Clasificarea reacțiilor
Există patru tipuri principale de reacții la care participă compușii organici: substituție (deplasare), adăugare, eliminare (clivare), rearanjare.
3.1 Reacții de substituție
În reacțiile de primul tip, substituția are loc de obicei la atomul de carbon, dar atomul substituit poate fi un atom de hidrogen sau un alt atom sau grup de atomi. În substituția electrofilă, un atom de hidrogen este cel mai adesea înlocuit; un exemplu este clasicul substituție aromatică:
În substituția nucleofilă, cel mai adesea nu atomul de hidrogen este înlocuit, ci alți atomi, de exemplu:
NC - + R−Br → NC−R +BR -
3.2 Reacții de adiție
Reacțiile de adiție pot fi, de asemenea, electrofile, nucleofile sau radicale, în funcție de tipul de specie care inițiază procesul. Atașarea la duble legături convenționale carbon-carbon este de obicei indusă de un electrofil sau un radical. De exemplu, adăugând HBr
poate începe cu un atac asupra dublei legături de către protonul H + sau radicalul Br·.
3.3 Reacții de eliminare
Reacțiile de eliminare sunt, în esență, inversul reacțiilor de adiție; cel mai comun tip de astfel de reacție este eliminarea unui atom de hidrogen și a unui alt atom sau grup din atomii de carbon vecini pentru a forma alchene:
3.4 Reacții de rearanjare
Rearanjamentele pot avea loc și prin intermediari care sunt cationi, anioni sau radicali; cel mai adesea aceste reacții sunt asociate cu formarea carbocationilor sau a altor particule cu deficit de electroni. Rearanjamentele pot implica o rearanjare semnificativă a scheletului de carbon. Etapa reală de rearanjare în astfel de reacții este adesea urmată de etape de substituție, adăugare sau eliminare care conduc la formarea unui produs final stabil.
O descriere detaliată a unei reacții chimice în etape se numește mecanism. Din punct de vedere electronic, mecanismul unei reacții chimice este înțeles ca o metodă de rupere a legăturilor covalente din molecule și o succesiune de stări prin care trec substanțele care reacţionează înainte de a fi transformate în produși de reacție.
4.1 Reacții cu radicali liberi
Reacțiile radicalilor liberi sunt procese chimice, la care participă molecule cu electroni nepereche. Anumite aspecte ale reacțiilor cu radicali liberi sunt unice în comparație cu alte tipuri de reacții. Principala diferență este că multe reacții ale radicalilor liberi sunt reacții în lanț. Aceasta înseamnă că există un mecanism prin care multe molecule sunt convertite într-un produs printr-un proces repetitiv inițiat prin crearea unei singure specii reactive. Exemplu tipic ilustrat de următorul mecanism ipotetic:
Etapa în care este generat intermediarul de reacție, în acest caz A·, se numește inițiere. Această etapă are loc în timpul temperatura ridicata, sub acțiunea UV sau a peroxizilor, în solvenți nepolari. În următoarele patru ecuații acest exemplu se repetă secvența a două reacții; ele reprezintă faza de dezvoltare a lanţului. Reacțiile în lanț sunt caracterizate de lungimea lanțului, care corespunde numărului de stadii de dezvoltare per stadiu de inițiere. A doua etapă continuă cu sinteza simultană a compusului și formarea unui nou radical, care continuă lanțul de transformări. Ultimul pas este terminarea lanțului, care include orice reacție care distruge unul dintre intermediarii de reacție necesari pentru propagarea în lanț. Cu cât sunt mai multe etape de terminare a lanțului, cu atât lungimea lanțului devine mai scurtă.
Reacțiile cu radicali liberi au loc: 1) la lumină, la temperatură ridicată sau în prezența radicalilor, care se formează în timpul descompunerii altor substanțe; 2) inhibat de substante care reactioneaza usor cu radicalii liberi; 3) se procedează în solvenți nepolari sau în fază de vapori; 4) au adesea o perioadă autocatalitică și de inducție înainte de începerea reacției; 5) cinetic sunt în lanț.
Reacțiile de substituție radicală sunt caracteristice alcanilor, iar reacțiile de adiție radicală sunt caracteristice alchenelor și alchinelor.
CH4 + CI2 → CH3CI + HCI
CH 3 -CH \u003d CH 2 + HBr → CH 3 -CH 2 -CH 2 Br
CH3-C≡CH + HCI → CH3-CH=CHCI
Legătura radicalilor liberi între ei și terminarea lanțului are loc în principal pe pereții reactorului.
4.2 Reacții ionice
Reacţiile în care heterolitic ruperea legăturilor și formarea particulelor intermediare de tip ionic se numesc reacții ionice.
