Ionske in radikalne kemijske reakcije. Radikalni in ionski reakcijski mehanizmi. Reakcije substitucije benzena

>> Kemija: Vrste kemijskih reakcij v organski kemiji

Reakcije organskih snovi lahko formalno razdelimo na štiri glavne vrste: substitucija, adicija, eliminacija (eliminacija) in preureditev (izomerizacija). Očitno je, da celotne raznolikosti reakcij organskih spojin ni mogoče zmanjšati na okvir predlagane klasifikacije (na primer reakcije zgorevanja). Vendar bo takšna klasifikacija pomagala vzpostaviti analogije s klasifikacijami reakcij, ki se pojavljajo med anorganskimi snovmi, ki jih že poznate iz tečaja anorganske kemije.

Običajno se glavna organska spojina, vključena v reakcijo, imenuje substrat, druga komponenta reakcije pa se običajno šteje za reaktant.

Nadomestne reakcije

Reakcije, pri katerih pride do zamenjave enega atoma ali skupine atomov v prvotni molekuli (substratu) z drugimi atomi ali skupinami atomov, imenujemo substitucijske reakcije.

Substitucijske reakcije vključujejo nasičene in aromatske spojine, kot so na primer alkani, cikloalkani ali areni.

Navedimo primere takih reakcij.

Vsebina lekcije zapiski lekcije podporni okvir predstavitev lekcije metode pospeševanja interaktivne tehnologije Vadite naloge in vaje samotestiranje delavnice, treningi, primeri, questi domače naloge diskusija vprašanja retorična vprašanja študentov Ilustracije avdio, video posnetki in multimedija fotografije, slike, grafike, tabele, diagrami, humor, anekdote, šale, stripi, prispodobe, izreki, križanke, citati Dodatki izvlečkičlanki triki za radovedneže jaslice učbeniki osnovni in dodatni slovar pojmov drugo Izboljšanje učbenikov in poukapopravljanje napak v učbeniku posodabljanje odlomka v učbeniku; nadomeščanje zastarelega znanja z novim; samo za učitelje popolne lekcije koledarski načrt za leto; metodološka priporočila; Integrirane lekcije

Ko pride do kemičnih reakcij, se nekatere vezi zlomijo in druge nastanejo. Kemijske reakcije običajno delimo na organske in anorganske. Za organske reakcije se štejejo reakcije, pri katerih je vsaj eden od reaktantov organska spojina, ki med reakcijo spremeni svojo molekularno strukturo. Razlika med organskimi reakcijami in anorganskimi je v tem, da v njih praviloma sodelujejo molekule. Hitrost takih reakcij je nizka, izkoristek produkta pa je običajno le 50-80 %. Za povečanje hitrosti reakcije uporabimo katalizatorje in povečamo temperaturo ali tlak. Nato bomo preučili vrste kemijskih reakcij v organski kemiji.

Razvrstitev po naravi kemijskih transformacij

• Nadomestne reakcije
• Adicijske reakcije
• Reakcija izomerizacije in preureditve
• Oksidacijske reakcije
• Reakcije razgradnje

Nadomestne reakcije

Med substitucijskimi reakcijami se en atom ali skupina atomov v začetni molekuli nadomesti z drugimi atomi ali skupinami atomov, ki tvorijo novo molekulo. Takšne reakcije so praviloma značilne za nasičene in aromatske ogljikovodike, na primer:

Adicijske reakcije

Pri adicijskih reakcijah nastane ena molekula nove spojine iz dveh ali več molekul snovi. Takšne reakcije so značilne za nenasičene spojine. Obstajajo reakcije hidrogeniranja (redukcije), halogeniranja, hidrohalogeniranja, hidratacije, polimerizacije itd.:

1. Hidrogeniranje– dodatek molekule vodika:

Reakcija izločanja

Zaradi eliminacijskih reakcij organske molekule izgubijo atome ali skupine atomov in nastane nova snov, ki vsebuje eno ali več večkratnih vezi. Reakcije izločanja vključujejo reakcije dehidrogenacija, dehidracija, dehidrohalogeniranje in tako naprej.:

