращи вещества се обединяват в една.

Ненаситени съединения като алкени или алкини претърпяват реакции на присъединяване. В зависимост от това коя молекула действа като реагент, се разграничават реакции на хидрогениране (или редукция), халогениране, хидрохалогениране, хидратиране и други реакции на присъединяване. Всеки от тях изисква определени условия.

1.Хидрогениране- реакция на добавяне на водородна молекула чрез множествена връзка:

2. Хидрохалогениране- реакция на добавяне на халогеноводород (хидрохлориране):

3. Халогениране- реакция на присъединяване на халоген:

4.Полимеризация- специален тип реакция на присъединяване, при която молекули на вещество с малко молекулно тегло се свързват помежду си, за да образуват молекули на вещество с много високо молекулно тегло - макромолекули.

Реакциите на полимеризация са процеси на комбиниране на много молекули от вещество с ниско молекулно тегло (мономер) в големи молекули (макромолекули) на полимер.

Пример за реакция на полимеризация е производството на полиетилен от етилен (етен) под действието на ултравиолетово лъчение и инициатор на радикална полимеризация R.

Ковалентната връзка, която е най-характерна за органичните съединения, се образува при припокриване на атомни орбитали и образуване на споделени електронни двойки. В резултат на това се образува обща за двата атома орбитала, в която се намира обща електронна двойка. Когато една връзка е прекъсната, съдбата на тези споделени електрони може да бъде различна.

Видове реактивни частици

Орбитала с несдвоен електрон, принадлежаща на един атом, може да се припокрива с орбитала на друг атом, който също съдържа несдвоен електрон. В този случай се образува ковалентна връзка съгласно обменния механизъм:

Обменният механизъм за образуване на ковалентна връзка се осъществява, ако се образува обща електронна двойка от несдвоени електрони, принадлежащи на различни атоми.

Процесът, противоположен на образуването на ковалентна връзка чрез обменния механизъм, е разцепването на връзката, при което един електрон се губи за всеки атом (). В резултат на това се образуват две незаредени частици, които имат несдвоени електрони:

Такива частици се наричат ​​свободни радикали.

Свободни радикали- атоми или групи от атоми, които имат несдвоени електрони.

Свободни радикални реакции- това са реакции, протичащи под въздействието и с участието на свободните радикали.

В курса на неорганичната химия това са реакциите на водород с кислород, халогени и реакции на горене. Реакциите от този тип се характеризират с висока скорост и отделяне на големи количества топлина.

Ковалентна връзка може да се образува и чрез донорно-акцепторен механизъм. Една от орбиталите на атом (или анион), който има несподелена двойка електрони, се припокрива с незаетата орбитала на друг атом (или катион), който има незаета орбитала, и се образува ковалентна връзка, например:

Разкъсването на ковалентна връзка води до образуването на положително и отрицателно заредени частици (); тъй като в този случай и двата електрона от обща електронна двойка остават с един от атомите, другият атом има незапълнена орбитала:

Нека разгледаме електролитната дисоциация на киселини:

Може лесно да се предположи, че частица, която има несподелена електронна двойка R: -, т.е. отрицателно зареден йон, ще бъде привлечена от положително заредени атоми или от атоми, върху които има поне частичен или ефективен положителен заряд.
Частици с несподелени двойки електрони се наричат нуклеофилни агенти (ядро- „ядро“, положително заредена част от атом), т.е. „приятели“ на ядрото, положителен заряд.

Нуклеофили(не) - аниони или молекули, които имат несподелена електронна двойка, които взаимодействат с части от молекулите, които имат ефективен положителен заряд.

Примери за нуклеофили: Cl - (хлориден йон), OH - (хидроксиден анион), CH 3 O - (метоксиден анион), CH 3 COO - (ацетатен анион).

Частиците, които имат незапълнена орбитала, напротив, ще се стремят да я запълнят и следователно ще бъдат привлечени от части от молекулите, които имат повишена електронна плътност, отрицателен заряд и несподелена електронна двойка. Те са електрофили, „приятели” на електрона, отрицателен заряд или частици с повишена електронна плътност.

Електрофили- катиони или молекули, които имат незапълнена електронна орбитала, стремейки се да я запълнят с електрони, тъй като това води до по-благоприятна електронна конфигурация на атома.

Нито една частица не е електрофил с незапълнена орбитала. Например, катионите на алкални метали имат конфигурация на инертни газове и не са склонни да придобиват електрони, тъй като имат ниска електронен афинитет.
От това можем да заключим, че въпреки наличието на незапълнена орбитала, такива частици няма да бъдат електрофили.

Основни механизми на реакция

Идентифицирани са три основни типа реагиращи частици - свободни радикали, електрофили, нуклеофили - и три съответни типа реакционни механизми:

• свободен радикал;
• електрофилен;
• нулевофилен.

В допълнение към класифицирането на реакциите според вида на реагиращите частици, в органичната химия се разграничават четири вида реакции според принципа на промяна на състава на молекулите: добавяне, заместване, отделяне или елиминиране (от англ. да се елиминирам- премахване, отцепване) и пренареждане. Тъй като добавянето и заместването могат да възникнат под влиянието и на трите вида реактивни видове, могат да бъдат разграничени няколко основенмеханизми на реакциите.

Освен това ще разгледаме реакциите на елиминиране, които се случват под въздействието на нуклеофилни частици - бази.
6. Елиминиране:

Отличителна черта на алкените (ненаситени въглеводороди) е способността им да претърпяват реакции на присъединяване. Повечето от тези реакции протичат по механизма на електрофилно присъединяване.

Хидрохалогениране (добавяне на халоген водород):

Когато халогеноводород се добави към алкен водородът се добавя към по-хидрогенирания въглероден атом, т.е. атомът, при който има повече атоми водород, а халоген - към по-малко хидрогенирани.

>> Химия: Видове химични реакции в органичната химия

Реакциите на органичните вещества могат формално да бъдат разделени на четири основни типа: заместване, добавяне, елиминиране (елиминиране) и пренареждане (изомеризация). Очевидно е, че цялото разнообразие от реакции на органични съединения не може да бъде сведено до рамката на предложената класификация (например реакции на горене). Такава класификация обаче ще помогне да се установят аналогии с класификациите на реакциите, протичащи между неорганични вещества, които вече са ви познати от курса на неорганичната химия.

Обикновено основното органично съединение, участващо в реакцията, се нарича субстрат, а другият компонент на реакцията обикновено се счита за реагент.

Реакции на заместване

Реакциите, които водят до заместване на един атом или група от атоми в оригиналната молекула (субстрат) с други атоми или групи от атоми, се наричат ​​реакции на заместване.

Реакциите на заместване включват наситени и ароматни съединения, като например алкани, циклоалкани или арени.

Нека дадем примери за такива реакции.

Съдържание на урока бележки към уроцитеподдържаща рамка презентация урок методи ускорение интерактивни технологии Практикувайте задачи и упражнения самопроверка работилници, обучения, казуси, куестове домашна работа въпроси за дискусия риторични въпроси от ученици Илюстрации аудио, видео клипове и мултимедияснимки, картинки, графики, таблици, диаграми, хумор, анекдоти, вицове, комикси, притчи, поговорки, кръстословици, цитати Добавки резюметастатии трикове за любознателните ясли учебници основен и допълнителен речник на термините други Подобряване на учебниците и уроцитекоригиране на грешки в учебникаактуализиране на фрагмент в учебник; замяна на остарели знания с нови; само за учители перфектни уроцикалендарен план за годината; методически препоръки; Интегрирани уроци