Reacțiile ionice au loc: 1) în prezența catalizatorilor (acizi sau baze și nu sunt afectate de lumină sau radicali liberi, în special, care decurg din descompunerea peroxizilor); 2) nu sunt afectate de captatorii de radicali liberi; 3) natura solventului afectează cursul reacției; 4) apar rar în faza de vapori; 5) cinetic, sunt în principal reacții de ordinul întâi sau al doilea.
În funcție de natura reactivului care acționează asupra moleculei, reacții ionice sunt împărțite în electrofilăși nucleofil. Reacțiile de substituție nucleofilă sunt caracteristice halogenurilor de alchil și arii,
CH3CI + H20 → CH3OH + HCI
C6H5-CI + H20 → C6H5-OH + HCI
C2H5OH + HCI → C2H5CI + H2O
C2H5NH2 + CH3CI → CH3-NH-C2H5 + HCI
substituție electrofilă - pentru alcani în prezența catalizatorilor
CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 → CH3-CH (CH3)-CH2-CH3
și arene.
C 6 H 6 + HNO 3 + H 2 SO 4 → C 6 H 5 -NO 2 + H 2 O
Reacțiile de adiție electrofile sunt caracteristice alchenelor
CH 3 -CH \u003d CH 2 + Br 2 → CH 3 -CHBr-CH 2 Br
şi alchine
CH≡CH + CI2 → CHCI=CHCI
adiție nucleofilă – pentru alchine.
CH3-C≡CH + C2H5OH + NaOH → CH3-C (OC2H5) = CH2
>> Chimie: Tipuri reacții chimiceîn Chimie organica
Reacții materie organică poate fi împărțit formal în patru tipuri principale: substituții, adăugiri, eliminări (eliminări) și rearanjamente (izomerizări). Este evident că toată varietatea de reacții compusi organici nu poate fi redus în cadrul clasificării propuse (de exemplu, reacții de ardere). Cu toate acestea, o astfel de clasificare vă va ajuta să stabiliți analogii cu cei deja familiarizați de la curs. Chimie anorganică clasificări ale reacțiilor care apar între substanțele anorganice.
De regulă, principalul compus organic care participă la reacție se numește substrat, iar cealaltă componentă a reacției este considerată condiționat ca reactiv.
Reacții de substituție
Reacțiile care au ca rezultat înlocuirea unui atom sau a unui grup de atomi din molecula originală (substrat) cu alți atomi sau grupuri de atomi se numesc reacții de substituție.
Reacţiile de substituţie implică limitarea şi compuși aromatici, cum ar fi, de exemplu, alcani, cicloalcani sau arene.
Să dăm exemple de astfel de reacții.
Clasificarea reacțiilor După numărul de substanțe inițiale și finale: 1. Aderare 2. Eliminare (eliminare) 3. Înlocuire
Clasificarea reacțiilor După mecanismul de rupere a legăturii: 1. Radicali homolitici (radicali) 2. Ioni heterolitici (ionici)
Mecanism de reacție Mecanism - descriere detaliata reacție chimică pe etape, indicând produse intermediare și particule. Schema de reacție: Mecanismul de reacție:
Clasificarea reacțiilor în funcție de tipul de reactivi 1. Radical Un radical este o particulă activă chimic cu un electron nepereche. 2. Electrofil Un electrofil este o particulă sau o moleculă cu deficit de electroni cu un atom deficient de electroni. 3. Nucleofil Un nucleofil este un anion sau o moleculă neutră care are un atom cu o pereche de electroni neîmpărtășită.
Tipuri de legături chimice în substanțele organice Tipul principal de legătură este covalent (ionică este mai puțin comună) Legătura Sigma (σ-): Legătura Pi (-)
ALCANE - hidrocarburi alifatice (grase) "Alifatos" - ulei, grăsime (greacă). Cn. H 2 n+2 Limit, hidrocarburi saturate
Serii omoloage: CH 4 - metan C 2 H 6 - etan C 3 H 8 - propan C 4 H 10 - butan C 5 H 12 - pentan etc. C 6 H 14 - hexan C 7 H 16 - heptan C 8 H 18 - octan C 9 H 20 - nonan C 10 H 22 - decan și C 390 H 782 - nonocontactican (1985)
Modelul orbital atomic al moleculei de metan În molecula de metan, atomul de carbon nu mai are orbitali S și P! Cei 4 orbitali hibrizi SP 3 ai săi, care sunt echivalenti ca energie și formă, formează 4 legături cu orbitalii S ai atomului de hidrogen. legături HH4
Reacția de nitrare Konovalov Dmitri Petrovici (1856 -1928) 1880. Prima încercare reușită de a resuscita „morții chimici”, care erau considerați alcani. S-au găsit condițiile pentru nitrarea alcanilor. Orez. Sursa: http://images. yandex. ru.