Reakcije izomerizacije in preureditve

Med takimi reakcijami pride do intramolekularne preureditve, tj. prehod atomov ali skupin atomov iz enega dela molekule v drugega brez spreminjanja molekulske formule snovi, ki sodeluje v reakciji, na primer:

Oksidacijske reakcije

Zaradi izpostavljenosti oksidacijskemu reagentu se oksidacijsko stanje ogljika v organskem atomu, molekuli ali ionu poveča zaradi izgube elektronov, kar povzroči nastanek nove spojine:

Reakcije kondenzacije in polikondenzacije

Sestoji iz interakcije več (dveh ali več) organskih spojin s tvorbo novih C-C vezi in spojine z nizko molekulsko maso:

Polikondenzacija je tvorba polimerne molekule iz monomerov, ki vsebujejo funkcionalne skupine, s sproščanjem spojine z nizko molekulsko maso. Za razliko od reakcij polimerizacije, pri katerih nastane polimer, ki ima podobno sestavo kot monomer, se zaradi polikondenzacijskih reakcij sestava nastalega polimera razlikuje od njegovega monomera:

Reakcije razgradnje

To je proces razgradnje kompleksne organske spojine na manj kompleksne ali enostavne snovi:

C 18 H 38 → C 9 H 18 + C 9 H 20

Razvrstitev kemijskih reakcij po mehanizmih

Reakcije, ki vključujejo pretrganje kovalentnih vezi v organskih spojinah, so možne po dveh mehanizmih (tj. pot, ki vodi do pretrganja stare vezi in nastanek nove) – heterolitične (ionske) in homolitične (radikalne).

Heterolitični (ionski) mehanizem

Pri reakcijah, ki potekajo po heterolitskem mehanizmu, nastanejo vmesni delci ionskega tipa z nabitim ogljikovim atomom. Delci s pozitivnim nabojem se imenujejo karbokationi, negativni pa karbanioni. V tem primeru ne pride do zloma skupnega elektronskega para, temveč do njegovega prehoda na enega od atomov s tvorbo iona:

Močno polarne, na primer H–O, C–O, in zlahka polarizacijske, na primer C–Br, C–I vezi kažejo nagnjenost k heterolitičnemu cepljenju.

Reakcije, ki potekajo po heterolitičnem mehanizmu, so razdeljene na nukleofilne in elektrofilna reakcije. Reagent, ki ima elektronski par za tvorbo vezi, se imenuje nukleofilni ali elektrodonatorski. Na primer HO-, RO-, Cl-, RCOO-, CN-, R-, NH2, H2O, NH3, C2H5OH, alkeni, areni.

Reagent, ki ima nezapolnjeno elektronsko lupino in je sposoben vezati par elektronov v procesu tvorbe nove vezi. Naslednje katione imenujemo elektrofilni reagenti: H +, R 3 C +, AlCl 3, ZnCl 2, SO 3. , BF 3, R-Cl, R 2 C=O

Nukleofilne substitucijske reakcije

Značilno za alkil in aril halogenide:

Nukleofilne adicijske reakcije

Reakcije elektrofilne substitucije

Elektrofilne adicijske reakcije

Homolitični (radikalni mehanizem)

Pri reakcijah, ki potekajo po homolitičnem (radikalnem) mehanizmu, se na prvi stopnji prekine kovalentna vez s tvorbo radikalov. Nastali prosti radikal nato deluje kot napadalni reagent. Razcepitev vezi z radikalnim mehanizmom je značilna za nepolarne ali nizkopolarne kovalentne vezi (C–C, N–N, C–H).

Razlikovati med radikalsko substitucijsko in radikalno adicijsko reakcijo

Reakcije radikalnega izpodrivanja

Značilnost alkanov

Radikalne adicijske reakcije

Značilnost alkenov in alkinov

Tako smo preučili glavne vrste kemijskih reakcij v organski kemiji

kategorije ,

Priloga 1
REAKCIJSKI MEHANIZMI V ORGANSKI KEMIJI
N.V. Sviridenkova, NUST MISIS, Moskva
ZAKAJ PREUČEVATI MEHANIZME KEMIJSKIH REAKCIJ?
Kakšen je mehanizem kemijske reakcije? Za odgovor na to vprašanje razmislite o enačbi za reakcijo zgorevanja butena:

C 4 H 8 + 6O 2 = 4CO 2 + 4H 2 O.

Če bi reakcija dejansko potekala, kot je opisano v enačbi, bi morala ena molekula butena trčiti s šestimi molekulami kisika hkrati. Vendar se to verjetno ne bo zgodilo: znano je, da je hkratni trk več kot treh delcev skoraj nemogoč. Sklep nakazuje, da ta reakcija, tako kot velika večina kemijskih reakcij, poteka v več zaporednih stopnjah. Reakcijska enačba prikazuje samo izhodne snovi in ​​končni rezultat vseh transformacij in nikakor ne pojasnjuje, kako izdelki nastanejo iz začetnih snovi. Da bi natančno ugotovili, kako poteka reakcija, katere stopnje vključuje, kateri vmesni produkti nastanejo, je treba upoštevati mehanizem reakcije.

Torej, reakcijski mehanizem je natančen opis poteka reakcije po stopnjah, ki pokaže, v kakšnem vrstnem redu in kako se trgajo kemične vezi v reagirajočih molekulah in nastajajo nove vezi in molekule.

Upoštevanje mehanizma omogoča razlago, zakaj nekatere reakcije spremlja nastanek več produktov, medtem ko pri drugih reakcijah nastane le ena snov. Poznavanje mehanizma omogoča kemikom, da napovejo produkte kemičnih reakcij, preden se te dejansko izvedejo. Končno, če poznate reakcijski mehanizem, lahko nadzorujete potek reakcije: ustvarite pogoje za povečanje njene hitrosti in povečanje donosa želenega izdelka.
OSNOVNI POJMI: ELEKTROFIL, NUKLEOFIL, KARBOKATION
V organski kemiji so reagenti tradicionalno razdeljeni na tri vrste: nukleofilni, elektrofilna in radikalen. Z radikali ste se že srečali pri preučevanju reakcij halogeniranja alkanov. Oglejmo si podrobneje druge vrste reagentov.

Nukleofilni reagenti ali preprosto nukleofili(v prevodu iz grščine »ljubitelji jedra«) so delci s presežno elektronsko gostoto, največkrat negativno nabiti ali z osamljenim elektronskim parom. Nukleofili napadajo molekule z nizko elektronsko gostoto ali pozitivno nabite reagente. Primeri nukleofilov so OH - , Br - ioni, molekule NH 3 .

Elektrofilni reagenti oz elektrofili(v prevodu iz grščine »ljubitelji elektronov«) so delci s pomanjkanjem elektronske gostote. Elektrofili imajo pogosto pozitiven naboj. Elektrofili napadajo molekule z visoko gostoto elektronov ali negativno nabite reagente. Primeri elektrofilov so H +, NO 2 +.

Atom polarne molekule, ki nosi delni pozitivni naboj, lahko deluje tudi kot elektrofil. Primer je atom vodika v molekuli HBr, na katerem nastane delni pozitivni naboj zaradi izpodrivanja skupnega para elektronskih vezi k atomu broma, ki ima višjo vrednost elektronegativnosti H δ + → Br δ - .

Reakcije, ki potekajo po ionskem mehanizmu, pogosto spremlja tvorba karbokationov. karbokation imenujemo nabit delec, ki ima prosto R-orbitala na ogljikovem atomu. Eden od ogljikovih atomov v karbokationu nosi pozitiven naboj. Primeri karbokationov vključujejo delce CH 3 -CH 2 +, CH 3 -CH + -CH 3. Karbokationi nastanejo v eni od stopenj reakcij dodajanja halogenov na alkene in vodikovih halogenidov na alkene, pa tudi v reakcijah substitucije, ki vključujejo aromatske ogljikovodike.
MEHANIZEM ADICIJE NENASIČENIM OGLJIKOVODIKOM

Adicija halogenov, vodikovih halogenidov in vode k nenasičenim ogljikovodikom (alkeni, alkini, dienski ogljikovodiki) poteka preko ionski mehanizem, poklical elektrofilni dodatek.

Oglejmo si ta mehanizem na primeru reakcije dodajanja vodikovega bromida na molekulo etilena.

Kljub temu, da je reakcija hidrobromiranja opisana z zelo preprosto enačbo, njen mehanizem vključuje več stopenj.