Proprietăți chimice I. Reacţii cu ruperea legăturilor C-H (reacţii de substituţie): 1. halogenare 2. nitrare 3. sulfoclorurare II. Reacții cu ruperea legăturilor C-C: 1. ardere 2. fisurare 3. izomerizare
Cum să găsești un chimist? Dacă vrei să găsești un chimist, întreabă ce sunt alunițele și neionizate. Și dacă începe să vorbească despre animale de blană și despre organizarea muncii, plecați cu calm. Scriitor de ficțiune, popularizator al științei Isaac Asimov (1920–1992) Fig. Sursa: http://images. yandex. ru.
1. Reacția de halogenare Clorinare: RH + Cl 2 hv RCl + HCl Bromurare: RH + Br 2 hv RBr + HBr De exemplu, clorurare cu metan: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl
Etapele mecanismului radicalilor liberi Schema de reacție: CH 4 + Cl 2 CH 3 Cl + HCl Mecanismul de reacție: I. Inițierea în lanț - etapa de generare a radicalilor liberi. Cl Cl 2 Cl Radicalul este o particulă activă, inițiatoarea reacției. – – Scena necesită energie sub formă de încălzire sau iluminare. Pașii următori pot continua pe întuneric, fără încălzire.
Etapele mecanismului radicalilor liberi II. Creșterea lanțului este etapa principală. CH 4 + Cl HCl + CH 3 + Cl 2 CH 3 Cl + Cl Etapa poate include mai multe substadii, fiecare formând un nou radical, dar nu H !!! La II, etapa principală, produsul principal se formează neapărat!
Etapele mecanismului radicalilor liberi III. Terminarea lanțului este recombinarea radicalilor. Cl + Cl Cl 2 Cl + CH 3 CH 3 Cl CH 3 + CH 3 CH 3 -CH 3 Oricare doi radicali se combină.
Selectivitatea substituirii Selectivitate - selectivitate. Regioselectivitate - selectivitate într-o anumită zonă a reacțiilor. De exemplu, selectivitatea halogenării: 45% 3% Concluzie? 55% 97%
Selectivitatea halogenării depinde de următorii factori: Condiții de reacție. La temperaturi scăzute este mai selectiv. natura halogenului. Cu cât halogenul este mai activ, cu atât reacția este mai puțin selectivă. F 2 reacţionează foarte energic, cu distrugerea legăturilor C-C. I 2 nu reacţionează cu alcanii în aceste condiţii. Structura unui alcan.
Influența structurii alcanilor asupra selectivității substituției. Dacă atomii de carbon din alcan sunt inegali, atunci înlocuirea fiecăruia dintre ei vine cu viteză diferită. Relativ. viteza de reacție de substituție atomul H Secundar atomul H tert. clorurare atom de H 1 3, 9 5, 1 bromurare 1 82 1600 Concluzie?
Desprinderea unui atom terțiar de hidrogen necesită mai puțină energie decât detașarea unui secundar și primar! Formula alcanului Rezultatul omolizei ED, k. J/mol CH 4 CH 3 + H 435 CH 3 - CH 3 C 2 H 5 + H 410 CH 3 CH 2 CH 3 (CH 3) 2 CH + H 395 (CH 3) 3CH (CH3)3C + H 377
Direcția reacțiilor Orice reacție are loc predominant în direcția formării unei particule intermediare mai stabile!
O particulă intermediară în reacțiile radicalice este un radical liber. Cel mai stabil radical se formează cel mai ușor! Seria de stabilitate radicală: R 3 C > R 2 CH > RCH 2 > CH 3 Grupările alchil prezintă un efect donor de electroni, datorită căruia stabilizează radicalul
Reacția de sulfoclorurare Schema de reacție: RH + Cl 2 + SO 2 RSO 2 Cl + HCl Mecanismul de reacție: 1. Cl Cl 2 Cl 2. RH + Cl R + HCl R + SO 2 RSO 2 + Cl 2 RSO 2 Cl + Cl etc 3 2 Cl Cl 2 etc.
Reacția lui Konovalov D.P. Nitrarea conform lui Konovalov se realizează prin acțiunea diluării acid azotic la temperatura de 140 o. C. Schema de reacție: RH + HNO 3 RNO 2 + H 2 O
Mecanismul reacției Konovalov HNO 3 N 2 O 4 1. N 2 O 4 2 NO 2 2. RH + NO 2 R + HNO 2 R + HNO 3 RNO 2 + OH RH + OH R + H 2 O etc. 3 .Circuit deschis.