1. stopnja V prvi fazi nastane molekula vodikovega halida z π -elektronski oblak nestabilnega sistema z dvojno vezjo – “ π -kompleks” zaradi delnega prenosa π - gostota elektronov na vodikov atom, ki nosi delni pozitivni naboj.

2. stopnja. Vez vodik-halogen se prekine, da nastaneta elektrofilni H + delec in nukleofilni Br - delec. Sproščeni elektrofil H+ se zaradi elektronskega para dvojne vezi pridruži alkenu in tvori σ -kompleks – karbokation.

3. stopnja. Na tej stopnji se pozitivno nabitemu karbokationu doda negativno nabit nukleofil, da nastane končni reakcijski produkt.

ZAKAJ SLEDI MARKOVNIKOVO PRAVILO?
Predlagani mehanizem dobro pojasni nastanek pretežno enega od produktov v primeru adicije vodikovih halogenidov na nesimetrične alkene. Spomnimo se, da se pri dodajanju vodikovih halogenidov upošteva Markovnikovo pravilo, po katerem je vodik pri dvojni vezi dodan na najbolj hidrogeniran atom ogljika (tj. povezan z največjim številom vodikovih atomov), halogen pa na najmanj hidrogeniran. Na primer, ko propenu dodamo vodikov bromid, nastane pretežno 2-bromopropan:

Pri elektrofilnih adicijskih reakcijah na nesimetrične alkene lahko v drugi fazi reakcije nastaneta dva karbokationa. Nato reagira z nukleofilom, kar pomeni, da bo stabilnejši od njih določil produkt reakcije.

Razmislimo, kateri karbokationi nastanejo v primeru propena in primerjamo njihovo stabilnost. Dodatek protona H+ na mestu dvojne vezi lahko povzroči nastanek dveh karbokationov, sekundarnega in primarnega:

Nastali delci so zelo nestabilni, ker ima pozitivno nabit ogljikov atom v karbokationu nestabilno elektronsko konfiguracijo. Takšni delci se stabilizirajo tako, da se naboj porazdeli (delokalizira) na čim več atomov. Donator elektronov alkilne skupine, ki zagotavljajo elektronsko gostoto ogljikovemu atomu s pomanjkanjem elektronov, spodbujajo in stabilizirajo karbokatione. Poglejmo, kako se to zgodi.

Zaradi razlike v elektronegativnosti ogljikovega in vodikovega atoma se na ogljikovem atomu skupine -CH 3 pojavi določen presežek elektronske gostote, na vodikovem atomu C δ- H 3 δ+ pa nekaj primanjkljaja. Prisotnost takšne skupine poleg ogljikovega atoma, ki nosi pozitiven naboj, neizogibno povzroči premik elektronske gostote proti pozitivnemu naboju. Tako metilna skupina deluje kot darovalec, ki odda del svoje elektronske gostote. Takšna skupina naj bi imela pozitivni induktivni učinek (+ jaz - učinek). Čim več je takih darovalec elektronov (+ jaz ) - so substituenti obdani z ogljikom s pozitivnim nabojem, bolj stabilen je ustrezni karbokation. Tako se stabilnost karbokationov poveča v seriji:

Pri propenu je najbolj stabilen sekundarni karbokation, saj je v njem pozitivno nabit ogljikov atom karbokationa stabiliziran z dvema + jaz - učinki sosednjih metilnih skupin. Pretežno nastane in reagira naprej. Nestabilen primarni karbokation očitno obstaja zelo kratek čas, tako da med svojim "življenjem" nima časa za pritrditev nukleofila in tvorbo reakcijskega produkta.

Ko se sekundarnemu karbokationu na zadnji stopnji doda bromidni ion, nastane 2-bromopropan:

ALI VEDNO VELJA MARKOVNIKOVO PRAVILO?

Upoštevanje mehanizma reakcije hidrobromiranja propilena nam omogoča, da oblikujemo splošno pravilo za elektrofilno dodajanje: "ko nesimetrični alkeni komunicirajo z elektrofilnimi reagenti, reakcija poteka skozi tvorbo najbolj stabilnega karbokationa." Isto pravilo omogoča razlago nastanka v nekaterih primerih adicijskih produktov v nasprotju z Markovnikovim pravilom. Tako je dodajanje vodikovih halogenidov trifluoropropilenu formalno v nasprotju z Markovnikovim pravilom:

Kako dobiti tak produkt, saj je nastal kot posledica dodajanja Br primarnemu in ne sekundarnemu karbokationu? Protislovje je enostavno razrešiti z upoštevanjem reakcijskega mehanizma in primerjavo stabilnosti nastalih vmesnih delcev:

Skupina -CF 3 vsebuje tri atome fluora, ki odvzemajo elektrone, ki črpajo elektronsko gostoto iz ogljikovega atoma. Zato se na ogljikovem atomu pojavi znatno pomanjkanje elektronske gostote. Za kompenzacijo nastalega delnega pozitivnega naboja ogljikov atom absorbira elektronsko gostoto sosednjih ogljikovih atomov. Tako je skupina -CF 3 odvzema elektronov in kaže negativni induktivni učinek (- jaz ) . V tem primeru se primarni karbokation izkaže za bolj stabilnega, saj je destabilizacijski učinek skupine -CF 3 preko dveh σ vezi oslabljen. In sekundarni karbokation, destabiliziran s sosednjo skupino, ki odvzema elektrone CF 3, praktično ne nastane.

Prisotnost skupin, ki odvzemajo elektrone –NO2, -COOH, -COH itd. na dvojni vezi ima podoben učinek na adicijo. V tem primeru je adicijski produkt oblikovan tudi formalno proti Markovnikovemu pravilu. Na primer, ko propenojski (akrilni) kislini dodamo vodikov klorid, nastane pretežno 3-kloropropanojska kislina:

Tako lahko smer dodajanja k nenasičenim ogljikovodikom zlahka določimo z analizo strukture ogljikovodika. Na kratko se to lahko odraža v naslednjem diagramu:

Upoštevati je treba, da je Markovnikovo pravilo izpolnjeno le, če reakcija poteka po ionskem mehanizmu. Pri izvajanju radikalnih reakcij Markovnikovo pravilo ni zadoščeno. Tako je dodajanje vodikovega bromida HBr v prisotnosti peroksidov (H 2 O 2 ali organskih peroksidov) v nasprotju z Markovnikovim pravilom:

Dodatek peroksidov spremeni reakcijski mehanizem; postane radikalen. Ta primer kaže, kako pomembno je poznati mehanizem reakcije in pogoje, pod katerimi se pojavi. Nato lahko z izbiro ustreznih pogojev za reakcijo, jo usmerite v skladu z mehanizmom, ki se zahteva v tem konkretnem primeru, in dobite točno tiste produkte, ki so potrebni.
MEHANIZEM ZAMENJAVE VODIKOVIH ATOMOV V AROMATSKIH OGLJIKOVODIKIH
Prisotnost stabilnega konjugata v molekuli benzena π -elektronski sistem onemogoča adicijske reakcije. Za benzen in njegove derivate so najbolj značilne reakcije substitucije vodikovih atomov, ki potekajo ob ohranjanju aromatičnosti. V tem primeru benzenov obroč vsebuje π- elektroni medsebojno delujejo z elektrofilnimi delci. Takšne reakcije imenujemo elektrofilne substitucijske reakcije v aromatski seriji. Sem spadajo na primer halogeniranje, nitriranje in alkiliranje benzena in njegovih derivatov.

Vse elektrofilne substitucijske reakcije v aromatskih ogljikovodikih potekajo po isti poti ionski ne glede na naravo reagenta. Mehanizem substitucijskih reakcij vključuje več stopenj: tvorba elektrofilnega sredstva E +, tvorba π -zapleteno torej σ- kompleks in končno razpad σ- kompleks, da se tvori nadomestni produkt.

Elektrofilni delec E+ nastane, ko reagent interagira s katalizatorjem, na primer, ko je molekula halogena izpostavljena aluminijevemu kloridu. Nastali delec E+ medsebojno deluje z aromatičnim obročem, pri čemer nastane prvi π -, in potem σ- kompleks:

Med izobraževanjem σ- kompleksa se elektrofilni delec E + veže na enega od ogljikovih atomov benzenskega obroča skozi σ- komunikacije. V nastalem karbokationu je pozitivni naboj enakomerno porazdeljen (delokaliziran) med preostalih pet ogljikovih atomov.