Alchenele sunt hidrocarburi nesaturate cu o legătură C=C Cn. H 2 n C \u003d C - grup funcțional de alchene
Proprietățile chimice ale alchenelor caracteristici generale Alchenele sunt o clasă reactivă de compuși. Ei intră în numeroase reacții, dintre care majoritatea se datorează ruperii unei legături pi mai puțin puternice. Е С-С (σ-) ~ 350 KJ/mol Е С=С (-) ~ 260 KJ/mol
reacții caracteristice Aderarea este cea mai mare tip caracteristic reactii. Legătura dublă este un donor de electroni, deci tinde să adauge: E - electrofili, cationi sau radicali
Exemple de reacții de adiție electrofile 1. Adăugarea de halogeni - Nu se adaugă toți halogenii, ci doar clor și brom! – Polarizarea unei molecule neutre de halogen poate avea loc sub acțiunea unui solvent polar sau sub acțiunea dublei legături a unei alchene. Soluția roșie-maro de brom devine incoloră
Adiție electrofilă Reacțiile au loc la temperatura camerei nu necesită iluminare. Mecanism ionic. Schema de reacție: XY \u003d Cl 2, Br 2, HCl, HBr, HI, H 2 O
Complexul sigma este un carbocation - o particulă cu sarcină pozitivă pe atomul de carbon. Dacă în mediul de reacție sunt prezenți alți anioni, aceștia se pot atașa și la carbocation.
De exemplu, adăugarea de brom dizolvat în apă. Acest reacție calitativă la legătura dublă C=C are loc decolorarea soluției de brom și formarea a doi produși:
Adăugarea la alchene nesimetrice Regioselectivitatea adunării! Regula lui Markovnikov (1869): acizii și apa se adaugă la alchenele nesimetrice în așa fel încât hidrogenul să fie adăugat atomului de carbon mai hidrogenat.
Markovnikov Vladimir Vasilievici (1837 - 1904) Absolvent al Universității din Kazan. Din 1869 - Profesor la Catedra de Chimie. Fondator scoala stiintifica. Orez. Sursa: http://images. yandex. ru.
Explicația regulii lui Markovnikov Reacția are loc prin formarea celei mai stabile particule intermediare - carbocation. primar secundar, mai stabil
Seria de stabilitate a carbocationilor: regula metilului primar terțiar secundar Markovnikov formularea modernă: adăugarea unui proton la o alchenă are loc cu formarea unui carbocation mai stabil.
Adăugarea anti-Markovnikov CF 3 -CH=CH 2 + HBr CF 3 -CH 2 Br Formal, reacția este împotriva regulii lui Markovnikov. CF 3 - substituent atrăgător de electroni Alți agenți atrăgător de electroni: NO 2, SO 3 H, COOH, halogeni etc.
Adăugarea anti-Markovnikov mai stabilă instabilă CF 3 - acceptor de electroni, destabilizaază carbocation Reacția doar formal contravine regulii lui Markovnikov. De fapt, se supune, deoarece trece printr-un carbocation mai stabil.
Efectul peroxidului Harash X CH 3 -CH \u003d CH 2 + HBr CH 3 -CH 2 Br X \u003d O 2, H 2 O 2, ROOR Mecanismul radicalilor liberi: 1. H 2 O 2 2 OH + HBr H 2 O + Br 2. CH 3 -CH \u003d CH 2 + Br CH 3 -CH -CH 2 Br este un radical mai stabil CH 3 -CH -CH 2 Br + HBr CH 3 -CH 2 Br + Br etc. 3. Orice doi radicali sunt legați între voi.
Adăugarea electrofilă 3. Hidratarea - adăugarea de apă - Reacția se desfășoară în prezența catalizatorilor acizi, cel mai adesea este acid sulfuric. Reacția se supune regulii lui Markovnikov. O modalitate ieftină de a obține alcool
La examen, academicianul Ivan Alekseevich Kablukov îi cere studentului să spună cum se obține hidrogenul în laborator. „Mercur”, răspunde el. „Cum este „de la mercur”? ! De obicei, se spune „din zinc”, dar din mercur - acesta este ceva original. Scrieți o reacție. Elevul scrie: Hg \u003d H + g Și spune: „Mercurul este încălzit; se descompune în H și g. H este hidrogen, este ușor și, prin urmare, zboară, iar g este accelerația gravitației, grele, rămâne. „Pentru un astfel de răspuns, trebuie să puneți „cinci”, spune Kablukov. - Să luăm o notă. Doar cei „cinci” îi voi încălzi primul. „Trei” zboară, iar „doi” rămâne.
Doi chimiști în laborator: - Vasia, bagă mâna în acest pahar. - Am scăpat-o. - Simți ceva? - Nu. - Deci acid sulfuric într-un alt pahar.
Hidrocarburi aromatice Aromatic - parfumat? ? Compușii aromatici sunt benzen și substanțe care îi seamănă în comportament chimic!
Multe reacții de substituție deschid calea obținerii unei varietăți de compuși care au aplicații economice. Rol uriașîn știința chimică și industrie, se atribuie substituția electrofilă și nucleofilă. În sinteza organică, aceste procese au o serie de caracteristici care ar trebui luate în considerare.
varietate de fenomene chimice. Reacții de substituție
Modificările chimice asociate cu transformările substanțelor se disting printr-o serie de caracteristici. Rezultatele finale pot varia efecte termice; unele procese merg până la sfârșit, în altele o schimbare a substanțelor este adesea însoțită de o creștere sau scădere a gradului de oxidare. La clasificarea fenomenelor chimice în funcție de rezultatul lor final, se acordă atenție diferențelor calitative și cantitative dintre reactanți și produși. După aceste trăsături se pot distinge 7 tipuri de transformări chimice, inclusiv substituția, urmând schema: A-B + C A-C + B. O înregistrare simplificată a unei întregi clase de fenomene chimice dă o idee că printre substanțele inițiale există un - numită „o particulă care înlocuiește un atom, un ion sau o grupare funcțională într-un reactiv. Reacția de substituție este tipică pentru limitarea și
Reacțiile de substituție pot avea loc sub forma unui dublu schimb: A-B + C-E A-C + B-E. Una dintre subspecii este deplasarea, de exemplu, a cuprului de către fier din soluție vitriol albastru: CuSO 4 + Fe \u003d FeSO 4 + Cu. Atomii, ionii sau grupurile funcționale pot acționa ca o particulă „atacatoare”.
Substituție homolitică (radical, SR)
Cu un mecanism radical de rupere a legăturilor covalente, o pereche de electroni comună diferitelor elemente este distribuită proporțional între „fragmentele” moleculei. Se formează radicalii liberi. Acestea sunt particule instabile, a căror stabilizare are loc ca urmare a transformărilor ulterioare. De exemplu, atunci când etanul este obținut din metan, apar radicali liberi care participă la reacția de substituție: CH4CH3. + .H; CH 3 . +.CH3 → C2H5; H. + .H → H2. Ruperea legăturii omolitice conform mecanismului de substituție dat este de natură în lanț. În metan, atomii de H pot fi înlocuiți succesiv cu clor. Reacția cu bromul se desfășoară în mod similar, dar iodul este incapabil să înlocuiască direct hidrogenul în alcani, fluorul reacționează prea puternic cu aceștia.
Metoda de clivaj heterolitic
Cu mecanismul ionic al reacțiilor de substituție, electronii sunt distribuiți neuniform printre particulele nou formate. Perechea de electroni de legare merge complet la unul dintre „fragmente”, cel mai adesea, la acel partener de legătură, spre care densitatea negativă din molecula polară a fost deplasată. Reacțiile de substituție includ formarea de alcool metilic CH3OH. În brometanul CH3Br, scindarea moleculei este heterolitică, iar particulele încărcate sunt stabile. Metilul capătă o sarcină pozitivă, iar bromul capătă una negativă: CH 3 Br → CH 3 + + Br - ; NaOH → Na + + OH -; CH3 + + OH - → CH3OH; Na ++ Br - ↔ NaBr.
Electrofili și nucleofili
Particulele cărora le lipsesc electroni și îi pot accepta sunt numite „electrofile”. Acestea includ atomi de carbon legați de halogeni din haloalcani. Nucleofilii au o densitate de electroni crescută, ei „donează” o pereche de electroni atunci când creează o legătură covalentă. În reacțiile de substituție, nucleofilii bogați în sarcini negative sunt atacați de electrofilii lipsiți de electroni. Acest fenomen este asociat cu deplasarea unui atom sau a unei alte particule - grupul de plecare. Un alt tip de reacție de substituție este atacul unui electrofil de către un nucleofil. Este uneori dificil să distingem două procese, să atribui substituția unui tip sau altuia, deoarece este dificil de precizat exact care dintre molecule este substratul și care este reactivul. De obicei, în astfel de cazuri sunt luați în considerare următorii factori:
- natura grupului care părăsește;
- reactivitate nucleofilă;
- natura solventului;
- structura părții alchil.