Reakcija se konča z odstranitvijo protona iz σ- kompleksen. V tem primeru dva elektrona σ -CH vezi se vrnejo v cikel in stabilna aromatična s šestimi elektroni π - sistem je regeneriran.

V molekuli benzena je vseh šest ogljikovih atomov enakih. Zamenjava vodikovega atoma se lahko zgodi z enako verjetnostjo pri katerem koli od njih. Kako bo prišlo do substitucije v primeru homologov benzena? Vzemimo za primer metilbenzen (toluen).

Iz eksperimentalnih podatkov je znano, da elektrofilna substitucija v primeru toluena vedno poteka s tvorbo dveh produktov. Tako pride do nitriranja toluena s tvorbo p-nitrotoluen in O-nitrotoluen:

Druge elektrofilne substitucijske reakcije (bromiranje, alkilacija) potekajo podobno. Ugotovljeno je bilo tudi, da pri toluenu substitucijske reakcije potekajo hitreje in pod milejšimi pogoji kot pri benzenu.

Ta dejstva je zelo preprosto razložiti. Metilna skupina je elektrodonatorska in posledično dodatno poveča elektronsko gostoto benzenskega obroča. Posebno močno povečanje elektronske gostote se pojavi v o- in P- položajih glede na skupino -CH 3, kar olajša pritrditev pozitivno nabitega elektrofilnega delca na ta mesta. Zato se hitrost substitucijske reakcije na splošno poveča, substituent pa je usmerjen predvsem v orto- In par- določbe.

Vse kemijske reakcije spremlja prekinitev nekaterih vezi in nastanek drugih. Organske reakcije načeloma potekajo po enakih zakonitostih kot anorganske, vendar imajo kvalitativno izvirnost.

Medtem ko anorganske reakcije običajno vključujejo ione, organske reakcije vključujejo molekule.

Reakcije potekajo veliko počasneje, v mnogih primerih zahtevajo katalizator ali izbiro zunanjih pogojev (temperatura, tlak).

Za razliko od anorganskih reakcij, ki potekajo povsem nedvoumno, večino organskih reakcij spremljajo te ali druge stranske reakcije. V tem primeru donos glavnega proizvoda pogosto ne presega 50%, vendar se zgodi, da je donos še manjši. Toda v nekaterih primerih lahko reakcija poteka kvantitativno, tj. s 100% izkoristkom. Zaradi dejstva, da je sestava produktov dvoumna, se enačbe kemijske reakcije v organski kemiji redko uporabljajo. Najpogosteje je napisana reakcijska shema, ki odraža izhodne snovi in ​​​​glavni produkt reakcije, namesto znaka "=" med desnim in levim delom sheme pa se uporablja "" ali znak reverzibilnosti.

Obstajata dva pristopa k klasifikaciji organskih reakcij: glede na naravo kemičnih transformacij in glede na mehanizme njihovega nastanka.

Glede na naravo kemičnih transformacij jih ločimo:

Substitucijske reakcije (S - iz angleške substitucije - zamenjava)	En atom ali skupina atomov se nadomesti z drugim atomom ali skupino atomov:
Reakcije dodajanja (Ad - iz angleškega Addition - pristop)	Iz dveh ali več molekul nastane ena nova snov. Dodajanje poteka praviloma z več vezmi (dvojne, trojne):
Reakcije izločanja (E - iz angleščine Elimination - izločanje, odstranitev)	Reakcije ogljikovodikovih derivatov, pri katerih se funkcionalna skupina izloči skupaj z vodikovimi atomi, da nastane -vez (dvojna, trojna):
Prerazvrščanja (Rg - iz angleškega Re-grouping - ponovno združevanje)	Intramolekularne reakcije prerazporeditve elektronske gostote in atomov: (prerazvrščanje Favorskega).

Razvrstitev organskih reakcij glede na mehanizem njihovega nastanka.

Mehanizem kemijske reakcije je pot, ki vodi do pretrganja stare vezi in nastanka nove.