Nucleofil de substituție (SN)
În procesul de interacțiune într-o moleculă organică, se observă o creștere a polarizării. În ecuații, o sarcină parțială pozitivă sau negativă este marcată cu litera alfabet grecesc. Polarizarea legăturii face posibilă aprecierea naturii rupturii acesteia și a comportamentului ulterioar al „fragmentelor” moleculei. De exemplu, atomul de carbon din iodmetan are o sarcină pozitivă parțială și este un centru electrofil. Atrage acea parte a dipolului de apă în care se află oxigenul, care are un exces de electroni. Când un electrofil interacționează cu un reactiv nucleofil, se formează metanol: CH 3 I + H 2 O → CH 3 OH + HI. Reacțiile de substituție nucleofilă au loc cu participarea unui ion încărcat negativ sau a unei molecule care are o pereche de electroni liberi care nu este implicată în crearea legătură chimică. Participarea activă a iodometanului în reacțiile SN 2 se explică prin deschiderea sa la atacul nucleofil și mobilitatea iodului.
Substituție electrofilă (SE)
O moleculă organică poate conține un centru nucleofil, care se caracterizează printr-un exces de densitate electronică. Reacționează cu un reactiv electrofil care nu are încărcături negative. Astfel de particule includ atomi cu orbitali liberi, molecule cu zone cu densitate electronică scăzută. În carbon, care are o sarcină „-”, interacționează cu partea pozitivă a dipolului de apă - cu hidrogen: CH 3 Na + H 2 O → CH 4 + NaOH. Produsul acestei reacții de substituție electrofilă este metanul. În reacțiile heterolitice, centrele încărcate opus ai moleculelor organice interacționează, ceea ce le face similare cu ionii din chimie substante anorganice. Nu trebuie trecut cu vederea faptul că transformarea compușilor organici este rareori însoțită de formarea de cationi și anioni adevărați.
Reacții monomoleculare și bimoleculare
Substituția nucleofilă este monomoleculară (SN1). Hidroliza are loc în conformitate cu acest mecanism. produs important sinteza organica - clorura de butil tertiar. Prima etapă este lentă, este asociată cu disocierea treptată în cation de carboniu și anion clorură. A doua etapă este mai rapidă, ionul de carboniu reacţionează cu apa. substituirea unui halogen într-un alcan cu o grupare hidroxi și obținerea unui alcool primar: (CH 3) 3 C-Cl → (CH 3) 3 C + + Cl - ; (CH3)3C+ + H20 → (CH3)3C-OH + H+. Hidroliza într-o singură etapă a halogenurilor de alchil primare și secundare se caracterizează prin distrugerea simultană a legăturii de carbon cu halogenul și formarea unei perechi C-OH. Acesta este mecanismul de substituție bimoleculară nucleofilă (SN2).
Mecanismul de substituție heterolitică
Mecanismul de substituție este asociat cu transferul de electroni, crearea de complexe intermediare. Reacția se desfășoară cu cât mai repede, cu atât este mai ușor să se formeze produsele intermediare caracteristice acesteia. Adesea, procesul merge în mai multe direcții în același timp. Avantajul este obținut de obicei prin modul în care sunt utilizate particulele care necesită cele mai mici costuri energetice pentru formarea lor. De exemplu, prezența unei duble legături crește probabilitatea apariției cationului alil CH2=CH—CH2+, în comparație cu ionul CH3+. Motivul constă în densitatea electronică a legăturii multiple, care afectează delocalizarea sarcinii pozitive dispersate în întreaga moleculă.
Reacții de substituție a benzenului
Grupul pentru care substituția electrofilă este caracteristică este arenele. Inelul benzen este o țintă convenabilă pentru atacul electrofil. Procesul începe cu polarizarea legăturii în cel de-al doilea reactant, rezultând formarea unui electrofil adiacent norului de electroni al inelului benzenic. Rezultatul este un complex de tranziție. Încă nu există o conexiune cu drepturi depline a unei particule electrofile cu unul dintre atomii de carbon, este atrasă de întreaga sarcină negativă a „șase aromatici” de electroni. În a treia etapă a procesului, electrofilul și un atom de carbon al inelului se leagă pereche comună electroni (legatura covalenta). Dar în acest caz, „șase aromatice” sunt distruse, ceea ce este nefavorabil din punctul de vedere al atingerii unei stări energetice durabile stabile. Există un fenomen care poate fi numit „ejecție de protoni”. Există o scindare a H +, un sistem stabil de legături, caracteristic arenelor, este restaurat. produs secundar conţine un cation de hidrogen din inelul benzenic şi un anion din compoziţia celui de-al doilea reactiv.
Exemple de reacții de substituție din chimia organică
Pentru alcani, reacția de substituție este deosebit de caracteristică. Exemple de transformări electrofile și nucleofile pot fi date pentru cicloalcani și arene. Reacții similare în moleculele de substanțe organice apar în condiții normale, dar mai des atunci când sunt încălzite și în prezența catalizatorilor. Substituția electrofilă în nucleul aromatic este unul dintre procesele larg răspândite și bine studiate. Cele mai importante reacții de acest tip sunt:
- Nitrarea benzenului în prezența H 2 SO 4 - merge după schema: C 6 H 6 → C 6 H 5 -NO 2.
- Halogenarea catalitică a benzenului, în special clorurarea, conform ecuației: C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.
- Procedează aromatic cu acid sulfuric „afumant”, se formează acizi benzensulfonici.
- Alchilarea este înlocuirea unui atom de hidrogen din ciclul benzenic cu un alchil.
- Acilarea este formarea de cetone.
- Formilarea este înlocuirea hidrogenului cu o grupare CHO și formarea de aldehide.
Reacțiile de substituție includ reacții în alcani și cicloalcani, în care halogenii atacă legătura C-H disponibilă. Prepararea derivaților poate fi asociată cu înlocuirea unuia, a doi sau a tuturor atomilor de hidrogen în hidrocarburi saturate și cicloparafine. Mulți dintre haloalcani cu puțin greutate moleculară sunt folosite la producerea de substanțe complexe aparținând unor clase diferite. Progresele realizate în studierea mecanismelor reacțiilor de substituție au dat un impuls puternic dezvoltării sintezelor pe bază de alcani, cicloparafine, arene și derivați de halogen ai hidrocarburilor.
Reacțiile substanțelor organice pot fi împărțite oficial în patru tipuri principale: substituție, adăugare, eliminare (eliminare) și rearanjare (izomerizare). Evident, întreaga varietate de reacții ale compușilor organici nu poate fi redusă la clasificarea propusă (de exemplu, reacții de ardere). Cu toate acestea, o astfel de clasificare va ajuta la stabilirea analogiilor cu reacțiile deja familiare, care apar între substanțele anorganice.
De regulă, principalul compus organic implicat în reacție se numește substrat, iar cealaltă componentă a reacției este considerată condiționat ca reactiv.
Reacții de substituție
Reacții de substituție- sunt reactii care au ca rezultat inlocuirea unui atom sau grup de atomi din molecula (substrat) originala cu alti atomi sau grupe de atomi.
Reacțiile de substituție implică compuși saturați și aromatici precum alcanii, cicloalcanii sau arenele. Să dăm exemple de astfel de reacții.
Sub acțiunea luminii, atomii de hidrogen dintr-o moleculă de metan pot fi înlocuiți cu atomi de halogen, de exemplu, cu atomi de clor:
Un alt exemplu de înlocuire a hidrogenului cu halogen este conversia benzenului în bromobenzen:
Ecuația pentru această reacție poate fi scrisă diferit:
Cu această formă de înregistrare, reactivii, catalizatorul, condițiile de reacție sunt scrise deasupra săgeții, iar produsele de reacție anorganice dedesubt.
Ca urmare a reacțiilor substituțiile în substanțe organice se formează nu simple și complexe substanțe, ca în chimia anorganică, și două substanțe complexe.
Reacții de adaos
Reacții de adaos sunt reacții în care două sau mai multe molecule de reactanți se combină într-una singură.
Compușii nesaturați, cum ar fi alchenele sau alchinele, intră în reacții de adiție. În funcție de moleculă care acționează ca reactiv, se disting hidrogenarea (sau reducerea), halogenarea, hidrohalogenarea, hidratarea și alte reacții de adiție. Fiecare dintre ele necesită anumite condiții.
1.Hidrogenare- reacția de adăugare a unei molecule de hidrogen la o legătură multiplă:
2. Hidrohalogenare- reacție de adiție cu halogenură de hidrogen (clorurare):
3. Halogenare- reacție de adiție cu halogen:
4.Polimerizare- un tip special de reacții de adiție, în timpul cărora moleculele unei substanțe cu o greutate moleculară mică sunt combinate între ele pentru a forma molecule ale unei substanțe cu o greutate moleculară foarte mare - macromolecule.
Reacțiile de polimerizare sunt procesele de combinare a multor molecule dintr-o substanță cu greutate moleculară mică (monomer) în molecule mari (macromolecule) ale unui polimer.
Un exemplu de reacție de polimerizare este producerea de polietilenă din etilenă (etenă) sub acțiunea radiației ultraviolete și a unui inițiator de polimerizare radicalică R.
Legătura covalentă cea mai caracteristică compușilor organici se formează atunci când orbitalii atomici se suprapun și se formează perechi de electroni comuni. Ca urmare a acestui fapt, se formează un orbital comun la doi atomi, pe care se află o pereche de electroni comună. Când legătura este ruptă, soarta acestor electroni comuni poate fi diferită.