Obstajata dva mehanizma za prekinitev kovalentne vezi:

1. Heterolitični (ionski). V tem primeru se vezni elektronski par popolnoma prenese na enega od vezanih atomov:

2. Homolitična (radikalna). Skupni elektronski par se razpolovi, da nastaneta dva delca s prostimi valencami - radikali:

Naravo mehanizma razpadanja določa vrsta napadajočega delca (reagenta). V organski kemiji poznamo tri vrste reagentov.

1. Nukleofilni reagenti (N - iz latinskega nukleofilnega - z afiniteto do jedra).

Delci (atomi, skupine, nevtralne molekule), ki vsebujejo presežek elektronske gostote. Delimo jih na močne, srednje močne in šibke. Moč nukleofila je relativen pojem, odvisen od reakcijskih pogojev (polariteta topila). V polarnih topilih močni nukleofili: , kot tudi nevtralne molekule z osamljenimi elektronskimi pari (v neveznih orbitalah). Srednje močni nukleofili: . Šibki nukleofili: anioni močnih kislin - kot tudi fenoli in aromatski amini.

2. Elektrofilni reagenti (E - iz latinske Electrophilic - z afiniteto do elektronov).

Delci (atomi, skupine, nevtralne molekule), ki nosijo pozitiven naboj ali prazno orbitalo, zaradi česar imajo afiniteto do negativno nabitih delcev ali elektronskega para. Na številko močni elektrofili vključujejo proton, kovinske katione (zlasti večkratne naboje), molekule s prazno orbitalo na enem od atomov (Lewisove kisline), molekule kislin, ki vsebujejo kisik, z visokimi naboji na oksidiranem atomu ().

Pogosto se zgodi, da molekula vsebuje več reakcijskih centrov različnih narav - tako nukleofilnih kot elektrofilnih.

3. Radikali (R).

Glede na vrsto reagenta in pot cepitve heterolitske vezi v substratni molekuli nastanejo različni produkti. To je mogoče predstaviti v splošni obliki:

Reakcije, ki potekajo po takšnih shemah, se imenujejo elektrofilne substitucijske reakcije (SE), ker reakcija je v bistvu premestitev, napadalec pa je elektrofilna vrsta.

Reakcije, ki potekajo po takih shemah, imenujemo nukleofilne substitucijske reakcije (S N), ker reakcija je v bistvu premestitev, napadalec pa je nukleofilna vrsta.

Če je napadalec radikal, potem reakcija poteka po radikalskem mehanizmu.

Mehanizmi organskih reakcij

Ime parametra	Pomen
Tema članka:	Mehanizmi organskih reakcij
Rubrika (tematska kategorija)	izobraževanje

Razvrstitev reakcij

Obstajajo štiri glavne vrste reakcij, v katerih sodelujejo organske spojine: substitucija (izpodrivanje), dodajanje, eliminacija (eliminacija), preureditve.

3.1 Nadomestne reakcije

Pri prvi vrsti reakcije se substitucija običajno zgodi pri atomu ogljika, vendar mora biti substituirani atom atom vodika ali kakšen drug atom ali skupina atomov. Med elektrofilno substitucijo se največkrat zamenja vodikov atom; Primer je klasična aromatična zamenjava:

Pri nukleofilni substituciji najpogosteje ne zamenjamo vodikovega atoma, temveč druge atome, npr.

NC - + R−Br → NC−R +BR -

3.2 Adicijske reakcije

Adicijske reakcije so lahko tudi elektrofilne, nukleofilne ali radikalne glede na vrsto vrste, ki sproži proces. Pritrjevanje na običajne dvojne vezi ogljik-ogljik običajno povzroči elektrofil ali radikal. Na primer, dodatek HBr

se lahko začne z napadom dvojne vezi s protonom H+ ali radikalom Br·.

3.3 Reakcije izločanja

Reakcije izločanja so v bistvu obratne od adicijskih reakcij; Najpogostejša vrsta takšne reakcije je eliminacija atoma vodika in drugega atoma ali skupine iz sosednjih atomov ogljika, da nastanejo alkeni:

3.4 Reakcije prerazporeditve

Do preureditev lahko pride tudi prek vmesnih spojin, ki so kationi, anioni ali radikali; Najpogosteje se te reakcije pojavijo s tvorbo karbokationov ali drugih delcev s pomanjkanjem elektronov. Prerazporeditve lahko vključujejo znatno prestrukturiranje ogljikovega skeleta. Samemu koraku prerazporeditve v takih reakcijah pogosto sledijo koraki substitucije, dodajanja ali izločanja, kar vodi do tvorbe stabilnega končnega produkta.

Podroben opis kemijske reakcije po stopnjah običajno imenujemo mehanizem. Z elektronskega vidika razumemo mehanizem kemijske reakcije kot način prekinitve kovalentnih vezi v molekulah in zaporedje stanj, skozi katera prehajajo reagirajoče snovi, preden postanejo produkti reakcije.

4.1 Reakcije prostih radikalov

Reakcije prostih radikalov so kemični procesi, v katerih sodelujejo molekule z nesparjenimi elektroni. Nekateri vidiki reakcij prostih radikalov so edinstveni v primerjavi z drugimi vrstami reakcij. Glavna razlika je v tem, da so številne reakcije prostih radikalov verižne reakcije. To pomeni, da obstaja mehanizem, s katerim se številne molekule pretvorijo v produkt s ponavljajočim se procesom, ki se začne z ustvarjanjem ene same reaktivne vrste. Tipičen primer je prikazan z naslednjim hipotetičnim mehanizmom:

Stopnja, na kateri nastane reakcijski intermediat, v tem primeru A·, se običajno imenuje iniciacija. Ta stopnja poteka pri visokih temperaturah, pod vplivom UV ali peroksidov, v nepolarnih topilih. Naslednje štiri enačbe v tem primeru ponavljajo zaporedje dveh reakcij; predstavljajo razvojno fazo verige. Za verižne reakcije je značilna dolžina verige, ki ustreza številu razvojnih stopenj na iniciacijsko stopnjo. Druga stopnja poteka s hkratno sintezo spojine in tvorbo novega radikala, ki nadaljuje verigo transformacij. Zadnji korak je korak prekinitve verige, ki vključuje katero koli reakcijo, pri kateri se uniči eden od reakcijskih intermediatov, potrebnih za napredovanje verige. Več kot je stopenj zaključka verige, krajša je dolžina verige.

Prostoradikalske reakcije potekajo: 1) na svetlobi, pri visokih temperaturah ali v prisotnosti radikalov, ki nastanejo pri razgradnji drugih snovi; 2) zavirajo snovi, ki zlahka reagirajo s prostimi radikali; 3) nastanejo v nepolarnih topilih ali v parni fazi; 4) pogosto imajo avtokatalitsko in indukcijsko obdobje pred začetkom reakcije; 5) kinetično so verižni.

Za alkane so značilne radikalske substitucijske reakcije, za alkene in alkine pa radikalske adicijske reakcije.

CH 4 + Cl 2 → CH 3 Cl + HCl

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

CH 3 -C≡CH + HCl → CH 3 -CH=CHCl

Povezava prostih radikalov med seboj in prekinitev verige poteka predvsem na stenah reaktorja.

4.2 Ionske reakcije

Reakcije, pri katerih se pojavi heterolitičen pretrganje vezi in nastanek vmesnih delcev ionskega tipa imenujemo ionske reakcije.

Ionske reakcije potekajo: 1) v prisotnosti katalizatorjev (kislin ali baz in nanje ne vplivajo svetloba ali prosti radikali, zlasti tisti, ki nastanejo pri razgradnji peroksidov); 2) nanje ne vplivajo lovilci prostih radikalov; 3) narava topila vpliva na potek reakcije; 4) redko se pojavljajo v parni fazi; 5) kinetično so večinoma reakcije prvega ali drugega reda.

Glede na naravo reagenta, ki deluje na molekulo, delimo ionske reakcije na: elektrofilna in nukleofilni. Nukleofilne substitucijske reakcije so značilne za alkil in aril halogenide,

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

elektrofilna substitucija – za alkane v prisotnosti katalizatorjev

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

in arene.

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

Za alkene so značilne elektrofilne adicijske reakcije

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

in alkini,

CH≡CH + Cl 2 → CHCl=CHCl

nukleofilna adicija – za alkine.

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

Mehanizmi organskih reakcij - pojem in vrste. Razvrstitev in značilnosti kategorije "Mehanizmi organskih reakcij" 2017, 2018.