Tipuri de particule reactive
Un orbital cu un electron nepereche aparținând unui atom se poate suprapune cu un orbital al altui atom care conține și un electron nepereche. În acest caz, formarea unei legături covalente are loc conform mecanismului de schimb:
Mecanismul de schimb pentru formarea unei legături covalente se realizează dacă o pereche de electroni comună este formată din electroni nepereche aparținând unor atomi diferiți.
Procesul opus formării unei legături covalente prin mecanismul de schimb este ruperea legăturii, în care câte un electron () ajunge la fiecare atom. Ca rezultat, se formează două particule neîncărcate cu electroni nepereche:
Astfel de particule se numesc radicali liberi.
radicali liberi- atomi sau grupuri de atomi care au electroni nepereche.
Reacții cu radicali liberi sunt reacții care apar sub acțiune și cu participarea radicalilor liberi.
În cursul chimiei anorganice, acestea sunt reacții de interacțiune a hidrogenului cu oxigenul, halogenii, reacții de combustie. Reacțiile de acest tip se caracterizează prin viteză mare, eliberare un numar mare căldură.
O legătură covalentă poate fi formată și prin mecanismul donor-acceptor. Unul dintre orbitalii unui atom (sau anion), care conține o pereche de electroni neîmpărțită, se suprapune cu un orbital neumplut al altui atom (sau cation) care are un orbital neumplut și se formează o legătură covalentă, de exemplu:
Ruperea unei legături covalente duce la formarea de particule încărcate pozitiv și negativ (); întrucât în acest caz ambii electroni dintr-o pereche de electroni comună rămân cu unul dintre atomi, celălalt atom are un orbital neumplut:
Luați în considerare disocierea electrolitică a acizilor:
Se poate ghici cu ușurință că o particulă care are o pereche de electroni neîmpărțită R: -, adică un ion încărcat negativ, va fi atrasă de atomi încărcați pozitiv sau de atomi pe care există o macar sarcină pozitivă parțială sau efectivă.
Se numesc particule cu perechi de electroni neîmpărțiți agenţi nucleofili (nucleu- „nucleul”, partea încărcată pozitiv a atomului), adică „prietenii” nucleului, o sarcină pozitivă.
Nucleofili(Nu) - anioni sau molecule care au o pereche de electroni singuratică, care interacționează cu regiunile moleculelor, pe care se concentrează sarcina pozitivă efectivă.
Exemple de nucleofili: Cl - (ion clorură), OH - (anion hidroxid), CH 3 O - (anion metoxid), CH 3 COO - (anion acetat).
Particulele care au un orbital neumplut, dimpotrivă, vor tinde să-l umple și, prin urmare, vor fi atrase de regiunile moleculelor care au o densitate de electroni crescută, o sarcină negativă și o pereche de electroni neîmpărțită. Sunt electrofili, „prieteni” unui electron, o sarcină negativă sau particule cu o densitate de electroni crescută.
electrofili- cationi sau molecule care au un orbital de electroni neumplut, având tendința de a-l umple cu electroni, deoarece acest lucru duce la o stare mai favorabilă configuratie electronica atom.
Nu orice particulă este un electrofil cu un orbital gol. De exemplu, cationii metalelor alcaline au configurația gaze inerteși nu au tendința de a dobândi electroni, deoarece au un nivel scăzut afinitatea electronică.
Din aceasta putem concluziona că, în ciuda prezenței unui orbital neumplut, particule similare nu vor fi electrofili.
Principalele mecanisme de reacție
Există trei tipuri principale de particule care reacţionează - radicali liberi, electrofili, nucleofili - şi trei tipuri corespunzătoare de mecanisme de reacţie:
- radical liber;
- electrofil;
- nulofilă.
Pe lângă clasificarea reacțiilor în funcție de tipul de particule care reacţionează, chimia organică distinge patru tipuri de reacții după principiul modificării compoziției moleculelor: adiție, substituție, eliminare sau eliminare (din engleză. la înlătura- ștergeți, despărțiți) și regrupați. Deoarece adiția și substituția pot avea loc sub acțiunea tuturor celor trei tipuri de specii reactive, mai multe majormecanisme de reacție.
În plus, luați în considerare reacțiile de scindare sau eliminare care au loc sub influența particulelor nucleofile - baze.
6. Eliminare:
O caracteristică distinctivă a alchenelor (hidrocarburi nesaturate) este capacitatea de a intra în reacții de adiție. Majoritatea acestor reacții se desfășoară prin mecanismul adiției electrofile.
Hidrohalogenare (adăugarea de halogen hidrogen):
Când o halogenură de hidrogen este adăugată la o alchenă hidrogenul se adaugă la mai mult hidrogenat atom de carbon, adică atomul la care există mai mulți atomi hidrogen și halogen - până la mai puțin hidrogenat.
